全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 042669207
中国季风区土壤137 Cs 背景值研究
张明礼　杨　浩　王小雷　王轶虹　徐从安　杨九东　戎　静
(南京师范大学地理科学学院 ,江苏 南京　210046)
摘 　要 :通过测定山东沂蒙山区、江苏苏南丘陵区以及云南滇池流域背景点样品中土壤137 Cs 活度 ,探讨
了土壤剖面中137 Cs 的分布状况 ,发现不同地区不同质地的土壤137 Cs 的分布深度有所不同。非耕地137 Cs
活度呈指数型分布 ,且与分布深度表现出很强的相关关系 ;耕地中137 Cs 活度呈深度分异上的均一性。
并确定了这几个地区137 Cs 的背景值分别为 1 73711、184712 和 91810BqΠm2 。地区土壤137 Cs 背景值的确定
使得 137 Cs 示踪技术研究土壤侵蚀退化状况、侵蚀和沉积的空间分布成为可能 ,为土壤资源的可持续利
用、土壤侵蚀的经济损益评估及水土保持措施评价等提供有力的技术支持。
关键词 :137 Cs 背景值 ;比活度 ;沂蒙山区 ;苏南丘陵 ;滇池流域
SOIL 137 Cs BACKGROUND VALUES IN MONSOON REGION OF CHINA
ZHANG Ming2li 　YANG Hao 　WANG Xiao2lei 　WANG Yi2hong 　XU Cong2an 　YANGJiu2dong 　RONGJing
( College of Geography Science , Nanjing Normal University , Nanjing , Jiangsu 　210046)
Abstract :Land degradation , which is resulted from the soil erosion , is one of the major environmental problems. It severely
affects the food supplies , environmental safety and the sustainable development in China. Some areas in the monsoon region
are suffering from the acute soil erosion. To find out the degree of soil erosion , the proven technique of 137 Cs tracer is definitely
one of the best methods , and the key is to ascertain the accuracy of soil 137 Cs background value. The distributions of 137 Cs were
explored in soil profiles by detecting the 137 Cs of soil cores from the Yimeng mountain area in Shandong Province , hills in the
southern area of Jiangsu Province and Dianchi catchment in Yunnan Province , respectively. We found that the depth of 137 Cs
distribution is not the same in the soils of various areas. But the 137 Cs activity shows an exponential distribution in the
uncultivated soil and demonstrates a strong correlation with the soil depth , while the 137 Cs activity proves uniform in the soil
plowing layer of the cultivated land. The study shows the 137 Cs background values of three areas :173711 BqΠm2 in Yimeng
mountain area , 184716 BqΠm2 in southern area of hills in Jiangsu , 91810 BqΠm2 in Dianchi catchment . The certainty of 137 Cs
background value can technically support the use of 137 Cs technique to study the spatial pattern of soil erosion , deposition and
the land degradation , which provides the support for the sustainable utilization of soil resource , the assessment of economical
benefit and loss and the evaluation of water and soil conservation measures.
