REEs示蹤技術在土壤侵蝕研究中的應用

吳倩云

摘要近年來，隨著示蹤技術在土壤侵蝕研究中的廣泛應用，稀土元素示蹤技術（REEs Tracer Method）已被公認為理想的土壤侵蝕示蹤法。與傳統(tǒng)的研究方法相比較，REEs示蹤技術能夠定量監(jiān)測坡面侵蝕形態(tài)的時空演變過程，分析坡面侵蝕分布規(guī)律。同時，REEs示蹤技術也為確定泥沙來源、評估土壤侵蝕與泥沙治理措施提供了幫助。分析了REEs示蹤技術在土壤侵蝕研究中的可行性以及取得的成果，并對其在土壤侵蝕研究中的不足進行分析。

關鍵詞稀土元素示蹤技術;土壤侵蝕;坡面侵蝕形態(tài);泥沙來源

中圖分類號S157文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）32-0124-03

Applications of REEs Tracer Method Used in Soil Erosion Study

WU Qianyun（College of Geography and Tourism Science，Chongqing Normal University，Chongqing 401331）

AbstractRecently，with the applications of tracer methods used in soil erosion，Rare Tracer Method （REETM） have been largely regarded as ideal tracers method for soil erosion.Compared to traditional means，it can be used to quantitatively monitor the temporal and spatial variation of slope erosion forms and analyze the law of the slope erosion distributions.Moreover，it was also able to determine the sediments source to evaluate the measures about governing soil erosion and sediments.Both the feasibility of REETM and achievements in soil erosion，were reviewed.Some limitations were also summarized.

Key wordsREEs Tracer Method;Soil erosion;Hillslope erosion pattern;Sediments source

土壤侵蝕具有影響范圍大、危害持續(xù)時間長等特點[1]，已被公認為全球最嚴重的環(huán)境問題之一。研究土壤侵蝕速率、沉積速率及其侵蝕強度的空間分布，了解土壤侵蝕機理和運移路徑，是分析侵蝕泥沙來源及侵蝕區(qū)土地整治、水土保持措施合理布設的主要依據(jù)[2]。

目前，國內(nèi)外常用的土壤侵蝕測定方法主要有徑流小區(qū)法、野外調(diào)查法、立體攝影法和模型法等，這些方法在研究土壤侵蝕強度、土壤侵蝕結果和影響因子等方面具有重要作用，但對土壤侵蝕過程、坡面侵蝕泥沙來源及時空變化規(guī)律等研究難點束手無策。隨著研究手段的改進，示蹤法成為土壤侵蝕研究最常用的方法，尤其是核素示蹤法，與傳統(tǒng)方法相比較，不僅量化程度高，還可對土壤侵蝕過程實施動態(tài)監(jiān)測，使土壤侵蝕研究趨于準確、簡單、快速[3]。目前，應用于土壤侵蝕研究的示蹤法主要包括放射性核素示蹤法、磁性示蹤法、穩(wěn)定性稀土元素示蹤法。與前2種土壤侵蝕研究方法相比，稀土元素示蹤法在示蹤坡面侵蝕演變形態(tài)、侵蝕分布規(guī)律、泥沙來源等方面更具優(yōu)勢，成為當前土壤侵蝕研究最常用的方法。筆者在介紹稀土元素示蹤法在土壤侵蝕研究中優(yōu)勢的基礎上，重點闡述其在土壤侵蝕研究中的難點，最后對該法應用局限性進行評述。

