4.2.2 137Cs侵蚀评估
4.2.2.1 研究区本底值
研究区137Cs本底值的确定是使用137Cs示踪技术评估土壤侵蚀的基础，可以直接通过比较本底值与采样点的面积比活度作为该点是否发生了侵蚀或者堆积的依据，也是多数137Cs侵蚀模型的重要的输入参数。确定研究区本底值最直接的方法就是该地区选择符合标准的取样点直接采集土壤样品，一般需要选择地势平坦，无侵蚀无堆积的草地或者农地的137Cs面积比活度作为本底值。实测结果还需要与其他研究者在附近区域测定的本底值进行对比，以提高该本底值的可信度。
本底值采样点位于侵蚀研究山地往南约1000m处低山顶部，四周地势平坦，早期围绕顶部人为筑起土堤约半米，植被覆盖以针叶林为主，根据树干半径初步估计树龄约40年。土壤样品采集间隔2cm，深度约30cm，样品处理与分析与前文所述一致，根据式（4-1），土壤密度取1.5g/cm3，测得本底值为960Bq/m2，据有关资料记载，贵州省普定县2007年的本底值为805Bq/m2[154]，贵州省清镇市2008年的本底值为920Bq/m2[34]，齐永青等[29]综合多个实测数据计算2000年云贵高原的本底值的平均值为1084Bq/m2，这些值换算为2013年的本底值分别为710Bq/m2、821Bq/m2、825Bq/m2。这些区域的本底值与本研究区的137Cs本底值比较接近，说明研究区本底值取960Bq/m2比较合理。
4.2.2.2 剖面浓度分布特点
图4-5和图4-6分别为双龙塘和新中村18个剖面中137Cs的浓度分布曲线。
通过对图4-5和图4-6中18个剖面的137Cs浓度分布曲线的对比分析，可以看出以下几点规律：①非农耕地剖面[如XP（1）、XP（2）、XP（3）、2XP（3）和2XP（4）等]137Cs主要分布在土壤表层0～8cm，农耕地剖面[如XP（4）、1XP（2）、1XP（3）和2XP（2）等]137Cs主要分布在土壤表层0～20cm；②137Cs在剖面浓度分布趋势上来看，非农耕地剖面随深度增加呈指数形式减小，农耕地剖面整体分布趋势相对比较均匀；③18个剖面半数以上的剖面137Cs浓度最高值位于表层以下约5cm的深度。
图4-5（一） 双龙塘采样区137Cs浓度分布图
图4-5（二） 双龙塘采样区137Cs浓度分布图
图4-6（一） 新中村采样区137Cs浓度分布图
图4-6（二） 新中村采样区137Cs浓度分布图
图4-6（三） 新中村采样区137Cs浓度分布图
在非耕作土和未扰动的土壤中，137Cs主要分布在土壤剖面的上部，并富集在0～5cm[198，199]，本书结果与前人研究结论比较接近。采样点位于农耕地的剖面中，137Cs主要分布在0～20cm，张信宝等在利用137Cs评估黄土高原侵蚀的研究中，数据显示农耕地137Cs主要分布在0～30cm的深度，高于本研究中所测数据，可能跟两个地区的农业耕作方式有关。农耕地137Cs的浓度分布主要受翻耕及田间管理作用影响，黄土高原地区大部分地区地形平坦，适于机械化耕作，而本研究区位于丘陵地带，主要以人工耕作为主，耕作深度小于前者。伏介雄等[46]认为自然状态下137Cs在土壤中的迁移方式主要有两种：①分子扩散作用引起的下渗；②由土壤水分淋溶作用导致的迁移入渗。若扩散起主导作用，则表层土壤中的137Cs浓度永远大于深层土壤，若淋溶作用较强，次表层土壤137Cs浓度将高于极表层。本研究区多数剖面137Cs浓度最高值位于表层以下，可能反映了该地区存在较强的淋溶作用。
4.2.2.3 面积比活度特点
图4-7和图4-8分别为双龙塘和新中村18个剖面137Cs面积比活度随海拔变化的趋势。
图4-8中，双龙塘9个采样剖面137Cs面积比活度最低值为150Bq/m2，最高值为1600Bq/m2，均值为875Bq/m2。通过与背景值曲线对比，容易发现，在该采样区两个坡地山顶和中间山谷部位发生侵蚀，山腰和山脚发生沉积，9个采样点构成下凹曲线（M形）。
图4-7 双龙塘采样点137Cs面积比活度对比
