全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 052392204
放射性核素7Be 在土壤侵蚀研究
中的应用现状及前景
李立青　刘普灵　杨明义
(中国科学院 教育部水土保持与生态环境研究中心 ,西北农林科技大学水土保持研究所 ,陕西 杨陵　712100)
摘 　要 :本文介绍了7Be 目前在土壤侵蚀研究中的应用现状 ,并提出了今后7Be 示踪土壤侵蚀的
研究方向。
关键词 :7Be ;土壤侵蚀 ;定量模型
THE ADVANCE OF RADIONUCLIDE 7 Be AS A TRACER IN STUDYING SOIL EROSION
LI Li2qing 　YANG Ming2yi 　LIU Pu2ling
( Research Center of Soil and Water Conservation &Eco2environment , Chinese Academy of Sciences and Education Ministry , Institute
of Soil and Water conservation and , Northwest Sci2Tech University of Agriculture and Forestry , Yangling , Shanxi , 　712100)
Abstract: This paper presents the recent developments in the use of the environmental radionuclide 7Be for
documenting rates of soil erosion and deposition.
Key word :7Be ; soil erosion ; quantitative model
收稿日期 :2002204215
基金项目 :国家自然科学基金项目资助 (40071059)
作者简介 :李立青 (1977～) ,男 ,内蒙古人 ,硕士 ,主要从事土壤侵蚀新技术、新方法研究。
径流、侵蚀垂直分带规律是坡面侵蚀的基本规律 ,揭示这种规律不仅有助于人们对坡面土壤侵蚀方
式内在联系与演变规律的认识 ,而且对于正确布设水土保持措施 ,防止土壤侵蚀具有重要意义[1 ] 。坡面
土壤侵蚀沿垂直方向的变化非常复杂 ,它主要取决于地面径流的形成与汇集、土体被破坏剥蚀、泥沙输
移与沉积的复杂过程 ;并受降雨、地形、土质等多种因素的影响[2 ] 。
现有的土壤侵蚀测定方法基本可分为径流小区法、调查法和示踪剂法[3 ,4 ] 。径流小区法和调查法虽
然广泛应用于土壤侵蚀研究中 ,但它们对研究土壤侵蚀过程和侵蚀沉积空间分布特征时却面临着许多
困难 ,而示踪剂法在研究土壤侵蚀过程和侵蚀沉积空间分布特征中却能够克服径流小区法和调查法的
不足 ,发挥其特有的优势。
目前 ,应用放射性核素 (137 Cs、210 Pb、7Be、226 Ra 和228 Ra 等) 和稀土元素 (REE) 示踪土壤侵蚀的研究备
受许多研究者的重视 ,以 137Cs 和 210Pb 示踪技术在土壤侵蚀中的应用研究较为成熟[5213 ] 。应用137 Cs 和
210 Pb 技术通过一次采样 ,可分别进行大约 50 年和 100 年以来的土壤侵蚀速率估算和侵蚀空间分布特征
的研究。但是137 Cs 和210 Pb 示踪技术无法研究短期内或次降雨土壤侵蚀速率及其空间分布特征 ,也无法
评价特定土地利用方式的侵蚀程度。7Be 作为一种放射性核素 ,有与137 Cs 和210 Pb 相似的环境化学行为 ,
而7Be 的半衰期仅为 5313d ,这就使7Be 具备了示踪短期内或次降雨某种土地利用方式下的土壤侵蚀空
间分布特征。本文就7Be 在土壤侵蚀研究中的应用原理、现状做一综述。
293　 核 农 学 报　2003 ,17 (5) :392～395Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
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1 　7Be 的示踪原理及其示踪价值
111 　7 Be 来源与散落特征
7Be 是一种自然界产生的放射性核素 ,由对流层和同温层大气中的氧和氮在宇宙射线作用下分裂
生成 ,其半衰期为 5313d[14 ] 。大气中产生7Be 通过连续的干湿沉降作用到达地表。Wallbrink 等[15 ]研究发
