137Cs在坡耕地中的分布特征及土壤侵蚀中的应用

摘要：选择一块长为31.5 m，宽为11.0 m，平均坡度为15.8°的矩形坡耕地作为研究对象，分别采集分层样和全样土壤样品，对土壤中的137Cs进行测试分析。结果表明，137Cs在此研究区的背景值为918 Bq/m2，受采样方式和测试仪器本身参数影响，其测定值与前人研究结果相比略有差异；137Cs在分层样和全样土壤中的分布特征均呈现自坡顶至坡底逐渐增加的趋势，表明坡耕地不同部位的土壤侵蚀大小依次为坡顶部>坡中部>坡底部。运用137 Cs示踪模型估算坡耕地的平均土壤侵蚀量为3793 t/（km2・a），属于中度侵蚀等级。

关键词：137Cs；分布特征；坡耕地；侵蚀速率

中图分类号：S124+.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4555-05

DOI：10.14088/ki.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是一种人工放射性核素，半衰期为30.17 年，主要来源于20世纪50～70年代大气热核试验和1986年前苏联切尔诺贝利核电站爆炸以及2011年日本福岛核泄漏事故的副产物。137Cs进入大气同温层后伴随大气环流运动，通过干沉降和湿沉降作用到达地表后迅速被黏土矿物和有机质紧密吸附，此后137Cs只随土壤颗粒发生物理迁移，且在土壤中的重新分配作用主要由土壤侵蚀和沉积作用所致，因此这也正是137Cs示踪土壤侵蚀的先决条件[1]。137Cs示踪的基本原理是通过测定采样点土壤中137Cs的含量相对于背景值的变化，并将这种变化与土壤的运移量相联系，判断采样点是受到侵蚀还是发生沉积以实现对土壤侵蚀量的测定[2]。该示踪方法由于简单、操作性强等优点，已在世界范围内不同区域生态环境条件下进行了成功的运用[3-6]。

在应用137Cs进行土壤侵蚀示踪时，随着诸多基于土壤137Cs损失率与土壤侵蚀量之间的定量关系模型的建立，已开展的工作多数集中于研究中长期（大约50年）的土壤侵蚀或沉积作用的强度和空间分布特征[7]，对137Cs在较小的区域范围内的分布特征及土壤侵蚀状况研究则相对较少。研究认为，在较为平坦的农耕地土壤中，137Cs主要集中在耕层以内，且水平和垂直分布特征均呈现均一性分布特征[8]。然而，137Cs在坡耕地土壤中的分布特征如何，是否也具有相似的变化规律，有待进一步研究。基于此，选择了一块较为规则的坡耕地作为研究对象，分析了137Cs比活度在土壤中不同部位的分布特征及土壤侵蚀状况，旨在为进一步运用137Cs示踪研究土壤侵蚀提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

研究区位于云南省滇池流域的关山水库附近，样品采集于2007年9月。在研究区内选择了一块平均坡度为15.8°的矩形坡耕地（中心点地理坐标为24°49′24″N，102°50′13.6″E），其长和宽分别为31.5 m和11.0 m。为充分反映坡耕地土壤中137Cs的分布特征，按照预先布设的6行×10列的网格状进行采样，其中行间距为3.5 m，列间距为2.2 m，样点分布如图1所示。采集的土壤样品分为全样和分层样两种。全样采用内径为6 cm的取样钻垂直打入土层，深度均为35 cm，取出完整土样，即为土壤全样，共计60个。分层样采集面积为10 cm×15 cm，用小铲刀自表层往下按照每3 cm间距取样，采样深度至36 cm。在坡顶、坡中、坡底部位各布置一个点，共计分层样品36个。

样品自然风干，剔除杂草和小石子，经研磨后过2 mm筛，然后放入105 ℃左右的烘箱中烘至恒重，冷却后用0.001 g精度的天平称取300 g放在同一规格的塑料容器中，摇匀，使土壤样品表层在容器中较为平整，然后进行放射性核素的测量。测试仪器为美国EG&GORTEC公司生产的高纯锗探测器、数字化γ谱仪及多通道分析系统。该γ谱议的主要指标为：对Co1.33 MeV的能量分辨率为2.25 MeV，峰康比大于60∶1，相对探测效率为62%，具有良好的稳定性。每个样品的测量时间为21 600 s（实时），其中137Cs的质量活度根据661.6 KeV射线的全峰面积求得。

