全 文 ：137Cs和 210Pbex示踪黑土区坡耕地
土壤侵蚀对有机碳的影响*
方海燕**摇 盛美玲摇 孙莉英摇 蔡强国
(中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101)
摘摇 要摇 通过在野外 28. 5 hm2 的坡耕地上采集土壤样品,定量评价了利用137Cs和210Pbex研究
土壤有机碳(SOC)动态的潜力,以探讨东北黑土区土壤侵蚀对土壤有机碳的影响.结果表明:
农耕地土壤137Cs、210Pbex和 SOC在平面和垂直深度上均具有相似的分布特征.在平面上,尽管
受土壤侵蚀沉积的影响,137Cs、210Pbex面积活度及 SOC 储量变异很大,但它们具有相同的变化
趋势.在垂直断面上,侵蚀区137Cs、210Pbex和 SOC 在 0 ~ 25 cm 耕层内分布均匀,25 cm 以下放
射性活度减小,SOC含量也相应下降;沉积区 0 ~ 100 cm深度上137Cs和210Pbex呈现先增加后减
小的分布规律,SOC 也具有类似的变化特征.农耕地 SOC 与137Cs、210Pbex呈显著线性相关,表
明它们在黑土区农耕地上具有相似的物理运移特征,137Cs 和210Pbex可直接用来定量评价黑土
侵蚀下 SOC的时空分布特点.
关键词摇 土壤侵蚀摇 土壤有机碳摇 黑土区摇 坡耕地
文章编号摇 1001-9332(2013)07-1856-07摇 中图分类号摇 S157. 1摇 文献标识码摇 A
Using 137Cs and 210Pbex to trace the impact of soil erosion on soil organic carbon at a slope
farmland in the black soil region. FANG Hai鄄yan, SHENG Mei鄄ling, SUN Li鄄ying, CAI Qiang鄄
guo (Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sci鄄
ences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(7): 1856-1862.
Abstract: Soil cores were collected from a 28. 5 hm2 slope farmland in the black soil region of
Northeast China. Based on the sampled data of 137Cs, 210Pbex and SOC, the potentials of applying
137Cs and 210Pbex for assessing SOC redistribution were evaluated, aimed to approach the impact of
soil erosion on soil organic carbon (SOC) in black soil region. At both planar and vertical direc鄄
tions, the 137Cs, 210Pbex and SOC in the farmland had similar distribution patterns. Although there
were large planar variations in the 137Cs and 210Pbex areal activities and the SOC stock as affected by
soil erosion and deposition, the 137Cs, 210Pbex and SOC had similar changing trends over the land鄄
scape. Two depth distribution profiles were also used to study the relations of 137Cs and 210Pbex with
SOC. At eroded site, the radioactivities of 137Cs and 21 0Pbex and the SOC mass fraction did not show
large variations in 0-25 cm soil layer, but decreased sharply below 25 cm. For the deposition sam鄄
ple, the radioactivities of 137Cs and 21 0Pbex in 0-100 cm soil increased firstly and then decreased.
The SOC mass fraction also had similar depth distribution pattern in this soil layer. The 1 37Cs and
210Pbex presented positive linear correlations with the SOC, indicating that 137Cs, 210Pbex and SOC
moved with the same physical mechanism in the farmland, and fallout 137Cs and 210Pbex could be
used to study spatio鄄temporal distribution characteristics of SOC in the black soil region under the
condition of soil erosion.
Key words: soil erosion; soil organic carbon (SOC); black soil region; slope farmland.
*国家自然科学基金项目(41101261,41271305)和中国科学院黑土区农业生态重点实验室基金项目(2011ZKHT鄄15)资助.
