引用本文
史忠林, 文安邦, 严冬春, 龙翼, 周萍. 7Be法估算土壤侵蚀速率若干问题的探讨 . 地球科学进展, 2016, 31(9): 885-893
Shi Zhonglin, Wen Anbang, Yan Dongchun, Long Yi, Zhou Ping. Discussion on the Use of 7Be to Estimate Soil Erosion Rates . Advances in Earth Science, 2016, 31(9): 885-893  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.09.0885
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7Be法估算土壤侵蚀速率若干问题的探讨
史忠林, 文安邦, 严冬春, 龙翼, 周萍
中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室,中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041

作者简介:史忠林(1984-),男,山西柳林人,助理研究员,主要从事侵蚀泥沙研究.E-mail:shizl@imde.ac.cn

基金:国家自然科学基金项目“粒度效应对137Cs、7Be法测算紫色土农耕地土壤流失量的影响”(编号:41301293); 国家重点基础研究发展计划项目“横断山地水土作用失衡机制与灾害风险评价”(编号:2015CB452704)资助
摘要

7Be是由宇宙射线撞击同温层和对流层大气中氮、氧原子核而生成的天然放射性核素。由于连续沉降、半衰期短(53.3天)以及在土层中分布深度浅(约2 cm)等特点,7Be在示踪单次暴雨或短期强降雨等短时间尺度的侵蚀产沙空间分布研究中具有独特优势。随着气候变化加剧和暴雨等极端天气增多,7Be法应用前景广阔。然而该技术目前处于探索阶段,一些重要基础假设尚未得到有效验证,限制了其在土壤侵蚀研究中的广泛应用。简要回顾了利用7Be法定量土壤侵蚀速率空间分布的历史和现状,介绍了其示踪原理和计算模型及其最新进展;重点评述了7Be法估算土壤侵蚀速率的关键基础假设及其不确定性,以及植被截留、侵蚀分选等对7Be法评价土壤侵蚀速率的影响;并对未来研究趋势进行了展望,包括基础假设的验证及不确定性分析、植被影响的定量评价、示踪时空尺度的扩展以及新模型的开发等方面。

关键词: 7Be; 土壤侵蚀; 空间分布; 植被截留; 颗粒分选
中图分类号:P934;S157.1 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)09-0885-09
Discussion on the Use of 7Be to Estimate Soil Erosion Rates
Shi Zhonglin, Wen Anbang, Yan Dongchun, Long Yi, Zhou Ping
Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China

First author:Shi Zhonglin(1984-),male,Liulin County,Shanxi Province, Research assistant. Research areas include soil erosion and sediment investigation.E-mail:shizl@imde.ac.cn

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Particle size effects on estimating soil erosion rates on purple soil cultivated land by using137Cs and7Be measurements”(No.41301293); The National Basic Research Programme of China “Soil and water imbalance mechanism and disaster risk evaluation in Hengduan Mountain areas” (No.2015CB452704)
Abstract

7Be is a naturally occurring cosmogenic radionuclide produced in the stratosphere and troposphere as a result of cosmic ray spallation of nitrogen and oxygen. The constant fallout via precipitation and short half-life (53.3 days), coupled with shallow depth distribution in soil profile (~2 cm) provide the unique advantages for its application as a soil and sediment tracer over short timescales, such as a single storm or short period of extreme rainfall. With the climate change and increasing rainfall events, the7Be tracing method will exhibit wide application prospect in future. To date, however, this technique is still in its infancy and some important assumptions have not yet been effectively validated. Consequently, the use of7Be to document soil erosion rates has been limited. This contribution briefly reviews the history and current status relating to this tracing method. In addition, the basic principles and recent research progresses in conversion models for use of7Be measurements to estimate soil redistribution rates are introduced. The key assumptions and uncertainties of the technique, as well as the effects of the vegetation interception and particle size selectivity are discussed. Additionally, some new investigation directions are provided, including the assumption validation and uncertainty analysis, the impact of vegetation interception, the extending of spatial and temporal scales, and the development of new conversion models.