图4-8 新中村采样点137Cs面积比活度对比
图4-8中，新中村9个采样剖面137Cs面积比活度最低值为201Bq/m2，最高值为4400Bq/m2，均值为1268Bq/m2。通过与背景值曲线进行对比，在该采样区两个坡地山顶和中间山谷部位发生沉积，山腰和山脚部位发生侵蚀，9个采样点的构成上凸曲线（W形）。
双龙塘两个坡地山顶地形相对陡峭，容易发生侵蚀，由于人为扰动较少，侵蚀物质易堆积在山麓和山脚部位，山谷部位受地表径流冲刷易发生侵蚀。新中村两个坡地山顶地形平缓，易发生沉积。由于地形平缓易受人类活动影响，在山麓和山脚部位土地利用类型主要为农耕地，两个部位易发生侵蚀，侵蚀物质随地表径流堆积在山谷部位。总体来说，双龙塘和新中村两个采样区侵蚀分布的差异主要由地形和人为扰动两个主要因素引起。
4.2.2.4 土壤侵蚀强度计算
农耕地侵蚀速率计算使用杨浩质量平衡侵蚀模型，非农耕地侵蚀速率计算使用本文开发的移动边界侵蚀模型。土壤侵蚀强度分级标准依据表4-2，来源于表4-3为不同侵蚀类型区采用的不同允许土壤流失量。
表4-2 土壤侵蚀强度分级标准表
表4-3 各侵蚀类型区允许土壤流失量 单位：t/（km2·a）
表4-4中，18个采样点共包括11个侵蚀点和7个沉积点。11个侵蚀点侵蚀模数最大值为1191t/（km2·a），最小值为9t/（km2·a），侵蚀模数平均值为696t/（km2·a），数据波动性比较大。依据土壤侵蚀分级标准，11个侵蚀点包含6个微度侵蚀点和5个轻度侵蚀点。虽然平均侵蚀模数631t/（km2·a）略大于该区域允许土壤流失量500t/（km2·a），但是XP（1）、XP（5）、2XP（3）和3XP（4）四个点的侵蚀模数明显大于最大允许土壤流失量。除此之外，研究区共有7个土壤沉积点，沉积模数最大值为1430t/（km2·a），最小值为39t/（km2·a），沉积模数平均值为538t/（km2·a）。侵蚀模数平均值减去沉积模数平均值，得到该区域的土壤净侵蚀模数为158t/（km2·a）。
表4-4 采样点侵蚀和沉积速率估算结果
4.2.2.5 讨论
1.137Cs侵蚀评估法适用于喀斯特非石漠化地区
张信宝在进行西南地区侵蚀的相关的研究中，认为137Cs示踪法不适用于贵州喀斯特坡地土壤侵蚀评估，原因主要包括三点：①喀斯特坡地土壤粒度粗，样品土壤＜2mm的细土平均含量仅24.8%，土层薄，137Cs吸附总量有限，测出的研究区坡地137Cs平均面积活度仅261.1Bq/m2；②岩溶坡地裸石面积比例大，核爆期间随降水沉降到裸石上的部分137Cs尘埃随径流直接流失，未被土壤吸附；③通过对喀斯特土壤糯滑的现象的观察和分析，发现纯碳酸盐岩石质山地可以看作一个布满“筛孔”的石头“筛子”，溶沟、溶槽和洼地被土壤塞住的形状不一，大小不等的“筛孔”，“筛孔”内的土壤通过地下流失，充填土下化学溶蚀和管道侵蚀形成的孔隙和孔洞，部分进入地下暗河，由此认为喀斯特地区的土壤流失是地上流水侵蚀和地下化学溶蚀、重力侵蚀叠加的结果。137Cs核素示踪法只能适用于侵蚀方式以流水侵蚀为主的地区，如果研究区侵蚀方式以化学溶蚀和重力侵蚀为主，使用该方法估算出来的侵蚀速率则会大大高于实际值。
本研究区内植被覆盖率约在80%，无明显裸石分布，土壤黏土颗粒含量较高，地貌和土壤具备较好的137Cs的吸附条件，18个采样剖面中有9个剖面137Cs面积活度达到了800Bq/m2以上，也很好地证明了这一点。研究区是否存在土壤地下漏失可以根据剖面137Cs浓度分布来进行判定，魏兴萍等[77]对重庆岩溶槽谷区山坡进行土壤流失和漏失的研究中，认为存在地下漏失的剖面底部的137Cs浓度要高于上部，本研究所有剖面没有出现此类现象，同时认为岩溶区的地下漏失并非到处可见，往往发生在岩石裸露率高、人为干扰性强的地区。除此之外，也可以从剖面的137Cs总量来说明，研究区所有剖面面积比活度平均值为875Bq/m2，背景值为960Bq/m2，两者相差仅85Bq/m2，如果存在严重的地下漏失，差值要远大于这个值。综上所述，说明在本研究区使用137Cs核素法是可行的，而张信宝的结论可能只适用于喀斯特石漠化地区，非石漠化地区并不适用。
