OJNS  >> Vol. 6 No. 6 (November 2018)

    西南地区土壤侵蚀137Cs法研究进展
    The Research Progress of the 137Cs Method about Soil Erosion in Southwest

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作者:  

段承一:云南师范大学旅游与地理科学学院,云南 昆明

关键词:
西南地区土壤侵蚀137Cs法Southwest Region Soil Erosion 137Cs Tracing Technology

摘要:

137Cs法是研究土壤侵蚀的一种可靠、快速、经济的方法,现已普遍应用到西南地区土壤侵蚀研究。西南地区137Cs研究主要集中于:土壤侵蚀速率及影响因子、沉积速率、泥沙来源和泥沙断代等四个方面。未来137Cs与其他核素联合研究土壤侵蚀,将具有更加宽阔的应用空间。

The 137Cs method is a reliable, fast and economical way on the research of soil erosion. It has been applied to the research of soil erosion in southwest. This research concentrates on four aspects including soil erosion rate and the factor of influence, deposition rate, sediment source and sedi-ment dating. The 137Cs method will unite other nucleus to research on soil erosion in the future, and it will have more wide application space.

1. 引言

中国西南地区包括云南省、贵州省、四川省、西藏自治区、重庆市等五个省(区、市),总面积达232.67 万平方公里,约占全国的24%。该地区地形结构复杂,以高原、山地为主,自然地质灾害频发,土层贫瘠,土壤侵蚀水平较重,水土流失量大。西南地区以坡耕地侵蚀和石漠化为主要特征的环境问题日趋严重,西南地区的土壤侵蚀问题受到了愈来愈多的重视。

自1877年德国土壤学家Ewald Wollny的布设径流小区研究起,关于土壤侵蚀的研究已有140余年。土壤侵蚀研究的传统方法包括实地调查法、径流小区法、水文法、侵蚀针法、模型估算法和遥感监测法等,传统方法存在改变自然地形、工作效率低、研究周期长的局限性。137Cs法在不改变原始地貌的条件下,通过测定土壤剖面中137Cs含量的分布差异,能较快地分析一个坡面乃至一个流域中长期的土壤侵蚀、沉降的空间特征。与传统方法相比,137Cs法具有操作简便、分析精度和量化程度较高、测定快速、费用低的优越性。国外使用137Cs法研究土壤侵蚀始于20世纪60年代初,而在国内则于20世纪80年代末由张信宝等最早将该方法应用到土壤侵蚀研究中来。

2. 137Cs法的原理

2.1. 137Cs的来源

自然界中不存在天然137Cs,地表土壤中的137Cs系人为来源。137Cs源于20世纪50~70年代的大气核试验及1986年前苏联切尔诺贝利核电站泄漏产生的137Cs,半衰期为30.2a。核爆炸产生的137Cs进入平流层后在全球范围内分布,进入对流层后随降水或降尘到达表层土壤 [1]。

2.2. 137Cs成为土壤侵蚀的示踪剂

137Cs降落到地面之后,被土壤颗粒吸附,且不被淋溶流失和植物吸收。137Cs以后的移动主要伴随土壤颗粒发生机械迁移,故137Cs被用作土壤侵蚀的示踪剂。

2.3. 137Cs在土壤剖面的分布

非农耕地土壤剖面中,0~5 cm土壤表层的137Cs含量最高,向下呈指数衰减,20 cm深度以下基本不含137Cs;农耕地土壤剖面中,137Cs基本均匀分布于犁耕层深度内 [2]。土壤中137Cs的流失数量与土壤的流失数量呈正相关,根据137Cs在土壤剖面中的数量同背景值对比,进而确认采样点是侵蚀还是沉积。当土壤剖面中137Cs值小于背景值,意味着该剖面处存在土壤流失;大于背景值,表明该剖面处有土壤沉积 [3]。

2.4. 137Cs在土壤侵蚀中的应用

137Cs法应用在土壤侵蚀定量计算的应该解决两个重要问题。

其一,如何确定研究区域137Cs的背景值,计算输出或输入土壤剖面的137Cs量 [4]。背景值由监测的长期放射性沉降数据计算得到,或者利用研究区域中无侵蚀且无沉积发生部位的土壤137Cs含量来取代。一般而言,背景值采样点选取在历史上未发生侵蚀和沉积且未受到人类活动干扰的标准剖面。采样点可以考虑是草地、森林、上个世纪50年代前修建的梯田及坟地样点。137Cs在小范围内存在空间差异性,因而采用多个样点的平均值才能较准确地代表该研究区域137Cs的背景值。

