多核素联合示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用进展

丁晋利，巴明廷，郑晓梅

(1.郑州师范学院，河南郑州 450044;2.黄河水利委员会水文局，河南郑州 450004)

土壤侵蚀规律研究是水土保持行业重大的科研课题之一，国内外很多学者采用不同的方法对其进行了研究。现有的土壤侵蚀测定方法可分为径流小区法、调查法和示踪法，其中:径流小区法和调查法在研究土壤侵蚀与其影响因子之间的关系方面发挥了重要的作用，是测定土壤侵蚀速率、河流泥沙量的传统方法，但这两种方法一般只能研究侵蚀的最终结果，难以对侵蚀的物理过程做定量描述;示踪法可在不改变原始地貌的条件下进行土壤侵蚀发生和分布规律研究，其分析精度和量化程度也较高，不需要特殊的野外试验设施，可定量监测土壤侵蚀的时空变化规律，弥补了径流小区法与调查法的不足。

目前，应用放射性核素示踪技术进行土壤侵蚀研究已成为水土保持等学科的国际前沿研究热点之一。本文在对核素示踪原理及利用多核素联合示踪技术研究土壤侵蚀所取得的成果进行介绍的基础上，对利用核素示踪技术开展土壤侵蚀研究进行综合评述。

1 核素示踪土壤侵蚀原理

自从20世纪60年代初Menzel［1］研究有关土壤侵蚀和放射性核素沉降运移的关系以来，核素示踪法在土壤侵蚀研究中得到了广泛应用。利用核素示踪法不但可以对土壤侵蚀的空间变化、土壤侵蚀产物沉积的形成年代、土壤迁移的空间分布进行研究，进而估算长期(大约45 a)的土壤侵蚀量，而且还可以建立侵蚀速率、侵蚀产物的输移速率和泥沙淤积速率之间的关系。核素示踪法的基本原理是:示踪剂定量土壤侵蚀量和侵蚀速率可以通过侵蚀或沉积样点(即研究区域)的示踪剂含量与环境中示踪剂输入量(称为背景值)相比较，得到各点示踪剂含量减少或增加的百分比，其中减少的点发生土壤净流失，增加的点发生土壤净沉积，然后通过定量模型将示踪剂减少或增加的百分比换算成土壤侵蚀量或沉积量。

目前，利用的示踪元素有:核爆炸产物137Cs，天然放射性核素210Pb、7Be、232Ra、232Th 等，稳定稀土元素REE，其中以137Cs、210Pb、7Be为示踪剂的研究和应用相对深入。

1.1 137Cs示踪土壤侵蚀原理

137Cs是20世纪50～60年代大气核爆炸试验产生的人工放射性核素，它在自然界中没有天然来源，其物理半衰期为30.174 a。核爆炸产生的放射性烟云在气层中扩散，大当量的核爆炸裂变产物可进入平流层，3～12个月内在全球均匀分布，而后逐渐进入对流层，主要随大气降水过程沉降到地表。沉降到地面的137Cs很快被表土中的有机和无机组分强烈吸附，基本不被植物摄取和淋溶流失，其迁移主要是伴随着土壤、泥沙颗粒的物理运动。有研究表明，在纬度变化不大、气象条件均一的地区，137Cs的空间分布是均匀的。因此，通过与当地参照点对比可以定量地计算出土壤侵蚀速率或沉积速率。国外对137Cs在土壤中的水平与垂直分布特征、定量模型的建立与评价以及对137Cs技术方法的改进与评价等作了研究，我国于20世纪80年代末将137Cs应用于土壤侵蚀研究并在估算土壤侵蚀与堆积速率、示踪泥沙来源等方面进行了应用性研究。

