全 文 ：REE 示踪条带施放法研究坡面土壤
侵蚀垂直分布规律
琚彤军　田均良　刘普灵　李雅琦　张梅花
(中国科学院水利部水土保持研究所　杨陵　712100)
通过室内模拟和野外小区试验 ,采用中子活化分析手段 ,进行了运用 REE 示踪
条带施放法研究坡面土壤侵蚀垂直分布的可行性分析。结果表明 :示踪元素条带施
放法研究土壤侵蚀 ,可定量分析黄土坡面不同坡段的相对侵蚀量 ,具有满意的试验精
度 ,并揭示了产沙强度随坡长存在 3 种变化模式。
关键词 :中子活化分析 　土壤侵蚀 　示踪 REE 　条带施放法
此文于 1999 年 7 月 12 日收到。
黄土高原的侵蚀环境异常特殊 ,侵蚀情况非常复杂。在同一坡面 ,不同部位侵蚀差异显
著 ,致使土壤侵蚀垂直分布的规律性研究受到限制 ,直接影响土壤侵蚀的正确评估和水土保持
的决策 ,已引起众多科学家的关注[1 ] 。
随着 REE 示踪法在土壤侵蚀中的应用以及先进的中子活化分析手段的采用 ,坡面土壤侵
蚀垂直分布的研究 ,在实验方法和理论上均取得了可喜的进展 ,并得到了满意的观测精度。
运用 REE 示踪法研究一给定的坡面 ,其示踪元素的施放方法主要有段面法、条带法和点
穴法 3 种。段面法精度高 ,但工作量大 ,试验成本高 ,野外操作难 ;点穴法施放虽然简单 ,但定
位选择难度较大 ,试验精度较差。我们采用条带法施放示踪元素 ,并先后进行了室内坡面模拟
降雨试验和野外全坡长试验 ,全面观测分析次暴雨坡面各坡段的产沙、沉积情况。试验表明 :
利用条带法布设示踪 REE 研究坡面土壤侵蚀垂直分布 ,具有布设工作量小、试验成本低、适于
野外试验、可行性强及试验精度好的优点 ,因而具有更大的实用价值。本文就运用示踪 REE
条带布设法研究坡面不同部位的侵蚀量及变化趋势进行了讨论。
1 　试验方法
111 　试验原理
REE示踪条带施放法研究土壤侵蚀垂直分布的原理是基于假设在侵蚀坡面上的每一不
同段面内总能找到一条有限宽度的带 ,其土壤侵蚀强度等于或接近于该段面的平均侵蚀强度。
将示踪元素布设于此条带中 ,施放浓度由公式 (1) 给出 ,示踪元素在整个侵蚀过程中随泥沙一
起运移 ,采集径流泥沙样品 ,用中子活化分析方法测试样品中各示踪元素浓度 ,根据示踪元素
在坡面不同部位的施放浓度及泥沙中的平均含量 ,由公式 (2) 、(3) 、(4) 分别计算不同坡段的侵
蚀量、相对侵蚀量和试验精度[2 ,3 ] 。
Cj = KB j10 - 3/ Y j 　(g/ kg) j = 1 ,2 , ⋯, n (1)
W j = ( R j - B j) ×W / Cj = R′j ×W / Cj (2)
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Acta A gricult urae N ucleatae Si nica
rj = W j/ W = ( R j - B j) / Cj = R′j/ Cj (3)
δ =
∑
n
j = 1
W j
W - 1 (4)
　　式中 , n 为划分段面数及元素种类数 ; Cj 为第 j 条带 REE 施放浓度 ; B j 种 REE 的土壤背
景浓度值 ; Y j 为第 j 区相对侵蚀量的最小期望值 ; K 为考虑其它因素的综合保证系数 ; W j 为
第 j 个坡面部位的侵蚀量 ; R′j 代表侵蚀小区中元素浓度的净增量 ; R j 代表侵蚀泥沙中元素的
实测浓度 ; W 为整个坡面的总侵蚀量 ; rj 代表第 j 坡段的相对侵蚀量 ;δ代表侵蚀量的监测误
差。
112 　样品的中子活化分析法
将收集到的样品在室温下风干 ,均匀混合后 ,取 20g 样品过 100 目筛 ,称取其中 50mg 样
品 ,用纯铝箔包装 ,放入原子反应堆中照射 ,利用γ能谱仪在各特征能量处测定分析各个 REE
的含量。
2 　试验设计
211 　室内模拟降雨试验
为了验证 REE 示踪法研究土壤侵蚀的可行性及其精度 ,为野外试验的布设、实验解决技
术问题。在室内进行了模拟降雨试验 ,着重解决了条带布设位置的选取及技术依据 ,并观测了
不同坡段的侵蚀量及变化趋势。
从分析精度、实验成本和推广应用前景等方面考虑 ,选用 La、Ce、Nd、Sm、Eu、Dy 和 Yb 七
种 REE 作为示踪元素。这几种 REE 的化学性质极其相似 ,都具有稳定的表生地化行为。即
使同时使用多种 REE 示踪 ,也完全可以克服不同元素间化学性质的差异而引起的实验误差。
在本实验中 ,采用示踪元素条带施放与不同种类示踪 REE 段面施放的混合施放 ,以便于比较。
坡面模拟试验选在水保所侵蚀实验大厅 ,试验小区面积为 615m ×210m ,坡度为 15°,盛土
深度为 50cm ,供试土壤为当地土壤 ,采用侧喷式设备进行降雨。实施段面施放法 ,试验结束
后 ,在不破坏已有段面布设的元素分布状况下 ,只在原段面内分别加一元素不同于原段面中布
设元素的条带 ,即可实施段面与条带施放法的混合试验。整个坡面自上而下等分为 A、B、C 3
段 ,条带布设在段面的中部 ,宽度为 20cm ,施放 Yb、Nd、La3 种元素 (不同于段面法的 Eu、Sm、