Key words :137 Cs reference inventory ; activity ; Yimeng mountain area ; southern area of hills in Jiangsu ; Dianchi catchment
收稿日期 :2009201208 　接受日期 :2009202230
基金项目 :国家自然科学基金 (40873071、40473052) ,高等学校博士学科点专项科研基金 (2007105SBJ0150)
作者简介 :张明礼 (19762) ,男 ,山东沂水人 ,博士研究生 ,主要研究方向为土壤侵蚀与生态效益。E2mail :geozhml @1631com
通讯作者 :杨 　浩 (19602) ,男 ,江苏东台人 ,研究员 ,博士生导师 ,研究方向为土壤侵蚀、湖泊内源污染及其环境影响。E2mail : yanghao @
njnu1edu1cn　　水土流失及其导致的土壤退化是全球性重大环境问题之一 ,我国水土流失造成的耕地减少等问题 ,已经严重影响到我国的粮食安全、环境安全和社会经济可 持续发展能力。有效控制水土流失是改善地区生态环境的关键 ,而揭示土壤的侵蚀速率及运移途径则是控制水土流失的科学基础。我国季风区内 ,人口稠密 ,土
966　核 农 学 报　2009 ,23 (4) :669～675Journal of Nuclear Agricultural Sciences
地垦殖率高 ,加之对地面植被的人为破坏 ,加速了土壤
有机质的分解 ,造成了水土流失的加剧。因此在季风
区内开展水土流失的调查研究 ,是一项十分迫切的工
作 ,而土壤侵蚀是水土流失调查研究的重要内容。
土壤侵蚀的测定方法主要有野外侵蚀小区测定
法、遥感与 GIS 结合的室内外判读法、放射性核素示踪
法等。前两种方法由于存在费用昂贵 ,劳动强度或测
量误差较大等缺点 ,且短时间内难以克服 ,从而使得放
射性核素示踪法具有的优势得以发挥 ,其中以137 Cs 为
示踪剂的研究与应用最为广泛和深入。137 Cs 示踪法
是一种简单、量化程度高、研究费用低、结果比较可靠
的研究土壤流失的方法 ,可在短期内对大区域的土壤
流失做出快速诊断 ,已在国内外得到广泛应用[1～8 ] 。
而此法的基础必须要解决的两个关键问题 :一是确定
区域137 Cs 的背景值 ,二是选择合适的有关137 Cs 的土壤
侵蚀模型。对于第二个问题研究较多 ,但缺乏对区域
137 Cs 系统研究。本研究针对我国人口密度大、降雨较
多的季风区 ,对水蚀严重的山东沂蒙山土石山区、江苏
苏南丘陵区及云南滇池流域内土壤137 Cs 的背景值及
分布特征进行了初步研究。
1 　土壤中137 Cs 的基本化学特性
137 Cs 是一种人工放射性核素 ,由大气核试验和核
电站泄漏产生并在环境中赋存和蓄积 ,其半衰期为
30117a。137 Cs 作为土壤侵蚀示踪剂的基本依据在于其
在土壤环境中所表现出的特殊化学行为。137 Cs 的离
子半径较大 ,在土壤中易被带负电荷的粘土矿物吸附 ,
而且 De Jong 研究发现土壤有机碳含量明显和137 Cs 活
度正相关[15 ] 。Turnage 的研究结果表明 ,大部分137 Cs 吸
附在土壤表面有机质层 ,被有机质紧密吸附 ,表土层以
下137 Cs 活度随着有机质含量的下降而下降[16 ] 。137 Cs
经干湿沉降到达地表后迅速被粘土矿物和有机质紧密
吸附 ,在自然环境中很难被解吸出来 ,化学迁移能力极
弱 ,植物对其吸收很弱 ,也难以被土壤淋溶、迁移。
137 Cs在土壤中的损失与富集主要是伴随着土壤颗粒的
物理运动发生的 ,因此可以说土壤侵蚀和沉积作用是
导致土壤中137 Cs 迁移和再分配的主因 ,这正是137 Cs 能
示踪土壤侵蚀的先决条件[17～20 ] 。
2 　背景区概况及采样
211 　研究区域概况及样品采集
21111 　研究区域概况 　理想的背景值采样点是未受