**通讯作者. E鄄mail: fanghy@ igsnrr. ac. cn
2012鄄11鄄19 收稿,2013鄄05鄄23 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 7 月摇 第 24 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2013,24(7): 1856-1862
摇 摇 碳循环研究中的关键问题是已知的碳汇不能平
衡已知的碳源,即存在一个很大的“未知汇冶 [1],而
土壤侵蚀是造成土壤有机碳迁移、流失的主要原因,
也是陆地碳循环的重要动力过程之一[2] . 严重的土
壤侵蚀除了减少可耕种土地资源外,还会减少土壤
有机碳( SOC)含量,降低土地生产能力[3] . 研究表
明,土壤侵蚀与沉积有可能造成碳蓄积,即坡面上土
壤侵蚀流失的碳在坡底随泥沙沉积而蓄存[4],而土
壤固碳是应对全球气候变化的重要途径[5] . 因此,
研究土壤侵蚀对土壤有机碳库的影响,对于全球碳
循环研究具有十分重要的意义.然而,国内有关研究
主要集中在土壤侵蚀对土壤退化、生产力及水质的
影响方面,而就土壤侵蚀对 SOC 的影响研究报道
较少.
东北黑土有机质丰富,土壤肥力高;黑土区是我
国重要的商品粮基地.然而自东北黑土区开垦以来,
受人类不合理的生产经营活动及自然条件等因素的
影响,土壤侵蚀严重,土地生产力下降[6] . 黑土厚度
从 20 世纪 50 年代的 70 ~ 100 cm下降到 21 世纪初
期的 20 ~ 30 cm[7] .随着黑土层厚度的减小,土壤有
机碳含量也在降低.研究表明,黑龙江省黑土地开垦
20 年后有机质含量较开垦前减少 36%左右,开垦
40 年则减少近 50% [8] .因此,在该区开展土壤侵蚀
对 SOC动态及碳循环的影响研究无疑具有十分重
要的理论与实践意义.
20 世纪 60 年代以来,国内外利用放射性核
素137Cs和210Pbex,尤其是137Cs 示踪土壤侵蚀与沉积
方面得到了成功应用. 然而,虽然在我国黄土高
原[3,9]、长江上游流域[10]以及世界的其他地区[11-12]
发现土壤中137Cs与 SOC关系密切,且认为它们在土
壤中有着相似的移动路径, 在东北黑土区也有人利
用137Cs技术就土壤侵蚀对坡面 SOC 再分布的影响
进行了研究[13],但同时利用137Cs 和210Pbex研究土壤
侵蚀对土壤有机碳影响的研究不多. 137 Cs(半衰期
30. 17 年)是 20 世纪 50—70 年代核试验的产物,
137Cs沉降主要发生在这一时期. 因此,随着137 Cs 的
衰变,对于137 Cs 含量很低或没有137 Cs 的地点,用
137Cs研究土壤侵蚀对 SOC 的影响必然存在着一定
的局限性.与137Cs 相比,210Pbex(半衰期 22. 2 年)则
是自然产生的 U 系列衰变产物,在特定地点210 Pbex
向地表输送量为一恒量. 137Cs 和210 Pbex的共同特点
在于它们随降雨沉降到地面后随即被表层土壤强烈
吸附,基本不被淋溶和植物吸收,其后的运移主要伴
随土壤或泥沙颗粒尤其是细颗粒的物理运移[14] .此
外,运用137Cs和210Pbex能够分别提供过去约 50 年和
100 年时间尺度上的土壤侵蚀再分布规律[9] .因此,
直接利用137Cs和210Pbex开展侵蚀对土壤有机碳影响
的研究具有非常重要的意义.然而,在我国东北黑土
区还未见该方面的工作开展.
因此,本文以东北典型黑土区鹤山农场一块
28. 5 hm2的坡耕地为研究对象,通过野外样品采集
和室内分析,研究137Cs、210 Pbex和 SOC 的分布特征,
探讨利用137Cs和210Pbex研究景观 SOC 动态的潜力,
该研究对于揭示碳“未知汇冶问题具有重要的意义.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于黑龙江省黑河地区南部,嫩江县与
讷河市北部边缘交界处的九三农垦分局鹤山农场境
内(48. 9毅 N,125. 2毅 E),属于典型黑土区,处于小兴
安岭西南麓向松嫩平原过渡的漫川漫岗地带,海拔
在 250 ~ 383 m之间.研究区坡长坡缓,地形起伏小,
坡耕地坡度多为 1 ~ 3毅,坡长 1000 ~ 2000 m(图 1).
