7Be在示踪土壤侵蚀过程中的分配规律研究

丁晋利, 郑粉莉, 巴明廷

(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,中国 杨凌 712100；2.郑州师范学院，中国 郑州 450044；3.西北农林科技大学，中国 杨凌 712100)

7Be是宇宙射线成因的放射性核素，主要通过降雨到达地表．分析侵蚀性降雨过程中雨水携带的7Be有多少被土壤颗粒吸附并随侵蚀泥沙运移、有多少7Be随径流迁移及其随径流迁移过程中的再分配规律显得尤为重要，这也是利用7Be示踪土壤侵蚀机理需要解决的问题．关于7Be作为示踪剂应用于土壤侵蚀的众多研究，一般以质量守恒定律为基础，基于沉降—土壤吸附—迁移的过程，主要从其散落特征、表土中的赋存状态及其垂直分布特征进行研究[1-11]．但关于7Be示踪土壤侵蚀的机理，并未深入研究雨水中7Be随降雨径流的再分配规律，对不同历时条件下土壤吸附雨水中7Be的能力及其随径流迁移规律尚不清楚．本文采用自行设计的试验装置，通过室内淋洗模拟试验研究，分析雨水中7Be质量活度(单位质量土壤中7Be活度，Bq/kg,全文同)、土壤吸附7Be质量活度及渗漏液中7Be质量活度，从而揭示7Be示踪土壤侵蚀过程中再分配的规律．

1 试验设计与测试方法

1.1 试验装置

图1 试验装置

试验装置采用桶状漏斗装置(图1)．该装置由上层的盛水桶和下层的装土桶组成，两桶直径均为20 cm．盛水桶高度H1为8 cm，底部有均匀孔，便于雨水均匀下渗；装土桶高度H2为7 cm，底部有均匀孔且铺有一层纱布，防止土体下滑和堵塞出水口；在漏斗出水口处接有带夹子的橡胶软管．

1.2 试验准备阶段

(1)收集雨水.当一次降雨量较大或则在短时间内发生两次或两次以上降雨时，用8个50 L的塑料桶，置放在楼房的排水管道处收集雨水并妥善保存以备试验用．

(2)土壤7Be背景值确定.将野外采集的土壤样品经自然风干后过1 mm筛，充分混匀后称取340 g，用ORTEC公司生产的4 096道γ能谱仪进行测定7Be质量活度，试验重复测定3次．

(3)样品制备.①雨水水样制备：准确取1 L待测水样，用蒸发方式将水中7Be浓集到少量的土壤上，置于电热恒温干燥箱内，在103～105 ℃范围内烘干，用该土壤制成样品源．②土壤样品制备：试验用土为陕西省富县境内的2 cm表层土壤，该土壤经自然风干后过1 mm筛．称过筛土壤21.6 kg，分为12份，每份1.8 kg备用．

1.3 试验过程

将试验用土分层填入试验装置的装土桶中，土层厚度5 cm，土壤容重1.1 g/cm3，然后将4 L雨水倒入每个试验装置中的盛水桶中，浸泡一定时间后打开出水口阀门接渗漏液．试验共4个处理，浸泡时间分别为10、30、60、120 min，每个处理进行3次重复．淋洗试验结束后，取装土桶中土样，烘干待测；将渗漏液制成样品源，待测．

1.4 样品分析测定

测定雨水7Be质量活度、淋洗土壤样品7Be质量活度和渗漏液7Be质量活度．7Be样品均采用高纯锗探头多道γ能谱仪测定．测试时间86 400 s，测试误差为±10%(90%信度).由于7Be没有标准源，采用从低能段到高能段的10种标准源标定，得到仪器的探测效率曲线，根据曲线拟合方程得到仪器对7Be的探测效率．由于7Be的半衰期短，每组样品中每个样品7Be的测定日期不同，所以每组土壤样品中的7Be质量活度校正到同一时刻的7Be质量活度．

