全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 022213205
坡面植物生长期内对7Be 的截留吸收及影响因素分析
张风宝1 　杨明义1 ,2 　李占斌1 ,2 ,3 　刘普灵1 ,2 　田均良1 ,2
(11 西北农林科技大学资源环境学院 ,陕西 杨凌　712100 ;
21 中国科学院、水利部水土保持研究所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 ;
31 西安理工大学水利水电学院 ,陕西 西安　710048)
摘 　要 :对坡面植物在生长期内7Be 含量的动态变化进行研究 ,发现随着生长植物在生长期内7Be 含量增
加 ,单位面积上植物截留吸收7Be 量增加 ;研究区坡面7Be 的植被截留吸收率为 3135 %～8144 % ,说明植
被覆盖对土壤中7Be 含量有重要的影响。同时还发现 ,不同采样间隔期7Be 日均增量不定 ,在整个采样
期内变异性大 ,变异系数为 0169 ,但从春季到夏季的前 4 个采样间隔期变异性相对较小 ;不同采样间隔
期7Be 日均增量和日均降雨量呈正比 ,相关系数为 0164。
关键词 :土壤侵蚀 ; 坡面植物 ; 7Be ; 放射性核素
7 Be IN FALLOUT INTERCEPTION AND ABSORPTION BY SLOPE
PLANTS AND THE IMPACT FACTORS
ZHANG Feng2bao1 　YANG Ming2yi1 ,2 　LI Zhan2bin1 ,2 ,3 　LIU Pu2ling1 ,2 　TIAN Jun2liang1 ,2
(11 College of Resources and Environment , Northwest A & F University , Yangling , Shaanxi 　712100 ;
21 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau , Institute of Soil and Water Conservation ,
Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources , Yangling , Shaanxi 　712100 ;
31 Xi’an University of Technology , Xi’an , Shaanxi 　710048)
Abstract :Different plants on slope were collected and 7Be activity in plants was detected. The results showed that with the
growth of plants , 7Be activity in plants was increasing ; 7Be activity intercepted and absorbed by plants on slope per square
meter was also increasing and reached the maximum in autumn. The percentage of 7Be intercepted and absorbed by plants was
3135 %～8144 % , which indicated that the 7Be interception2absorption by plants obviously impacted on the 7Be activities in
soil. The data also showed that daily average of 7Be increment was variable in different sampling intervals with a variation
coefficient of 0169 , but the variation was relatively small in the first four sampling intervals from spring to summer. The
relationship between daily average 7Be increment and daily average rainfall in different sampling interval was also analyzed and
showed of a positive correlation with a correlation coefficient of 0164.
