桂林典型岩溶峰丛洼地137Cs和210Pbex分布特征

吴 松， 汤珊珊， 邓 艳

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院， 广西 桂林 541004； 2.中国地质科学院 岩溶地质研究所， 广西 桂林 541004)

水土流失包括土壤侵蚀和水的流失，其造成的主要影响是水力、风力、重力等外营力作用下的水土资源和土地生产力的破坏和损失，不仅导致生态功能和土地生产力的恶化，还会威胁到区域和全球范围内的社会经济和文化发展。特别是在西南岩溶地区，水土流失治理技术与模式缺乏针对性问题一直是当前研究目标，并且进入21世纪以来，土壤侵蚀研究受到越来越多的关注[1-4]。在高异质性的峰丛洼地中，地表裂隙、岩溶管道发育，加上普遍浅薄的地表土层，保水能力弱，不仅造成因坡面侵蚀等形成的地表水土流失，还存在沿地表裂隙、裂缝、漏斗、落水洞等发育结构的水土地下漏失，人们也越来越认识到了土壤侵蚀对人类安全和社会经济发展的严重威胁[5-7]。因此研究土壤侵蚀特征及其影响因素，可以有效为控制土壤流失和充分保护农业可持续性提供必要依据。

当前应用于研究土壤侵蚀的方法主要为核素示踪法[8-10]，其相较于传统方法，具有可在不改变研究区原始地貌的情况下，具有通过示踪核素含量变化差异对土壤侵蚀的物理过程进行定性和定量描述的潜力。137Cs(T1/2=30.17 a)的主要来源是核试验以及核事故，起初许多学者尝试应用137Cs同位素示踪法来监测土壤侵蚀[11-14]，并取得了较多具有参考价值的科学成果。

但是随着世界一些地区土壤中137Cs含量低测试困难，来源单一、缺乏后续供给，导致土壤样品中137Cs越来越难以检出，因此研究人员也将210Pbex或者两种核素综合应用于土壤侵蚀示踪[15]。210Pb(半衰期为22 a)是种天然核素，土壤中的部分210Pb由222Rn气体在原地衰变为“补偿性210Pb”(210Pbsup)，而沉降回到地表后为表层土壤颗粒吸附的部分为“非载体来源性210Pb”(210Pbex)[16]。和137Cs性质相同，210Pbex被土壤颗粒吸附后，几乎不被雨水淋溶或被植物摄取，只随土壤或泥沙颗粒的物理迁移而发生变化。这一性质是137Cs和210Pbex能够被用于土壤侵蚀示踪的基本前提。目前许多学者已经用137Cs、210Pbex双核素示踪法在农耕地、森林等进行了大量土壤侵蚀、泥沙堆积等方面的研究。然而运用137Cs和210Pbex联合示踪广西岩溶峰丛洼地主要集水区域土壤侵蚀过程的研究较少。因此对研究区域开展137Cs、210Pbex复合示踪分析有助于探究岩溶峰丛地貌的土壤侵蚀特征以及估算土壤侵蚀速率，了解核素在剖面的分布迁移规律以及示踪土壤侵蚀的分布特征，为岩溶峰丛洼地地区治理水土流失问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区域及采样点

研究区域(25.03°N，110.47°E)位于广西壮族自治区桂林市阳朔县兴坪镇境内(图1)，属于亚热带湿润季风气候区。研究区域属典型的喀斯特岩溶峰丛洼地地貌，洼地与峰丛的相对高差为100～280 m，地形起伏大。年平均温度为18～19 ℃，年平均降雨量为1 566～2 390 mm，年平均相对湿度为76%。采样区域土壤以褐色砂质黏土为主，地层属于泥盆纪融县组下段，为浅海相碳酸盐沉积，岩性以灰白色、浅灰色厚层灰岩为主，且土壤分布不均。区域石漠化较明显，尤其在坡麓至洼地明显现石漠化。研究区域内均为非耕地，大部分为果园地，主要经济种植物为砂糖橘和夏橙，其次为沃柑，坡地以上的部分区域植被以乔灌木为主，分布着大量桉树、毛竹等，植被覆盖率较高。

1.2 样品采集

研究以峰丛洼地范围为采样区域，选择了砂糖橘果地、乔灌林地及撂荒地代表性样地，采集了所布置样点的土壤。采样点具体情况见表1。

表1 研究区采样点介绍

土样采用开挖剖面法至80 cm，按不同深度分层采集，分层间隔采集土样为地表0～20 cm分层间隔为2 cm，20～40 cm分层间隔为5 cm，40 cm以下深度分层间隔为10 cm。此外每层土壤采用环刀法测定每层土壤容重、含水率等，然后每一层采集大于750 g的土壤样品以供测试。