2 结果与分析

2.1 雨水中7Be质量活度

7Be主要伴随降雨到达地表且与降雨量有关．7Be作为化学元素在自然环境中与水作用时，可以在表面形成难溶的氢氧化物．利用这一化学特性，将土壤制成源，测定雨水中7Be质量活度，该试验供试土壤采用陕西富县境内的表层土壤，土壤类型属于灰色黄土正常新成土．试验结果表明，雨水7Be的质量活度为151 Bq/kg．

2.2 土壤吸附7Be随时间变化规律

白占国及Baskaran[3-4]研究认为7Be在自然环境中与水作用时，瞬息在表面形成难溶的氢氧化物，通过沉降作用到达地表的7Be能够很快被土壤吸附．由此试验结果表明：土壤吸附7Be量与时间有关．由SPSS统计软件进行方差分析得出：4个处理即当吸附时间分别为10、30、60和120 min时，处理间的平方和为5 993.58，均方为1 997.86，F值为4.133，显著水平0.048小于0.05，说明各处理间差异性显著(表1)，即土壤吸附7Be的量与吸附时间有明显的相关性．

表1 方差分析表

随着吸附时间增加，土壤吸附7Be量也随之增加，当吸附时间达到60 min，土壤吸附7Be(均值)为136 Bq/kg，为4个处理中吸附量最大值(表2)．但当吸附时间为120 min时，土壤吸附7Be(均值)为84 Bq/kg，这一方面可能与土壤吸附能力有关；另一方面可能由于7Be的半衰期短，土壤中已吸附的7Be发生衰变．土壤吸附和解析7Be的机理有待进一步研究．

表2 不同吸附时间土壤中7Be质量活度统计描述

2.3 雨水中7Be的再分配规律

图2 雨水中7Be在土壤和渗漏液中的分配比率

通过淋洗模拟试验表明：雨水中73.3%的7Be被淋洗土壤吸附，17.3%的7Be进入渗漏液，误差9%(见表1)．由于7Be半衰期短且测试样品的时间不一致导致其测量值存在误差．但在该试验条件下，雨水中的7Be大部分被土壤吸附，说明7Be可以用于示踪土壤侵蚀研究．

由图2可以看出，雨水中7Be在土壤和渗漏液中的分配比率受时间影响．当土壤吸附时间10 min时，土壤和渗漏液中的7Be分别占比为63%和37%．利用土壤吸附7Be的性质测定雨水中7Be活度时，由于试验过程中的误差导致其测量值存在差异．当土壤吸附时间30 min时，土壤吸附7Be活度及渗漏液中7Be活度分别占雨水中总7Be活度的61%和34%．当土壤吸附时间为60 min时，土壤吸附7Be活度占雨水中总7Be活度的95%，达到最大值，而此时渗漏液中几乎不含7Be．此后，土壤吸附7Be活度降低并导致渗漏液中7Be活度低于本底值．

3 结论

通过室内淋洗模拟试验分析了雨水中7Be在土壤及渗漏液中的分配比率，揭示7Be随降雨径流的再分配规律，为7Be示踪坡面土壤侵蚀提供理论支持．所得结论如下：

(1)在试验条件下，测得雨水的7Be质量活度为151Bq/kg．土壤吸附7Be与吸附时间有明显的相关性，且雨水中7Be在土壤和渗漏液中的分配比率受时间影响．

(2)试验条件下，雨水中的7Be 73.3%被土壤吸附，只有17.3%进入渗漏液，误差9%．因此7Be可以用于示踪土壤侵蚀研究．

(3)基于以上分析，可以得出通过湿沉降到达地表的7Be主要被土壤吸附，可以用于示踪土壤侵蚀研究，但应充分考虑降雨历时的影响．对于历时较短的暴雨事件，雨水中7Be随径流在迁移过程中被土壤吸附，可以更好地描述坡面上不同点是发生了侵蚀还是发生了沉积，且降雨额外输入到坡面土壤中的7Be相对较少，从而使次降雨前后7Be活度差值的误差较小．由于黄土高原的降雨多以历时较短的暴雨形式降落，因此可以将7Be应用于黄土高原次降雨条件下土壤侵蚀空间分布特征研究．但由于部分7Be随降雨径流在迁移过程中进行再分配，因此利用7Be研究土壤侵蚀的空间分布特征反映的是侵蚀或沉积的相对强度．

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