稀土元素示踪红壤坡面细沟与细沟间侵蚀演化过程

Soil erosion continues to be one of the world's biggest environmental problems, affecting both developed and developing countries and resulting in the loss of a non-renewal resource, pollution and reduced food security. Understanding erosion processes is the key when developing soil erosion prediction models that can provide a scientific basis for soil and water conservation planning. Process-based erosion models applied to agricultural soils usually rely on the rill-interrill concept, and these two component processes require different relationships and algorithms. However, conventional erosion monitoring techniques cannot distinguish between the interrill- and rill-eroded sediments. In this study, simulated rainfall experiments will use rare earth elements, mixed in two soil layers, as tracers so that these two processes of sediment removal can be identified and studied in detail. This forms the main part of a study of the physical mechanisms involved in erosion processes of Ultisols, the predominant soil type in subtropical China. Furthermore, the soil erosion rate in different area of slope will be investigated. The results of this project will advance the understanding of the physical mechanisms of the erosion processes and improve the physical-process-based erosion prediction models in order to accurately quantify soil loss processes.

土壤侵蚀及其导致的生态环境恶化是世界各国普遍重视的问题。但长期以来由于我国南方红壤丘陵区水土流失机理的研究相对不足，导致其治理效果受到一定程度影响。尤其是对于坡面侵蚀过程信息的缺失，导致无法建立精确的土壤侵蚀预测预报模型。本课题将克服传统研究方法定量性不足的缺陷，利用稀土元素（REE）示踪技术对坡面不同侵蚀类型演化过程开展定量研究。该研究以南方丘陵区红壤为研究对象，利用人工模拟降雨试验，通过在径流小区中分层分段布设不同REE元素，并对径流过程泥沙中的REE元素含量进行监测，由此将坡面不同部位细沟与细沟间侵蚀定量区分开，从而分析细沟间侵蚀与细沟侵蚀的贡献率变化以及坡面不同部位土壤侵蚀空间变异过程。本项目不同于以往红壤坡面侵蚀定性或半定量研究，其研究成果定量程度高且精确性强。开展本项研究对于深入理解红壤坡面侵蚀过程，建立我国红壤地区土壤侵蚀预测预报模型具有重要的科学意义。

我国南方红壤丘陵区, 由于降雨时空分布极不均匀且土地资源的不合理开发利用，造成水土资源流失严重，程度仅次于黄土高原，是我国治理水土流失的重点区域之一。但红壤侵蚀机理的研究相对不足，这在一定程度上影响了治理效果。本课题利用稀土元素（REE）示踪技术对坡面不同侵蚀类型演化过程开展定量研究。该研究以南方丘陵区红壤为研究对象，利用人工模拟降雨试验，通过在径流小区中分层分段布设不同REE元素，并对径流过程泥沙中的REE元素含量进行监测，由此将坡面不同部位细沟与细沟间侵蚀定量区分开，从而分析细沟间侵蚀与细沟侵蚀的贡献率变化以及坡面不同部位土壤侵蚀空间变异过程。主要研究结果如下：（1）淋溶试验结果表明稀土元素氧化物能够与红土土壤颗粒紧密吸附，几乎不会在垂直方向上发生迁移。各径级土壤颗粒对稀土元素氧化物吸附浓度并不一致，大径级土壤颗粒所吸附能力较差，而小径级土壤颗粒所吸附能力较强。（2）考虑各径级土壤颗粒对稀土元素氧化物吸附浓度不一致及侵蚀过程中细颗粒优先被侵蚀出来这两个因素，对REE示踪计算公式进行修正，并建立了新的土壤侵蚀量计算公式，试验结果表明修正后的计算公式使得计算误差大幅度减小，从30%以上降为10%以下。（3）径流小区各示踪区侵蚀总量相差明显，Yb及Tb两区贡献值较大，一般在20%~60%之间，Sm区贡献值较为稳定，在5%左右，La及Ho区在各种条件下均较小，一般在3%以下，而Ce区较La及Ho两区贡献率略大，波动较大，尤其是在大降雨强度条件下贡献值较大。整体来看，坡面下部侵蚀量最大，中部次之，上部最小。其贡献率分别为，坡面下部44%~73%，中部为24%~47%，而上部为10%以下。（4）本研究中细沟间侵蚀量远大于细沟侵蚀量，但在大降雨强度（120 mm/h）及大坡度（30°）时，细沟与细沟间侵蚀量相差不大，说明此条件下细沟形成并发育较快。除大降雨强度条件下，细沟贡献率相对较大外，其他各场次降雨中细沟侵蚀贡献率较小，基本在10%以下。（5）在各坡度下，中小降雨强度时以细沟间侵蚀为主，其中10°及20°时，坡面径流能量主要用于细沟间土壤侵蚀及搬运，而在30°时，坡面上形成了很多跌坎，这些跌坎之间连通逐渐发育成细沟，从而增加坡面细沟侵蚀量。本项研究成果对于深入理解红壤坡面侵蚀过程，建立我国红壤地区土壤侵蚀预测预报模型具有重要的科学意义。