1.2 7Be示踪土壤侵蚀原理

7Be是宇宙射线成因的放射性核素，由对流层和同温层大气中的氧和氮在宇宙射线作用下分裂生成，生成的7Be通过干湿沉降作用到达地表，其半衰期为53.3 d。7Be在自然环境中与水作用时，瞬息在表面形成难溶的氢氧化物，这一化学特性决定了7Be的微粒迁移性质。通过沉降作用到达地表的7Be能够很快被土壤吸附，7Be的这种性质使之适用于示踪短期内或次降雨条件下的土壤侵蚀速率。7Be示踪土壤侵蚀的原理是:在野外采集特定点的表层土壤，测定其7Be含量，并与基准点(或背景值样点)中7Be的含量相比，从而确定土壤侵蚀强度的空间分布及侵蚀速率大小。若采样点土壤7Be面积比活度小于基准值，说明该采样点发生了侵蚀，面积比活度大则表示该点发生了沉积。以7Be在土壤剖面中的分布特征和7Be示踪土壤侵蚀定量模型为基础，通过采样点土壤中7Be损失率或增加率计算土壤侵蚀速率或沉积速率，可描述土壤侵蚀过程。白占国等［2］利用7Be示踪技术研究喀斯特地区土壤侵蚀的季节性变化，探讨了应用7Be研究土壤侵蚀的可行性。Walling［3］也利用7Be示踪技术对一次降雨的侵蚀与沉积的空间分布特征进行了研究，并取得了满意的结果。另外，一些研究者已将7Be应用于示踪湖泊沉积物来源方面［4－5］。

1.3 210Pb示踪土壤侵蚀原理

210Pb(半衰期为22.3 a)是238U系列中226Ra(半衰期为1 622 a)衰变中的产物。210Pb在大气中生成之后，很快地附着于亚微米级气溶胶微粒且进行环境生物地球化学运移［5］。大气中的210Pb通过干、湿沉降进入湖泊、海湾，并蓄积在沉积物中。沉积物中蓄积的这部分210Pb因其与母体核素226Ra分离，通称为非平衡或过剩210Pb。210Pb的大气浓度具有明显的短时间尺度(日、月)变化特征，但年际变化并不显著，其半衰期耦合于现代人类活动的百年级时间尺度(n×10～n×102 a)。因此，210Pb是环境地球化学过程的良好示踪剂，在大气扩散、流域土壤侵蚀和现代沉积研究中具有很好的示踪价值。1963年 Goldberg［6］首次利用210Pb作为格林兰冰芯计年，此后 Krishnaswamy［7］及 Koide 等［8］分别进行了湖泊和海湾沉积物210Pb计年的探索。近30年来，210Pb广泛用于现代沉积计年和流域土壤侵蚀速率测定且取得了好的进展，显示出了其在百年时间尺度上的重要示踪价值。

2 多核素联合示踪土壤侵蚀

将放射性核素7Be与137Cs、210Pb等核素相结合研究土壤侵蚀和沉积具有很大的应用价值和潜力。多核素联合应用于土壤侵蚀可以示踪短期(d＜30)、中期(45 a)和长期(100 a)尺度的土壤侵蚀速率和再分配模式，且浓度的变化可以描述侵蚀和沉积过程并分析泥沙来源。在特定情况下，放射性核素在土壤剖面的垂直分布能提供从短期到百年尺度的沉积年代。

2.1 7Be、137Cs核素联合应用

把放射性核素7Be与137Cs等核素相结合，通过测定径流小区土壤及集水区泥沙中7Be和137Cs含量，分析泥沙颗粒组成，可区分面蚀、细沟侵蚀、冲沟侵蚀3种侵蚀过程及其侵蚀机制，推断侵蚀泥沙的来源，描述可能发生的侵蚀过程，定量区分片蚀和细沟侵蚀在侵蚀过程中的相对贡献及不同侵蚀方式的动态演变过程。如Burch等［9］利用不同放射性核素渗透深度的差异，通过沉积土壤中的137Cs和7Be活度说明土壤剖面中沉积土壤的最初来源，推断了可能发生的侵蚀过程;杨明义等［10－11］利用7Be和137Cs复合示踪研究次降雨条件下坡面不同侵蚀方式(片蚀和细沟侵蚀)随时间推移的发生与发展，定量区分了片蚀和细沟侵蚀的演变过程，证明了7Be和137Cs复合示踪研究土壤侵蚀过程的可行性;Wallbrink 等［12－13］采用7Be和137Cs以及其他放射性元素复合示踪研究不同侵蚀方式在土壤侵蚀过程中的相对贡献;Whiting等［14］利用7Be、137Cs和210Pbex复合示踪定量研究了农耕地坡面土壤侵蚀过程，区分了次降雨过程中片蚀和细沟侵蚀量的差异。

