全 文 ：利用137Cs技术研究黑土坡耕地土壤再分布特征*
方华军1, 2* *
杨学明1
张晓平1
梁爱珍1, 2
(中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要
利用137Cs 示踪技术和不同的理论模型研究典型的东北漫岗地形的黑土土壤再分布状况. 通过野
外采样和模型分析, 得出研究区137Cs 背景值为 2 232
75 Bq!m- 2, 介于长江三角洲和黄土高原背景值之
间, 表明137Cs 沉降与纬度和降水相关. 研究区各地貌部位137Cs 含量在水平方向和深度分布上有很大的分
异. 坡肩部位137Cs 含量最低, 土壤侵蚀最为强烈; 坡顶和坡背侵蚀较为微弱; 坡脚和坡足基本上表现土壤
沉积. 137Cs 分布深度从坡肩 20 cm 到坡足 80 cm 土层,表现出该区经历了强烈的侵蚀和沉积过程. 文中采
用 4 种常用的137Cs土壤侵蚀模型估计研究区的土壤侵蚀速率,结果表明, PM 模型明显低估了土壤侵蚀速
率, MBM 1明显高估了土壤侵蚀速率, MBM 2 和 MBM3 估计的结果较为相近的合理结果.
关键词
土壤再分布
137Cs
校正模型
黑土
中国东北
文章编号
1001- 9332( 2005) 03- 0464- 05
中图分类号
P333
4; S157
1
文献标识码
A
Redistribution patterns of black soil in hillslope landform of Northeast China: A 137Cs study. FANG Huajun
1, 2
,
YANG Xueming1 , ZHANG Xiaoping1, L IANG Aizhen1, 2 ( 1Nor theast I nstitute of Geography and Agricultural
Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Changchun 130012, China; 2Graduate School of Chinese A cademy of
Sciences , Beij ing 100039, China) . Chin. J . A ppl . Ecol. , 2005, 16( 3) : 464~ 468.
In the black soil r eg ion of Northeast China, soil and water loss is quite serious, but not fully investigated due to
the lack of r eliable met hods. 137Cs techno logy is a good one to study the mediumand long term erosion and sedi
mentation r ates and the spatial redistr ibut ion of soil. W ith this technolog y and the ex isting calibration models, this
paper studied the r edistribution patterns of black soil in a typical hillslope landform o f Northeast China. The re
sults showed that in the study area, the refer ence 137Cs value was 2232. 75 Bq!m- 2, intervenient the backg round
values in the Yangtse River Delta and Loess P lateau; and the 137Cs areal activity had a great differ entiation in
horizontal and vertical directions, being the low est in t he shoulderslope positions, which suggested t hat the sum
mits and backslope posit ions suffered weak erosion, and some of the eroded so ils w er e redeposited in footslope
and toeslope positions. The ver tical distr ibut ion of 137Cs in soil profile ranged from 20 cm on a shoulderslope to
80 cm on a toeslope position, indicating a significant erosion and deposit ion. Estimat ions with four ex isting cali
bration models showed that PM model underestimated w hile MBM 1 model overestimated the so il erosion rates
very obviously, and both MBM 2 and MBM 3 gave similar and reasonable estimations.
Key words
Soil redistr ibut ion, Cesium137 ( 137Cs) , Calibration models, Black soils, Northeast China.
* 中国科学院国外杰出人才支持项目( K09Z3)和国家自然科学基金
资助项目( 40271108, 40471125) .
* * 通讯联系人.
2004- 02- 12收稿, 2004- 06- 21接受.
1
引

