137Cs在坡耕地中的分布特征及土壤侵蝕中的應(yīng)用

王小雷+楊浩

摘要：選擇一塊長為31.5 m，寬為11.0 m，平均坡度為15.8°的矩形坡耕地作為研究對象，分別采集分層樣和全樣土壤樣品，對土壤中的137Cs進(jìn)行測試分析。結(jié)果表明，137Cs在此研究區(qū)的背景值為918 Bq/m2，受采樣方式和測試儀器本身參數(shù)影響，其測定值與前人研究結(jié)果相比略有差異；137Cs在分層樣和全樣土壤中的分布特征均呈現(xiàn)自坡頂至坡底逐漸增加的趨勢，表明坡耕地不同部位的土壤侵蝕大小依次為坡頂部>坡中部>坡底部。運(yùn)用137 Cs示蹤模型估算坡耕地的平均土壤侵蝕量為3793 t/（km2·a），屬于中度侵蝕等級。

關(guān)鍵詞：137Cs；分布特征；坡耕地；侵蝕速率

中圖分類號：S124+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4555-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.012

Distribution of 137Cs in Slope Farmland and Its Application in Soil Erosion

WANG Xiao-lei1，2，YANG Hao2

（1. College of Biochemical and Environmental Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 211171， China； 2. College of Geographical Science， Nanjing Normal University， Nanjing 210023， China）

Abstract：A slope farmland with an area of 31.5 m×11.0 m and an average gradient of 15.8° were selected to collect the incremental depth cores and bulk cores and analyzed the activities of 137Cs in soils. The results showed that the reference inventory of 137Cs was 918 Bq/m2， different from previous report due to the difference between soil sampling patterns and laboratory instrument. The activities and inventories of 137Cs in soils showed an increasing trend from summit to toe， and the order of soil erosion rates was summit>middle-slope>toe. Based on the models of 137Cs， the soil erosion rates in this slope farmland were evaluated as 3 793 t/（km2·a）， which was a moderate grade of erosion.

Key words： 137Cs； distribution； slope farmland； erosion rate

137Cs是一種人工放射性核素，半衰期為30.17 年，主要來源于20世紀(jì)50～70年代大氣熱核試驗和1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸以及2011年日本福島核泄漏事故的副產(chǎn)物。137Cs進(jìn)入大氣同溫層后伴隨大氣環(huán)流運(yùn)動，通過干沉降和濕沉降作用到達(dá)地表后迅速被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)緊密吸附，此后137Cs只隨土壤顆粒發(fā)生物理遷移，且在土壤中的重新分配作用主要由土壤侵蝕和沉積作用所致，因此這也正是137Cs示蹤土壤侵蝕的先決條件[1]。137Cs示蹤的基本原理是通過測定采樣點土壤中137Cs的含量相對于背景值的變化，并將這種變化與土壤的運(yùn)移量相聯(lián)系，判斷采樣點是受到侵蝕還是發(fā)生沉積以實現(xiàn)對土壤侵蝕量的測定[2]。該示蹤方法由于簡單、操作性強(qiáng)等優(yōu)點，已在世界范圍內(nèi)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件下進(jìn)行了成功的運(yùn)用[3-6]。

在應(yīng)用137Cs進(jìn)行土壤侵蝕示蹤時，隨著諸多基于土壤137Cs損失率與土壤侵蝕量之間的定量關(guān)系模型的建立，已開展的工作多數(shù)集中于研究中長期（大約50年）的土壤侵蝕或沉積作用的強(qiáng)度和空間分布特征[7]，對137Cs在較小的區(qū)域范圍內(nèi)的分布特征及土壤侵蝕狀況研究則相對較少。研究認(rèn)為，在較為平坦的農(nóng)耕地土壤中，137Cs主要集中在耕層以內(nèi)，且水平和垂直分布特征均呈現(xiàn)均一性分布特征[8]。然而，137Cs在坡耕地土壤中的分布特征如何，是否也具有相似的變化規(guī)律，有待進(jìn)一步研究?；诖耍x擇了一塊較為規(guī)則的坡耕地作為研究對象，分析了137Cs比活度在土壤中不同部位的分布特征及土壤侵蝕狀況，旨在為進(jìn)一步運(yùn)用137Cs示蹤研究土壤侵蝕提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

