多核素聯(lián)合示蹤技術(shù)在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用進(jìn)展

丁晉利，巴明廷，鄭曉梅

(1.鄭州師范學(xué)院，河南鄭州 450044;2.黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州 450004)

土壤侵蝕規(guī)律研究是水土保持行業(yè)重大的科研課題之一，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用不同的方法對(duì)其進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有的土壤侵蝕測(cè)定方法可分為徑流小區(qū)法、調(diào)查法和示蹤法，其中:徑流小區(qū)法和調(diào)查法在研究土壤侵蝕與其影響因子之間的關(guān)系方面發(fā)揮了重要的作用，是測(cè)定土壤侵蝕速率、河流泥沙量的傳統(tǒng)方法，但這兩種方法一般只能研究侵蝕的最終結(jié)果，難以對(duì)侵蝕的物理過(guò)程做定量描述;示蹤法可在不改變?cè)嫉孛驳臈l件下進(jìn)行土壤侵蝕發(fā)生和分布規(guī)律研究，其分析精度和量化程度也較高，不需要特殊的野外試驗(yàn)設(shè)施，可定量監(jiān)測(cè)土壤侵蝕的時(shí)空變化規(guī)律，彌補(bǔ)了徑流小區(qū)法與調(diào)查法的不足。

目前，應(yīng)用放射性核素示蹤技術(shù)進(jìn)行土壤侵蝕研究已成為水土保持等學(xué)科的國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)之一。本文在對(duì)核素示蹤原理及利用多核素聯(lián)合示蹤技術(shù)研究土壤侵蝕所取得的成果進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)利用核素示蹤技術(shù)開(kāi)展土壤侵蝕研究進(jìn)行綜合評(píng)述。

1 核素示蹤土壤侵蝕原理

自從20世紀(jì)60年代初Menzel［1］研究有關(guān)土壤侵蝕和放射性核素沉降運(yùn)移的關(guān)系以來(lái)，核素示蹤法在土壤侵蝕研究中得到了廣泛應(yīng)用。利用核素示蹤法不但可以對(duì)土壤侵蝕的空間變化、土壤侵蝕產(chǎn)物沉積的形成年代、土壤遷移的空間分布進(jìn)行研究，進(jìn)而估算長(zhǎng)期(大約45 a)的土壤侵蝕量，而且還可以建立侵蝕速率、侵蝕產(chǎn)物的輸移速率和泥沙淤積速率之間的關(guān)系。核素示蹤法的基本原理是:示蹤劑定量土壤侵蝕量和侵蝕速率可以通過(guò)侵蝕或沉積樣點(diǎn)(即研究區(qū)域)的示蹤劑含量與環(huán)境中示蹤劑輸入量(稱為背景值)相比較，得到各點(diǎn)示蹤劑含量減少或增加的百分比，其中減少的點(diǎn)發(fā)生土壤凈流失，增加的點(diǎn)發(fā)生土壤凈沉積，然后通過(guò)定量模型將示蹤劑減少或增加的百分比換算成土壤侵蝕量或沉積量。

目前，利用的示蹤元素有:核爆炸產(chǎn)物137Cs，天然放射性核素210Pb、7Be、232Ra、232Th 等，穩(wěn)定稀土元素REE，其中以137Cs、210Pb、7Be為示蹤劑的研究和應(yīng)用相對(duì)深入。

