全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 052399205
应用环境放射性核素示踪技术研究农业
立体污染的构思
李　勇　张晴雯　章力建　蔡典雄
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 ,北京　100081)
摘 　要 :如何进行有效的监测与防治农业立体污染 ,已经成为研究我国食品安全与人类生存环
境的重大科学问题之一。本文从论述137 Cs、210 Pbex 、7Be 的来源和示踪原理入手 ,提出了应用环
境放射性核素示踪技术研究农业立体污染的新构思 ,主要包括 :查明农业景观系统中污染物质
的本底值 ,辨析污染物来源和传输路径 ,评价不同农艺措施和土地利用防治农业立体污染的有
效性 ,建立基于环境核素示踪的农业立体污染分布式预测模型。
关键词 :农业立体污染 ;环境放射性核素 (137 Cs、210 Pbex 、7Be) ;时空格局 ;预测与防治
THE POTENTIAL TO ASSESS AGRICULTURAL TRIDIMENTION
POLLUTION USING FALLOUT RADIONUCLIDES
LI Yong 　ZHANG Qing2wen 　ZHANGLi2jian 　CAI Dian2xiong
( Institute of Agro2Environment and Sustainable Development , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing , 100081 )
Abstract:One of the key issues for food and environmental safety is how to effectively monitor and control
agricultural tridimension pollution (ATriP) . Based on the analysis of sources and tracing principle of fallout
radionuclides (FRNs) including 137 Cs ,210 Pbex , and 7Be , we proposed a new idea for assessing ATriP by combinative
use of FRNs as follows : understanding the background value of agricultural pollutants ; identifying the source and
path of the AtriP ;assessing the effectiveness of AtriP control measures ; and establishing the distributed model for
predicting AtriP based on FRNs tracing techniques.
Key words : Agricultural tridimension pollution ; fallout radionuclides (137 Cs , 210 Pbex and 7Be) ; spatial2temporal
pattern ; prediction and controlling
收稿日期 :2005207231
基金项目 :自然科学基金 (编号 90202005) ; IAEA CPR 5015 和 RAS 5043
作者简介 :李勇 (1958 - ) ,男 ,陕西蒲城人 ,研究员 ,洪堡学者 ,从事环境核素在农业环境中的应用研究。章力建为通讯作者 , Email :
zhanglj @mail . caas. net . cn
“农业立体污染”是一个全新的概念[1～4 ] ,系指农业生产过程中不合理的农药化肥施用、畜禽粪便排
放、农田废弃物处置以及耕种措施等造成的污染超过了环境容量和环境自净能力 ,构成对土壤、水体、大
