基于%5E%28137%29Cs和%5E%28210%29Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪.pdf

引言自然界中存在的人工和自然放射性核素是定量土壤侵蚀有用的示踪剂，被广泛用于示踪各种土地利用类型下的土壤侵蚀过程1-5以及土地利用类型转换或水保措施对侵蚀的影响6-7。137Cs（半衰期为30.12年）作为一种人工放射性核素，由于其沉降到地表与土壤颗粒强的结合力，137Cs被广泛用于示踪土壤侵蚀过程及泥沙搬运过程。与137Cs 的性质相似，自然放射性核素210Pbex（半衰期为22.3年；来源于大气的被称为210Pbex）沉降到地表与土壤颗粒结合，常被用于示踪过去百年尺度的土壤侵蚀过程。由于土壤中的137Cs因衰变或侵蚀而减少，土壤中的137Cs含量低于检测线，在一些地区，使137Cs的应用受到了很大的限制8，因此许多研究人员尝试用210Pbex替代或 辅 助137Cs 来 示 踪 土 壤 侵 蚀 过 程。由 于137Cs和210Pbex不同的来源与半衰期，137Cs和210Pbex示踪技术的结合可以提供研究区不同时间尺度的土壤侵蚀过程的信息。青藏高原由于其复杂的地形条件和气候特征，广泛存在着多种营力类型的土壤侵蚀9。青藏高原作为亚洲的生态屏障，对于调节气候变化，保持生物多样性等方面发挥着重要的作用10-11。土壤侵蚀是土地退化的一种重要形式12。土壤侵蚀的发生会降低土壤的生产力，造成中下游地区堤坝的淤塞和水质的污染，进而威胁人民生活的安全与健康13-14。在青藏高原，严平等15和张春来等16利用137Cs示踪了共和盆地风力侵蚀特征。李元寿等17利用137Cs示踪技术调查了青藏高原草甸坡面土壤侵蚀状况。邵全琴等18利用137Cs示踪了高寒草甸土壤侵蚀过程。胡菊芳，马玉军.基于137Cs和210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪 J.盐湖研究，2023，31（3）：85-92.Ha J，Ma Y.Using137Cs and210Pbexto Estimate Soil Redistribution Rates on a Hillslope of an Alpine MeadowJ.Journal of Salt Lake Research，2023，31（3）：85-92.DOI：10.12119/j.yhyj.202303011收稿日期：2021-03-15；修回日期：2021-04-02基金项目：青海省科技厅应用基础研究项目（2019-ZJ-7021）作者简介：胡菊芳（1988-），女，研究生，主要研究方向环境地球化学研究。E-mail：。基于137Cs和210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪胡菊芳1，2，3，马玉军4（1.中国科学院青海盐湖研究所，中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海 西宁810008；2.青海盐湖地质与环境重点实验室，青海 西宁810008；3.中国科学院大学，北京100049；4.青海师范大学地理科学学院，青海 西宁810008）摘要：高寒草甸是青藏高原主要的草地类型之一。为了解高寒草甸坡面土壤侵蚀特征，以兴海盆地高寒草甸坡面为研究区，分析了高寒草甸坡面上137Cs和210Pbex的分布特征；利用137Cs和210Pbex示踪方法，通过转换模型估算了高寒草甸坡面土壤侵蚀速率，并对两种方法估算的结果进行了对比。结果表明：（1）选取的高寒草甸背景土壤剖面上137Cs质量活度最大值分布在24 cm层位，210Pbex质量活度最大值出现在最表层。（2）研究区坡面137Cs和210Pbex质量活度和通量在不同的坡位有明显的差异。（3）根据210Pbex估算的土壤侵蚀速率高于基于137Cs估算的土壤侵蚀速率，表明研究区近几十年土壤侵蚀可能呈增加趋势。（4）根据137Cs和210Pbex估算的土壤侵蚀速率具有极显著的正相关关系（r=0.94，P 0.01），表明210Pbex结合或替代137Cs方法示踪高寒草甸区土壤侵蚀的潜力。