基于137cs示踪的农耕地水蚀模型比较研究

基于137cs示踪的农耕地水蚀模型比较研究

倾斜耕作是主要的侵沙带。研究其不同部位土壤侵蚀速率,确定重点治理部位,可以为退耕还林草提供科学依据。较早对坡耕地侵蚀产沙的研究多采用径流小区的监测方法,该方法被广泛采用,但具有监测时间长,不能监测自然状态下更宽、更长坡面的侵蚀状态等缺点。利用137Cs示踪技术研究农耕地土壤侵蚀速率已有较长的历史,所建立的模型很多,但是很多模型的建立都没有和实测值进行比较以验证其精确度,引起对137Cs示踪技术的精确度存有怀疑。国内张信宝曾对自己建立模型的精确度进行过验证,但其他的模型没有验证的报道。本研究的目的是利用已有资料,对利用137Cs示踪农耕地侵蚀速率几种模型的精确度进行验证。1模型总结利用137Cs测算农耕地侵蚀速率的模型有很多,总体分为经验模型和理论模型两种。1.1土壤侵蚀量及土壤侧比经验模型的建立是利用137Cs测算侵蚀速率,提出的时间相对较早,其基本表达式为:Y=αXβY为年土壤侵蚀量(tha-1y-1),X为土壤137Cs流失百分率(%),α、β为待定系数。经验模型仅仅适用于被研究区的侵蚀状况,由于其适用范围小,影响因素差异大,这类模型正逐渐被遗弃。1.2质量平衡模型理论模型主要包括比例模型、重量模型、幂函数模型和质量平衡模型。比例模型较为简单,认为自137Cs沉降开始后,土壤的流失量Y(tha-1y-1)与137Cs损失率x(%)成比例关系,其基本表达式为:Y=10BdX100Τ式中,d为耕作层深度(m),B为土壤容重(kg/m3),T为137Cs开始沉降到采样时的时间。重量模型的表达式为:Y=10(Aref-A)CsΤ式中,Cs为侵蚀区土壤采样时137Cs平均活度(Bq/kg),A为侵蚀点土壤中总的137Cs含量(Bq/m2),Aref为137Cs背景值。幂函数模型的表达式为:Y=ΜR[1-(An/A0)1/n]式中,A0为t0年的土壤137Cs活度(Bq/m2),An为tn年的土壤137Cs活度(Bq/m2),M为耕作层的土壤重量(kg/m2),R为侵蚀迁移土壤与耕作层土壤的137Cs活度比,n为137Cs开始沉降到采样时的时间。上述模型考虑因素简单,都没有考虑137Cs年沉降比例等问题。重量模型需要测量大量的侵蚀区的137Cs含量,从而获得Cs,困难较多,结果也不甚精确;幂函数模型则主要受确定R值的局限。质量平衡模型是目前应用较多,范围较广的一种模型,普遍考虑了137Cs年沉降比例的问题,另外还考虑了其它因素。这种模型没有统一的表达式。目前国内应用较多的质量平衡模型是张信宝提出的,其表达式为:X=YR⋅(1-ΔΗΗ)Ν-1963(1)式中,X为土壤剖面137Cs总量(Bq/m2),YR为137Cs的背景值(Bq/m2),H为耕作层厚度(cm),ΔH为年土壤流失厚度(cm),N为取样年份。周维芝在前人的研究基础上,考虑了1956-1970年137Cs大量沉降期,耕层既有137Cs输入,又有137Cs流失,1970年以后137Cs输入量很少,可认为不降尘,137Cs变化仅由土壤侵蚀引起。设ΔX为年均137Cs沉降量,a%为137Cs年流失比率,则每年土壤中137Cs含量为:Xn=X015(1-a%)n-70(1-a%)-(1-a%)161-(1-a%)(2)式中,Xn为采样时土壤中总的137Cs含量(Bq/m2),X0为137Cs背景值(Bq/m2)。杨浩建立的模型则考虑了137Cs年沉降比例,137Cs在地表富集层中的分布特征,耕作层厚度,137Cs的衰变常数以及采样年份的影响等因素,经过一系列复杂的推倒,得出如下模型:(CR-Cs)/CR=100-100[(R1XΝ+R2XΝ-1+⋯+RΝX)]/WΝkΝR1+kΝ-1R2+⋯+kRΝ-1+RΝ=WΝ}(3)上述两式中,CR为研究区内参考剖面中137Cs总含量(Bq/m2),CE为被侵蚀的土壤剖面中137Cs总含量(Bq/m2),Rt为第t年中137Cs沉降比例,X为侵蚀常数,k为137Cs衰变常数(0.977),N为M-1954,M为采样时年份。根据上述公式可以得到年土壤平均侵蚀量ER:ER=Η(1-X/k)×D×10000式中,H为耕层厚度(m),D为土壤容重(kg/m3)Walling提出的模型表达式为:dA(t)dt=Ι(t)-(λ+RD)A(t)(4)式中,A(t)为土壤中累积增加的137Cs含量(Bq/m2),t为137Cs沉降开始到采样时的年份,R为侵蚀速率(kg/m2yr),d为耕层累积质量深度(kg/m2),λ为137Cs衰变常数(yr-1),I(t)为在t时间时137Cs年沉降量(Bq/m2yr)。在模型(4)的基础上,Walling对模型进行了改进,其表达式为:dA(t)dt=(1-Γ)Ι(t)-(λ+ΡRd)A(t)(5)式中,Γ为新沉降的137Cs在混入耕作层之前的侵蚀损失率,P为侵蚀迁移土壤颗粒粒径分布与原土壤的差异。