研究區(qū)位于云南省滇池流域的關(guān)山水庫附近，樣品采集于2007年9月。在研究區(qū)內(nèi)選擇了一塊平均坡度為15.8°的矩形坡耕地（中心點地理坐標(biāo)為24°49′24″N，102°50′13.6″E），其長和寬分別為31.5 m和11.0 m。為充分反映坡耕地土壤中137Cs的分布特征，按照預(yù)先布設(shè)的6行×10列的網(wǎng)格狀進(jìn)行采樣，其中行間距為3.5 m，列間距為2.2 m，樣點分布如圖1所示。采集的土壤樣品分為全樣和分層樣兩種。全樣采用內(nèi)徑為6 cm的取樣鉆垂直打入土層，深度均為35 cm，取出完整土樣，即為土壤全樣，共計60個。分層樣采集面積為10 cm×15 cm，用小鏟刀自表層往下按照每3 cm間距取樣，采樣深度至36 cm。在坡頂、坡中、坡底部位各布置一個點，共計分層樣品36個。

樣品自然風(fēng)干，剔除雜草和小石子，經(jīng)研磨后過2 mm篩，然后放入105 ℃左右的烘箱中烘至恒重，冷卻后用0.001 g精度的天平稱取300 g放在同一規(guī)格的塑料容器中，搖勻，使土壤樣品表層在容器中較為平整，然后進(jìn)行放射性核素的測量。測試儀器為美國EG&GORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺探測器、數(shù)字化γ譜儀及多通道分析系統(tǒng)。該γ譜議的主要指標(biāo)為：對Co1.33 MeV的能量分辨率為2.25 MeV，峰康比大于60∶1，相對探測效率為62%，具有良好的穩(wěn)定性。每個樣品的測量時間為21 600 s（實時），其中137Cs的質(zhì)量活度根據(jù)661.6 KeV射線的全峰面積求得。

在3個分層樣點附近用環(huán)刀各采集容重樣品3盒，取其平均值獲得該土壤樣品的容重。

1.2 樣品137Cs含量的計算

對于分層樣，測試得到樣品的137Cs比活度，應(yīng)用以下公式計算出相應(yīng)樣點的含量[9]：

CPI=■Ci·Bdi·Di·103 （1）

式中，CPI表示樣點137Cs的含量（Bq/m2），i為采樣層序號，n為采樣層數(shù)，Ci為采樣層的137Cs比活度（Bq/kg），Bdi為i采樣層的土壤容重（g/cm3），Di為i采樣層的深度（m）。

對于全樣，應(yīng)用以下公式求其137Cs的含量[9]：

CPI= Ci·Wy/S （2）

式中，CPI表示樣點的137Cs含量（Bq/m2），Ci為全樣中137Cs的比活度（Bq/kg），Wy為過篩后全樣的重量（kg），S為取樣器的橫截面積（m2）。

1.3 土壤侵蝕模型選擇

本研究選取Zhang等[10]建立的基于137Cs估算耕作土的侵蝕模型，其具體公式如下：

X= X0（1-ΔH/H）N-1963 （3）

式中，X為土壤中的137Cs含量（Bq/m2），X0為當(dāng)?shù)氐?37Cs背景值（Bq/m2），H為犁耕層的厚度（cm），ΔH為年土壤流失厚度（cm），N為采樣年份。

獲得年土壤流失厚度ΔH后，年平均土壤侵蝕量可以從下式中得到：

ER=ΔH·D·10 000 （4）

式中，ER為年平均土壤侵蝕量（t/km2·a），D為土壤容重（g/cm3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 137Cs背景值的確立