关键词：137Cs；210Pbex；土壤侵蚀；高寒草甸中图分类号：S157.1文献标志码：A文章编号：1008-858X（2023）03-0085-08第 31 卷第 3 期2 0 2 3年 9 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.31 No.3Sep.2023盐湖研究第 31卷仅李俊杰等19利用137Cs和210Pbex示踪技术示踪了三江源东西样带土壤侵蚀过程。国内外137Cs示踪技术的应用比较成熟，而有关210Pbex示踪方法的应用还不成熟。在高寒区，利用137Cs和210Pbex复合方法对土壤侵蚀过程研究的基础还远远不足。本研究主要目的为以兴海盆地为例，分析了研究区高寒草甸坡面上137Cs和210Pbex的分布特征；分别利用137Cs和210Pbex示踪技术估算了高寒草甸坡面上土壤侵蚀速率；比较了高寒草甸坡面上基于137Cs和210Pbex估算的土壤侵蚀速率，并分析了210Pbex示踪技术在高寒草甸坡面上的应用潜力。1材料与方法1.1研究区概况兴海盆地位于青藏高原东北部，属于典型高原大陆性气候，多年平均气温为1.5，年平均降雨量为378 mm，平均风速超过17 m/s的平均天数为46天。选取盆地内位于兴海县大河坝河北部的一高寒草甸坡面作为研究区，坡度约1115，主要分布有高山嵩草（Kobresiapygmaea），矮嵩草（Kobresiahumilis）和少量狼毒草（Stellerachamaejasme Linn），草地主要用于当地牲畜放牧。根据实地调查，坡面中下部草地受高原鼠兔啃食及凿穴的干扰。根据中国土壤质地分类，该土壤属于高寒草甸土。1.2样品的采集于 2017 年 9 月进行样品的采集工作。在研究区，沿坡面向下设计3个采样断面（图1.a），在所设定的采样点通过挖土壤剖面，并利用裁纸刀和刮刀采集分层样品，以2 cm为间隔，采集到土壤20 cm深度。在每个样点用体积为100 cm3的不锈钢环刀采集34个容重样品。在邻近采样区，选取植被覆盖度较高，未明显扰动的样地作为核素背景值样点的采样区（图1.b）。在背景点采样区，随机选取6个背景值样点，分别采集了分层样品和容重样品，采集方法同上。另外，于 2018年 6月在研究区补采 1个背景样（XH26）和 1个坡面样（XH23）。采集的土壤样品均装入事先标记的样品袋中，运回实验室进行下一步的处理。1.3室内处理与测试土壤样品运回实验室后，在烘箱中于60 烘干至恒重。捡去大的植物根系和砾石后，用研钵进行研磨，混合均匀，然后通过孔径为2 mm的土壤筛，取部分小于2 mm的土壤装入样品管中，称量并密封。用高纯锗伽玛能谱仪（相对探测效率为35%）测试土壤样品中137Cs、210Pb和226Ra的质量活度。测试时间大约为43 200 s。土壤中137Cs和210Pb的质量活度分别通过伽玛能谱图上 662 keV和 46.5 keV处的峰面积求得。226Ra的质量活度则通过其子体在能谱图上352 keV处的峰面积求得。土壤210Pbex质量活度通过210Pb质量活度减去226Ra的质量活度获得。仪器本底值的扣除通过测试与装样品相同几何形状的空样品管实现。仪器的探测效率通过测定土壤标准物质（IAEA-447）获得。文中137Cs和210Pbex的质量活度均衰变校正到样品的第 1次样品的采集时间（2017年9月）。图1研究区样点分布图Fig.1The map of the study area and sampling points86胡菊芳，等：基于137Cs和210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪第3期1.4相关的计算公式和模型采样点土壤剖面上137Cs 的通量通过各层土壤137Cs质量活度、容重和层位厚度乘积的累计加和获得，用下列公式计算20-21。CPI=i=1i=nCiBDiDi，（1）式中CPI为土壤剖面137Cs通量（Bqm-2）；C为i层位土壤137Cs 的质量活度（Bqkg-1）；BD 为层位 i 的容重（kg m-3）；D为层位i的厚度（m）。考虑到研究区土地利用类型为非耕地，文中选用扩散-迁移模型将土壤137Cs和210Pbex通量转换为土壤 侵 蚀 速 率。