Key words :soil erosion ; slope plants ; 7Be ; radionuclide
收稿日期 :2007204218 　接受日期 :2007207206
基金项目 :国家“973 计划”项目 (2007CB407201) 、国家自然科学基金项目 ( 40401032)和教育部“新世纪优秀人才支持计划”
作者简介 :张风宝 (19802) ,男 ,回族 ,宁夏回族自治区彭阳人 ,在读博士研究生 ,主要从事利用核素示踪土壤侵蚀及土壤侵蚀过程的研究。E2
mail :zhangfengbao1980 @tom. com
通讯作者 :杨明义 (19702) , 男 ,山东莱州人 ,研究员 ,主要从事土壤侵蚀基础理论及核素示踪的研究。E2mail :ymyzly @163. com　　7Be 是宇宙射线轰击大气氮、氧靶核而产生的放射性核素 ,半衰期较短 ,为 5313d[1～3 ] ,7Be 产生后很快形成 BeO 或 Be (HO) 2 ,被吸附在亚微米尺度的气溶胶(粒子直径一般为 013～014μm) 上随大气运动 ,一方面 通过衰变损失 ,另一方面通过连续性干湿沉降降落到地表 ,被土壤颗粒吸附[1 ,4～7 ] 。7Be 由于沉降的连续性、较短的半衰期、地表土壤剖面的分布特征及地球化学性质使其成为示踪短期内或季节性土壤侵蚀的良好示
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踪剂[1～7 ] ,近十几年来逐渐应用于土壤侵蚀的研究 ,
Walling[9 ,10 ] 、 Blake[2 ,11 ] 、 Wallbrink[12 ,13 ] 、 Paulina
Schuller[14 ] 、白占国[8 ,15 ,16 ] 、张信宝[17 ] 、杨明义[18 ] 等在这
方面做了许多工作。但现有的研究大多都没有考虑植
物截留吸收7Be 对土壤中7Be 含量及测定结果的影响。
Wallbrink[13 ]研究发现 ,不同植被覆盖度下土壤7Be 含量
的差异性很大 ,在植被覆盖度较好的土壤上 ,7Be 被草
本植被截留的量占地表总活度的比例可达 55 % ;
Papastefanou[19 ]研究表明 ,植物 ( graminae or poacheae) 中
7Be 含量平均为 5414 Bq·kg - 1 ,土壤 - 植物转移系数
TF ( Transfer coefficients ) 为 01027 ～ 2。日 本 学 者
Osaki [20 ]发现日本雪松 ( Japanese cedar) 的树叶、树皮中
都含有 7Be ; 国内周玉萍 [21 ] 也发现小白菜 ( Brassica
chinensis L)中含有7Be ,含量为 1014 Bq·kg - 1 。但这些
研究大多针对单一问题或不同目的进行 ,只说明植物
截留吸收7Be ,且对土壤中7Be 含量的有重要的影响 ,而
没有对植物 - 土壤中7Be 含量的关系进行系统的定量
研究分析 ,因此有必要研究植物生长期内7Be 含量的
动态变化及影响因素 ,以定量研究植被覆盖对土壤中
7Be 含量的影响 ,这对于提高结果的准确性、模型的建
立及拓宽7Be 示踪技术的应用范围都具有重要意义 ,
同时也为示踪生态系统中物质传递过程 ,评价7Be 通
过食物链对人类健康的潜在危害等研究提供依据。
本文以黄土高原丘陵沟壑区 (延安市燕沟流域鸡
蛋峁)坡地植物为研究对象 ,分析 2005 年生长期内坡
面植物7Be 含量的动态变化及植物截留吸收7Be 对土
壤中7Be 含量的影响 ,探讨影响植物中7Be 含量变化的
主要因素 ,以期深入了解植物对7Be 沉降再分配的作
用 ,为进一步利用7Be 示踪技术研究土壤侵蚀提供可
靠的依据。
1 　试验方法
111 　试验区概况
燕沟流域位于东经 109°20′00″～109°35′00″,北纬
36°20′00″～36°32′00″,流域大致呈东南 - 西北走向 ,海
拔 986～1425m ,属黄土高原丘陵沟壑区第 Ⅱ副区 ,主
沟长 816km ,流域面积 46188km2 。流域内地形复杂 ,
沟壑纵横 ,土地利用类型多样。流域内成土母质为黄
土 ,土壤以黄绵土为主 ,肥力较低。流域处于暖温带半
湿润气候向半干旱气候过渡带 ,年平均气温 918 ℃,多
年平均降水量为 55814mm , 其中 6～9 月份降水量占全
年降水量的 70 %以上。所有植物样品都是在流域内
的坡地鸡蛋峁上采集 ,坡面向阳 ,约 22°～25°左右 ,长
约 70m ,直形 ,坡上分布了一些栽有刺槐的鱼鳞坑 ;野
生植物以冰草 ( Agropyron cristatum L. Gaertn) 、翻白草
