137Cs和210Pbex雙核素示蹤“三北”防護(hù)林區(qū)退耕前后坡地土壤侵蝕變化

王俊杰，蘇正安，周 濤，王麗娟，王曉藝,3，劉翊涵,4，伍 佐,3

137Cs和210Pbex雙核素示蹤“三北”防護(hù)林區(qū)退耕前后坡地土壤侵蝕變化

王俊杰1,2，蘇正安1※，周 濤1,2，王麗娟1,2，王曉藝1,3，劉翊涵1,4，伍 佐1,3

（1. 中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安 625014；4. 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610101）

為查明“三北”防護(hù)林建設(shè)前后農(nóng)耕地和退耕地土壤保持效益變化，該研究利用137Cs和210Pbex雙核素示蹤技術(shù)，選擇了防護(hù)林建設(shè)較為成功的張家口壩上地區(qū)（風(fēng)力侵蝕區(qū)）作為典型區(qū)，研究了農(nóng)耕地以及退耕地土壤137Cs和210Pbex的剖面變化規(guī)律及其示蹤的土壤侵蝕變化。結(jié)果表明：1）由于耕作的混勻作用，農(nóng)耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex均呈均勻態(tài)分布；退耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex則表現(xiàn)為表層（0～5cm）比活度最高、下層（5～25cm）均相對較低且分布相對均勻的形態(tài)，這表明退耕后坡地土壤137Cs和210Pbex剖面形態(tài)均會發(fā)生一定變化，退耕驅(qū)動土壤137Cs和210Pbex剖面變化導(dǎo)致運(yùn)用土壤核素估算侵蝕模型在該區(qū)域難以適用；2）基于土壤137Cs和210Pbex剖面變化規(guī)律，利用210Pbex質(zhì)量平衡方程，提出了退耕地土壤210Pbex土壤侵蝕估算模型；3）利用137Cs比例模型估算退耕地土壤侵蝕速率為（27.94±11.92）t/(hm2·a)，農(nóng)耕地侵蝕速率為（29.11±14.42）t/(hm2·a)，而利用修正后的210Pbex轉(zhuǎn)換模型估算得到“三北”防護(hù)林區(qū)退耕地造林前平均侵蝕速率為（82.16±14.36）t/(hm2·a)，造林后平均侵蝕速率為（-41.28±33.91）t/(hm2·a)；農(nóng)耕地造林前平均侵蝕速率為（68.55±22.11）t/(hm2·a)，造林后平均侵蝕速率（-8.52±47.32）t/(hm2·a)。這表明137Cs示蹤技術(shù)主要表征了1963年以來該區(qū)坡地土壤侵蝕和沉積的平均結(jié)果，而210Pbex示蹤技術(shù)則可以較好地示蹤防護(hù)林建成前后的土壤侵蝕變化。此外，研究結(jié)果也表明，相比于“三北”防護(hù)林建成之前，建成之后該區(qū)農(nóng)耕地和退耕地的土壤侵蝕速率均呈顯著下降趨勢，且均由前期的風(fēng)沙侵蝕轉(zhuǎn)變成了風(fēng)沙沉積。

土壤；侵蝕；模型；210Pbex；137Cs；防護(hù)林；退耕還林

0 引 言

土壤侵蝕會導(dǎo)致土地利用率、土壤肥力和生產(chǎn)力大幅下降[1-2]，亟需有效的水土保持措施來控制土壤侵蝕。在國外，美國實施了“羅斯福工程”，加拿大實施了“綠色計劃”，日本實施了“治山計劃”，印度實施了“社會林業(yè)計劃”，法國實施了“林業(yè)生態(tài)工程”[3]，聯(lián)合國1997年12月在日本京都制定了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的補(bǔ)充條款《京都議定書》[4]，以此來防治日益嚴(yán)重的荒漠化和水土流失。在中國，從1978年開始，政府部門制定實施了大規(guī)模的“三北”防護(hù)林工程，旨在通過植樹造林改善我國西北、華北北部、東北西部和新疆建設(shè)兵團(tuán)地區(qū)的惡化環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善，控制沙塵暴和水土流失[5]。相關(guān)研究表明，“三北”防護(hù)林工程已經(jīng)成功減少了“三北”地區(qū)的荒漠化和沙塵暴，有效地建立了一系列的森林防護(hù)帶，被稱作“綠色長城”，是全球生態(tài)治理的成功典范[6]。目前，由于地面監(jiān)測資料空白區(qū)較大，難以對“三北”防護(hù)林的防風(fēng)固沙等土壤保持效益進(jìn)行科學(xué)評估，而定量評估“三北”防護(hù)林的土壤保持效益對繼續(xù)推進(jìn)該區(qū)大型生態(tài)工程建設(shè)具有重要現(xiàn)實意義，因此，亟需探索出經(jīng)濟(jì)、快速和有效的定量評估方法對該區(qū)的土壤保持效益進(jìn)行科學(xué)評估，從而服務(wù)于該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