表 层 土 壤137Cs 和210Pbex活 度 Cu（t）（Bqkg-1）随时间的变化可以表示为22-23Cu()t I()tH+0t-1I()t e-R HD()t-te-V2()t-t()4D-()t-tdt（2）式 中 I（t）为 在 t 时，137Cs 或210Pbex的 年 沉 降 通 量（Bqm-2）；H 为 松 弛 深 度（kgm-2）；D 为 扩 散 系 数（kg2m-4yr-1）；V为迁移系数（kgm-2yr-1）。根据背景点剖面上137Cs和210Pbex质量活度的分布特征，可以估算参数D和V的值。对于137Cs，D和V用下列公式计算24。VcsWpt-1963，（3）Dcs()Np-Wp22()t-1963，（4）式 中 Wp为137Cs 最 大 质 量 活 度 出 现 的 质 量 深 度（kgm-2）；Np为137Cs 最大值出现的质量深度与剖面上137Cs质量活度减小到最大137Cs活度的1/e时质量深度的差值（kgm-2）。对于210Pbex，假定210Pbex的沉降通量恒定，未扰动土壤中210Pbex通量达到稳定态，即放射性衰变与大气210Pb的沉降输入平衡。在土壤剖面上210Pbex活度随土壤累积质量深度的变化可以表示为25Cu，Pb()z=Cu，Pb()0 e-z，（5）式中 Cu，Pb（0）为表层土壤中210Pbex的浓度（Bqkg-1）；为常数，可以表示为25=12()VPb2DPb2+4PbDPb-VPbDPb，（6）若210Pbex活度的最大值出现在最表层土壤，可以认为Vpb为0，Dpb可以通过上式估算得到。采样点土壤侵蚀速率利用Walling等22-23提供的Excel加载项工具将137Cs和210Pbex通量用扩散-迁移模型转换为土壤侵蚀速率（http：/www-naweb.iaea.org/nafa/swmn/models-tool-kits.html）。2结果与讨论2.1背景点137Cs和210Pbex垂直分布和通量变化及模型参数所采集7个背景值样品对应层位核素质量活度平均值的剖面分布如图2所示。从图中可以看出，137Cs在土壤剖面上24 cm层位有着最大的质量活度值，为51.5584.72 Bqkg-1，该层位向下，137Cs的活度呈指数衰减趋势。采集的 7 个背景点土壤剖面上137Cs 质量活度的最大值均出现在 24 cm 层位。137Cs在土壤剖面中的分布特征反映了沉降的137Cs在土壤中随时间的变化过程。土壤剖面上210Pbex在最表层具有最大的质量活度值，处于141251 Bqkg-1内。这主要是由于大气210Pb的连续沉降到地表便在地表富集所致。自表层向下，土壤剖面上210Pbex的质量活度呈指数衰减的变化趋势。并且采集的7个背景点土壤中210Pbex均为这种分布特征。137Cs和210Pbex在土壤剖面的分布模式与先前学者在其他地区调查的背景点土壤剖面上的分布特征一致2，25，27。背景点土壤剖面上所有137Cs和大部分的210Pbex均分布在10 cm深度内。许多学者也报道背景点土壤剖面上大部分的核素集中在表层10 cm内24，27-31。另外，从图中可以观察到，与137Cs比较，210Pbex在土壤剖面上分布更深，这主要归因于137Cs和210Pbex不同的半衰期和来源。137Cs 是核爆产物，从当前大气中沉降的137Cs活度很低或低于检测线，而210Pb属于地质成因同位素，大气中的210Pb来源于释放到大气中222Rn的衰变，土壤中的210Pbex能够不断地从大气沉降得到补充，这导致土壤剖面上210Pbex比137Cs 更深的迁移深度。背景点土壤中137Cs的通量在1 6823 104 Bqm-2范围内变化，平均值为（2 422 549）Bqm-2；土壤中210Pbex的通量的变化范围为3 6375 983 Bqm-2，平均值为（4 908 729）Bqm-2。背景点137Cs和210Pbex通量的变异系数分别为23%和15%，表明背景点土壤中137Cs和210Pbex通量分布的空间异质性。一些学者报道草地中137Cs的变异系数为5.4%42%27。在青87盐湖研究第 31卷藏高原地区，也有一些137Cs背景值的报道。已报道共和盆地风蚀区137Cs的背景值为2 379 Bqm-2 15。