研究区土壤以典型黑土为主,另外还有棕色森林土
和草甸土.成土母质为第四纪湖相冲积沉积物黄黏
土,坡耕地黑土厚度多在 40 cm以下.本区属寒温带
大陆性季风气候,年平均气温 0. 4 益左右,冬夏温差
较大.年均降水 534 mm,6—8 月降水量占全年降水
量的 66. 8% .
图 1摇 研究区坡耕地采样点及防风林带位置
Fig. 1 摇 Sampling sites and the locations of shelterbelts in the
slope farmland.
数字代表海拔高程,A和 B分别为侵蚀区和沉积区分层样品采样点
The figures represented elevations above sea level, A and B represented
the sampling sites collected from the erosion and deposition areas, respec鄄
tively.
75817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方海燕等: 137Cs和210Pbex示踪黑土区坡耕地土壤侵蚀对有机碳的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
1郾 2摇 样品采集与处理
2010 年 6 月底,选择该区面积为 28. 5 hm2的一
块坡耕地,采用断面结合典型地貌部位的方法采集
土壤样品,采样间距 50 ~ 100 m 不等. 利用 5 cm 直
径的土钻采集土壤样品,采样深度视黑土层厚度而
定,坡面侵蚀区采集深度约 40 cm 左右,沉积区
100 cm左右,共在 61 个采样点进行了样品采集. 为
研究137Cs、210Pbex和 SOC 随土层深度变化的分布特
征,根据研究经验,在明显侵蚀和沉积部位各随机选
取 1 个采样点,按 5 cm 厚度分层采集土样. 为保证
土样质量能够满足仪器测试要求,在各采样点分层
采集土样时,按边长为 1 m 的三角形 3 个顶点处分
层采样,然后将同一层位的土样混合,得到侵蚀区和
沉积区不同深度的土壤样品. 所有样品 (共计 89
个)采集后晾干、研磨,然后分成 2 部分,一部分过
2 mm筛,剔除草根和石块等杂物,称 300 g左右供核
元素测试;另一部分过 0. 15 mm 筛,剔除草根和石
块等杂物后用来测试样品中的 SOC 含量. 137 Cs 与
210Pbex放射性活度用美国 CANBERRA 公司配备的
高纯锗探头 酌能谱仪(测定范围为 3 ~ 3伊103 keV)
测定. 在 662 keV 处 求 算137 Cs 放 射 性 活 度
(Bq·kg-1),在46. 5 keV处求算210 Pb 放射性活度
(Bq·kg-1 ), 226Ra不能直接测定,但可用其子体
214Pb和214Bi替代,取两子体的平均值即为226Ra 的放
射性活度. 210 Pb 与226 Ra 的放射性活度之差即为
210Pbex放射性活度[10] . 核素测定时间为 80000 s 左
右,测定误差<8% . SOC采用湿燃烧法测定.
1郾 3摇 数据处理
根据采集样品质量、土钻取样面积和测试得到
的137Cs、210Pbex放射性活度(Bq·kg-1)以及 SOC 质
量分数 ( g · kg-1 ),得到137 Cs、210 Pbex 面积活度
(Bq·m-2)和 SOC储量(kg·m-2).利用 SPSS 14. 0
软件统计分析了土壤样品137 Cs、210 Pbex面积活度和
SOC储量特征,并利用 Surfer 8. 0 软件进行三维空
间分布制图. 137Cs、210Pbex和 SOC 含量相关关系采用
Origin 7. 0 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 坡耕地137Cs、210Pbex和 SOC的垂直分布特征
侵蚀区分层样品数据显示,137Cs 放射性活度均
匀分布在 0 ~ 20 cm,而在 20 cm 尤其是 25 cm 以
下,137Cs放射性活度大大减少.与137Cs类似,受耕作
活动混合土层的影响,耕作侵蚀区 25 cm 深度以
上210Pbex放射性活度大且分布均匀,且210Pbex的放射
性活度明显高于 25 cm 以下土层. SOC 在侵蚀区的
分布与137Cs和210Pbex表现出同样的分布规律,耕作
层内 0 ~ 25 cm SOC的质量分数在 20 ~ 25 g·kg-1,
而 25 cm以下 SOC的质量分数明显减小(图 2).在
沉积区,137 Cs、210 Pbex的分布深度远大于侵蚀区,受
137Cs和210Pbex沉降特征及土地利用的影响,137 Cs 和
210Pbex的放射性活度峰值分别出现在 45 cm和35 cm
深度上(图 3). SOC 质量分数的分布与137Cs、210Pbex
分布呈现相似的规律,SOC质量分数在45 cm深度上
也达到最大值(71 g·kg-1).