目前，定量估算土壤侵蝕的研究方法較多，如徑流小區(qū)法、人工模擬降雨法、GIS結(jié)合土壤侵蝕模型法和核素示蹤技術(shù)等[7]。徑流小區(qū)法可以對坡面水土流失規(guī)律進(jìn)行定量研究，但需要進(jìn)行長歷時的監(jiān)測，較為費時、費力和經(jīng)費需求大[8]。人工模擬降雨法能夠節(jié)省大量人力、物力，并能在短時間內(nèi)重復(fù)試驗，但人工模擬降雨裝置在野外大范圍運(yùn)用較為困難[9]。“3S”技術(shù)通常與USLE、RUSLE等模型相結(jié)合定量研究土壤侵蝕，這種方法能夠進(jìn)行大尺度的土壤侵蝕動態(tài)評價與監(jiān)測，然而該方法需要地面實測數(shù)據(jù)對評價結(jié)果進(jìn)行驗證[10]。

核素示蹤法能夠提供土壤顆粒在土壤中移動與沉積狀態(tài)的信息，并可以快速準(zhǔn)確地對土壤侵蝕速率進(jìn)行定量估算，受到廣大土壤學(xué)者的青睞。137Cs技術(shù)是目前運(yùn)用最成熟的核素示蹤方法[11]，其半衰期為30.17a，近年來隨著土壤中137Cs含量不斷降低，其靈敏度已經(jīng)嚴(yán)重下降，因此迫切需要另外一種放射性核素代替或是輔助137Cs示蹤[12]。210Pb作為一種天然的放射性核素，半衰期為22.26a，在土壤中有兩種不同來源，一是土壤中原生226Ra元素衰變而成，二是大氣中的226Ra元素衰變形成，經(jīng)過沉降被土壤表層黏?？焖傥酱嬖谟谕寥乐?，被稱作“過剩210Pb”（210Pbex），只有這部分的210Pb才能示蹤土壤侵蝕及其導(dǎo)致的土壤再分布格局[13]。137Cs主要用于1963年以來的土壤侵蝕速率估算，而210Pbex能用于百年尺度的土壤侵蝕速率的估算，將兩種核素聯(lián)合應(yīng)用有助于彌補(bǔ)單一同位素在示蹤土壤侵蝕速率中的不確定性，同時也可以揭示不同時間尺度的土壤侵蝕速率差異[14]。

近年來，一些學(xué)者開始探索采用核素示蹤技術(shù)估算風(fēng)蝕區(qū)的土壤侵蝕速率，并取得了一系列研究成果。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[15]運(yùn)用137Cs示蹤技術(shù)在蒙古高原塔利亞特-錫林郭勒樣帶區(qū)域的7個典型景觀類型采樣點進(jìn)行了風(fēng)蝕速率變化及其影響因素的研究，提出該區(qū)的風(fēng)蝕速率介于64.58～419.63 t/(km2·a)，且該區(qū)的風(fēng)力侵蝕受風(fēng)力、地表覆蓋度等自然因素和人類活動擾動的雙重影響。齊永青等[16]運(yùn)用137Cs示蹤技術(shù)估算了蒙古國巴彥淖爾、哈林和林的不同牧場和棄耕地的土壤風(fēng)蝕速率，提出巴彥淖爾草原牧場和割草場均為微度侵蝕，風(fēng)蝕速率介于64.58～169.07 t/(km2·a)，哈林和林棄耕地風(fēng)蝕速率為6 723.06 t/(km2·a)，達(dá)到了強(qiáng)度侵蝕水平。胡云鋒等[17]運(yùn)用137Cs、210Pbex復(fù)合示蹤技術(shù)在內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南緣的正藍(lán)旗進(jìn)行了土壤侵蝕速率及其變化的研究，提出了研究區(qū)137Cs和210Pbex本底值分別為2 123.5±163.94 Bq/m2和8 112±1 787.62 Bq/m2，并指出單一同位素示蹤技術(shù)研究中存在背景值樣地難以確認(rèn)，土壤侵蝕速率測算差異較大等問題。張春來等[18]在青海貴南牧場耕作農(nóng)田進(jìn)行了耕作土壤表面的空氣動力學(xué)粗糙度對土壤風(fēng)蝕的影響的研究，提出土壤風(fēng)蝕速率隨空氣動力學(xué)粗糙度的增大而迅速減小，兩者具有良好的相關(guān)性。楊秀春等[19]在內(nèi)蒙古太仆寺旗進(jìn)行了7種不同耕作模式土壤風(fēng)蝕的風(fēng)洞試驗，提出耕作模式的不同導(dǎo)致了土壤風(fēng)蝕狀況的差異，7種耕作模式風(fēng)蝕速率均值的從大到小順序依次為：翻耕碾碎、無殘茬、深松、蕎麥茬、翻耕、小麥茬、胡麻茬。然而前人關(guān)于風(fēng)蝕區(qū)土壤侵蝕速率的研究中，主要側(cè)重于研究長期以來土地利用類型保持穩(wěn)定的農(nóng)耕地和非農(nóng)耕地，而對1963年以來土地利用類型發(fā)生顯著變化的坡地缺乏系統(tǒng)研究。