达日县137Cs 的背景值分别为 2 468 32 和 3 795 Bqm-2 33。邵全琴等 18 报道玉树、称多和玛多县137Cs背景值分别为2 130、1 969和2 538 Bqm-2。将这些值衰变校正到采样时间2017年9月，本研究得到137Cs背景值处于这些值的变化范围内。在青藏高原地区，有关土壤210Pbex背景值的报道较少。仅李俊杰等19报道三江源东西样带土壤中210Pbex背景值的变化范围为2 612 7 377 Bqm-2。在国内其它地区，如黄土高原210Pbex的背景值为5 730 Bqm-2 34。四川盆地210Pbex背景值为12 860 Bqm-2 35。东北地区210Pbex的背景值为 8 954 Bqm-2 36和 19 751 Bqm-2 37。本研究得到的土壤210Pbex背景值 4 908 Bqm-2与黄土高原的报道值接近，明显低于有着高降雨量的四川盆地和东北地区的210Pbex报道值。将本研究得到的210Pbex背景值转化为该研究区大气沉降通量为153 Bqm-2yr-1（210Pbex背景值乘以衰变系数0.031 14 yr-1），该值低于本课题组38在邻近地区西宁市得到的大气210Pb 沉降通量284 Bqm-2yr-1。根据背景值点137Cs和210Pbex在土壤剖面的分布特征可以估算土壤侵蚀转换模型所需的参数。研究中利用7个背景点分别估算它们的参数，然后取平均值，得到以下参数：Vcs为0.47 kg m-2yr-1；Dcs为2.73 kg2m-4yr-1。对于210Pbex由于210Pbex质量活度的最大值出现在最表层土壤，可以假定Vpb为0；根据上式（5），用210Pbex质量活度数据拟合得到值，根据式（6），可求得DPb的值，Dpb平均值为 30.98 kg2m-4yr-1。参数 H 采用Walling等23对非耕地建议的4 kgm-2。2.2坡面上137Cs和210Pbex的垂直分布和通量变化坡面上3个断面土壤137Cs和210Pbex质量活度在土壤剖面的分布特征如图3所示。可以看到，土壤剖面上137Cs和210Pbex有着相似的分布特征。137Cs和210Pbex最大质量活度均出现在最表层土壤，除样点XH10和XH23以外。这两个样点137Cs质量活度的最大值出现在表层以下几厘米的土壤中，而210Pbex的最大值出现在最表层土壤。从图中可以观察到，沿着坡面向下，每个断面表层土壤137Cs和210Pbex的质量活度逐渐增加，并且土壤剖面上137Cs和210Pbex的分布深度逐渐加深，这表明沿着坡面向下土壤的侵蚀-搬运-堆积的过程。研究区坡面上137Cs 的通量在 2063 893 Bq m-2范围内变化，平均值为（1 305 1 125）Bqm-2（平均值 标准偏差，n=11）。210Pbex通量变化范围为 636 11 826 Bqm-2，平均值为（4 688 2 931）Bqm-2。坡面上137Cs和210Pbex通量的变异系数分别为86%和63%，表明137Cs和210Pbex通量在研究区坡面土壤中的空间变异性，这主要是由坡面地形、植被盖度和土壤侵蚀/堆积等因素的空间变化所引起。图4为研究区断面上137Cs和210Pbex通量的变化。坡面上方位置样点土壤中有着更低的137Cs和210Pbex的通量，在坡面下方位置土壤中有着更高的137Cs和210Pbex通量，表明坡面上方土壤被侵蚀，被侵蚀的表层土壤沿着坡面向下方搬运，在坡面低洼处或坡下 位 置 堆 积。被 侵 蚀 的 表 层 土 壤 通 常 具 有 高图2背景点137Cs和210Pbex质量活度剖面分布图Fig.2Depth distribution of137Cs and210Pbexmass activities of reference sites88胡菊芳，等：基于137Cs和210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪第3期的137Cs 和210Pbex的含量，它们在低洼处或坡下位置的土壤表层堆积，导致该处表层土壤有着更高的核素含量。同时，也造成堆积点更深的137Cs 和210Pbex分布深度和更高的核素通量。