核素示踪法研究农耕地土壤侵蚀的定量模型及其评价.doc

vol.10 no.4 王晓燕等: 核素示踪法研究农耕地土壤侵蚀的定量模型及其评价 339文章编号：1008-181x（2001）04-0335-04核素示踪法研究农耕地土壤侵蚀的定量模型及其评价王晓燕，田均良（中科院、水利部西北农林科技大学 ，水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）摘要：应用137cs示踪技术估算农耕地土壤侵蚀量的定量模型主要有两类：径流小区上建立的经验关系式及各种理论模型。文章主要对各种主要模型作了简要介绍，并对各种模型的优点、局限性进行了比较和评价；指出今后在模型的建立和应用中注意的问题。关键词：示踪法；农耕地；土壤侵蚀；定量模型；评价中图分类号：s157 文献标识码：aquantitative models and their evaluations by using radionuclide to trace soil erosionwang xiao-yan, tian jun-liang（institute of soil and water conservation, and north-western agriculture and forestry sci-tech university, chinese academy 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 limitations 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 农耕地是环境中泥沙的主要来源地，尤其是黄土高原陡坡垦荒耕种已成为人为加速侵蚀的重要原因之一。因此，对农耕地土壤侵蚀的研究显得很有必要。核素示踪法以其快速、准确、成本低等优点而成为研究农耕地土壤侵蚀的重要方法之一1。土壤剖面中的137cs是大气核试验或核反应堆产生的核尘经干沉降、湿沉降进入土壤，并在土壤表层与土壤粘粒紧密结合，由于耕作混合，一般认为137cs在犁耕层分布相对均匀，犁耕层以下无137cs分布。自上个世纪60年代menzel2首先探讨了土壤侵蚀与核素运移关系以来，核技术（尤其是137cs技术）在土壤侵蚀研究中获得了蓬勃发展，出现了大量的研究成果。目前，核素示踪法在土壤侵蚀研究中应该注意的不是方法应用合理性的问题，而应该是方法的进一步完善。137cs法急需加强的两个方面，一是核素背景值的确定问题，另一个是137cs的空间分布与土壤侵蚀量之间的相关关系问题。建立合理、适用范围广的137cs 侵蚀模型是核示踪技术的关键和难点。现将137cs法研究农耕地的定量模型及其优缺点做一评价。1 主要模型及其评价1.1 经验关系式 ritchie等3（1974）结合别人以前的径流小区测得的土壤侵蚀量或利用通用水土流失方程计算求得的侵蚀量与侵蚀地块137cs流失量对比，建立了区域经验公式： 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）。其后，menzel4和澳大利亚的loughran和campbell5等都得到了类似的关系式，因此，这类关系式模型可用下式表示为： y =x （2）x、y的含义与上述相同，且x=（aref -a）/aref100；aref研究区137cs本底值，a采样点137cs的含量；、为待定参数。 无疑，上述经验模型应用简单，且对试验小区内的计算结果应该是比较准确的，但其缺陷是显而易见的：（1）侵蚀小区规模小，不能代表全自然坡面的侵蚀过程，使其应用受到局限；（2）用于推导此类经验公式的土壤侵蚀速率代表小区内的净平均侵蚀量，与用于估算土壤侵蚀速率的采样点的137cs损失的测定值之间不存在直接的对应关系；（3）由于径流小区137cs的本底值反映是自137cs开始沉降以来的长时间尺度的平均侵蚀速率，而测得的平均侵蚀速率反映的是较短时间内的侵蚀速率，因此，应用这些资料建立的关系式存在不确定性和不连续性；（4）如果径流小区是在137cs的主要沉降过后才建立的，由于径流小区建立时的物理性扰动引起137cs的重新分布，将对137cs的本底值产生影向。1.2 理论模型1.2.1 比例模型比例模型很可能是137cs法估算农耕地土壤侵蚀速率最常用的理论模型68，该模型的假设前提是：137cs沉降后与耕作层完全混合；自137cs开始在土壤中积累后，土壤侵蚀量与土壤剖面中137cs的减少量直接成比例。其表达可表述为：y =10 （3）式中，d为耕作深度（m），b为土壤体积质量（kg/m3），t为自137cs开始累积以来所经历的时间（a）。