2郾 2摇 坡耕地137Cs、210Pbex和 SOC的平面分布特征
由表 1 可知,坡耕地137 Cs、210 Pbex面积活度和
SOC 储量变化很大. 137 Cs 最小值和最大值分别为
582 和 10420 Bq·m-2;210Pbex最小值和最大值分别
为4537和 68349 Bq·m-2 ;137 Cs和210 Pbex标准差
图 2摇 耕作侵蚀区坡面上137Cs、210Pbex放射性活度和 SOC 质
量分数的垂直分布特征
Fig. 2摇 Vertical distribution characteristics of 137Cs, 210Pbex ra鄄
dioactivities and SOC mass fraction at an erosion site on the cul鄄
tivated slope.
8581 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
分别为 1437 和 9674 Bq·m-2 . SOC 储量变化在
350 ~ 4860 kg·m-2,标准差为 789 kg·m-2 . 坡耕
地137Cs、210Pbex面积活度和 SOC 储量三维图(图 4)
显示,受耕地土壤侵蚀、耕地防护林带以及耕作和农
作物种植等因素的影响,耕地137Cs、210Pbex面积活度
和 SOC储量空间变异很大. 在耕地的边缘、坡面上
部防风林带附近以及耕地下部,137Cs、210Pbex面积活
度和 SOC储量大,而在两条林带之间以及坡面下部
林带某些位置,137Cs、210Pbex面积活度和SOC储量却
图 3摇 耕作沉积区137Cs、210Pbex放射性活度和 SOC 质量分数
的垂直分布特征
Fig. 3摇 Vertical distribution characteristics of 137Cs, 210Pbex ra鄄
dioactivities and SOC mass fraction at a deposition site on the
cultivated slope.
表 1摇 坡耕地137Cs、210Pbex面积活度和 SOC储量特征
Table 1摇 Characteristics of 137Cs and 210Pbex areal activities
and SOC stock on the slope farmland (n=63)
项目
Item
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
标准差
Standard
deviation
137Cs (Bq·m-2) 582 10420 2371 1437
210Pbex (Bq·m-2) 4537 68349 18747 9674
SOC (kg·m-2) 350 4860 1342 789
图 4摇 坡耕地137Cs、210Pbex面积活度和 SOC储量空间分布特征
Fig. 4 摇 Spatial distribution characteristics of 137Cs and 210Pbex
areal activities and SOC stock on the slope farmland.
图中绿色点状条带为图 1 中的防风林带 The green dotted lines repre鄄
sented the shelterbelts in figure 1.
很小.值得注意的是,137Cs和210Pbex面积活度空间分
布也有所差异,如在坡面下部防风林带以下位置
137Cs面积活度相对较小,而210 Pbex面积活度在相应
位置却有所增加.这很可能与两者的降落特征及防
护林带建设有关.
