肖 海，夏振尧，杨悦舒，梁永哲，詹槟赫

（1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌443002；3.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌443002）

由于长期不合理的土地利用方式，加之较频繁的侵蚀性降雨，导致三峡库区水土流失严重，不仅致使库区土层日趋贫瘠，当地农业生态环境逐渐恶化，而且水库泥沙淤积给三峡工程和长江中下游的安危造成极大威胁［1］。小流域是水土保持研究的基本单元，对其侵蚀产沙空间分布的了解是预测和防治流域水土流失的重点［2］。

稀土元素（REE）由于其性质稳定，能够被土壤颗粒强烈吸附，植物富集有限，淋溶迁移不明显，对环境无放射性危害，有较低的土壤背景值，并可人工同时施放多种稀土元素示踪，使研究的目的性和精确度提高等特点［3］，因此已被应用于小流域泥沙来源示踪方面的研究。吴普特和刘普灵［4］最先对坡面—沟坡连续体模型REE施放方法进行了试验，以期为黄土高原小流域泥沙来源观测提供理论基础。石辉等［5］通过室内模拟试验，将REE示踪法引入黄土高原小流域泥沙来源研究。其研究结果证明REE示踪法可比较满意地说明小流域侵蚀产沙空间分布情况。Polyakov等［6－7］将稀土元素均匀播撒在小流域不同地貌部位，从而定量分析了小流域不同地貌部位土壤侵蚀及沉积的空间分布。综上所述，利用REE示踪技术研究小流域侵蚀产沙空间分布规律具有一定的优势，但是其研究成果多集中在黏粒和粉粒含量较高的黄土区及粉砂壤土地区。由于不同土壤颗粒粒径对于REE元素吸附能力存在较大差异［3，8］，因此 REE示踪技术在土壤砂粒含量较高且泥沙分选较强烈的三峡库区小流域是否能够应用仍需进一步研究。

本研究以三峡库区主要土壤类型紫色土为研究对象，通过建立小流域微缩模型，结合人工模拟降雨试验及REE示踪技术，计算该小流域不同地貌部位侵蚀量及相对贡献比例，并分析沟道系统与坡面系统相对贡献比例。开展本项研究，能够为REE示踪技术在三峡库区野外小流域的应用提供技术支撑，并为该地区水土流失预测模型的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 建立小流域模型

研究区位于三峡库区湖北宜昌段，以秭归县水田坝乡的王家桥小流域（31°12′—31°15′N，110°40′—110°43′E）为原型，通过实地勘察，按1∶100的比例尺将其微缩模型建于三峡大学人工模拟降雨试验场。小流域模型外围边界用红砖及水泥砌成，模型中下层铺设砂土以便透水。上层铺设10cm厚的紫色土层，其铺设过程如下：首先，使用逐步稀释法将不同稀土元素氧化物（La2O3，CeO2，Nd2O3，Sm2O3，Eu2O3，Tb4O7，Ho2O3，Yb2O3共8种）分别均匀混合于其中；其次，根据流域地形图，以坡面和坡沟分界处每50cm取一点作为控制点，并根据控制点在模型中描绘沟缘线；然后，确定小流域中不同地貌部位的分区；接着，以铝皮隔开各分区，内部插上铁丝控制释放深度，将混合有稀土元素的紫色土按照1.3g／cm3的容重逐层地均匀铺设于各分区之中，铺设过程中适当洒水；最后，铺设完成后用小铁铲等工具修整小流域微地貌，洒水养护，用防雨布遮挡静置三个月，以备试验。

建成后小流域模型面积约为20m2，其最高处约1.3m，最低处高约0.4m，位于小流域出口处。由一条主沟、两条支沟组成。主沟长约5.5m，上半主沟沟底坡度为10°～15°，沟壁坡度为20°～35°；下半主沟沟底坡度为0°～9°，沟壁坡度为15°～30°。支沟位于主沟两侧，左支沟长约2.2m，沟底坡度小于5°，沟壁坡度在25°～35°；右支沟长约1.9m，沟底坡度小于5°，沟壁坡度在15°～30°。各坡面坡度在10°以内，下半坡面坡度整体比上半坡面坡度要大。综合考虑了坡、沟系统的分布以及稀土元素的种类和用量后，将小流域划分成14个小区域。分别用8个符号代表8种泥沙来源地：Ⅰ为La2O3区；Ⅱ为Yb2O3区；Ⅲ为CeO2区；Ⅳ为Sm2O3区；Ⅴ为Eu2O3区；Ⅵ为Tb4O7区；Ⅶ为Nd2O3区；Ⅷ为Ho2O3区。

