非耕作土壤侵蝕速率對土壤侵蝕速率的響應(yīng)模型

非耕作土壤侵蝕速率對土壤侵蝕速率的響應(yīng)模型

137cs不是自然界存在的指標(biāo)。這是20世紀(jì)50年代至70年代人類通過人工測試和核算漏生產(chǎn)的人工放射性核素。這是一個更好的分析平均土壤侵蝕率的指標(biāo)。137cs的半衰期為30.2a。世界各國在利用137cs算法平均值（約40a）下的土壤侵蝕率方面取得了巨大成功。張新寶等人、劉繼遠(yuǎn)等人在土壤侵蝕的137ps技術(shù)建模和區(qū)域應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的深入研究。隨著時間的發(fā)展，土壤中137cs的含量隨時間的推移而降低。隨著時間的推移，土壤中137cs的含量低且難以測試。此外，歐洲一些國家和地區(qū)的歐洲土壤位于cordo貝利核事件發(fā)生的137ss含量非常困難，因此210pbex可以替代它。近年來一些學(xué)者探索性地應(yīng)用210Pbex核素測試土壤侵蝕[13~15].210Pbex是238U衰變系列的一種自然產(chǎn)物,半衰期22.6a,源于惰性氣體222Rn(半衰期3.8d)的衰變.222Rn是226Ra(半衰期1622a)的衰變產(chǎn)物,226Ra廣泛分布于自然的土壤或巖石中.210Pb在土壤中由兩部分組成,土壤和巖石中的226Ra衰變產(chǎn)生的222Rn氣體,一部分在土壤和巖石中直接衰變?yōu)?10Pb,另一部分逃逸至大氣中,然后再衰變?yōu)?10Pb沉降到地表,被表層土壤吸附.大氣沉降到地表土壤中的210Pb稱為“非載體來源”的210Pb(210Pbex).與137Cs一樣,210Pbex通過干濕沉降到地面,即刻被表層土壤顆粒吸附,幾乎不會被淋溶流失和植物攝取,伴隨被吸附土壤、泥沙顆粒的物理運動而遷移.目前一些學(xué)者應(yīng)用210Pbex作為示蹤核素測試土壤侵蝕獲得了可喜的成果.137Cs是一種人工放射性核素,由于土壤流失和自然衰變,土壤中137Cs總量在不斷減少,因此在土壤分布中137Cs處于非穩(wěn)定狀態(tài),而210Pbex卻在長期穩(wěn)定的環(huán)境中處于穩(wěn)定態(tài).在使用210Pbex測試農(nóng)耕地的土壤流失方面,Walling和He進(jìn)行了較全面的研究,給出了估算穩(wěn)定態(tài)耕作土壤侵蝕速率的210Pbex質(zhì)量平衡模型.他們把連續(xù)耕作100a以上的耕作土壤210Pbex賦存狀態(tài)視為穩(wěn)定態(tài).此后普遍認(rèn)為,137Cs法測的土壤侵蝕速率測定值表征40a或50a以來的平均值,210Pbex法土壤侵蝕速率測定值表征100a或200a以來的平均值.最近作者通過對非耕作土的研究認(rèn)識到,100a僅僅是非耕作土壤侵蝕速率發(fā)生變化后,210Pbex含量達(dá)到穩(wěn)定態(tài)所經(jīng)歷的時間,而不是210Pbex法測定土壤侵蝕速率所表征的時間,這與張信寶等人研究農(nóng)耕地210Pbex含量穩(wěn)定態(tài)時間所得到的結(jié)論一致.本文闡明了非農(nóng)耕地土壤侵蝕速率變化對210Pbex含量的響應(yīng)機(jī)制,通過響應(yīng)模型計算了210Pbex含量對侵蝕速率變化的時間響應(yīng),以期糾正對210Pbex法測得的土壤侵蝕速率表征時間的錯誤認(rèn)識.1耕作土和非耕作土210pbex含量對土壤侵蝕率變化的響應(yīng)機(jī)制1.1作土工地的面積最優(yōu)侵蝕速率模型已有研究表明,在犁耕均勻作用下,農(nóng)耕地土壤中210Pbex均勻分布于犁耕層深度內(nèi),犁底層土壤中210Pbex含量極少;張信寶等人給出了穩(wěn)定態(tài)侵蝕農(nóng)耕地土壤的210Pbex質(zhì)量平衡模型的簡化形式,即式中,uf06c為210Pb衰變系數(shù)(0.031a-1);I為210Pbex沉降通量(Bqm-2a-1);h為年侵蝕質(zhì)量厚度(kgm-2a-1);H為張弛質(zhì)量深度(kgm-2);A為土壤中210Pbex面積活度(Bqm-2).