许多研究者根据自己研究区的实际情况，对上述模型作了修改，但基本形式一致。如martz和dejong9提出的公式为：其中，en为净土壤流失量 (kg/m2)，dp为犁耕层的平均厚度（m），bs为土壤体积质量（kg/m3），k为137cs输入量的校正系数（dejong等取0.95），rs为采样点137cs的活度（bq/m2），rc为控制样点137cs的输入量（bq/m2）（即背景值）。比例模型简单、易用，但假设的前提过于简单，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测得的土壤侵蚀量结果偏大（这种现象发生在137cs沉降年份），而若在137cs遭到部分流失后再进行耕作，则137cs被稀释，使计算结果偏低；当137cs的流失率高达50%时，土壤流失率则可偏低40%以上17。模型应该反映137cs再分布的实际动态，尽量减少估算中的不确定性。1.2.2 质量测定模型 brown等10于1981年首先提出了质量测定模型，该模型建立的原理是：沉积区137cs的净增量应该等于侵蚀区137cs的净流失量。方程的表达式为： （1-e）（x b-d b）=c a-x a （5）式中，e、x：137cs本底值（bq/m2）；d、c：分别为沉积区、侵蚀区137cs之面积浓度（bq/m2）；b、a：分别为侵蚀区和沉积区的面积（m2）。 1988年，lowrance等11对brown方程作了修正，其表述为：a、b、c、d的含义与上同，z为未扰动林地137cs的含量，wd、wu分别为沉积区、侵蚀区137cs的质量浓度。lowrance方程和brown方程的不同点在于lowrance使用了未扰动林地137cs的含量作为背景值。因此，质量测定模型可以用一个式子表达为：式中，aref、a为研究区137cs的本底值和侵蚀区137cs的面积活度（bq/m2），cs为侵蚀区土壤中的平均质量活度，t为时间（a）。 这类模型的缺陷是：（1）用土壤中当前137cs的活度代替cs，忽略了由于土表侵蚀及耕作稀释作用的影响，从而使估算值偏高；（2）用单个137cs值代表所有研究区，同样使137cs法测定土壤多年平均侵蚀速率具有不连续性。1.2.3 质量平衡模型的提出及其完善1984年kachanoski和dejong12根据农耕地137cs流失的物理模式，建立了137cs流失量与农耕地土壤侵蚀量之间的理论关系式（即质量平衡模型）：st=（st-1ftetct）k （9）st为t年年底137cs的面积浓度（bq/m2），ft为t年137cs沉降量，et为年侵蚀速率（kg/m2），ct为犁耕层土壤中137cs的质量浓度，k为137cs衰变系数（取0.977）。zhang等13将（9）式简化，得到一简化公式：x=x0（1h/h）n -1963 （10）式中，x为137cs的面积浓度（bq/m2），x0为137cs的本底值（bq/m2），h为年土壤流失厚度，h为犁耕层厚度，n为取样年份。zhang氏公式的不足之处为：没有考虑农耕地也存在137cs表层富集现象，使求得的结果偏大；137cs沉降后未与土壤颗粒结合前的流失部分为加以校正；未考虑侵蚀分选作用。1997年张对自己以前的模型又作了修正，考虑了上述的后两个因子，使模型具有较高的实际使用价值。但walling、quine和he等1417对质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）为累计137cs面积浓度（bq/m2），r为侵蚀速率kg/(m2a)，d为犁耕层质量深度（kg/m2），i（t）为137cs年沉降分量，bq/(m2a)， 为137cs沉降后未与犁耕层混合之前被侵蚀的比例，t为取样年份1954（a），p为粒分选系数（定义为迁移泥沙中137cs浓度与其起源土壤中137cs浓度之比。上述模型没有考虑耕作管理对土壤再分配的影响，因此，walling和he16结合耕作管理错施，对上式进一步修正如下：rt, in、rt, out和cw, out分别表示耕作引起泥沙的净输入、输出及水蚀速率，ct, in ( t )、ct, out ( t )、cw, out ( t )分别表示耕作导致输出、输入泥沙中及水蚀产生的输出泥沙中137cs的浓度。（12）式是目前计算农耕地土壤侵蚀量最完善的理论模型，土壤总净侵蚀量、耕作侵蚀量及水蚀侵蚀量均可得到。walling等18, 19人不仅用137cs，而且用210pb和7be两种天然放射性核素进行了类似的应用研究。但该模型过于复杂，牵涉的参数太多且不好确定，因此实际使用价值不大。