《Soil and Tillage Research》：High resolution analysis of erosion/sedimentation map and management effects: Integrating 137Cs and drone-based sediment connectivity approaches
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土壤侵蚀与沉积动态研究在Khamsan流域采用137Cs示踪法与无人机DEM结合分析，揭示不同土地利用对侵蚀的影响。结果显示控制区SW15年侵蚀量-5.05吨/公顷，沉积比96%；处理区SW14侵蚀量-1.98吨/公顷，沉积比79%，陡坡（8-20%）侵蚀最显著，连接性指数（IC）与坡度强相关（R2=0.97）。
Fatemeh Sedighi|Abdulvahed Khaledi Darvishan|Mohammad Reza Zare|Yahya Parvizi|Abbas Goli Jirandeh
伊朗努尔市塔比阿特莫达雷斯大学自然资源学院流域管理系
摘要
土壤侵蚀和沉积物动态是流域管理中的关键问题，尤其是在土地利用多样化和地形变化较大的地区。连通性指数（IC）不仅描述了沉积物转移的潜力，还揭示了这一过程是如何在流域内所有可能的沉积物来源与所有潜在沉积物汇之间发生的。本研究利用137Cs作为示踪剂，并结合基于无人机的沉积物连通性分析，调查了伊朗Khamsan代表性流域中处理过的子流域和未处理子流域的侵蚀与沉积物输送动态。研究旨在量化不同土地利用类型的侵蚀速率和连通性指数，以期为有效的土壤和水资源保护提供依据。研究采用了混合方法，包括野外土壤采样和伽马光谱分析来测量137Cs活性，从而计算子流域内的土壤侵蚀和沉积速率。共收集了172个土壤样本，涵盖草地和农田等多种土地利用类型，并利用基于无人机的高分辨率数字高程模型（DEM）绘制了沉积物输送和沉积剖面图。定量结果显示，两个子流域都存在显著的侵蚀现象：未处理子流域SW15的净侵蚀量为-5.05吨/公顷/年，沉积物输送比（SDR）为96%，表明沉积物几乎完全被输送；而处理过的子流域SW14的净侵蚀量为-1.98吨/公顷/年，SDR为79%，表明由于管理措施的存在，部分沉积物被滞留。侵蚀热点主要集中在陡坡区域，而沉积则发生在较为平坦的区域。坡度等级对沉积物动态有显著影响，其中8–12%和12–20%的坡度等级侵蚀最为严重。在这些坡度上，以雨养农业为主的土地利用类型表现出最高的侵蚀率。此外，草地类型的连通性指数（IC）值较高。研究结果表明，将137Cs测量结果与先进的连通性指数地图相结合，能够为沉积物动态提供关键见解，为未来的侵蚀控制措施提供全面的框架。这些发现强调了将土地利用方式改为雨养农业对加剧沉积物产生和输送问题的影响，因此强烈建议修改土地利用方式或至少加强土地利用管理。
引言
土壤侵蚀是一种自然地貌过程，涉及表土的移除，这一过程可能因人类活动而加速，导致土壤和土地退化。事实上，加速的侵蚀对全球土壤构成了严重威胁（Borrelli等人，2021年）。森林砍伐或陡坡等行为会加剧侵蚀，对土壤产生多种负面影响（如生产力下降、生物多样性减少），同时也会对下游地区造成影响（如水库淤积、洪水灾害）（Musa等人，2024年；Tsegaye，2019年）。鉴于土壤侵蚀的重要性，全球范围内开发了多种方法（包括物理模型、经验模型和数学模型）来估算土壤侵蚀量和沉积物产量（其他人，2021年；Zapata，2002年）。每种方法都有其优缺点，其有效性受当地气候和物理条件的影响。在山区，传统的评估技术（如沉积物陷阱和侵蚀钉）由于地形限制往往难以实施（Alewell等人，2014年；Li等人，2023年）。此外，许多模型无法准确捕捉自然环境中土壤运动的空间动态。因此，迫切需要精确、快速且经济高效的方法来评估土壤侵蚀，这使得研究人员开始探索使用放射性核素（如210Pbex、7Br和137Cs）作为有效的示踪剂，以量化侵蚀和沉积物输送（Gharibreza等人，2021年；Porto等人，2016年；Zhang等人，2016年）。
研究流域内连通性模式的空间特征有助于识别沉积物来源区、沉积物生成和积累的有效区域，以及沉积物输送路径（Heckmann等人，2018年；Hooke和Souza，2021年）。从生态学角度来看，水文连通性是指水文循环中物质、能量和生物体的传输（Bracken等人，2013年；Tan等人，2023年）。此外，水文连通性反映了不同景观单元之间的物理联系，特别是在高海拔地区和河岸地带，以及这对径流生成和化学物质输送的影响（Harvey，2016年；Zhang等人，2021年）。
Ritchie和McHenry（1975年、1973年）首次在土壤侵蚀研究中使用了137Cs方法。随后，来自意大利（Porto等人，2009年）、西班牙（Gaspar等人，2013年）、中国（Liu等人，2011年；Zhang等人，2014年）和伊朗（Khodadadi等人，2019年；Sedighi等人，2020a、2020b、2021年；Gharibreza等人，2021年；Khodamoradi等人，2023年；Naghdi等人，2024年）等国的研究人员继续开展了相关研究。通常情况下，某一区域和时间段内的总侵蚀量与该区域和时间段内的沉积量呈负相关，这表明沉积物库在流域系统中的重要性（De Vente等人，2007年）。产生的沉积物量往往少于该流域内的土壤侵蚀量（Edwards，1993年），表明部分侵蚀物质会在短距离内重新分布（Parsons和Stromberg，1998年）。在大多数情况下，沉积物的重新分布量等于或大于沉积物的输出量（Walling和Collins，2008年）。沉积物库包括流域内所有可能捕获或暂时/永久沉积沉积物的区域，这些区域在研究期间特别容易发生沉积作用（Stout等人，2014年）。由于未能识别和考虑沉积物来源和库区，许多沉积物控制项目设计失败（Smith等人，2011年）。准确识别流域内的沉积物来源和库区的重要性不言而喻，这是导致流域出口处沉积量与流域内沉积物产量相关性较差的主要因素（Trimble，1999年；Trimble和Crosson，2000年）。