3摇 讨摇 摇 论
核素成功示踪土壤侵蚀的根本原因在于核素具
有强烈吸附土壤颗粒的能力. 此外,研究发现 SOC
主要伴随土壤颗粒发生迁移转化[4] .因此,核素137Cs
和210Pbex与 SOC在土壤侵蚀沉积过程中很可能具有
相似的物理运移过程. 坡面沉积区137Cs 和210 Pbex除
主要来源于坡面侵蚀区的泥沙外,也有部分来源于
沉积区的大气沉降. 137Cs 降落主要发生在 20 世纪
50—70 年代,研究区 1963 年沉降量占总沉降量的
比例近 25% [15] . 20 世纪 60 年代,研究区原有的林
地已被开发成耕地,而防风林带尚未布设,土壤侵蚀
95817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方海燕等: 137Cs和210Pbex示踪黑土区坡耕地土壤侵蚀对有机碳的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
严重.因此,45 cm 土层处最大137 Cs 放射性活度为
1963 年富含137Cs表层土壤强烈侵蚀后在该处沉积
所致.随着土层厚度的减小和耕作活动的持续进行,
耕作层以下不含137Cs的土壤混合到耕作层中,耕作
层137Cs放射性活度减小,使 45 cm 深度向上137Cs 放
射性活度逐渐降低. 45 cm 处 SOC 质量分数最大值
的出现至少有两个原因:一是在土壤侵蚀过程中可
优先侵蚀掉富含 SOC 的细颗粒[16];另一方面,137Cs
和210Pbex均能被土壤有机质和土壤细颗粒物质强烈
吸附[17] .与人工放射性核素137Cs 降落不同,自然放
射性核素210Pbex持续沉降到地表. 假设在土地利用
状况不变的情况下,沉积剖面最表层的210 Pbex放射
性活度应该最高,由于放射性衰变,向下放射性活度
逐渐降低. 然而,本研究剖面中210 Pbex峰值处在
35 cm深度上,可能是由于 20 世纪 70 年代坡面防护
林建设减少了坡面土壤侵蚀的缘故.在耕作侵蚀区,
受耕作混合的影响,耕作层137Cs、210Pbex放射性活度
和 SOC质量分数大,而耕作层以下变小.
坡缓坡长是研究区的重要地形特点,20 世纪 70
年代构建的农田防护林带将深刻影响137 Cs、210 Pbex
和 SOC的空间分布特征.防风林带将长坡面切割成
短坡面,使上坡来水量减少,流速和径流侵蚀能力降
低,加之林带的阻挡作用,坡面上部侵蚀的泥沙在林
带附近沉积[18],使得林带附近样品137Cs、210Pbex面积
活度和 SOC储量较大(图 4).防风林带某些部位较
低的137Cs、210Pbex面积活度和 SOC 储量,则与低洼处
水流穿过防风林带,形成股状水流加剧土壤侵蚀有
关[19],野外考察对此现象也已证实. 137 Cs 和210 Pbex
面积活度空间分布特征的差异,则与它们的沉降特
征及 1970 年左右防风林带的建设密切相关. 137 Cs
和210Pbex是两种不同的核元素,研究表明[20],137 Cs
对于 20 世纪 50—70 年代的土壤侵蚀敏感,而210Pbex
则对近几十年来的土壤侵蚀敏感性较强. 研究区防
风林带建设在 1970 年左右,坡面下部137 Cs 面积活
度较小与防护林带建设之前严重的土壤侵蚀有关,
而210Pbex面积活度较高是防风林带能够在一定程度
上阻止土壤侵蚀的结果. SOC、137Cs 和210Pbex的平面
分布除受侵蚀影响外,还与不同位置处 SOC 的同化
速率及生物化学氧化过程有关[4] .
虽然137Cs、210 Pbex与 SOC 在垂直剖面和横向分
布上有差异,但它们有相似的分布规律(图 2 ~ 4).
所有样品137Cs、210Pbex和 SOC 含量的相关关系表明
(图5和表2) ,137 Cs、210 Pbex和SOC之间呈线性显著
图 5摇 137Cs、210Pbex与 SOC的关系
Fig. 5摇 Relationships among 137Cs, 210Pbex and SOC.