Keyword: 7Be; Soil erosion; Sediment redistribution; Vegetation interception; Particle size selectivity.
1 引言

土壤侵蚀及其引起的土地退化是当今世界主要的生态环境问题之一。据估计[1], 全球受退化影响的土地面积约19亿hm2, 且正以每年500万~700万hm2的速度增加, 造成的经济损失每年可达4 000亿美元。可靠的侵蚀产沙信息是防治水土流失、减轻土地退化的重要依据。

20世纪60年代以来, 核示踪技术被逐渐应用于土壤侵蚀研究[2]。当前常用的核素主要有137Cs, 210Pbex和7Be 3种, 半衰期分别为30.2年、22.3年和53.3天。3种核素由于来源、半衰期以及在土壤中赋存深度不同, 示踪时间尺度各异。其中, 137Cs和210Pbex分别适用于约50年和约100年中长期尺度的年均侵蚀速率估算[1]。然而, 由于降雨季节性分配不均, 多数地区土壤流失往往是由雨季极少数的几次暴雨引起的[3]。例如, McBroom等[4]发现单次暴雨产沙量可占全年产沙量的95%以上。7Be由于天然连续沉降、半衰期短以及在土壤中分布深度浅等特点, 在次降雨或短期强降雨等短时间尺度土壤运移研究中具有独特优势[5]。

7Be是由宇宙射线撞击大气中氮、氧原子核而形成的放射性核素, 主要产生于同温层和对流层顶部, 随后在扩散过程中被气溶胶颗粒吸附并通过干、湿沉降进入地表[6]。自1955年首次报道降水中存在7Be后[7], 学术界围绕其产生速率、大气浓度及地表通量等进行了大量探索, 并逐步应用于大气和陆地过程示踪研究中[8]。

土壤侵蚀的7Be法研究始于20世纪90年代。Murray等[9]基于7Be在表土集中分布的特征, 提出了7Be示踪表层泥沙来源的可行性。此后, Wallbrink等[10]发现, 7Be在裸地、草地和林地等不同类型土壤中的赋存深度均不超过2 cm, 且含量随深度增加呈指数减少。这一分布特征与非农耕地土壤剖面137Cs分布类似, 尽管后者分布更深。在此基础上, Blake等[11]和Walling等[12]建立了剖面分布模型(Profile Distribution Model, PDM), 使7Be法定量坡面侵蚀空间分布成为可能。该模型计算简单, 参数较少, 应用相对较多[11~19]。然而, PDM主要适用于单次或短期(< 1个月)暴雨侵蚀评价, 如果时间尺度延长, 计算的侵蚀速率将明显偏小[20]。Walling等[20]在PDM模型的基础上, 通过考虑7Be沉降输入、降雨侵蚀力和7Be深度分布随时间的变化, 将示踪尺度扩展到整个雨季(约3个月), 推进了该技术的应用[20~23]。尽管7Be法已取得重要进展, 但该技术目前仍处于探索或初步应用阶段, 一些关键基础假设尚未得到有效验证[24]。2011年Parsons等[25]对137Cs法的关键假设提出质疑并否定该技术示踪土壤侵蚀的可靠性, 引发激烈争论[26, 27]。7Be和137Cs虽然由于来源、半衰期以及土壤中分布深度等不同而在估算侵蚀速率的时间尺度上存在差异, 但技术原理相似。因此有必要认真梳理7Be法定量侵蚀空间分布的研究现状, 重新审视其技术原理、基本假设、不确定性及其影响因素, 供今后研究参考。

2 7Be示踪原理与PDM模型

7Be法估算侵蚀速率是通过对比目标样点与参考样点土壤7Be含量(本底值, Bq/m2)来判断目标样点是否发生侵蚀或堆积。若目标样点7Be含量低于本底值, 则说明该样点发生侵蚀, 反之则发生堆积。

Walling等[12]、Wilson等[28]以及Yang等[29]建立了不同的7Be定量模型, 对此前人已作过归纳总结[30]。需要指出的是, Wilson模型需分别测定侵蚀前后样点7Be含量、研究期间7Be沉降量以及泥沙7Be浓度, 更适用于7Be技术的验证性试验, 而在实际中应用较少; Yang模型主要用于定量次降雨不同阶段片蚀和细沟侵蚀的相对贡献, 但无法反映坡面侵蚀强度的空间分布。在次降雨土壤侵蚀空间分布研究中, 目前应用较多的是Walling等[12]提出的PDM模型, 此处重点介绍。