Ce)如图 1 所示。施放浓度 Cj 由公式 (1) 算出 ,施放量则为 Cj 与条带体积的乘积。实验雨强
1161mm/ min ,降雨历时 30min ,采集径流泥沙样 ,利用烘干法测定降雨的泥沙总量。
212 　野外全坡长小区试验
为了扩大研究坡面的空间尺度 ,进一步验证 REE 条带施放法研究土壤侵蚀垂直分布的有
效性 ,1992 年春季在水土保持研究所安塞生态站建立全坡长试验小区 ,小区基本情况见表 1。
室内人工模拟降雨试验研究表明 ,在坡面的某一坡段内坡段下方约 2/ 3 处的土壤侵蚀强
度 ,可代表此坡段的平均土壤侵蚀强度。把全坡长小区在斜面方向上分为 6 个坡段 ,最上两个
坡段斜坡长分别为 23m 和 20m。其它 4 个坡段斜坡皆为 1715m ,因此 6 个坡段 REE 的施放位
置分别在斜坡长的 16m、37m、5415m、72m、8915m 和 107m 处。全坡长小区自上而下 REE 施
放的种类分别为 La、Ce、Nd、Sm、Eu 和 Dy ,如图 2 所示。La 的施放宽度为 0124m ,深度为
20cm ,其余 REE 施放宽度均为 012m ,深度均为 013m。每次降雨后在集流池中均匀布设 20 个
843 核　农　学　报 13 卷
采样点 ,每个采样点面积为 50cm2 ,20 个采样点总面积占池面积的 1 % ,取出每个采样点的泥
沙样 ,风干称重 ,测量稀土元素含量。
表 1 　全坡长径流小区基本情况
Table 1 　Basic condition of runoff plot
坡长
(水平投影)
Length (m)
坡宽
Width of slope
(m)
坡向
Direction of
slope
坡型
Shape of
slope
平均坡度
Average
grade
地貌部位
Parts of
landform
土壤
Sorts of soil
植被
Vegetation
100 5 东
East
直
Straight
28° 沟间地
Channel land
耕地黄绵土
Huangmian soil
裸地
Nude land
图 1 　坡面试验小区示踪元素布设示意图
Fig. 1 　The sketch map of discharging tracer
in the simulation experiment
图 2 　野外全坡长小区 REE布设示意图
Fig. 2 　The sketch map of discharging REE
in field runoff plot
3 　结果与讨论
311 　REE条带施放法可行性分析
室内坡面降雨试验的泥沙总量以及利用中子活化分析测定采集样品中各示踪元素的浓度
由表 2 列出。
表 2 　降雨泥沙中各示踪 REE的含量
Table 2 　Content of t racer in rainfall sample of runoff
降雨强度
Rainfall intensity
(mm/ min)
侵蚀总量
Gross erosion
(kg)
泥沙示踪元素平均含量
Average content of tracing elements in samples(mg/ kg)
Eu Sm Ce Yb Nd La
1161 10616 4179 ±0131 4105 ±0178 127 ±10 4185 ±1118 82 ±15 9817 ±6
　　注 :表中 Eu、Sm、Ce 为段面施放元素进入泥沙中的平均含量。
　　Note : Eu ,Sm ,Ce is an average content of tracer by section discharge method
根据条带施放元素 Yb、Nd、La 的平均含量测量结果 ,以收集的泥沙量为控制量 ,用条带侵
蚀强度作为段面的平均侵蚀强度 ,用公式 (2) 、(3) 、(4) 分别计算段面侵蚀量、相对侵蚀量及相
943　6 期 REE 示踪条带施放法研究坡面土壤侵蚀垂直分布规律
对误差。再用段面施放元素 Eu、Sm、Ce 测定结果 ,用同样方法计算上述 3 项结果 ,如表 3 所
示。
表 3 　不同地形部位相对侵蚀量、侵蚀量和相对误差比较
Table 3 　Comparison of relative erosion yield ,erosion yield and relative error
in the parts of landform
释放方法
Discharge method
地形部位
Part of landforn
上部
Upper
中部
Middle
下部
Lower
相对侵蚀总量
Relative
erosion yield
Erosion yield
λ( %)
条带法
Belt method
段面法
Section method
条带相对侵蚀量 Belt relative yield 01012 010119 010508
条带侵蚀量 Belt yield 1128 1127 5142
段面相对侵蚀量 Section relative yield 011302 011289 015503 018094