现7Be 主要是通过降雨到达地表 ,并且与降雨量存在着一定程度的相关关系 :沉降通量 (BqΠm2 ) = 1103 ×
降雨量 (mm) + 412 (R2 = 016) 。而每个月干沉降的贡献仅占 3 %～8 %。不同的研究者在世界不同地区
对日表层土壤中7Be 的活度进行测定 ,变化范围有 :140～340 BqΠm2 ;230～330 BqΠm2 ;370～740BqΠm2 [16 ] 。
112 　7 Be 在土壤颗粒中的分布
7Be 通过沉降作用到达土壤表面后能够很快被土壤吸附。7Be 在土壤的不同化学组成中赋存比例
不同。白占国等[17 ]研究表明 ,土壤中7Be 的水溶态和可交换态占7Be 的总量的不到 1 % ,土壤中的7Be 主
要是有机结合态和 Fe2Mn 氧化结合态 (大约占 80 %) ,仅有少部分 (15 %～18 %) 以残余态存在。在一般
环境条件下 ,7Be 几乎是不溶的 ,它随着土壤颗粒的运动而发生迁移。7Be 在土壤不同颗粒中的分配也
不相同。Wallbrink[15 ]研究7Be 在土壤不同粒径颗粒中的分布发现二者存在明显的相关性 ,随土壤颗粒径
变小7Be 的活度增加。
113 　7 Be 的土壤剖面分布特征
沉降输入到土壤中的7Be 在土壤剖面中的分布特征 ,一方面与其自身的半衰期有关。虽然7Be 是连
续沉降向土壤输入 ,但由于其半衰期较短 ,所以不可能在土壤中长期蓄积 ,因此也就不可能在土壤中剖
面中向下迁移很深。另一方面 ,土壤的覆盖程度和物理性质对 7Be 的土壤剖面分布有重要影响。
Olsen[14 ]等研究表明 ,美国沼泽土中7Be 的最大剖面分布深度维 40～50mm ,而对于未饱和的沼泽土而言 ,
由于雨水的快速下渗可能使7Be 的剖面分布更深。
Wallbrink[15 ]曾对7Be 在土壤剖面中的分布及其影响因素做过大量研究。通过对不同土地利用类型 :
裸地、草地、林地土壤中7Be 的测定 ,7Be 在土壤表层 0～20mm 分布 ,7Be 的最大渗透深度受植被覆盖和
土壤物理性质 (如土壤容重和土壤结构) 的影响。7Be 的活度随土壤深度的增加基本呈指数递减。
Walling[18 ]对耕作土壤和非耕作土壤7Be 的垂直分布研究表明 ,其分布深度也在 0～20mm 范围内。在未
发生侵蚀或堆积的耕作土壤中7Be 的分布模式和总活度与分耕作土壤基本一致 ,但前者的最大分布深
度略高于后者 ,表层活度却低于后者 ,这反映了二者土壤质地和土壤容重之间的差异。在发生侵蚀的耕
作土壤中7Be 的活度明显低于非耕作土壤。而在发生堆积的耕作土壤中7Be 的活度和分布深度明显高
于非耕作土壤。
114 　7 Be 示踪土壤再分布的价值
从7Be 的环境地球化学行为来看 ,它可以作为土壤颗粒迁移的示踪剂。一些研究者已将7Be 用于示
踪海洋和湖泊沉积物来源的研究[19 ] 。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 ,加之较短的半衰期
(5313d) ,所以它可作为短期内、次降雨土壤侵蚀空间分布特征的示踪剂 ,也可作为评价不同土地利用方
式下土壤侵蚀程度的示踪剂。然而 ,7Be 在土壤侵蚀示踪研究中的应用并不多 ,特别是很少用于示踪研
究短期内或次降雨下的土壤再分布速率。白占国[16 ] 研究了喀斯特地区土壤7Be 的季节性变化 ,探讨了
应用7Be 研究土壤侵蚀的可能性。Walling 利用7Be 示踪技术对一次降雨侵蚀事件的侵蚀与沉积的空间
分布进行研究 ,取得了满意结果。
7Be 示踪技术应用于土壤再分布速率研究的原理与137 Cs 技术是相似的。因此 ,特定采样点土壤的
7Be 含量与基准点7Be 含量差值可反映土壤的空间再分配作用的强度。与基准值相比 ,土壤7Be 总活度
的损失说明该采样点发生了侵蚀 ,土壤总活度的增加则表示出现了沉积。土壤中的7Be 损失率或增加
率则可用于定量计算土壤侵蚀或沉积速率。
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2 　土壤7Be 损失率与土壤侵蚀速率之间的定量关系模型
由于沉降输入到土壤中的7Be 在土壤表层分布 ,因此 ,7Be 的土壤剖面分布特征可以表征土壤的侵
蚀程度。目前 ,应用7Be 示踪技术计算土壤再分布速率的模型的研究并不多。白占国[17 ] 和 Walling[18 ] 根
据7Be 在土壤中的剖面分布特征建立了各自的土壤侵蚀模型。这里仅对 Walling 的模型做一简单介绍。