言
应用放射性核素 ( 137 Cs、210 Pb、7Be、288 Ra 和
286Ra等)示踪土壤侵蚀的研究已成为土壤学前沿研
究热点之一. 其中, 以137Cs示踪技术在土壤侵蚀中
的应用研究较为深入[ 3, 6, 22] . 137Cs是大气核试验和
核泄漏的产物, 通过干湿沉降均匀到达地表, 最终被
土壤粘粒矿物和有机物紧密吸附. 吸附后难以置换,
主要随土壤颗粒的移动在景观中发生再分布[ 11] . 所
以放射性沉降137Cs可作为侵蚀和沉积等物理过程
的示踪剂. 137Cs技术测定的是净土壤侵蚀量, 可在
不改变原始地貌条件下利用示踪元素含量分异规律
研究土壤的发生、分布,具有精确快速且可反映出侵
蚀和沉积过程变化的优点[ 8] .另外, 由于137Cs 的半
衰期为 30
17 年, 可以用来通过一次野外采样测定
中长期的土壤再分布.
东北黑土区地形多为间歇性抬升的漫岗台地,
底土粘重,表土富含有机质,土质疏松,抗蚀性低;同
时该区降水集中, 加上人为不合理耕种,导致黑土遭
受严重的水土流失[ 4] .根据1986年东北黑土区土壤
侵蚀遥感影像, 得出东北黑土区水土流失面积为
4
47 ∀ 104 km2,占黑土区面积的 37
9%, 比 20世纪
50年代初期统计的侵蚀面积增加 82% [ 19] .黑土区
的水土流失主要是坡耕地的流失, 坡耕地黑土层每
年以 0
1~ 0
5 cm 递减[ 9, 19] , 侵蚀造成土壤有机质
大量流失和土壤肥力下降[ 16, 21] .因为作物品种的改
良和大量高效肥料的施用所带来的农业增产部分掩
应 用 生 态 学 报
2005 年 3 月
第 16 卷
第 3 期






























CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Mar. 2005, 16( 3)#464~ 468
盖了因土壤侵蚀造成的土地生产力降低的后果, 同
时,黑土区耕地坡度较小,发生在耕地上的土壤侵蚀
与黄土高原沟壑侵蚀明显不同, 长期以来黑土侵蚀
没有得到应有的重视.目前的黑土区土壤侵蚀(水蚀
和风蚀)的研究基本上局限于小区监测[ 7]或土壤侵
蚀模型[ 17]等方法,核素示踪技术在黑土侵蚀研究中
极为少见.
本研究旨在阐述坡耕地黑土137Cs含量在各地
貌部位的空间分布格局; 根据降水观测资料, 结合背
景值估算模型, 探索黑土区137Cs的背景值, 评价主
要侵蚀因子的影响; 根据137Cs测定值, 利用 4 种数
学模型估算研究区土壤再分布速率进行参数的敏感
性分析,并对模拟结果进行比较.
2
研究地区与研究方法
2
1
研究区概况
采样区位于东北黑土区的中部,行政区属于吉林省德惠
市松花江镇西南 5 km 的老少沟小流域 ( 44∃43%N, 125∃51%6&
E) . 采样区气候属于中温带半湿润气候, 年均温 4
4 ∋ , 年
均降水量520
3 mm, 降水主要集中在 6月~ 8 月[ 12] .所选的
研究区域人为干扰小并且包括各种典型的地貌类型: 坡顶、
坡肩、坡背、坡脚和坡足.研究区面积 84 855
7 m2.北坡坡长
253 m,各地貌部位的坡度在 0~ 7∃之间;南坡坡长214 m ,坡
度0 ~ 8∃之间. 南坡相对高差 4
39~ 4
68 m, 北坡 9
07~
9
33 m . 南坡和北坡坡度高程相近, 故以北坡为例进行采样
分析.采样区为农田, 玉米连作一直是该区的主要种植方式,
玉米大豆间作也是该区常见的种植方式, 顺向打垄和耕翻
作业是该区常用的土壤管理方式.采样区土壤属于典型黑土
亚类中的中层黑土.
2
2
研究方法
2
2
1 土壤采样
利用地球同步技术卫星自动聚焦水准仪
GTS601AF 进行采样区高程和坡度的测量, 用 sufer 8
0 软件
绘制等高线和采样点布设图(图 1) . 土壤样品采集于 2002
年 10 月,沿着北坡分别设计 3 个地形断面( transect) ,作为重
复.每个断面相距 25 m, 在每个断面上选择 5 个典型地貌类
型分别代表坡顶( 4)、坡肩( 3)、坡背( 2)、坡脚( 1)和坡足( 0) .
各地貌部位分别距离坡顶 28、43、118、213 和 253 m.在每个
地貌部位挖一个长为 100 cm、宽为 45 cm 的土壤剖面. 0~ 50
cm 深度以 5 cm 间隔采样, 50~ 100 cm 深度以 10 cm 间隔采
样, 100 cm 以下以 20 cm 间隔采样.坡上部位土壤剖面采至
母质层,埋藏地貌部位采至原始土壤发生 B层.
2
2
2 分析方法
土壤样品风干, 轻轻压碎, 通过 40 目筛.
准确称样 350 g 左右,放入塑料容器, 采用美国 ORT EC 公司
生产的 HPGe探测器( GEM40190 型)
能谱仪进行137Cs 活
度测定. 该谱仪的主要指标: 半高宽 1
33 MeV ;相对探测效
率为 40% ;峰康比 62#1;峰面积采用总峰面积法求得, 每个
样品测量时间为 30 000 s;比活度采用与标准源相对比较法
图 1
研究区位置及采样点分布
Fig. 1 Study sites and distribut ion layout of sample point s