段面侵蚀量 Section yield 13189 13174 58166 - 19106
相对侵蚀量 Relative yield 01165 01103 01667 01935
侵蚀量 Erosion yield 1716 1110 7110 - 615
图 3 　降雨过程坡面不同部位
相对侵蚀量变化趋势
Fig. 3 　Change trend of relative erosion
yield in different parts of the
slope during rainfall
　　由表 3 可以看出 :以泥沙池中所收集的泥沙量作为控制量 ,以条带侵蚀强度作为该段面的
平均侵蚀强度所计算出段面侵蚀量及相对侵蚀量的误差均较大 ,为 19106 % ,但进一步分析表
明 ,上、中、下条带相对侵蚀量的比值为 1∶0145∶2186 ,与相应的段面上、中、下各部位相对侵蚀
量比值为 1∶0199∶4122 有类似的土壤侵蚀垂直分布趋势 ,与我们在降雨结束后所观察到的坡
面侵蚀形态相符。因此可以推断 ,采用条带施放法所得出的侵蚀量确实代表了条带本身的侵
蚀强度。从理论上讲 ,条带法研究土壤坡面侵蚀是无可质疑的。至于条带施放法所推算出的
侵蚀量小于段面施放法 ,这主要是由于试验中将条带布设在段面的几何中部 ,径流发生时 ,由
于泄流作用 ,中部的侵蚀强度显然要小于段面的平均强度。
为了满足野外工作开展的需要 ,通过模拟
试验提供的数据及经验数据 ,近似推算了这一
位置在距坡顶 2/ 3L 处。
312 　坡面不同部位相对侵蚀量的变化趋势
通过分析径流样中示踪 REE 的含量 ,对降
雨过程中坡面不同部位侵蚀量进行了计算 ,用
各部位相对侵蚀量对降雨时间作图 ,可以显示
坡面小区降雨试验中各地形部位相对侵蚀量的
变化趋势 (如图 3) 。
坡面上部土壤 (A 段) ,在降雨 9min 前相对
侵蚀量呈减少趋势 ,其后逐渐增加 ;在中部 (B
段) ,相对侵蚀量在降雨的大部分时间呈增加趋
势 ,而在降雨结束前几分钟略有下降。下部土
壤 (C 段) ,整个降雨过程相对侵蚀量呈减少趋
势 ,仅在降雨 12min 后减少的速率有所下降 ,且
在降雨结束略有回升。同时还可看出 ,在降雨
开始的一段时间内 ,土壤侵蚀的垂直分异现象
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相对显著 ,在十几分钟后 ,各部位相对侵蚀量间差异明显减少并渐趋稳定。
上述试验结果 ,反映出在降雨小区上 ,坡面各段位侵蚀量的分布呈 C > A > B 的总趋势 ,这
种趋势虽可能是因受到段位土体容重 ,降雨均匀等多种因素的影响结果 ,但确于实际坡面侵蚀
形态相似。比如小区中部 (B 段) ,可能由于建造小区时土体较紧实 ,侵蚀强度小于上部 (A
段) ,同时也表明了利用条带法研究坡面侵蚀的试验结果 ,客观地描述了供试小区的土壤侵蚀
垂直分布特征。
313 　野外试验精度分析
全坡长径流侵蚀小区共观测产沙 15 次 ,土壤侵蚀垂直分布各坡段相对侵蚀量的计算采用
上述 (3) 、(4)公式联立给予评价 ,15 次降雨侵蚀计算精度由表 4 列出。
表 4 　全坡长小区土壤侵蚀垂直分布计算精度
Table 4 　Calculation accuracy of vertical dist ribution erosion in runoff plot
降雨时间 Rainfall time 1993207210 1993207226 1993207229 1993207231 1994208203 1994207202
计算精度 Accuracy 01956 01755 01986 11141 01956 01957
降雨时间 Rainfall time 1994207207 1994207219 1994208203 1994208205 1994208210 1994208231
计算精度 Accuracy 01582 01412 01542 01578 01990 01362
降雨时间 Rainfall time 1995206201 1995207214 1995208205
计算精度 Accuracy 01518 01742 01589
图 4 　产沙强度与坡长的关系
Fig. 4 　Relationship between intensity of sedi2
ment yield and length of slope
　　理论上讲计算精度应为 1 ,由上表可知全坡长小区第 1 年土壤侵蚀垂直分布观测精度达
到 75 %以上 ,第 2 年和第 3 年的计算精度比较差为 50 %左右 ,土壤侵蚀垂直分布的计算精度
随时间变化而递减 ,这可能与施放条带的 REE 浓度变化或由于各条带施元素间的再沉积的影
响 ,有待于进一步研究。但是 ,全坡长小区开始几场降雨侵蚀的计算精度比较良好 ,其计算结
果仍能说明沿坡长土壤侵蚀的变化趋势 ,
对研究土壤侵蚀垂直分布确能提供重要的
数据。由于每次降雨的相对侵蚀量变化和
幅度不尽相同 ,且各坡段水平投影的差异 ,
