全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 062913205
137 Cs 示踪技术背景值研究进展与建议
刘志强1 ,2 ,3 杨明义1 ,2 刘普灵1 ,2 田均良1 ,2
(11 西北农林科技大学水土保持研究所Π黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 ,陕西 杨凌 712100 ;
21 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心 ,陕西 杨凌 712100 ;31 中国科学院研究生院 ,北京 100049)
摘 要 :利用环境核素137 Cs 示踪技术研究土壤侵蚀被越来越多的科研人员所采用 ,而背景值的确定是利
用该技术研究土壤侵蚀的前提和根本 ,直接关系到侵蚀速率计算的准确与否。本文从137 Cs 背景值采样
点的选取方式 ,137 Cs 全球空间分布预报模型以及影响137 Cs 沉降因素等方面进行了总结性综述 ,对137 Cs
背景值研究应注意的问题和今后研究重点提出了建议。
关键词 :137 Cs 背景值 ;全球空间分布 ;土壤侵蚀 ;影响因素
PROGRESS AND SUGGESTIONS ON THE INVESTIGATION OF 137 Cs REFERENCE INVENTORY
LIU Zhi2qiang1 ,2 ,3 YANG Ming2yi1 ,2 LIU Pu2ling1 ,2 TIAN Jun2liang1 ,2
(11State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau , Institute of Soil and Water ConservationΠNorthwest Sci2Tech
University of Agriculture and Forestry , Yangling , Shaanxi 712100 ; 21 Research Center of Soil and Water Conservation & Eco2environment ,
Ministry of Education , Chinese Academy of Sciences , Yangling , Shaanxi 712100 ;
31 Graduate School , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049)
Abstract :Radionuclide fallout 137 Cs has been applied in soil erosion research by more and more researchers. However ,
confirmation of the 137 Cs background value was the premise and foundation of whether the results of soil erosion rates were
correct or not , provided by using 137 Cs tracer technique. The current research results , including how to choose the 137 Cs
reference sites , the 137 Cs reference inventory prediction model of global spatial distribution and the factors affecting the
deposition of 137 Cs were reviewed. Finally , the problems , suggestions and prospects for future development in 137 Cs reference
inventory were discussed.