求得, 本次测量对137Cs 的探测下限 LLD ( 0
71 Bq!kg- 1 , 标
准误差计算采用 95%置信度.
2
2
3 模型描述
137Cs 示踪技术是将137Cs 测定值转化为土
壤的侵蚀速率. 如何准确地测定该区的背景值, 以及确定
137Cs的流失量与土壤再分布量之间的定量关系是137Cs技术
的两个关键问题. 目前对土壤侵蚀速率估算的模型很多, 大
致分为经验模型和理论模型[ 5, 10, 13~ 15, 18] . 经验模型因其明
显的局限性而很少被采用; 理论模型则是在对土壤侵蚀机理
进行理论分析基础上, 综合考虑影响两者定量关系的诸多重
要因素,从而建立起土壤侵蚀模数与土壤137Cs 损失率的关
系. Walling等[ 13, 14]在前人工作基础上对模型做了大量的改
进,详细论述了各理论模型基于的假设和优缺点.本文应用
比例模型( PM )、简化的质量平衡模型 ( MBM1 )、标准质量平
衡模型( MBM 2)和考虑耕作迁移的质量平衡模型( MBM3 ) 4
种理论模型估算研究区各地貌部位的土壤再分布速率.
3
结果与讨论
3
1
137Cs背景值
137
Cs技术计算土壤侵蚀速率的一个关键问题
是137Cs背景值的确定. 137Cs 背景值是某一地区无
侵蚀、无堆积发生的地块的137Cs 面积浓度.黑土区
是我国重要的粮食生产基地,已有 200 余年开垦历
史,未开垦的荒地极为少见.根据有关土壤侵蚀的野
外监测或模拟结果,坡顶部位的土壤侵蚀轻微, 土壤
137Cs 损失较少, 可作为未受侵蚀的标准剖面[ 2] . 3
个断面的坡顶部位 137 Cs 的面积浓度分别为
2 147
1、1 770
6和 1 398
9 Bq!m- 2. 另外, 根据研
究区 1914年~ 2000年的降水资料(数据未显示) ,
利用Walling[ 14]等建立的热核爆炸源137Cs背景值模
型,得出研究区的背景值为2 318
4 Bq! m- 2. 与长
江三角洲丘陵区 137 Cs 背景值相近 ( 2 400 Bq!
m- 2) [ 2] ,大于纬度相近的黄土高原 137Cs 背景值
( 2 008 Bq!m- 2) [ 20] . 对全球范围而言,核素沉降量
随降雨量的增加而增加 , 在50∃N以内随纬度的增
4653 期