由于连续的沉降输入以及降水入渗过程中土壤对7Be快速、紧密吸附, 7Be在未扰动土壤剖面一般呈指数型分布特征:

C(x)=C0e-x/h0 (1)

式中:x为自土壤表层算起的质量深度(kg/m2), C(x)为深度x处7Be比活度(Bq/kg), C(0)为表层(x=0)7Be比活度(Bq/kg), h0为张弛质量深度(kg/m2)。

由公式(1), 7Be本底值Aref (Bq/m2)可表示为:

Aref=∫0∞C(x)dx=h0C(0)(2)

深度x以下7Be面积活度为:

A(x)=∫x∞C(x)dx=Arefe-x/h0(3)

假设侵蚀使样点表层一定厚度R(kg/m2)的整个薄层土壤流失, 则该样点剩余7Be含量A(Bq/m2)可表示为:

A=A(R)=Arefe-R/h0(4)

由公式(4)可得侵蚀速率R:

R=h0ln(ArefA)(5)

PDM模型假设侵蚀过程中表层土壤被逐层剥蚀, 从而认为土壤流失量与7Be损失量直接相关。然而, 侵蚀过程常伴随着不同程度的颗粒分选, 即细颗粒优先移动而粗颗粒优先沉积, 使泥沙颗粒组成通常较源地土壤偏细[31]。由于7Be主要吸附在细颗粒表面, 忽略分选效应将高估侵蚀速率[32]。一些研究[22, 23, 33]在模型中引入颗粒校正因子P, 将侵蚀速率表示为:

R=h0Pln(ArefA)(6)

He等[34]和Taylor等[32]则认为颗粒校正应只针对侵蚀过程中发生了移动的泥沙颗粒, 因此应将侵蚀速率表达为:

R=h0lnArefAref-(Aref-A)/P(7)

PDM虽然计算简便, 但该模型假设侵蚀性降雨发生前坡面样点7Be含量与本底值一致。然而如果2次侵蚀事件间隔较长, 后一次侵蚀发生前坡面7Be已在前次侵蚀的影响下发生了再分布, 该假设不再成立。因此该模型只适用于单次或短期内连续几场降雨的侵蚀评价, 在实际中局限性明显。

为扩展7Be示踪的时间尺度, Porto等[22]基于质量平衡原理, 建立了坡面样点7Be含量A(t)的动态变化公式, 用此值代替PDM模型中的Aref求算侵蚀速率:

A(t)=A(t-1)e-λ+F(t)(8)

式中:A(t-1)为前一日土壤7Be含量(Bq/m2), λ 为日衰变系数, F(t)为7Be日沉降输入量(Bq/m2)。

公式(8)中F(t)可通过直接测定降雨7Be浓度获得, 但在实际中往往由于地处偏远、试验条件有限等因素, 很难实现对雨水7Be的及时测定[20~23]。Walling等[20]提出利用7Be本底值的变化结合降雨量推算雨水7Be浓度的方法:

Cm=Aref(t=T)-Aref(t=0)e-λT∫0TI(t)e-λ(T-t)dt(9)

式中:Cm为雨水7Be平均浓度(Bq/L), I(t)为日降雨量(L/m2), T为天数。

该方法突破了PDM模型在时间尺度上的局限, 可成功应用于整个雨季[20, 21]甚至更长时间(1~2年)[22, 23]土壤侵蚀空间分布研究。但需要指出, 由于7Be分布很浅, 只能应用于细沟间侵蚀(片蚀)速率估算。当细沟侵蚀发生后, 单一的7Be法将明显低估坡面侵蚀量。

3 假设及其不确定性

利用7Be法估算侵蚀速率需要3个基本假设[12~14]:

I:侵蚀事件发生前7Be在土壤中均匀分布。

II:随侵蚀性降雨输入的7Be在空间上均匀分布。

III:7Be一旦与土壤颗粒接触, 就被其迅速、紧密固定, 只随着土壤颗粒的运移而再分布。

3.1 假设I

该假设包含3层含义:①7Be在本底区域均匀分布; ②7Be在研究坡面土壤中均匀分布, 且含量与本底值一致; ③本底样点与坡面土壤中7Be深度分布形态一致, 即h0相同。