目前开发的多数水蚀模型也是基于坡面侵蚀原理而构建，本研究中使用的Geo WEPP进行坡面和流域侵蚀估算也是根据此原理，如果研究区存在严重土壤地下漏失，则此类模型将不再适用，所以论证研究区是否存在土壤地下漏失对是否可以使用GeoWEPP模型也起着重要的作用。
2.研究区土壤侵蚀特点
双龙塘两个坡地在山顶和山肩侵蚀明显，山麓和山脚以及山谷存在土壤堆积作用，说明坡地存在土壤向下的堆积。新中村两个坡地山顶和山麓存在土壤堆积，其中2XP（1）剖面总面积比活度甚至达到4000Bq/m2以上，远高于背景值960Bq/m2，这主要可能跟山顶平缓的地形有关，山顶土壤表层厚达5cm以上的凋落层也会减小水力的侵蚀作用，山麓和山脚部位以侵蚀为主，主要可能跟强烈的人为扰动有关，山谷部位出现堆积，山顶以下仍存在土壤向下堆积的规律。通过对比两个研究区侵蚀分布特点，可以得出以下两个结论。①研究区地形和土地利用对侵蚀地起到很大的影响作用，在人为扰动少，山顶陡峭的坡地，侵蚀以常以M形式；在人为扰动大，山顶平缓的坡地侵蚀以W形式。②岩溶坡地土壤明显向下的堆积作用，反映了研究区存在坡面侵蚀作用。
贵州省全省土壤侵蚀总量为27075万t，平均土壤侵蚀模数为3530t/（km2·a），据研究，南、北盘江贵州境内的土壤侵蚀模数高达4971t/（km2·a），乌江贵州境内的平均侵蚀模数也达4122t/（km2·a）[200]，本研究区平均土壤侵蚀模数只有696t/（km2·a），远低于平均值，但是仍然不能忽视，碳酸盐岩溶地区成土速率十分缓慢，不能以绝对侵蚀量来评估侵蚀，应当用最大允许土壤流失量来评估，依据表4-3南方采用的允许土壤侵蚀标准为500t/（km2·a），研究区侵蚀模数略大于该值，说明该地区水土保持工作进展良好，没有发生严重的水土流失。
在贵州省全省176167km2的土地中，侵蚀面积占了41.62%，其中，微度和轻度侵蚀面积约占40%，中度侵蚀约占12%，强度约占4%，极强度约占0.79%[200]，本研究区侵蚀级别主要以微度和轻度为主，而轻度侵蚀侵蚀类型往往以坡面侵蚀为主。研究表明，旱坡耕地是贵州省水土流失最主要的来源地[200]，研究区新中村山麓和山脚部位农耕地侵蚀模数达到1000t/（km2·a）以上，也很好地证明了这一点。
地表在侵蚀过程中，同时受到机械侵蚀和化学侵蚀作用，流域内由于受现代侵蚀环境的影响，两作用力很不均衡，即一地区的物理侵蚀作用过程较弱，则化学侵蚀作用过程就相对较强[166]。研究表明，黄河中游物理侵蚀率和化学侵蚀率的比值平均为75左右，长江中上游地区比值仅为2～5[164]。本研究区侵蚀平均模数为696t/（km2·a），亚洲大陆侵蚀模数平均值为300t/（km2·a），两者处于同一数量级下，但从侵蚀作用来看，研究区的物理侵蚀强度并不高，再结合上文137Cs易在次表层以下富集的特征，推断研究区存在较强的化学侵蚀作用，物理侵蚀作用不强。
3.研究区石灰土成土方式
研究表明，乌江流域碳酸盐岩地区石灰土的成土方式主要有以下三种[159]：①原位风化成土；②原位侵蚀-风化成土；③流体携带-堆积-成土。碳酸盐岩原位风化成土作用一般只发生在碳酸盐岩所形成的平顶山山顶的凹陷部位，只发生碳酸盐岩风化成土作用而无明显的侵蚀和沉积作用[159]。在本研究的18个剖面中未发现此类剖面。原位侵蚀-风化成土一般发生在坡地或山腰山[159]，剖面同时存在原位的风化成土作用和表层土壤的侵蚀作用，本研究中双龙塘两个坡地山顶、山腰以及新中村两个坡地的山腰部位属于此类型。流体携带-堆积-成土一般只发生在山脚或者洼地，通常见不到岩土界面，碳酸盐岩原位风化成土作用微弱，但堆积物的次生作用强烈[159]。双龙塘两个坡地的山脚部位属于此类型，而新中村采样区不仅在山脚部位，在山顶部位也出现堆积作用，其中2XP（1）剖面137Cs面积活度高出背景值约5倍，反映在平缓的山顶部位也容易发生强烈的堆积作用。