多核素联合示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用进展

应用多核素联合示踪技术研究土壤侵蚀已成为水土保持、土壤等学科的国际前沿研究热点之一。在介绍核素137Cs、210Pb、7Be示踪土壤侵蚀原理的基础上,重点阐述了多核素联合示踪技术和稀土元素(REE)示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用,并对今后的应用研究方向进行了分析与展望。     

大气散落核素复合示踪在土壤侵蚀科学中的应用

介绍了大气散落核素⁷Be、²¹⁰Pb_ex、¹³⁷Cs复合在土壤侵蚀和泥沙来源领域中的研究进展;阐述了核素比率应用的原理、特点及其能更为敏感地反映土壤侵蚀速率和过程等优点;说明多元素复合示踪在推断土壤不同侵蚀过程及估算土壤侵蚀速率方面的作用;论述了建立两核素相关深度曲线确定泥沙起源深度的应用原理和特点及其应用范围,并对各种方法进行了简单的评价.     

宁镇地区137Cs与210Pbex 坡面分布特征的地统计学分析

为更加深入地揭示核素示踪土壤侵蚀的内在机理,在Arcgis Geostatistics模块的支持下,运用地统计学方法研究了宁镇地区137Cs与210Pbex的空间异质性及其坡面分布特征。研究结果表明:(1)核素所特有的理化性质决定了137Cs与210Pbex的空间异质性及其坡面分布格局的与众不同。137Cs与210Pbex较大的块金值说明了土壤侵蚀及耕作活动等随机性因素对其空间分布的决定性影响,这正是它们能够示踪土壤侵蚀的原因所在。(2)137Cs属中等程度的空间自相关,其坡面分布格局能够较好地反映出地形这一结构性因素在其中所施加的影响,示踪土壤侵蚀的结果也应更为全面、合理,并具有宏观性。210Pbex的空间相关性很弱,说明其对随机性因素的影响有着更为敏感的响应,在揭示坡面侵蚀的细部特征方面应能做得更好。(3)137Cs与210Pbex坡面分布格局存在较大的差异,这一方面说明两者在初始沉降布局、部分理化性质,以及对各种变异影响因素的响应等诸多方面还存在着不小的差异;另一方面也在提示,两者示踪土壤侵蚀进程的结果很难通过数学模型的调整而达成一致。     

基于~(137)Cs、~(210)Pb和CSLE的三峡库区小流域土壤侵蚀评估

综合应用137Cs和210Pb技术和中国土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)进行三峡库区腹地工农沟小流域土壤侵蚀的定量评价研究,尝试基于核素示踪技术计算的土壤侵蚀模数评估CSLE在库区林地小流域的估算效果。结果表明:(1)借助210PbexCRS计年模式获得了工农沟塘库沉积柱芯不同质量深度的沉积年代,与137Cs 1963年断代结果相比基本一致,定年结果可靠;(2)基于核素示踪技术(137Cs和210Pb)计算的小流域2002—2014年土壤侵蚀模数为269.09t/(km2·a),侵蚀强度属于微度侵蚀,年土壤侵蚀量为22.87t/a;(3)依据CSLE和考虑沟蚀因子的CSLE估算的小流域2002—2014年土壤侵蚀模数分别为256.07t/(km2·a)和317.53t/(km2·a),年土壤侵蚀量分别为21.77t/a和26.99t/a;(4)与核素计算的结果相比,CSLE和考虑沟蚀因子的CSLE的估算精度均≥80%,说明采用CSLE估算库区林地小流域土壤侵蚀量结果合理。     

水土保持减沙效益监测中的多核素联合示踪技术

水土保持效益评价是提升水土保持技术和水土保持生态建设科学决策的前提。核素示踪技术能够直接测定特定时间段的土壤净侵蚀量,提供独立的土壤侵蚀和堆积数据以及空间分布的信息,是评价土壤侵蚀和泥沙来源的简便、快捷和高效的技术方法。利用环境核素^210Pb,^137Cs和^7Be示踪技术测定不同时间尺度的土壤侵蚀强度,探讨了在无常规水文泥沙监测资料情况下,水土保持效益多核素联合示踪评价的方法和计算模型。     

