黑土坡耕地不同地貌部位的土壤再分布速率

黑土坡耕地不同地貌部位的土壤再分布速率

中國東北部的黑土區(qū)主要是一個間歇性的高地形。底部土壤泥濘，表面土壤豐富，土壤疏松，耐腐蝕性低。同時，該地區(qū)降水集中，人工不適當(dāng)?shù)母鲗?dǎo)致黑土流失嚴(yán)重。根據(jù)1986年東北黑土區(qū)土壤侵蝕遙感資料,東北黑土區(qū)水土流失面積達(dá)4.47萬km2,占黑土區(qū)面積的37.9%,比建國初期統(tǒng)計的侵蝕面積增加82%。黑土區(qū)的水土流失主要集中在坡耕地,坡耕地黑土層以0.1～0.5cm/a遞減,預(yù)計不同開墾年限的黑土將在40～100a內(nèi)將完全消失。雖然東北黑土侵蝕非常嚴(yán)重,但是長期以來黑土侵蝕沒有得到應(yīng)有的重視,其中一個重要的原因就是缺乏適宜的研究方法。核素示蹤技術(shù)彌補(bǔ)了其它常規(guī)方法的不足,用于研究土壤侵蝕和沉積速率是目前土壤學(xué)及生態(tài)學(xué)前沿領(lǐng)域之一。目前,黑土區(qū)土壤侵蝕(水蝕和風(fēng)蝕)的研究基本上局限于小區(qū)監(jiān)測或土壤侵蝕模型等方法,核素示蹤技術(shù)在黑土侵蝕研究中是極為少見的。137Cs作為大氣核試驗所產(chǎn)生的人工放射性核素,以其獨特的理化性質(zhì)而成為研究土壤侵蝕和泥沙沉積的一種良好的示蹤源。準(zhǔn)確地測定研究區(qū)137Cs背景值,建立137Cs流失量與土壤再分布速率之間的定量模型是137Cs示蹤技術(shù)迫切需要解決的兩個關(guān)鍵性問題。本研究通過野外采樣和利用熱核爆炸源137Cs背景值模型來估計研究區(qū)的137Cs背景值,并與全國部分地區(qū)背景值進(jìn)行比較;利用體現(xiàn)耕作遷移的質(zhì)量平衡模型估算研究區(qū)不同地貌部位土壤侵蝕和沉積速率,同時進(jìn)行模型參數(shù)的敏感性分析。1材料和方法1.1采樣區(qū)的立地條件研究區(qū)位于吉林省德惠市松花江鎮(zhèn)西南5km的沫石河小流域(N:44°43.0′,E:125°51.6′)。屬于中溫帶半濕潤氣候,年均溫4.4℃,年均降水533.7mm,降水主要集中在6、7、8三個月。采樣區(qū)位于小流域的北坡,坡長253m,相對高差9.07～9.33m,地形為黑土區(qū)典型的漫崗臺地,包括各種地貌類型:坡頂,坡肩,坡背,坡麓和坡足。坡頂坡度平緩,平均坡度為2.6°;坡肩坡度最大,平均為3.5°;坡背平均為2.2°;坡麓和坡足部位坡度最小,平均為1.1°。采樣區(qū)為農(nóng)田,玉米連作一直是該區(qū)的主要種植方式,順向打壟和耕翻作業(yè)是該區(qū)常用的土壤管理方式。采樣區(qū)土壤屬于典型黑土亞類中的中層黑土。1.2樣品采集和測定利用地球同步技術(shù)衛(wèi)星自動聚焦水準(zhǔn)儀(GTS601AF)進(jìn)行采樣區(qū)高程和坡度的測量,用SUFER軟件繪制等高線和采樣點布設(shè)圖(如圖1)。土壤樣品采集于2002年10月,沿著北坡分別設(shè)計3個地形斷面(transect)。每個斷面相距25m,在每個斷面上選擇5個典型地貌類型分別代表坡頂(4)、坡肩(3)、坡背(2)、坡麓(1)和坡足(0)。各地貌部位分別距離坡脊28m,43m,118m,213m和253m。在每個地貌部位挖一個長為100cm寬為45cm的土壤剖面。0～50cm深度以5cm間隔采樣,50～100cm深度以10cm間隔采樣。土壤137Cs活度采用美國ORTEC公司生產(chǎn)的HPGe探測器(GEM-40190型)γ能譜儀進(jìn)行測定。