1.3 样品处理与测试

土壤样品经自然风干后，剔除草根、石块等杂物，研磨后过100目尼龙筛，称取300 g于相同规格的塑料容器中，贴上标签同时做好记录工作，密封静置大于20 d后送样测试。土壤样品的137Cs和210Pb样品测试在中国地质科学院岩溶地质研究所岩溶地质与资源环境测试中心进行。样品采用型号为BE3830的超低本底宽能高纯锗γ能谱仪测试，测试时间≥25 000 s，测试误差<5%。测试结果为基于单位质量的137Cs、210Pb和226Ra核素活度，单位为Bq/kg，其中210Pbex比活度等于210Pb在46.5 keV射线的全峰面积求得的比活度值减去226Ra在351.9 keV射线的比活度值[17]。

2 结果与分析

2.1 不同土壤剖面137CS的深度分布特征

从137Cs分布图(图2)可以看出，样点整体的137Cs质量比活度主要分布在0～25 cm深度，各点的比活度峰值均不在表层，剖面分布皆表现为深度增加时，先是缓慢增加至最大值，然后呈指数衰减型骤减，直到一定土层，很难检测出137Cs的活度，总体上为“单峰+指数衰减”型分布曲线。各个点峰值所在土层及其值为撂荒地(137Cs4-6=10.67 Bq/kg)>砂糖橘果地(137Cs8-10=9.2 Bq/kg)>乔灌林地(137Cs2-4=7.3 Bq/kg)。3类剖面的137CS分布深度在0～25 cm深度内，往下深度的比活度都低于检测限甚至无核素分布。从不同土地利用类型土壤剖面来看，撂荒地剖面较其他剖面分布达到25 cm深，剖面分布符合典型的非耕作土壤形态，但检测含量很少。而乔灌林地剖面与砂糖橘果地剖面分布最大深度基本都在14～16 cm，且二者剖面深度分布趋势相似，但砂糖橘果地剖面0～16 cm的平均分布浓度(6.47 Bq/kg)高于乔灌林地(5.03 Bq/kg)，综上可知在岩溶峰丛洼地汇水区的137CS比活度分布深度仍然主要在0～20 cm。

图2 不同剖面137CS深度分布

综上可知峰值都出现在2～10 cm的次表层而非表层土壤，原因可能是坡上土壤因水土流失迁移下来，使得在原有土壤的基础上又堆积新的土壤，137CS随大气沉降进入土壤后，吸附在土壤表层黏土矿物中，使其在表层形成活度很高的富集层，然后土壤细颗粒在重力和雨水淋溶作用下向土壤深层迁移，分布深度增加[18]。撂荒地剖面比活度变化最大且变化范围最大，乔灌林地剖面次之，砂糖橘果地剖面变化差异最小，此类结果的原因可能是近些年弃耕地未曾受过较大的人为干扰，撂荒地向下呈衰减型沉降至更大深度。

2.2 不同土壤剖面210Pbex的深度分布特征

210Pbex沉降到地表以后，受土壤系统中物理-化学及生物学过程(如扩散、迁移等)的影响，以致210Pbex的分布深度远远大于其初始分布深度[19]。由图3可知，210Pbex与137CS相似，210Pbex都是在表层(0～2 cm)土壤内的质量比活度最高，随着重力和雨水淋溶向下迁移与扩散，210Pbex分布深度较深，但随着深度的增加其比活度骤减。3个剖面主要分布在0～20 cm，20 cm以下土层检出210Pbex比活度但含量远小于0～20 cm。与137CS在土壤剖面中在次表层内(2～10 cm)出现峰值不同，210Pbex质量比活度在土壤表层最大。由表2和图3可知各剖面整体的变化差异较大，表层210Pbex比活度平均值为179.86 Bq/kg，最大可达200.22 Bq/kg。

图3 不同剖面210Pbex深度分布

结合拟合曲线可知，3类土地利用类型剖面都是非耕作土壤剖面，整体看都是呈现近似指数分布的趋势，从不同剖面不同土层分布来看，乔灌林地剖面的210Pbex比活度出现负值，且相较撂荒地和砂糖橘果地较早，可能是由于乔灌林地土壤质地更密实，土壤中的222Rn向上逸散较多以及载体210Pb(210Pbsup)的增量更多，致使该剖面出现负值较早且十分明显。3个剖面210Pbex比活度都出现负值，尤其20 cm以下，普遍为负值，少有土层出现正值，且出现负值深度较大，变化却很小。可能是由于下层土壤质地密实，透气性较差，土壤中的222Rn向上逸散，释放到上层土层中，使210Pbex在靠近密实层富集，造成该层210Pbex含量的增大；同时，土壤层中222Rn的向上逸散以及载体210Pb的增大，使下层缺少210Pbex，导致210Pbex出现负值[20]。