1.2 稀土元素释放浓度

按以下公式计算试验小流域各区域稀土元素释放浓度［9］，结果见表1。

式中：Cj——j区第j 种元素的施放浓度（mg／kg）；Bj——土壤中第j种元素的背景值浓度（mg／kg）；λj——第j区相对侵蚀量的最小期望值；K——考虑到其它因素的综合保证系数。

表1 稀土元素释放量计算结果

1.3 人工降雨过程及处理

人工降雨试验在三峡大学人工模拟降雨试验场开展。60，90，120mm／h三次降雨时间依次为2012年10月27日、2012年11月1日以及2012年11月10日。降雨设施采用南京南林电子科技生产的NLJY-10-01型便携式人工模拟降雨系统，降雨高度4m，由9组大中小喷头均匀喷出雨滴，降雨均匀度大于0.86，降雨强度为60，90，120mm／h。利用均匀分布于小流域中的雨量筒，通过多次测定平均降雨强度对降雨强度率定。每次降雨开始前，先对小流域进行雾化降雨使土壤表层湿润，直至接近产生地表径流。然后，将降雨强度调至设定值，在降雨开始产流后开始计时，以2min为时间间隔接取全部泥沙样品以待测试，同时照相，并对试验过程进行记录。降雨30 min结束后，覆盖防雨布以备下次试验使用。泥沙样品接收后静置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并将下部泥沙烘干称重保存于自封袋中。

1.4 稀土元素含量分析

本研究采用ICP-MS方法测定土壤及泥沙样品中的REE含量，其样品制备方法如下：取0.025g样品放入聚四氟乙烯（PTFE）材质的消解罐之中，然后缓缓加入0.5ml优级纯浓硝酸（HNO3）和1ml优级纯浓氢氟酸（HF），盖好罐子后放入钢套之中置于烘箱中用185℃加热24小时。待冷却后开盖，取出PTFE内罐放入电热板上用130℃的温度蒸发至近干，然后加入1ml优级纯HNO3继续蒸发至近干，再重复加酸、蒸干一次。之后往PTFE内罐中加入5ml的1∶1的HNO3，封盖后在放入钢套中置于130℃的烘箱中复溶。三个小时后取出，待PTFE内罐冷却后倒出液体至50ml的容量瓶中定容，摇晃均匀后取10 ml溶液放置于10ml离心管（EP管）待测。将EP管接入电感耦合等离子体质谱仪（IPC-MS，赛默飞世尔科技公司X Series 2）测量8种REE元素的含量。每批样品测定之前，进行标准曲线测定。为了保证分析精度，测量每个样品时，加入浓度为10μg／L的Rh和Re元素作为内标一起测量。

1.5 数据处理

小流域中各分区土壤的侵蚀量、贡献率及计算误差用以下公式计算［9］：

式中：wj——j示踪区的侵蚀量（kg）；Rj——侵蚀泥沙中第j种稀土元素的实测浓度（mg／kg）；Bj——土壤中第j种稀土元素的背景值（mg／kg）；W——所接泥沙实际重量（kg）；γj——j区的相对侵蚀量（kg）；σ——侵蚀量的计算误差。

2 结果与分析

2.1 径流量及土壤侵蚀量变化

表2表示三次降雨径流量及侵蚀量对比，可以看出，径流量随着降雨强度的增大而增加，但是增加幅度相差较大。虽然三次降雨强度均相差30mm／h，但与60mm／h相比，90mm／h径流量增加325.106kg，120mm／h相对于90mm／h只增加261.616kg，增幅减少了19.53%。分析认为，第一场60mm／h降雨前虽然进行了预湿润，但其下层土壤并未饱和，降雨过程中入渗较大，从而使得径流量减小。而随着第一次降雨的进行，土壤基本趋于饱和，后两次入渗相对较小，径流量增加，从而导致在三场降雨过程中径流增幅减小。

与径流量变化规律相同，三场降雨侵蚀量随着降雨强度的增大而增加，且增加幅度相差较大：降雨强度为90mm／h侵蚀量比60mm／h增加20.852kg，120mm／h侵蚀量比90mm／h增加1.79kg，增幅较前两场减少91.42%，这个增幅远小于同期径流量的增幅。60mm／h降雨结束后坡面仅出现了细沟雏形，细沟并未完全发育，因此侵蚀量较少。而在随后的90mm／h降雨强度下，侵蚀量陡增，主要是由于在前场降雨的基础上，一方面坡面细沟继续发育，而且较大的降雨强度导致了较快的发育速度［10］；另一方面较大的径流量使得沟道侵蚀迅速增加［11］。在120 mm／h降雨强度下，由于坡面细沟以及沟道发育已经较为稳定，降雨强度及径流量的增加并不能导致侵蚀量的显著增加，因此在整个降雨过程中侵蚀量增幅不大。