張信寶等人通過對農(nóng)耕地土壤的研究建立起210Pbex沉降通量與本底值的關(guān)系,即式中,Aref為210Pbex本底值(Bqm-2).通過式(1)和(2)得到穩(wěn)定態(tài)耕作土210Pbex面積活度A和年侵蝕厚度h之間的關(guān)系,即利用式(3),可以計算穩(wěn)定狀態(tài)下侵蝕耕作土壤210Pbex的多年平均侵蝕速率.若侵蝕速率發(fā)生變化后,打破耕作土中原有的210Pbex平衡,利用210Pbex的流失、衰變、沉降的關(guān)系,通過耕作土壤的面積活度隨時間變化的微分方程建立響應(yīng)模型,即式中,t為侵蝕速率變化后所需的時間(a);At為時間t時土壤中210Pbex面積活度(Bqm-2);ha為侵蝕速率變化后的年侵蝕厚度(kgcm-2a-1).若侵蝕速率從h0變化到ha,求解微分方程可得到時間t耕作土壤210Pbex面積活度與本底值的比例可表示為式中,Rt為時間t土壤中210Pbex面積活度與本底值的比例.以上是張信寶等人對耕作土210Pbex含量對侵蝕速率變化響應(yīng)模型的研究,這為本文進(jìn)一步研究非耕作210Pbex含量對侵蝕速率變化響應(yīng)模型提供了重要的參考依據(jù),下面對兩個模型進(jìn)行詳細(xì)地分析和對比.1.2穩(wěn)定態(tài)非耕作土壤的2個外生物用量模型非耕作土壤中,示蹤核素210Pbex受降水下滲、顆粒分選、地表富集等影響,在土壤剖面中呈指數(shù)遞減的分布特征.由于土壤侵蝕和衰變,土壤中210Pbex含量不斷減少;同時,大氣源源不斷地為地表土壤提供210Pbex來源,彌補(bǔ)了因土壤侵蝕和衰變造成的210Pbex含量損失;在長期穩(wěn)定的地表環(huán)境下,當(dāng)土壤侵蝕和衰變引起的210Pbex減少與大氣210Pbex沉降補(bǔ)給達(dá)到動態(tài)平衡,即認(rèn)為處于穩(wěn)定態(tài).非耕作土210Pbex表層濃度最高,隨深度增加210Pbex含量迅速減少,具有向下按照指數(shù)衰減的分布特征,其分布特征可以表示為式中,Ax為質(zhì)量深度x下的210Pbex面積濃度(Bqm-2);A為土壤中210Pbex面積濃度(Bqm-2);H為土壤中210Pbex分布張弛質(zhì)量深度(kgm-2);x為質(zhì)量深度(kgm-2).通過式(7)可以知道,非耕作土壤受到土壤侵蝕時的流失量為(1–e-h/H)A,作者給出穩(wěn)定態(tài)非耕作土壤的210Pbex質(zhì)量平衡模型,模型的簡化形式如下式中,uf06c為210Pbex衰變系數(shù)(0.031a-1);I為210Pbex沉降通量(Bqm-2a-1);h為年侵蝕質(zhì)量厚度(kgm-2a-1);H為張弛質(zhì)量深度(kgm-2);A為土壤中210Pbex面積活度(Bqm-2).綜合式(2)和(8),建立穩(wěn)定態(tài)非耕作土210Pbex年侵蝕質(zhì)量厚度h與面積活度A之間的關(guān)系,即利用式(9),可計算出非耕作土210Pbex穩(wěn)定態(tài)下侵蝕非耕作土的多年平均侵蝕速率.1.3蝕速率的影響示蹤核素210Pbex隨降水沉降到地表,被土壤表層的顆粒吸附后,伴隨土壤和泥沙的物理運動發(fā)生遷移;因此可以利用土壤中210Pbex含量的多少估算土壤侵蝕速率的大小.在非耕作土中,土壤侵蝕速率越高,210Pbex的面積活度越低;反之,210Pbex的面積活度越高.非耕作土壤剖面中210Pbex比活度呈指數(shù)遞減分布特征,不同侵蝕速率的非耕作土210Pbex比活度可由圖1顯示.