到侵蚀与沉积的大面积平坦山顶或非耕作平地[21 ] 。
一般而言 ,作为基准值采样点的土壤应自 1954 年137 Cs
沉降以来未受到侵蚀或沉积。以该区域内未曾开垦的
平坦荒地土壤中137 Cs 的含量作为背景值 ,若该区域内
某一土壤剖面中137 Cs 的含量低于此背景值 ,表明该土
壤采样点存在土壤流失 ,若高于此背景值 ,则表明该土
壤存在土壤沉积 ,且可用相应模型来计算土壤的流失
量或者沉积量[22 ] 。野外采样中 ,采样背景点的选择应
结合研究区域的地貌类型 ,选择合适采样位置。
本研究共采集了 3 个不同水土流失区域的土样进
行对比研究 (图 1) ,分别为北方土石山区中的沂蒙山
区 ,长江三角洲的苏南丘陵区以及西南部的滇池流域 ,
采样地点均符合背景位置采样的要求。
山东沂蒙山区土壤类型为棕壤 ,采样地经纬度
118°32′E ,35°52′N。沂蒙山区气候属暖温带大陆性季
风气候 ,四季分明 ,光照充足 ,无霜期 210d ,年平均气
温 1311 ℃,年平均降水量为 77012mm ,70 %的降水集中
在 6 - 8 月份。地貌类型以山地丘陵为主 ,人口密集 ,
土地受人为干扰严重。考虑到当地实际情况 ,选择 3
个地点 YM1、YM2、YM3 作为背景采样点。YM1 点采集
当地特有地貌 ———岱崮地貌 (崮的顶部平展开阔 ,崮顶
周围峭壁如削 ,峭壁下坡度由陡到缓)中名为“雾露固”
的顶部 ; YM2 点采自一个名叫磨山子的丘陵顶部平坦
部位 ,上面长满杂草 ; YM3 点在峨山小流域内一平坦
草地。
图 1 　中国季风区内土壤背景采样地点
Fig. 1 　Soil sampling position in China’s
monsoon region
076 核　农　学　报 23 卷
苏南丘陵区土样采自江苏省句容市 ,采样地经纬
度 119°14′E ,32°04′N。该区地势平缓 ,地形起伏不大 ,
土壤类型以水稻土为主。气候类型为北亚热带季风气
候 ,温暖湿润 ,年均气温 1511 ℃,年日照时数 2116h ,四
季分明 ,冬夏季风交替影响 ,雨水丰沛 ,年降雨量
1000mm左右 ,主要集中于 6 - 9 月 ,无霜期 229d ;植被
主要为常绿阔叶和落叶阔叶。该区农业开垦历史悠
久 ,是有名的鱼米之乡。但众多的人口 ,密集的农业活
动 ,已很难找到几十年来未被干扰的平坦草地或者山
顶。众多研究表明 ,水平梯田对于水土保持具有很好
的效果 ,国内学者多采集水平梯田内的样品作为背景
值[23 ] 。本试验测试土样也采自丘陵上部未受侵蚀和
沉积的水稻梯田内。
滇池流域水土流失区 ,土样采自处在 102°44′E ,
24°59′N 位置的云南呈贡。该区土壤类型为红壤 ,属亚
热带湿润季风气候 , 年平均气温 1417 ℃, 年日照
2200h ,无霜期 285d ,年降雨量 1006mm ,降雨集中 ,雨季
降雨量占全年雨量 80 %以上。本试验选择抗日战争
时期修建的云南省呈贡飞机场上 3 处位置作为背景采
样点 ,采样点地表土壤为草被全覆盖 ,地势平坦且近
70 年来未受扰动。
21112 　土壤采样方法 　土壤剖面分层样采集面积为
10cm×10cm ,在选择好的背景值采样点 ,利用小铁铲
从地面向下依次分层采集 ,每层采样厚度 2～5cm 不
等 ,以更好地探究土壤中137 Cs 的分布情况。另外为减
小误差 ,在背景采样点选择较困难的沂蒙山区 ,除采剖
面分层样外 ,在临近采样点另加采 3 个土壤全样 ,以便
较准确地求该地区137 Cs 背景值。土壤全样是指运用
土钻从地表面垂直采集至对应剖面样的最大采样深度
而获取的土样。全样采样方法是用铁锤垂直打入直径
418cm的土钻 ,进行土壤采集。根据各地土层厚度的
差异以及预采样分析 ,沂蒙山区、滇池流域非耕地土壤
采样深度为 30cm ,苏南丘陵区水稻田土壤采样深度为
48cm。
212 　样品测试及背景值计算
21211 　样品测试 　137 Cs 活度采用美国 AMETEK公司
