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1、核技术环境学应用5,中国农业大学 齐孟文,核技术环境学应用 土壤侵蚀测定的同位素示踪法,137Cs示踪土壤侵蚀不仅会引起土地生产潜力降低和土地退化，还会引发诸如河道淤塞、水库功能退化和水体富营养化等一系列重大的环境生态问题，因此已成为当今可持续发展迫切需要解决的课题，受到广泛关注。要有效了解土壤侵蚀及其发生规律，为国土整治和生态治理的决策提供科学依据，必须建立土壤侵蚀测定的有效方法。上个世纪70年代引入了核素原位标记土壤侵蚀示踪法被证明是一种独特而有效的方法。,核技术环境学应用 137Cs示踪,较之传统方法其具有： 1)土壤侵蚀的测定只需通过取样分析就可完成，无需现场连续监测； 2)能对取样地
2、点的侵蚀历时情况进行回朔性测定； 3)同时能够在同一地块测定各点的净侵蚀或净沉积的分布模式。,核技术环境学应用 137Cs示踪,基本原理铯-137是一非自然存在的人工核爆放射性核素，其半衰期为30.2a，除核爆地附近，全球分布的137Cs主要来自长距离运输的结果。大气核爆产物137Cs首先随放射性尘埃进入平流层，经长距离运送和混合后重新进入对流层，小部分以干尘降，大部分随降雨重新落入地面，进入地面后的137Cs很快被地表吸附。全球可探测到的137Cs沉降始于1954年，到1963年达到最大，1963年核禁条约生效后，逐年下降，到1980年后已基本可以忽略 。,核技术环境学应用 基本原理,137
3、Cs用于土壤侵蚀示踪的基本假设是：其一，137Cs的全球分布虽然随纬度变化并和某地的降雨密切相关，但在区域的尺度空间，其最初的沉降输入是均匀分布的，作为土壤137Cs含量变化的参比标准具有确定性；其二，137Cs被土壤尤其是土壤中的粘粒和有机质强烈吸附于阳离子交换位置，很难被置换，不易淋溶，化学和生物学运移极小，土壤137Cs含量的变化主要受土壤颗粒机械运动的影响。,核技术环境学应用 基本原理,示踪的基本方法是通过测定土壤137Cs总面积含量相对于参照背景值的变化，并将这种变化与土壤运移量相联系，以实现对土壤侵蚀的定量测定。该方法可用于中长时间、大空间尺度上土地侵蚀及其分布模式的研究，其已在世
4、界范围内的各种生态环境进行了成功的运用。137Cs背景值一般可由当地的137Cs沉降数据或当地未扰动地块剖面137Cs的测定值估算，也可由同一地块过去的测定值作为背景值。侵蚀发生的历时由背景值确定时刻到观察取样时所经历的年数确定。,核技术环境学应用 137Cs示踪,常用模型 用于非耕地的模型大多数情况下，在未扰动的非耕地上，137Cs的浓度C(Bqkg-1)在近地表经过一个峰值后，随深度(Z)呈指数分布： Cf(z)ae-bz,(a, b0) 于是，整个土壤剖面上137Cs的含量A(Bqm-2)和背景值含量Aref (Bqm-2)可由下面的公式求得：,核技术环境学应用 用于非耕地的模型,与 则
5、，土壤因侵蚀137Cs的丢失A(Bqm-2)为：求解上式，得在T年中土壤侵蚀的总厚度h(m)，即：,核技术环境学应用 用于非耕地的模型,整理得：式中：D(kgm-3)为土壤风干基容重；a (Bqkg-1)和b(m-1)分别为土壤剖面137Cs指数分布函数的系数，可由对背景分布值的拟合确定。由上可见，通过分析侵蚀地点137Cs的丢失量A，并由背景分布确定有关参数后，就可由上式求得T年中土壤总侵蚀厚度，进而可方便地求得年均侵蚀率。,核技术环境学应用,用于耕地的模型 土壤侵蚀主要发生于耕地，因此耕地是土壤侵蚀研究的重点。由于耕作的混合作用，137Cs在耕层基本呈均匀分布，分布深度一般为20厘米左右。
6、根据137Cs在耕层的分布特点及其与土壤的相互作用性质，用于联系土壤重分布与137Cs含量变化关系的常用模型如下。 1）比例模型(Proportional Model)比例模型假设137Cs在耕层均匀分布，因此从参照背景值确立以来，耕层土壤的相对侵蚀率就等于土壤中137Cs的相对丢失率，其基本公式为：,核技术环境学应用 比例模型,式中：Y为土壤年侵蚀率(t. hm-2 a-1)；d为由137Cs确定的耕层深度(m)；B为土壤风干土容重(kgm-3)；X为137Cs相对丢失率，X(Ar-Am)/Ar ，其中Am为取样地点137Cs的总面积含量(Bqm-2)，Ar为背景值(Bqm-2)；T为背景确
7、立始至采样时经过的时间(a)；P为考虑土壤粒径组成影响引入的校正因子，可由径流冲积物中137Cs浓度与原侵蚀土壤137Cs浓度比值确定。由于土壤细粒具有富集137Cs倾向，且易发生径流侵蚀，故引入粒径校正因子P，该值一般大于1。公式中的Aref可以由当地137Cs沉降输入(经衰变校正到侵蚀测定取样时)或由未扰动地点实测得到，其历时始于1954年，然而若有历史记载，也可将过去同一地点的测定值作为背景值。,核技术环境学应用 比例模型,正比模型的参数少且易确定，因此应用最广。但该模型过于简化，存在如下主要限制：137Cs的大气沉降输入曾经历了一个持续期，若部分沉降在被结合进入土壤剖面前就发生了侵蚀，