鉴于沉积物产生、输送和储存涉及的过程复杂多样，且这些过程存在时间和空间上的变异性，因此很难绘制出沉积物预算图（Walling和Collins，2008年），目前尚无普遍接受的流域尺度沉积物平衡测量传统方法。传统方法包括使用侵蚀钉、剖面仪和航拍照片来确定侵蚀速率，利用沉积物陷阱和事件后的地图绘制（Walling和Collins，2008年），以及监测流域内的沉积物输出量以确定沉积物输送比。由于这些方法依赖现场数据收集，要获得全面、准确和可靠的结果，需要在广阔的空间和时间维度上收集大量数据，但这同时面临财务和时间上的限制。此外，大多数模型无法显示自然区域内土壤运动和侵蚀颗粒重新分布的空间模式。因此，为了提高沉积物预算图的效率，需要结合使用多种方法，以获取有关流域内沉积物产生、重新分布、输送和储存的信息（Porto等人，2009年；Gellis和Walling，2011年；Navas等人，2011年、2014年；Minella等人，2014年）。由于上述问题以及预测方程和模型的不确定性，以及寻找替代的、准确、快速且经济高效的方法来评估土壤侵蚀和沉积物重新分布的需求，研究人员开始使用放射性元素（如210Pbex、7Be和137Cs）作为示踪剂，以定量估算土壤和沉积物侵蚀（Mabit等人，2008年；Mabit等人，2014年；Walling，2006年；Walling和Zhang，2011年；Walling等人，2014a；Porto等人，2016年；Zhang等人，2016年；Gharibreza等人，2020年）。几乎所有研究都证实了137Cs在评估土壤侵蚀方面的有效性。在沉积物连通性指数相关研究中，可以提到Cavalli等人（2013年）、Gay等人（2016年）、Goldin等人（2016年）、Crema和Cavalli（2018年）、López-Vicente和Ben-Salem（2019年）、Mishra等人（2019年）、Cislaghi和Bischetti（2019年）、Arabkhedri等人（2021年）、Najafi等人（2021年）以及Asgharpour等人（2024年）的研究。本研究的创新之处在于将通过137Cs方法获得的侵蚀/沉积分布图与连通性指数分布图相结合，消除了应用沉积物连通性指数过程中的主要障碍，这也是本研究的目的。主要问题是这种结合是否能提供关于侵蚀速率、沉积物输送和沉积量的准确定量信息。此外，本研究使用了由先进无人机摄影技术生成的米级（甚至分米级）分辨率的DEM来制作连通性指数地图，这使得能够详细分析耕作对沉积物连通性的影响，这也是本研究的优势之一。本研究旨在深入了解沉积物侵蚀和沉积现象，重点关注土地利用的影响。换句话说，最终目标是探讨土地利用管理对侵蚀和沉积物分布或土壤重新分布的作用。
研究区域描述
本研究在伊朗西部库尔德斯坦省Khamsan地区的两个子流域进行，这两个子流域代表了该地区的典型特征（见图1）。两个子流域的自然条件大体相似，但管理方式不同：一个实施了可持续的土壤和水资源管理措施（SW14，即处理过的子流域），而另一个则没有任何管理措施（SW15，即未处理的子流域）。
利用137Cs估算研究区域的侵蚀和沉积
在研究流域内，参考区域的平均137Cs含量为2641.43 Bq/m2。图3展示了两个参考点的不同视角，以及11个采样点的137Cs含量（c）和137Cs的平均深度剖面（d）。
参考区域内采样点的137Cs变异系数为18.14%（<20%），表明该方法适用于该研究区域（Zapata，2002年）。
图3展示了两个参考点的视图
结论
本研究旨在将基于137Cs技术的侵蚀和沉积空间分布图与结构化的沉积物连通性指数地图相结合，以提供关于侵蚀速率、沉积物输送和沉积区域的精确定量信息。本研究采用了一种创新的双方法论，结合了成熟的137Cs放射性核素示踪技术和先进的基于无人机的沉积物连通性分析方法，从而全面
CRediT作者贡献声明
Yahya Parvizi：撰写、审稿与编辑、验证、方法论设计、概念构建。Abbas Goli Jirandeh：数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据分析。Abdulvahed Khaledi Darvishan：撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、调查实施、资金筹措、数据分析、数据整理、概念构建。Mohammad Reza Zare：数据验证、项目监督、软件使用、方法论设计、资金管理
参与同意书
不适用。出版同意书
不适用。伦理审批
不适用。资金支持
本研究得到了伊朗国家科学基金会（INSF）的支持，项目编号为99027806。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
作者感谢Hamid Khodamoradi先生、Reza Zarei博士和Seyed Mostafa Mirsadeghi博士在野外采样和实验室测量方面的帮助。