应用同位素示踪土壤侵蚀研究的进展

 介绍不同类型的同位素的来源,对几种常用的同位素示踪土壤侵蚀的应用做了比较详细的总结。在过去几十年里,人为放射性核素137Cs在土壤侵蚀示踪研究中应用最广泛。同位素210Pb来自于自然界,它在土壤侵蚀中应用的准确度,有待于进一步探讨。宇宙射线产生的放射性核素中,主要介绍7Be在土壤侵蚀研究中的应用。对稳定性稀土元素和几种核素复合示踪土壤侵蚀与泥沙来源研究的国内外研究进展,进行了总结和评价。对应用同位素示踪土壤侵蚀的发展方向,提出了一些看法。     

土壤剖面中~(210)Pb_(ex)的分布特征及其在土壤侵蚀示踪中的应用

210Pb由于在环境中特殊的分配关系及其在土壤中迁移性小、极易被土壤细颗粒吸附等特性而被视为良好的示踪剂,210Pb的沉降具有连续性和相对稳定性,可示踪百年尺度的平均土壤侵蚀速率。具有初始分布及其在未扰动土壤剖面中均呈现出土表含量最高,随深度增加含量减少的分布特征。在耕作土壤中由于耕作混合作用210Pbex呈均匀分布。评述了目前用到的210Pbex侵蚀模型重量逼近模型和质量平衡模型,210Pbex与其它核素(137Cs、7Be)复合示踪研究土壤侵蚀和泥沙来源是核素示踪的一大亮点。提出了210Pbex示踪土壤的优点和应用210Pbex示踪应注意的问题。     

核素示踪在土壤侵蚀研究中的应用

利用示踪技术研究土壤侵蚀在国外已有30多年的历史,因其具有分析精度和量化程度高,能对土壤侵蚀时空变化进行定量监测的优势而受到重视。分别介绍了单核素示踪（¹³⁷Cs）,多核素复合示踪（⁷Be, ²¹⁰Pb, ²²⁶Ra, ²³⁰Th, ¹³⁷Cs）在土壤侵蚀和泥沙来源研究领域中的进展情况,并详细阐述利用稳定性稀土元素（REE）示踪在研究泥沙来源,侵蚀产沙时空分布方面也是一种有效的方法,最后对各种方法做了简要评价。     

137Cs和210Pbex双核素示踪"三北"防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化

为查明"三北"防护林建设前后农耕地和退耕地土壤保持效益变化，利用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，选择了防护林建设较为成功的张家口坝上地区（风力侵蚀区）作为典型区，研究了农耕地以及退耕地土壤137Cs和210Pbex的剖面变化规律及其示踪的土壤侵蚀变化。结果表明：1）由于耕作的混匀作用，农耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex均呈均匀态分布；退耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex则表现为表层（0～5cm）浓度最高、下层（5～25cm）浓度均相对较低且分布相对均匀的形态，这表明退耕后坡地土壤137Cs和210Pbex剖面形态均会发生一定变化，退耕驱动土壤137Cs和210Pbex剖面变化导致运用土壤核素估算侵蚀模型在该区域难以适用；2）基于土壤137Cs和210Pbex剖面变化规律，利用210Pbex质量平衡方程，提出了退耕地土壤210Pbex土壤侵蚀估算模型；3）利用137Cs比例模型估算退耕地土壤侵蚀速率为27.94±11.92 (t/hm2·a)，农耕地侵蚀速率为29.11±14.42 (t/hm2·a)，而利用修正后的210Pbex转换模型估算得到"三北"防护林区退耕地造林前平均侵蚀速率为82.16±14.36 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率为-41.28±33.91 (t/hm2·a)；农耕地造林前平均侵蚀速率为68.55±22.11 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率-8.52±47.32 (t/hm2·a)。这表明137Cs示踪技术主要表征了1963年以来该区坡地土壤侵蚀和沉积的平均结果，而210Pbex示踪技术则可以较好地示踪防护林建成前后的土壤侵蚀变化。此外，研究结果也表明，相比于"三北"防护林建成之前，建成之后该区农耕地和退耕地的土壤侵蚀速率均呈显著下降趋势，且均由前期的风沙侵蚀转变成了风沙沉积。     