2.3 不同土地利用方式137CS和210Pbex含量分布特征

137Cs和210Pbex主要是通过干湿沉降在土壤中赋存，大范围内的降水、小范围内的地形以及植被类型等因素[18]，能够使137Cs和210Pbex在陆地的分布具有一定的空间差异。土壤分层样中样点所有土层137Cs、210Pbex基于面积的累计活度，即样点单位面积比活度，可由下式[18]计算，即

(1)

式中：CPI(137Cs Point Inventory)为样点的137Cs的总量，Bq/m2；PPI(210Pbex Point Inventory)为样点的210Pbex的总量，Bq/m2；i为采样层的层序号；n为采样层数；Ci为第i层的137Cs或210Pbex的比活度，Bq/kg；Bi为第i层的土壤容重，g/cm3；Di为第i层的采样深度，m。

计算结果得出样点面积活度见表2，研究区的137Cs面积活度变化范围远小于210Pbex面积活度的变化范围。137Cs面积活度结果为撂荒地(2 138.59 Bq/m2)>砂糖橘果地(1 774.65 Bq/m2)>乔灌林地(1 240.08 Bq/m2)，210Pbex面积活度结果为乔灌林地(10 804.62 Bq/m2)>砂糖橘果地(9 876.18 Bq/m2)>撂荒地(3 795.11 Bq/m2)。因此不同土地利用类型土壤剖面的137Cs、210Pbex面积活度存在着差异，对每个剖面的双核素质量活度表征的侵蚀堆积特征显示需要进一步的数据分析。与前人研究相比[9]，研究区中乔灌林地的137Cs面积活度最小，210Pbex面积活度却最大，面积活度十分高；撂荒地137Cs面积活度最大，其210Pbex面积活度却最小，这一方面表明不同地区土地利用方式对核素含量分布影响程度不同，另一方面说明近年来土壤侵蚀并未缓解。

表2 采样点137Cs和210Pbex面积活度

2.4 137CS和210Pbex的相关性分析

为进一步探究两种核素分布特征的相似性以及不同植被覆盖类型下的相关性差异，进行下一步的数据分析。由于137Cs在25 cm深度以下几乎检测不到，而210Pbex活度在深层分布较少但分布深度达到整个剖面，所以从整个剖面深度对两核素做相关分析会有明显偏差，因此分别对0～20 cm深度的分布情况和整个深度分布做相关分析。

由图4可知，137CS与210Pbex存在正相关关系(P<0.005)，二者的相关方程为210Pbex=11.51×137Cs-6.24，因此两核素在峰丛洼地地区的分布存在相似性，且在0～20 cm土层存在较强正相关关系。而人为扰动因素在一定程度上影响了核素分布，同时使得土壤进行重分配，导致特征变化。

图4 137CS与210Pbex的相关关系

3 结论

通过分析广西桂林典型岩溶峰丛洼地不同土地利用类型的土壤剖面137CS和210Pbex放射性比活度特征，可以得到以下结论：

1)研究区域137CS质量比活度分布均值为5.45 Bq/kg，210Pbex质量比活度分布均值为22.53 Bq/kg。137CS面积比活度(3 970.22 Bq/m2)均值远小于210Pbex(8 158.64 Bq/m2)，这表明单独用137CS已经不能满足更好地探究土壤侵蚀特征。

2)不同植被覆盖下的剖面特征存在一定差异，尤其在不同的岩溶环境下，土地利用类型影响核素分布情况的程度会有所不同。受一定人为干扰，果园地活度分布深度较为均匀，变化幅度较小，乔灌林地和撂荒地剖面活度随深度增加而骤减。

3)双核素联合示踪法可以较好地表现土壤分布特征。137CS和210Pbex放射性比活度在土壤上层(0～20 cm)表现为高度正相关，核素分布特征变化是土壤再分配最直接的证据，此后可以尝试利用二者示踪结果相互验证，使研究结果更有代表性，而从此次研究结果看，在岩溶峰丛洼地用核素指示水土流失仍然具有潜力。