气、生物等直接和复合、交叉与循环的污染 ,从而影响农业环境格局并使生态系统受损的过程。污染物
不仅危及某个“点”和“面”,而且还会通过时空迁移、转化、交叉、镶嵌等过程 ,产生新的污染 ,甚至形成循
环污染 ,在更长的时期内 ,对更大的生态系统发生危害。因此 ,农业污染研究已由原来的“点”和“面”源
污染研究向水圈、土壤圈、生物圈、大气圈各层面互为关联的“农业立体污染”研究。
防治农业污染是一个复杂的系统工程 ,需要查明农业立体污染的本底 ,弄清农业立体污染来源和传
输途径。由于农业立体污染分布面积广 ,污染源多样 ,在时间、空间上存在很大的不确定性 ,因而应用传
993　核 农 学 报　2005 ,19 (5) :399～403Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
统的污染监测技术难于解决农业立体污染中的这些问题[3～4 ] 。目前 ,研究农业污染存在两个明显缺陷 :
一是缺乏时空格局高分辨率研究技术 ,直接影响系统可靠地采集农业立体污染基础数据信息 ,准确的监
测污染源的方法则是查明污染源本底的关键 ;二是对农业立体污染链的关键点、污染根源、整个污染发
生、迁移过程机理不清楚 ,难以对立体污染进行针对性的监测 ,以及有的放矢的采取污染防治措施。与
传统的农业污染的研究方法比较 ,环境放射性核素 (137 Cs、210 Pbex和7Be) 示踪技术具有快速、准确的优点 ,
是探索大气 - 水体 - 土壤系统中农业污染物质的来源、去向和空间再分布的唯一关键技术。据此 ,我们
从论述环境放射性核素137 Cs、210 Pbex 、7Be 的来源和示踪原理入手 ,提出了应用环境放射性核素探索农业
立体污染物质的来源、去向和传输规律的新思路。
1 　环境放射性核素示踪原理
环境放射性核素 ,尤其是137 Cs、210 Pbex和7Be 3 种核素 ,已经被广泛应用于土壤侵蚀及其相关的泥沙
来源研究[5～14 ] 。自 1995 年以来 ,国际原子能机构组织全球 23 个国家参加的应用环境放射性核素示踪
技术评价土壤侵蚀与土壤保持措施的有效性研究 ,并取得了重要进展[10 ,13～14 ] 。现将137 Cs , 210 Pbex和7Be 3
种环境核素的来源和应用原理概叙述如下 :
111 　137 Cs 示踪技术
137 Cs 系 20 世纪 50 年代和 60 年代的核爆炸产生而散落在大气中的人工放射性核素。137 Cs 在全球
沉降开始于 1954 年 ,1963 - 1964 年达到高峰 ,随即降低。由于 1986 年的俄罗斯切尔诺贝利核电站泄漏
事故产生的137 Cs 没有进入平流层 ,影响范围主要限于前苏联和西欧地区 ,所以137 Cs 在全球的沉降于 20
世纪 80 年代初结束。土壤环境中的137 Cs 几乎全部来源于大气核试验 ,环境中不存在天然来源的137 Cs。
核试验产生的137 Cs 进入平流层后 ,在全球范围均匀分布 ,而后进入对流层 ,随大气降水和降尘到达地
表。这部分137 Cs 沉降在数十公里范围内 ,其沉降量取决于雨季的气象条件、出现在大气中的放射性尘
埃的数量和高度 ,受降雨和当时空气中137 Cs 浓度的控制。137 Cs 被表土中的有机和无机组分强烈吸附 ,
基本上属于不可交换态 ,后期的化学和生物过程导致的137 Cs 运移十分有限。因此137 Cs 在环境中的迁移
主要是尘降、侵蚀、耕作、沉积等土粒物理搬运过程引起的。通过测定137 Cs 在地表水平断面和垂直剖面
上的空间分布 ,与当地无干扰样点的137 Cs 背景值相比较得到137 Cs 损失或增加百分比 ,经过定量模型的
转换 ,可以得到流域不同景观及土地利用方式下土粒吸附的农业污染物迁移速率。因此 ,由大气粉尘 -
水 - 土迁移导致土粒中137 Cs 的剥蚀或富集程度可以反映自137 Cs 在环境中出现以来由尘降 - 水 - 土迁
移造成的农业污染物迁移量。
137 Cs 示踪技术具有明显的优势 ,首先 ,137 Cs 半衰期为 301018 年 ,环境中的137 Cs 需要 150 年以上的自
然衰变才能使其值下降到初始沉降量的 3 % ,因而该技术可以长期应用 ;其次 ,由于137 Cs 已经广泛分布