137Cs背景值的確定是應(yīng)用137Cs示蹤法估算土壤侵蝕作用的關(guān)鍵，直接影響到土壤侵蝕模數(shù)或土壤侵蝕速率的準(zhǔn)確性。一般而言，國內(nèi)外研究中一般把未受到侵蝕或沉積的大面積的平坦山頂作為理想的背景值采樣區(qū)[11]。在本研究區(qū)內(nèi)，由于受當(dāng)?shù)氐匦蔚闹萍s，大面積坡頂被開發(fā)為農(nóng)耕地，且坡度相對較大，僅有土壤侵蝕輸出而無輸入；未被開發(fā)的非農(nóng)耕地，植被覆蓋條件較差，其137Cs總量較低，甚至低于檢測值，故山頂部位不適宜作為基準(zhǔn)點。鑒于此，本研究選取了位于采樣點附近的呈貢機(jī)場為背景值取樣點，通過咨詢當(dāng)?shù)剞r(nóng)民和實地勘查獲悉，該機(jī)場修建于抗日戰(zhàn)爭時期，近50年未受到土壤侵蝕和沉積作用，地表植被覆蓋率為90%～95%，并已在本課題組得到了很好的嘗試應(yīng)用[12]，由此可以作為理想的背景值點。

通過10 cm×10 cm的柵格狀按照3 cm間隔采集分層樣品，共采集3個樣點，實驗室測試土壤剖面的137Cs比活度（圖2）。通過計算獲得機(jī)場3個采樣點137Cs的含量分別為887.9、939.5和 926.6 Bq/m2，各個采樣點之間含量相差較小，取其平均值為918 Bq/m2。從圖2可以看出，137Cs比活度自表層往下呈現(xiàn)指數(shù)衰減的特征，與非耕作土的分布模式相一致。137Cs主要分布在24 cm以內(nèi)，自此深度以下很難檢測到137Cs的存在。本研究結(jié)果與課題組已有的背景值（平均值906 Bq/m2，考慮137Cs衰變校正至采樣年份2007年約為835 Bq/m2）相比較，略有偏差，分析可能是由實際采樣層的厚度不同和測試儀器本身存在不同的誤差所造成的。張燕等[12]采集樣品厚度以2 cm/層采集至10 cm處，然后按照5 cm/層采集至25 cm處，而本研究則是按照3 cm/層的間隔進(jìn)行采集；再者，樣品測試過程中γ譜議的探測效率略有不同，本研究中測試儀器的探測效率62%高于張燕等[12]研究過程中使用儀器的探測效率37%。為此，本研究結(jié)果具有一定的可信度，可以將137Cs 含量的平均值918 Bq/m2作為研究區(qū)的背景值。

2.2 137Cs的在坡耕地分層土壤中的分布

137Cs在坡耕地中不同部位的剖面分布如圖3所示，在坡頂部A點0～3 cm和3～6 cm處的137Cs 比活度分別為2.31和2.37 Bq/kg，分別低于耕層內(nèi)（21 cm）137Cs比活度的平均值2.77 Bq/kg。之所以存在差值，其原因是由于該采樣點處在坡頂位置，植被覆蓋率較低，與周圍其他地方相比地勢偏高，基本不接受其他來水方向上的土壤侵蝕顆粒，同時由于降水的作用，此部位的土壤顆粒伴隨雨水的沖刷而遷移至坡耕地的中部或者下部，致使該部位核素的比活度相對低些。坡中部B點0～3 cm和3～6 cm處的137Cs 比活度分別為2.83和2.79 Bq/kg，與耕層內(nèi)（21 cm）137Cs比活度的平均值2.76 Bq/kg相比略微偏高。其原因可能存在兩方面，一是降水后發(fā)生土壤侵蝕的過程中，位于坡中部B點的土壤顆粒部分被侵蝕搬運(yùn)到地勢較低的地點（坡底部）；另一方面則由坡頂部A點侵蝕的土壤顆粒隨著坡面徑流的路徑搬運(yùn)遷移到坡中部B點，在填補(bǔ)B點因侵蝕作用流失的土壤的同時，小部分土壤顆?？赡軙^續(xù)隨著坡面徑流遷移至坡底部。從坡底部C點137Cs比活度的垂直分布不難看出，其0～6 cm的137Cs比活度明顯高于耕層內(nèi)的137Cs比活度。這種現(xiàn)象進(jìn)一步印證了此部位所接納的土壤既有來自于坡中部的土壤侵蝕，又包括了坡頂部的土壤顆粒，雙重部位土壤顆粒的供給致使該處土壤表層中137Cs比活度相對偏高。

