核素示蹤法研究農(nóng)耕地土壤侵蝕的定量模型及其評(píng)價(jià)

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1、Vol.10 No.4 王曉燕等: 核素示蹤法研究農(nóng)耕地土壤侵蝕的定量模型及其評(píng)價(jià) 339 文章編號(hào)：1008-181X（2001）04-0335-04 核素示蹤法研究農(nóng)耕地土壤侵蝕的定量模型及其評(píng)價(jià) 王曉燕，田均良 （中科院、水利部西北農(nóng)林科技大學(xué) ，水土保持研究所，陜西 楊凌 712100） 摘要：應(yīng)用137Cs示蹤技術(shù)估算農(nóng)耕地土壤侵蝕量的定量模型主要有兩類(lèi)：徑流小區(qū)上建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及各種理論模型。文章主要對(duì)各種主要模型作了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)各種模型的優(yōu)點(diǎn)、局限性進(jìn)行了比較和評(píng)價(jià)；指出今后在模型的建立和應(yīng)用中

2、注意的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：示蹤法；農(nóng)耕地；土壤侵蝕；定量模型；評(píng)價(jià) 中圖分類(lèi)號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Quantitative models and their evaluations by using radionuclide to trace soil erosion WANG Xiao-Yan, TIAN Jun-liang （Institute of Soil and Water Conservation, and North-western Agriculture and Forestry Sci-tech University, Chinese Ac

3、ademy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China） Abstract: There are two types of models often used in estimating soil erosion on the cultivated land, which are empirical formula and theoretical models. The main models are introduced and their advantages and limit

4、ations are also compared and evaluated; what we must paid great attention to are proposed when it comes to setting up and applying the erosion models. Key words: tracer method; cultivated land; soil erosion; quantitative models; evaluation 農(nóng)耕地是環(huán)境中泥沙的主要來(lái)源地，尤其是黃土高原陡坡墾荒耕種已成為人為加速侵蝕的重要原因之一。因此，對(duì)農(nóng)耕地土壤侵

5、蝕的研究顯得很有必要。核素示蹤法以其快速、準(zhǔn)確、成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為研究農(nóng)耕地土壤侵蝕的重要方法之一[1]。土壤剖面中的137Cs是大氣核試驗(yàn)或核反應(yīng)堆產(chǎn)生的核塵經(jīng)干沉降、濕沉降進(jìn)入土壤，并在土壤表層與土壤粘粒緊密結(jié)合，由于耕作混合，一般認(rèn)為137Cs在犁耕層分布相對(duì)均勻，犁耕層以下無(wú)137Cs分布。自上個(gè)世紀(jì)60年代Menzel[2]首先探討了土壤侵蝕與核素運(yùn)移關(guān)系以來(lái)，核技術(shù)（尤其是137Cs技術(shù)）在土壤侵蝕研究中獲得了蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了大量的研究成果。目前，核素示蹤法在土壤侵蝕研究中應(yīng)該注意的不是方法應(yīng)用合理性的問(wèn)題，而應(yīng)該是方法的進(jìn)一步完善。137Cs法急需加強(qiáng)的兩個(gè)方面，一是核素背景值的

6、確定問(wèn)題，另一個(gè)是137Cs的空間分布與土壤侵蝕量之間的相關(guān)關(guān)系問(wèn)題。建立合理、適用范圍廣的137Cs 侵蝕模型是核示蹤技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)?，F(xiàn)將137Cs法研究農(nóng)耕地的定量模型及其優(yōu)缺點(diǎn)做一評(píng)價(jià)。 1 主要模型及其評(píng)價(jià) 1.1 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 Ritchie等[3]（1974）結(jié)合別人以前的徑流小區(qū)測(cè)得的土壤侵蝕量或利用通用水土流失方程計(jì)算求得的侵蝕量與侵蝕地塊137Cs流失量對(duì)比，建立了區(qū)域經(jīng)驗(yàn)公式： X=1.6Y 0.68 （1） 式中，X表示137Cs流失百分比，Y表示年土壤流失量（mghm-2a-1

7、）。 其后，Menzel[4]和澳大利亞的Loughran和Campbell[5]等都得到了類(lèi)似的關(guān)系式，因此，這類(lèi)關(guān)系式模型可用下式表示為： Y =αX β （2） X、Y的含義與上述相同，且X=（Aref -A）/Aref100；Aref研究區(qū)137Cs本底值，A采樣點(diǎn)137Cs的含量；α、β為待定參數(shù)。 無(wú)疑，上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用簡(jiǎn)單，且對(duì)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是比較準(zhǔn)確的，但其缺陷是顯而易見(jiàn)的：（1）侵蝕小區(qū)規(guī)模小，不能代表全自然坡面的侵蝕過(guò)程，使其應(yīng)用受到局限；（2）用于推導(dǎo)此類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式的土壤侵