該譜儀的主要指標(biāo)是:半高寬1.33MeV;相對探測效率為40%;峰康比62∶1;137Cs含量用661.6keV(射線的全峰面積計算,每個樣品測量時間為30000s;比活度采用與標(biāo)準(zhǔn)源相對比較法求得,本次測量137Cs的探測下限LLD≈0.71Bq/kg,標(biāo)準(zhǔn)誤差計算采用95%置信度。1.31熱核爆炸源背景值模型Walling和He假定137Cs通過干濕沉降到達(dá)地表,根據(jù)全球范圍熱核爆炸源137Cs總累積沉積量和全球降水分布數(shù)據(jù)來估計某個研究區(qū)域的137Cs背景值。在經(jīng)度為ue001φ,緯度為θ,降水量為P(mm)的區(qū)域,其137Cs總量A(ue001φ,θ)可表示為:A(φ?θ)=fh,z(φz)Ah,b(θb)[β+γ(Ρ/Ρ′)δ]/α(φz,θb)(1)A(φ?θ)=fh,z(φz)Ah,b(θb)[β+γ(P/P′)δ]/α(φz,θb)(1)式中,fh,z(Oz)為16個經(jīng)度帶137Cs的相對沉降量,h=1,2,分別代表北半球和南半球,z=1,2,…,8,Oz代表經(jīng)度帶位置。Ah,b(θb)為每個緯度帶137Cs總量的平均值(Bq/m2),b=1,2,…,9,θb代表緯度帶位置。P′=1mm;U,V和W為常量,與90Sr沉降模型取相似值。常量T(Oz,θb)可由下列公式計算得出:α(φz?θb)=1S?φz?θbdS[β+γ(Ρ/Ρ′)δ]=β+γS?dS(Ρ/Ρ′)δ=β+γˉ(Ρ/Ρ′)δ(2)式中,S為區(qū)域的面積(m2)?ˉ(Ρ/Ρ′)δ為區(qū)域(P/P′)δ的平均值。Walling和He利用世界各地數(shù)據(jù)校正上述提及的模型,建立一個更為準(zhǔn)確的熱核爆炸源137Cs背景值模型:A(φ?θ)=1.10fh,z(φz)Ah,b(θb)[β+γ(Ρ/Ρ′)δ]/α(φz?θb)(3)常量β,γ和δ相應(yīng)地取值0.15,0.051和0.45。根據(jù)某個研究區(qū)降水量數(shù)據(jù),由公式(3)可計算出該區(qū)137Cs的背景值。1.4不同沉積型的土壤1-利用137Cs活度和背景值之間的差異來估算研究區(qū)土壤再分布速率的模型很多,其中MBM3模型綜合考慮了137Cs在地表的富集作用,顆粒的選擇性遷移,137Cs沉降及衰變,以及耕作遷移的影響,考慮因素較多,估算結(jié)果相對比較合理。此模型考慮耕作活動引起的土壤再分配作用的影響,作了一個重要假設(shè):將土坡劃分為若干個坡段,每個坡段可近似地看成一條直線,把耕作活動導(dǎo)致的土壤損失視為耕作造成的第i-1個坡段(從坡頂計)向第i個坡段遷移的土壤量。對于發(fā)生侵蝕損失的土壤而言,137Cs總量A(t)(Bq/m2)隨時間變化可表示為:dA(t)dt=(1-Γ)Ι(t)+Rt,mCt,in(t)-Rt,outCt,out(t)-RwCw,out(t)-λA(t)(4)式中,Ct,in,Ct,out和Cw,out分別是耕作輸入、輸出和水蝕輸出土壤的137Cs活度(Bq/kg);Rt,in、Rt,out和Rw,out分別是耕作輸入、輸出和水蝕輸出的土壤量(kg/(m2·a))。凈侵蝕速率R(kg/(m2·a)可表示為:R=Rt,out-Rt,in+Rw(5)對于發(fā)生沉積的土壤而言,137Cs總量A(t)(Bq/m2)隨時間變化可表示為:dA(t)dt=Ι(t)+Rt,inCt,in(t)-Rt,outCt,out(t)+R′wCw,in(t)-λA(t)(6)式中,Cw,in(Bq/kg)沉積泥沙中137Cs含量。凈侵蝕速率R可表示為:R=Rt,out-Rt,in-R′w(7)Rt,out,i=φsinβi/Li(8)Rt,in,j=φsinβi/Li(9)式中,Φ是與耕作活動有關(guān)的常數(shù),由實驗測得;βi和βi-1分別為第i和第i-1個斜坡段角度;Li為第i個斜坡段坡長(m);R、Rt,out,i、Rt,in,i和Rw分別為土壤的凈侵蝕損失率、從第i個斜坡段輸出到下一個(即第i+1個)斜坡段的土壤量、從第i-1個斜坡段輸入第i個斜坡段的土壤量和土壤水力侵蝕速率(kg/(m2·a));H為137Cs沉降在整個土壤剖面的初始分布深度范圍內(nèi)的土壤的重量(kg/m2)。