全 文 ：第 v|卷 第 u期
u s s v年 v 月
林 业 科 学
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¤µqou s s v
用稀土元素示踪方法研究裸露坡面沿程侵蚀与沉积
赵晓光
k西安科技学院地质与环境工程系 西安 ztssxwl
石 辉
k西南师范大学资源环境科学学院 重庆 wssztxl
摘 要 } 在黄土高原 ys °长kyβl的黄 土裸露直线坡面上每隔 ts °分别横向布设混有稀土 ¤!≥¨ !‘§!≥° !
∞∏!⁄¼氧化物的土壤条带 o在模拟典型侵蚀性降雨情况下k雨强 t1s °°#°¬±pt o历时 ws °¬±l o通过量测出口径
流泥沙过程对各时段输出泥沙及坡面沿程不同位置 y处沉积物中 y种稀土元素进行测定分析 o结果表明 o该
坡面主要产沙部位在距分水岭 vs ∗ xs °之间 ~坡面沿程各处沉积物来源分布相差不显著 ∀
关键词 } 土壤侵蚀 o稀土元素示踪 o黄土高原
收稿日期 }usst p sy p tt ∀
基金项目 }国家重点基础研究规划项目资助kussu≤…tttxsul ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΕΡ ΟΣΙΟΝ ΑΝ∆ ΣΕ∆ΙΜΕΝΤ ΑΛΟΝΓ ΤΗΕ ΒΑΡΕ
ΣΛΟΠΙΝΓ ΣΥΡΦΑΧΤ ΩΙΤΗ ΡΕΕ ΜΕΤΗΟ∆
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k Ξι. αν Υνιϖερσιτψ οφ Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψ Ξι. αν ztssxwl
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k Σουτηωεστ Χηινα Νορµαλ Υνιϖερσιτψ Χηονγθινγ wssztxl
Αβστραχτ } ≥²¬¯ ¥¨ ·¯¶²©·«¨ ²¬¬§¨ º¬·« • ∞∞¶∏¦«¤¶¤!≥¨ !‘§!≥° !∞∏¤±§⁄¼ º¨ µ¨ §¬¶³²¶¨§ √¨¨ µ¼ ²·«¨µts ° ²±
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Κεψ ωορδσ} ≥²¬¯ µ¨²¶¬²±o• ∞∞o²¨¶¶³¯¤·¨¤∏
土壤侵蚀已成为当今人类所面临的主要环境问题 o全球每年有近 uss万 «°u 土地由于土壤侵蚀导
致土地生产力全部或基本丧失 o这中间有相当一部分是人们赖以生存的农耕地 ∀在黄土高原 ozs h以上
耕地为坡耕地 o由于坡面陡峻 o加上黄土本身结构松散 o区内降水集中 !强度大等因素 o使黄土高原坡面
侵蚀相当强烈 o引发严重的水土流失 o产生一系列环境 !经济和社会问题 ∀
对于坡面侵蚀尽管已做了较多的研究 o但坡面侵蚀泥沙的来源及沿程沉积特征仍缺乏统一的认识
k•²¶¨ ετ αλqot|{v ~t|{xl o原因就在于坡面上土壤结构相近 o单从侵蚀物分析难以划分其来源 o用示踪沙
等常规示踪 o又因其与土粒特征存在较大差异而导致结果的可靠性受到怀疑k¤¯ ot||t ~≥·¤¯¯ot|{{l ∀us
世纪 zs年代中期 o利用在全球广为沉降的核爆产物tvz ≤¶作为示踪物 o研究其在土壤和沉积物中的分布 o
估算不同部位土壤侵蚀与沉积 o取得了较好的效果k≥¬°³¶²±ot|zyl ∀国内张信宝等kt|{{l也利用该方法
进行侵蚀研究 o取得了初步的成果 o但这种方法仅适宜于大时间尺度的侵蚀量估算 o对于黄土高原侵蚀
严重地段由于沉降的tvz ≤¶核素多已侵蚀殆尽 o该方法则无能为力 ∀t|{y年 oŽ±¤∏¶等kt||yl用稳定性稀
土元素k• ∞∞l示踪和中子活化分析技术成功的测定了沼泽地演变过程 o为核分析技术在土壤侵蚀研究
中的应用开辟了新途径 ∀稀土元素与土壤有较强的结合力 o在黄土高原土壤中含量甚微k田均良 o
t||ul o植物富集有限 o淋溶迁移不明显 o并且对环境无放射性危害 o因此 o为土壤侵蚀研究首选示踪材