1.1 137Cs示蹤土壤侵蝕原理

137Cs是20世紀(jì)50～60年代大氣核爆炸試驗(yàn)產(chǎn)生的人工放射性核素，它在自然界中沒(méi)有天然來(lái)源，其物理半衰期為30.174 a。核爆炸產(chǎn)生的放射性煙云在氣層中擴(kuò)散，大當(dāng)量的核爆炸裂變產(chǎn)物可進(jìn)入平流層，3～12個(gè)月內(nèi)在全球均勻分布，而后逐漸進(jìn)入對(duì)流層，主要隨大氣降水過(guò)程沉降到地表。沉降到地面的137Cs很快被表土中的有機(jī)和無(wú)機(jī)組分強(qiáng)烈吸附，基本不被植物攝取和淋溶流失，其遷移主要是伴隨著土壤、泥沙顆粒的物理運(yùn)動(dòng)。有研究表明，在緯度變化不大、氣象條件均一的地區(qū)，137Cs的空間分布是均勻的。因此，通過(guò)與當(dāng)?shù)貐⒄拯c(diǎn)對(duì)比可以定量地計(jì)算出土壤侵蝕速率或沉積速率。國(guó)外對(duì)137Cs在土壤中的水平與垂直分布特征、定量模型的建立與評(píng)價(jià)以及對(duì)137Cs技術(shù)方法的改進(jìn)與評(píng)價(jià)等作了研究，我國(guó)于20世紀(jì)80年代末將137Cs應(yīng)用于土壤侵蝕研究并在估算土壤侵蝕與堆積速率、示蹤泥沙來(lái)源等方面進(jìn)行了應(yīng)用性研究。

1.2 7Be示蹤土壤侵蝕原理

7Be是宇宙射線成因的放射性核素，由對(duì)流層和同溫層大氣中的氧和氮在宇宙射線作用下分裂生成，生成的7Be通過(guò)干濕沉降作用到達(dá)地表，其半衰期為53.3 d。7Be在自然環(huán)境中與水作用時(shí)，瞬息在表面形成難溶的氫氧化物，這一化學(xué)特性決定了7Be的微粒遷移性質(zhì)。通過(guò)沉降作用到達(dá)地表的7Be能夠很快被土壤吸附，7Be的這種性質(zhì)使之適用于示蹤短期內(nèi)或次降雨條件下的土壤侵蝕速率。7Be示蹤土壤侵蝕的原理是:在野外采集特定點(diǎn)的表層土壤，測(cè)定其7Be含量，并與基準(zhǔn)點(diǎn)(或背景值樣點(diǎn))中7Be的含量相比，從而確定土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布及侵蝕速率大小。若采樣點(diǎn)土壤7Be面積比活度小于基準(zhǔn)值，說(shuō)明該采樣點(diǎn)發(fā)生了侵蝕，面積比活度大則表示該點(diǎn)發(fā)生了沉積。以7Be在土壤剖面中的分布特征和7Be示蹤土壤侵蝕定量模型為基礎(chǔ)，通過(guò)采樣點(diǎn)土壤中7Be損失率或增加率計(jì)算土壤侵蝕速率或沉積速率，可描述土壤侵蝕過(guò)程。白占國(guó)等［2］利用7Be示蹤技術(shù)研究喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的季節(jié)性變化，探討了應(yīng)用7Be研究土壤侵蝕的可行性。Walling［3］也利用7Be示蹤技術(shù)對(duì)一次降雨的侵蝕與沉積的空間分布特征進(jìn)行了研究，并取得了滿意的結(jié)果。另外，一些研究者已將7Be應(yīng)用于示蹤湖泊沉積物來(lái)源方面［4－5］。

1.3 210Pb示蹤土壤侵蝕原理

210Pb(半衰期為22.3 a)是238U系列中226Ra(半衰期為1 622 a)衰變中的產(chǎn)物。210Pb在大氣中生成之后，很快地附著于亞微米級(jí)氣溶膠微粒且進(jìn)行環(huán)境生物地球化學(xué)運(yùn)移［5］。大氣中的210Pb通過(guò)干、濕沉降進(jìn)入湖泊、海灣，并蓄積在沉積物中。沉積物中蓄積的這部分210Pb因其與母體核素226Ra分離，通稱為非平衡或過(guò)剩210Pb。210Pb的大氣濃度具有明顯的短時(shí)間尺度(日、月)變化特征，但年際變化并不顯著，其半衰期耦合于現(xiàn)代人類活動(dòng)的百年級(jí)時(shí)間尺度(n×10～n×102 a)。因此，210Pb是環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程的良好示蹤劑，在大氣擴(kuò)散、流域土壤侵蝕和現(xiàn)代沉積研究中具有很好的示蹤價(jià)值。1963年 Goldberg［6］首次利用210Pb作為格林蘭冰芯計(jì)年，此后 Krishnaswamy［7］及 Koide 等［8］分別進(jìn)行了湖泊和海灣沉積物210Pb計(jì)年的探索。近30年來(lái)，210Pb廣泛用于現(xiàn)代沉積計(jì)年和流域土壤侵蝕速率測(cè)定且取得了好的進(jìn)展，顯示出了其在百年時(shí)間尺度上的重要示蹤價(jià)值。