此模型考虑因素以及表达的物理意义最为合理,但是模型中的参数很难确定,并且计算很复杂,影响了其应用性。2选取,5,32江忠善根据1985~1989年安塞梁峁坡农耕地径流小区观测资料(L=20m,α=5°,10°,20°,25°,28°;α=30°,L=10m,20m,30m,40m),提出了黄土丘陵区农耕地年均土壤侵蚀速率M和坡长、坡度关系的回归经验公式:Μ=103.38×S1.114×L0.350(r=0.956**)(6)该模型是由多年的小区实测资料回归而成,因此所得数据可以作为实测资料来利用。2.1社区土样的采集在中科院水土保持研究所安塞生态网络站选择了6个农耕地径流小区,在每个小区用网格点布设采样点,为了减少样品数量,将每两行采集点的所有土样进行充分混合取一个土样,该土样代表在这两行距离的面积上小区土壤中的137Cs浓度。同时测量小区的坡度与坡长。另外,选择1958年种植的刺槐林地平坦的地块采集30cm深的土壤样品作为137Cs的背景样,样品测量后平均为2260Bq/m2。样品经风干、磨细,过40目筛,装入相同几何形状的干净塑料盒中待测。每一样品量控制在500g左右。样品测定利用美国MCA软件,用ORTEC公司生产的8192道低本底γ能谱仪进行测定,在661.6kev处测定137Cs全峰面积,测量时间为28800s。2.2对不同坡度、坡长的小区的侵蚀预测137Cs示踪技术测定的是每一立地净的土壤流失,即采样地块面积上土壤侵蚀量与沉积量的差值,而江忠善的模型是水蚀模型,即代表的是流出小区的土壤流失量,因此在利用137Cs计算小区土壤流失量时必须考虑二者概念的区别。假定我们所选择的农耕地径流小区没有因耕作而导致土壤搬运出该小区,小区土壤侵蚀只受水蚀作用的影响,则在小区内所有样点采集的137Cs的平均值代表的是小区土壤受降雨侵蚀后,在土壤内保留的137Cs浓度。根据该值计算出的侵蚀量,就代表了流出该小区的土壤流失量。根据这个原则,我们比较张信宝、周维芝与杨浩以及Walling(4)模型的精确度,计算结果见表1。从表1的分析结果看出,四种模型的计算值与江忠善经验模型的预测值基本吻合,从土壤侵蚀预测的角度来看,四种模型的计算值都是可信的,误差基本小于10%,除了在计算10m坡长小区侵蚀量时,四种137Cs模型计算值都偏大,误差大于39%,这可能与小区坡长较短,由于受耕作的影响较大,有一部分土壤被耕作搬运出小区导致。从四种模型总体测量值来看,排除误差较大的9.7m坡长的小区外,在其他5个小区,相对来说,Walling模型的精确度较高,误差从最小的-0.68%到最大6.41%;但是,从模型的计算过程来看,张信宝的模型计算最简便、快速,因此在实际应用中,如果需要更接近实际值的结果,可以应用Walling的模型,如果在保证了精确度的前提下,张信宝的模型则更简洁、快速,适用。值得注意的是:江忠善的模型是对坡长≤40m的小区土壤侵蚀量的预测,而对于超过40m坡长的坡面该模型是否适合还需要进一步的工作。但是从上表的坡长50m(投影坡长48.1m)的坡面预测值来看,江忠善的模型预测值和四种利用137Cs模型计算出的值基本吻合,因此对四种137Cs模型精确度的验证也仅限于坡长≤50m的范围内。既然在没有考虑新沉降的137Cs在混入耕作层之前的侵蚀损失率,以及侵蚀迁移土壤颗粒粒径分布与原土壤的差异等因素的情况下,张信宝、周维芝,杨浩和Walling的模型其计算值与经验模型的预测值很吻合,那么Walling的改进模型(公式5)所包含的物理意义及考虑的因素更全面,由此可以推断,利用Walling改进模型计算出的值和经验模型的预测值更吻合,假定Walling改进模型中的参数P=1,以江忠善对不同坡度、坡长小区的侵蚀量预测值作为Walling模型中的参数R值的值,以在不同小区所采集的土壤中的137Cs平均含量作为模型中的A(t)值,那么对Walling模型中最有意义而难以确定的Γ参数(新沉降的137Cs在混入耕作层之前的侵蚀损失率)可以计算,并且可以提供经验模拟,计算结果见表2。从表2的数据中基本可以看出,Γ值随着坡度的增加具有增大的趋势,由于从表1中可以知道,对10m坡长小区的预测值和计算值误差较大,因此在对Γ和坡度进行经验预测时,该点被剔除,另外,从一般的常识知道当坡度等于0时,Γ=0;当坡度=90时,Γ=1。由此对Γ和坡度进行回归分析:Y=0.0109X1.0072(R2=0.9988**,n=7)3种模型计算结果对比通过在6个农耕地径流小区的网格点采样,经过和经验水蚀模型的比较,验证了在50m坡长范围内张信宝、周维芝、杨浩和Walling利用137Cs示踪所建立的模型的精确度,表明四种模型除了对10m坡长、缓坡度的小区的计算值误差较大外,对