8、蝕速率代表小區(qū)內(nèi)的凈平均侵蝕量，與用于估算土壤侵蝕速率的采樣點(diǎn)的137Cs損失的測(cè)定值之間不存在直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系；（3）由于徑流小區(qū)137Cs的本底值反映是自137Cs開(kāi)始沉降以來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間尺度的平均侵蝕速率，而測(cè)得的平均侵蝕速率反映的是較短時(shí)間內(nèi)的侵蝕速率，因此，應(yīng)用這些資料建立的關(guān)系式存在不確定性和不連續(xù)性；（4）如果徑流小區(qū)是在137Cs的主要沉降過(guò)后才建立的，由于徑流小區(qū)建立時(shí)的物理性擾動(dòng)引起137Cs的重新分布，將對(duì)137Cs的本底值產(chǎn)生影向。 1.2 理論模型 1.2.1 比例模型 比例模型很可能是137Cs法估算農(nóng)耕地土壤侵蝕速率最常用的理論模型[6~8]，該

9、模型的假設(shè)前提是：137Cs沉降后與耕作層完全混合；自137Cs開(kāi)始在土壤中積累后，土壤侵蝕量與土壤剖面中137Cs的減少量直接成比例。其表達(dá)可表述為： y =10 （3） 式中，d為耕作深度（m），B為土壤體積質(zhì)量（kg/m3），T為自137Cs開(kāi)始累積以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間（a）。 許多研究者根據(jù)自己研究區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)上述模型作了修改，但基本形式一致。如Martz和DeJong[9]提出的公式為： 其中，En為凈土壤流失量 (kg/m2)，Dp為犁耕層的平均厚度（m），Bs為土壤體積質(zhì)量（kg/m3），K為137Cs輸入量

10、的校正系數(shù)（DeJong等取0.95），Rs為采樣點(diǎn)137Cs的活度（Bq/m2），Rc為控制樣點(diǎn)137Cs的輸入量（Bq/m2）（即背景值）。 比例模型簡(jiǎn)單、易用，但假設(shè)的前提過(guò)于簡(jiǎn)單，存在的缺陷是：137Cs沉降后首先富集在土表，故在下一次耕作之前測(cè)得的土壤侵蝕量結(jié)果偏大（這種現(xiàn)象發(fā)生在137Cs沉降年份），而若在137Cs遭到部分流失后再進(jìn)行耕作，則137Cs被稀釋?zhuān)褂?jì)算結(jié)果偏低；當(dāng)137Cs的流失率高達(dá)50%時(shí)，土壤流失率則可偏低40%以上[17]。模型應(yīng)該反映137Cs再分布的實(shí)際動(dòng)態(tài)，盡量減少估算中的不確定性。 1.2.2 質(zhì)量測(cè)定模型 Brown等[10]于19

11、81年首先提出了質(zhì)量測(cè)定模型，該模型建立的原理是：沉積區(qū)137Cs的凈增量應(yīng)該等于侵蝕區(qū)137Cs的凈流失量。方程的表達(dá)式為： （1-E）（X B-D B）=C A-X A （5） 式中，E、X：137Cs本底值（Bq/m2）；D、C：分別為沉積區(qū)、侵蝕區(qū)137Cs之面積濃度（Bq/m2）；B、A：分別為侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的面積（m2）。 1988年，Lowrance等[11]對(duì)Brown方程作了修正，其表述為： A、B、C、D的含義與上同，Z為未擾動(dòng)林地137Cs的含量，WD、WU分別為沉積區(qū)、侵蝕區(qū)137Cs的質(zhì)量濃度。Lowran

12、ce方程和Brown方程的不同點(diǎn)在于Lowrance使用了未擾動(dòng)林地137Cs的含量作為背景值。因此，質(zhì)量測(cè)定模型可以用一個(gè)式子表達(dá)為： 式中，Aref、A為研究區(qū)137Cs的本底值和侵蝕區(qū)137Cs的面積活度（Bq/m2），CS為侵蝕區(qū)土壤中的平均質(zhì)量活度，T為時(shí)間（a）。 這類(lèi)模型的缺陷是：（1）用土壤中當(dāng)前137Cs的活度代替CS，忽略了由于土表侵蝕及耕作稀釋作用的影響，從而使估算值偏高；（2）用單個(gè)137Cs值代表所有研究區(qū)，同樣使137Cs法測(cè)定土壤多年平均侵蝕速率具有不連續(xù)性。 1.2.3 質(zhì)量平衡模型的提出及其完善 1984年Kachanoski和DeJong[