1REEs示蹤技術在土壤侵蝕研究中的應用基礎

穩(wěn)定性稀土元素（immobile rare earth elements，簡稱REEs）常以氧化物的形式大量存在于地殼中，具備土壤中背景值低、動植物吸附率低、對生態(tài)環(huán)境無害、不溶或微溶于水、遷移能力弱、能被土壤吸附等特點[4]，即使外力剝蝕作用形成的REEs粉粒仍有極強的吸附與團聚能力。REEs示蹤劑可在不改變土壤理化性質(zhì)的基礎上，隨侵蝕土壤同步運移[5-9]，這為REEs示蹤技術運用于泥沙來源和土壤侵蝕研究提供基礎。REEs包括元素周期表中的鑭系15種元素，以及與其相關的21號元素鈧、39號元素釔，種類豐富多樣，化學性質(zhì)和地球化學行為極相似，研究人員可根據(jù)試驗需要，調(diào)整人工施放示蹤元素的種類，避免試驗中因元素化學性質(zhì)差異帶來的誤差[10]。美國學者Knaus等[5]首次將該法用于沼澤地演變研究中，成功測定沼澤地的沉積速率。20世紀90年代，國內(nèi)學者將該法引入我國黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的垂直分布研究中，解決我國棘手的黃土高原地區(qū)土壤侵蝕量化研究難題[11-12]，確定元素的施放方法（點穴法、條帶法）和施放濃度的計算方法及精度計算方法[13]。此外，REEs示蹤技術還被成功運用于黑土、紫色土區(qū)域的土壤侵蝕量化研究，為該類型土壤區(qū)的土壤侵蝕量化研究提供新手段和方法[14-16]。

Cj=10-3KBj/Rj（mg/kg）j=1，2，3，…，n （1）

式中：j為小區(qū)劃分的總區(qū)段（或條帶數(shù)）;Cj為施放第j種元素的濃度;Bj為第j種元素的土壤背景值;Rj為第j種元素施放部位相對侵蝕量的最小期望值;K為考慮到其他因素的綜合保證系數(shù)。

REEs示蹤技術操作簡單，其基本原理是根據(jù)試驗需要把不同的REEs化合物與土壤均勻混合，布設于不同地形部位，再利用天然降水或人工降水、放水沖刷等使之隨徑流、泥沙同步運移，然后采集泥沙樣品，經(jīng)過處理后通過中子活化分析技術測定泥沙樣品中REEs的種類和含量，由此判定泥沙來源及不同地形部位的侵蝕差異性。由于該法采用的是化學吸附方法，在土壤上標記示蹤元素，因此，客觀上并不改變泥沙的粒徑和比重，可真實地描述侵蝕和沉積過程[17]。REEs示蹤技術精度較高，試驗誤差一般小于15%[18-19]。因此，REEs示蹤技術不僅具備良好示蹤劑的特性，還具有操作簡單、精度高的特征，為土壤侵蝕量化研究提供了可行性。

REEs示蹤方法的布設是監(jiān)測泥沙來源、坡面侵蝕空間演變過程的關鍵，因此人工施放REEs的方法是否合理，直接影響試驗目的可達性與結果精確性。關于REEs布設方法主要有3種，即段面法、條帶法和點穴法[20-22]，在初期利用REEs示蹤技術對土壤侵蝕研究發(fā)揮重要作用。隨著研究手段的進步，REEs人工布設方法不斷改善。宋煒等[23]在前3種方法的基礎上進行創(chuàng)新，提出沿坡面垂直分層布設法。薛亞洲等[24]在以往布設方法的基礎上，提出沿坡面水平分段和垂直分層結合研究法，施放不同的REEs，解決傳統(tǒng)方法和垂直布設法的單向性，實現(xiàn)了坡面水平與縱深2個侵蝕方向的結合。姚春梅[25]、張晴雯等[26]提出了限定性細溝與分段布設方法，將背景值低的稀土元素布設于土壤侵蝕量小的地方，解決了利用徑流小區(qū)實驗法造成的細溝隨機性變化問題。

2REEs示蹤技術在土壤侵蝕研究中的應用

2.1REEs示蹤技術在坡面侵蝕形態(tài)演變過程中的應用

流水侵蝕是易侵蝕性土壤物質(zhì)的分離和搬運過程[27]，這種過程會加速土壤與耕地退化，因此理解不同景觀尺度的土壤侵蝕機制，是進行流域內(nèi)土壤流失治理的關鍵。坡面是土壤侵蝕的最基本單元，也是研究不同景觀尺度土壤侵蝕過程的基礎，但實現(xiàn)坡面侵蝕的量化研究卻是一個復雜問題。REEs示蹤技術能夠滿足這一過程的研究。