于广大的大区域 ,因而可以进行较大面积的农业污染物来源去向研究 ,更不会对农民的耕作和农业生产
产生不便 ;而且137 Cs 容易测量 ,技术简单 ;最后 ,137 Cs 仅凭一次野外采样就可以得到农业污染物再分布
速率 ,可以为研究农业污染物随粉尘 - 水 - 土迁移的空间分布快速地积累大量信息。
112 　210 Pb 示踪技术
与137 Cs 不同 ,210 Pb 系天然放射性核素。210 Pb 是土壤Π岩石中的238 U 的衰变系列产物222 Rn 释放到大
气后再沉降到地表的放射性核素。210 Pb 是自然环境中存在的天然放射性核素 , 210 Pb 能和土壤颗粒紧密
结合 ,在土壤侵蚀研究中 ,210 Pb 主要用在沉积速率的测定及沉积记年的示踪研究上。尽管210 Pb 在沉积
年代学方面被广泛接受和使用 ,但其作为物质迁移示踪剂的研究却仍处于起步阶段。210 Pb (半衰期 2213
年)是238U 系列衰变的产物 ,由222 Rn (气态 ,半衰期 318d) 衰变产生 ,而222 Rn 是由岩石和土壤中天然存在
的226 Ra 衰变产生。因此土壤中原地产生的210 Pb 与土壤中的226 Ra 平衡 ,称为226 Ra 支持的210 Pb (supported
210 Pb) 。土壤和岩石中的少量222 Rn 向上扩散 ,导致210 Pb 进入大气 ,这部分210 Pb 均匀的沉降在表土和水体
沉积物上 ,不和其母体226 Ra 平衡 ,称为无补给210 Pb , 又叫过剩210 Pb , (记为210 Pbex) ,这部分210 Pb 可以通过
004 核　农　学　报 19 卷
从土壤中总的210 Pb 减去226 Ra 支持的210 Pb 得到。226 Ra 支持的210 Pb 可以用测量土壤样品226 Ra 获得。在一
定研究区域内210 Pbex的沉降量不随时间变化 ,相对是个常数。210 Pb 一旦从大气层降落到地表 ,就与表土
层中的粘土矿物和有机质结合 ,它在地表的重新分布是由土地利用、水 - 土运移等物理过程所控制 ,因
此具有定量水 - 土运移导致的农业污染物迁移速率的潜能。
113 　7 Be 示踪技术
7Be 是宇宙线与大气层作用产生并随降水降落到地面的短寿命核素 (半衰期为 5313d) ,在一定区域
范围内 ,7Be 散落地表的输入量近于常量。土粒中的7Be 化学形态的改变主要受氧化还原条件变化的控
制 ,自然环境条件下不易被溶析 ,主要随土粒运动而迁移 ,可以用于研究季节性的物质迁移规律研究。
7Be 在自然环境中与水作用时 ,瞬息在表面形成难溶的氢氧化物 ,这一化学特性决定了7Be 的微粒迁移
性质。通过沉降作用到达地表的7Be 能够很快被土壤吸附。从7Be 的环境化学行为来看 ,它可以作为土
壤颗粒迁移的示踪剂。已经有研究证明了7Be 可较好的运用于湖泊、海湾沉积物表层微粒混合作用的
示踪研究 ,并证明了其作为季节性环境微粒示踪剂的可能性[5～6 ] 。7Be 在表层土壤中的分布特征决定了
其对表层土壤发生迁移的敏感性 ,为其示踪表层土壤的再分布奠定了基础。由于7Be 是自然界产生且
连续沉降 ,加上较短的半衰期 ,所以它可以作为短期内 ,降水导致的土粒迁移空间分布特征的示踪剂 ,也
可以作为评价不同土地利用方式下随土粒迁移的污染物迁移变化的示踪剂。7Be 示踪技术应用于物质
迁移速率研究原理与137 Cs 和210 Pb 技术是相似的。因此 ,7Be 定量物质迁移速率可以通过研究研究区域
的7Be 含量与环境中7Be 输入量 (称为背景值)相比较 ,得到各点7Be 含量减少或增加的百分比 ,然后通过
定量模型将7Be 减少或增加的百分比换算成土壤迁移量。
综上所述 ,散落在地表的137 Cs、210 Pbex和7Be 只能被土壤细颗粒吸附 ,很难被植物吸收。水力、风力
及耕作活动是环境放射性核素137 Cs、210 Pbex和7Be 在地球表层发生再分布的主要驱动力。环境放射性核
素示踪技术可在不改变原始地貌的条件下进行农业污染物再分布规律研究 ,不需特殊的野外设施 ,可定
量监测和评价土壤、水体和大气污染物质再分布空间格局。联合应用137 Cs、210 Pbex和7Be 示踪技术 ,可以