因此，本文采用137Cs和210Pbex雙核素示蹤法[20-21]，對張家口市壩上地區(qū)農(nóng)耕地和退耕地土壤侵蝕速率及其剖面分布和空間分布格局進(jìn)行對比研究，從而為定量評價該區(qū)“三北”防護(hù)林區(qū)的土壤保持效益奠定了理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省張家口市張北縣小二臺鎮(zhèn)（40°57′N～41°34′N，114°10′E～115°27′E），地處內(nèi)蒙古高原的南部，海拔1 600～1 800 m。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)（NNW），平均風(fēng)速為1.8～3.6 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)為15～59 d[22]，年平均溫度1.1～3.2 ℃，年降水量300～400 mm，每年總降水量大約70%發(fā)生在季風(fēng)季節(jié)（7月到9月）。除古城河外，其余河流均為季節(jié)性內(nèi)陸河。研究區(qū)農(nóng)耕地與退耕地如圖1所示。主要農(nóng)作物包括馬鈴薯（L.），裸燕麥（（Fisch. ex Roem. & Schult.）Metzg），甜菜（L.），大豆（（Linn.）Merr.）。該區(qū)植被以草本植物為主，尤其是白羊草（）和羊草（（Trin.）Tzvel.）的分布范圍大；灌木主要是錦雞兒（（Buc'hoz）Rehder）和沙棘（Linn.）等；喬木主要是楊樹（L.）、落葉松（（Mayr））、柳樹（Koidz.）等。土壤類型以栗鈣土為主，質(zhì)地為沙壤質(zhì)土壤[23]。

圖1 研究區(qū)照片

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試

此次取樣選擇在1978年造林的防護(hù)林區(qū)域，該區(qū)地勢較為平坦，基本不存在水力侵蝕。采樣方法為網(wǎng)格法，如圖2所示（垂直主風(fēng)向采樣間距為30 m，沿主風(fēng)方向采樣間距為20 cm），使用直徑為8 cm，高15 cm的土壤采樣器在農(nóng)耕地和退耕地上進(jìn)行了土壤剖面樣品采集，剖面樣分為全樣和層樣。根據(jù)前人在類似研究區(qū)提出的土壤137Cs和210Pbex分布深度和耕作深度[24]，同時在大規(guī)模采樣之前，項目組在該區(qū)耕地和林草地上進(jìn)行了少數(shù)土壤剖面樣品采集，結(jié)果表明該區(qū)林草地和耕地中土壤137Cs和210Pbex主要在0～24 cm土層內(nèi)，30 cm以下幾乎沒有分布，因而本研究將取樣深度設(shè)為30cm。同時，為滿足取得一定量分層混合樣的需求，本研究耕地的剖面分層樣取樣間距為3 cm，退耕地的剖面分層取樣間距為5 cm，均采集6個點位的樣品，然后按照同一土層深度進(jìn)行樣品混合。全樣的采集過程是將采用取樣筒同一點位進(jìn)行兩次采樣操作以完成全樣剖面的采集每個點位采集兩個土壤剖面樣[25]。