13、12]根據(jù)農(nóng)耕地137Cs流失的物理模式，建立了137Cs流失量與農(nóng)耕地土壤侵蝕量之間的理論關(guān)系式（即質(zhì)量平衡模型）： St=（St-1＋Ft－EtCt）K （9） St為t年年底137Cs的面積濃度（Bq/m2），F(xiàn)t為t年137Cs沉降量，Et為年侵蝕速率（Kg/m2），Ct為犁耕層土壤中137Cs的質(zhì)量濃度，K為137Cs衰變系數(shù)（取0.977）。 Zhang等[13]將（9）式簡(jiǎn)化，得到一簡(jiǎn)化公式： X=X0（1－h(huán)/H）N -1963 （10） 式中，X為137Cs的面積濃度（

14、Bq/m2），X0為137Cs的本底值（Bq/m2），h為年土壤流失厚度，H為犁耕層厚度，N為取樣年份。Zhang氏公式的不足之處為：沒(méi)有考慮農(nóng)耕地也存在137Cs表層富集現(xiàn)象，使求得的結(jié)果偏大；137Cs沉降后未與土壤顆粒結(jié)合前的流失部分為加以校正；未考慮侵蝕分選作用。1997年張對(duì)自己以前的模型又作了修正，考慮了上述的后兩個(gè)因子，使模型具有較高的實(shí)際使用價(jià)值。但Walling、Quine和He等[14~17]對(duì)質(zhì)量平衡模型的修正作了大量的工作，提出了如下模型： 式中，A（t）為累計(jì)137Cs面積濃度（Bq/m2），R為侵蝕速率[kg/(m2a)]，d為犁耕層質(zhì)量深度（kg

15、/m2），I（t）為137Cs年沉降分量，[Bq/(m2a)]，Γ 為137Cs沉降后未與犁耕層混合之前被侵蝕的比例，t為取樣年份1954（a），P為粒分選系數(shù)（定義為遷移泥沙中137Cs濃度與其起源土壤中137Cs濃度之比。上述模型沒(méi)有考慮耕作管理對(duì)土壤再分配的影響，因此，Walling和He[16]結(jié)合耕作管理錯(cuò)施，對(duì)上式進(jìn)一步修正如下： Rt, in、Rt, out和Cw, out分別表示耕作引起泥沙的凈輸入、輸出及水蝕速率，Ct, in ( t )、Ct, out ( t )、Cw, out ( t )分別表示耕作導(dǎo)致輸出、輸入泥沙中及水蝕產(chǎn)生的輸出泥沙中137Cs的

16、濃度。 （12）式是目前計(jì)算農(nóng)耕地土壤侵蝕量最完善的理論模型，土壤總凈侵蝕量、耕作侵蝕量及水蝕侵蝕量均可得到。Walling等[18, 19]人不僅用137Cs，而且用210Pb和7Be兩種天然放射性核素進(jìn)行了類(lèi)似的應(yīng)用研究。但該模型過(guò)于復(fù)雜，牽涉的參數(shù)太多且不好確定，因此實(shí)際使用價(jià)值不大。 楊浩等[20]基于Kachanoski等的模型（即〈9〉式），考慮137Cs年沉降分量、犁耕層厚度、采樣年份及137Cs衰變系數(shù)等對(duì)侵蝕量估算的影響，提出了如下關(guān)系式： St =（St-1+R t CR /WN）（1-h/H）K （t =1，2，3…，N） (13) 令X=（1-h/H）K，

17、切X為侵蝕常數(shù)，則有： SN=R1XN+R2XN-1+R3XN-3+RNX)CR/WN 因而137Cs流失的百分量為： (CR-SN)/CR=100-100[（R1XN+R2XN-1+R3XN-3++RNX）/WN] 用圖解法或數(shù)值法求得X，則年均土壤侵蝕量ER（kg/hm2a）為： ER=H（1-X/K）D10000 其后，Hao Yang[21]有進(jìn)一步考慮了地表富集作用的影響，提出犁耕層核素不同剖面分布形式（指數(shù)形、線性形和均一形三種分布形式）和不同富集層厚度下的理論修正模式。 由上述可知，相對(duì)而言，楊浩的理論模型較Walling的待定參數(shù)少且易于確定，使用起來(lái)比較

