全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 032236203
核素示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用进展
宋　炜　刘普灵　杨明义
(中国科学院水土保持研究所 ,西北农林科技大学 ,陕西 杨凌　712100)
摘 　要 :介绍了单核素 (137 Cs、210 Pb 和7Be) 、复合核素 (7Be、210 Pb、226 Ra 和137 Cs) 及稳定性
稀土元素 (REE)示踪技术在土壤侵蚀速率、泥沙沉积速率、侵蚀产沙时空分布和侵蚀
类型转变等研究中的应用现状 ,并对各方法做了简要评价。
关键词 :单核素示踪 ;复合核素示踪 ;REE示踪 ;土壤侵蚀
收稿日期 :2001212204
基金项目 :国家自然科学基金项目 (940071059)和中科院“西部之光”资助项目
作者简介 :宋炜 (1977～) ,女 ,内蒙古人 ,在读硕士研究生 ,从事同位素新技术新方法应用研究。
目前国内外对土壤侵蚀的主要研究方法有径流小区法、调查法、立体摄影法、人工模拟降
雨法等 ,但这些方法一般只能研究侵蚀的最终结果 ,难以对侵蚀的物理过程作定量描述[1 ] 。自
从本世纪 60 年代初 Menzel[2 ]研究了土壤侵蚀和放射性核素沉降运移的关系以来 ,核素示踪法
在土壤侵蚀研究中的应用日益受到人们的重视。该法可在不改变原始地貌的条件下 ,通过示
踪元素含量的分布差异来研究土壤侵蚀的发生和分布规律 ,其分析精度和量化程度较高 ,不需
特殊的野外设施 ,能定量监测土壤侵蚀时空变化[3 ] 。目前一般采用单核素、多核素复合及 REE
示踪来研究土壤侵蚀过程 ,并取得了许多研究成果。
1 　单核素示踪
111 　137 Cs 示踪
137 Cs 是核裂变的一种产物 ,它随降水沉降到地面 ,与土壤颗粒紧密结合 ,难以被水淋溶 ,
植物吸收少 ,主要随土壤颗粒的移动发生再分布。Rogowski 等[4 ] 最早提出 ,对于较小的土壤侵
蚀小区 ,137 Cs 在土壤中的再分配和侵蚀小区土壤的运移之间呈紧密相关 ,因此 ,土壤侵蚀和沉
积作用是导致土壤中137 Cs 的迁移和再分配的主因 ,这正是土壤137 Cs 能揭示土壤侵蚀的先决条
件。137 Cs 示踪研究累积性土壤侵蚀过程在理论上和技术上都较成熟 ,主要用于研究侵蚀速
率、泥沙沉积速率、土壤净流失量 ,并建立了土壤剖面中137 Cs 的迁移量与土壤流失量之间的模
型。用137 Cs 法研究土壤侵蚀具有一定的局限性。137 Cs 的半衰期为 30117 年 ,适宜进行中长时
期的侵蚀量宏观估算。由于采用表层土壤含量比较法 ,对于侵蚀严重地带 ,含137 Cs 土层多侵
蚀殆尽 ,限制了该法的应用。137 Cs 最早沉降发生在 1954 年 ,不可能测算更早年代沉积 ,其沉降
的空间变异性也较大[5 ,6 ] 。
112 　210 Pb 示踪
632　 核 农 学 报　2003 ,17 (3) :236～238Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
210 Pb 的半衰期为 2213 年 ,是在自然界中广泛存在的天然放射性核素 ,对示踪百年时间尺
度上的流域侵蚀速率、湖泊沉积速率及其与湖泊沉积耦合关系等具有重要示踪价值。其主要
优点是 :作为一种示踪元素对于一个要研究的区域每年的大气沉降量可在未扰动的土壤中测
得[7 ] 。在土壤侵蚀研究中 ,210 Pb 主要用在沉积速率的测定及沉积记年的示踪研究上。
113 　7 Be 示踪
7Be 是宇宙射线与大气层作用产生并降落到地面的短寿命核素 (半衰期为 5313d) ,在示踪
季节性土壤侵蚀及其与湖泊沉积的耦合关系方面具有特殊意义。大气散落到地表的7Be 具有
颗粒迁移的性质且来源单一 ,在一定区域范围内 ,7Be 散落地表的输入量近于常量 ,再加上7Be
半衰期短 ,不存在长期累积效应 ,所以7Be 具备季节性环境颗粒示踪的必要条件。7Be 已较好
的运用于湖泊、海湾沉积物表层颗粒混合作用的示踪研究[8 ] 。白占国等初步研究了用7Be 示
踪了解土壤侵蚀的动力学特性和季节性变化[9 ] 。
2 　复合核素示踪
单核素示踪存在核素分布变异性较大问题 ,核素复合示踪可降低核素分布的变异性 ,提高
分析精度。Burch 等[10 ]首先提出了用7Be 和137 Cs 复合确定和预测集水区的泥沙来源及其侵蚀
