全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 052396204
铀钍衰变系核素在土壤侵蚀应用研究的进展
石　辉1 ,2 　李占斌2 　赵晓光3
(11 西南师范大学资源环境学院 ,重庆　400715 ; 21 中国科学院 水利部水土保持研究所 ,陕西 杨凌　712100 ;
31 西北农林科技大学资源环境学院 ,陕西 杨凌　712100)
摘 　要 :本文对利用铀 (238U)钍 (232 Th)衰变系列中的子体和母体研究泥沙来源和沉积、侵蚀速率
的基本原理及应用进行了综述。
关键词 :铀钍衰变系 ;土壤侵蚀 ;沉积 ;泥沙来源
THE USE OF 238 U AND 232 Th DECAY SERIES RADIONUCLIDES
IN SEDIMENT TRACING
SHI Hul1 ,2 　LI Zhan2bin2 　ZHAO Xiao2guang3
(1. College of Resources and Environment , Southwest Normal University , Chongqing 　400715 ;
21 Institute of Soil and Water Conservation , Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resource , Yangling Shaanxi prov. 　712100 ;
31 College of Resources and Environment , Northwest Sci2Tech University of Agriculture and Forestry , Yangling , Shaanxi prov. 　712100)
Abstract: In this paper , the fundamental principium and applications of using 238 U and 232 Th decay series
radionuclides to research sediment sources ,erosion and deposition were reviewed.
Key words :238U and 232 Th decay series radionuclides ; soil erosion ; deposition ration ; sediment sources
收稿日期 :2002203205
基金项目 :中国科学院知识创新项目资助 ( KZCX1 - 10 - 04)
作者简介 :石辉 (1968～) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究工作。
利用核爆产物137 Cs 在土壤中的含量分异规律来研究土壤侵蚀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 ,已成为一种研究土壤侵蚀的新方法[1～6 ] 。但在 60 年代以后 ,随着核爆
炸转入地下 ,大气中137 Cs 的尘降日趋势减少 ,而137 Cs 的半衰期仅为 3012 年 ,部分地区的强烈土壤侵蚀和
衰变已使土壤中137 Cs 的含量甚微 ,直接限制了这一方法的应用。针对这一不足 ,利用土壤中天然存在
的放射性核素铀 (238U)钍 (232 Th)衰变系中的子体和母体的分异规律研究土壤侵蚀及泥沙来源成为核技
术在土壤侵蚀研究方面的新兴领域。本文对铀 (238U)钍 (232 Th) 衰变的一些产物 (210 Pb、226 Ra) 在侵蚀中应
用的研究进展进行概括介绍。
1 　土壤中铀钍衰变系核素
所谓土壤中放射性核素的天然来源是指存在于成土母质中且随母质的成土作用而进入土壤的放射
性核素 ,它大多属于铀 (U) 、钍 ( Th) 衰变系列的产物[7 ] 。同时 ,铀钍衰变系列中部分子体成为气体进入
大气 ,随着降雨和降尘到达地表 ,被土壤颗粒和有机质吸附 ,在表层聚集并难以被水淋溶。因此以未侵
蚀地区的核素输入量作为研究区的背景值 ,发生土壤侵蚀的地区其含量低于背景值而沉积区域其含量
高于背景值 ,利用核素在水平和垂直剖面上的这种分布规律可研究土壤的侵蚀和沉积速率。对于大的
流域而言 ,不同来源泥沙中的核素比率不同 ,则可通过分析泥沙中核素的比率判断泥沙的来源[8 ] 。铀
693　 核 农 学 报　2003 ,17 (5) :396～399Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