18、方便，但楊氏模型中沒(méi)有考慮耕作移置作用及侵蝕過(guò)程中很可能出現(xiàn)的顆粒分選作用對(duì)估算值的影響；另外雖然137Cs的年沉降分量是已知的，但其沉降總量卻難以確定，用土壤中的本底值來(lái)代替沉降總量而未考慮137Cs沉降時(shí)的瞬即流失，因此我認(rèn)為楊氏雖然考慮了年沉降分量這個(gè)因素，但實(shí)際上在應(yīng)用中沒(méi)有真正體現(xiàn)。 2 今后發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 顯然，137Cs示蹤農(nóng)耕地土壤侵蝕的定量模型發(fā)展到今天，經(jīng)歷了多次修正直至比較完善的過(guò)程。由于137Cs沉降年份、沉降特征的特殊性以及侵蝕過(guò)程的復(fù)雜性，考慮所有的因素是不大可能的，做純理論探討是可以，但實(shí)際應(yīng)用相對(duì)比較困難?？梢酝ㄟ^(guò)考慮137Cs的表層富

19、集、瞬即流失和侵蝕分選作用三個(gè)方面對(duì)Zhang氏模型加以校正，使其在土壤侵蝕量的估算中更精確。在以后的模型建立和應(yīng)用方面，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)如下幾點(diǎn)。 （1）137Cs本底值的確定是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于局部地形、小氣候等環(huán)境條件、土壤自身特性的變異性及采樣點(diǎn)的選擇是否科學(xué)合理等因素造成137Cs本底值的精確度和代表性問(wèn)題，應(yīng)該謹(jǐn)慎。Sutherland等[22，23]、Wallbrink等[24，25]都曾經(jīng)報(bào)道過(guò)137Cs本底值含量的變異性問(wèn)題。Sutherland認(rèn)為應(yīng)有不少于11個(gè)采樣點(diǎn)的值來(lái)估計(jì)本底值（95%的置信度、10%的誤差范圍內(nèi)），而Wallbrink則提出用210Pbex與137

20、Cs的比值來(lái)減少核素含量的變異性問(wèn)題。因此，應(yīng)該有一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，在一定的誤差范圍內(nèi)達(dá)到一定的信度。 （2） 一般認(rèn)為將137Cs在農(nóng)耕地土壤剖面中的分布簡(jiǎn)化成均一型。事實(shí)上，137Cs的剖面分布形式不總是均勻的，因此，需進(jìn)一步研究它的剖面分布問(wèn)題。 （3）應(yīng)考慮侵蝕引起的顆粒分選及耕作稀釋造成侵蝕量的偏高或偏低，這也是目前國(guó)內(nèi)研究者們通常忽視的問(wèn)題。 （4）同時(shí)運(yùn)用天然放射性核素210Pb、7Be等與人為放射性核素137Cs示蹤土壤侵蝕，一方面可以做對(duì)比研究，提高137Cs法的精度，另一方面為示蹤侵蝕拓展新的途徑；同時(shí)由于核素具有不同的壽命，因此可以比較不同時(shí)

21、間尺度內(nèi)的平均侵蝕速率，示蹤流域內(nèi)泥沙來(lái)源和泥沙通量，并賦予歷史內(nèi)涵，預(yù)測(cè)土壤侵蝕環(huán)境將來(lái)的可能變化。 （5）RULSE、WEPP方程是目前使用最廣泛的侵蝕模型，但其中的待測(cè)參數(shù)（如土壤可蝕性因子K）的確定是個(gè)關(guān)鍵，可以用核素示蹤法模擬土壤侵蝕過(guò)程來(lái)解決這一問(wèn)題或者可以進(jìn)行相互印證。 參考文獻(xiàn)： [1] JERRY C R, MCHENRY J R. Application of radioactive fallout caesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patter

22、ns: a review[J]. J Environ Qual, 1990, 19: 215-233. [2] MENZEL R G. Transport of strontium-90 in runoff[J]. Science, 1960, 131: 499-500. [3] RITCHIE J C, MCHENRY J R, GILL A C. Fallout 137Cs in the soils and sediments of three small watersheds[J]. Ecology, 1974, 55: 887-890. [4] Menzel R G, Jung