Walling 等根据7Be 在未扰动土中的垂直分布随深度递减的趋势 ,建立了以7Be 初始剖面分布特征为
基础的定量模型。该模型假设7Be 在表层土壤剖面中呈指数型分布 :
　　CBe ( x) = CBe (0) e - xΠh0 (1)
式中 ,x 为土壤质量深度 (kgΠm2 ) ; CBe ( x) 为深度 x 处的7Be 初始活度 (BqΠkg) ; h0 为张驰质量深度 (kgΠ
m
2 ) ,以表征7Be 土壤剖面分布形式。对于指数型剖面分布形式 ,土壤剖面7Be 总量的 63 %分布于 0～ h0
深度范围内。h0 越大 ,说明7Be 的剖面最大分布深度越深。
研究区土壤7Be 的基准值 ABe , ref (BqΠm2 )采用未受侵蚀或沉积的土壤的7Be 总活度测定值。
　　ABe , ref =∫
8
0
CBe ( x) dx = CBe (0) H0 (2)
在初始分布形式下 ,深度 x 以下7Be 总活度 ABe ( x) (BqΠm2 )可用下式表示 :
　　ABe ( x) =∫
8
x
CBe ( y) dy = CBe (0) h0 e - xΠh0 (3)
该模型假设侵蚀作用使表层一定厚度的整个薄层土壤损失掉。设 h (kgΠm2 ) 为土壤侵蚀的厚度 ,且
x = h = RBe , RBe为土壤侵蚀速率 ,可由下式求得 :
　　RBe = h = h0 ln
ABe , ref
ABe
(4)
如果采样点的7Be 总活度高于基准值 ,则说明该点发生了净沉积。沉积速率 R’Be (kgΠm2 ) 的大小与
该点7Be 的活度高于基准值的幅度和沉积土壤中7Be 的浓度 CBe , d (BqΠkg)有关。由于本技术适用于短期
内土壤再分配作用的示踪 ,加之衰减作用可以忽略 ,因此 ,土壤沉积速率 R’Be可用下式表示 :
　　R′Be = ( ABe - ABe , ref )ΠCBe , d (5)
假设沉积土壤7Be 的浓度 CBe , d反映来自上坡向贡献面积 S 的沉积物的7Be 平均质量浓度 CBe , e (BqΠ
kg) ,则有 :
　　CBe , d = 1
∫s RBe dr∫s
CBe , c RBe ds (6)
来自特定侵蚀单元的沉积土壤的7Be 浓度可由该点的7Be 初始分布浓度和侵蚀速率求得 :
　　CBe = ABe , ref (1 - e - RBeΠh0 )ΠRBe (7)
该模型主要应用于一次降雨侵蚀 ,这次降雨侵蚀与相邻的上一次降雨侵蚀间隔大约 5 个月。这样
上次降雨造成的土壤侵蚀与沉积作用对7Be 空间分布的影响由于衰减而消失。
3 　建议与展望
根据7Be 是自然界产生、连续沉降、半衰期短 (5313d) 、在土壤表层富集等特点 ,今后在利用7Be 作为
土壤侵蚀 (水蚀)示踪剂的研究过程中 ,应主要从以下几个方面着手 :
(1) 7Be 主要通过降雨到达地表 ,在同一地区地形对降雨的再分配作用会引起土壤中7Be 含量的空
间分异性。因此 ,在应用7Be 估算土壤侵蚀速率时 ,一定要考虑到7Be 的空间分布特征。
(2) 7Be 在土壤剖面中分布模式是利用7Be 估算土壤侵蚀速率的基础 ,而7Be 在土壤剖面分布特征受
沉降通量、衰变作用、渗透作用以及侵蚀作用的共同影响。因此 ,对7Be 在土壤剖面中分布模式的研究
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不容忽视。
(3)由于7Be 主要在土壤表层 (1cm 左右)富集 ,所以7Be 在土壤侵蚀研究中的应用应放在坡度较低、
以片蚀和细沟侵蚀为主的坡面。
(4) 7Be 连续沉降与半衰期 5313d 是7Be 示踪短期内或特定侵蚀事件 (一次降雨) 土壤侵蚀程度的优
势 ,所以可用于评价不同水土保持措施 ,特别是林草植被建设的减沙效益 ,为生态环境建设提供及时合
理的评价。
(5) 7Be 是宇宙射线作用于大其中的氧原子与氮原子生成的 ,因此通过研究不同年份、同一年份不
同季节以及不同地区7Be 沉降通量的变化 ,是否可以探讨宇宙射线对地球环境的作用。
(6)目前 ,许多研究者日益关注耕作土壤受侵蚀时造成的场内与场外影响。在耕作土壤中 ,作物所
需的养分主要富集在表层 ,由于土壤侵蚀作用很容易使表层土壤中的养分流失 ,不仅降低了土地生产
力 ,而且威胁着下游水体的生态平衡。因此 ,利用7Be 分布在土壤表层的特点 ,可以示踪耕作土壤养分
的流失特征。
参考文献 :
[ 1 ] 　郑粉莉 , 高学田. 黄土坡面土壤侵蚀过程与模拟. 陕西人民出版社. 2000.