为了比较它们的侵蚀强度变化 ,选择了 6
次观测精度较高的降雨侵蚀 ,分别计算各
坡段的产沙强度 (kg/ m2) ,表 5 列出了各坡
段的产沙强度。
分析可知产沙强度随坡长变化可能存
在 3 种模式 ,这 3 种模式前人已在小区研
究中都已提出并有观测数据证明。第 1 种
模式为增长型 ,随坡长增大 ,产沙强度持续
增强 ,如 1993 年 7 月 31 日降雨基本上显示
了这种趋势。第 2 种模式为增长递减型 ,
随着坡长增大 ,其后出现递增趋势 ,如 1994
年 8 月 10 日和 1993 年 7 月 29 日降雨出现
了这种趋势。第 3 种模式为波动型 ,存在
两次增长和两次减小过程。如 1993 年 7
月 10 日和 1993 年 8 月 3 日的暴雨侵蚀表
153　6 期 REE 示踪条带施放法研究坡面土壤侵蚀垂直分布规律
现了这种变化趋势。图 4 可说明每次降雨侵蚀的产沙强度随坡长的变化模式。
表 5 　全坡长小区各坡段产沙强度
Table 5 　Intensity of producing sand in runoff plot with each section (kg/ m2)
水平坡度
Horizontal (m)
坡度
Grade
1993207210 1993207226 1993207229 1993207231 1993208203 1994208210
0～20 20° 1151 1191 0118 0146 2109 0114
20～38 28° 4199 3159 0159 0135 20162 0161
38～54 31° 2137 2114 0149 0132 2139 1114
54～69 29° 3133 1183 0140 0122 6140 1109
69～85 29° 15149 4150 1183 1137 15193 2102
85～100 29° 8162 5194 1102 4141 15155 0180
4 　结 　语
根据室内外的试验资料分析 ,可得出下列几点认识和结论 :
(1)利用示踪 REE 条带施放法 ,根据元素平衡原理 ,可定量分析黄土坡面不同坡段的相对
土壤侵蚀量 ,并具有较好的精度。
(2)稀土元素施放后 ,随着降雨次数的增加 ,各坡段的相对侵蚀量的计算精度呈递减趋势 ,
研究认为可能与坡面沉积过程对所施稀土元素的再分布有关。
(3)通过室内模拟试验和野外小区试验 ,结果表明 ,利用 REE 示踪法定量测定不同地形部
位的相对侵蚀量 ,为土壤侵蚀垂直分布研究开辟了新的途径。
参 考 文 献
1 　朱显谟. 黄土区土壤侵蚀的分类. 土壤学报. 1956 ,4 (2) :99～102
2 　刘普灵 ,等. 土壤侵蚀稀土元素示踪法操作技术研究. 水土保持研究 ,1997 ,4 (2)
3 　田均良 ,等. 土壤侵蚀稀土元素示踪法初报. 水土保持报. 1992 ,6 (4)
VERTICAL DISTRIBUTION OF SOIL EROSION IN SLOPE WITH THE
BELT DISCHARGE METHOD OF REE TRACER
J u Tongjun 　Tian J unliang 　Liu Puling 　Li Yaqi 　Zhang Meihua
( Instit ute of Soil and W ater Conservation , Chi nses Academy of Sciences and Mi nist ry of W ater Resources , Yangli ng 　712100)
ABSTRACT
Based on the experimental data obtained from the belt discharge of REE tracer and INAA
technology in room and f ield ,the probabil ity using this method to study vertical distribution of
soil erosion in slope is analyzed. The results indicate that the belt discharge method of REE trac2
er has good accuracy and can be used to study soil erosion in slope and analyze relative erosion of
different zone in slope. The research reveals that there are three models in the degree of sand
producing with slope length.
Key words :INAA , soil erosion , t racing REE , belt discharge method of REE tracer
253 Acta A gricult urae N ucleatae Si nica
1999 ,13 (6) :347～352