方华军等:利用137Cs 技术研究黑土坡耕地土壤再分布特征











表 1
采样区各地貌部位137Cs含量和坡度的统计
Table 1 Descriptive statistics of 137Cs activities and slope at each posi tion
项目
Item
137Cs面积浓度137Cs area activit ies
最小值
Min
( Bq! m- 2)
最大值
Max
( Bq! m- 2)
平均值
M ean
( Bq!m- 2)
标准误
Standard
error
标准差
Standard
deviation
离差系数
coef ficiant
variation
坡 度 S lope(∃)
范围
Range
坡 顶 Summit 1398
9 2147
1 1772
2 215
99 374
1 0
21 3
64~ 7
07
坡 肩 Shoulderslope 646
2 1403
4 1052
7 220
36 381
67 0
36 5
93~ 7
67
坡 背 Back slope 1110
3 1683
9 1347
16 172
95 299
56 0
22 2
99~ 4
68
坡 脚 Footslope 2116
2 3226
8 2568
0 336
9 583
52 0
23 0
48~ 2
47
坡 足 Toe slope 1936
2 6007
2 3451
2 1285
3 2226
21 0
65 0
48~ 3
24
整个小区 Whole basin 646
2 6007
2 2038
25 329
02 1274
31 0
63 0
48~ 7
67
加而增加[ 23] . 因此,虽然137Cs沉降和降雨有关, 但
是这个相关性不是常数, 而是随时间和空间变化而
变化. 所以取模型预测值和观测最大值的平均数
2 232
75 Bq!m- 2为研究区137Cs的背景值.
3
2
137Cs在坡地景观中的分布
由表 1可以看出,由于坡度和坡长的差异, 137Cs
含量在不同的地貌单元发生了明显的分异. 不同地
貌单元137Cs含量为 646
2~ 6 007
2 Bq!m- 2, 变异
很大.即使在同样地貌单元, 137Cs含量也有明显的
分异. 坡足的137Cs 变异系数达 0
65,说明坡足部位
土壤沉积和侵蚀有较大的变异. 由 137Cs数据可知,
断面 1和断面 2的坡足表现沉积,而断面 3的坡足
却表现侵蚀.其次变异最大的是坡肩部位,变异系数
为0
36. 因为坡肩处于坡顶和坡背的转折点, 坡度
最大.同时经过地表汇流后径流的侵蚀力较大,土壤
侵蚀最为强烈. 坡顶137Cs含量变异最小, 可能与坡
顶部位坡度较小、土壤侵蚀微弱有关.就整个研究区
来看, 137Cs含量的变异系数为 0
63, 说明137Cs随土
壤颗粒再分布的现象明显.此结果为137Cs法研究土
壤侵蚀和沉积提供理论依据.
由图 2可见,除了断面 1坡足部位137Cs略低于
坡顶外,各断面的坡脚和坡足部位137Cs活度明显高
于其它地貌部位,说明坡下部位的表层土壤来源于
坡上部位, 坡上部位遭受严重的土壤侵蚀. 坡顶
137
Cs分布深度在 30~ 35 cm 之间、坡肩在 20~ 25
cm、坡背均为 30 cm、坡脚在 30~ 35 cm ,坡足部位
137Cs分布深度差异较大, 在 35~ 80 cm之间. 断面 2
的坡肩部位137Cs分布深度为 20 cm, 代表了目前的
耕作深度. 理论上, 耕地土壤如果没有遭受侵蚀,
137Cs到达的深度应该等于耕层深度. 现实中, 由于
土壤生物扰动使耕层土壤物质与心土层上部土壤发
生交换, 137Cs的深度分布轻微超过这个深度, 一般
在 30 cm 左右.明显超过这个深度的土壤剖面表现
为沉积. 根据这个假设 ,断面1的坡足部位137Cs分
图 2
各断面137Cs活度随深度分布
Fig. 2 Dist ribut ion of 137Cs act ivit ies w ith soil depth at each t ransect .
a) 断面 1 T ransect 1; b) 断面 2 Transect 2; c) 断面 3 T ransect 3
1)
坡顶 Summit; 2 ) 坡肩 Shoulderslope; 3 ) 坡背 Backslope; 4) 坡脚
Footslope; 5) 坡足 Toeslope.
布深度达 80 cm,平均年沉积速率为 1
04 cm .
3
3
137Cs流失与土壤再分布速率的估算
比较 4种模型计算的土壤再分布速率(表 2和
图 3)可以发现,各地貌单元均表现为 MBM 1模型计
算的结果最大. 当137Cs损失速率小于 20%时, 4种
模型计算的土壤侵蚀速率均值的标准误差< 1, 并
且137Cs 损失速率越大, 各模型估计的差异也越大
(图 4) .就整个研究区平均再分布速率来说, PM 模
型计算结果最小, MBM 1 模型计算结果最大, 而
MBM2 和 MBM 3计算的结果比较接近. PM 模型估
算的结果偏低可能是因为该模型假设过分简单, 没
有考虑表层土壤发生侵蚀时,原耕作层以下土壤的
混入而导致的新耕作层中137Cs浓度因稀释而降低.
Walling等[ 13]研究表明 , 当137Cs流失率大50%时,
466



