(238U)钍 (232 Th)衰变系列中的210 Pb、238U、232 Th、226 Ra 以及210 PbΠ137 Cs 常被用于侵蚀沉积速率和泥沙来源的
研究。
2 　210 Pb 测定土壤侵蚀沉积速率
210 Pb 的半衰期为 2213 年 ,它一方面来源于土壤中238U 的衰变 ,另一方面又来源于大气降雨或降尘。
这主要是由于238U 的衰变产物222 Rn 会从土壤逃逸到大气中[9 ] ,而在大气中继续衰变 ,衰变产物在大气中
停留 4～40d[10 ,11 ] ,然后随着降雨或着尘埃到达地表 ,成为土壤中210 Pb 的大气来源。大气沉降来源的210
Pb(一般用210 Pbex 表示 ,用某一层次210 Pb 比活度减去剖面比活度不在变化时的含量) 达到地表后被土壤
颗粒强烈吸附 ,主要集中于土壤剖面上部的 40cm ,特别是在表层 5mm 内 ,其含量占到整个剖面含量的
50 %以上[12 ] 。随着剖面深度的增加 ,210 Pb 的含量表现出减少的趋势 ,当达到一定的深度时 ,含量为一个
常数 ,说明这时土壤中210 Pb的来源主要为土壤中的衰变产物。
Anderson 等[13 ]提出了两点假设 : (1)在某一区域内210 Pbex 的沉降速率是固定的 ; (2) 除了物理或生物
扰动外 ,沉积物中210 Pbex 没有发生移动 ,其含量只与衰变有关。在此基础上提出了210 Pbex 在沉积物中的
分布公式 :
　　9ρA9 t = 99 z DB 9ρA9 z - S 9ρA9 z - λρA (1)
式中 ,A 为210 Pbex 的浓度 (dpmΠg) , t 为时间 , z 为深度 ,ρ为沉积物的密度 (gΠcm3 ) , DB 为沉积物混合速度
(cm2Πs) , S 为沉积速率 (cmΠs) ,λ为210 Pb 的衰变常数。研究发现 ,沉积速率与210 Pbex 的含量成对数线性
关系。Robbins[14 ]和 Olsen[15 ]等也发现了相似的规律。
由于 (1)式是一个复杂的非线性偏微分方程 ,直接应用并不广泛 ,一般主要利用沉积速率与210 Pbex
的含量成对数线性关系这一原理来计算沉积速率。常用的模式有以下 3 种 :
(1)恒定初始活度模式 (CIC) :该模式假设来源沉积物中的210 Pbex 比活度为一定值 ,某一层次中210 Pb
的比活度变化主要由于衰变所引起 ,而沉积时间则是沉积层次深度与沉积速率的函数 ,可以表示为[16 ]
　　 C = C0 e -λzΠs (2)
式中 , C 为某一层次中210 Pbex 比活度 (dpmΠg) , C0 为表层沉积物中210 Pbex 比活度 (dpmΠg) , z 为某一层次
深度 (cm) , s 为沉积速率 (cmΠyr) ,λ为210 Pb 的衰变常数。因此可利用 (2)式计算出多年平均沉积速率。
(2)恒定供给速率模式 (CRS) :该模式假设来源沉积物的供给速率一定值 ,某一层次中210 Pb 的比活
度表示为[17 ] :
　　A ( x) = A (0) e - kt (3)
式中 ,A ( x) 为在 x 深度以下210 Pb 的比活度 (dpmΠg) , A (0) 为表层以下所有沉积物中的210 Pbex 比活度
(dpmΠg) , k 为210 Pb 的衰变常数 , t 为时间 , t = xΠs , x 某一层次深度 (cm) , s 为沉积速率 (cmΠyr) 。
(3)恒定210 Pbex 量和恒定沉积速率模式 (CFS) :这种模式是上述两种模式的综合 ,假设表层210 Pb 的
量是固定不变的 ,同时假设沉积物的沉积速率也恒定不变[18 ] 。
　　A ( m) = ( pΠw) e -λmΠw (4)
式中 ,A ( m)为某一深度以上沉积物中累积210 Pbex 的比活度 (dpmΠg) , p 为沉积物与水界面处的210 Pbex 比
活度 (dpmΠcm2·g) , w 为沉积速率 (gΠcm2·yr) ,λ为210 Pb 的衰变常数 , m 为面密度 (gΠcm2 ) 。
上述 3 种模式均用于湖泊和水库等泥沙的沉积速率研究[19～21 ] 。在一些研究中考虑到大气沉降
210 Pbex和226 Ra 衰变的210 Pb 之间的关系 ,对 3 种模式进行了修正[21 ] 。由于水体中泥沙沉积物中210 Pbex 浓
度的变化与产沙源区的含量有关 ,用表层土壤和底层土壤中的210 Pbex 与其它核素的比值可以说明土壤