圖2 農(nóng)耕地及退耕地采樣點

所取樣本中，農(nóng)耕地土壤剖面樣79個，包括69個全樣，10個分層混合樣；退耕地土壤剖面樣61個，包括55個全樣，6個分層混合樣；共采集土壤剖面樣品140個。樣品采集后經(jīng)風(fēng)干、剔除草根和礫石、全部研磨后過2 mm篩、稱重，混合均勻，利用四分法取500 g以上進(jìn)行137Cs和210Pbex測試，剩余的樣本裝回原袋，以備補(bǔ)測。

137Cs和210Pbex測定采用高純鍺（HPGe）探測器的伽馬能譜儀。樣品測質(zhì)量≥500 g，測試時間≥67 000 s，測試誤差為±5%（置信度95%）。樣品的137Cs濃度根據(jù)662keV譜峰面積直接算出，210Pbex濃度為210Pb總濃度和226Ra濃度的差值，210Pb總濃度根據(jù)46.5 keV譜峰面積算出，226Ra濃度根據(jù)214Pb的譜峰面積（351.9 keV）求算，214Pb半衰期極短，是226Ra的衰變產(chǎn)物[26]。

2.2 137Cs和210Pbex背景值

由于本研究區(qū)主要以風(fēng)蝕為主，加之近年來實施大量生態(tài)工程，如退耕還林工程、三北防護(hù)林工程、京津冀風(fēng)沙源治理工程等，難以找到合適的137Cs和210Pbex背景值取樣點，利用前人提出的背景值（黃土高原區(qū)137Cs變幅為1 351～2 633 Bq/m2，平均值為2 063 Bq/m2，隨著降雨量增加整體呈現(xiàn)北高南低的趨勢）[27-28]，結(jié)合本研究的采樣年份以及前人在太仆寺旗[29]和康?？h[30]的采樣年份，同時考慮137Cs的衰變系數(shù)，取2 655 Bq/m2作為本區(qū)域的137Cs背景值，該結(jié)果與Du和Walling[31]的理論模型計算出的參考值較為一致。內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南緣與研究區(qū)氣候類型相同，年均降水量相近，210Pbex背景值采用胡云鋒等[17]在內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南緣提出的背景值，同時結(jié)合本研究的采樣年份，考慮210Pbex的衰變系數(shù)，修正后研究區(qū)210Pbex背景值為8 112 Bq/m2。

2.3 計算方法

2.3.1137Cs比例模型

137Cs比例模型是當(dāng)前耕地土壤侵蝕速率估算中應(yīng)用較為普遍的理論模型，該模型假設(shè)137Cs開始沉降后，137Cs在耕層土壤中均勻分布，土壤侵蝕量與137Cs流失量成比例[32]，其具體表達(dá)式如下

2.3.2137Cs剖面分布模型

對于非農(nóng)耕地土壤，采用Zhang等[33]提出的137Cs剖面分布模型，該模型需要的參數(shù)少，計算簡單，其具體表達(dá)式如下

2.3.3 穩(wěn)定態(tài)農(nóng)耕地210Pbex轉(zhuǎn)換模型

穩(wěn)定態(tài)農(nóng)耕地是指近100年以來土地利用類型沒有發(fā)生變化的農(nóng)耕地。Walling等[34]給出了210Pbex穩(wěn)定態(tài)年質(zhì)量平衡模型，該模型充分考慮了210Pbex沉降、沉積、衰變和侵蝕的質(zhì)量平衡過程，考慮了210Pbex年沉降通量的變化和表層富集對估算土壤侵蝕速率的影響，是目前應(yīng)用最廣泛的核素土壤侵蝕速率轉(zhuǎn)換模型模型之一，其具體表達(dá)式如下

張信寶等[35]基于210Pbex質(zhì)量平衡方程，提出了穩(wěn)定態(tài)農(nóng)耕地侵蝕速率變化前后的210Pbex轉(zhuǎn)換模型，當(dāng)土壤侵蝕速率發(fā)生變化前

式中0為侵蝕速率發(fā)生變化時的210Pbex累計活度（Bq/m2）；為210Pbex衰變系數(shù)（0.031 a-1）；A為210Pbex本底值（Bq/m2）；為侵蝕速率發(fā)生變化時的年侵蝕厚度（cm/a）；為犁耕層深度（cm）。