环境放射性核素137Cs和210Pbex的田间原位测定研究

原位现场γ谱仪具有快速准确监测土壤中环境放射性核素137Cs和210Pbex的潜力,可以解决传统环境放射性核素示踪土壤侵蚀在选择参考点和测定时间过长问题。本研究应用现场γ谱仪(ISOCS,In-situObject Counting System),对内蒙古锡林浩特草原土壤中137Cs和210Pbex的含量进行了田间原位(不采样)测定,并与室内γ谱仪测定结果进行了比对。结果显示:现场γ谱仪的探头离地面1m,采用90度准直器,测量时间保证3600s以上时,测定的土壤中137Cs面积浓度与室内测定结果一致,二者的平均偏差为8%,表明现场γ谱仪测定具有较高精度,是快速评价土壤侵蚀速率的有效技术;210Pbex的原位测定结果显著高于室内测定结果,可能由于测定时间较短所致。初步研究结果表明:原位测定具有时间短、精度高的优点,可以克服传统采样造成的空间变异误差。     

土壤样品中~(137)Cs和~(210)Pb活度分析比对研究

本文介绍了国际原子能机构(IAEA)组织的5个土壤样品中137Cs和210Pb活度分析的国际比对结果。本实验室比对用HPGe低本底γ谱仪对土壤样品进行测量,用LabSOCS(Laboratory Sourceless Calibration Software)进行系统无源效率刻度。通过IAEA的评价指标对结果进行评价表明,所测定的5个土壤样品中137Cs和210Pb活度结果都满足达标的要求,成功通过了IAEA的比对。IAEA公布的所有参加的18个实验室的比对结果显示,137Cs活度测定结果有82%的实验室属可接受,而210Pb活度测定结果只有33%的实验室属可接受。对这次国际比对总结分析经验和不足:137Cs与210Pb相比,其分析不确定性相对小,分析误差容易控制;210Pb是土壤中本身存在的放射性核素,其穿透能力较低,受土壤母质和本底的影响,其分析误差不容易控制。     

用 137Cs示踪法研究密云水库周边土壤侵蚀与氮磷流失

运用 ¹³⁷Cs核素示踪技术，研究密云水库周边地区及白河上游地区土壤侵蚀与氮、磷流失状况及其相互之间的量变关系。研究结果表明：从土壤表层(0～20 cm) ¹³⁷Cs分布规律基本符合地形地貌的变化规律，山坡上部的 ¹³⁷Cs含量低于山坡中部与坡下部，但是如果山顶具有缓坡或山角下具有陡坡，则 ¹³⁷Cs含量变化规律相反。根据土壤 ¹³⁷Cs监测数据结果判定该地区基本属于轻度侵蚀和中度侵蚀，部分地区侵蚀情况达到剧烈程度。不同景观与土地利用方式对土壤氮、磷分布有巨大影响：有机质、全氮、水解氮含量均是以灌丛土壤最高，林地次之，与流域内 ¹³⁷Cs分布规律相符合；而农田中全磷、速效磷含量最高。不同区域土壤养分含量不同：水库上游地区土壤氮素、磷素含量均低于水库周边地区。证明不合理的人为活动严重的增强了土壤侵蚀程度与养分流失量。回归模拟了土壤中 ¹³⁷Cs、( ²¹⁰Pb)与全氮、全磷、水解氮、速效磷含量之间的数学模型。这些模型在区域较小、景观单一的范围内可以定量分析、预报预测各采样区的全磷和有效态氮、磷含量的变化趋势。简化了监测与分析测试程序。扩大了核素示踪技术的应用范围。     

红壤丘陵区土壤137Cs含量与土壤颗粒组成的关系研究--以江西省丰城市为例

通过对江西省红壤地区的39个土壤剖面采样数据进行数理统计分析,发现在土壤表层20 cm范围内,不同土层137Cs含量与土壤粒径具有一定的相关性,其中与砂粒含量和粉砂粒含量具有正相关关系,与砾石含量和黏粒含量具有负相关关系。通过逐步回归分析发现,在各土层与137Cs含量关系最为密切是砂砾含量,两者呈现显著的正相关关系。同时建立了137Cs含量与砂砾含量的定量关系模型,并通过方差分析证明该模型可靠,但该模型应用于土壤侵蚀还需要进一步研究。     

工程建设弃土弃渣水土流失7Be核素示踪监测技术

系统介绍了7Be核素侵蚀示踪技术的原理和方法。7Be核素侵蚀示踪技术提供了短时期季节性或单次降水事件的水土流失信息,可为水土流失监测,土壤侵蚀模型试验研究提供重要信息数据。7Be核素侵蚀示踪技术具有不受场地限制、简便快捷,省时省力等特点。对工程建设弃土弃渣水土流失的监测,不用建立把口站或径流小区,只须在雨季后采一次样,或雨季(单次降雨)前后各采集一次样品,利用7Be核素侵蚀示踪技术就可精确估算出其水土流失量。     