生产的ORTEC牌 HPGeγ能谱仪测定 ,该仪器的探测器
为 GMX25094 型 ,半宽高为 202keV (对 1133MeV) ,相对
探测效率 55 % ,峰康比 60∶1。峰面积采用总峰面积法
求得 ,每个样品测量时间不少于 25000s ;样品比活度采
用与137 Cs 放射性标准源相对比较法求得 ,137 Cs 放射性
标准源由中国原子能科学研究院提供。土壤容重采用
环刀法[24 ] ,烘干土样进行测定。
21212 　土壤137 Cs 背景值计算方法 　土壤样品经γ能
谱仪测试后 ,得到样品中137 Cs 的比活度 ,应用以下公
式计算背景采样点137 Cs 含量 :
CsR = ∑
n
i = 1
Ci ×Di ×Hi ×10
　　式中 , CsR 为采样点137 Cs含量 (BqΠm2 ) , Ci 为采样
层137 Cs 的比活度 (BqΠkg) , Di 为采样层的土壤容重 (gΠ
cm
3) , Hi 为采样层的深度 (cm) , i 为采样层数。求出
某一地区所有采样点土样137 Cs 的含量后 ,均值即为该
地土壤137 Cs 的背景值。
3 　结果与分析
311 　3 个地区土壤137 Cs 的比活度及背景值
土壤137 Cs 的比活度是指单位质量土壤中137 Cs 的
放射性强度 ;137 Cs 背景值是某一地区无侵蚀、无堆积
发生地块的土壤中137 Cs 面积浓度。
图 2 　山东沂蒙山区土壤中137 Cs 剖面分布图
Fig. 2 　Soil 137 Cs profile map in Yimeng mountain area of Shandong
176　4 期 中国季风区土壤137Cs 背景值研究
表 1 　山东沂蒙山区土壤中137 Cs 的含量
Table 1 　137 Cs content (BqΠm2 ) in the sampling sites in Yimeng mountain area of Shandong
采样点
sampling point
137Cs 含量
137Cs content (BqΠm2) 采样点sampling point 137Cs 含量137Cs content (BqΠm2) 采样点sampling point 137Cs 含量137Cs content (BqΠm2)
YM1 177113 YM2 174019 YM3 172319
YM1′ 174713 YM2′ 172913 YM3′ 170916
　　山东沂蒙山区土壤中137 Cs 剖面分布比活度如图 2
所示 ,各点137 Cs 的含量见表 1。每处采样点采集 2 个
土样 ,一个为土壤剖面样 ,一个为土壤全样 (表 1) 。土
壤剖面分层样为 YM1、YM2、YM3 ,相应地点的土壤全
样是 YM1′、YM2′、YM3′。从剖面分层来看 , 土壤中
137 Cs分布在地表以下 30 cm 内 ,137 Cs 比活度在垂直方
向总体上随深度的增加而递减。从表 1 可以看出 ,土
壤剖面含量和全样中137 Cs 含量相差较小。计算沂蒙
山区的137 Cs 含量的背景值平均为 173711 BqΠm2 。
江苏句容水稻田土壤中137 Cs 的剖面分布图如图 3 ,
图 3 　江苏苏南丘陵土壤中137 Cs 剖面分布图
Fig. 3 　Soil 137 Cs profile map in the southern hilly area of Jiangsu
该地区 3 个分层采样点分别为 ZJ1、ZJ2、ZJ3。ZJ1 位于
山坡顶部梯田内 ,ZJ2、ZJ3 位于其附近另一块梯田内 ,
两块梯田相距约 50 m。据当地农民介绍 ,该水稻梯田
建国后一直种植水稻。研究发现 ,137 Cs 在水稻梯田耕
层内呈均匀分布 ,且主要分布在耕层 20 cm 内 ,这说明
人为活动对137 Cs 在土壤中再分配起到重要的作用。
在 30cm 以下137 Cs 含量锐减 ,这可能与137 Cs 随土壤颗