应
用
生
态
学
报

















16 卷
表 2
各地貌部位137Cs面积活度与不同模型计算的土壤侵蚀和沉积速率
Table 2 137Cs area activities and rate of erosion and deposi tion by different models at each slope posi tion( t!hm- 2!yr- 1)
坡位
S lope
position
137Cs面积活度
137Cs area activit ies
( Bq!m- 2)
PM
Net rate
MBM 1
Net rate
MBM 2
Net rate
MBM 3
*
Rt Rw Net rate
T 3- 4 2147
1 - 1
92 - 2
41 - 1
66 - 2
4 0
00 - 2
4
T 3- 3 646
2 - 35
53 - 75
1 - 60
25 0
28 - 62
30 - 62
02
T 3- 2 1110
3 - 25
14 - 42
61 - 31
93 0
25 - 32
01 - 31
76
T 3- 1 2361 2
87 5
62 4
23 - 0
17 5
53 5
36
T 3- 0 1936
2 - 6
64 - 8
75 - 6
09 1
09 - 7
02 - 5
93
T 2- 4 1770
6 - 10
35 - 14
23 - 10
02 - 0
66 - 9
65 - 10
36
T 2- 3 1403
4 - 18
57 - 28
41 - 20
64 - 0
05 - 20
83 - 20
88
T 2- 2 1247
28 - 22
07 - 35
57 - 26
25 0
41 - 26
63 - 26
22
T 2- 1 2116
2 - 2
61 - 3
3 - 2
27 - 0
09 - 2
11 - 2
20
T 2- 0 2410
2 3
97 6
91 5
06 - 0
20 6
08 5
88
T 1- 4 1398
9 - 18
67 - 28
6 - 20
79 - 0
72 - 20
68 - 21
40
T 1- 3 1108
5 - 25
18 - 42
71 - 32
01 0
08 - 32
31 - 32
22
T 1- 2 1683
9 - 12
29 - 17
3 - 12
27 0
23 - 12
34 - 12
11
T 1- 1 3226
8 22
26 37
70 27
39 0
36 28
17 28
53
T 1- 0 6007
2 84
52 143
15 104
01 - 0
004 106
06 106
06平均 Mean 2038
25 - 4
36 - 7
04 - 5
57 - 0
11 - 5
34 - 5
45
R t :耕作侵蚀速率 T illage erosion rate; Rw :水蚀速率 Water erosion rate; Net rate:净侵蚀速率 Net erosion rate. * M BM 3 (
= 0
3) . 负值地表侵蚀,正值代表沉积 Negat ive m eans erosion and posit ive means deposit ion.
图 3
利用 4种模型估算各地貌单元的土壤侵蚀速率
Fig. 3 Erosion rate of each slope posit ion calculated by four models.
1) PM; 2) MBM1; 3) MB2; 4)M BM3.下同 Th e same below .
图 4
土壤侵蚀速率与137Cs流失量的关系
Fig. 4 Correlat ion betw een soil erosion rate and 137Cs loss.
土壤流失率则可偏低 40%以上. 尽管 MBM1 模型对
PM 模型的某些缺陷进行修正,如考虑了137Cs放射性
衰变和137Cs浓度因心土层混入耕层产生连续的稀释
作用,但没有考虑农耕地137Cs表层富集现象, 137Cs比
PM 模型流失的要多,使估算结果偏大. Bouhlassa等[ 1]
的研究也得出类似的结论. MBM2 和MBM3 考虑了大
量的影响因子, 计算的结果似乎更为合理.与 MBM3
模型相比, MBM2 模型没有考虑耕作引起的土壤迁
移.但由于研究区地形坡度较小, 耕作侵蚀所占比例
较小, 2个模型计算的结果较为相似, 均值标准误差
在 0
02~ 0
88之间,平均为 0
06.