當(dāng)土壤侵蝕速率發(fā)生變化時，即從h變化為h后

式中A為侵蝕速率發(fā)生變化后的210Pbex累計活度（Bq/m2）；為侵蝕速率變化后的歷時（a）；h為變化后的年侵蝕厚度（cm/a）。

2.3.4 非農(nóng)耕地土壤侵蝕速率210Pbex轉(zhuǎn)換模型

孫威等[36]給出了穩(wěn)定態(tài)非農(nóng)耕地侵蝕速率變化前后的轉(zhuǎn)換模型，變化前

變化后

3 結(jié)果與分析

3.1 137Cs和210Pbex的剖面分布

農(nóng)耕地中的137Cs和210Pbex的比活度為79個樣本的平均活度，退耕地中137Cs和210Pbex的比活度為61個樣本的平均活度，137Cs和210Pbex在耕地和退耕地中的剖面分布如圖3所示，農(nóng)耕地中土壤137Cs剖面形態(tài)較為均一，0～27 cm土層中137Cs分布均勻，這是由于耕作的長期混勻作用所致[37]。137Cs作為核爆炸試驗的產(chǎn)物，來源受限，多年來土壤中的137Cs含量也在不斷衰減，土壤水分和土壤有機(jī)質(zhì)的影響也使得137Cs在土壤剖面中的遷移受到限制[38]，導(dǎo)致137Cs在土壤深度27 cm以下基本沒有分布；210Pbex的剖面形態(tài)與137Cs大致相同，在0～27 cm是均勻分布的，平均活度較大。

圖3 137Cs、210Pbex在耕地和退耕地中的剖面分布

退耕地中，由于張家口市壩上地區(qū)沙塵暴（干沉降）帶來137Cs不斷沉降到土壤表層，同時也帶走一部分表層土壤及其137Cs，總體導(dǎo)致0～5 cm土壤的137Cs比活度略高于5～25 cm土壤的比活度，5～25 cm的土壤沒有人為擾動的影響，呈均勻分布，在30 cm以下沒有分布。由于210Pbex是來源于自然界的核素，沙塵暴和日常降雨（濕沉降）均會帶來210Pbex，質(zhì)量平衡的結(jié)果是0～5 cm土層中210Pbex比活度也是最高，且增加幅度明顯高于137Cs，從5 cm開始急劇下降，在5～25cm土層中基本呈均勻分布，30 cm以下沒有分布。

3.2 修正后非穩(wěn)定態(tài)退耕地210Pbex土壤侵蝕轉(zhuǎn)換模型

式中H為侵蝕速率變化后犁耕層厚度（cm）；H為侵蝕速率發(fā)生變化時的犁耕層厚度（cm）。

由于該區(qū)退耕地土地類型已改變多年，僅通過210Pbex的背景值無法正常求解方程（8），由于土壤中137Cs的剖面分布變化較小，0可通過式（1）的比例模型利用相同采樣點的137Cs背景值進(jìn)行估算。再通過式（4）從0估算出0，最后通過式（8）中H，H和已求得的0評估h。農(nóng)耕地可用同樣的方法估算出0，最后通過式（5）和以求得的0評估h。

土壤侵蝕速率則可以通過土壤流失深度和容重來評估，具體表達(dá)式如下

3.3 退耕地及農(nóng)耕地的土壤理化性質(zhì)及侵蝕速率

退耕地和農(nóng)耕地理化性質(zhì)及土壤侵蝕速率如表1所示，該區(qū)農(nóng)耕地平均土壤137Cs面積活度為1 565.18±162.31 Bq/m2，相比背景值的土壤137Cs面積活度（2 655 Bq/m2），137Cs殘存百分比為41.04%；退耕地137Cs面積活度為1 520.03±232.38 Bq/m2，相比背景值土壤137Cs面積活度，殘存百分比為42.75%。農(nóng)耕地和退耕地土壤137Cs殘余百分比表明該區(qū)以風(fēng)沙侵蝕為主。采用137Cs比例模型估算農(nóng)耕地土壤侵蝕速率為29.11±14.42 t/(hm2·a)，而退耕地土壤侵蝕速率為27.94±11.92 t/(hm2·a)。