( Potentilla discolor Bunge) 、狗娃花 ( Heteropappus hispidus
( Thunb. ) less) 、黄蒿 ( Artemisia scoparia Waldst . et Kit) 、
铁杆蒿 ( Tripolium vulgare Ness) 等草本和半灌木植物为
主 ,也有如胡枝子 ( Lespedeza bicolor Turcz) 、土庄秀线菊
( Spiaea pubescens Turcz) 等小灌木 ,整个坡面植物种及
覆盖度比较均匀。
112 　样品采集与处理
分别于 2005 年 5 月 20 日、6 月 6 日、7 月 27 日、9
月 9 日和 10 月 22 日采集植物样 ,除第一次外 (第一次
主要目的是试测植物中是否含有7Be) ,其他几次都是
在一定面积上采集 ,采样面积大小以植物量满足仪器
测量为标准 ,采集的混合样中无小灌木 ,连同植物根一
起采集 ,测量采样面积的坡度 ,换算成单位投影面积的
植物量。采集植物样的同时在坡面附近无侵蚀扰动和
沉积且植被少的平坦地面采集土壤样作为该时间土壤
中7Be 背景值样 ,采样深度 2cm ,总共采集 6 个样点 ,混
合成 3 个样。
样品运回实验室后 ,用清水洗净植物根部 ,并同地
上部分在 60 ℃～80 ℃下烘干 ,然后用粉碎机粉碎 ;土
壤样风干 ,研磨后过 1mm 筛 ,所有样品都装入特制的
塑料盒中称重待测。
113 　样品测定
采用美国 ORTEC公司生产的 8192 道低本底γ能
谱仪 ,在 47716keV 能谱峰下测定7Be 比活度 ,测定时间
为 86400s ,用全峰面积法 ( TPA) 求算7Be 的比活度。由
于7Be 没有标准源 ,采用从低能段到高能段的 10 种标
准源标定 ,得到仪器的探测效率曲线 ,根据曲线拟合方
程从而得到7Be 的探测效率。每一个样品中的7Be 含
量都衰变校正到采样时的含量。
2 　结果与分析
211 　生长期内植物7 Be 含量的变化
为分析植物在生长期内截留吸收7Be 及对土壤中
7Be 含量的影响 ,从 2005 年 5 月 20 日到 10 月 22 日的
不同时间采集坡面混合植物 (主要是草本和半灌木) ,
测定植物中7Be 含量 ,结果如图 1 所示。在采样期内 ,
不同采样时间混合植物样中 7Be 含量分布在 6618 ±
413～288168 ±1415Bq·kg- 1 之间 ,随着生长时间的增
长 ,植物截留吸收7Be 的量逐渐增大 ,到秋季达到最
大 ,说明植物生长过程中有7Be 的累积 ,7Be 在植物中
的累积速率大于其衰变速率。
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为了进一步说明生长期内植物截留吸收7Be 量的
动态变化规律及影响因素 ,计算出不同采样间隔期 (两
次采样的间隔时间 ,第一个间隔期定义为第一次采样
以前的植物生长期 ,由于不同植物开始生长的时间不
同 ,假定是 4 月 10 日所有植物都开始生长) 7Be 增量的
变化 ,对不同间隔期7Be 增量进行归一化处理。图 2
为不同采样间隔期7Be 日均增量的变化图 ,从整个生
长期来看 ,不同采样间隔期7Be 日均增量的变化幅度
较大 ,在 1113 ±011～4197 ±0159Bq·kg- 1·d - 1之间 ,均
值为 2125 Bq·kg - 1·d - 1 ,标准差为 1156 Bq·kg - 1·d - 1 ,
变异系数为 0169 ;但就植物生长的中前期 (前 4 个间隔
期)而言 ,7Be 的日均增量变化不大 ,均值为 1157 Bq·
kg - 1·d - 1 ,标准差为 0139 Bq·kg - 1 ·d - 1 ,变异系数为
0124。这说明植物在生长中前期 (春末到夏季末) 截
留吸收7Be 的量相对较少且较均匀 ,而在生长后期 (秋
季)截留吸收的7Be 量突然增大。
图 1 　生长期内植物7Be 含量的变化
Fig. 1 　Change of 7Be content in plant at
different growth time
212 　采样期内单位面积上植物截留吸收7 Be 量的变
化
植物中7Be 含量只能表征植物截留吸收了7Be ,而
不能定量化地确定植物在7Be 沉降过程中的作用 ,但
利用单位投影面积上植物对7Be 的截留吸收量 ,则能
定量化描述植物对7Be 再分配及对土壤中7Be 含量的
影响。
从 2005 年 6 月 6 日到 10 月 22 日 (因第一次采样
没有按面积采 ,故从第二次采样计算) ,单位投影面积
上植物量从 01088kg·mm- 2增加到 01162kg·mm - 2 ,同时