机制。Wallbrink 等发现 ,用210 Pbex或137 Cs 两者面积浓度的比值测定土壤侵蚀的相对标准偏差较
低 ,为利用210 PbexΠ137 Cs 研究土壤侵蚀速率提供依据。核素比率能够降低因核素含量的空间变
异性导致的不确定性 ,是土壤侵蚀示踪的一个较为敏感的指标。此外 ,Wallbrink 等[11 ]利用7Be、
137 Cs 和210 Pbex剖面分布的差异研究了泥沙来源地的相对贡献率。杨明义等根据7Be 和137 Cs 剖
面分布的差异 ,探讨了农耕地小区剖面侵蚀过程和机制。He 等[12 ] 利用137 Cs、210 Pbex和226 Ra 3 种
元素描述了 Culm 河泥沙来源。226 Ra 和228 Ra 是天然放射性核素 ,在环境颗粒迁移过程中也具
重要价值。复合核素示踪技术适宜在小区域范围应用 ,不能在大流域内使用。
3 　REE示踪
稀土元素 (Rare Earth Elements ,REE)2中子活化分析 ( INAA) 应用于土壤侵蚀研究是一种新
技术。1986 年美国的 Knaus[13 ]等首先用稳定性 REE示踪和中子活化分析技术 ,成功地测定了
沼泽地的演变。稀土元素能被土壤颗粒强烈吸附 ,难溶于水 ,植物富集有限 ,且对生态环境无
害 ,淋溶迁移不明显 ,有较低的土壤背景值 ,中子活化对其检测灵敏度高 ,是较理想的稳定性示
踪元素。此法可在不同的地形条件下施放不同的元素 ,起到一次施放、多次观测的作用 ,从而
完成对泥沙分布的监测 ,细致确定侵蚀产沙部位及类型。
国内田均良等[14 ,15 ]首次将 REE示踪法应用于黄土区侵蚀的垂直分布研究 ,确定了元素的
施放方法 (条带法、穴施法)和施放浓度的计算方法 :Cj = KBj 10 - 3 / Rj 　j = 1 ,2 ,3 , ⋯,n。式中 :j
为小区划分的总区段 (或条带) 数 ;Cj 为施放第 j 种元素的浓度 ;Bj 为第 j 种元素的土壤背景
值 ;Rj 为第 j 种元素施放部位相对侵蚀量的最小期望值 ; k 为考虑到其他因素的综合保证系
数。田均良等利用稀土元素进行的室内和野外研究表明 ,REE 示踪法的监测误差小于 15 % ,
是一种研究小流域侵蚀产沙时空分布的有效方法 ,在研究土壤侵蚀、泥沙运移、沉积及小流域
泥沙来源中有广阔的应用前景。
天然或大气沉降放射性示踪元素能够较精确地研究不同地形部位侵蚀强度的分布及小流
732　3 期 核素示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用进展
域泥沙来源等问题 ,但在侵蚀严重地带应用则受到限制 ;人工施放稀土元素 (REE) 加强了施放
的目的性 ,并且中子活化分析对大多数 REE 分析灵敏度高 ,特别适宜研究次降雨条件下侵蚀
泥沙运移和沉积规律。但 REE法对于大区域或长时段的研究 ,因具试验成本高而受到限制。
4 　小结
核素示踪作为一种新方法在土壤侵蚀研究中获得了较多的应用 ,在研究土壤侵蚀的物理
过程和侵蚀预报模型的参数确定方面具有重要的应用前途 ,应加强利用核素示踪定量研究侵
蚀方式的转变和沟蚀发生发育过程等方面的工作 ,并发掘核素示踪在土壤侵蚀中新的利用价
值。但是 ,核素示踪只是土壤侵蚀研究的一种方法 ,整个土壤侵蚀研究工作的前进和土壤侵蚀
物理预报模型的建立离不开对土壤侵蚀作用机理的深刻理解 ,应将核素示踪法与其它研究方
法结合。以更深刻的理解土壤侵蚀的作用原理 ,为建立我国的土壤侵蚀物理预报模型提供依
据。
参考文献 :
[ 1 ] 　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
[ 2 ] 　Menzel R G. Transport of 90Sr in runoff ,Sicence (Washington) . 1960 ,131 :499～500
[ 3 ] 　Loughran R J . The measurement of soil erosion. Progress in Physical Geography ,1989 ,13 :216～233
[ 4 ] 　Rogowski A S ,Tramura T. Movement of Cs2137 by runoff ,erosion and infiltration on the alluvial captina silt loam ,Health Physics ,
1965 ,11 :1333～1340