杨浩等20基于kachanoski等的模型（即9式），考虑137cs年沉降分量、犁耕层厚度、采样年份及137cs衰变系数等对侵蚀量估算的影响，提出了如下关系式：st =（st-1+r t cr /wn）（1-h/h）k （t =1，2，3，n） (13)令x=（1-h/h）k，切x为侵蚀常数，则有：sn=r1xn+r2xn-1+r3xn-3+rnx)cr/wn因而137cs流失的百分量为：(cr-sn)/cr=100-100（r1xn+r2xn-1+r3xn-3+rnx）/wn用图解法或数值法求得x，则年均土壤侵蚀量er（kg/hm2a）为：er=h（1-x/k）d10000 其后，hao yang21有进一步考虑了地表富集作用的影响，提出犁耕层核素不同剖面分布形式（指数形、线性形和均一形三种分布形式）和不同富集层厚度下的理论修正模式。由上述可知，相对而言，杨浩的理论模型较walling的待定参数少且易于确定，使用起来比较方便，但杨氏模型中没有考虑耕作移置作用及侵蚀过程中很可能出现的颗粒分选作用对估算值的影响；另外虽然137cs的年沉降分量是已知的，但其沉降总量却难以确定，用土壤中的本底值来代替沉降总量而未考虑137cs沉降时的瞬即流失，因此我认为杨氏虽然考虑了年沉降分量这个因素，但实际上在应用中没有真正体现。2 今后发展趋势及应注意的几个问题 显然，137cs示踪农耕地土壤侵蚀的定量模型发展到今天，经历了多次修正直至比较完善的过程。由于137cs沉降年份、沉降特征的特殊性以及侵蚀过程的复杂性，考虑所有的因素是不大可能的，做纯理论探讨是可以，但实际应用相对比较困难。可以通过考虑137cs的表层富集、瞬即流失和侵蚀分选作用三个方面对zhang氏模型加以校正，使其在土壤侵蚀量的估算中更精确。在以后的模型建立和应用方面，应该强调如下几点。 （1）137cs本底值的确定是个关键问题。由于局部地形、小气候等环境条件、土壤自身特性的变异性及采样点的选择是否科学合理等因素造成137cs本底值的精确度和代表性问题，应该谨慎。sutherland等22，23、wallbrink等24，25都曾经报道过137cs本底值含量的变异性问题。sutherland认为应有不少于11个采样点的值来估计本底值（95%的置信度、10%的误差范围内），而wallbrink则提出用210pbex与137cs的比值来减少核素含量的变异性问题。因此，应该有一定数量的采样点，在一定的误差范围内达到一定的信度。 （2） 一般认为将137cs在农耕地土壤剖面中的分布简化成均一型。事实上，137cs的剖面分布形式不总是均匀的，因此，需进一步研究它的剖面分布问题。 （3）应考虑侵蚀引起的颗粒分选及耕作稀释造成侵蚀量的偏高或偏低，这也是目前国内研究者们通常忽视的问题。 （4）同时运用天然放射性核素210pb、7be等与人为放射性核素137cs示踪土壤侵蚀，一方面可以做对比研究，提高137cs法的精度，另一方面为示踪侵蚀拓展新的途径；同时由于核素具有不同的寿命，因此可以比较不同时间尺度内的平均侵蚀速率，示踪流域内泥沙来源和泥沙通量，并赋予历史内涵，预测土壤侵蚀环境将来的可能变化。 （5）rulse、wepp方程是目前使用最广泛的侵蚀模型，但其中的待测参数（如土壤可蚀性因子k）的确定是个关键，可以用核素示踪法模拟土壤侵蚀过程来解决这一问题或者可以进行相互印证。参考文献：1 jerry c r, mchenry j r. application of radioactive fallout caesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns: a reviewj. j environ qual, 1990, 19: 215-233.2 menzel r g. transport of strontium-90 in runoffj. 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 watershedsj. ecology, 1974, 55: 887-890.4 menzel r g, jung p k, rgu k s, et al. estimated soil erosion in korea with fallout 137csj. applied radiotion and isotopes, 1987, 38(6): 348-352.5 loughran r c, campbell b l. the identification of catchment sediment 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