3.1.1 本底值的空间变异及其确定

本底值是7Be模型中的关键参数之一, 直接影响评价结果的精度与可靠性。本底值偏大将高估侵蚀速率, 反之则低估侵蚀速率。然而目前研究对本底区域7Be空间变异及其对模型计算结果的影响考虑欠缺。对于137Cs法, 通常认为本底样点137Cs变异系数< 30%即为可靠[35], 但由于7Be示踪的时间尺度更短, 因此在本底值的取值时必须充分考虑其空间变异。

Sutherland[36, 37]提出了确定可靠的137Cs本底值需要的最小样品数量:

N=t(a, n-1)·CVAE210

式中:N为所需最小样品数, t(a, n-1)为某置信区间t检验值, CV为本底值变异系数, AE为允许误差(10%)。例如, Mabit等[38]采集了9个137Cs本底样品, 发现变异系数为13%, 则在95%置信区间内(t(0.05, 8)=2.31), 通过检验的最小样品数为9个。这对7Be法具有很好的参考意义。

由于7Be衰变较快, 测定较多的样品需要足够的探测仪器, 目前多数研究在确定7Be本底值时, 采用的方法是在选定的本底区域采集多个样品, 然后将每个样品按等间距分层, 相同层位的土壤混合测试, 以此代表该层位7Be浓度, 各层位面积活度之和即为本底值[13, 14]。这一方法通过多点采样有效地降低了空间变异的影响, 相对可靠。

7Be本底样点的选择较137Cs相对容易, 但应遵循以下原则:①样点应平坦、近期无扰动, 且无外部泥沙输入, 以确保7Be全部来源于大气沉降且保留其在土壤中的初始分布形态; ②样点应尽可能靠近研究坡面, 以保证二者接收相同的7Be沉降量; ③对裸露坡面而言, 样点的土壤性质(如容重、孔隙度、入渗率等)应与研究坡面一致, 以保证二者在目标侵蚀事件前具有相同的7Be含量及深度分布。Zhang等[39]于降雨前在研究坡面上隔离出一部分坡面作为本底区域, 充分满足了上述后2个条件。这一方法在研究期开始前无侵蚀性降雨发生的条件下比较适用, 但由于降雨强度和历时的不可预见性, 在非目标侵蚀性降雨发生时需要对坡面采取遮盖措施以保证7Be分布空间一致。

3.1.2 研究坡面7Be空间变异

假设I要求在目标侵蚀性降雨发生前, 研究坡面土壤中7Be分布均匀。然而针对这一假设的验证鲜见报道, 因此很难判定侵蚀事件发生后坡面7Be的空间差异是由侵蚀事件导致, 还是由降雨前7Be空间异质性导致, 或者两者的相对贡献如何, 也就无法准确评价侵蚀速率。

Mabit等[5]认为该假设在2种情况下可以满足。第一, 由于7Be主要通过湿沉降进入地表, 坡面在经历较长时间的干旱或无侵蚀性降雨情况下, 土壤7Be的空间变异随着其快速衰变而降低或消除, 此时可认为目标事件发生前坡面7Be在空间上均匀分布。已有工作多基于这一条件开展[13, 14, 20, 21]。第二, 由于7Be分布深度浅, 耕作混合会使前期土壤7Be浓度降低至检测水平以下, 此时可假设7Be浓度为零[19, 22, 23]。Shi等[16]综合采用二者, 在雨季结束后(1月)对坡面和本底土壤同时翻耕, 至目标事件发生时(8月), 坡面经历约7个月的无侵蚀性降雨期, 可认为土壤中7Be分布均匀。

3.1.3 h0的空间变异

张弛质量深度h0(kg/m2)表示63.2%的7Be分布在土壤0~h0深度范围内, 是表征7Be在土壤中初始分布形态的重要参数。h0是通过对本底土壤分层后, 各分层样7Be面积活度与采样深度之间进行线性拟合求得[13, 14]。PDM模型对h0非常敏感, h0偏大会高估侵蚀速率, 偏小则低估侵蚀速率。