料 ∀
t 试验设计
111 场地及示踪元素布设
试验地设在黄土高原沟壑区淳化县泥河沟流域径流场 o坡度为 yβ o坡长 ys °的平整直线坡 o表面处
理为平整裸露 o有一个重复 o土壤为黄 土 o干容重 t1v ª#¦°pv o初始含水量 tv h o其机械组成见表 t ∀
表 1 试验土壤机械组成
Ταβ . 1 Παρτιχλε σιζε διστριβυτιον οφ τεστεδ σοιλ
粒径 ≥²¬¯ªµ¤¬± §¬¤° ·¨¨µΠ°° t ∗ s1ux s1ux ∗ s1st s1st ∗ s1ssx s1ssx ∗ s1sst  s1sst
含量 ≤²±·¨±·Πh tu1{y v{1{x ts1wx tt1yy uy1tz
依坡面从上往下每隔 ts °布设 t种稀土元素条带 o全坡面共分为 y个区间k见图 tl o这样 o侵蚀后
依坡面总的侵蚀物中检出各稀土元素含量的相对值 o即可求得各区间侵蚀量 ∀施放的 y种稀土元素为
¤!≥¨ !‘§!≥° !∞∏!⁄¼的氧化物 o其施放量及部位见表 u o其条带宽 ≅深为 us¦° ≅ us¦°o施放时先以少量
kx ®ªl粒径较小 k  s1st °l的试验干土将表中所示重量的各种稀土氧化物充分掭混 o稀释形成高浓土
样 o然后再加入 x ®ª掭混 o形成次高浓土样 o最后加入能装满 us ¦° ≅ us ¦°沟槽的同种过筛土k约 u|s
®ªl充分混合 o填入挖好断面条坑之中 o夯实到与原坡面相同容重 o见表 u ∀
表 2 稀土氧化物投放量
Ταβ1 2 Αππλιχατιον χονχεντρατιον οφ ραρε εαρτη οξιδε
稀土元素
•¤µ¨ ¤¨µ·«¨¯ °¨¨ ±·
施放部位k距分水岭l
°²¶¬·¬²±k„º¤¼©µ²° º¤·¨µ¶«¨ §lΠ°
侵蚀情况
∞µ²¶¬²±Πh
投放纯量
°∏µ¨ µ¤µ¨ ¤¨µ·«¨¯ °¨ °¨·Πª
氧化物投放量
•¤µ¨ ¤¨µ·«²¬¬§¨Πª
¤ x v1x v yss w vss
≥¨ tx {1{ u zss v wss
Ԥ ux tw1s t sss t uss
≥° vx t|1v tus tws
∞∏ wx uw1y t| uu
⁄¼ xx u|1{ yu zu
图 t 示踪元素布设断面图
ƒ¬ªqt °µ²©¬¯¨ ¶®¨·¦« °¤³²± • ∞∞ ¤µµ¤±ª¨ ° ±¨·
112 实验条件及测定项目
t1u1t 降雨 采用自制野外大型人工降雨机k有效降雨面
积 ys ° ≅ ts °l喷头为侧喷式 o降雨高度 | ° o根据本区侵蚀
降雨特点 ozs h 以上侵蚀由中强度 o短历时暴雨产生k王万
忠 ot||yl o实验降雨设计为雨强 t1s °°#°¬±pt o雨量 ws °° o
历时 ws °¬±的均匀降雨 ∀
t1u1u 雨强 !雨量测定 用 t个虹吸式自计雨量计和 y个
us¦°人工雨量计量测定 o布设为 ≥型 o加权平均计算 ∀
t1u1v 径流测定 在坡面四周设水泥档板 o出口处修筑 |sβ
三角钢板堰 o用测针量测堰上水头 Ηo通过公式 Θ € t1w Ηu1x
求得不同时刻流量变化过程及总径流量 ∀
t1u1w 含沙率与产沙量 在出口三角堰下人工用桶采样 o用秒表计时 o即可求得一定体积径流中的泥
沙量 ) ) ) 含沙率 o乘以同一时刻径流量 o即得输沙量 o再乘以历时 o可得各时段产沙量 ∀
u 结果分析
211 侵蚀泥沙来源及变化
|| 第 u期 赵晓光等 }用稀土元素示踪方法研究裸露坡面沿程侵蚀与沉积
u1t1t 产沙部位 设施放浓度为 Χβϕ o径流泥沙中元素浓度为 Χϕ o背景值浓度为 Βϕ o示踪区的侵蚀量为
Γϕ o总侵蚀量为 Γ o由守恒原理有 }
Γk Χϕ p Βϕl € Γϕk Χβϕ p Βϕl ktl
ΓϕΠΓ € k Χϕ p ΒϕlΠk Χβϕ p Βϕl kul
通过kul式可计算出各示踪部位的 ΓϕΠΓ值 o再乘以它所代表部位的面积系数 o即为该部位的相对侵蚀
量 ∀经 v次相同条件下的重复试验 o用上式计算坡面总侵蚀物中 y种稀土元素的相对侵蚀量 o见表 v ∀