該區(qū)農(nóng)耕地土壤210Pbex面積活度為8 373.34±3 647.77 Bq/m2，相比背景值的土壤210Pbex面積活度（8 112 Bq/m2），殘存百分比為-3.22%；退耕地210Pbex面積活度為13 200.80±7 118.39 Bq/m2，相比背景值土壤210Pbex面積活度，殘存百分比為-62.73%。不同于137Cs相比背景值的殘存百分比和比例模型的估算結(jié)果，農(nóng)耕地和退耕地土壤210Pbex殘余百分比表明該區(qū)的農(nóng)耕地和退耕地均以風(fēng)沙沉積為主。采用張信寶等[35]提出的農(nóng)耕地210Pbex估算土壤侵蝕模型和本文提出的退耕地210Pbex估算土壤侵蝕模型可以計算出農(nóng)耕地和退耕地在1978年以來造林前后的侵蝕速率，退耕地造林前后侵蝕速率分別為82.16±14.36 t/(hm2·a)和-41.28±33.91 t/(hm2·a)；農(nóng)耕地造林前后侵蝕速率分別為68.55±22.11 t/(hm2·a)和-8.52±47.32 t/(hm2·a)。

表1 退耕地和農(nóng)耕地理化性質(zhì)及土壤侵蝕速率

注：137Cs和210Pbex殘存百分比負(fù)值表示富集，正值表示流失。

Note: Negative values of137Cs and210Pbexresidual percentage indicate enrichment, and positive values indicate loss.

4 討 論

4.1 137Cs和210Pbex在退耕地和農(nóng)耕地中的剖面分布特征

137Cs和210Pbex在退耕地和農(nóng)耕地中的土壤剖面分布存在著顯著差異。137Cs比活度在退耕地土壤表層略高，但整體呈均勻分布；210Pbex比活度在退耕地土壤表層含量最高，0～5cm層的比活度占了總量的80%，5cm開始急劇下降，5～30cm大致分布均勻，這個結(jié)果與嚴(yán)平等[40]、He等[41]關(guān)于137Cs和210Pbex在非耕地土壤剖面中分布的研究結(jié)果基本一致。值得注意的是，退耕地土壤中210Pbex的剖面分布并不符合指數(shù)遞減模式，因為退耕地退耕前土地利用類型是農(nóng)耕地，退耕后沒有人為擾動，表層土壤不斷接受來自大氣沉降的210Pbex導(dǎo)致表層土壤210Pbex比活度最高，而下層土壤由于退耕前的耕作混勻作用導(dǎo)致210Pbex分布比較均勻，退耕地210Pbex的剖面分布很好地反映了土地利用類型的變化。137Cs和210Pbex在農(nóng)耕地中的剖面分布大致相同的，均呈均勻分布，這與方海燕等[42]提出的耕地中137Cs和210Pbex的剖面分布基本一致。

4.2 基于137Cs和210Pbex雙核素示蹤的土壤侵蝕速率的變化特征

137Cs和210Pbex土壤侵蝕速率的變化表明了本文提出的210Pbex土壤侵蝕估算模型具有一定的適用性和可靠性。以往的210Pbex模型適用于估算土地利用類型不變，長期處于穩(wěn)定態(tài)的土壤的侵蝕速率，而根據(jù)210Pbex-在退耕地中的剖面分布可知，由于土地利用類型發(fā)生了變化，210Pbex在退耕地土壤剖面中的分布處于非穩(wěn)定的狀態(tài)，以往的210Pbex估算土壤侵蝕速率的模型均不適用，需要對前人的210Pbex轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行修正。前人的研究表明，利用137Cs模型和210Pbex模型估算土壤侵蝕速率在一定誤差范圍內(nèi)應(yīng)該是一致的[43]。而在本研究中，造林前，修正的210Pbex轉(zhuǎn)換模型計算出的土壤侵蝕速率要高于137Cs比例模型計算的結(jié)果；造林后，修正的210Pbex轉(zhuǎn)換模型計算出的土壤侵蝕速率要低于137Cs比例模型計算的結(jié)果。此外，通過對比137Cs和210Pbex在退耕地和耕地中的面積活度以及殘存百分比可以發(fā)現(xiàn)，土壤137Cs與210Pbex背景值的殘存百分比和土壤侵蝕估算模型結(jié)果之間存在顯著差異，137Cs在退耕地和農(nóng)耕地中的面積活度和殘存百分比的大小幾乎一致，殘存百分比表明退耕地和耕地均處于風(fēng)沙侵蝕狀態(tài)；而210Pbex在退耕地中的面積活度要大于耕地的面積活度，殘存百分比表明退耕地和耕地均處于風(fēng)沙沉積狀態(tài)。造成這種差異的原因是自然界中和土壤中137Cs和210Pbex的來源不同。土壤中137Cs主要來源于20世紀(jì)50～70年代的核試驗產(chǎn)生的人工放射性核素[44]；而210Pbex作為一種天然放射性核素，在自然界中擁有較大的庫存量，土壤中的210Pbex來源具有連續(xù)性特點。因此，210Pbex能夠較好地反映造林以來近幾十年的土壤侵蝕速率變化，而137Cs則能夠更好地反映1963年以來的平均土壤侵蝕速率變化，且后期較低的土壤侵速率蝕極易被前期較高的侵蝕速率所掩蓋[45]。由此可見，由于137Cs和210Pbex的來源不同，造成了兩種核素示蹤的背景值殘存率及其估算的土壤侵蝕速率在顯著差異，雖然兩種核素示蹤的結(jié)果有顯著差異，但兩種核素示蹤的結(jié)果都是可信的，只是反映了不同時期的侵蝕速率，137Cs示蹤結(jié)果表征了造林前后侵蝕速率的平均值，而210Pbex示蹤結(jié)果表征了造林前后土壤侵蝕速率的動態(tài)變化。正如Kalkan等[46]提出的結(jié)論，在今后的研究工作中，多種同位素的復(fù)合示蹤應(yīng)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，以便更深刻地理解土壤侵蝕的作用機(jī)理。