2.2 侵蚀量和相对贡献率分析

由于本研究中小流域侵蚀是在连续三场降雨的情况下发生，每次降雨之后并不恢复原始地貌，下次降雨是在上次降雨的基础上进行。因此，随着流域内沟道的发育，各部位的侵蚀量及相对贡献率均发生了变化（图1）。由图1可知：整体上三场降雨中侵蚀量的空间分布规律一致，均是主沟沟道Ⅴ、Ⅵ区最大，靠近主沟的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域边缘的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区侵蚀量相对较小。分析认为，这主要与各部位的坡度及位置有关，Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区位于小流域周边，无其他区域汇集径流流于这三个区域，而且坡度较小，因此发生的侵蚀不多；而靠近主沟的Ⅱ、Ⅳ及Ⅷ三区虽然坡度也不大，但是由Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区产生的径流汇集冲刷，因此其侵蚀量相对于Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区均略有增大；而主沟沟道Ⅴ、Ⅵ区由于坡度大而且有各区径流汇集于其中对沟底及沟壁进行冲刷产生侵蚀，因而这两区侵蚀量远大于其他各区。这个规律表明小流域内侵蚀以主沟为为中心，向四周逐渐减弱。然而各区侵蚀量的变化均随雨强增大呈现不一样的规律：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ四区侵蚀量随雨强增加而增大，而Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ四区侵蚀量却随雨强增加呈现先增加后减小的趋势，同时在降雨强度从60mm／h增加到90 mm／h时，各区侵蚀量增幅较大，这是因为雨强增大，雨滴能量及径流量增加导致坡面和沟道侵蚀量均大幅度增加［10－11］。而雨强从90mm／h到120mm／h时变化幅度较小，分析认为，经过前两场降雨的侵蚀，小流域内坡面细沟及沟道发育较为成熟，从而使得坡面各区侵蚀量增幅不大，且沟道系统各区侵蚀量还略有减少。

从侵蚀量的相对贡献率来看，各区的贡献率规律大致相同，均是主沟沟道Ⅴ、Ⅵ区最大，靠近主沟的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域边缘的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区侵蚀量相对较小，这与各区侵蚀量规律变化一致。三次降雨强度下，各区相对侵蚀量变化较为复杂，坡面系统Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ三区以及支沟Ⅶ区随雨强增加而先大幅度增大而后小幅度增大，坡面系统Ⅳ区随雨强增加呈现先大幅度增加后小幅度减少的趋势，而主沟系统Ⅴ、Ⅵ两区以及支沟Ⅷ区则呈现随雨强增加而减小的规律。分析认为降雨强度从60mm／h增加到90 mm／h时，可以观察到60mm／h降雨强度下坡面所产生的细沟雏形快速发育，因此坡面及沟道侵蚀量大幅度增加，但坡面系统侵蚀量增加幅度略大于沟道系统，而在120mm／h降雨强度下，由于坡面细沟以及沟道发育已经较为稳定，雨强的增大并不能够大幅度增加坡面侵蚀量，相反沟道系统中侵蚀量还略有减少，因而坡面系统各区相对贡献率整体略有增大，而沟道系统整体略有减小。

图1 不同降雨强度下小流域各分区土壤侵蚀量及贡献率变化

2.3 沟道与坡面侵蚀分析

表3表明，沟道系统侵蚀泥沙贡献率远大于坡面系统，尤其是60mm／h降雨强度中沟道系统侵蚀贡献率达到79.241%，远大于坡面系统侵蚀贡献率的20.759%；90mm／h降雨强度下，沟道系统侵蚀贡献率降低到65.382%，坡面系统则上升到34.678%；120mm／h降雨强度下，沟道系统侵蚀减小至60.881%，而坡面系统则增至39.119%。整体上来看，一方面沟道侵蚀贡献率始终占主导地位，这可能是由于，坡面系统坡度均在10°以下，而沟道系统中沟壁及沟底坡度较大，尤其是沟壁坡度均在20°以上。对于其他条件相同的坡面来说，坡度小于某一临界坡度时，坡度越大，土壤侵蚀量越大［12－13］。另外，由于坡面径流汇集到沟道中，其径流流量和流速远大于坡面，因而沟道系统的侵蚀量大于坡面系统［14］。另一方面，沟道系统的泥沙贡献率逐渐减小，坡面系统泥沙贡献率则逐渐增大。这主要是由于，第一场降雨结束后，小流域表面土壤变得疏松，并初步形成了汇水区，留下坡面细沟的雏形。第二场及第三场降雨在此基础上，细沟持续发育，已经在坡面上汇集成径流对坡面进行冲刷。同时随着雨强的增大，雨滴能量增大，坡面径流增加，也会加快细沟的发育，从而导致坡面侵蚀量急剧增加［15］。因而沟道系统侵蚀量和总侵蚀量虽然均有所增加，但由于坡面侵蚀增加更快，从而导致坡面系统泥沙贡献率逐渐增大。