[ 2 ] 　刘普灵 ,武春龙 ,等. 稀土元素示踪法在坡面土壤侵蚀垂直分布研究中的应用. 水科学进展. 2001 ,12 (3) :331～335.
[ 3 ] 　唐小明 ,李长安. 土壤侵蚀速率研究方法综述. 地球科学进展. 1999 ,14 (3) :274～277.
[ 4 ] 　王礼先. 关于土壤侵蚀规律研究的目的与方法. 水土保持通报. 1981 , 3 :17～21.
[ 5 ] 　田均良 , 周佩华 , 刘普灵 ,等. 土壤侵蚀 REE示踪法研究初报. 水土保持学报. 1992 , 6 (4) :23～27
[ 6 ] 　田均良. 侵蚀泥沙坡面沉积研究初报. 水土保持研究. 1997 ,4 (2) :57～63
[ 7 ] 　石辉. 利用 REE示踪法研究小流域泥沙来源. 中科院水保持所 ,硕士研究生毕业论文. 1995
[ 8 ] 　张信宝 ,李少龙 ,王成华 ,等. 137Cs 法测算梁峁坡农耕地土壤侵蚀量的初探 ,水土保持通报. 1988 ,8 (5) :18～22
[ 9 ] 　张信宝 , 李少龙 , 王成华 ,等. 黄土高原小流域泥沙来源的 Cs2137 法研究. 科学通报. 1989 , 3 :210～213
[10 ] 　Rogowski A S , Tamura T. Movement of Cs2137 by runoff , erosion and infiltration on the alluvial captina silt loam. Health Physics. 1965 ,11 :1333
～1340
[11 ] 　Ritchie J C ,MeHenry J R ,Gill A C. Fallout Cs2137 in the soils and sediments of three small watersheds. Ecology. 1974 ,55 :887～890
[12 ] 　唐翔宇 ,杨浩 ,赵其国 ,等. 137Cs 示踪技术在土壤侵蚀估算中的应用研究进展. 地球科学进展 ,2000 ,4 (1) :576～582
[13 ] 　唐翔宇 , 杨浩 , 赵其国 ,等. 7Be 在土壤侵蚀示踪中的应用研究进展. 地球科学进展. 2001 , 16 (4) :520～525
[14 ] 　Olsen C R , Larse I L , lowry P D , et al . Atomospheric fluxes and marsh2soil inventories of 7Be and 210 Pb. J Geophys Res. 1985 ,90 :10487～
10495.
[15 ] 　Wallbrink P J , Murray A S. Distribution and variability of 7Be in soils under different surface cover condition and its potential for describing soil
redistribution. Water Resources Res , 1996 , 32 (2) : 467～476
[16 ] 　Murry A S , Olley J M. Natural radionnuclide behavior in the fluvial environment . Radiat Prot Dosim. 1992 , 45 : 285～288
[17 ] 　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) :266～275
[18 ] 　Walling D E , He Q P , Blake W. Use of 7Be and 137Cs measurements to document short2 and medium2term rates of water2induced soil erosion on
agricultural land. Water Resource Res. 1999 , 35 (2) : 3865～3874
[19 ] 　万国江 ,Appleby P G. 环境生态系统散落核素示踪研究新进展. 地球科学进展 ,2000 ,15 (2) :1722177
593Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (5) :392～395
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net