Key words :137 Cs reference inventory ; global spatial distribution ; soil erosion ; influence factors
收稿日期 :2008204213 接受日期 :2008207208
基金项目 :国家科技支撑计划 (2006BAD09B05)和教育部“新世纪优秀人才”支持计划
作者简介 :刘志强 (19822) ,男 ,内蒙古呼和浩特市人 ,硕士研究生 ,主要从事土壤侵蚀研究的新技术、新方法研究。E2mail :liuzhiqiang335 @1631com
通讯作者 :杨明义 (19702) ,男 ,山东莱州人 ,主要从事土壤侵蚀核示踪技术研究。E2mail :ymyzly @1631com 土壤侵蚀是世界性的环境问题 ,由于其影响因素变异巨大而成为一个复杂的研究课题。科研工作者们将各种方法应用到土壤侵蚀的研究中 ,以便于深入了解侵蚀规律。核示踪技术应用于土壤侵蚀研究中已有四十余年历史 ,其中137 Cs 示踪土壤侵蚀技术以其独特的视角 ,提供了传统方法所不能提供的关于景观元素间土壤移动与沉积的信息[1 ] ,因此备受土壤侵蚀研究者们的青睐 ,发展较为成熟 ,应用也最为广泛 ,并取得了大量的成果[2 ] 。从研究所涉及的区域来看 ,137 Cs 示踪技术迄今已在全球除南极外其他五大洲的土壤侵蚀 速率研究中得到成功应用。137 Cs 是大气核试验和核泄漏的产物 ,它通过干湿沉降以核尘埃的形式到达地面后 ,主要被地表土壤的细颗粒尤其是黏土矿物质紧密吸附 ,难以被植物吸收 ,在垂直方向上只能随水分的下渗而缓慢下移[3 ,4 ] 。它伴随着土壤颗粒的侵蚀、运移与沉积等物理过程而发生机械迁移 ,具有环境微粒示踪价值。利用137 Cs 技术示踪土壤侵蚀速率的研究 ,必须要得到研究区的137 Cs 背景值 ,背景值的选择是利用核素示踪技术研究土壤侵蚀的前提和根本 ,直接关系到侵
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蚀速率计算的准确与否 ,有的研究在研究区没有合适
的背景值样点 ,不得不采用邻近区域已有的137 Cs 背景
值来作为参考值 ,这就为研究带来一定的误差。因而
有关核素背景值选取的研究一直是核素示踪技术关注
的焦点。
1 137 Cs 背景值样点的选择
137 Cs 背景值可以通过放射性沉降的长期监测数
据计算得到 ,也可以选择正确的背景值参考点来确定。
而放射性沉降的长期监测数据对于大多数研究地区无
相关的纪录 ,因而正确地选择背景值参考点对于确保
137 Cs 背景值的可靠性显得相当重要 ,一般应选择符合
下列条件的采样点 : (1) 没有人为干扰、地势平坦、有
40250 年未受侵蚀或沉积的林地、草地、梯田、坟地或大
面积的平坦山顶[5 ] ; (2)土壤各层次的比活度没有因为
土壤的物理过程而发生改变[6 ] ; (3)尽量与待测的受侵
蚀土壤位于同一流域 ,且该区域应该有相同的降雨量
和地形、土壤因素。如果很难找到合适的背景值采样
点 ,这时可以综合考虑各种因素 ,根据样点相邻原则 ,
参考降雨条件、土壤类型、地形等条件一致的相邻区域
的137 Cs背景值[7 ] 。因土壤的理化性质不同 ,导致在认
定的无干扰地块内不同样点之间的137 Cs 存在一定的
随机变化 ,为了减少这种随机变化带来的误差 ,应在研
究区的周围采集多个未受扰动的样点 ,经实验室分析
采用其平均值[8 ] 。参考点的个数可以通过以下方程来
确定 :
N =
ta , n - 1 ×Cv
A E
2
式中 : N 为需要的参考点个数 ; t 为 95 %置信区间的 t
分布的临界值 ; Cv 为实际采样点的137 Cs 含量的变异系
数 (用小数表示) ; A E 为允许误差 (小数表示) 。t 和 Cv
值的确定可以预先在研究区域选取一定数量 (如 10
个)的参考点 ,测量其137 Cs 活度 ,然后统计结果得到。
参考点的137 Cs 总量 (137 Cs 面积浓度) 即为137 Cs 的背景
值。
综上所述 ,满足上述的几点要求才有可能作为137
Cs 背景值参考点 ,但是由于人类活动频繁很难找到符
合要求的原始剖面 ,背景值的确定依然困难。另外规