由上面的结果可知 ,采样期内植物中7Be 累积含量是
增加的 ,即随着植物的生长 ,单位面积上植物截留吸收
7Be 量呈明显增加 (如图 3) ,从 7172Bq·m - 2 增加到
46154Bq·mm - 2 ,增加了 6 倍之多。说明随着植物的生
长 ,植被覆盖度的增加 ,单位面积上植物截留吸收的
7Be 量增大 ,对土壤中7Be 含量的影响也就变大。
图 2 　不同采样间隔期内7Be 日均增量的变化
Fig. 2 　7Be increment of daily average in
different sampling intervals
1 :10Π4 - 20Π5 ;2 :20Π5 - 6Π6 ;3 :6Π6 - 27Π7 ;
4 :27Π7 - 9Π9 ;5 :9Π9 - 22Π10. 图 4 同
The same as Fig. 4
图 3 　不同时间单位面积植物截留吸收7Be 量的变化
Fig. 3 　Change of 7Be activity held
by plant on per unit area
213 　7 Be 的植被截留吸收率
7Be 的植被截留吸收率是指研究区域内单位投影
面积上植物截留吸收7Be 量占同期该研究区内土壤中
7Be 背景值的百分比 ,用来表征地表植被覆盖对沉降
核素7Be 再分配影响的大小。表 1 给出植物生长期内
土壤中7Be 的背景值 ,单位面积上植物截留吸收7Be 的
量及7Be 的植被截留吸收率。由表 1 可知 ,本次研究
的坡面上7Be 的植物截留吸收率为 3135 %～8144 % ,
平均值为 4187 %。在整个植被生长期内 ,随着植物生
长 ,植被覆盖度增加 ,7Be 的植被截留吸收率呈增长趋
势 ,到秋季截留吸收率达到最大 ,说明植被覆盖度越
512　2 期 坡面植物生长期内对7Be 的截留吸收及影响因素分析
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高 ,对土壤中7Be 含量的影响就越大。与 Wallbrink[13 ]
研究结果相比较 ,此次研究的截留率较小 ,主要原因可
能是此次研究坡面既是阳坡 ,又是迎风坡 ,植被覆盖度
相对较小 ,单位面积上干植物的量整体相对较小 ,即使
秋季最大 ,也才为 0116kg·mm - 2左右 ;同时地表的干枯
植物和半分解物截留吸收的7Be 量较大 ,尤其在雨季 ;
且这次只研究活植物对7Be 的截留率 ,而忽略了干枯
植物和半分解物。
214 　植物截留吸收7 Be 的影响因素分析 植物对7Be 截留吸收主要受以下因素的影响 : (1)7Be 的输入通量 ; (2) 土壤中7Be 的浓度 ; (3) 植被覆盖度 ; (4)不同植物对7Be 的生物化学特性 ; (5) 降雨条件及降雨时的风速风向等。Papastefanou[16 ] 、Osaki[17 ] 等研究认为 ,植物根系吸收7Be 的量很少 ,主要靠地上部分截留吸收7Be ,同时不考虑混合植物样中某一种特定植物7Be 的生物化学行为特性及植物本身的外部形态 ,因此本研究中影响坡面植物截留吸收7Be 的主要因素就是降雨条件和地表的植被覆盖情况。
表 1 　不同采样时间里土壤、植物吸收截留7Be 含量分布
Table 1 　The data of 7Be inventory in soil and interception2absorption in plants during different sampling time
采样日期
sampling date (dayΠmonth) 土壤中7Be 背景值7Be reference inventory in soil (Bq·mm - 2) 植物截留吸收7Be 量7Be held by plants (Bq·mm - 2) 7Be 的植被截留吸收率percentage of 7Be held by plants ( %)
6 月 6 日 6 Jun. 230145 ±30106 7172 ±0131 3135
7 月 27 日 27 Jul . 342188 ±36166 12158 ±0162 3167
9 月 9 日 9 Sep . 498189 ±44122 20102 ±1102 4101
10 月 22 日 22 Oct . 551119 ±47180 46154 ±0195 8144
　　已有植被截留雨水的研究表明[22 ] ,植被覆盖度越
高 ,雨水截留量越大 ;对降雨而言 ,小雨的植物截留率
高 ,大雨和暴雨截留率低 ,相同降雨量时 ,降雨强度大 ,
截留量小。研究表明植物主要通过地上部分截留吸收
7Be[19 ,20 ] ,因此植物中7Be 含量的变化和植物截留雨水
量的变化应是一致的 ,即在高覆盖度下 ,大雨量低强度
