7Be在示蹤土壤侵蝕過程中的分配規律研究

丁晉利, 鄭粉莉, 巴明廷

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,中國 楊凌 712100；2.鄭州師范學院，中國 鄭州 450044；3.西北農林科技大學，中國 楊凌 712100)

7Be是宇宙射線成因的放射性核素，主要通過降雨到達地表．分析侵蝕性降雨過程中雨水攜帶的7Be有多少被土壤顆粒吸附并隨侵蝕泥沙運移、有多少7Be隨徑流遷移及其隨徑流遷移過程中的再分配規律顯得尤為重要，這也是利用7Be示蹤土壤侵蝕機理需要解決的問題．關于7Be作為示蹤劑應用于土壤侵蝕的眾多研究，一般以質量守恒定律為基礎，基于沉降—土壤吸附—遷移的過程，主要從其散落特征、表土中的賦存狀態及其垂直分布特征進行研究[1-11]．但關于7Be示蹤土壤侵蝕的機理，并未深入研究雨水中7Be隨降雨徑流的再分配規律，對不同歷時條件下土壤吸附雨水中7Be的能力及其隨徑流遷移規律尚不清楚．本文采用自行設計的試驗裝置，通過室內淋洗模擬試驗研究，分析雨水中7Be質量活度(單位質量土壤中7Be活度，Bq/kg,全文同)、土壤吸附7Be質量活度及滲漏液中7Be質量活度，從而揭示7Be示蹤土壤侵蝕過程中再分配的規律．

1 試驗設計與測試方法

1.1 試驗裝置

圖1 試驗裝置

試驗裝置采用桶狀漏斗裝置(圖1)．該裝置由上層的盛水桶和下層的裝土桶組成，兩桶直徑均為20 cm．盛水桶高度H1為8 cm，底部有均勻孔，便于雨水均勻下滲；裝土桶高度H2為7 cm，底部有均勻孔且鋪有一層紗布，防止土體下滑和堵塞出水口；在漏斗出水口處接有帶夾子的橡膠軟管．

1.2 試驗準備階段

(1)收集雨水.當一次降雨量較大或則在短時間內發生兩次或兩次以上降雨時，用8個50 L的塑料桶，置放在樓房的排水管道處收集雨水并妥善保存以備試驗用．

(2)土壤7Be背景值確定.將野外采集的土壤樣品經自然風干后過1 mm篩，充分混勻后稱取340 g，用ORTEC公司生產的4 096道γ能譜儀進行測定7Be質量活度，試驗重復測定3次．

(3)樣品制備.①雨水水樣制備：準確取1 L待測水樣，用蒸發方式將水中7Be濃集到少量的土壤上，置于電熱恒溫干燥箱內，在103～105 ℃范圍內烘干，用該土壤制成樣品源．②土壤樣品制備：試驗用土為陜西省富縣境內的2 cm表層土壤，該土壤經自然風干后過1 mm篩．稱過篩土壤21.6 kg，分為12份，每份1.8 kg備用．

1.3 試驗過程

將試驗用土分層填入試驗裝置的裝土桶中，土層厚度5 cm，土壤容重1.1 g/cm3，然后將4 L雨水倒入每個試驗裝置中的盛水桶中，浸泡一定時間后打開出水口閥門接滲漏液．試驗共4個處理，浸泡時間分別為10、30、60、120 min，每個處理進行3次重復．淋洗試驗結束后，取裝土桶中土樣，烘干待測；將滲漏液制成樣品源，待測．

1.4 樣品分析測定

測定雨水7Be質量活度、淋洗土壤樣品7Be質量活度和滲漏液7Be質量活度．7Be樣品均采用高純鍺探頭多道γ能譜儀測定．測試時間86 400 s，測試誤差為±10%(90%信度).由于7Be沒有標準源，采用從低能段到高能段的10種標準源標定，得到儀器的探測效率曲線，根據曲線擬合方程得到儀器對7Be的探測效率．由于7Be的半衰期短，每組樣品中每個樣品7Be的測定日期不同，所以每組土壤樣品中的7Be質量活度校正到同一時刻的7Be質量活度．