坡面上不同坡位土壤 受 土 壤 再 分 布 的 影 响 不 同，造 成 土 壤137Cs和210Pbex的分布深度和通量的差异，表明坡位影响土壤中137Cs和210Pbex的分布。另外，在实地调查中，观察到在坡中位置，坡面土壤受高原鼠兔的扰动，高原鼠兔对植被根系的啃食和凿洞会破坏土壤的结构，使得表层以下的部分土壤被刨出堆积在地表，土壤更容易受到侵蚀（水蚀和风蚀）的影响39，并增加土壤侵蚀发生的可能性。这也是造成土壤中137Cs和210Pbex在剖面上的分布及通量变化的原因之一。图3研究区断面上137Cs和210Pbex质量活度垂直分布Fig.3Depth distribution of137Cs and210Pbexmass activity in each transect of the study area图4研究区坡面不同坡位土壤137Cs和210Pbex的通量Fig.4137Cs and210Pbexinventories of different positions along alpine meadow hillslope89盐湖研究第 31卷2.3基于137Cs和210Pbex的土壤侵蚀速率的估算根据采样点土壤137Cs通量，估算得到研究区坡面样点土壤侵蚀再分布速率在-2.8 1.83 t ha-1a-1范围内变化，其中侵蚀速率为-0.5 -2.8 t ha-1a-1。堆积点有两个，堆积速率为0.18 t ha-1a-1和1.83 t ha-1a-1。基于210Pbex的通量，得到研究区土壤再分布速率在-15 15.09 t ha-1a-1范围内变化，其中侵蚀速率为-0.3-10tha-1a-1，堆积速率为2.1715.09tha-1a-1。坡面上3个断面不同坡位土壤侵蚀速率变化如图 5 所示。从图中可以看出，总体每个断面上根据137Cs和210Pbex估算的土壤侵蚀速率变化趋势一致。顺着坡面向下的方向，土壤侵蚀速率逐渐减小，并且在坡面下-坡脚的位置堆积，坡面上方有着更高的土壤侵蚀速率，表明在坡面坡位影响土壤的再分布过程。坡面上土壤受降雨的影响较大，强降雨过程会冲刷表层土壤，在重力的作用下随降雨搬运的土壤颗粒向坡下运动并堆积。高寒草甸土壤表层发育较好的草甸植被形成的致密的草皮层对其下覆土壤起着固定和保护作用。尽管研究区属于天然草地，未受耕作等农业活动的影响，但是放牧活动及啮齿动物对草地的影响是显著的。不合理的放牧活动和啮齿动物（如鼠兔）的啃食和挖掘能够破坏植物的根系层，改变土壤结构，这会促进土壤侵蚀的发生。更重要的是高寒地区由于寒冷的气候条件，土壤层中反复的冻结-融化作用也改变土壤的物理性质。在大风和降雨等多重因素的影响下，土壤侵蚀发生的可能性增加。2.4基于137Cs和210Pbex的土壤侵蚀速率的比较由于137Cs和210Pbex不同的来源和半衰期，根据它们的通量估算的土壤侵蚀速率分别指示研究区不同时间尺度的平均土壤再分布速率，因此两者估算的土壤侵蚀速率具有不同的结果。137Cs的核爆来源及其短暂的历史沉降特征，根据137Cs通量估算的土壤侵蚀速率代表核爆137Cs沉降开始到采样年的平均土壤侵蚀速率（19632017年）。对于210Pbex由于210Pbex的半衰期和连续沉降，210Pbex所表征的平均土壤侵蚀速率通常被认为代表过去100年（约5个半衰期）的平均土壤侵蚀速率40-41。然而由于137Cs 和210Pbex的不同沉降特征，当前土壤中137Cs和210Pbex通量对土壤侵蚀时间尺度的敏感性不同43。与土壤中的137Cs相比，大气210Pbex的连续沉降到地表，土壤中近几十年沉 降 的210Pb 占 总210Pbex的 比 例 较 大，认 为 土 壤中210Pbex通量对过去 1520 年的土壤侵蚀更加敏感42-43。本研究中，基于210Pbex估算的土壤侵蚀速率高于根据137Cs估算的土壤侵蚀速率，这表明研究区坡面近几十年平均土壤侵蚀速率可能呈增加趋势。图6为根据137Cs和210Pbex通量估算的土壤侵蚀速率的皮尔逊相关性分析结果。可以得到，根据137Cs和210Pbex估算的土壤侵蚀速率之间存在极显著的正相关关系（皮尔逊相关系数 r=0.94，P0.01）。尽管137Cs和210Pbex估算的平均土壤侵蚀速率代表不同时间尺度，但它们之间的相关关系表明210Pbex替代或 结 合137Cs 示 踪 方 法 示 踪 该 区 域 土 壤 侵 蚀 的潜力。