范的采样方式、合适的采样点数在目前还没有统一 ,以
后应加强研究。
2 137 Cs 背景值空间分布
211 水平分布
自 1989 年以来 ,张信宝等在黄河中游、长江上游
等地进行的137 Cs 研究发现 ,黄河中游地区的137 Cs 背景
值在 147016～244010Bq/ m2之间 ,呈西北向东南增加的
趋势 ,和降水量的变化趋势一致 ;长江上游地区137 Cs
背景值差异较大 ,在 62019～339415BqΠm2 ,137 Cs 总的变
化趋势是北高南低[9 ] 。而文安邦等[10 ] 对长江上游不
同地区的 137 Cs 背景值研究表明其介于 151014 ～
257312Bq/ m2 之间。黄土高原137 Cs 实测背景值变化在
1351～2633 Bq/ m2 之间[11 ,12 ] ,实测背景值的平均值为
2063Bq/ m2 ,张信宝等[13 ]确定为 2008Bq/ m2 。
众多研究都表明 ,137 Cs 背景值的空间分布特征与
降水量的空间分布存在相似之处 ,因此 Walling 和 He
以同为核爆炸产物的90 Sr 大气沉降量与降雨的关系模
型为基础 ,综合考虑全球尺度137 Cs 背景值和降雨量分
布 ,建立了全球137 Cs 背景值计算模型[14 ] ,在经度为 < ,
纬度为θ,降水量为 P (mm ) 的区域 ,其137 Cs 总量 A
( < ,θ)可表示为 :
A ( < ,θ) = f h , z (
(Bq/ m2 ) , b = 1～9 ,θb 代表纬度带位置。P′= 1mm ,常
数β,γ和δ分别取值为 0115、01051 和 014 ;常数α
(
θb
d S [β+ γ( PΠP′)δ ] =
β+ γS κd S ( PΠP′)δ = β+ γ ( P + P′)δ
其中 , S 是区域的面积 (m2 ) , ( P + P′)δ是区域内 ( PΠ
P′)δ 的平均值。
Walling 和 He[15 ]利用世界各地数据校正上述提及
的模型 , 建立了一个更为准确的热核爆炸源137 Cs 背景
值模型 :
A ( < ,θ) = 1110 f h , z (
为研究137 Cs 纬度的变异性 ,该模型将每半球分为
8 个 45°的区域 ,每个区域的137 Cs 总沉降量根据 Agudo
研究的结果所得[16 ] 。模型按照每 45°经度和 10°纬度
范围划分为独立区域。
齐永青等[11 ]利用 Walling 的137 Cs 背景值计算模型
对中国的137 Cs 背景值模拟结果表明 :中国137 Cs 模拟背
景值范围变化在 300～3000Bq/ m2 之间 ,不同地区之间
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差异明显 ,其中以东北东部地区最高 (2100～3000Bq/
m
2 ) ,新疆南部、青海和甘肃北部干旱地区最低 (300～
600Bq/ m2 ) ,其余大部分地区在 900～1800Bq/ m2 之间。
由北向南 ,随纬度降低 ,137 Cs 模拟背景值呈逐渐降低
的趋势 ,与北半球 137 Cs 本底值随纬度的变化趋势基本
一致 ;除新疆北部外 ,由东向西 ,137 Cs 模拟本底值逐渐
降低。
同时 ,齐永青等[11 ]还利用在中国不同地区所取得
的137 Cs 背景值实测值 ,与模型预测值进行了比较 ,认
为模拟值较实测值普遍偏低 ,主要原因是模型中仅考
虑年均降雨量对137 Cs 沉降的影响 ,因素不够全面 ,求
算研究区域的137 Cs 背景值的方法不全面 ;模型中按照
10°纬度带划分基本区域 ,使得相邻区域之间的137 Cs 赋
存量差距过大 ,导致北纬 30°和 40°纬度线两侧137 Cs 背
景值模拟结果有明显的突变。因此在资料精度允许的
条件下 ,可通过细分基本区域 ,改进模型来提高模拟的
精度和可信度。此外 ,在利用此模型计算137 Cs 背景值
时要结合当地实际情况来确定。
对全球范围而言 ,核素沉降量随降雨量的增加而
增加 ,在北纬 50°以内随纬度的增加而增加[17 ] 。但是
在一个区域由于降雨量分布不均匀会出现土壤中137 Cs
浓度的区域性变化[18 ] 。在纬度变化不大、气象条件均