23、P K, Rgu K S, et al. Estimated soil erosion in Korea with fallout 137Cs[J]. Applied Radiotion and Isotopes, 1987, 38(6): 348-352. [5] LOUGHRAN R C, CAMPBELL B L. The identification of catchment sediment sources[A]. In: FOSTER I L, et al., eds. Sediment and Water Quality in River Catchments[C]. Chi

24、chester, UK: John Wiley&Sons, 1995. 189-205. [6] DE JONG E C, BEGG C M, KACHANOSKI R G. Estimates of soil erosion and deposition from Saskatchewan soils[J]. Can J Soil Sci, 1983, 63: 607-617. [7] KACHANOSKI R G. Comparison of measured soil 137-cesium losses and erosion rates[J]. Can J Soil Sci, 19

25、87, 67: 199-203. [8] MARTZ L W, DE JONG E. Using cesium-137 to assess the variability of net soil erosion and its association with topography in a Canadian Prairie landscape[J]. Catena, 1987, 14: 439-451. [9] MARTZ L W, DE JONG E. Using cesium-137 and landform classification to develop a net soil

26、erosion budget for a small Canadian prairie watershed[J]. Catena, 1991, 18: 289-308. [10] BROWN R B, KLING G F. Agricutural erosion indicated by 137Cs redistribution:II.Estimates of erosion rates[J]. Soil Sci Soc Am J, 1981, 45: 1191-1197. [11] LOWRANCE R J, ELLIOT G L, CAMPBELL B L, et al. Erosi

27、on and deposition in a field/forest system estimated using 137Cs activity[J]. J Soil and Water Conservation, 1988, 2: 195-198. [12] KACHANOSKI K G, DEJONG E. Predicting the temporal relationship between soils 137Cs and erosion rate[J] . J Environ Qual, 1984, 3(2): 301-304. [13] ZHANG X B, HIGGITT

28、 D L, WALLING D E. A preliminary assessment of the potential for using caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loess Plateau of China[J]. Hydrol Sci J, 1990, 35: 267-276. [14] WALLING D E, QUINE T A. Calibration of caesium-137 measurements to provide quantitative erosion rate data[J].

29、 Land Dedrad Rehab, 1990, 2: 161-175. [15] QUINE T A. Estimation of erosion rates from the caesium-137 data: The calibration question[A]. In FOSTER I L, et al., eds. Sediment and Water Quality in River Catchments[C]. Chichester, UK: John Wiley & Sons, 1995. 307-330. [16] HE Q, WALLING D E. The di

30、stribution of fallout 137Cs and 210Pb in undisturbed and cultivated soils[J]. Appl Radiat Isotopes, 1997, 30: 117-137. [17] WALLING D E, HE Q. Improved models for estimating soil erosion rates from cesium-137 measurements[J]. J Environ Qual, 1999, 28(2): 611-622. [18] Walling D E, He Q. Use of 7Be

31、 and 137Cs measurements to document short- and medium-term rates of water-induced soil erosion on agricultural land[J]. Water Resources Research, 1999, 35(12): 3865-3874. [19] WALLING D E, HE Q. Using of fallout lead-210 measurements to estimate soil erosion on cultivated land[J]. Soil Sci Soc Am J

32、, 1999, 63: 1404-1412. [20] 楊浩，杜明遠(yuǎn)，趙其國(guó)，等. 利用137Cs示蹤農(nóng)業(yè)耕作土壤速率的定量模型[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2000，37（3）：296-305. [21] HAO Y, CHANG Q, DU M, et al. Quantitative model of soil erosion rates using 137Cs for cultivated soil[J]. Soil Science, 1998, 163(3): 248-257. [22] SUTHERLAND R A. Caesium-137 soil sampling and inve

33、ntory variability in reference locations: a literature survey[J]. Hydrol Processes, 1996, 10: 43-53. [23] SUTHERLAND R A. Examination of caesium-137 areal activities in control (uneroded) locations[J]. Catena, 1991, 4: 33-50. [24] Wallbrink P J, Olley J M, Murry A S. Measuring soil movement using

34、137Cs: implication of reference site variability[A]. In: OLIVE L J, LOUGHRAN R J, ET AL., EDS. Variability in Stream Erosion and Sediment Transport[C]. IAHS Publ, 1994. 95-102. [25] WALLBRINK P J, MURRY A S. Determining soil loss using the inventory ratio of excess 210Pb to 137Cs[J]. Soil Sci Soc Am J, 1996, 60(4): 1201-1208.