铯137在土壤中的分布、迁移及应用综述

潘玉梅 艾美荣 曾嘉

摘 要：土壤中铯元素主要来源于核武器实验、核反应堆的放射性废物以及核电站核泄漏和核燃料处理厂的放射性废液。在土壤研究中，主要利用放射性核素铯137（137Cs）进行土壤侵蚀研究，能够简便、快速、准确地获取土壤流失、沉积和空间重新分布等详细信息。该文重点介绍了铯137（137Cs）在土壤中的分布及迁移特征与铯元素在土壤研究中的应用，探讨了铯元素在应用中存在的问题，并对后续的研究进行了展望。

关键词：放射性铯；土壤侵蚀；分布

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）07-0066-03

Abstract：Cesium in soil is mainly derived from nuclear weapon test，radioactive waste from nuclear reaction，nuclear leakage and radioactive waste from nuclear fuel reprocessing plant. In soil research，the use of radionuclide caesium-137（137Cs） for soil erosion research can be simple，rapid and accurate to obtain soil loss. Details such as deposition and spatial redistribution. The distribution and migration characteristics of cesium-137（137Cs） in soil and the application of cesium in soil research were introduced in this paper. At the same time，existence of cesium in application is discussed. The development of future research is also prospected.

Key words：Radioactive caesium；Soil erosion；Distribution

1860年德国化学家本生（R.W.Bunsen）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）在研究矿泉水的光谱时发现新的元素谱线，根据光谱线的颜色按拉丁文caesius（天蓝色）命名为cesium。1881年赛特贝格（C.Setterberg）在电解氯化铯-氰化钡混合熔盐时，首次制得金属铯。铯是最活泼的金属之一，它有16种核素，其中核素134Cs、137Cs是2种裂变产物，两者都是中毒性核素，具有很强的放射性，铯137（137Cs）是铯的所有核素中放射性最强的核素。137Cs在工业[1]、军工[2]、医用科学[3]研究领域均有廣泛的用途，还可用作同位素示踪核素等方面[4]。除此之外，人类健康也受其影响[5]，137Cs已经成为了研究热点。

1 土壤中137Cs的来源及分布特征

1.1 土壤中137Cs的来源 土壤中137Cs主要来自核武器试验[6]、核反应堆的放射性废物以及核电站核泄漏和核燃料处理厂的放射性废液[7]。每次核试验会释放许多裂变核素137Cs到大气、土壤，释放在大气中的137Cs会随着大气环流沉降进入土壤中。而大气环流形成的137Cs分布状况因地形、地貌及土壤类型而异[8]。

1.2 全球核试验、核事故与137Cs的分布 土壤中137Cs主要来源于核试验与核事故，因此核试验地分布与137Cs在土壤中的分布密不可分。据不完全统计，从1945年至今，全球共进行了2062次核试验，其中美国1032次、苏联715次、法国210次、中国45次、英国45次、印度6次、巴基斯坦6次、北朝鲜3次等。除此之外，严重的核事故如前苏联切尔诺贝利核事故[9]及日本福岛核事故[10]也造成137Cs的大量外泄，进入土壤生态系统，使周边地区受到严重污染。

137Cs在全球空间分布规律呈现北半球的137Cs总沉降量大于南半球；核爆炸周围地区的137Cs含量高于全球的平均水平；受平流层大气运动影响，137Cs尘埃在中高纬度地区含量较高，相同降水量下，纬度越高137Cs沉降量越大[11]。除此之外，137Cs在土壤中的分布还与土壤类型有关，在黄黏土、潮土、盐土和风沙土中的含量有极显著差异[12]；原地层中137Cs的活性度分布随着土层深度的增加以指数形式衰减[13]；土壤中放射性核素137Cs比活度的对数值随土壤颗粒表面积对数值的增加而线性增加[14]；高度可变的134Cs和137Cs活度浓度往往出现在同一位置不同土壤样品之间[15]。

2 铯元素在土壤中的迁移与应用

2.1 铯元素的迁移特征与制约因素 碱性环境中，水合铁的氧化物比石英对铯元素的吸附能力强，因此，表面涂有铁氧化物的石英砂对铯元素的迁移运动的阻碍力度比表面去除了铁氧化物的石英砂更大[16]，铯元素在恒福沉积物中的流速比在石英砂中更快，在恒福沉积物中会引起很明显的不平衡状态，而在石英砂中铯可以很平稳的停留在其中，恒福沉积物的减少可以有效阻碍铯的迁移[17]。

在森林中土壤的垂直方向上，堆积在土壤表层的137Cs会比较长时间存在于表层，第2年以减少的速率向下迁移[18]，灰化土迁移速度快，潜育土迁移的深度最低[19]。据此猜测其它土壤也具有相似的性质，从大气中沉降到地表的137Cs都会在地表浅层存在一段时间，然后向下迁移或者是被植物所吸收。但是在迁移过程中，137Cs还会受到一些物理、化学、环境因素的影响[18]，富含有机物的土壤可以加快137Cs的迁移速率[20]。

2.2 示踪土壤侵蚀 137Cs作为重要的土壤示踪剂，在土壤研究中有广泛应用[21]，在科学研究领域有重要用途，特别是在示踪土壤侵蚀方面[22]。示踪土壤侵蚀试验中，137Cs背景值的确定会直接影响到最终结果的准确性和可靠性[23]。一般来说，坡顶到坡底流失量渐减，坡地上部以净流失为主，坡地中下部除土壤流失外，还接受坡上部流失的土壤，因而坡地的土壤净流失上部大于中下部[24]。试验表明，利用137Cs示踪法研究坡面侵蚀，可以客观地描述典型坡面上土壤侵蚀的垂直分异现象[25]。

利用137Cs示踪法对土壤的侵蚀现象进行研究，可以很好地展现出土壤在垂直和水平方向上的侵蚀速率和方向[26，27]。同时结合研究区域的自然环境特征就可以得出，土壤侵蚀与自然环境的关系[28]。相对来说气候湿润，降雨量大的地区，它的径流系数相对较高，土壤抗侵蚀性相对较强，用137Cs背景值求得的坡耕地的平均侵蚀量往往会偏大[29，30]，需要一个有效背景值来做计算才能更准确。利用有效背景值所计算的坡耕地平均土壤侵蚀速率，能够较为真实的反映土壤的侵蚀强度[31]。

3 存在问题与展望

137Cs示踪法在土壤研究中，往往需要确定1个关系到最终结果准确性和可靠性的背景值，如果能够在这一环节找到准确又简便的方法来确定其背景值，那么137Cs示踪法的实验难度会减小许多。

此外，137Cs示踪法在土壤的研究上，只适合小区域、小样本量的研究，当样本量比较大的时候，研究耗时长，应该改进研究方法和路线。在大区域、大样本量中，进行少量抽样取样，使分析精度达到要求。在土壤侵蚀研究中，137Cs示踪法具有独有的优势，但也有一定的局限性，即不适用于某些侵蚀比较严重的地区。因为被侵蚀的土壤表面很可能已经测不到137Cs，需寻找一些替代核素，对这类土壤进行研究，或者开发一些新技术，能够测出侵蚀严重地区的微量137Cs，让137Cs示踪法依然适用于这类地区。

研究表明，137Cs基本沉降在土壤的浅表层，而土壤浅表层137Cs含量直接或者间接的反映土壤中微生物的状况。利用这一关系，可以对很多土壤的微生物进行研究。比如：研究农田生态系统中土壤中的微生物状况，探讨其对农作物生长的影响；研究森林生态系统中土壤微生物状况，探讨其与森林中各种植物的分布关系等。

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（责编：王慧晴）