定量不同时间尺度包括短期 (单次灾变) 、中期 (40 年) 和长期 (100 年) 农业污染物质的空间变化格局和
速率 ,对定量评价农业立体污染物质的来源、传输规律以及其区域环境效应具有传统污染研究技术无法
替代的重要作用。
2 　应用环境放射性核素示踪研究农业立体污染的构思
211 　查明农业立体污染物的背景值
我国农业立体污染家底不清楚影响对农业立体污染有的放矢的防治。农业污染物的迁移和运转是
一个复杂的过程 ,单一的方法一般难以弄清其背景值及其迁移、运转过程。粉尘及水土资源是农业立体
污染物迁移最重要的载体。应用具有不同半衰期的环境放射性核素137 Cs、210 Pbex和7Be 示踪技术 ,充分考
虑空间变异对大气粉尘、水分、泥沙及农业污染物迁移和输出的影响 ,结合 RSΠGIS 及地统计学方法 ,以
小流域、村镇或土壤利用单元建立农业立体污染综合信息数据库 ,实地采集和分析研究区不同季节、不
同土地利用条件下农业立体污染物 (主要为硝态氮、氨态氮、速效磷及有害重金属) 数据 ,摸清农业立体
污染的底数。根据大气粉尘 - 水 - 土 - 农业污染物输出结果在流域空间分配来确定农业立体污染的环
境容量 ,并建立农业立体污染基础信息数据库。
212 　辨析农业立体污染物的来源及去向
已有研究表明 ,土壤细颗粒易在径流液中传输。侵蚀泥沙由土壤团聚体和不同粒径颗粒组成 ,内聚
土粒通常以团聚体形式存在 ,反之非内聚土粒以土壤颗粒存在。土粒迁移结果往往导致了泥沙粘粒的
富集和所吸附农业污染物的富集。农用地土壤农业污染物迁移表现为两种形式 ,其一为溶解于径流中
的农业污染物随径流流失 ,这一部分的污染物主要是可溶性污染物 ;其二为吸附和结合于泥沙颗粒表面
以无机态和有机质形式存在的农业污染物。降水、尘降和径流是农业污染物的动力 ,土壤是降雨和径流
104　5 期 应用环境放射性核素示踪技术研究农业立体污染的构思
作用的界面 ,土壤污染物与降雨、径流相互作用过程是农业污染物迁移之所以产生的关键所在。
农业污染物主要来自于自然降水 (农田径流、淋溶或侧渗)和人类活动引起的农业污染 (如村镇养殖
污水和生活污水等) 。因此 ,要准确监测农业立体污染 ,首先要监测大气尘降、降水或人类活动导致的水
土流失量。应用具有不同半衰期的环境放射性核素137 Cs、210 Pbex和7Be 示踪技术 ,收集大气粉尘、实地采
集不同土地利用土壤和从径流源头、沟道到进入水库的土样和水样 ,分析农业污染物 ,获得农业污染物
在大气粉尘 - 水体 - 土体的迁移变化规律 ,计算农业污染物的流失量和污染系数。根据大气粉尘 - 水
- 土 - 农业污染物输出结果在流域空间分配来识别农业立体污染的关键污染源区 ,弄清过去 50 年我国
农业立体污染链的关键点 ,评价农业立体污染对人为干预与自然扰动相互作用的响应。
213 　确定农业立体污染迁移时空分布格局和速率
降水径流条件下 ,不同农业景观坡面农业污染物主要随地表径流迁移 ,但是产流过程中直接输出坡
面的径流泥沙及其所包含的农业污染物仅仅是坡面物质迁移中的一部分 ,由于农业景观复杂、坡面较
长、产流量较小或降雨停止等原因 ,径流中携带的大量农业污染物会在坡面不同部位发生沉积 ,这些沉
积物质又成为以后坡面污染物质迁移的来源 ,输出坡面的径流泥沙可能是经过多次搬运 - 沉积以后才
最终移出坡面的。因此 ,降水径流条件下坡地农业污染物迁移过程存在着空间变异性。
通过以坡地、小流域、区域不同土地利用方式为研究对象 ,应用环境放射性多核素计年技术 ,结合遥
感信息和历史文献资料、土地利用和气候资料 ,分析不同区域尺度大气粉尘 - 水体 - 土体中137 Cs、210
Pbex 、7Be 和农业污染物分布特征及其变异性 ,定量大气粉尘 - 水体 - 土体物质迁移与农业污染物再分
布格局变化再分布的关系 , 阐明典型小流域或区域尺度农业立体污染物的迁移速率及驱动机理。
214 　评价农艺措施和土地利用变化对农业立体污染的贡献
人为活动强烈影响下的水体和大气对土壤的迁移作用可能是农业立体污染的一个关键环节 ,然而
由于研究技术的限制对大气粉尘 - 水体 - 土体 - 农业污染物迁移一体化的研究仍然是空白。应用环境