7Be在土壤剖面的分布取决于土壤对7Be的吸附和降水入渗速率。由于7Be在降水中主要以高度活性的Be2+或BeOH+离子形态存在[40], 前人假定7Be一旦与土壤颗粒接触就被其快速紧密固定[12~14]。Taylor等[41]的研究支持了这一假设。入渗过程主要受雨强和土壤入渗能力的影响, 而入渗能力受容重、质地、前期含水量、植被覆盖、土地利用方式等多种因素影响表现出强烈的空间变异性和复杂的尺度效应。Ryken等[42]利用模拟降雨研究了不同紧实度土壤中9Be的深度分布特征, 发现非紧实土壤由于较高的饱和导水率使9Be分布较深, 且h0变异较大。此外, 大孔隙流、环绕流等优先流也会对土壤剖面水分以及7Be分布产生显著影响。例如, 在非饱和沼泽地土壤中, 由于大孔隙的存在, 雨水快速下渗使7Be分布深度可达7~10 cm[43, 44]。Bundt等[45]的研究也证实了优先流会显著影响土壤中137Cs和210Pb等的入渗和吸附。目前针对研究坡面土壤7Be深度分布的空间变异及其与本底样点7Be深度分布差异的研究尚未见报道。已有应用7Be示踪土壤侵蚀的研究, 多数通过本底样点的7Be深度分布代表整个研究区域(坡面)的7Be分布, 显然存在较大的不确定性。

另一方面, 由于7Be在土壤中分布很浅, 分层采样方法对h0影响较大[42]。传统的采样法是在固定面积的样方内, 用刷子或刮刀依次采集一定深度(约3 mm)的薄层样品[30]。该法操作简单, 但存在以下缺点:首先, 取样深度不易控制, 很难达到等间距分层; 其次, 样方面积不宜太大或太小。面积越大则微地貌变化越显著, 分层难度越大; 面积过小则样品量少, 较难满足常用检测仪器对样品测重的要求。虽然后者可通过多点采样、同层混合的办法解决, 但在取样深度无法精确控制的情况下, 样品合并会造成不同层位的样品之间交叉“ 污染” [42]。近年来, 一种基于活塞原理的分层取样器(FISC)得到应用[22, 23, 46], 成功实现了1 mm级土壤精确分层, 有效减小了操作误差。

3.2 假设II

应用7Be示踪侵蚀空间分布的另一个关键假设是随侵蚀性降雨输入的7Be在空间上均匀分布。该假设的有效性取决于研究的空间尺度。由于7Be主要通过湿沉降到达地表, 降雨的空间变异成为影响7Be输入差异的重要因素。目前对7Be沉降的研究大多针对某一固定点位进行长期监测, 研究沉降通量随时间的变化规律, 而对小尺度上空间变化的报道很少。

受当前研究水平和测试条件限制, 已有利用7Be法估算侵蚀速率的研究主要局限在坡面或小区上。由于空间尺度很小, 通常假设7Be随侵蚀性降雨均匀沉降。Iurian等[47]研究表明连续2场暴雨后本底土壤中7Be含量为227~401 Bq/m2, 变异系数为19%。考虑到暴雨发生前土壤中7Be含量差异, 可认为随暴雨沉降的7Be在空间上较为均匀, 假设II成立。然而, Pinto等[48]通过直接测定雨水7Be浓度发现, 即使在很小的空间(21 m× 14 m)上, 不同场次降雨初期7Be浓度仍可表现出中等到强度变异(20%~64%)。

在小流域尺度上, 降雨的局地性、阵性和强度等可能是影响7Be沉降输入空间差异的重要因素。Gourdin等[49]发现无论单场降雨还是短期连续降雨, 即使同一小流域内邻近的监测点之间7Be沉降变异系数可达65%~70%, 同一天内距离2.5 km的2个监测点之间相差可达到6倍。这一显著的空间变异可能与云层移动过程中降雨对携带7Be气溶胶粒子的初始清洗程度及不同监测点降雨量大小的空间差异有关。可见, 随着尺度增大, 降雨的空间变异会进一步增加7Be法定量侵蚀速率的不确定性。