正相关,决定系数 r2(相关系数 r 的平方)均在 0. 37
以上.为深入探索137Cs、210 Pbex与 SOC 的线性关系,
将数据分成 3 组,分别为137 Cs < 10 Bq·kg-1 (或
210Pbex<55 Bq·kg-1)、137 Cs 或210 Pbex >0 Bq·kg-1、
10 Bq·kg-1>137Cs> 0 Bq·kg-1 (或 55 Bq·kg-1 >
210Pbex>0 Bq·kg-1). 137 Cs、210 Pbex与 SOC 在不同分
组下均显著相关(P<0. 005),且不同分组下210 Pbex
与 SOC的线性关系变化不大(图 5 和表 2).值得注
意的是,当剔除137Cs 放射性活度为 0 Bq·kg-1的样
品后,137Cs对 SOC的决定系数从 0. 37 增加到 0. 55,
表明在137Cs 含量低的地区,用137 Cs 研究 SOC 动态
存在着一定的局限性.在我国黄土高原地区、密云水
库及世界上的其他地区,也发现137Cs、210Pbex与 SOC
有很好的相关性[4,8,21-22],表明137 Cs、210 Pbex与 SOC
在土壤中很可能有着相似的物理移动过程. 由图 5
和表 2 可知,210Pbex与 SOC的线性关系较稳定,其不
确定度 SD 也多小于137 Cs 与 SOC 线性关系的不确
定度.这很可能与两种核素的沉降特征及它们与
SOC的吸附能力有关 . 137 Cs是与核爆炸有关的核
0681 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 137Cs、210Pbex与 SOC的回归方程及相关参数
Table 2摇 Regression equations and the related parameters among 137Cs, 210Pbex and SOC
分组
Group
回归方程
Regression equation
n r2 P 不确定度
Statistical dispersion
(SD)
所有137Cs数据 All the 137Cs data SOC=1. 90伊137Cs+15. 48 89 0. 37 <0. 0001 7. 18
137Cs活度>0 Bq·kg-1 137Cs radioactivity>0 Bq· kg-1 SOC=2. 43伊137Cs+12. 30 78 0. 55 <0. 0001 5. 83
137Cs活度<10 Bq·kg-1 137Cs radioactivity<10 Bq·kg-1 SOC=1. 16伊137Cs+17. 91 86 0. 12 <0. 005 6. 61
0 Bq·kg-1 <137Cs活度<10 Bq·kg-1 0 Bq·kg-1 <137Cs
radioactivity<10 Bq·kg-1
SOC=1. 92伊137Cs+14. 31 75 0. 25 <0. 0001 5. 35
所有210Pbex数据 All the 210Pbex data SOC=0. 50伊210Pbex+6. 47 89 0. 40 <0. 0001 7. 04
210Pbex活度>0 Bq·kg-1 210Pbex radioactivity>0 Bq·kg-1 SOC=0. 49伊210Pbex+6. 89 88 0. 36 <0. 0001 7. 07
210Pbex活度<55 Bq·kg-1 210Pbex radioactivity<55 Bq· kg-1 SOC=0. 44伊210Pbex+8. 21 86 0. 35 <0. 0001 5. 77
0 Bq·kg-1 <210 Pbex活度 < 55 Bq·kg-1 0 Bq·kg-1 <
210Pbex radioactivity<55 Bq·kg-1
SOC =0. 41伊210Pbex+9. 06 85 0. 30 <0. 0001 5. 77
所有137Cs数据 All the 137Cs data 210Pbex =2. 38伊137Cs+23. 55 89 0. 37 <0. 0001 9. 00
137Cs活度>0 Bq·kg-1 137Cs radioactivity>0 Bq·kg-1 210Pbex =2. 45伊137Cs+23. 10 78 0. 38 <0. 0001 8. 35
137Cs活度<10 Bq·kg-1 137Cs radioactivity<10 Bq·kg-1 210Pbex =2. 62伊137Cs+22. 57 86 0. 30 <0. 0001 8. 33
0 Bq·kg-1 <137Cs活度<10 Bq·kg-1 0 Bq·kg-1 <137Cs
radioactivity<10 Bq·kg-1
210Pbex =3. 04伊137Cs+20. 56 75 0. 37 <0. 0001 7. 40
素,其沉降主要发生在 20 世纪 50—70 年代,而特定
地点的210Pbex沉降则为一恒值. 与210 Pbex相似,自然
生态系统中 SOC 能够从枯枝落叶中得到一定的补
充[18] .相比之下,除137Cs的主要沉降年外,其他时间
的沉降很少. 此外,研究发现,土壤侵蚀过程中
210Pbex吸附 SOC的能力较137Cs更强[17] .