MBM3 是目前农耕地计算土壤侵蚀量最为完善
的理论模型,不仅考虑了137Cs沉积的时间变异、137Cs
的衰变和地表的富集作用、土壤侵蚀的分选作用,还
考虑耕作活动对土壤再分布的影响.该模型可以同时
得出土壤的总净侵蚀量、土壤侵蚀量和水蚀侵蚀量.
由表 2可见,各地貌部位土壤净侵蚀速率在- 62
0~
106
1 t!hm- 2!yr- 1,整个研究区的平均土壤侵蚀速率
- 5
45 t!hm- 2!yr- 1. 耕作侵蚀占总净侵蚀速率的
2
02%、水蚀速率占 97
98%. MBM3 中参数
是指
耕作活动之前耕作土壤上的137Cs年沉降量易受侵蚀
的比例.由图 5可以看出,
值对土壤侵蚀速率的影
响较为显著,而且土壤再分布速率越大的地貌部位,

值的影响更加显著.
图 5
参数
对土壤侵蚀速率的影响
Fig. 5 Influence of parameter
on soil erosion rate.
4673 期












方华军等:利用137Cs 技术研究黑土坡耕地土壤再分布特征











4
结

论


137Cs示踪技术为东北黑土区土壤再分布格局
和土壤再分布速率的研究提供了一种有效便利的手
段.各地貌部位的137Cs 含量有明显的分异, 坡脚和
坡肩部位因沉积和侵蚀作用强烈, 137Cs含量空间分
异明显大于其它地貌部位. 137Cs在各地貌部位随深
度分布差异显著,分布深度从坡肩的 20 cm 到坡足
的 80 cm,说明过去 40多年来整个研究区发生了明
显的侵蚀和沉积过程. 137Cs技术需要解决的两个关
键问题:研究区137Cs背景值的确定;土壤137Cs损失
量与土壤侵蚀量之间定量模型的建立与完善. 理论
上背景值的选取需要在靠近研究区附近或与研究区
具有相同的降雨历史. 根据该区近百年的降水资料
和野外采样,得出该区背景值为2 232
75 Bq! m- 2,
与黄土高原和长江三角洲的背景值比较, 体现了
137Cs沉降量与纬度和降水量的相关关系.比较 4种
常用的137Cs土壤侵蚀模型发现, PM 模型由于考虑
因素较少,估算的结果明显偏低; M BM1 估算的结果
偏大; MBM 2和 MBM 3考虑了诸多影响土壤侵蚀的
因素, 估计的结果比较合理, 但模型涉及的参数较
多,给实际工作带来很大困难.
致谢
英国 Exeter 大学 D. E. Walling 教授提供模型转换软
件.
参考文献
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作者简介
方华军, 男, 1978 年生,博士生. 主要从事土壤有
机碳和土壤侵蚀方面的研究, 发表论文 6 篇. T el: 0431
5542234; Email: huajunfang@ yahoo. com
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用
生
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