3.3 假设III

鉴于7Be在土壤中分布深度一般不超过2 cm, 前人假设随大气沉降的7Be一旦与土壤颗粒接触, 就被其快速、紧密固定。目前对7Be分配系数Kd的研究也基本支持这一假设[24]。尽管7Be在水环境中的分配系数受环境温度、平衡时间、悬浮物质浓度、盐度、pH等多种因素影响, 但通常Kd值较高(104~106)[24, 40]。在pH为5~6的溶液中, 7Be主要以Be2+和BeOH+离子形态存在, 这些离子化学活性很强, 极易被溶液中的固体颗粒吸附。Taylor等[41]试验表明, 土壤对BeCl2溶液中Be2+的吸附效率在6 min内可达到93%以上。

然而, 在一定的下垫面条件下, 例如, 土壤前期含水量较高或紧实度较高时, 如果降雨强度超过土壤入渗速率, 坡面可能快速产流, 7Be与土壤颗粒没有足够的接触时间而以溶解态迁移。Dalgleish等[50]通过模拟试验发现, 在20 mm/h雨强下, 坡面径流中以溶解态流失的137Cs占2.03%, 而约10%的137Cs被吸附在被径流携带的泥沙中。张风宝等[51]在黄土高原的研究表明, 坡耕地不同次降雨随径流流失的7Be占其总流失量的11%~33%。需要指出的是, 该研究中径流取自沉砂池中自然澄清的上层清水, 其中包含了未沉淀的细小固体颗粒。忽略这部分未被土壤吸附而随径流发生再分布的7Be可能会导致模型计算的侵蚀速率偏大。但有学者[24]认为, 对于次降雨, 由于雨水中7Be浓度随降雨历时增加迅速下降[52, 53], 径流形成后随降雨输入的7Be量相对于径流形成前土壤中已经存在的7Be而言比例很小, 对侵蚀示踪结果的影响不大。

4 其他问题
4.1 植被截留

植被冠层对大气沉降核素的截留主要通过叶、茎表面的物理性吸持、叶面物理— 化学作用以及内部组织的生物性吸收等过程[54]。植物表面的负电荷对雨水中阳离子具有较强的交换吸附能力, 且化合价越高吸附作用越强。

7Be主要以Be2+离子形态到达地表, 当其与叶片组织中大量的阳离子交换位点接触时, 会被其紧密吸附, 并很快通过雨水或叶面水分的溶解进入叶面内部[55]。冲洗和淋溶试验表明, 在天然降雨pH条件下, 被截留吸附的7Be很难从植物中再次析出[55, 56]。由于7Be在土壤中分布深度浅, 根系的吸持对土壤中7Be含量的影响不大[57~59]。被截留吸附的7Be在冠层表面快速衰变, 从而减少了进入到土壤中的7Be。当地表覆盖度较高时, 植被截留的7Be可占到其沉降总量的一半以上[10, 56]。因此, 应用7Be示踪侵蚀必须考虑植被截留的影响, 否则可能显著高估侵蚀速率[17, 18]。但对137Cs和210Pbex而言, 土壤核素含量主要反映其长期累积效应, 冠层截留的影响有限[26, 60]。

植被对核素的截留系数可用下式表示[61]:

f=AiAt11

式中:Ai为植物中核素含量(Bq/m2), At为核素沉降总量(Bq/m2)。

影响植被对7Be截留效率的因素主要有叶面积和冠层持水能力等[61]。张风宝等[62]研究表明, 随着植物生长期延长, 7Be截留量逐渐增加, 主要是由于叶面积的增大使植物与降雨之间的接触吸附面积增大。植物生长阶段通常可用生物量或叶面积指数表征。前者相对容易测定, 但有时并不能准确代表降雨和植物之间的接触面。例如在植物生长后期, 茎的增长使生物量上升, 但叶片的凋落反而使接触面减小。叶面积指数可能更好地表征植被对大气沉降物的截留能力。Voigt等[63]发现, 谷类植物对137Cs的截留率随叶面积指数增大几乎呈线性增加。冠层持水能力也将显著影响植物对降雨的截留, 这主要与叶片面积、叶面形态与倾角等有关[61, 64]。例如, Kang等[65]发现植物冠层持水量随叶面积指数的增加而增加。