當(dāng)土壤侵蝕速率增大時,土壤侵蝕流失的210Pbex量增加,土壤剖面中210Pbex面積活度隨之慢慢降低,直至大氣沉降補(bǔ)充的210Pbex與因土壤侵蝕流失和衰變減少的210Pbex重新達(dá)到平衡,非耕作層內(nèi)的210Pbex面積活度值最終重獲穩(wěn)定.當(dāng)土壤侵蝕速率減小時,土壤剖面中210Pbex逐漸累積導(dǎo)致面積活度逐漸增加,直至非耕作土的210Pbex輸入與輸出達(dá)到新的穩(wěn)定態(tài).2非耕作土壤210pbex含量對侵蝕率的影響的響應(yīng)模型2.1非耕作地土壤侵蝕速率變化后的農(nóng)村面面質(zhì)量模型侵蝕速率發(fā)生變化后,非耕作土壤的210Pbex平衡被打破,非耕作土壤210Pbex面積活度隨時間變化的微分方程如下式中,t為侵蝕速率變化后所經(jīng)歷的時間(a);h為侵蝕速率變化后的年侵蝕質(zhì)量厚度(kgm-2a-1).當(dāng)t=0時,At=A0,侵蝕速率變化前的210Pbex面積活度,由式(9)得到式中,h0為侵蝕速率變化前的年侵蝕質(zhì)量厚度(kgcm-2a-1).若侵蝕速率發(fā)生改變,即從h0變化到ha,解微分方程式(4)可獲得210Pbex面積活度的時間響應(yīng)模型即式(12)為非耕作地土壤蝕速率發(fā)生變化后210Pbex面積活度的時間響應(yīng)模型.當(dāng)t>100a時,式(12)中的可近似為0,面積活度At為恒定值不再發(fā)生變化,土壤210Pbex處于新的穩(wěn)定態(tài).這和Walling與He的觀點,即“發(fā)生100a以上持續(xù)耕種、土壤侵蝕均勻的農(nóng)耕地,可以認(rèn)為土壤中的210Pbex處于穩(wěn)定態(tài)狀態(tài)”相一致.100a是土壤侵蝕的210Pbex含量達(dá)到穩(wěn)定態(tài)所需的時間,目前流行的“100a是210Pbex法測定的侵蝕速率所表征的時間”的看法是不科學(xué)的.本文中給出的式(9)適合于計算210Pbex達(dá)到穩(wěn)定態(tài)后的非耕作土壤侵蝕速率.2.2土壤侵蝕速率與侵蝕速率的關(guān)系時間t土壤210Pbex面積活度和本底值的比例可表述為式中,Rt為時間t非耕作土壤210Pbex面積活度和本底值的比例值.當(dāng)t→∞,非耕作土壤210Pbex面積活度將最終達(dá)到穩(wěn)定態(tài),即式中,Aa為在穩(wěn)定態(tài)狀況下,與年侵蝕質(zhì)量厚度ha相應(yīng)的210Pbex面積活度(Bqm-2).把式(12)帶入式(13)得作者利用式(15)模擬了非耕作土壤210Pbex的面積活度和本底值比例關(guān)系隨時間的變化情況.圖2是兩種情況的土壤210Pbex含量隨時間的變化情況,取張弛質(zhì)量深度H=250kgm-2,曲線A1代表侵蝕速率從h0=10kgm-2a-1減小至ha=1kgm-2a-1,曲線A2代表侵蝕速率從h0=1kgm-2a-1增大至ha=10kgm-2a-1.由圖2可知,土壤210Pbex面積活度和210Pbex本底值的比例值(Rt)隨著時間增加呈指數(shù)變化.侵蝕速率增加,210Pbex面積活度減小;反之則增大.若t→+∞,土壤的210Pbex面積活度為侵蝕速率(ha)對應(yīng)的穩(wěn)定態(tài)210Pbex面積活度Aa.侵蝕速率改變后的前幾年,土壤的210Pbex面積活度急劇變化,20a后明顯減緩,50a后非常緩慢,100a后已接近穩(wěn)定態(tài)值.曲線A1與曲線A2在14a處相交,曲線A1的比例值從0.442增大至到0.614,變化量為0.172;曲線A2的比例值從0.886減小至0.608,變化量為0.278.理論上,利用210Pbex質(zhì)量平衡模型計算的土壤侵蝕速率,應(yīng)為100a以上的穩(wěn)定態(tài)的非耕作土.