對于確定研究點,測定出βi,βi-1,Li和p,估算參數(shù)H,d和γ,輸入背景值及采樣時間后,利用英國Exeter大學(xué)Walling教授提供的軟件計算出耕作再分布速率、水蝕速率和凈土壤再分布速率。2結(jié)果與討論2.11熱核爆炸源133cs本底值模型的討論137Cs背景值是指特定地區(qū)保存下來的137Cs沉降總量,即未受擾動、非積非蝕條件下的137Cs沉積總量。準(zhǔn)確估計熱核爆炸源137Cs的背景值是利用137Cs散落值測定土壤侵蝕和沉積速率的關(guān)鍵。根據(jù)有關(guān)土壤侵蝕的野外監(jiān)測或模擬結(jié)果,坡頂部位土壤侵蝕輕微,土壤137Cs損失較少,可以將坡頂部作為未受侵蝕的標(biāo)準(zhǔn)剖面。3個斷面的坡頂部位137Cs的面積濃度分別為2147.1Bq/m2,1770.6Bq/m2和1398.9Bq/m2。坡頂部位3個點137Cs濃度差異很大,這是由于斷面1和斷面2坡頂侵蝕顯著高于斷面3,耕層土壤有機(jī)碳含量可體現(xiàn)出這一趨勢(斷面1,2,3的土壤有機(jī)碳含量依次為1.3%,1.48%,1.52%),而研究資料表明黑土未開墾前的有機(jī)碳含量在1.73%左右。由于東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,200多年前就有開墾利用,至今未開墾的荒地極為少見。為此在采樣區(qū)附近5km范圍內(nèi)選擇平坦的坡頂、老墳地和防風(fēng)林地(>25a)作為研究區(qū)的參照樣地(N=8),其137Cs活度介于1728.68～2463.64Bq/m2之間,考慮到研究區(qū)137Cs本底值應(yīng)該高于2147.1Bq/m2,取剩余5個點的137Cs活度平均值2376.81Bq/m2為研究區(qū)137Cs本底值(表1)。以上估計是通過野外尋找未擾動樣地測定其137Cs含量來獲得。但是,對于一個很難找到適宜參照點的區(qū)域,一個近似的本底值估計是非常有用的。為了驗證熱核爆炸源137Cs本底值模型的正確性,根據(jù)全國部分水土流失區(qū)的研究結(jié)果,將模型預(yù)測值和實測值進(jìn)行對比。由表2可知,太湖流域、雅魯藏布江中游地區(qū)以及青藏高原南部地區(qū)模型的模擬值和實測值較為接近,而青海共和盆地、陜北黃土高原、青藏高原中北部地區(qū)的模擬值和預(yù)測值有較大差距,可能的原因是這3個區(qū)域靠近中國西北核試驗基地,受137Cs干沉降影響強(qiáng)烈。離核試驗基地越遠(yuǎn),模型預(yù)測的結(jié)果越接近實測值。另外,由于137Cs本底模型未考慮前蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏事故,其計算值可能低于實際值,這在表2中也有所體現(xiàn)。根據(jù)研究區(qū)多年平均降水資料,利用熱核爆炸源137Cs本底值模型預(yù)測的研究區(qū)137Cs本底值為2318.4Bq/m2,預(yù)測值與實測值比較接近。雖然太湖流域降水量大于東北黑土區(qū),但黑土區(qū)的模擬值和實測值均大于太湖流域(2148Bq/m2和2200Bq/m2)。在北緯50°以內(nèi),137Cs沉降量隨緯度的增加而增加,137Cs沉降量雖然和降雨有關(guān),但是兩者的相關(guān)性不是常數(shù),而是隨時間和空間的變化而變化。黑土區(qū)遠(yuǎn)離西北核試驗基地,模型預(yù)測的結(jié)果有一定參考意義,因此將研究區(qū)137Cs本底值定為2376.81Bq/m2是比較合理的。