在3个分层样点附近用环刀各采集容重样品3盒，取其平均值获得该土壤样品的容重。

1.2 样品137Cs含量的计算

对于分层样，测试得到样品的137Cs比活度，应用以下公式计算出相应样点的含量[9]：

CPI=■Ci・Bdi・Di・103 （1）

式中，CPI表示样点137Cs的含量（Bq/m2），i为采样层序号，n为采样层数，Ci为采样层的137Cs比活度（Bq/kg），Bdi为i采样层的土壤容重（g/cm3），Di为i采样层的深度（m）。

对于全样，应用以下公式求其137Cs的含量[9]：

CPI= Ci・Wy/S （2）

式中，CPI表示样点的137Cs含量（Bq/m2），Ci为全样中137Cs的比活度（Bq/kg），Wy为过筛后全样的重量（kg），S为取样器的横截面积（m2）。

1.3 土壤侵蚀模型选择

本研究选取Zhang等[10]建立的基于137Cs估算耕作土的侵蚀模型，其具体公式如下：

X= X0（1-ΔH/H）N-1963 （3）

式中，X为土壤中的137Cs含量（Bq/m2），X0为当地的137Cs背景值（Bq/m2），H为犁耕层的厚度（cm），ΔH为年土壤流失厚度（cm），N为采样年份。

获得年土壤流失厚度ΔH后，年平均土壤侵蚀量可以从下式中得到：

ER=ΔH・D・10 000 （4）

式中，ER为年平均土壤侵蚀量（t/km2・a），D为土壤容重（g/cm3）。

2 结果与分析

2.1 137Cs背景值的确立

137Cs背景值的确定是应用137Cs示踪法估算土壤侵蚀作用的关键，直接影响到土壤侵蚀模数或土壤侵蚀速率的准确性。一般而言，国内外研究中一般把未受到侵蚀或沉积的大面积的平坦山顶作为理想的背景值采样区[11]。在本研究区内，由于受当地地形的制约，大面积坡顶被开发为农耕地，且坡度相对较大，仅有土壤侵蚀输出而无输入；未被开发的非农耕地，植被覆盖条件较差，其137Cs总量较低，甚至低于检测值，故山顶部位不适宜作为基准点。鉴于此，本研究选取了位于采样点附近的呈贡机场为背景值取样点，通过咨询当地农民和实地勘查获悉，该机场修建于抗日战争时期，近50年未受到土壤侵蚀和沉积作用，地表植被覆盖率为90%～95%，并已在本课题组得到了很好的尝试应用[12]，由此可以作为理想的背景值点。

通过10 cm×10 cm的栅格状按照3 cm间隔采集分层样品，共采集3个样点，实验室测试土壤剖面的137Cs比活度（图2）。通过计算获得机场3个采样点137Cs的含量分别为887.9、939.5和 926.6 Bq/m2，各个采样点之间含量相差较小，取其平均值为918 Bq/m2。从图2可以看出，137Cs比活度自表层往下呈现指数衰减的特征，与非耕作土的分布模式相一致。137Cs主要分布在24 cm以内，自此深度以下很难检测到137Cs的存在。本研究结果与课题组已有的背景值（平均值906 Bq/m2，考虑137Cs衰变校正至采样年份2007年约为835 Bq/m2）相比较，略有偏差，分析可能是由实际采样层的厚度不同和测试仪器本身存在不同的误差所造成的。张燕等[12]采集样品厚度以2 cm/层采集至10 cm处，然后按照5 cm/层采集至25 cm处，而本研究则是按照3 cm/层的间隔进行采集；再者，样品测试过程中γ谱议的探测效率略有不同，本研究中测试仪器的探测效率62%高于张燕等[12]研究过程中使用仪器的探测效率37%。为此，本研究结果具有一定的可信度，可以将137Cs 含量的平均值918 Bq/m2作为研究区的背景值。

2.2 137Cs的在坡耕地分层土壤中的分布

137Cs在坡耕地中不同部位的剖面分布如图3所示，在坡顶部A点0～3 cm和3～6 cm处的137Cs 比活度分别为2.31和2.37 Bq/kg，分别低于耕层内（21 cm）137Cs比活度的平均值2.77 Bq/kg。之所以存在差值，其原因是由于该采样点处在坡顶位置，植被覆盖率较低，与周围其他地方相比地势偏高，基本不接受其他来水方向上的土壤侵蚀颗粒，同时由于降水的作用，此部位的土壤颗粒伴随雨水的冲刷而迁移至坡耕地的中部或者下部，致使该部位核素的比活度相对低些。坡中部B点0～3 cm和3～6 cm处的137Cs 比活度分别为2.83和2.79 Bq/kg，与耕层内（21 cm）137Cs比活度的平均值2.76 Bq/kg相比略微偏高。其原因可能存在两方面，一是降水后发生土壤侵蚀的过程中，位于坡中部B点的土壤颗粒部分被侵蚀搬运到地势较低的地点（坡底部）；另一方面则由坡顶部A点侵蚀的土壤颗粒随着坡面径流的路径搬运迁移到坡中部B点，在填补B点因侵蚀作用流失的土壤的同时，小部分土壤颗粒可能会继续随着坡面径流迁移至坡底部。从坡底部C点137Cs比活度的垂直分布不难看出，其0～6 cm的137Cs比活度明显高于耕层内的137Cs比活度。这种现象进一步印证了此部位所接纳的土壤既有来自于坡中部的土壤侵蚀，又包括了坡顶部的土壤颗粒，双重部位土壤颗粒的供给致使该处土壤表层中137Cs比活度相对偏高。

