利用REE示踪技术研究黄土坡面土壤侵蚀演变过程

Abstract

黄土高原土壤侵蚀是一个动态的演变过程，对坡面侵蚀的发生发展及坡面不同段侵蚀产沙特点的研究是目前侵蚀机制研究的重要内容，也是坡面侵蚀预报模型的基础，由于研究手段的相对局限性，对坡面土壤侵蚀过程的定量描述存在一定困难。本项研究采用多种REE沿黄土坡面全坡长分段与分层标记相结合的布设方法，利用室内人工模拟降雨实验和INAA技术，定量研究了22&deg;陡坡坡面在不同雨强、不同降雨历时条件下次降雨和连续降雨的坡面侵蚀产沙过程，同时对雨后坡面的泥沙沉积展开了讨论，以期为土壤侵蚀物理预报模型的建立提供新的实验资料和技术支撑。具体研究内容和结果如下：1. 提出并建立了一种新的实验布设方法根据黄土高原坡面土壤侵蚀发生发育的特点，提出并建立了沿土壤坡面分段与分层标记相结合布设多种REE的方法，利用室内人工模拟降雨试验和中子活化分析定量研究坡面侵蚀演变过程，并对REE的施放方法及其在水中的溶解情况进行了实验研究。结果表明：采用直接筛分法施放REE，其均匀程度明显高于逐级稀释法；稀土元素难溶于水；利用REE示踪技术研究坡面不同段的侵蚀演化过程具有较高的精度，试验最大误差可以控制在5%范围内。2. 研究了坡面径流量、含沙率和侵蚀率之间的关系坡面侵蚀率和径流量之间有很好的相关性，即坡面侵蚀率的变化趋势与径流量基本吻合，其相关系数为0.92－0.99。相比而言，径流量与含沙率、侵蚀率与含沙率的相关性较弱。连续降雨条件下，径流量与含沙率、侵蚀率与含沙率基本没有相关性。坡面累积侵蚀量在降雨初期增幅较小，随着降雨的进行，其增幅显著提高，降雨后期随着侵蚀基准面的出现，累积侵蚀量的增加速率基本不变。连续小雨强降雨条件下，坡面累积侵蚀量的增加速率保持恒定。3. 研究了不同雨强条件下坡面侵蚀的空间分异不同雨强的次降雨条件下，尽管总侵蚀量差异较大，但不同侵蚀段所占总侵蚀量的比例基本相近。其演变规律表现在：细沟累积侵蚀量的增幅明显大于片蚀累积量的增幅；细沟相对侵蚀量约为片蚀的5－9倍，其侵蚀量占到坡面总侵蚀量的74%--90%；沿坡长方向，从坡脚起坡面各坡段的侵蚀量分别约占到总侵蚀量的42%、46%、10%、2%，坡面侵蚀的剧烈段在坡下1/3位置，其侵蚀量约占到坡面侵蚀的80%。4. 定量分析了坡面片蚀和细沟侵蚀的变化过程次降雨条件下，片蚀和细沟侵蚀的演变过程大致可分为两个阶段：均衡阶段和分化阶段。产流初期，片蚀率和细沟侵蚀率以及累积侵蚀量基本相等，各自的侵蚀贡献率分别为片蚀34%－44%，细沟侵蚀56%－66%。后期片蚀和细沟侵蚀出现分化，细沟侵蚀处于主导地位，其平均侵蚀率为片蚀的7－9倍，相对侵蚀量约为片蚀的5－9倍，细沟侵蚀量占到坡面总侵蚀量的84%－90%。小雨强连续降雨条件下，坡面侵蚀过程较初次降雨平稳，主要表现为细沟的溯源侵蚀。细沟侵蚀率的增幅只在产流初期比片蚀高6－9倍。后期坡面处于稳定状态，片蚀和细沟侵蚀贡献率各维持在10%和90%变化不大。5. 分析了坡面不同坡段土壤侵蚀的变化过程沟头的出现是导致坡面各段侵蚀活跃的关键因素。沟头出现后，坡面侵蚀被一分为二：沟头以下为侵蚀活跃带，沟头以上则显得平稳。沟头在某一段出现后，使该段的侵蚀率增加10倍左右。次降雨条件下，坡面侵蚀的剧烈段位于坡下1/3，该段在产流初期，其平均侵蚀率和累积侵蚀量分别约为坡面中上部的21倍，侵蚀贡献率约占到坡面侵蚀的92%以上；后期坡下1/3位置的平均侵蚀率和累积侵蚀量分别约为坡面中上部的4－6倍和6－9倍，其侵蚀贡献率降到85%以下。小雨强连续降雨条件下，坡面侵蚀的剧烈段上移到距坡脚150cm－300cm的坡面中部。其侵蚀率增幅达到坡下1/3位置的4倍。坡面侵蚀并非随降雨的持续一直加剧，侵蚀至基准面后，坡面开始稳定，侵蚀减少。整个实验中，坡顶部2m段处于较稳定状态。6. 探讨了坡面沉积量分布及其来源　　次降雨后，坡面沉积物集中在距坡脚50cm--200cm的区域，沉积物主要来源于坡面表层；连续降雨结束后，坡面沉积物集中在距坡脚200cm--300cm的区域，沉积物主要来自于坡面中部的下层。</span