图5研究区不同坡位土壤侵蚀速率（-为侵蚀，+为堆积）Fig.5Soil redistribution rates based on137Cs and210Pbexdata in different slope position90胡菊芳，等：基于137Cs和210Pbex方法的高寒草甸坡面土壤侵蚀示踪第3期3结论本研究利用137Cs和210Pbex示踪方法对兴海盆地一高寒草甸坡面土壤侵蚀特征进行调查，初步得到以下结论：研究区坡面上137Cs和210Pbex的质量活度和通量在不同的坡位有着明显差异；总体上沿坡面向下，土壤137Cs和210Pbex通量与表层土壤核素质量活度呈增加的趋势；土壤侵蚀速率逐渐增大，表明坡面上土壤侵蚀-搬运-堆积的过程，坡面坡位影响土壤的再分布。根据210Pbex估算的土壤侵蚀速率高于基于137Cs估算的土壤侵蚀速率，表明研究区近几十年土壤侵蚀可能呈增加趋势。基于137Cs和210Pbex通量估算的土壤侵蚀速率具有极显著的正相关关系（r=0.94，P0.01），表明结合210Pbex和137Cs方法示踪高寒草甸区不同时间尺度土壤侵蚀的潜力。参考文献：1 Kato H，Onda Y，Tanaka Y.Using137Cs and210Pbexmeasurementsto estimate soil redistribution rates on semi-arid grassland in Monglia J.Geomorphology，2010，114：508-519.2 Wakiyama Y，Onda Y，Mizugaki S，et al.Soil erosion rates on forested mountain hillslopes estimated using137Cs and210PbexJ.Geoderma，2010，159：39-52.3 Wang Y B，Wang G X，Hu H C，et al.Erosion rates evaluated by the137Cs technique in the high altitude area of the Qinghai-Tibet plateauofChina J .EnvironmentalGeology，2008，53（8）：1743-1749.4 Fang H Y，Sheng M L，Tang Z H，et al.Assessment of soil redistribution and spatial pattern for a small catchment in the black soilregion，Northeastern China：using fallout210PbexJ.Soil&Tillage Research，2013，133：85-92.5 Yuan Y，Xiong D H，Wu H，et al.Using137Cs and210Pbexto tracesoil erosion rates for a small catchment in the mid-hills of NepalJ.Journal of Soils and Sediments，2021，21：403-418.6Khodadadi M，Mabit L，Zaman M，et al.Using137Cs and210Pbexmeasurements to explore the effectiveness of soil conservationmeasures in semi-arid lands：a case study in the Kouhin region ofIran J.Journal of Soils and Sediments，2019，19：2103-2113.7 Su Z A，Zhou T，Zhang X B，et al.A preliminary study of the impacts of shelter forest on soil 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