坡面侵蝕類型的轉(zhuǎn)變是一個緩慢過程，REEs示蹤技術將這種過程劃分為：面蝕、細溝發(fā)育與細溝穩(wěn)定3個階段[24，28]，片蝕與細溝侵蝕是坡面侵蝕的主要類型，隨降水過程兩者各占據(jù)不同優(yōu)勢。Zhu等[29]認為降水初期片蝕是主要的坡面侵蝕方式，也是土壤流失的來源，但李勉等[30]認為細溝侵蝕是坡面侵蝕的主導形態(tài)，存在起始、發(fā)展和穩(wěn)定3個階段。薛亞洲等[24]將兩者關系歸為降雨初期片蝕與細溝侵蝕基本相當，后期以細溝侵蝕為主，二者可分為均衡與分化階段，使得坡面侵蝕形態(tài)演變更加明確。

細溝侵蝕是加速坡面侵蝕的關鍵因子，REEs示蹤技術在進一步研究細溝侵蝕中發(fā)揮了重要作用。吳普特等[21]利用REEs示蹤技術首次提出了細溝侵蝕形態(tài)和強度的3個參數(shù)，即細溝侵蝕密度、強度、平均深度，并指出細溝侵蝕強度與坡長具有線性遞增關系。雷廷武等[31]利用REEs示蹤法示蹤坡面水蝕動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)細溝侵蝕產(chǎn)沙量受細溝長度的影響。姚春梅[25]在徑流小區(qū)實驗法的基礎上，結合REEs示蹤技術進行不同水動力條件下細溝侵蝕動態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)細溝單體形態(tài)的發(fā)育處于動態(tài)演變中，坡度是關鍵因素。

2.2REEs示蹤技術在坡面侵蝕分布規(guī)律中的應用

研究坡面侵蝕分布規(guī)律是確定侵蝕泥沙來源、理解土壤侵蝕機制的關鍵，也是合理布設水土保持措施的依據(jù)，但坡面侵蝕分布規(guī)律很復雜，關于坡面侵蝕最嚴重部位的判定更是存在爭議。REEs示蹤技術為研究坡面侵蝕分布規(guī)律、確定坡面侵蝕最嚴重處提供了定量研究方法。

田均良等[11]、琚彤軍等[17]、李雅琦等[32]利用REEs示蹤技術研究坡面侵蝕分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)坡面各部位侵蝕量的分布趨勢與試驗小區(qū)細溝侵蝕形態(tài)分布相似，且各段位侵蝕量分布的總趨勢是上部>中部>下部。這與其他學者觀點相同，即坡面侵蝕與細溝侵蝕分布一致，坡面中下部為侵蝕活躍帶也是侵蝕最嚴重部位[33-37]，也有學者認為坡面侵蝕最嚴重處位于距坡面頂端2～6 m處[38-39]。雖然關于坡面侵蝕最嚴重處的觀點存在爭議，但這些研究結果均表明坡面侵蝕分布存在時空變化。研究人員利用REEs示蹤技術開展進一步研究時，發(fā)現(xiàn)造成坡面侵蝕差異性的原因很多。李雅琦等[32]、唐澤軍等[39]均認為坡面不同段位的侵蝕強度與雨強存在密切關系，王寧等[14]、薛亞洲等[35]認為坡面不同段位的土壤侵蝕速率受降雨時間的影響，而李勉等[30]在放水沖刷試驗中發(fā)現(xiàn)流量是影響坡面不同段位侵蝕強度的關鍵因子。周佩華等[12]、石輝等[40]認為坡長是影響土壤侵蝕的關鍵因素，坡面侵蝕隨坡長呈Weibull分布且存在增長、增長后遞減和波動3種變化模式。同時，坡面土壤抗蝕性也是造成坡面差異侵蝕的關鍵因素，因試驗中設計的土壤緊實度、坡長等組合因素都可能造成坡面差異性侵蝕，在今后仍需深入研究。

2.3REEs示蹤技術在侵蝕泥沙來源中的應用

泥沙是最普遍的非點源污染物，具有來源多樣、易沉降的特點，顯著影響水質(zhì)與環(huán)境，同時流域內(nèi)泥沙量化研究十分困難[41]。分析泥沙搬運能力、確定泥沙來源，對構建土壤侵蝕模型必不可少[42]。REEs已被公認為有效的泥沙來源指示器[43]，具有指示泥沙環(huán)境和來源信息的作用。