粒向下渗透和扩散的能力逐渐减弱有关。由于在耕层
以下只含有极少量137 Cs ,在利用137 Cs 研究耕地土壤侵
蚀的过程时 ,有时可以忽略[25 ,26 ] 。这 3 个剖面137 Cs 总
含量变化范围为 174819 BqΠm2～193217 BqΠm2 ,其平均
含量为 184712 BqΠm2 。
图 4 　云南滇池流域土壤137 Cs 剖面分布图
Fig. 4 　Soil 137 Cs profile map in Dianchi catchment of Yunnan
276 核　农　学　报 23 卷
　　由图 4 中 3 个土壤剖面图可见 ,我国西南部的滇
池流域内 ,土壤剖面活度从地表向下 ,亦同北方土石山
区土壤一样 ,呈减少趋势 ,但其衰减较慢 (图 4) 。3 个
剖面样中 ,137 Cs 的分布深度不一 ,DC1 与 DC3 分布在
21cm 之内 , DC2 分布在 24cm 之内 ,总体上看 3 个剖面
点绝大部分137 Cs 分布在土壤 20 cm 内。其中 DC1 采样
点137 Cs 的含量为 88719 BqΠm2 , DC2 为 93915 BqΠm2 ,
DC3 为 92616 BqΠm2 ,3 个采样点间含量相差较小 ,取其
平均值 91810 BqΠm2 ,作为滇池流域的背景值。
312 　3 个地区土壤137 Cs 的分布特征
从图 5、6 可以看出 ,不同地区不同质地土壤的
137 Cs分布深度有所不同。沂蒙山区系我国北方典型土
石山区 ,土壤母质为砂岩 ,土壤中多粗骨颗粒 ,其土壤
137 Cs 的分布深度在 30 cm 之内 ,且集中分布在 15cm
内。从分布拟合曲线可以看出 (图 5) ,随着土壤深度
的增加 ,137 Cs 分布指数衰减现象明显 ,土壤深度与137 Cs
比活度相关系数的平方 (R2 ) 分别为 0192、0197、0198 ,
可见两者表现出很强的指数关系。云南滇池流域土壤
为典型红壤 ,土壤颗粒细 ,137 Cs 的分布较深 ,深度可达
27cm ,主要分布在 20cm 以上 ,土壤深度与137 Cs 比活度
相关系数的平方 (R2 ) 分别为 0197、0182、0198。比较沂
蒙山区与滇池流域土壤背景点 ,发现 2 个区域137 Cs 随
着土壤深度的增加 ,指数递减速度不一 ,沂蒙山区土壤
中137 Cs 含量随深度增加递减较快 ,而滇池流域土壤137
Cs 递减较慢。因为对未扰动土壤来说 ,每次降雨过程
中 ,137 Cs 随雨水在土壤剖面中下渗 ,不断被粘土颗粒
和有机质吸附 ,基本不被雨水淋溶和植被摄取 ,因此呈
现愈向下愈少的分布特征。在非耕地土壤中 ,均表现
出了这样的情形。而处于长江三角洲地区的江苏省句
容水稻田土壤中 ,137 Cs 分布较深 ,可达 45cm 深 ,并且
在 25cm 附近呈现一定的分异性 :与另外两地区的非耕
作地相比 ,在句容水稻田土壤 25cm 以上 ,土壤中137 Cs
图 5 　山东沂蒙山区土壤中137 Cs 剖面分布拟合曲线
Fig. 5 　Curve fit of soil 137 Cs profile map in Yimeng mountain area of Shandong
图 6 　云南滇池流域土壤中137 Cs 剖面分布拟合曲线
Fig. 6 　Curve fit of soil 137 Cs profile map in Dianchi catchment of Yunnan
376　4 期 中国季风区土壤137Cs 背景值研究
呈现均一状态 ,据此推断句容样点 25cm 以上部分为人
类犁耕活动导致的结果 ;25cm 以下 ,137 Cs 活度开始明
显减小 ,深度可达 40cm 左右 ,但所占含量极少。
313 　供试区域内137 Cs 背景值的可靠性比较分析
137 Cs 在大气中运动 ,并通过干湿沉降到地面 ,由
于降水状况、经纬度等因素的影响 ,各地137 Cs 含量有
