土壤侵蚀及其导致的土壤退化问题已引起世界范围内广泛的关注。全球每年农业土壤的侵蚀面积可达3.0×10⁶ hm²。据20世纪90年代初遥感普查的结果表明，中国水蚀面积达1.79×10⁵ km²，约占国土面积的19％。全世界每年耕作土地的土壤侵蚀损失达2.3×10¹⁰t，超过土壤的形成量，也就是说，全世界每10年的土壤损失率可达7％。土壤侵蚀不仅导致土壤质量的下降，而且还会造成水体污染、富营养化和河床抬升、加速侵蚀区生态系统的功能失调等严重后果。

现有的土壤侵蚀测定方法基本可以分为：①侵蚀小区测定法；②普查法；③示踪剂法。其中，放射性核素(如¹³⁷ Cs、²¹⁰ Pb、⁷ Be、²²⁶ Ra和²²⁸ Ra等)示踪法克服了侵蚀小区观测法和普查法的不足之处，该法利用通过大气干沉降和湿沉降到达地表的宇宙成因或人工放射性核素，通过分析其在地表再分布的空间特征，可以对土壤侵蚀的空间变化、沉积土壤不同层次的形成年代和土壤迁移的空间分布进行研究，并可估算中长期或短期的土壤侵蚀量。

应用放射性核素示踪土壤侵蚀的研究是土壤学的国际前沿研究热点之一，其中，以¹³⁷ Cs、²¹⁰ Pb和⁷ Be示踪技术在土壤侵蚀(水蚀)中的应用研究较为深入。运用¹³⁷ CS和²¹⁰ Pb技术，通过一次侵蚀点踏勘、采样，可分别进行大约45年以来和近100年以来的土壤侵蚀(包括面蚀和沟蚀)的速率估算和空间分布研究，进而获得特定小流域的平均输沙率。7 Be则可用于示踪短期内某种土地利用方式下的土壤空间分配研究(郑永春等2002,魏彦昌等2006，向慧昌等2006，史忠林等2008)

一、放射性核素示踪土壤侵蚀的基本原理

¹³⁷ Cs是20世纪50年代至70年代大气热核试验以及1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故的副产物，其半衰期为30.17年。¹³⁷ Cs进入大气同温层后随着大气环流运动，通过干沉降和湿沉降作用到达地表，¹³⁷ Cs一旦进入土壤后，就马上被强烈吸附于黏粒矿物颗粒和有机质上，且不易向下淋溶、迁移。¹³⁷ Cs的地表空间运移主要由土壤侵蚀、土壤颗粒的迁移和土壤沉积颗粒的淀积等过程所造成，而且¹³⁷ Cs的地表损失量和累积量与土壤的侵蚀量和沉积量有一定的关系。也就是说，对于较小的土壤侵蚀小区而言，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能示踪土壤侵蚀作用的先决条件。

不同于¹³⁷ Cs，²¹⁰ Pb则是土壤中自然产生的放射性核素。半衰期为22.2年，是²²² Rn衰变的产物口²²² Rn的母体是²³⁸ U衰变系列之一的²²⁶ Ra。一般而言，当地产生的²¹⁰ Pb与²²⁶ Ra保持长期的平衡关系。然而，土壤中的一些²²² Rn则会扩散到大气中，衰变生成²¹⁰ Pb，而后，通过干湿沉降到达地表，被土壤颗粒强烈固定，并随土壤颗粒的运动而发生迁移。大气沉降来源的²¹⁰ Pbair(或²¹⁰ Pb_ex)可由土壤总²¹⁰ Pb活度减去²²⁶Ra活度计算得出，其活度在土壤剖面中呈指数下降，分布深度可达10～40 cm。通过比较对照点和侵蚀点土壤²¹⁰ Pb和¹³⁷ Cs活度比的剖面分布特征，可确定土壤侵蚀厚度，并进一步求得土壤侵蚀量(Wallbrink et al. 1996)。

⁷Be则是一种宇宙射线成因的放射性核素，由对流层和同温层大气中的氧和氮在宇宙射线作用下分裂生成，其半衰期为53.3d。生成的⁷Be通过干湿沉降作用到达土表，并很快为表层土壤强烈吸附。⁷Be示踪技术应用于研究土壤空间再分配的速率和形式的原理与¹³⁷ Cs技术是相似的。因此，特定采样点土壤的⁷Be含量与基准点⁷ Be含量的差值可反映土壤的空间再分配作用的强度和形式。