表 3 输移物中来源于坡面不同区段的相对侵蚀量
Ταβ . 3 Ρελατιϖε εροσιον αµ ουντ οφ δελιϖερψσεδιµεντ φροµ διφφερεντ σλοπε ποσιτιον h
区段 示踪稀土元素 平均值 最大值 最小值 变幅
°²¶¬·¬²±Π° •¤µ¨ ¤¨µ·«¨¯ °¨ ±¨·  ¤¨± ¤¬¬°∏° ¬±¬°∏° •¤±ª¨
s ∗ ts ¤ v1{s v1|x v1wt n v1|x p ts1uy
ts ∗ us ≤¨ t1wz t1xw t1vx n w1zy p {1ty
us ∗ vs ‘§ t1wv t1xy t1vu n |1s| p z1y|
vs ∗ ws ≥° v|1tu wu1x{ vz1yz n {1{w p v1zt
ws ∗ xs ∞∏ vv1su vw1uw vt1ww n v1y| p w1z{
xs ∗ ys ⁄¼ ut1ty uu1vt t|1{u n x1wv p y1vv
v次实验 oy组数据的平均变幅在 ts h以内 o且正负变幅基本一致 o因此可以认为结果是可靠的 ∀
坡面侵蚀输移物 |s h以上来自坡长 vs °以下区段 o其中 vs ∗ xs °区段占到 zu1tw h o这一段是最强烈
的侵蚀区间 ∀s ∗ ts °区段的侵蚀量大于 ts ∗ vs °区间 o这个区间由于水层薄正是雨滴击溅区 o击溅效
果明显 ~ts ∗ vs °径流逐渐变深 o雨滴击溅效果减弱 o同时径流能量还没有增长到足以形成细沟 o只能以
径流侵蚀输移单个土粒 o数量有限 ∀到 vs °断面 o由于径流汇集能量进一步增大 o以至大于土体抗剪强
度临界值 o产生了细沟 o侵蚀量成倍 !数十倍增加 ∀ws ∗ ys °区段 o由于细沟侵蚀 o径流中泥沙浓度陡增 o
输移消耗能量增大 o径流用于冲刷能量反而减小 o导致产生的侵蚀量减小 ∀
u1t1u 不同部位侵蚀强度变化 表 w为 v次实验泥沙过程样中示踪元素的浓度随时间变化平均值 o从
表 w过程变化情况来看 os ∗ xs °区段随时间延续 o侵蚀逐渐增大 o只有 xs ∗ ys °区段侵蚀量逐渐递减 o
而且 us ∗ ws °区段的递增幅度较大 os ∗ us °变化微弱 o这与前面的最终结果正好吻合 ∀
表 4 泥沙过程样中示踪元素 ΡΕΕ浓度变化
Ταβ . 4 ς αριατιον οφ ραρε2εαρτη ελεµεντσ (Ρ ΕΕ) χονχεντρατιον ιν τηε προχεσσ οφ δελιϖερψσεδιµεντ h
产流时间
׬°¨ Π¶¨¦
¤ ≤¨ ‘§ ≥° ∞∏ ⁄¼
区段 °²¶¬·¬²±Π°
s ∗ ts ts ∗ us us ∗ vs vs ∗ ws ws ∗ xs xs ∗ ys
s ∗ w tss tss tss tss tss tss
w ∗ | |t1z |u1u tut |y1w ttu {u1t
| ∗ tu tts ttx utx tyt tuv yy1|
tu ∗ t{ ts| t{u twz tuz tsy v|1y
uu ∗ uz tsz tsx tz{ tvx ttx yu1v
uz ∗ vv ttu |v1u t|{ tsz tsv wx1v
212 泥沙沉积特征
通过首次降雨实验后 o坡面 tw ° !uw ° !vw ° !ww ° !xw ° !x| °每一个断面的沉积物中包含上部各带
物质的比例较接近 o只有 ¤带及 ≤¨带在 xw ° !x| °断面处比例稍大一些 o说明各个断面产生的侵蚀物
在坡面沉降的机率基本相等 ∀¤带 !≤¨带在下部沉积机率略大的原因可能是击溅产生松散土粒中大粒
径相对较高 o导致交换发生 o也与颗粒不均匀有关 ∀
sst 林 业 科 学 v|卷
表 5 沉积物粒径变化表
Ταβ1 5 Τηε ϖαριατιον οφ παρτιχλε σιζειν σεδιµεντ h
断面位置
°²¶¬·¬²±Π°
代表区间
≥¯ ²³¨Π°
粒径 ≥²¬¯ ªµ¤¬± §¬¤°¨ ·¨µΠ°°
 v v ∗ t t ∗ s1ux s1ux ∗ s1sx s1sx ∗ s1st s1st ∗ s1ssx s1ssx ∗ s1sst  s1sst