长历时的降雨有利于植物截留吸收7Be。
图 4 　不同采样间隔期日均增量与日均降雨量的关系
Fig. 4 　The Relationship between 7Be increment
of daily average and daily rainfall
在整个采样期内 ,随着植物的生长 ,植被覆盖度逐
渐增大 ,在降雨条件一定的情况下 ,植被截留吸收7Be
量就增加。本次研究坡面单位面积植物量从第一次采
样的 01088kg·mm - 2增大到 01162kg·mm- 2 ,可表征覆盖
度也是增大的 ,因此本次研究中影响采样间隔期植物
中7Be 增量波动变化的主要因素为降雨条件。图 4 为
采样间隔期日均降雨量和7Be 日均增量变化图 ,从总
体上看 ,随日降雨量的增大 ,7Be 日均增量也有相应增
大的趋势 ,二者相关系数为 0164 ,但是受植被覆盖度、
降雨类型、降雨时风速及微地形等影响 ,它们之间的相
关系数较低。对于图 4 出现第 3 个间隔期日均降雨量
高而7Be 日均增量低现象 ,主要是由降雨类型引起的 ,
第 3 个间隔期总降雨量达 139mm ,但其中有 2 次降雨
的雨量占整个间隔期雨量的 75 % ,且次降雨时间都小
于 1d ,与第 1、2 间隔期相比较 ,虽然植被覆盖度和降
雨量都大 ,但高强度的暴雨极不利于植物截留吸收
7Be ;第 4 间隔期虽然单位面积植物量大于第 3 间隔期
0135 倍 ,降雨量是其一半 ,但降雨次数是其 2 倍 ,其中
有 6 次小雨 ,这导致第 4 间隔期7Be 日增量大于第 3 间
隔期。对于第 5 个间隔期 ,降雨量为 143mm ,几乎和第
3 间隔期相同 ,单位面积上植物量相差 0145 倍 ,而7Be
日均增量却相差 4 倍之多 ,这还是由于降雨类型所致 ,
第 5 间隔期以小雨和连阴雨为主 ,如 9 月 19 日降雨持
续 3d ,降雨 74mm , 9 月 28 日降雨持续了 5d , 降雨
48mm ,10 月 18 日降雨持续了 2d ,降雨 613mm ,而这种
大雨量长历时小强度的降雨有利于植物截留吸收7Be ,
同时这个时期植被覆盖度已达到最大 ,所以7Be 的日
均增量在这个间隔期突然增大 (图 4) 。
3 　结论
通过本次研究可以得到以下主要结论 :
311 　在研究时段内 ,植物生长过程中7Be 的累积速率
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大于其衰变速率 ,混合植物样中7Be 含量随植物的生
长而增加 ,单位投影面积上植物截留吸收7Be 量也同
样增加 ,到秋季达到最大。不同采样间隔期植物中7Be
日均增量变化不定 ,变异系数为 0169 ;但在采样的前 4
个间隔期 (从春末到夏季末) 7Be 日均增量变化不大 ,
到最后一个间隔期 (秋季)突然增大。
312 　植物覆盖对土壤中7Be 含量有重要影响 ,在采样期
内 ,随着植物的生长 ,单位面积植物量的增加 ,7Be 植物
截留率增大 ,对土壤中7Be 含量的影响增大。在本次研
究的坡面上 ,7Be 植物吸收截留率为 3135 %～8144 %。
313 　研究表明植被覆盖度和降雨条件是影响植物截
留吸收7Be 的主要因素 ,在高覆盖度下 ,大雨量低强度
长历时的降雨有利于植物截留吸收7Be ;采样间隔期内
植物中7Be 日增量和日降雨量呈正相关 ,相关系数为
0164 ,相关系数较低的原因主要是覆盖度、微地降雨类
型及地貌变化引起的。
本文通过对植物截留吸收7Be 研究 ,确定植物对
大气沉降核素7Be 的再分布有重要影响。但是由于植
物截留吸收7Be 的复杂性以及目前对基础问题研究的
缺乏 ,如植物中7Be 是黏附在植物茎叶表面 ,还是参加
了植物的新陈代谢过程 ,是通过何种途径 (根系或叶
面)参加新陈代谢 ,何种植物对7Be 有富集作用以及7Be
的生物化学特性等研究还很少 ,直接影响7Be 示踪技
术的广泛应用。因此 ,在后续研究中需要进一步系统
研究植被因子对7Be 再分配的影响 ,定量化描述植被
类型、植被覆盖度以及植物种类与7Be 截留量之间的
关系 ,确定不同植物种类对7Be 的吸收及影响因素 ,确
定植物体内7Be 的来源途径 ,量化土壤 - 地表覆盖物
中7Be 的分配比例。这些研究将为修正7Be 示踪土壤
侵蚀速率模型、提高示踪结果的准确性及拓宽7Be 示
踪技术应用范围和层次提供基础性数据 ,同时也可评
价7Be 通过食物链对人体的潜在危害。
致谢 :样品在采集、处理和测定过程中得到李雅琦
老师和张梅花老师的大力帮助 ,在此表示感谢。
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