2.2 137Cs和210Pb核素联合应用

137Cs和210Pb双同位素示踪技术主要用于沉积速率的研究。Walling等［15－16］利用这一技术研究了英国Culm河11 km长河段的河漫滩泥沙沉积空间模式;李建芬等［17］通过对渤海湾西岸3个长剖面11个样柱的137Cs和210Pb的放射性强度垂直分布特征、蓄积量以及各样柱所处的微地貌部位对现代沉积过程制约关系的研究，发现该地区现代沉积速率由海向陆地是逐渐减小的;王宏等［18］通过对渤海湾老狼坨子海岸137Cs和210Pb强度、蓄积量分析，并结合14C测年的对比研究，认为近一个世纪以来渤海湾西岸泥质海岸沉积速率呈加速趋势。另外，利用137Cs和210Pb双同位素示踪技术研究小流域内各地貌单元的产沙量较为精确:He等［19］利用210Pb、137Cs和226Ra 3种核素的数值混合模型，定量说明了Culm河泥沙3个来源的相对贡献率;Wallbrink［12－13］应用137Cs 和210Pb 研究了 Murrubidgee河中游的泥沙源地和各自的贡献率，并根据泥沙密度及泥沙量与河道长度的关系、泥沙来源及核素含量的变化，推断河道中细粒物质的滞留时间及悬浮泥沙分离的过程，还提出了用7Be、137Cs和210Pb复合示踪技术研究不同侵蚀方式下泥沙来源的土壤剖面深度，之后又利用137Cs、210Pb和226Ra在澳大利亚的Bundella河流域定量研究了3种不同类型的地块对河流泥沙的相对贡献率，结果表明农耕地、森林和牧场地表侵蚀对流域出口泥沙贡献率分别为19%、12%、1%;张信宝等［20］将137Cs和210Pb双同位素示踪法应用于川中丘陵区武家沟小流域泥沙来源的研究表明，137Cs和210Pb双同位素示踪法具有确定3种源地泥沙来源的潜力，并运用混合模型求得武家沟小流域林地、农地和裸坡地的相对来沙量分别为18%、46%和36%，认为农台地和裸坡地分别是流域内最重要和次重要的泥沙来源地。

由以上可以看出，复合示踪技术以其独特的优势可以对坡面侵蚀过程做定量研究，在研究沉积速率和泥沙来源方面比单核素示踪技术具有更高的利用价值，因此具有更为广阔的应用前景。

3 稀土元素(REE)示踪技术

稀土元素(REE)能被土壤颗粒强烈吸附，难溶于水，植物富集有限且对生态环境无害，淋溶迁移不明显，有较低的土壤背景值，因此可以将其作为示踪剂来研究土壤侵蚀。REE示踪技术主要研究的领域局限在泥沙来源和坡面侵蚀的时空演化规律两方面。20世纪90年代初，田均良等［21］首次成功地将REE示踪法应用于黄土区土壤侵蚀的垂直分布研究，初步确定了稀土元素的施放方法和施放浓度的计算方法。随着对REE示踪技术应用研究的深入，石辉等［22］通过室内模拟试验，将REE示踪法引入小流域泥沙来源研究方面;宋炜等［23］利用分层布设REE的方法研究了次降雨条件下坡面片蚀向细沟侵蚀的演化规律;薛亚洲［24］采用既分层又分段布设REE的方法研究了坡面侵蚀时空演化规律。REE示踪法作为一种新方法，能较满意地说明小流域泥沙来源情况及坡面侵蚀的空间分布规律，但其很难应用于对大区域或长时段的研究，试验成本也较高。

4 结语

核素示踪技术是研究土壤侵蚀的一种新方法，多核素联合示踪可以有效地弥补单核素分布变异性较大的缺陷，降低核素分布变异性，提高示踪精度。但多核素联合示踪技术只适用于小区域范围，不能在大流域尺度应用。在今后的研究中，多核素联合示踪技术可与“3S”技术结合，解决研究精度和空间尺度上的问题。由于示踪技术在土壤侵蚀研究的许多方面刚刚起步，因此应加强核素示踪定量方面的研究并与传统研究方法相结合进一步研究土壤侵蚀过程及机理，为土壤侵蚀预报模型的建立提供较准确的基础数据。

［1］Menzel R G.Transport of Strontium-90 in runoff［J］.Science，1960，131(3399):499 －500.