2 多核素聯(lián)合示蹤土壤侵蝕

將放射性核素7Be與137Cs、210Pb等核素相結(jié)合研究土壤侵蝕和沉積具有很大的應(yīng)用價(jià)值和潛力。多核素聯(lián)合應(yīng)用于土壤侵蝕可以示蹤短期(d＜30)、中期(45 a)和長(zhǎng)期(100 a)尺度的土壤侵蝕速率和再分配模式，且濃度的變化可以描述侵蝕和沉積過(guò)程并分析泥沙來(lái)源。在特定情況下，放射性核素在土壤剖面的垂直分布能提供從短期到百年尺度的沉積年代。

2.1 7Be、137Cs核素聯(lián)合應(yīng)用

把放射性核素7Be與137Cs等核素相結(jié)合，通過(guò)測(cè)定徑流小區(qū)土壤及集水區(qū)泥沙中7Be和137Cs含量，分析泥沙顆粒組成，可區(qū)分面蝕、細(xì)溝侵蝕、沖溝侵蝕3種侵蝕過(guò)程及其侵蝕機(jī)制，推斷侵蝕泥沙的來(lái)源，描述可能發(fā)生的侵蝕過(guò)程，定量區(qū)分片蝕和細(xì)溝侵蝕在侵蝕過(guò)程中的相對(duì)貢獻(xiàn)及不同侵蝕方式的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。如Burch等［9］利用不同放射性核素滲透深度的差異，通過(guò)沉積土壤中的137Cs和7Be活度說(shuō)明土壤剖面中沉積土壤的最初來(lái)源，推斷了可能發(fā)生的侵蝕過(guò)程;楊明義等［10－11］利用7Be和137Cs復(fù)合示蹤研究次降雨條件下坡面不同侵蝕方式(片蝕和細(xì)溝侵蝕)隨時(shí)間推移的發(fā)生與發(fā)展，定量區(qū)分了片蝕和細(xì)溝侵蝕的演變過(guò)程，證明了7Be和137Cs復(fù)合示蹤研究土壤侵蝕過(guò)程的可行性;Wallbrink 等［12－13］采用7Be和137Cs以及其他放射性元素復(fù)合示蹤研究不同侵蝕方式在土壤侵蝕過(guò)程中的相對(duì)貢獻(xiàn);Whiting等［14］利用7Be、137Cs和210Pbex復(fù)合示蹤定量研究了農(nóng)耕地坡面土壤侵蝕過(guò)程，區(qū)分了次降雨過(guò)程中片蝕和細(xì)溝侵蝕量的差異。