一的地区137 Cs 的空间分布也是均匀的[19 ] 。因此虽然
137 Cs 沉降和降雨量有关 ,但是这个相关性不是常数 ,
而是随时间和空间变化而变化。由此可以看出在计算
研究区137 Cs 背景值时 ,必须在降水量有差异的每一个
地点选取各自的参考点 ,同时由于在降雨量空间变异
大的区域 ,单一的参考点不能表征当地137 Cs 背景值 ,
可选取多个背景值参考点 ,最后通过分析进行检验和
确定以确保计算结果的准确性。此外 ,由于降雨时空
变异性大 ,区域间以及区域内部降雨量与137 Cs 强度的
关系有待进一步的研究。
212 137 Cs 背景值在剖面中的垂直分布
Basher 等[20 ] 研究表明 ,在未扰动的土壤剖面中
137 Cs一般分布在 20～25cm。V. Correchel 等[21 ] 通过对
巴西 Campinas 区域 4 个未扰动土壤剖面的研究得出
98 %的137 Cs 分布在表层 20cm 之内。国内 Wang Yibo
等[22 ]通过对青藏高原研究也得出了相似的结论。李
元寿等[23 ]对青藏高原 2 个小流域的研究表明 :背景值
样点中137 Cs 有 8414 %集中分布在地表 0～10cm 的表
土层。黄土高原由于黄土颗粒间粘结力弱 ,结构松散 ,
适于137 Cs 向下迁移 ,在非耕作土壤和未扰动的土壤中
137 Cs 分布较深 ,可达到 25cm[24 ] 。
众多研究均表明137 Cs 背景值在土壤剖面中主要
分布在 20～30cm ,137 Cs 在无侵蚀非农耕地背景值土壤
剖面中的分布形式 ,M. Du 等[25 ] 利用统计的方法归纳
为以下三种 ,回归方程分别为 :
Cs = ae - bz ( a > 0 , b > 0) (1)
Cs = a (1 - ( k - zΠH) b ) ( k - zΠH) b- 1
( a > 0 , b > 1 , 0 < k < = 1) (2)
Cs = a (12zΠH) b ( a > 0 , b ≥0) (3)
方程中 Cs 为某个 z (cm) 深度的137 Cs 的质量浓度
(Bq/ kg) , z 代表137 Cs 在土壤剖面中的深度 (cm) , a , b ,
k 为常数 , H 表示剖面中137 Cs 的最大探测深度 (cm) 。
这三种形式分别为指数型、尖峰型、递减型。指数型分
布是137 Cs 在非农耕地剖面中最普遍的[26 ] 。尖峰型也
经常出现在农耕地剖面中[27～30 ] ,但137 Cs 峰值浓度出现
在次表层 2～4cm 层位 ,可能是表层和次表层土壤中 ,
由于随深度增加土壤孔隙度或水分人渗速率急剧降
低 ,导致 137 Cs 入渗速率降低 [31 ] 和入渗系数 D 为负
值[32 ]导致了137 Cs 逐渐富集的缘故 ( D 为正值时 ,核物
质由浓度高处向浓度低处运移 ; D 为负值时 ,核物质
由浓度低处向浓度高处运移) ,也可能是近几十年来
137 Cs在重力作用下长期缓慢扩散、迁移的结果 [33 ] 。
Yang H等认为尖峰函数最适合现今的137 Cs 背景值深
度分布。而递减函数在背景值剖面中较为罕见 ,该种
分布型有较大的局地性 (主要与土质有关) ,甚至可能
与人为扰动有关。
3 影响137 Cs 背景值空间分布的因素
311 气候因素的影响 土壤中137 Cs 的背景值反映的
是核爆炸初期137 Cs 的大气沉降总量 ,根据研究表明 ,
90 Sr总沉降量中约 90 %是伴随降雨过程沉降到地表
的[34 ,35 ] 。137 Cs 与90 Sr 的沉降过程相似 ,也主要伴随降
雨发生 ,全球范围内137 Cs 的大气沉降总量主要与降水
量有关 ,同纬度地区137 Cs 的背景值与降水量呈线形关
系 ,且背景值含量的高低和所研究地区的经纬度与降
雨量有着很好的正相关性[36 ] ,中高纬度和降水量大的
地区 ,137 Cs 背景值高 ,反之则低。文安邦等[37 ] 研究表
明 :雅鲁藏布江中游地区 137 Cs 背景值在 83016 ～
111410Bq/ m2 之间 ,137 Cs 背景值的变化基本与区内降
雨量的变化趋势一致。北半球沉降的137 Cs 主要来源
