7Be在示蹤土壤侵蝕過程中的分配規(guī)律研究

丁晉利, 鄭粉莉, 巴明廷

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室,中國 楊凌 712100；2.鄭州師范學(xué)院，中國 鄭州 450044；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)，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(dá)地表．分析侵蝕性降雨過程中雨水?dāng)y帶的7Be有多少被土壤顆粒吸附并隨侵蝕泥沙運(yùn)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(guī)律顯得尤為重要，這也是利用7Be示蹤土壤侵蝕機(jī)理需要解決的問題．關(guān)于7Be作為示蹤劑應(yīng)用于土壤侵蝕的眾多研究，一般以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，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(tài)及其垂直分布特征進(jìn)行研究[1-11]．但關(guān)于7Be示蹤土壤侵蝕的機(jī)理，并未深入研究雨水中7Be隨降雨徑流的再分配規(guī)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(guī)律尚不清楚．本文采用自行設(shè)計的試驗裝置，通過室內(nèi)淋洗模擬試驗研究，分析雨水中7Be質(zhì)量活度(單位質(zhì)量土壤中7Be活度，Bq/kg,全文同)、土壤吸附7Be質(zhì)量活度及滲漏液中7Be質(zhì)量活度，從而揭示7Be示蹤土壤侵蝕過程中再分配的規(guī)律．

1 試驗設(shè)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(zhǔn)備階段

(1)收集雨水.當(dāng)一次降雨量較大或則在短時間內(nèi)發(fā)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(jīng)自然風(fēng)干后過1 mm篩，充分混勻后稱取340 g，用ORTEC公司生產(chǎn)的4 096道γ能譜儀進(jìn)行測定7Be質(zhì)量活度，試驗重復(fù)測定3次．

(3)樣品制備.①雨水水樣制備：準(zhǔn)確取1 L待測水樣，用蒸發(fā)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(nèi)，在103～105 ℃范圍內(nèi)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(nèi)的2 cm表層土壤，該土壤經(jīng)自然風(fēng)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(jìn)行3次重復(fù)．淋洗試驗結(jié)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(zhì)量活度、淋洗土壤樣品7Be質(zhì)量活度和滲漏液7Be質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)源，采用從低能段到高能段的10種標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定，得到儀器的探測效率曲線，根據(jù)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(zhì)量活度校正到同一時刻的7Be質(zhì)量活度．

2 結(jié)果與分析

2.1 雨水中7Be質(zhì)量活度

7Be主要伴隨降雨到達(dá)地表且與降雨量有關(guān)．7Be作為化學(xué)元素在自然環(huán)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(xué)特性，將土壤制成源，測定雨水中7Be質(zhì)量活度，該試驗供試土壤采用陜西富縣境內(nèi)的表層土壤，土壤類型屬于灰色黃土正常新成土．試驗結(jié)果表明，雨水7Be的質(zhì)量活度為151 Bq/kg．

2.2 土壤吸附7Be隨時間變化規(guī)律

白占國及Baskaran[3-4]研究認(rèn)為7Be在自然環(huán)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(dá)地表的7Be能夠很快被土壤吸附．由此試驗結(jié)果表明：土壤吸附7Be量與時間有關(guān)．由SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析得出：4個處理即當(dāng)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(xiàn)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(guān)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(dāng)吸附時間達(dá)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(dāng)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(guān)；另一方面可能由于7Be的半衰期短，土壤中已吸附的7Be發(fā)生衰變．土壤吸附和解析7Be的機(jī)理有待進(jìn)一步研究．

表2 不同吸附時間土壤中7Be質(zhì)量活度統(tǒng)計描述

2.3 雨水中7Be的再分配規(guī)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(jìn)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(dǎo)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(dāng)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(zhì)測定雨水中7Be活度時，由于試驗過程中的誤差導(dǎo)致其測量值存在差異．當(dāng)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(dāng)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(dá)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(dǎo)致滲漏液中7Be活度低于本底值．

3 結(jié)論

通過室內(nèi)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(guī)律，為7Be示蹤坡面土壤侵蝕提供理論支持．所得結(jié)論如下：

(1)在試驗條件下，測得雨水的7Be質(zhì)量活度為151Bq/kg．土壤吸附7Be與吸附時間有明顯的相關(guān)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(jìn)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(dá)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(yīng)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(diǎn)是發(fā)生了侵蝕還是發(fā)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?。捎邳S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(yīng)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(jìn)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(qiáng)度．

參考文獻(xiàn)：

[1] WALLBRINK P J, MURUAY A S. Distribution and variability of7Be in soils under different surface cover conditions and its potential for describing soil redistribution processes[J]. Water Resour Res, 1996,32(2):467-476.

[2] WAN G J, SANTSCHI P, STURM M,etal. Natural (210Pb,7Be) and fallout (137Cs,239Pu,240Pu,90Sr) radionuclides as geochemical tracers of sedimentation in Greifensee, Switzerland[J]. Chem Geol, 1987,63:181-196.

[3] BAI Z G, WAN G J, WANG C S,etal.7Be a geochemical tracer for seasonal erosion of surface soil in watershed of Lake Hongfeng, Guizhou, China[J]. Pedosphere, 1996,6(1):23-28.

[4] BASKARAN M, COLEMAN C H, SANTSCHI P H. Atmospheric deposition flux of7Be and Pb-210 at Galveston and college station[J]. Texas J Geophys, 1993,98(D11):20555-20571.

[5] YOUNG J A, SILKER W A. Aerosol deposition on the pacific and Atlantic Ocean calculated from7Be measurements[J]. Earth Planet Sci Lett, 1980,50(1):92-104.

[6] JUNGE C E. Air Chemistry and Radioactivity[M].New York:Academic Press, 1963.

[7] 白占國,萬國江.宇宙線散落核素7Be在山區(qū)表土中的分布特征及侵蝕示蹤原理[J].土壤學(xué)報, 1998,35(2):266-275.

[8] 萬國江,白占國,黃榮貴，等.湖泊現(xiàn)代沉積作用核素示蹤研究新進(jìn)展[J].地質(zhì)地球化學(xué), 1996(2):9-13.

[9] 萬國江.湖泊沉積物早期成巖過程中鉛的再遷移[J].自然科學(xué)進(jìn)展, 1992,2(5):447-453.

[10] 張信寶,馮明義,張一云，等.川中丘陵區(qū)7Be在土壤中的分布和季節(jié)性本底值[J].核技術(shù), 2004,27(11):873-876.

[11] 丁晉利，鄭粉莉.利用7Be研究次降雨條件下淺溝集水區(qū)片蝕的空間分布[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報， 2011，34(6):84-87.