放射性多核素联合示踪技术 ,结合 GPS 定位和野外模拟试验 ,测定典型田块、小流域和代表性区域尺度
下大气粉尘 - 水体 - 土体中137 Cs、210 Pbex 、7Be 的活度 ,定量 100 年、50 年和季节内农业立体污染物迁移变
化规律 ,定量评价农艺措施和土地利用对农业污染物物理运移过程变化的贡献份额。
215 　建立基于环境核素示踪的农业立体污染分布式预测模型
利用根据不同半衰期环境放射性核素示踪得到的农业污染物的背景值及基础数据 ,在 GIS 框架下 ,
确定不同时空尺度农业污染物变异的主控因子 ,构建大气粉尘 - 水体 - 土体农业污染物再分布式预测
模型 ,分析并提炼我国农业污染物变化的空间格局与空间动态分异特征及其驱动机制 ,定量近 50 年来
集约化农业条件下不同农艺措施和土地利用对农业立体污染变化的影响 ,并预测未来 50 年发展趋势。
3 　结语
能否有效的监测和防治我国的农业立体污 ,是保障我国粮食安全和人民生存环境的重大理论和实
践问题 ,需要崭新的研究思路和研究方法。环境放射性核素联合示踪技术 ,将为解决农业立体污染 ,尤
其是阐明农业污染物在大气 - 水体 - 土壤系统中的传输规律这一关键科学问题提供可能。目前 ,应用
环境放射性核素示踪技术迫切需要解决如下重要问题 : (1)查明农业景观系统中污染物质的本底值 ; (2)
辨析污染物来源、去向和传输路径 ; (3)定量不同农艺措施和土地利用防治农业立体污染的有效性 ; (4)
建立基于环境核素示踪的农业立体污染分布式预测模型。
本文系我们在过去 10 年来应用环境放射性核素示踪技术基础上提出的新思路。但是 ,由于农业污
染物的种类很多 , 特别是化学农药 ,其代谢、运行途径各异 ,如何应用环境放射性核素研究“农业立体污
染”的中的特殊化学物质 (如农药)的可行性尚需考究。
参考文献 :
[ 1 ] 　章力建 ,王庆锁 ,侯向阳. 中国西部生态农业发展方略. 北京 :气象出版社 ,2004
204 核　农　学　报 19 卷
[ 2 ] 　章力建 ,蔡典雄. 治理农业污染必须抓“链条”. 科技日报 ,2004 ,12 ,29
[ 3 ] 　章力建 ,蔡典雄 ,等. 农业立体污染及其防治研究的探讨. 中国农业科学 ,2005 ,38 (2) :350～357
[ 4 ] 　章力建 ,侯向阳 ,杨正礼. 当前我国农业立体污染防治研究的若干重要问题. 中国农业科技导报 ,2005 ,7 (1) :3～6
[ 5 ] 　白占国 ,万国江. 宇宙线散落核素7Be 在山区表土层中的分布特征及侵蚀示踪原理. 土壤学报 ,1998 ,35 (2) :266～274
[ 6 ] 　万国江 ,白占国. 湖泊现代沉积作用核素示踪研究进展. 地质地球化学 ,1996 ,2 :9～13
[ 7 ] 　Li Y, Lindstrom M J . Evaluating soil quality2soil redistribution relationship on terraces and steep hillslope. Soil Sci Soc Am J , 2001 ,65 , 1500～
1508
[ 8 ] 　Li Y, Poesen J , et al . Evaluating gully erosion using 137Cs and 210 PbΠ137Cs ratio in a reservoir catchment . Soil Tillage Res ,2003 , 69 , 107～115
[ 9 ] 　Li Y,Tian G,et al . Variation of surface soil quality parameters by intensive donkey2 drawn tillage on steep slope. Soil Sci Soc Am J , 2004 , 68 ,
907～913
[10 ] 　Li Y, Zhang Q W , Bai L Y. Manual for IAEAΠRCA Regional Training Course on Sustainable Land Use and Management Strategies for Controlling