從圖3還可以看出，3個采樣部位137Cs的含量大小分別為578、603和629 Bq/m2，與該研究區(qū)的背景值（918 Bq/m2）相比較，137Cs損失率分別為37%、34%和31%，表明3個采樣點均受到不同程度的侵蝕作用，同時也印證了坡耕地不同部位的土壤侵蝕狀況為坡頂部>坡中部>坡底部，與前人研究結(jié)果相一致[13]，即從坡頂?shù)狡碌琢魇Я繚u減，坡地上部以凈流為主，坡中下部除本身土壤流失外，還接受坡上中部流失的土壤，因而坡地的土壤凈流失量上部大于中下部。

2.3 137Cs在坡耕地全樣土壤中的分布

對60個全樣點進(jìn)行分析，各個全樣點137Cs的比活度和含量分布如圖4所示。從圖4可以看出，所有全樣土壤中137Cs的比活度為4.06～19.02 Bq/kg，且自坡頂至坡底呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，與上述137Cs在土壤剖面中的分布特征相一致。與137Cs在農(nóng)耕地中水平面上均一性分布特征[8]相比較，其在坡耕地中的分布模式表現(xiàn)為坡頂部<坡中部<坡底部。

與其比活度變化規(guī)律相類似，137Cs在坡耕地中的含量分布自坡頂至坡底亦呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，其變化范圍為247～674 Bq/m2，與研究區(qū)的背景值（918 Bq/m2）相比較，此試驗田的所有全樣點的137Cs含量均小于背景值，表明此試驗田整體上發(fā)生了侵蝕現(xiàn)象。137Cs含量在坡耕地中的水平分布特征可能與當(dāng)?shù)厝藗兊母鞣绞接嘘P(guān)。通過現(xiàn)場觀察和同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民交流，發(fā)現(xiàn)無論是傳統(tǒng)的人工耕作還是農(nóng)機(jī)化耕作時，其耕作路徑主要表現(xiàn)為兩種形式。一是在坡度較大時，主要采取垂直于坡向自坡底部至坡頂部的路徑進(jìn)行耕作，此背景下在實際的翻耕過程中造成上次犁耕作用產(chǎn)生的壟溝會被本次翻耕的土壤顆粒填滿，隨著時間的推移，此耕作方式導(dǎo)致大量的土壤顆粒會從坡頂部流失到坡底部；另一種情況則是在坡度較為平緩時，主要采取平行于坡向的路徑進(jìn)行耕作，此方式下坡頂部的土壤顆粒會被犁耕作用攜帶至坡中部甚至進(jìn)一步搬運(yùn)遷移到坡底部，造成137Cs在坡底部的含量相對偏高。

2.4 土壤侵蝕量估算

應(yīng)用上述土壤侵蝕模型計算出此坡耕地各個采樣點的土壤侵蝕量如圖5所示。由圖5可知，此坡耕地不同部位的土壤侵蝕量差異明顯，整體表現(xiàn)為自坡頂至坡底逐漸減小的趨勢，同時也驗證了137Cs可以應(yīng)用于較小區(qū)域范圍內(nèi)的土壤侵蝕速率估算。依據(jù)我國水利部擬定的土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，在南方低山丘陵區(qū)微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈侵蝕的侵蝕模數(shù)分別為<500、500～2 500、2 500～5 000、5 000～8 000、8 000～15 000、>15 000 t/（km2·a）。本試驗田的年平均土壤侵蝕量為3 793 t/（km2·a），屬于中度侵蝕等級。