其二,如何确定土壤的137Cs输入或输出量占该区域土壤137Cs背景值的比率与土壤侵蚀量之间的定量关系,即土壤侵蚀估算的定量模型 [4]。定量模型分为经验模型和理论模型。经验模型已经被淘汰。理论模型是在土壤侵蚀理论基础上,综合分析归纳影响土壤侵蚀各因数,建立土壤侵蚀速率与土壤剖面137Cs流失数量的因果联系。

2.5. 137Cs法研究土壤侵蚀的优劣势

137Cs法的独特优势:137Cs是大气核试验产生的人工放射性核素,其自然背景值为0,没有自然背景值的干扰;137Cs化学性质稳定,与土壤颗粒强烈吸附,通常状况下,某一地点137Cs含量的减少只与衰变和伴随土壤颗粒侵蚀流失有关;在土壤中的137Cs含量比较适中,方便样品采集和测定。137Cs法可以解决传统方法所不能提供的侵蚀与沉积的信息,该技术能够判定具体颗粒侵蚀与沉积及侵蚀泥沙的来源,还可以对土壤侵蚀的空间变化、土壤不同层次的形成年代、土壤迁移的空间分配进行研究,并估算长期(大约40 a)的土壤侵蚀量 [5]。故该法具有可靠、快速、经济的优点。

137Cs法的局限性:137Cs的半衰期为30.12a,仅适用于中长时期的侵蚀量宏观计算;由于采用表层土壤含量比较法,对于侵蚀严重地带,对于侵蚀严重地带,含137Cs土层多侵蚀殆尽,限制了该法的应用 [6] ;137Cs最早沉降发生在1954年,不可能测算更早年代沉积;是一种间接的土壤侵蚀研究方法,依赖各种模型将观测到137Cs含量分布转换为土壤侵蚀或沉积的空间再分布,所有的转换模型都包含一定假设条件,必然会导致研究结果的不确定性 [7]。

3. 西南地区土壤侵蚀137Cs法研究进展

3.1. 土壤侵蚀速率及影响因子研究进展

张信宝等在蒋家沟小流域的土壤侵蚀137Cs法研究时,发现土壤侵蚀强度的顺序为裸坡地 > 农耕地 > 荒草地 > 林地 [8]。随后,张信宝等以四川盐亭、甘肃西峰梯田为例,分析了犁耕作用对农耕地内137Cs再分布的影响,计算了犁耕通量和犁耕剥蚀量,讨论了以往137Cs法测算农耕地土壤侵蚀工作中未考虑犁耕作用存在的主要问题,并提出了新的土壤侵蚀量计算公式 [9]。张燕等运用137Cs法估算滇池流域土壤侵蚀,发现地形地貌、土地利用方式和具体耕作措施均会改变土壤侵蚀状况,滇池流域的土壤侵蚀速率为园地 > 旱地 > 水田 [10]。张明礼等运用137Cs法估算昆明市呈贡县洛羊镇果林水库岸边水海子片区土壤侵蚀时,发现坡不同部位的土壤侵蚀速率大小顺序为坡中部 > 坡下部 > 坡上部,坡位是影响土壤侵蚀的重要因素 [11]。董杰等运用137Cs法研究三峡库区土壤侵蚀速率时,发现不同土地利用类型中,土壤侵蚀强度的大小顺序为:耕地 > 园地 > 草地 > 荒地 > 林地;不同坡度段土壤侵蚀强度差别不大,由强到弱依次为5˚~15˚、0˚~5˚、25˚~35˚、15˚~25˚和>35˚坡度段,皆属轻度侵蚀 [3]。张治伟等在重庆南川岩溶区的土壤侵蚀137Cs法研究时,发现岩溶坡地不同侵蚀程度的土壤侵蚀强度及其特点 [12]。严冬春等研究了黔中高原岩溶丘陵坡地土壤剖面中137Cs的分布情况,判断137Cs法暂时不适合直接用于基岩型岩溶坡地土壤侵蚀速率的调查 [13]。梁家伟等以贵州威宁草海小沙河流域为例,运用137Cs法研究岩溶高原湿地小流域的土壤侵蚀特征 [14]。高军等运用137Cs法研究了卧龙自然保护区的水土保持能力 [15]。严平等初步查明了青藏高原土壤的137Cs背景值且测定了137Cs活度,分析类型不同土壤的现代风蚀过,得到了土壤风蚀速率 [16]。余洁芳等以云南富源县海田后山为例,用137Cs法研究红裸土时,发现红裸土景观的形成应是植被破坏后土壤侵蚀加剧的结果 [17]。

3.2. 沉积速率研究进展

万国江率先运用137Cs法在云南洱海和贵州红枫湖沉积物做沉积速率研究 [18]。李春梅等对贵州省西南部麦岗水库沉积物采用137Cs与210Pbex复合核素示踪技术研究,发现麦岗水库沉积物近几十年以来经历了从慢到快、再到慢的沉积过程 [19]。