4.3 退耕還林和防護(hù)林生態(tài)工程對土壤侵蝕速率的影響

在張家口壩上草原“三北防護(hù)林”區(qū)，實施退耕還林和農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)工程之后，農(nóng)耕地和退耕地的土壤侵蝕速率明顯減小，退耕地由前期的風(fēng)沙侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)沙沉積。值得注意的是，張加瓊等[47]關(guān)于張家口壩上區(qū)域康保縣的研究中，由于康?？h沒有較好的防護(hù)林，利用137Cs模型估算出的耕地的平均土壤侵蝕速率為83.62 t/(hm2·a)，而本研究中，利用137Cs模型估算出的耕地的平均土壤侵蝕速率為29.11 t/(hm2·a)，利用修正后的210Pbex模型估算出的造林前后農(nóng)耕地的平均侵蝕速率分別為68.55 t/(hm2·a)和-8.52 t/(hm2·a)，且造林前的土壤侵蝕速率接近83.62 t/(hm2·a)，造林后的侵蝕速率顯著降低，這表明張家口壩上地區(qū)“三北”防護(hù)林較好的區(qū)域土壤侵蝕速率顯著低于無“三北”防護(hù)林區(qū)域，且防護(hù)林成熟之后，其防風(fēng)固沙的效果顯著，兩個區(qū)域土壤侵蝕速率的顯著差異正好反映了研究區(qū)實施退耕還林以及農(nóng)田防護(hù)林工程后的顯著成果，說明本研究提出的210Pbex土壤侵蝕估算模型在研究區(qū)具有較好的適用性以及可靠性。此外，除了“三北”防護(hù)林工程，國家也制定實施了長江防護(hù)林工程、沿海防護(hù)林工程、平原綠化工程、萬里治沙工程、太行山綠化工程等，這些生態(tài)工程均取得了顯著成果，可否將修正后的210Pbex土壤侵蝕估算模型應(yīng)用于這些工程以評估其土壤保持效益值得進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié) 論

本文采用137Cs和210Pbex雙核素示蹤技術(shù)，初步查明了137Cs和210Pbex在該區(qū)農(nóng)耕地和退耕地中的剖面分布特征以及土壤侵蝕速率的變化規(guī)律，分析了防護(hù)林區(qū)農(nóng)耕地和退耕地土壤侵蝕速率的差異。主要結(jié)論有：

1）137Cs和210Pbex在農(nóng)耕地和退耕地中的深度分布特征不同，農(nóng)耕地土壤中137Cs和210Pbex均呈均勻分布；退耕地中137Cs和210Pbex此活度均呈表層（0～5 cm）最高，其他深度土層中分布相對均勻。

2）退耕還林導(dǎo)致近幾十年來土地利用類型發(fā)生了突變，退耕地土壤中210Pbex的剖面分布呈非穩(wěn)定態(tài)，致使目前的210Pbex轉(zhuǎn)換模型在退耕地土壤侵蝕速率的估算中不適用，本研究基于210Pbex在退耕地土壤中的剖面分布特征及其對退耕過程的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，提出了退耕地210Pbex估算土壤侵蝕速率模型。