3 結(jié)論

1）研究區(qū)山頂部位受人類活動的干擾不適宜作為背景值測定取樣點，本研究選取近50年未受到侵蝕和沉積的廢棄機(jī)場作為理想的背景值測定采樣點，并確定其值為918 Bq/m2。與已有的背景值研究結(jié)果略有不同，主要由樣品采集方式和測試儀器本身參數(shù)的差異性所致。

2）137Cs的比活度和含量在分層樣和全樣中的分布模式均表現(xiàn)為坡頂部<坡中部<坡底部，結(jié)合137Cs在土壤環(huán)境中的物理化學(xué)性質(zhì)，表明坡頂部主要以土壤顆粒的凈流失為主，坡中部接納坡頂部的土壤顆粒，坡底部則受到坡頂部和坡中部土壤顆粒的雙重影響。

3）利用已有的土壤侵蝕模型估算了本試驗田的土壤侵蝕量，其平均值為3 793 t/（km2·a），參照土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)判定其屬于中度侵蝕等級。該坡耕地在不同部位的土壤侵蝕量的大小順序表現(xiàn)為坡頂部>坡中部>坡底部。

參考文獻(xiàn)：

[1] MABIT L， BENMANSOUR M， WALLING D E. Comparative advantages and limitations of the fallout radionuclides 137Cs，

210Pbex and 7Be for assessing soil erosion and sedimentation[J]. Journal of Environmental Radioactivity， 2008， 99： 1799-1807.

[2] 張明禮，楊 浩，高 明，等.利用137Cs示蹤技術(shù)研究滇池流域土壤侵蝕[J].土壤學(xué)報，2008，45（6）：1017-1025.

[3] BENMANSOUR M， MABIT L， NOUIRA A， et al. Assessment of soil erosion and deposition rates in a Moroccan agricultural field using fallout 137Cs and 210Pbex[J]. Journal of Environmental Radioactivity， 2013， 115： 97-106.

[4] JUNGE B， MABIT L， DERCON G， et al. First use of the

137Cs technique in Nigeria for estimating medium-term soil redistribution rates on cultivated farmland[J]. Soil Tillage & Research， 2010， 110： 211-220.

[5] HUMPHRIES M S， KINDNESS A， ELLERY W N， et al. 137Cs and 210Pb derived sediment accumulation rates and their role in the long-term development of the Mkuze River floodplain， South Africa [J]. Geomorphology， 2010， 119： 88-96.

[6] YANG Y H， YAN B X， ZHU H. Estimating soil erosion in Northeast China using 137Cs and 210Pbex [J]. Pedosphere， 2011， 21（6）： 706-711.

[7] YANG M Y， TIAN J L， LIU P L. Investigating the spatial distribution of soil erosion and deposition in a small catchment on the Loess Plateau of China， using 137Cs[J]. Soil and Tillage Research， 2006， 87： 186-193.

[8] 王小雷，楊 浩，桑利娟，等.137Cs在耕作土壤中的均一性分布研究[J].土壤，2009，41（6）：897-901.

[9] SUTHERLAND R A， DE JONG E. Estimation of sediment redistribution within agricultural fields using caesium-137， Crystal Springs， Saskatchewan， Canada [J]. Applied Geography， 1990， 10： 205-213.

[10] ZHANG X B， HIGGITT D L， WALLING D E. A preliminary assessment of the potential for using caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loess Plateau of China [J]. Hydro Sci J， 1990， 35（3）： 243-252.

[11] RITCHIE C， MCHENRY J R. Application of radioactive caesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns[J]. Journal of Environment Quality， 1990， 19（2）： 215-233.