于美苏在中高纬度地区进行的核试验 ,北半球样点的
137 Cs 背景值大部分在 2000～3500Bq/ m2 之间 ,平均值
为 2500Bq/ m2 左右 ,与降水量有一定的相关 ,但不是很
显著[38 ] 。南半球土壤中137 Cs 的背景值数据较少 ,且活
度水平较低 (300～1140Bq/ m2 ) 。
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此外137 Cs 含量的高低还与降雨类型、当地的蒸发
量和空气的湿度有关。但大气环流也会对137 Cs 造成
影响 ,沿海地区就因强大的台风气旋富集经过区域大
气中的悬浮尘埃颗粒而带来更多的137 Cs 沉降。
312 前苏联切尔诺贝利核事故的影响
核爆炸地点的相对位置和距离远近也会对区域
137 Cs的大气沉降量产生影响。1986 年 4 月在前苏联乌
克兰境内发生的切尔诺贝利核电站反应堆爆炸事故导
致在全球较大范围内的一次137 Cs 沉降峰。在北半球
由切尔诺贝利核事故带来的137 Cs 沉降通量占到总沉
降通量的 912 %[13 ] ,其沉降具有明显的地域性特征 ,这
部分137 Cs 的沉降使得土壤137 Cs 活度和降雨量之间的
相关关系不复存在。受影响最严重的是距离核事故发
生地点较近的欧洲和亚洲西部地区 ,沉降极不均匀 (最
高值达 23000BqΠm2 ) ,而且由于沉降持续时间短沉降量
大 ,明显的证据表明有部分137 Cs 没有被土壤吸附固
定 , 而是直接被径流输送入水体[39 ] 。虽然切尔诺贝利
核事故对137 Cs 的局部沉降有影响 , 但是对137 Cs 全球沉
降模式的影响十分有限。
313 土壤物化特性的影响
137 Cs 沉降到地表时主要被土壤黏土矿物质及有
机质紧密吸附 ,因此土壤有机质、黏土矿物的含量和
137 Cs的含量有一定的相关性。
在137 Cs 法应用的初期 ,Lomenick 和 Tamura[40 ] 研究
认为湖相沉积物中 35 %的黏粒成分吸附了 84 %的
137 Cs ,即137 Cs 活度主要与黏粒含量有关 ,并初次定性地
提出了137 Cs 活度与黏粒含量的关系。张信宝等[41 ] 研
究认为 ,137 Cs 在沉积区域内的剖面分布规律与 < 10μm
粒径的土壤颗粒的剖面分布规律一致。严平等[42 ] 选
取了青海共和盆地的 3 种土壤类型研究了土壤粒径与
137Cs 含量的关系 ,结果表明 ,砂质土的137 Cs 活度与平
均粒径间呈负指数关系 ,0101～0110mm 组分对137 Cs 含
量的影响最为显著 ;壤质土的137 Cs 活度主要与粗粉砂
(0101～0105 mm) 含量有关 ,与 < 0101mm 的物理性黏
粒含量无关。濮励杰等[43 ] 通过对长江中上游红壤丘
陵区土壤137 Cs 含量与土壤颗粒组成的关系研究表明 ,
表层 20cm 范围内不同土层137 Cs 含量与土壤颗粒组成
具有一定的相关性 ,其中137 Cs 含量与砂粒含量和粉砂
粒含量呈正相关 ,与砾石含量和黏粒含量呈一定的负
相关 ,在各土层与137 Cs 含量关系最为密切的是砂砾含
量 ,两者呈现显著的正相关关系。同时建立了137 Cs含
量与砂砾含量的定量关系模型 ,并通过方差分析证明
该模型可靠 ,但该模型应用于土壤侵蚀还需要进一步
研究。由上述研究结果可以看出137 Cs 含量主要与土
壤某一粒径呈相关关系 ,这也被诸多研究者所证实 ,但
是由于土壤理化性质不同致使影响137 Cs 含量的粒径
范围不同 ,鉴于此 ,应建立可靠的各研究区域137 Cs 含
量与土壤粒径的定量关系模型 ,以测定土壤的机械组
成来推算土壤中137 Cs 含量。
137 Cs 可以被土壤有机质吸附 ,但研究的结论常常
各不相同。唐翔宇等[44 ] 在中国红壤区的研究发现 ,
137 Cs与有机质并没有显著的相关关系。贺良国等[45 ] 对
紫色土的研究也得出了相似的结论。而 Ritchie[46 ] 对
美国北部一个小流域砂质壤土研究得出 ,土壤有机碳
和137 Cs 的含量呈显著相关。De Jong[47 ] 等对加拿大的
新不伦威斯克土壤的有机质与137 Cs 含量的研究得出