實際上野外采樣時,常常很難查明取樣點土壤侵蝕和土地利用的變化歷史,有些取樣點未必是持續(xù)100a以上的穩(wěn)定態(tài)非耕地.若非耕作土壤的210Pbex未達(dá)到穩(wěn)定態(tài),根據(jù)取樣點的210Pbex面積活度,利用210Pbex穩(wěn)定態(tài)質(zhì)量平衡模型得到的侵蝕速率值(圖2右側(cè)縱坐標(biāo)軸上的對應(yīng)值)與實際值存在一定誤差.其誤差隨侵蝕速率變化年限的增加而不斷減少,計算值也逐漸接近于變化后的實際侵蝕速率.圖3是不同非耕作土壤210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)示意圖,曲線B1代表侵蝕速率從h0=4kgm-2a-1減小至ha=1kgm-2a-1,曲線B2代表侵蝕速率從h0=10kgm-2a-1減小至ha=1kgm-2a-1.從圖中可以看到,侵蝕速率同時減小到2kgm-2a-1,曲線B1需要26a,曲線B2需要46a;當(dāng)侵蝕速率同時減小到1.5kgm-2a-1,曲線B1需要44a,曲線B2需要64a;說明侵蝕速率變化量越小,210Pbex含量達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的時間越小;反之,210Pbex含量達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的時間越大.圖4是不同張弛質(zhì)量深度的非耕作土壤210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)示意圖,曲線C1和曲線C2代表張弛質(zhì)量深度為H=250kgm-2的非耕作土,曲線C3和曲線C4代表張弛質(zhì)量深度為H=150kgm-2的非耕作土.從圖中可以看出,在相同時間內(nèi)張弛質(zhì)量深度不同則非耕作土壤侵蝕速率變化大小不同;圖4中土壤侵蝕速率變化量相同,20a后曲線C1從1kgm-2a-1增大至6.40kgm-2a-1,曲線C3從1kgm-2a-1增大至7.19kgm-2a-1,曲線C2從10kgm-2a-1減小至3.93kgm-2a-1,曲線C4從10kgm-2a-1減小至3.28kgm-2a-1;40a后曲線C1增大至8.95kgm-2a-1,曲線C3增大至9.50kgm-2a-1,曲線C2從減小至2.25kgm-2a-1,曲線C4減小至1.88kgm-2a-1.理論上,不同張弛質(zhì)量深度的非耕作土,210Pbex的賦存狀態(tài)到達(dá)穩(wěn)定態(tài)的時間都趨近于無窮大;但張弛質(zhì)量深度會對非耕作土侵蝕速率產(chǎn)生影響,張弛深度越小,土侵蝕速率變化越大;反之,越小.圖5是非耕作與耕作土壤210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)示意圖,作者把論文中的非耕作210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)模型與張信寶等人的耕作210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)模型作對比.張弛質(zhì)量深度H=250kgm-2,分別給出侵蝕速率從h0=1kgm-2a-1增大至ha=10kgm-2a-1和侵蝕速率從h0=10kgm-2a-1減小至ha=1kgm-2a-1的兩條曲線.曲線D1與曲線D2代表非耕作模型,曲線D3和曲線D4代表張信寶等人的耕作模型,發(fā)現(xiàn)曲線D1與曲線D3重合,曲線D2與曲線D4重合.結(jié)果顯示,不論是非耕作還是耕作,在210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)機(jī)制方面,表現(xiàn)出高度一致性,本文不但證明了張信寶等人研究的農(nóng)耕地土壤210Pbex含量對侵蝕速率變化的響應(yīng)模型的正