的侵蚀状况。Wasson 在 Burrinjack 水库的研究结果表明 ,在 1925～1940 年间 ,该水库上游的土壤片蚀比
现在强烈 ,是水库沉积物的主要来源 ,而 1950 年以后 ,表层土壤侵蚀减弱[22 ] 。
由于大气沉降核素 (210 Pbex、137 Cs、7Be 等)在未扰动的土壤剖面上分布深度不同 ,如210 Pbex 主要分布
于土壤剖面上部 0～10cm ,而137 Cs 可分布于 0～30cm ,因此可以利用核素在不同深度的含量差异定量研
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究土壤片蚀和沟蚀的强度[23 ,24 ] 。
对于小尺度区域的土壤侵蚀而言 ,Mattheus 发现随降雨沉降的210 Pbex 由于土壤的强烈吸附主要存
在于未扰动的土壤表层 ,故210 Pbex 可以比137 Cs 更敏感地反映土壤厚度的变化[25 ] ,在侵蚀机理上比137 Cs
具有更大的灵敏性[26 ] 。Wallbrink 等[27 ]在人工降雨时发现 ,降雨前表层土壤中有较高的137 Cs 和210 Pbex ,
尚未产生细沟侵蚀的连续降雨 ,210 Pbex 减少而137 Cs 保持不变 ,因此可用137 Cs 和210 Pbex 来研究片蚀到细沟
侵蚀的侵蚀过程 ;如在小流域的出口处监测137 Cs 和210 Pbex 的活度变化可了解小流域的侵蚀过程。
137 Cs 在大气中的沉降并不是均匀的 ,存在很大的变异[28 ] ,但一般均假设其原始沉降量是固定不变
的 ,这样使其研究结果的可靠性降低。Wallbrink 研究发现 ,210 PbexΠ137 Cs 与土层深度是单调递减关系 ,且
可以降低其变异性。这样在扰动点测出平均的210 PbexΠ137 Cs 值和参考点不同深度值的校正曲线进行比
较 ,则可计算出土壤侵蚀量[29 ] 。Murray 等[30 ]在 Murrumbidgee 河研究中用210 PbexΠ137 Cs 的比值分析了泥沙
来源 ,在 12 年一遇的洪水悬浮泥沙中 ,有 50 %来自于上游山地 ,在一般情况下存在相似的结果。
3 　238U 和232 Th 研究泥沙来源
238U 和232 Th 主要来源于岩石 ,238U 和232 Th 的含量有着高相关性 ,主要被土壤颗粒吸附或与铁锰氧化
物一起存在于土壤表层[31 ] 。在现代泥沙来源中 ,238 U 和232 Th 之间有强的相关性 ,因此可用作研究泥沙
来源的示踪剂[8 ] 。Meijer 利用238UΠ232 Th 值研究了荷兰海岸沙丘的来源 ,238UΠ232 Th 大于 1 的泥沙主要来源
于中欧 ,小于 1 的主要来源于斯堪的纳维亚地区[32 ] 。一些研究表明 ,238 U 的分析有大的不确定性 ,因此
常用238U 的衰变子体226 Ra 和232 Th 研究泥沙来源。它们在土壤中活度的高低除与地形变化有关以外 ,主
要与土壤颗粒大小、容重和成土母质有关。226 Ra 和232 Th 与颗粒有较高的结合能力和低的溶解性 ,及少
随水迁移 ,其变化主要与固体颗粒移动有关。从放射化学基本规律可知 ,对于两种核素在达到永久平衡
时有[33 ] :
　　N1ΠN2 = λ2Πλ1 (5)
式中 , N1 、N2 分别为两种放射性核素的活度 ;λ1 、λ2 分别为两种核素的半衰期。因此母质中的核素比例
有一特征值。226 Ra 和232 Th 通过母质分化成壤成为土壤物质 ,一般假定在没有和分选的情况下 ,土壤中
的比例与母质相等。如果土壤中的226 RaΠ232 Th 与母质相比有显著的差异 ,说明存在土壤颗粒的输移和再
分布过程 ,因此 ,226 Ra 和232 Th 在土壤中的浓度比率也被广泛应用于表征沉积来源[34 ] 。Olley 等人认为不
同的泥沙来源区有着其固定226 RaΠ232 Th 比值 ,通过测定沉积泥沙和来源区土壤中的比值 ,利用来源区土
壤和沉积区泥沙的226 RaΠ232 Th 值回归 ,其系数可说明不同来源区的泥沙比例[23 ] 。Murray 利用226 RaΠ232 Th
研究了在澳大利亚的 Jenolan Caves 地区的泥沙来源 ,将水库泥沙区分为来源不同的两个地区[35 ] 。
示踪技术为土壤侵蚀与沉积研究提供了一种有效的手段 ,目前的发展趋势是寻求多核素复合示踪 ,
以满足监测不同类型的产沙量和分布 ,提高监测的量化程度和精度 ,为防治水土流失提供基础资料和
数据。
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