2.2 137Cs和210Pb核素聯(lián)合應(yīng)用

137Cs和210Pb雙同位素示蹤技術(shù)主要用于沉積速率的研究。Walling等［15－16］利用這一技術(shù)研究了英國(guó)Culm河11 km長(zhǎng)河段的河漫灘泥沙沉積空間模式;李建芬等［17］通過(guò)對(duì)渤海灣西岸3個(gè)長(zhǎng)剖面11個(gè)樣柱的137Cs和210Pb的放射性強(qiáng)度垂直分布特征、蓄積量以及各樣柱所處的微地貌部位對(duì)現(xiàn)代沉積過(guò)程制約關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)現(xiàn)代沉積速率由海向陸地是逐漸減小的;王宏等［18］通過(guò)對(duì)渤海灣老狼坨子海岸137Cs和210Pb強(qiáng)度、蓄積量分析，并結(jié)合14C測(cè)年的對(duì)比研究，認(rèn)為近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)渤海灣西岸泥質(zhì)海岸沉積速率呈加速趨勢(shì)。另外，利用137Cs和210Pb雙同位素示蹤技術(shù)研究小流域內(nèi)各地貌單元的產(chǎn)沙量較為精確:He等［19］利用210Pb、137Cs和226Ra 3種核素的數(shù)值混合模型，定量說(shuō)明了Culm河泥沙3個(gè)來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)率;Wallbrink［12－13］應(yīng)用137Cs 和210Pb 研究了 Murrubidgee河中游的泥沙源地和各自的貢獻(xiàn)率，并根據(jù)泥沙密度及泥沙量與河道長(zhǎng)度的關(guān)系、泥沙來(lái)源及核素含量的變化，推斷河道中細(xì)粒物質(zhì)的滯留時(shí)間及懸浮泥沙分離的過(guò)程，還提出了用7Be、137Cs和210Pb復(fù)合示蹤技術(shù)研究不同侵蝕方式下泥沙來(lái)源的土壤剖面深度，之后又利用137Cs、210Pb和226Ra在澳大利亞的Bundella河流域定量研究了3種不同類型的地塊對(duì)河流泥沙的相對(duì)貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明農(nóng)耕地、森林和牧場(chǎng)地表侵蝕對(duì)流域出口泥沙貢獻(xiàn)率分別為19%、12%、1%;張信寶等［20］將137Cs和210Pb雙同位素示蹤法應(yīng)用于川中丘陵區(qū)武家溝小流域泥沙來(lái)源的研究表明，137Cs和210Pb雙同位素示蹤法具有確定3種源地泥沙來(lái)源的潛力，并運(yùn)用混合模型求得武家溝小流域林地、農(nóng)地和裸坡地的相對(duì)來(lái)沙量分別為18%、46%和36%，認(rèn)為農(nóng)臺(tái)地和裸坡地分別是流域內(nèi)最重要和次重要的泥沙來(lái)源地。

由以上可以看出，復(fù)合示蹤技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可以對(duì)坡面侵蝕過(guò)程做定量研究，在研究沉積速率和泥沙來(lái)源方面比單核素示蹤技術(shù)具有更高的利用價(jià)值，因此具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

3 稀土元素(REE)示蹤技術(shù)

稀土元素(REE)能被土壤顆粒強(qiáng)烈吸附，難溶于水，植物富集有限且對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害，淋溶遷移不明顯，有較低的土壤背景值，因此可以將其作為示蹤劑來(lái)研究土壤侵蝕。REE示蹤技術(shù)主要研究的領(lǐng)域局限在泥沙來(lái)源和坡面侵蝕的時(shí)空演化規(guī)律兩方面。20世紀(jì)90年代初，田均良等［21］首次成功地將REE示蹤法應(yīng)用于黃土區(qū)土壤侵蝕的垂直分布研究，初步確定了稀土元素的施放方法和施放濃度的計(jì)算方法。隨著對(duì)REE示蹤技術(shù)應(yīng)用研究的深入，石輝等［22］通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，將REE示蹤法引入小流域泥沙來(lái)源研究方面;宋煒等［23］利用分層布設(shè)REE的方法研究了次降雨條件下坡面片蝕向細(xì)溝侵蝕的演化規(guī)律;薛亞洲［24］采用既分層又分段布設(shè)REE的方法研究了坡面侵蝕時(shí)空演化規(guī)律。REE示蹤法作為一種新方法，能較滿意地說(shuō)明小流域泥沙來(lái)源情況及坡面侵蝕的空間分布規(guī)律，但其很難應(yīng)用于對(duì)大區(qū)域或長(zhǎng)時(shí)段的研究，試驗(yàn)成本也較高。

4 結(jié)語(yǔ)

核素示蹤技術(shù)是研究土壤侵蝕的一種新方法，多核素聯(lián)合示蹤可以有效地彌補(bǔ)單核素分布變異性較大的缺陷，降低核素分布變異性，提高示蹤精度。但多核素聯(lián)合示蹤技術(shù)只適用于小區(qū)域范圍，不能在大流域尺度應(yīng)用。在今后的研究中，多核素聯(lián)合示蹤技術(shù)可與“3S”技術(shù)結(jié)合，解決研究精度和空間尺度上的問(wèn)題。由于示蹤技術(shù)在土壤侵蝕研究的許多方面剛剛起步，因此應(yīng)加強(qiáng)核素示蹤定量方面的研究并與傳統(tǒng)研究方法相結(jié)合進(jìn)一步研究土壤侵蝕過(guò)程及機(jī)理，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供較準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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