2.21坡足及其他地形地貌由圖2可以看出,137Cs空間分布主要受地形垂直分異因素控制,大致從西北向東南先減小后逐漸增大,中坡位(坡肩和坡背)含量最低,分別為1052.7±381.67Bq/m2和1347.16±299.56Bq/m2;坡頂次之,平均為1772.2±374.1Bq/m2;坡麓和坡足含量最高,分別為2568±583.52Bq/m2和3451.2±2226.21Bq/m2。另外,3個斷面坡足部位137Cs含量的標(biāo)準(zhǔn)差較大,主要由于微地形變化影響137Cs的空間分異。坡足位于集水盆地的出水口,3個斷面坡足采樣點相對高程差異最大,斷面3的坡足137Cs含量低于背景值,表現(xiàn)為侵蝕狀態(tài),而斷面1和斷面2高于背景值,土壤則表現(xiàn)為明顯的沉積。根據(jù)MBM3模型計算各地貌部位土壤再分布速率(表3)。整個研究區(qū)土壤再分布速率介于-79.78～52.56t/(hm2·a)之間。坡頂侵蝕微弱,平均侵蝕速率為12.11t/(hm2·a);坡肩侵蝕最嚴(yán)重,平均侵蝕率為33.56t/(hm2·a);坡背次之,平均為21.67t/(hm2·a);坡麓和坡足表現(xiàn)出明顯的沉積,平均沉積速率為-4.93t/(hm2·a)和-24.61t/(hm2·a)。由于研究區(qū)地形坡度較小(1.1°～3.5°),耕作侵蝕所占比例較小。黑土區(qū)低緩的漫崗地不同于黃土高原坡度較大的丘陵地形,那里耕作侵蝕往往占有很大的比例。按照吉林黑土的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)土壤侵蝕程度劃分為沉積(<0t/(hm2·a))、輕度(0～15t/(hm2·a))、中度(15～50t/(hm2·a))、強(qiáng)度(>50t/(hm2·a))4個侵蝕強(qiáng)度級別。由圖3可知,全區(qū)大部分處于中度侵蝕、輕度侵蝕及無侵蝕狀態(tài),分別占全區(qū)面積的46.39%和37.27%,土壤沉積面積占全區(qū)面積的15.62%,強(qiáng)度侵蝕僅占全區(qū)總面積的0.7%。2.3耕地層土壤侵蝕速率隨時間的變化因為137Cs沉降通量I(t)由熱核試驗的歷史決定,137Cs含量與模型預(yù)測的土壤再分布速率之間的關(guān)系只受到參數(shù)γ、H、d和p的影響。參數(shù)γ是指耕作活動之前耕作土壤上的137Cs年沉降量易受侵蝕的比例,γ值取決于本地降水分配和耕作時間。如果高強(qiáng)度降水事件在耕作之前不久發(fā)生,短時間內(nèi)產(chǎn)生的地表徑流遷移已富集在土壤表面的137Cs,此時,γ值近似等于1.0(γmax)。如果降水的現(xiàn)象在137Cs混入耕層之后立即發(fā)生,降水發(fā)生前累積在土壤表面的137Cs混入耕層,僅在此次降水中沉降的137Cs易被遷移,此時,γ值等于產(chǎn)生地表徑流的降水量與年總降水量之比。一般γ值介于γmin到1.0之間,如果每年多于一次耕作活動,γ值的估計需要考慮每次耕作時的降水模式。參數(shù)H表示137Cs沉降在整個土壤剖面初始分布的質(zhì)量深度(kg/m2),對于特定地段的土壤需要一個試驗來測定H值。根據(jù)He等人研究,認(rèn)為H值等于4.0kg/m2,本研究也采用此值進(jìn)行計算。d為耕作層土壤重量(kg/m2),根據(jù)137Cs是剖面分布格局,耕層厚度一般不超過20cm,研究區(qū)耕層土壤容重在0.95～1.35g/cm3之間,根據(jù)Walling等介紹的方法,研究區(qū)耕作層土壤重量d值介于190～270kg/m2之間。P為顆粒校正因子,即沉積土壤與侵蝕遷移土壤的137Cs活度之比,由于137Cs易吸附在顆粒粒徑較小、易遷