[ 5 ] 　Sutherland R A. Examination of caesium2137 real activities in control unroded locations. Soil Technology. 1991 ,4 :33～35
[ 6 ] 　Wallbrink P J ,Olley J M ,Murry A S. Measuring soil movement using caesium2137 implications of reference site variability. IASH.
1994 ,1～9
[ 7 ] 　白占国 ,万国江. 现代侵蚀作用核素示踪研究新进展. 地球科学进展 ,1998 ,4 (3) :232～235
[ 8 ] 　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) :266～274
[ 9 ] 　Bai Z G,Wan GJ ,Wang C S ,et al . The distribution and geochemical behaviour of 7Be ,137Cs ,210 Pb ,226 Ra ,228 Ra in the soil of kaist
ecological landscape and their erosion trace :an example from central Guizhou Plateaut . Progress in Natural Science ,1996 ,6 (6) :700
～710
[10 ] 　Burch GJ ,Detection and predication of sediment sources in catchments :use of 7Be and 137Cs. Paper presented at hydrology and water
resources symposium ,Inst Eng Aust Nati Univ Canberron ,1988 :156～161
[ 11 ] 　Wallbrink P J , Murray A S. Use of fallout radionuclides as indicatiors of erosion processes. Hydrological Processes. 1993 ,7 :297～304
[12 ] 　He Q ,et al . Determination of suspended sediment provenance using unsupported lead2210 and radium2226 :A numerical mixing model
approach. IN sediment and water quality in river catchments ,edited by Foster I D ,et al . John Wiley ,New York ,1995. 207～227
[13 ] 　Knaus R W ,VanGent D L. Accretion and cancel impacts in a rapidly resents accretion. Estuaries. 1989 ,12 (4) :269～283
[14 ] 　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
[15 ] 　Tian Junliang ,et al . REE tracer method for studies on soil erosion. Int J Sediment Res. 1994 ,9 (2) :101～106
APPLICATION OF NUCLIDES ON STUDIES OF SOIL EROSION
SONG Wei 　LIU Pu2ling
( Institute of Soil and Water Conservation , China Academy of Sciences , Water Resource Ministry ;
Northwest Sci2Tech University of Agriculture & Forestry . Yangling , Shanxi prov. 712100)
832 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (3) :236～238