了相似的结论 ;Quang[48 ] 也认为137 Cs 与土壤有机质、棕
黄酸显著相关 ,特别是在 0～10cm 表层土壤。而对于
有机质含量少的黄土高原 ,李仁英等[49 ] 对延安市的一
个小流域黄绵土研究表明 ,土壤137 Cs 含量与有机质含
量呈极显著相关 ,相关系数为 01791 ,且仅在表层数厘
米内与 < 5μm 粒径呈相同的剖面分布形式。到目前为
止国内外相关的研究只是针对小流域进行研究 ,缺少
区域大尺度研究 ,同时大部分研究者认为137 Cs 与土壤
有机质含量显著相关 ,但个别研究者得出相反的结论 ,
以后对此需进行深入研究 ,阐明两者的关系 ,为更好理
解137 Cs 在土壤中的迁移规律 ,研究土壤侵蚀提供理论
依据。
除以上提到的影响因素外 ,137 Cs 背景值还受地
形、植被覆盖情况、土地利用类型等因素的影响 ,区域
内影响137 Cs 背景值、空间分布因素的确定有待进一步
研究。
4 建议
137 Cs 背景值的确定是利用137 Cs 示踪土壤侵蚀速
率的关键前提 ,因而对137 Cs 背景值进行系统研究具有
十分重要的意义。就目前国内外研究工作来看 ,对这
一问题的研究多是零星的 ,主要对研究区的137 Cs 背景
值来进行针对性采样以确定当地137 Cs 背景值。Walling
等虽然建立了全球137 Cs 背景值预报模型 ,但已被证明
预测值与实测值存在较大误差 ,因此有目的的系统研
究137 Cs 背景值空间分布是十分必要的。在我国 ,对
137 Cs背景值研究迫切需要的工作是开展全国137 Cs 背景
值的调查 ,包括东北、华北、西北、青藏高原及沙漠地
区 ,提供全国范围内137 Cs 背景值概况、区域分异规律 ,
建立不同研究区的137 Cs 等核素本地值数据库 ,再结合
不同区域的降水资料、土壤物化资料等 ,建立精确的区
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域137 Cs 背景值预报模型 ,进而建立具有中国特色的全
国137 Cs 背景值预报模型 ,为以后充分利用137 Cs 示踪技
术研究土壤侵蚀打下坚实的基础。
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用”获 2007 年湖南省科技进步三等奖。但是 ,在辐射
加工领域 ,后备技术储备不足的问题是显而易见的 ,应
引起严重关切。
另外 ,由于加速器具有自动化程度高、可实现在线
生产以及无放射性废源产生等优点 ,加上近年来技术
上的突破 ,因此利用电子束加速器进行农产品辐照加
工是今后的发展方向之一[9 ] 。
3 我国核技术农业应用研究的展望
从国家对研究开发投入规模看 ,我国属于中等偏
下水平 ,这十年当中对核技术应用研究的投入比例更
呈下降趋势。《国家中长期科学和技术发展规划纲要
(2006 - 2020 年)》和《农业科技发展规划 (2006 - 2020
年)》发布后 ,核技术农业应用领域迎来了很好的发展
机遇。核农学也将在国家解决“三农”问题上继续发挥
重要作用 ,在推动国民经济发展和社会进步中作出更
大贡献。核技术农业科学工作将立足我国的实际情
况 ,以解决农业高产、高质、高效和国际相关前沿课题
为主要目标 ,全面落实科学发展观 ,坚持“以核为本、多
科结合、开拓创新、有所作为、统筹兼顾、协调发展”的
方针 ;进一步密切和加强与国际原子能机构 ( IAEA) 和
联合国粮农组织 ( FAO) 的合作 ;注重基础研究与应用
研究相结合、长远目标与近期目标相结合 ,在交叉学科
中寻找新的生长点 ,充分发挥核技术在改造和提升传
统农业中的独特优势 ;争取重大项目、培育重点人物、
获得重大成果 ,以满足科研和生产的迫切需要。核科
学农业应用研究在改造我国传统农业、调整产业结构、
优化农产品质量、提高农业资源利用率和保护生态环
境方面将发挥越来越大的作用 ,成为我国农业高新技
术及产业化的重要生力军。我们相信在大好形势的鼓
舞下 ,在各级主管部门重视和支持下 ,核技术农业科学
研究将再创新的辉煌。
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