江苏省句容地区137Cs背景值研究

土壤侵蚀问题是当今世界面临主要环境问题之一,137Cs示踪作为一种应用于土壤侵蚀研究比较成熟的方法,其背景值的确定是前提.本研究通过两个疑似背景值点样品的采集,探讨了耕地土壤剖面137Cs活度的分布特征、增加样品的采集数量,并且与其他研究者的研究进行对比,确定江苏省句容地区137Cs的背景值为1820.36 Bq/m2.此活度与江苏省其他地区的背景值接近,可以用该背景值进行土壤侵蚀速率以及农业非点源污染负荷估算.     

运用β多样性的测度方法探讨不同人为干扰强度对米槠林乔木层的影响

定量转换模型的选用是137Cs技术测量土壤侵蚀速率的一个关键,从最初的经验公式到现在的理论模型,形成了定量转换模型的两大主要类型。对常用模型建立的原理、适用范围和不足之处进行了分析。其中的质量平衡模型(包括不同的版本)因基于137Cs沉降、吸附、再分布等物理过程和相对精确而受到众多研究者的青睐。其局限性表现在:为方便计算而过度简化与实际过程或为充分考虑实际过程而过多引入无法准确测定的参数。剖面分布模型和扩散迁移模型与质量平衡模型有相似的缺点。由于各模型的假设原理和计算公式不尽相同,使用相同137Cs损失值估算出来的侵蚀速率差值甚至可以超过一个数量级。现有理论模型的完善和操作性较强的模型开发将是137Cs技术发展的主要方向之一。     

土壤侵蚀~(137)Cs测定的示踪法原理及其常用模型

简要介绍了137Cs示踪法在土壤侵蚀研究中的应用,内容包括137Cs示踪的基本原理,用于耕地及非耕地土壤侵蚀的常用模型,如非耕地的指数分布模型,耕地的比例模型、容量模型和质量平衡模型,同时对以上几种耕地模型的建模假设、计算公式和应用限制进行了对比分析。     

盆栽-自然土生长试验研究小麦对土壤中~(137)Cs的吸收

利用环境放射性示踪剂盆栽模拟试验研究了2种小麦对不同活度水平的纯自然江西红壤中137Cs的吸收规律。结果表明,除林地土壤基本不含137Cs外,小麦植株中137Cs均有一定程度的积累,且小麦对137Cs的浓集能力(用转移系数TF表示)随土壤活度水平的提高而增强,大致为扬麦12号:草地(116.36)>水稻旱(47.22)>旱耕(27.33)>林地(几乎没有);扬麦158号:草地(194.92)>水稻旱(16.54)>旱耕(13.41)>林地(几乎没有)。小麦植株各组成部分137Cs积累量大致为:根>茎秆和籽粒外壳>籽粒。小麦吸收的137Cs对估算土壤侵蚀量有很大影响,可为今后示踪模型的修正提供依据。     

川中丘陵区人工刨地耕作方式下紫色土坡耕地侵蚀速率的137Cs和210Pbex双核素示踪法研究

Purple soils are widely distributed in the Sichuan Hilly Basin and are highly susceptible to erosion, especially on the cultivated slopes. Quantitative assessment of the erosion rates is, however, difficult due to small size of the plots of the manually-tilled land, the complex land use, and steep hillslopes. 137Cs and 210Pbex (excess 210Pb) tracing techniques were used to investigate the spatial pattern of soil erosion rates associated with slope-land under hoe tillage in Neijiang of the Sichuan Hilly Basin. The 137Cs and 210Pbex inventories at the top of the cultivated slope were extremely low, and the highest inventories were found at the bottom of the cultivated slope. By combining the erosion rates estimates provided by both 137Cs and 210Pbex measurements, the weighted mean net soil loss from the study slope was estimated to be 3100 t km-2 year-1, which was significantly less than 6930 t km-2 year-1 reported for runoff plots on a 10°cultivated slope at the Suining Station of soil Erosion. The spatial pattern of soil erosion rates on the steep agricultural land showed that hoe tillage played an important role in soil redistribution along the slope. Also, traditional farming practices had a significant role in reducing soil loss, leading to a lower net erosion rate for the field.