摇 摇 不同分组下210Pbex与137Cs的决定系数 r2都大于
30% ,且210Pbex与 SOC 的稳定线性关系更强(图 5、
表 2).因此,在很少或没有137Cs 的地点,可用210Pbex
替代137Cs定量研究土壤侵蚀及其对 SOC 的影响;
在137Cs含量多的地区,可同时利用137Cs 和210Pbex技
术定量研究 SOC 的时空分布规律. 综上,核元素
137Cs、210Pbex将很可能是研究侵蚀环境下景观 SOC
动态及陆地碳源碳汇的重要技术手段.
4摇 结摇 摇 论
在东北典型黑土区面积为 28. 5 hm2的农耕地
上,利用野外采集土壤样品的方法,通过分析不同土
壤样品中137Cs、210Pbex放射性活度和 SOC 含量,定量
研究了土壤侵蚀对 SOC 的影响规律,结果表明:在
垂直和平面上,137Cs、210Pbex和 SOC 有着相似的分布
规律,137Cs、210Pbex与 SOC呈显著相关;210Pbex与 SOC
的关系更稳定. 在很少或没有137 Cs 的地点,可用
210Pbex替代137 Cs 定量表达土壤侵蚀对 SOC 时空分
布的影响.受流域土壤侵蚀及耕作活动的影响,坡耕
地 SOC含量的空间变异性很大;坡耕地上建设的防
护林带强烈影响 SOC的时空分布特征.利用核元素
( 137Cs和210Pbex)示踪手段不仅可以用来评价不同管
理措施对 SOC源或汇的影响,也可根据这些影响来
制定有利于土壤碳汇的管理措施.
参考文献
[1]摇 Fang H鄄J (方华军), Yang X鄄M (杨学明), Zhang X鄄
P (张晓平), et al. Effect of soil erosion on soil organic
carbon in cropland landscape. Progress in Geography
(地理科学进展), 2004, 23(2): 77-87 (in Chinese)
[2]摇 Van Oost K, Quine TA, Govers G, et al. The impact of
agricultural soil erosion on the global carbon cycle. Sci鄄
ence, 2007, 318: 628-629
[3]摇 Zhang JH, Quine TA, Ni SJ, et al. Stocks and dynam鄄
ics of SOC in relation to soil redistribution by water and
tillage erosion. Global Change Biology, 2006, 12:
1834-1841
[4]摇 Ritchie JC, McCarty GW. 137Cesium and soil carbon in
a small agricultural watershed. Soil and Tillage Re鄄
search, 2003, 69: 45-51
[5]摇 Wang W (王 摇 玮), Wu J鄄G (邬建国), Hang X鄄G
(韩兴国). Estimation of soil carbon sequestration po鄄
tential in typical steppe of Inner Mongolia and associated
uncertainty. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2012, 23(1): 29-37 (in Chinese)
[6]摇 Wang ZQ, Liu BY, Wang XY, et al. Erosion effect on
the productivity of black soil in Northeast China. Science
in China Series D: Earth Sciences, 2009, 52: 1005 -
1021
[7]摇 Fan H鄄M (范昊明), Cai Q鄄G (蔡强国), Cui M (崔
明). Soil erosion developed with the vertical belts in the
gentle hilly black soil regions in Northeast China. Trans鄄
actions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
(农业工程学报), 2005, 21(6): 8-11 (in Chinese)
[8]摇 Liang A鄄Z (梁爱珍), Zhang X鄄P (张晓平), Yang X鄄
M (杨学明), et al. Distribution of soil organic carbon
16817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 方海燕等: 137Cs和210Pbex示踪黑土区坡耕地土壤侵蚀对有机碳的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
and its loss in black soils in Northeast China. Chinese
Journal of Soil Science (土壤通报), 2008, 39 (3):
533-538 (in Chinese)
[9]摇 Li Y, Zhang QW, Reicosky DC, et al. Changes in soil
organic carbon induced by tillage and water erosion on a
steep cultivated hillslope in the Chinese Loess Plateau
from 1898-1954 and 1954-1998. Journal of Geograph鄄
ical Research, 2007, 112: G01021, doi: 10. 1029 /
2005JG000107
[10]摇 Wei GX, Wang YB, Wang YL. Using 137Cs to quantify
the redistribution of soil organic carbon and total N af鄄
fected by intensive soil erosion in the headwaters of the