tw ts ∗ us s t1yx t1vu u1xv wt1|w tw1vt us1z| tz1ts
uw us ∗ vs s1z| u1uv v1st {1xt wv1|x z1tv tz1sy tz1vw
vw vs ∗ ws s1zws t1vt u1|u ts1yy wt1{u v1{t uv1|w tw1{w
ww ws ∗ xs u1s| t1zz t1xt u1|{ wu1{s {1|w ut1ws t{1zw
xw xs ∗ xy t1z{ u1tv w1s| x1s{ wv1vw x1ut us1yy tz1{w
x| xy ∗ ys s t1xs t1vs v1s{ ws1uu tv1us tz1wu uw1uz
由沉积物粒径变化看k表 x !yl ouw ∗ xw °断面间有大于 v °°粒径的沉积物出现 o而且 v ∗ t °° !t ∗
s1ux °°的沉积物含量均高于 tw °断面和 x| °断面 o说明在区间 us ∗ xy ° o径流的输移能力较强 o冲刷
剪切能力也较强k  v °°颗粒产生于此段l o是细沟开始产生的位置 ∀这与前述输移物 zs h以上来自 vs
∗ xs °断面的结论较吻合 ∀
表 6 坡面输出物颗粒组成
Ταβ1 6 Παρτιχλε σιζε διστριβυτιον οφ σεδιµεντ δελιϖερψ ον τηε σλοπε
粒径
≥²¬¯ ªµ¤¬± §¬¤° ·¨¨µΠ°° v ∗ t t ∗ s1ux s1ux ∗ s1sx s1sx ∗ s1st s1st ∗ s1ssx s1ssx ∗ s1sst  s1sst
含量 ≤²±·¨±·Πh t1s{ {1xw x1zy wu1su tw1vx t{1us ts1tv
v 结论与讨论
人工典型侵蚀降雨结合稀土元素示踪表明 oys °长kyβl黄 土坡面主要侵蚀产沙部位在距分水岭
vs ∗ xs °之间 ∀
对降雨后坡面各区段沉积物的来源分析 o发现沉积物包含上部各区段物质的含量较为接近 o说明各
区段产生的侵蚀物在下部坡面各部位发生沉积的机会是相同的 ∀结论可以帮助在这一地区选择合理的
梯田田坎宽度 o同时也更进一步深化了分段拦蓄 !截短坡长等治坡措施的理论基础 ∀
参 考 文 献
田均良 o周佩华 o刘普灵等 q土壤侵蚀 • ∞∞示踪法研究初报 q水土保持学报 ot||u oykwl }uv ∗ uz
王万中 o焦菊英著 q黄土高原降雨侵蚀产沙与黄河输沙 q北京 }科学出版社 ot||y }tv| ∗ tws
张信宝 o李少龙 !王成华等 q黄土高原小流域泥沙来源的tvz ≤¶法研究 q科学通报 ot|{|kvl }uts ∗ utv
Ž±¤∏¶•  ετ αλq„¦¦µ¨·¬²± ¤±§¦¤±¤¯ ¬°³¤¦·¶¬± ¤µ¤³¬§¯¼¶∏¥¶¬§¬±ªº ·¯¨¤±§q ¶ „ ±¨ º ¶²¬¯ «²µ¬½²± °¤µ®¨µ°¨ ·«²§©²µ°¨ ¤¶∏µ¬±ªµ¨¦¨±·¤¦¦µ¨·¬²±q∞¶·∏2
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¤¯ • q黄河水利委员会宣传出版中心 q土壤侵蚀研究方法 q北京 }科学出版社 ot||t }t{z ∗ t|v
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¬¯¶ §¨ ‘¨ º ·¨¦«±²¯²ª¼¬±©¬¨ §¯¦µ²³³µ²·¨¦·¬²±q „∏¶·µ¤¯¬¤± Œ±¶·¬·∏·¨ ²© „ªµ¬¦∏¯·∏µ¤¯ ≥¦¬¨±¦¨ o¨¯¥²∏µ±¨ ot|{v }utu ∗ uty
≥¬°³¶²± ‹  ετ αλq ¤±2°¤§¨ µ¤§¬²±∏¦¯¬§¨¶¤±§¶¨§¬° ±¨·¤·¬²±¶¬±·«¨ ‹∏§¶²± •¬√ µ¨ ¶¨·∏¤µ¼q≥¦¬¨±¦¨¶ot|zy ot|w }tz| ∗ t{v
≥·¤¯¯…q坡地侵蚀与泥沙输移 q黄委会水保处编译 q北京 }科学出版社 ot|{{ }tzz ∗ tz{
tst 第 u期 赵晓光等 }用稀土元素示踪方法研究裸露坡面沿程侵蚀与沉积