[12] 張 燕，彭補(bǔ)拙，陳 捷..137Cs失蹤法估算滇池流域土壤侵蝕[J].核農(nóng)學(xué)報，2005，19（2）：125-128.

[13] 濮勵杰，趙姚陽，金平華，等.137Cs示蹤紅壤丘陵區(qū)坡地土壤侵蝕的研究——以江西豐城市為例[J].長江流域資源與環(huán)境， 2004，13（6）：562-567.

[14] 中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國水利水電出版社，1977.

[6] YANG Y H， YAN B X， ZHU H. Estimating soil erosion in Northeast China using 137Cs and 210Pbex [J]. Pedosphere， 2011， 21（6）： 706-711.

[7] YANG M Y， TIAN J L， LIU P L. Investigating the spatial distribution of soil erosion and deposition in a small catchment on the Loess Plateau of China， using 137Cs[J]. Soil and Tillage Research， 2006， 87： 186-193.

[8] 王小雷，楊 浩，桑利娟，等.137Cs在耕作土壤中的均一性分布研究[J].土壤，2009，41（6）：897-901.

[9] SUTHERLAND R A， DE JONG E. Estimation of sediment redistribution within agricultural fields using caesium-137， Crystal Springs， Saskatchewan， Canada [J]. Applied Geography， 1990， 10： 205-213.

[10] ZHANG X B， HIGGITT D L， WALLING D E. A preliminary assessment of the potential for using caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loess Plateau of China [J]. Hydro Sci J， 1990， 35（3）： 243-252.

[11] RITCHIE C， MCHENRY J R. Application of radioactive caesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns[J]. Journal of Environment Quality， 1990， 19（2）： 215-233.

[12] 張 燕，彭補(bǔ)拙，陳 捷..137Cs失蹤法估算滇池流域土壤侵蝕[J].核農(nóng)學(xué)報，2005，19（2）：125-128.

[13] 濮勵杰，趙姚陽，金平華，等.137Cs示蹤紅壤丘陵區(qū)坡地土壤侵蝕的研究——以江西豐城市為例[J].長江流域資源與環(huán)境， 2004，13（6）：562-567.

[14] 中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國水利水電出版社，1977.

[6] YANG Y H， YAN B X， ZHU H. Estimating soil erosion in Northeast China using 137Cs and 210Pbex [J]. Pedosphere， 2011， 21（6）： 706-711.

[7] YANG M Y， TIAN J L， LIU P L. Investigating the spatial distribution of soil erosion and deposition in a small catchment on the Loess Plateau of China， using 137Cs[J]. Soil and Tillage Research， 2006， 87： 186-193.

[8] 王小雷，楊 浩，桑利娟，等.137Cs在耕作土壤中的均一性分布研究[J].土壤，2009，41（6）：897-901.

[9] SUTHERLAND R A， DE JONG E. Estimation of sediment redistribution within agricultural fields using caesium-137， Crystal Springs， Saskatchewan， Canada [J]. Applied Geography， 1990， 10： 205-213.

[10] ZHANG X B， HIGGITT D L， WALLING D E. A preliminary assessment of the potential for using caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loess Plateau of China [J]. Hydro Sci J， 1990， 35（3）： 243-252.

[11] RITCHIE C， MCHENRY J R. Application of radioactive caesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns[J]. Journal of Environment Quality， 1990， 19（2）： 215-233.

[12] 張 燕，彭補(bǔ)拙，陳 捷..137Cs失蹤法估算滇池流域土壤侵蝕[J].核農(nóng)學(xué)報，2005，19（2）：125-128.

[13] 濮勵杰，趙姚陽，金平華，等.137Cs示蹤紅壤丘陵區(qū)坡地土壤侵蝕的研究——以江西豐城市為例[J].長江流域資源與環(huán)境， 2004，13（6）：562-567.

[14] 中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國水利水電出版社，1977.