何永彬等运用137Cs法研究了贵州茂兰峰丛森林洼地的泥沙堆积速率,得出1963年以来坡格森林洼地的堆积速率接近于0 [20]。

3.3. 泥沙来源研究进展

137Cs法是研究流域泥沙主要来源的可靠方法之一。张信宝等运用137Cs法研究滇东北蒋家沟流域的土壤侵蚀,分析泥石流细粒泥沙、粗粒泥沙主要来源于裸坡地 [8]。文安邦等运用137Cs法研究了长江上游地区的土壤侵蚀状况,并调查了长江上游云贵高原区泥沙来源 [21] [22] [23] [24]。张信宝等将137Cs和210Pbex复合核素示踪法应用于川中丘陵区武家沟小流域泥沙来源的研究表明,137Cs和210Pbex复合核素示踪法具有确定3种源地的泥沙来源的潜力,作者运用混合模型求得武家沟小流域林地、农地、和裸坡地的相对来沙量分别为18%、46%和36%,并认为农台地和裸坡地是流域内最重要和次重要的泥沙来源 [25]。

3.4. 泥沙断代研究进展

国内万国江等首先将137Cs计年法应用于红枫湖沉积物剖面的侵蚀示踪研究 [26]。贺秀斌等利用1970年后湖库沉积剖面中137Cs法浓度递减速率,得出具有较高的精确度的农耕和非农耕流域平均表层侵蚀速率的理论模型 [27]。曾理等参考文献资料归纳了中国湖泊沉积物中137Cs的分布特点和影响因子,影响因子是地貌、海拔、纬度、降雨、植被和人为活动 [28]。张信宝对国内一些湖泊沉积剖面异于典型剖面的原因、不存在1974年的次蓄积峰、青藏高原大气污染核事故的屏蔽作用三个方面进行了探讨研究 [29]。齐永青等探讨了川中丘陵区和三峡库区塘库沉积的137Cs的特点,得到了1963年以来的塘库淤沙量,且依据淤积面积计算了淤沙模数,结合塘库管理和流域上游泥沙淤积情况分析了流域输沙模数和侵蚀模数 [30]。

4. 137Cs法的应用与展望

国内137Cs法研究土壤侵蚀至今已有30余年,发展迅速,并取得很多成果。在西南地区土壤侵蚀137Cs法研究中,应注重以下几个方面的研究:

1) 寻找最佳替代同位素

随着核试验的减少和137Cs半衰期的到来,寻找取代137Cs的同位素已迫在眉睫。例如210Pb与137Cs在土壤剖面中分布随深度的增加呈指数减少的相似性,以及随土壤迁移规律的一致性和仪器、测试技术的共同性,210Pb可发展成为137Cs的最佳替代同位素。此外,239+240Pu示踪技术也将成为一个发展方向。

2) 发展复合核素示踪技术

137Cs法有其局限性,如137Cs法存在核素分布差异性大的问题,复合核素示踪则可降低核素分布的差异性,提高分析精度。应用137Cs和210Pb复合示踪土壤侵蚀、估算土壤侵蚀速率,是今后发展的必然趋势。

3) 与GIS等研究方法相结合

137Cs法在西南地区土壤侵蚀研究的诸多方面上发展缓慢,如137Cs法在大尺度范围内的应用、土壤侵蚀环境等方面的研究。在今后的研究中,应加强利用137Cs法在这些方面的定量研究工作,并与其他研究方法如GIS等相结合,相辅相成以期更深入理解土壤侵蚀作用机理,为建立西南地区土壤侵蚀物理预报模型提供支持。

4) 计算模型的验证与发展

137Cs法示踪土壤侵蚀的已有研究中,对侵蚀模型所得数据验证不足。基于当前计算模型缺乏相对严格验证的问题,今后研究的重点仍是对137Cs法计算模型的验证和修正研究。

5. 结论

西南地区的土壤侵蚀问题突出,137Cs法在不同小流域的适用性问题也亟待解决。应用137Cs法示踪土壤侵蚀,首先,应该确定137Cs法的适用性,即研究区内存在合适的背景值样点、研究区内含137Cs土层未侵蚀完全;其次,对137Cs法侵蚀模型所得数据进行严格验证;再次,合理地结合其他方法共同研究,例如,137Cs法不能量化短时间内的侵蚀量,可以应用7Be示踪坡面的单次降水或季节性的土壤侵蚀。

文章引用:
段承一. 西南地区土壤侵蚀137Cs法研究进展[J]. 自然科学, 2018, 6(6): 444-449. https://doi.org/10.12677/OJNS.2018.66058

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