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应用于土壤侵蚀的环境放射性核素示踪技术方法研究

李俊杰  
【摘要】:目前环境放射性核素示踪技术在土壤侵蚀和环境演变的研究中得到了广泛应用,已经成为流域与环境系统研究领域的主要组成部分。尤其是高分辨率的核技术定量化研究方面,成为研究中的关键手段,克服了传统研究土壤侵蚀规律的方法的局限性,拓宽了土壤侵蚀研究手段,可以深入研究土壤侵蚀的规律。 本论文从核示踪方法、技术与应用角度,对环境放射性核素野外原位示踪和传统示踪的方法进行比较研究,通过环境放射性核素国际分析比对研究探讨了环境放射性核素分析的不确定性,并应用建立的分析方法对我国青藏高原地区土壤侵蚀进行环境放射性核素示踪研究。得到以下几点主要结论: 1.应用ISOCS原位γ谱仪系统现场测定环境放射性核素是快速、准确评价土壤侵蚀和泥沙空间再分布的有效示踪技术。可以解决风蚀地区难以确定环境放射性核素的参考点的问题。核素在土壤剖面中的分布状况和探头实际探测面积是影响原位环境放射性核素比活度测定结果的重要因素。测量条件为探头距地面1m,准直器角度90°,探头照射面积2.91m2是满足该技术测量准确性的最佳测量条件。应用原位测定技术示踪土壤侵蚀,经模型计算,内蒙古锡林郭勒草原地区的土壤侵蚀速率为0.8 t·ha-1·yr-1。 2.由国际国内的分析比对研究表明: 137Cs是人工放射性核素,使用γ谱仪分析不受铅室本底的影响,受土壤母质的影响较小,分析的合成不确定度较小,用较短的测量时间就能达到要求的精度。210Pb是自然界的天然放射性核素,用γ谱仪分析时对仪器的要求比较高,需要考虑土壤母质,铅室本底,装样容器形状和材料等不确定度来源因素的影响,进行精确的无源效率刻度。而且要达到要求的精度,需要较长的测量时间。保证环境放射性核素足够的测量准确度和精确度,是成功应用环境放射性核素进行示踪研究的关键所在。 3.采集自天然基质的土壤标准物质,放射性水平较低,测量的不确定度较大。研制低活度的天然基质环境放射性标准物质,最重要的是选择没有侵蚀的、放射性含量相对较高的地点采样。我们选取位于黄土高原地区寿阳县的峁顶部位采集黄土样品作为土壤标准物质的基质来源,分析结果表明:137Cs的比活度为4.23Bq/kg,210Pb的比活度为80.43 Bq/kg。均匀性检验的3组样品137Cs和210Pb比活度的标准偏差分别为0.22 Bq/kg和2.10 Bq/kg。3组样品137Cs和210Pb的比活度分别在0.05水平上无显著差异,均匀性较好。该标准物质可以提供给环境放射性核素测量实验室用来控制分析质量和评价测量过程,也可用来进行国际间放射性核素测量分析能力的比对研究。 4.运用环境放射性核素示踪技术,评价了青藏高原东西样带土壤侵蚀的分布格局及其与人类活动的关系。结果表明:(1)青藏高原东西样带137Cs背景值介于452.7-1714.1Bq/m2之间,呈从西向东增加的分布特征,和海拔高度的变化趋势总体一致。210Pb背景值介于2612-7377Bq/m2之间,也呈从西向东增加的分布特征,和海拔高度的变化趋势总体一致。137Cs和210Pbex背景值区域分布呈现显著线性相关,相关性关系式为210Pbex =3.6×137Cs +1466.2,R2=0.9519;(2)长江源区沱沱河典型坡面137Cs与210Pbex迁移规律相同。137Cs的剖面分布特征是正常剖面上部被侵蚀掉,表层137Cs含量低,分布深度浅,属典型的风蚀土壤剖面。210Pbex土壤剖面分布达到土层60cm深度。210Pbex的最大值出现在土壤表层0-2cm。以沱沱河为中心的长江源地区是典型的风蚀区,年侵蚀速率在2.5 t·ha-1·yr-1。此区是高原重要的沙尘暴源区之一;(3)黄河源区玛多典型坡面137Cs在坡面上部造成明显堆积,在中部和下部含量骤然减少。210Pbex面积浓度从坡上到坡下呈递增趋势,是由近100年来210Pbex在水力侵蚀作用下沿坡面向下迁移造成的。玛多土壤剖面210Pbex从表层到下部呈现指数递减趋势。80-100mm土层内出现空白区,与土壤剖面137Cs空白区出现的位置接近,这是20世纪50到60年代该地区发生的极端暴雨事件造成的。近40年来,玛多牧业活动造成坡面土壤扰动比自然因素的影响大,土壤堆积速率为0.3 t·ha-1·yr-1;(4)玛沁东倾沟乡和军牧场的研究结果表明,东倾沟乡高寒草甸137Cs在土壤表层0-20mm高度富集,在20-40mm急剧降低。由于该地区降雨量较多,137Cs随降雨湿沉降到地表的量较多,另外,土层较薄,土壤中物理性粘粒含量较少,137Cs富集在土壤表层,没有向下淋溶迁移。210Pbex分布特征和137Cs一样。土壤堆积速率为4.2 t·ha-1·yr-1;玛沁军牧场高寒灌丛137Cs在土壤表层0-20mm高度富集,在20-40mm土层内急剧下降。210Pbex分布特征和137Cs一样。玛沁属三江源生态保护核心区,该区高山草甸和灌丛植被的水土保持效益较好;(5)玛沁军功镇典型水蚀地貌土壤剖面137Cs在8-10cm富集,从表层到10cm,137Cs含量随着土层加深呈指数递增。在10-16cm土层,137Cs含量随土层加深呈指数递减。在16-22cm处出现137Cs含量的空白区。210Pbex分别在6-8cm,14-16cm,20-24cm出现空白区。137Cs和210Pbex含量的空白区是20世纪50到60年代该地区发生的极端暴雨事件造成的。玛沁军功镇由于植被破坏造成的水力侵蚀严重,净侵蚀速率为8t·ha-1·yr-1;(6)近四十年来,青藏高原三江源地区由于人类活动和气候事件的影响,加速了高原地区土壤侵蚀的发生和发展。


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