尽管已有研究[17, 18]提出基于植被因子的7Be修正模型, 尝试解决植被截留问题, 但未注意到截留作用不仅会减少进入土壤的7Be, 植物分布的不均匀以及穿透雨量的空间异质性也可能加大土壤7Be含量的空间变异[60], 如Wallbrink等[10]研究表明被草本或落叶层覆盖的土壤中7Be含量的空间变异显著大于裸地。此外, 植物根系形成的地下通道可能影响降雨入渗过程, 从而改变土壤中7Be剖面分布形态, 进一步增加示踪结果的不确定性。

4.2 侵蚀分选

核素示踪法的颗粒校正最早应用于137Cs法。Walling等[66]考虑到侵蚀过程中颗粒分选往往使径流携带的泥沙富集细颗粒, 在137Cs模型中引入颗粒校正因子P, 用以表征移动泥沙中137Cs浓度与源地土壤137Cs浓度的比值, 通常P> 1。He等[67]基于137Cs浓度与颗粒比表面积之间较好的幂函数关系, 提出了利用颗粒比表面积估算颗粒校正因子的方法:

P=SmSsν12

式中:Sm, Ss分别为移动泥沙和源地土壤的颗粒平均比表面积; ν 为表征137Cs浓度与颗粒比表面积关系的常数。

He等[34]将137Cs法的颗粒校正因子应用到7Be模型中, 但由于侵蚀搬运过程中移动泥沙的颗粒组成在时空上复杂多变, 准确定量Sm存在较大困难, 已有工作多数未考虑颗粒分选的影响。Porto等[22]通过对比径流小区出口处泥沙与源地表土的颗粒组成发现, 泥沙中并未出现细颗粒的明显富集, 认为该研究中无需考虑侵蚀分选。然而需要指出的是, 由于泥沙搬运过程中较粗的颗粒可能在坡面优先沉积, 小区出口处收集的泥沙并不能完全代表侵蚀过程中移动的泥沙, 前者的粒径组成可能比后者细。Yang 等[33]提出了利用侵蚀发生后样点残留土壤的颗粒比表面积估算颗粒校正因子, 成功应用于7Be风蚀示踪研究。

此外, 7Be模型中颗粒校正因子估算需定量参数ν 。对于137Cs, ν 通常为0.65~0.75[66]。Taylor等[32]利用9Be代替7Be, 得到2种土壤9Be浓度与颗粒比表面积之间的关系, 发现ν 值分别为0.43和0.72, 表明ν 受土壤理化性质影响明显。

5 结语

7Be在短时间尺度侵蚀速率估算及侵蚀强度空间分布研究中具有独特优势。随着气候变化加剧和暴雨等极端天气增多[68], 7Be示踪前景广阔。然而该技术目前仍处于探索阶段, 未来研究重点可能主要包括:

(1) 假设验证及其不确定性分析。7Be法建立在若干重要的基础假设之上, 这些假设很大程度上限制了该技术的广泛应用, 也使评价结果的可靠性受到质疑。未来需针对这些假设开展大量的验证试验, 并进行侵蚀分选等影响因素的不确定性分析。需要注意的是, 对于特定的研究尺度, 不同假设对示踪结果的影响程度不同。

(2) 植被影响的定量评价。需进一步开展不同植被类型、覆盖度与7Be截留吸收之间定量关系研究, 还应特别注意非均匀覆盖下的土壤7Be空间变异对侵蚀评价的影响。

(3) 时空尺度的扩展。目前7Be法应用主要集中在次降雨或短期强降雨下径流小区或微型坡面的侵蚀空间分布研究, 无论在时间还是空间上均存在较大的局限性。近年来的工作[20~23]对7Be法时空尺度的扩展提供了较好的研究思路, 但仍需进一步验证。

(4) 新模型开发。尽管7Be剖面分布模型已经得到成功应用, 但该模型在物理基础上存在缺陷, 如未考虑7Be在土壤剖面的扩散过程等。今后需加强7Be技术的理论基础研究, 发展基于物理过程的侵蚀评价模型[69]。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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