从图3还可以看出，3个采样部位137Cs的含量大小分别为578、603和629 Bq/m2，与该研究区的背景值（918 Bq/m2）相比较，137Cs损失率分别为37%、34%和31%，表明3个采样点均受到不同程度的侵蚀作用，同时也印证了坡耕地不同部位的土壤侵蚀状况为坡顶部>坡中部>坡底部，与前人研究结果相一致[13]，即从坡顶到坡底流失量渐减，坡地上部以净流为主，坡中下部除本身土壤流失外，还接受坡上中部流失的土壤，因而坡地的土壤净流失量上部大于中下部。

2.3 137Cs在坡耕地全样土壤中的分布

对60个全样点进行分析，各个全样点137Cs的比活度和含量分布如图4所示。从图4可以看出，所有全样土壤中137Cs的比活度为4.06～19.02 Bq/kg，且自坡顶至坡底呈现缓慢增加的趋势，与上述137Cs在土壤剖面中的分布特征相一致。与137Cs在农耕地中水平面上均一性分布特征[8]相比较，其在坡耕地中的分布模式表现为坡顶部

与其比活度变化规律相类似，137Cs在坡耕地中的含量分布自坡顶至坡底亦呈现缓慢增加的趋势，其变化范围为247～674 Bq/m2，与研究区的背景值（918 Bq/m2）相比较，此试验田的所有全样点的137Cs含量均小于背景值，表明此试验田整体上发生了侵蚀现象。137Cs含量在坡耕地中的水平分布特征可能与当地人们的耕作方式有关。通过现场观察和同当地农民交流，发现无论是传统的人工耕作还是农机化耕作时，其耕作路径主要表现为两种形式。一是在坡度较大时，主要采取垂直于坡向自坡底部至坡顶部的路径进行耕作，此背景下在实际的翻耕过程中造成上次犁耕作用产生的垄沟会被本次翻耕的土壤颗粒填满，随着时间的推移，此耕作方式导致大量的土壤颗粒会从坡顶部流失到坡底部；另一种情况则是在坡度较为平缓时，主要采取平行于坡向的路径进行耕作，此方式下坡顶部的土壤颗粒会被犁耕作用携带至坡中部甚至进一步搬运迁移到坡底部，造成137Cs在坡底部的含量相对偏高。

2.4 土壤侵蚀量估算

应用上述土壤侵蚀模型计算出此坡耕地各个采样点的土壤侵蚀量如图5所示。由图5可知，此坡耕地不同部位的土壤侵蚀量差异明显，整体表现为自坡顶至坡底逐渐减小的趋势，同时也验证了137Cs可以应用于较小区域范围内的土壤侵蚀速率估算。依据我国水利部拟定的土壤侵蚀强度分级标准[14]，在南方低山丘陵区微度、轻度、中度、强度、极强度、剧烈侵蚀的侵蚀模数分别为15 000 t/（km2・a）。本试验田的年平均土壤侵蚀量为3 793 t/（km2・a），属于中度侵蚀等级。

3 结论

1）研究区山顶部位受人类活动的干扰不适宜作为背景值测定取样点，本研究选取近50年未受到侵蚀和沉积的废弃机场作为理想的背景值测定采样点，并确定其值为918 Bq/m2。与已有的背景值研究结果略有不同，主要由样品采集方式和测试仪器本身参数的差异性所致。

2）137Cs的比活度和含量在分层样和全样中的分布模式均表现为坡顶部

3）利用已有的土壤侵蚀模型估算了本试验田的土壤侵蚀量，其平均值为3 793 t/（km2・a），参照土壤侵蚀强度分级标准判定其属于中度侵蚀等级。该坡耕地在不同部位的土壤侵蚀量的大小顺序表现为坡顶部>坡中部>坡底部。

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