2 結果與分析

2.1 雨水中7Be質量活度

7Be主要伴隨降雨到達地表且與降雨量有關．7Be作為化學元素在自然環境中與水作用時，可以在表面形成難溶的氫氧化物．利用這一化學特性，將土壤制成源，測定雨水中7Be質量活度，該試驗供試土壤采用陜西富縣境內的表層土壤，土壤類型屬于灰色黃土正常新成土．試驗結果表明，雨水7Be的質量活度為151 Bq/kg．

2.2 土壤吸附7Be隨時間變化規律

白占國及Baskaran[3-4]研究認為7Be在自然環境中與水作用時，瞬息在表面形成難溶的氫氧化物，通過沉降作用到達地表的7Be能夠很快被土壤吸附．由此試驗結果表明：土壤吸附7Be量與時間有關．由SPSS統計軟件進行方差分析得出：4個處理即當吸附時間分別為10、30、60和120 min時，處理間的平方和為5 993.58，均方為1 997.86，F值為4.133，顯著水平0.048小于0.05，說明各處理間差異性顯著(表1)，即土壤吸附7Be的量與吸附時間有明顯的相關性．

表1 方差分析表

隨著吸附時間增加，土壤吸附7Be量也隨之增加，當吸附時間達到60 min，土壤吸附7Be(均值)為136 Bq/kg，為4個處理中吸附量最大值(表2)．但當吸附時間為120 min時，土壤吸附7Be(均值)為84 Bq/kg，這一方面可能與土壤吸附能力有關；另一方面可能由于7Be的半衰期短，土壤中已吸附的7Be發生衰變．土壤吸附和解析7Be的機理有待進一步研究．

表2 不同吸附時間土壤中7Be質量活度統計描述

2.3 雨水中7Be的再分配規律

圖2 雨水中7Be在土壤和滲漏液中的分配比率

通過淋洗模擬試驗表明：雨水中73.3%的7Be被淋洗土壤吸附，17.3%的7Be進入滲漏液，誤差9%(見表1)．由于7Be半衰期短且測試樣品的時間不一致導致其測量值存在誤差．但在該試驗條件下，雨水中的7Be大部分被土壤吸附，說明7Be可以用于示蹤土壤侵蝕研究．

由圖2可以看出，雨水中7Be在土壤和滲漏液中的分配比率受時間影響．當土壤吸附時間10 min時，土壤和滲漏液中的7Be分別占比為63%和37%．利用土壤吸附7Be的性質測定雨水中7Be活度時，由于試驗過程中的誤差導致其測量值存在差異．當土壤吸附時間30 min時，土壤吸附7Be活度及滲漏液中7Be活度分別占雨水中總7Be活度的61%和34%．當土壤吸附時間為60 min時，土壤吸附7Be活度占雨水中總7Be活度的95%，達到最大值，而此時滲漏液中幾乎不含7Be．此后，土壤吸附7Be活度降低并導致滲漏液中7Be活度低于本底值．

3 結論

通過室內淋洗模擬試驗分析了雨水中7Be在土壤及滲漏液中的分配比率，揭示7Be隨降雨徑流的再分配規律，為7Be示蹤坡面土壤侵蝕提供理論支持．所得結論如下：

(1)在試驗條件下，測得雨水的7Be質量活度為151Bq/kg．土壤吸附7Be與吸附時間有明顯的相關性，且雨水中7Be在土壤和滲漏液中的分配比率受時間影響．

(2)試驗條件下，雨水中的7Be 73.3%被土壤吸附，只有17.3%進入滲漏液，誤差9%．因此7Be可以用于示蹤土壤侵蝕研究．

(3)基于以上分析，可以得出通過濕沉降到達地表的7Be主要被土壤吸附，可以用于示蹤土壤侵蝕研究，但應充分考慮降雨歷時的影響．對于歷時較短的暴雨事件，雨水中7Be隨徑流在遷移過程中被土壤吸附，可以更好地描述坡面上不同點是發生了侵蝕還是發生了沉積，且降雨額外輸入到坡面土壤中的7Be相對較少，從而使次降雨前后7Be活度差值的誤差較小．由于黃土高原的降雨多以歷時較短的暴雨形式降落，因此可以將7Be應用于黃土高原次降雨條件下土壤侵蝕空間分布特征研究．但由于部分7Be隨降雨徑流在遷移過程中進行再分配，因此利用7Be研究土壤侵蝕的空間分布特征反映的是侵蝕或沉積的相對強度．

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