3）基于137Cs比例模型計算出退耕地平均侵蝕速率為27.94±11.92 t/(hm2·a)，耕地平均侵蝕速率為29.11±14.42 t/(hm2·a)；基于210Pbex土壤侵蝕估算模型計算出退耕地造林前后210Pbex土壤侵蝕速率分別為82.16±14.36 t/(hm2·a)和-41.28±33.91 t/(hm2·a)，農(nóng)耕地造林前后210Pbex土壤侵蝕速率分別為68.55±22.11 t/(hm2·a)和-8.52±47.32 t/(hm2·a)。這表明農(nóng)耕地和退耕地在“三北”防護(hù)林建成之后土壤侵蝕速率（風(fēng)力侵蝕）明顯減小，逐漸由前期的風(fēng)沙侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)沙沉積。

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137Cs and210Pbextracing of soil erosions on cultivated and reforested slope lands in Three North-Shelter Forest Region

Wang Junjie1,2, Su Zhengan1※, Zhou Tao1,2, Wang Lijuan1,2, Wang Xiaoyi1,3, Liu Yihan1,4, Wu Zuo1,3

(1.,,,610041,; 2.,100049,; 3.,,625014,; 4.,,610101,)

210Pbexand137Cs measurements were carried out to trace the variations in soil depth and erosion rates in the cultivated and reforested land, aiming to explore the changes of soil retention due to the construction of the “Three North” shelterbelt program in the north of China. A typical shelterbelt and wind dominant region was selected, particularly on the Bashang Region of Zhangjiakou City, Hebei province, China. The results showed that in the cultivated land, both137Cs and210Pbexin the soil profile were uniformly distributed, due mainly to the mixing effect of tillage. In the reforested land, the137Cs and210Pbexconcentrations in the 0-0.05 m soil layers were obviously higher than those in the other depth soil layers. There were roughly uniform concentrations of137Cs and210Pbexfrom 0.05 m to 0.15 m of the upper 0.15 m soil layer. It infers that the137Cs and210Pbexprofile of soil can be changed after reforestation, thereby posing a great challenge on the use of137Cs and210Pbexto estimate the variation in soil erosion rates under the conditions of reforestation. A revised210Pbexmodel of soil erosion in the reforested land was proposed using the210Pbexmass balance equation in the temporal change trends of137Cs and210Pbexprofiles. In the137Cs proportional model, the mean soil erosion rates of reforested and cultivated land were 27.94±11.92 t/(hm2·a) and 29.11±14.42 t/(hm2·a). In the revised210Pbexconversion model, the soil erosion rates of reforested and cultivated land were 82.16±14.36 t/(hm2·a) and 68.55±22.11 t/(hm2·a) before the construction of Three-North shelter forest, whereas, those were -41.28±33.91 t/(hm2·a) and -8.52±47.32 t/(hm2·a) after the constructed. It indicates that the137Cs tracing can be used to characterize the average soil erosion rates and deposition rates on the slopes since 1963. Nevertheless, the210Pbextracer technology can be used to trace the variations in soil erosion rates before and after the shelter forest was constructed. In addition, the wind erosion rates of cultivated and reforested land obviously declined, due to the construction of Three-North Shelter Forest, where the cultivated and reforested land have been transformed from erosion zone to deposition zone in the study area.

soils; erosion; models;210Pbex;137Cs; shelter forest; returning farmland to forest

王俊杰，蘇正安，周濤，等.137Cs和210Pbex雙核素示蹤“三北”防護(hù)林區(qū)退耕前后坡地土壤侵蝕變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(24)：64-72.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008 http://www.tcsae.org

Wang Junjie, Su Zhengan, Zhou Tao, et al.137Cs and210Pbextracing of soil erosions on cultivated and reforested slope lands in Three North-Shelter Forest Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 64-72. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008 http://www.tcsae.org

2020-09-30

2020-11-20

水體污染控制與治理科技重大專項（2017ZX07101-001）和國家自然科學(xué)基金（41401313）聯(lián)合資助。

王俊杰，主要從事土壤侵蝕和水土保持研究。Email：wangjunjie195@mails.ucas.ac.cn。

蘇正安，博士，副研究員，主要從事土壤侵蝕和水土保持研究。Email：suzhengan@imde.ac.cn。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008

S157.1

A

1002-6819(2020)-24-0064-09