8、那么公式会高估实际侵蚀；同样，随着侵蚀，耕层表面会不断下降，耕层下原来不含137Cs的土壤进入耕层会稀释耕层137Cs 的浓度，若这种情况发生，会低估实际的侵蚀。正比模型尽管存在以上不足，但是由于简单便用，在大范围土壤侵蚀调查研究中经常使用 。,核技术环境学应用 用于耕地的模型,2)容量模型(Gravimetric Model) 该模型与正比模型一样，假定土壤重分布与其137Cs含量重分布一致，因此有：式中：Y为取样点土壤年侵蚀率(thm-2a-1)；A为137Cs的总面积含量(Bqm-2)；Aref为背景值(Bqm-2)；T为背景确立始侵蚀所经历的时间(a)；C为取样点土壤137Cs浓度(B
9、qkg-1)。土壤137Cs的当前浓度会因下层土壤的稀释而减少，因此存在高估实际土壤的侵蚀可能。容量模型也可用于沉积点年均沉积率的测定，此时AAref，此时C为测定地点超出耕层平均厚度的上表层土壤中137C的浓度。,核技术环境学应用 用于耕地的模型,3)质量平衡模型(Mass Balance Model) 考虑137Cs沉降输入及土壤剖面137Cs含量是随时间变化的，土壤侵蚀与137Cs丢失的关系与历时有关。根据土壤剖面137Cs输入输出的质量平衡关系，可得到反映上述影响因子的质量平衡模型(杨洁，2000)。,核技术环境学应用 质量平衡模型,式中：X(1-h/H)K，称为侵蚀模数；h为年均侵蚀
10、厚度(m)；H为由137Cs分布确定的耕层深度(m)；K为137Cs年衰减校正因子(0.997)，WNKN-1R1+KN-2R2+KRN-1+RN , 称为衰变校正因子，Ri为第i年的137Cs沉降占地区总沉降的百分数(%)，NM-1954，M为采样年份；CE为土壤侵蚀点剖面137Cs的总面积含量 (Bqm-2)；CR为137Cs背景值 (Bqm-2) 根据上式，当测得土壤剖面137Cs的相对损失百分比，利用数值解法或作图解法求出相应的侵蚀模数，就可以求出年均侵蚀厚度h，最终求得年均土壤侵蚀率E(kghm-2a-1)。,核技术环境学应用 质量平衡模型,EhD10000 式中，h为年均土壤侵蚀厚
11、度(m)；D为土壤容重 (kgm-3)。因1982年后137Cs沉降输入已可忽略不计，即当N29，RN0，则1982年后取样时有：式中，WN(K28R1+K27R2+KR28) KM-1982，(1、228是以1954年为始年的年份)。,核技术环境学应用 137Cs示踪,样品分析137Cs样品分析的一般程序是：将土壤样品在105下烘干至恒重，过2mm的筛，取1000g土壤，用带有锂漂移锗半导体探头的多道谱议测定，由分析662.kev全能峰确定137Cs的放射性。测定误差在95%的置信度下一般控制在10%以内，这样测定大约需要10多个小时。 参考文献 1. Richard lowrance,Sh
12、erwood Mclntyre,and Clarence Lance. Erosion and deposition in a field/forest system estimated using cesium-137 activityJ.Journal of Soil and Water Conservation.1988,195-198.,核技术环境学应用 参考文献,2.R.G.Kachanoski and E.DE Jong. Predicting the temporal relationship between soil cesium-137 and erosion rate.J.
13、Environ.Qual.,1984,13(2):301304.3D.E Walling and Q. He. Improved models for estimating soil erosion rates from cesium-137 measurements.J.Environ.Qual.,1999,28:611622. 4.杨洁，等.利用137Cs示踪农业耕作土壤侵蚀速率的定量模型，土壤学报，2000，37(3)：296305.,核技术环境学应用 2 稀土元素示踪法 (REE),示踪原理稀土元素有与137Cs相似的地球化学性质，与土壤尤其是土壤粘粒和有机质有很强的结合性，植物富集或
14、淋溶过程不明显，主要随土壤作机械迁移，又因在黄土中的自然含量甚微，因此可作为黄土高原土壤迁移的示踪剂。用作示踪的常用的稀土元素是La、Se、Nd、Sm、Eu、Dy等元素的氧化物，与从条块上取出土样混合后，回填标的方法进行坡面侵蚀情况的示踪测定。,核技术环境学应用 示踪原理,侵蚀坡面处理的示意图如下：图.稀土元素示踪处理示意图,核技术环境学应用 稀土元素示踪法,取样测量在侵蚀坡面的坡脚下建立径流沉淀收集池，采集沉淀样品，风干并混合均匀，网格法取100g ，研磨过100目筛，取50100mg，装入铝箔袋，经中子活化分析，计算样品中元素的浓度C(Bqkg-1)。 数据分析设第i种元素示踪面积区土壤侵
15、蚀量为Gj(kg)，该产沙部位示踪元素的浓度为C(Bqkg-1)，元素的背景浓度值为Bj (Bqkg-1)，调查坡面的总土壤侵蚀量为G(kg)，径流泥沙中第i种元素的浓度为C j (Bqkg-1)，则由示踪元素的质量守恒关系有:,核技术环境学应用 数据分析,G(CjBj)Gj (CBj )Gj /G(CjBj )/(CBj )由上式计算出各示踪部位的相对侵蚀比率Gj/G，再乘以各产沙部位所代表的面积系数，即可求得各部位的相对侵蚀率。 参考文献 1. 琚彤军，田均良，等.REE示踪条带施放法研究坡面土壤侵蚀垂直分布规律.核农学报，1999，13(6)：349352. 2.李雅琦，等.REE示踪法研究土壤侵蚀的室内模拟试验.水土保持研究，1997，4(2)：2633.,