差异。Walling 等人[27 ]根据影响137 Cs 沉降的这些因素 ,
建立了一个模型 ,可以模拟世界各地137 Cs 的沉降量大
小。根据这个模型 ,得出山东沂蒙山区、苏南丘陵区、
云南的滇池流域 3 地区土壤 137 Cs 的模拟值分别是
134618 BqΠm2 ,149313 BqΠm2 ,76714 BqΠm2 ,而 3 地实测
值分别是 173711 BqΠm2 , 184712 BqΠm2 , 91810 BqΠm2 。
可见 ,模拟值均小于实测值。一方面 ,是中国地形复
杂 ,地势高低起伏大 ,局地环流相对较紊乱 ;二是海陆
位置造成的强季风区内 ,降水年际变化较大 ,因此137 Cs
的实际沉降量与模拟值存在差距 ,模拟值只能作为参
考。
将临近地区的研究成果与本研究结果对比如下。
山东沂蒙山区137 Cs 的背景值平均为 173711 BqΠm2 。文
安邦等[28 ]在 1995 年对同纬度的陕西洛川背景值的测
量值为 2204 BqΠm2 ,考虑到137 Cs 核素的衰变 ,校正到与
当前所测土壤样品同期 ,则为 163414 BqΠm2 。沂蒙山
区位于亚洲东部典型温带季风区内 ,距东部沿海较近 ,
降雨较同纬度地区偏多 ,其土壤137 Cs 背景值 173711
BqΠm2 是合理的。在长江三角洲的苏南丘陵区内 ,寻
找未受人为扰动的土壤有较大困难 ,但由于封闭的平
坦水稻田内整体土壤流失量很微弱 ,其田块内137 Cs 含
量平均值应该最为接近背景值。据此 ,采集水平水稻
梯田内的土样进行测试 ,得出 137 Cs 背景值 ,测量为
184712 BqΠm2 。曹慧等[29 ] 2000 年在江苏吴江所测得的
土壤137 Cs 背景值为 2400 BqΠm2 ,结果经校正为 199616
BqΠm2 。由于两地同在长三角丘陵区内 ,且相距较近 ,
本试验所测结果可靠。云南昆明的滇池流域所测土壤
137 Cs 背景值为 91810 BqΠm2 。张信宝等[30 ] 1992 年在云
南东川所测土壤137 Cs 背景值 1269 BqΠm2 ,张燕等[31 ]
2005 年在滇池流域所测结果为 906 BqΠm2 ,校正后 ,其
值分别为 900 BqΠm2 和 86514 BqΠm2 。由于张信宝等的
研究地点与昆明有一定距离 ,土壤137 Cs 背景值有一定
差异是可能的。本研究与张燕等的研究结果存在一定
偏差 ,可能由于样品处理与测试等原因造成 ,从本研究
采样地点的植被覆盖状况看 ,茂密杂草全覆盖 ;样品的
室内处理过程中研磨细致 ,除少许草根和砾石外 ,全部
保留进行测量 ,加之仪器探测效率相对较高 ,故认为结
果更为准确。
4 　结论
137 Cs 的全球分布与经纬度变化以及某区域内的
降雨量密切相关 ,但在区域上其沉降是均匀分布的 ,因
此土壤中137 Cs 的背景值是确定的 ,再加上137 Cs 本身的
理化性质 ,将137 Cs 作为一种良好的土壤示踪剂 ,是可
实现对土壤侵蚀量的测定的。山东沂蒙山区、苏南丘
陵区、西南部的滇池流域的土壤137 Cs 背景值分别是
173711、184712 和 91810 BqΠm2 。一旦某一地区土壤137
Cs 的背景值确定之后 ,通过采样 ,土壤中137 Cs 的富集
或者剥蚀程度即可反映自137 Cs 在环境中出现以来由
侵蚀造成的净土壤流失量或者净沉积量。我国季风区
内几个重要水土流失地区137 Cs 背景值的确定 ,有助于
运用137 Cs 示踪技术研究土壤侵蚀退化状况、侵蚀和沉
积的空间分布 ,为土壤资源的可持续性、土壤侵蚀的经
济损益评估及水土保持措施评价等提供有力的技术支
持。
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576Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2009 ,23 (4) :669～675