从表3中还可以看出，在沟道系统中，主沟与支沟的侵蚀泥沙贡献率同样存在差异。支沟侵蚀泥沙占总侵蚀量的相对贡献率变化略有减小但较为稳定，基本维持在17%左右。而主沟相对总侵蚀泥沙的贡献率降幅较大，三次降雨强度下相对贡献率依此从61.229% 降为 48.520%，44.523%，总 降幅达到16.706%，这几乎与沟道系统相对贡献率降幅18.333%相当，且主沟与沟道系统侵蚀泥沙贡献率的每次变化幅度几乎一致，由此表明主沟侵蚀是沟道系统中最主要的部分，能够反映沟道系统的侵蚀规律。

在坡面系统之中，坡面上部与下部的侵蚀泥沙贡献率亦有所差别。下坡面侵蚀泥沙贡献率比上坡面要大，两者贡献率均随降雨强度增加而增加，当两者增幅不一致，上坡面从第一次降雨到第三次相对贡献率增加9.347%，尤其是第二、三场之间仅增加1.491%，而小坡面从第一次降雨到第三次相对贡献率增加9.012%，这与下坡面增幅差不多，但上坡面第二、三场之间相对贡献率增幅为2.956%，比下坡面相对贡献率增幅近2倍。同时二者相对贡献率之间的差值随着降雨强度增加呈现先增加后减小的规律。分析认为：这主要是由于第一次降雨时，上下坡面均以溅蚀为主，下坡面总体坡度大于上坡面，且在后期在下坡面形成细沟的雏形，因此呈现下坡面侵蚀贡献率大于上坡面，而第二场降雨时，由于降雨强度的增加，上下坡面侵蚀均会增加，而下坡面除了降雨强度增加引起的侵蚀增加外，下坡面原有的细沟雏形在大雨强作用下快速发育成细沟，因此呈现下坡面侵蚀贡献率快速增加上下坡面侵蚀贡献率差值增大的现象，而第三场降雨时，随着降雨强度及降雨历时的增加，细沟逐渐向上半坡面发育，发生溯源侵蚀，从而导致坡面上部侵蚀量迅速增大［6］，从而出现上下坡面侵蚀贡献率差值减小的情况。

表3 沟道系统与坡面系统相对贡献率对比

2.4 试验精确度分析

利用公式（4）对试验误差进行计算，计算结果见表4。由表4可知，三场降雨的实验误差分别为33.172%，25.136%和18.014%，说明利用 REE 示踪技术计算土壤侵蚀量具有一定的精度和准确性，并且随着降雨的进行，试验误差逐渐减小，这与黑土地区试验结果相似［16］。但这一结果与黄土地区的研究成果相比［17］，其误差值相对较大。这个可能是由于紫色土土壤细颗粒含量低于黄土［18］，而细颗粒土壤与粗颗粒土壤对于稀土元素吸附能力存在较大差异造成［2］。

表4 实验误差分析

3 结论与建议

（1）三场降雨径流量及侵蚀量均随雨强增加，但径流量的增加幅度远大于侵蚀量。

（2）本研究通过模拟人工降雨试验，结合REE示踪技术，对三峡库区模拟小流域侵蚀产沙空间分布进行了研究。结果表明，三场降雨中各区侵蚀量规律一致，均是随雨强增大而增加，且均是主沟沟道Ⅴ、Ⅵ区最大，靠近主沟的Ⅱ、Ⅳ及Ⅶ次之，位于小流域边缘的Ⅰ、Ⅲ及Ⅶ三区侵蚀量相对较小。

（3）沟道系统土壤侵蚀贡献率大于坡面系统，并呈现沟道系统的泥沙贡献率逐渐减小，坡面系统泥沙贡献率则逐渐增大的趋势。

（4）三场降雨的侵蚀示踪结果具有一定准确性，但相比黄土区研究结果其误差值略高。主要是侵蚀土壤颗粒大小与原始土壤不同以及不同颗粒的稀土元素吸附浓度不一样引起的，今后可以通过考虑这两个因素对实验数据进行修正，以减小实验误差。

（5）利用稀土元素示踪三峡库区小流域模型土壤侵蚀，可以比较准确地描述不同地形部位的侵蚀量、相对贡献率及各自随时间变化的过程，从而揭示小流域土壤侵蚀变化规律。由此为进一步开展三峡库区小流域野外土壤侵蚀规律的研究提供一种可靠的方法。

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