泥沙包含豐富的環(huán)境信息，產(chǎn)沙量的大小及其影響因素是反映土壤侵蝕過程的良好依據(jù)。在研究坡面侵蝕產(chǎn)沙量變化機制上，石輝等[44-45]首次將REEs示蹤技術引入到小流域侵蝕產(chǎn)沙的時間分布研究中，發(fā)現(xiàn)小流域產(chǎn)沙量隨時間變化而趨于復雜。這種復雜化趨勢與流水侵蝕力及土壤抗蝕度密切相關[46]，REEs示蹤技術研究產(chǎn)沙量影響因素，結果表明，侵蝕產(chǎn)沙量易受降水時間、降水強度的影響，尤其是短歷時、高雨強更易導致坡面產(chǎn)沙[35，47]。同時，坡度、坡長、流量等也會影響坡面產(chǎn)沙量，且在一定條件下產(chǎn)沙強度會隨坡長變化而存在增長、增長遞減、波動3種演變形式[26，38，48-49]。

利用REEs示蹤技術進行坡面侵蝕泥沙來源研究，結果表明侵蝕泥沙來源也存在波動變化，坡面上部和中下部均可能是泥沙來源處，且隨侵蝕過程的發(fā)展，侵蝕泥沙來源趨向坡面上部發(fā)展[28]。泥沙來源波動變化以及變化趨勢與坡面抗蝕性以及坡面侵蝕形態(tài)的演變有關。在同一降水強度下，由于坡面不同部位的抗蝕性不同，雨滴擊打坡面時，坡面各部位會發(fā)生差異性侵蝕，隨降水時間的持續(xù)，坡面各部位開始出現(xiàn)不同程度的侵蝕，降水初期坡面侵蝕以片蝕為主，坡面各部位的侵蝕強度差異不大，但隨著侵蝕過程的深入，細溝侵蝕開始出現(xiàn)并逐漸占據(jù)主導，坡面各部位的侵蝕強度差異變大且隨細溝發(fā)育而不斷變化，導致坡面不同部位泥沙侵蝕貢獻率變化[50]，最終造成坡面泥沙來源的變動。

3REEs示蹤技術在土壤侵蝕研究中的局限性

REEs示蹤技術在土壤侵蝕物理過程描述、土壤侵蝕預報模型參數(shù)確定與建立方面發(fā)揮了重要作用，但利用REEs示蹤技術研究土壤侵蝕尚存在一些不足之處。

（1）REEs示蹤技術試驗成本高、工作量大，土壤侵蝕研究需要采取徑流小區(qū)法，人工布設REEs，進行人工降水或放水沖刷以達到研究目的，但所得結果千差萬別，造成意見分歧較大。同時，該法雖可控性較強，卻無法模擬真正的自然狀況，所得的結果也缺少客觀性，不能完全代表自然規(guī)律。

（2）REEs示蹤技術的精確性易受土壤粒徑、土壤類型、土壤有機質(zhì)、氣候變化等因素的影響[51-54]。

（3）REEs示蹤技術只適用于小尺度區(qū)域范圍的土壤侵蝕研究，難以在大流域范圍內(nèi)使用，且多被用于黃綿土、黑土與紫色土地區(qū)的土壤侵蝕研究中，而關于石灰質(zhì)壤土區(qū)的侵蝕研究尚未見報道。

（4） 雖有試驗證實外源性REEs示蹤元素在土壤中性質(zhì)穩(wěn)定，不易被植物吸收，淋溶遷移能力弱，但已有的毒理研究已經(jīng)暗示稀土元素可能給生物帶來不利影響[55-56]。尤其近10年來REEs在高科技、生物制藥與農(nóng)業(yè)上的高度利用[57]，增加了土壤中REEs的富集量，并最終通過食物鏈擴大生物作用。然而，人們對REEs生物作用的認識還處于初步階段[58]。盡管試驗中研究人員給出了REEs施放濃度的計算公式，卻對土壤內(nèi)部可承受濃度與施放濃度之間的差值仍沒有精確界定，試驗中被污染的土壤如何處理也沒有詳細的措施。同時，REEs在土壤和水體中的分布模式，尤其是在土壤水以及地下水中的分布，在環(huán)境研究中也很少被考慮在內(nèi)。

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