Yangtze River, China. Applied Radiation and Isotopes,
2008, 66: 2007-2012
[11] 摇 Quine TA, Van Oost K. Quantifying carbon sequestra鄄
tion as a result of soil erosion and deposition: Retrospec鄄
tive assessment using caesium鄄137 and carbon invento鄄
ries. Global Change Biology, 2007, 13: 2610-2625
[12]摇 Martinez C, Hancock GR, Kalma JD. Relationships be鄄
tween 137Cs and soil organic carbon (SOC) in cultivated
and never鄄cultivated soils: An Australian example. Geo鄄
derma, 2010, 158: 137-147
[13] 摇 Fang HJ, Cheng SL, Zhang XP, et al. Impact of soil
redistribution in a sloping landscape on carbon seques鄄
tration in Northeast China. Land Degradation and Devel鄄
opment, 2006, 17: 89-96
[14]摇 Kato H, Onda Y, Tanaka Y. Using 137Cs and 210Pbex
measurements to estimate soil redistribution rates on
semi鄄arid grassland in Mongolia. Geomorphology, 2010,
114: 508-519
[15]摇 Wei X (魏 摇 欣). Study on the Spatial Variations of
Catchment Soil Erosion in the Black Soil Region. PhD
Thesis. Beijing: Beijing Normal University, 2007 ( in
Chinese)
[16]摇 Kuhn NJ, Armstrong EK, Ling AC, et al. Interrill ero鄄
sion of carbon and phosphorus from conventionally and
organically farmed Devon silt soils. Catena, 2012, 91:
94-103
[17]摇 Teramage MT, Onda YC, Kato H. The relationship of
soil organic carbon to 210Pbex and 137Cs during surface
soil erosion in a hill slope forested environment. Geoder鄄
ma, 2013, 192: 59-67
[18]摇 Cui M, Cai QG, Zhu AX, et al. Soil erosion along a
long slope in the gentle hilly areas of black soil region in
Northeast China. Journal of Geographical Sciences,
2007, 3: 375-383
[19]摇 Su Z鄄L (苏子龙), Cui M (崔摇 明), Fan H鄄M (范昊
明). Optimization of shelterbelt distribution for the gully
erosion control of cultivated slope land in rolling hill
black soil region of Northeast China. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2012, 23 (4):
903-909 (in Chinese)
[20] 摇 Walling DE, Collins AL, Sichingabula HM. Using un鄄
supported lead鄄210 measurements to investigate soil ero鄄
sion and sediment delivery in a small Zambian catch鄄
ment. Geomorphology, 2003, 52: 193-213
[21]摇 Feng T (冯 摇 腾), Chen H鄄S (陈洪松), Zhang W
(张 摇 伟), et al. 137Cs profile distribution character
and its implication for soil erosion on Karst slopes of
Northwest Guangxi. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2011, 22(3): 593-599 ( in Chi鄄
nese)
[22]摇 Hua L (华摇 珞), Zhang Z鄄G (张志刚), Feng Y (冯
琰), et al. Soil erosion and losses of nitrogen and phos鄄
phorus by using 137Cs tracer in the areas around Miyun
Reservoir. Transactions of the Chinese Society of Agricul鄄
tural Engineering (农业工程学报), 2006, 22 (1):
73-78 (in Chinese)
作者简介 摇 方海燕,男,1977 年生,博士,副研究员. 主要从
事土壤侵蚀与水土保持研究,发表论文 70 余篇. E鄄mail: fan鄄
ghy@ igsnrr. ac. cn
责任编辑摇 张凤丽
2681 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