二、侵蚀示踪技术的基本方法

以下将以目前发展最为成熟的¹³⁷ Cs示踪技术为例，说明放射性核素用于土壤侵蚀研究的基本方法。

¹³⁷ Cs示踪剂技术在土壤侵蚀估算的成功应用应解决两个关键问题。其一，如何准确地确定该地区的基准值，以用于估算输人或输出土壤剖面的¹³⁷ Cs量。一般而言，作为基准值采样点的土壤应在历史上并未受到侵蚀或沉积。其二，如何确定土壤的¹³⁷ Cs输人或输出总量占该地区土壤¹³⁷ Cs基准值的比率与土壤侵蚀量之间的定量关系。一般而言，目前用于研究这类关系的模型可以分为两大类：一类为经验模型，它是通过对现有数据进行统计分析，从而得出土壤¹³⁷ C。损失率与土壤侵蚀量的简单经验函数关系；另一类为理论模型，它则是在对土壤侵蚀机理进行理论分析的基础上，综合考虑各种侵蚀影响因子，从而建立起土壤侵蚀量与土壤剖面¹³⁷ Cs损失率的关系。对于有关的土壤侵蚀估算模型曾有较为详细的评述(Walling et al. 1999，唐翔宇等2000)。

放射性核素不仅可用于土壤侵蚀速率的估算，而且还可通过多元素联合示踪来判别侵蚀的类型和泥沙来源。不同放射性核素的土壤透人深度的差异使之可以用于确定土壤剖面中沉积土壤的最初来源，并推断可能发生的侵蚀过程。如果沉积土壤中的¹³⁷ Cs和，Be活度都较高，说明土壤是通过片蚀或细沟侵蚀作用进行搬运的。若沉积土壤中的¹³⁷ CS活度较高，而⁷ Be活度较低，则说明它是来自人类活动较多的土壤环境，也就是说土壤颗粒来自土壤5～50 mm深度范围内。很低或检测限以下的¹³⁷ Cs和⁷ Be活度则说明该土壤并未接受到¹³⁷ Cs和⁷Be的大气沉降，如遭受侵蚀的沟壁土壤。较高的⁷Be活度和较低的¹³⁷ Cs活度则表明该沉积土来自¹³⁷ Cs基本全部损失的土壤，但该土壤有足够的暴露时间获得大气沉降⁷Be的标记。Wallbrink等(1993)采用7Be和¹³⁷ Cs以及其他放射性元素联合示踪研究了不同侵蚀类型在土壤侵蚀作用中的相对贡献(图7-5)，结果证明，⁷Be用于示踪浅层表土来源是非常有用的。因此，只要在主要降雨期内每隔一定时间分析地表径流中的悬浮颗粒的⁷Be和¹³⁷ Cs活度，即可确定该流域的主导侵蚀作用类型。

图7-5 不同浸蚀类型所迁移的土壤中¹³⁷ Cs和⁷Be含量的

相对差异示意图(Wallbrink et al. 1993)

三、侵蚀示踪研究的基本现状和前景

正如前所述，土壤侵蚀作为世界许多国家和地区面临的重要环境问题之一，已引起了各国政府和国际组织的广泛关注，并已投入大量的研究经费和研究力量。其中，首要的问题是如何准确地定量评估各地区土壤侵蚀的空间特征和强度，特别是在流域尺度上。除放射性核素示踪法之外，目前已发展和建立了许多其他侵蚀量计算的研究手段，包括侵蚀小区法、遥感法、通用土壤流失方程以及其他土壤流失方程等。然而，这些方法与放射性核素示踪法相比，除了具有前述局限性之外，尽管能获得许多有益的侵蚀状况的定量信息，但其准确性仍相对较低，而且在反映微地形对侵蚀的影响和流域输沙量的计算上仍难以获得令人满意的可靠结果。

放射性核素示踪法在应用于土壤侵蚀示踪和侵蚀量估算方面有其自身的优点。大量相关研究成果极大地推动了¹³⁷ Cs示踪技术在土壤侵蚀和沉积研究中的应用，并使该技术日益成熟，其估算结果的可靠性和精度得以较大的提高。目前，¹³⁷ Cs法土壤侵蚀研究不仅在美、加、澳和英等发达国家进行，而且在广大的发展中国家也迅速开展起来。各国政府自然科学基金的资助和国际原子能机构的经费支持也极大地推动了该研究的顺利开展。在这样的背景下，土壤侵蚀作用的¹³⁷ Cs示踪法研究技术已日益成熟，其侵蚀估算结果的可靠性由于定量模型的改进而得以大大提高。¹³⁷ Cs示踪技术具有传统研究法的结果所不可比拟的诸多优点，特别反映在研究中长期的土壤侵蚀或沉积作用的强度和空间特征上更有其自身的优势。为了进一步提高研究结果的可靠性和精度，在今后的研究中应关注多元素的联合示踪技术应用。

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