［2］白占国，万国江，Santschi P H，等.宇宙线散落核素7Be在山区表土层中的分布特征及侵蚀示踪原理［J］.土壤学报，1998，35(2):266 －275.

［3］Walling D E，He Q，Blake W.Use of Be-7 and Cs-137 measurement to document short and medium-term rates of water-induced soil erosion on agricultural land［J］.Water Resource Research，1999，35(2):3865 －3874.

［4］万国江，白占国，黄荣贵，等.湖泊现代沉积作用核素示踪研究进展［J］.地质地球化学，1996(2):9－13.

［5］万国江.湖泊沉积物早期成岩过程中铅的再迁移［J］.自然科学进展，1992，2(5):447 －453.

［6］ Goldberg E D.Geochronology with210Pb［G］//Radioactive Dating.Vienna:International Atomic Energy Agency，1963:121－122.

［7］Krishnaswamy S，Lal D，Martin J M，et al.Geochronology of lake sediments［J］.Earth Planetary Science Letters，1971，11(1－5):407－414.

［8］Koide M，Soutar A，Goldberg E D.Marine geochronology with210Pb［J］.Earth Planetary Science Letters，1972，14(3):442 －446.

［9］Burch G J，Barnes C J，Moore I D，et al.Detection and prediction of sediment sources in catchments:use of7Be and137Cs［C］//Proceeding of the Hydrology and Water Resources Symposium.I Canberra:Australian National Universitg，1988:146－150.

［10］杨明义，刘普灵，李立青.137Cs示踪农耕地侵蚀速率模型精确度的比较［J］.核农学报，2004，18(5):385 －389.

［11］杨明义.多核素复合示踪定量研究坡面侵蚀过程［D］.杨凌:西北农林科技大学，2001.

［12］Wallbrink P J，Murray A S.Distribution and Variability of7Be in soils under different surface cover conditions and its potential for describing soil redistribution processes［J］.Water Resources Research，1996，32(2):467 －476.

［13］Wallbrink P J.Fallout of cosmogonist radionuclide7Be and its subsequent distribution in the soil profile［D］.Honours Thesis，ANU.Forestry Ded，1989:30 －89.

［14］Whiting P J，Bonniwell E C，Matisoff G.Depth and areal extent of sheet and rill erosion based on radionuclides in soils and suspended sediment［J］.Geological Society of America，2001，29(12):1131 －1134.

［15］Walling D E，He Q.Using fallout lead-210 measurements to estimate soil erosion on cultivated land ［J］.Soil Science Society of America Journal，1999，63(5):1404 －1412.

［16］Walling D E，He Q.Use of fallout137Cs in investigations of overbank sediment deposition on river floodplains［J］.Catena，1997，29(3 －4):263 －282.

［17］李建芬，王宏，夏威岚，等.渤海湾西岸210Pbexc、137Cs测年与现代沉积速率［J］.地质调查与研究，2003，20(2):114－128.

［18］王宏，姜义，李建芬，等.渤海湾老狼坨子海岸带14C、137Cs、210Pb测年与现代沉积速率的加速趋势［J］.地质通报，2003，22(9):658 －664.

［19］He Q，Owens P.Determination of suspended sediment provenance using Caesium-137，unsupported Lead-210 and Radium-226:A numerical mixing model approach［G］//Foster I D L，Gurnell A M，Webb B W.Sediment and water quality in river catchments.New York:John Wiley ＆ Sons Inc.，1995:207 －227.

［20］张信宝，汪阳春，李少龙，等.蒋家沟流域土壤侵蚀及泥石流细粒物质来源的137Cs法初步研究［J］.中国水土保持，1992(2):28－31.

［21］田均良，周佩华，刘普灵，等.土壤侵蚀REE示踪法研究初探［J］.水土保持学报，1992，6(4):23 －27.

［22］石辉，田均良，刘普灵，等.利用REE示踪法研究小流域泥沙来源［J］.中国科学:E 辑，1996，26(5):474－480.

［23］宋炜，刘普灵，杨明义.利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程［J］.水科学进展，2004，15(2):197 －201.

［24］薛亚洲.利用REE示踪技术研究黄土坡面土壤侵蚀演变过程［D］.杨凌:中国科学院水土保持研究所，2004.