Soil Erosion and Improving Soil and Water Quality , Beijing &Yanqing , China , 9 - 20 May 20051 98p
[11 ] 　Ritchie J C , Ritchie A C. Bibliography of publications of 137 Cs studies related to erosion and sediment deposition. 2004 , URL site : http :ΠΠ
hydrolab. arsusda. govΠcesiumΠ
[12 ] 　Wallbrink P J , Murray A S , Olley J M. Relating suspended sediment to its Original soil depth using fallout radionuclides. Soil Sci Soc Am J ,
1999 ,63 :369～378
[13 ] 　Zapata F. Handbook for the Assessment of Soil Erosion and Sedimentation Using Environmental Radionuclides. Dordrecht ΠBoston ΠLondon :
Kluwer Academic Publishers , 2002 , 1～13
[14 ] 　Zapata F. Field application of the 137Cs technique in soil erosion and sedimentation studies. Special Issue. Soil & Tillage Research , 2003 ,69 (1
- 2) : 1～188
《食品辐照加工原理与技术》书评
闫庆健 中国农业科学技术出版社
　　由吴季兰先生任编委会主任 ,中国农业科学院原子能利用研究所施培新研究员担任主编 ,由全国食
品辐照研究专家联合撰写的《食品辐照加工原理与技术》一书已由中国农业科学技术出版社正式出版。
该书的编写是国家“九五”科技攻关课题的一部分。
全书共计 18 章 ,内容包括 :食品辐照的发展与商业化 ;食品辐照基本原理 ;辐照食品的卫生安全性 ;
辐照装置 ;食品辐照的剂量学原理 ,辐照工艺与辐照质量控制 ;辐射防护剂量学 ,辐照食品的分析检测方
法 ;辐照食品包装 ;谷物、豆类及其制品的辐照杀虫技术应用 ;干果、果脯的辐照杀虫灭菌技术应用 ;水
果、蔬菜的辐照保鲜技术应用 ;生禽、畜肉的辐照保鲜技术应用 ;熟畜、禽肉类食品辐照灭菌保鲜技术应
用 ;鱼、贝类水产品辐照灭菌技术应用 ;脱水蔬菜、调味品辐照灭菌技术应用 ;饲料辐照的灭菌技术应用。
书中也提出了食品辐照加工今后值得深入研究的问题 ,如辐照改善食品的品质 ,辐照味的抑制 ,农药污
染的辐射分解 ,辐照对真空包装食品细菌平衡分布的影响等。
用于农产品和食品保鲜的技术有很多 ,如保鲜膜、保鲜剂、防腐剂、抽真空、冷冻、冷藏、脱水、气调
等。辐照加工技术作为一种新兴的农产品和食品贮藏保鲜技术 ,由于具有安全、无污染的特性 ,已经在
保鲜市场上占据了一席之地。世界卫生组织在 1999 年公布了 FAOΠIAEAΠWTO 三个组织的联合研究组
报告 ,确认即使超过 10kGy 的剂量辐照食品 ,也不存在安全性的问题。目前全球已经有 41 个国家批准
了 232 种辐射加工食品 ,辐照品种和加工量也逐年上升。目前 ,我国辐照农产品年加工量为 10 万吨左
右 ,只占农产品总产量的万分之一 ,加工潜力巨大。该书的出版会促进食品辐照加工行业在我国的发
展 ,从而在农产品和食品的保值增值 ,增加农产品的国际竞争力方面发挥更大的作用。
该书的主要读者为 :食品辐照研究人员、辐照装置应用生产单位、食品包装生产企业、相关农产品和
食品加工企业 ,也可作为培训教材和大学相关专业课程的参考书。
304Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2005 ,19 (5) :399～403