基于210Pbex核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法

基于210pbex核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法
技术领域
1.本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法。


背景技术：

2.近年来，集约化农业大面积种植，在降雨径流因素的驱动下，土壤侵蚀严重发生，造成水土大量流失，土壤中的氮、磷等营养物质随着降雨径流进入河湖水体，使得湖泊、水库等富营养化加剧，生态环境严重恶化。定量评估土壤侵蚀是有效防控泥沙、氮、磷等污染物入河的前提。
3.放射性核素示踪法是利用天然或人工放射性核素来示踪土壤颗粒迁移变化过程的方法，该方法具有快速简便、精度高等优点，可以体现一个地区的土壤侵蚀状况。由于土壤中的
137
cs含量逐渐减少导致部分侵蚀严重地区难以测量。
210
pb
ex
与
137
cs具有相似特性，可用来示踪长期的土壤侵蚀，而7be仅能示踪短期或季节性的土壤侵蚀事件。
4.210
pb
ex
是由
238
u衰变产生的一种天然放射性产物，半衰期为22.3年，源于
222
rn的衰变(mabit et al.,2014)。
222
rn是
226
ra的衰变产物，存在于土壤和岩石的
226
ra衰变产生
222
rn气体，一部分在土壤和岩石中直接衰变为
210
pb，一部分进入大气并衰变为
210
pb，又沉降到地表，被表层土壤吸附，这部分
210
pb称为“非载体来源”的
210
pb(即
210
pb
ex
)(turekian et al.,1977)。与
137
cs具有相似性质，
210
pb
ex
主要随降水沉降到土壤表层，被表层土壤颗粒强烈吸附，基本不受植物摄取以及淋溶流失，主要随土壤、泥沙颗粒移动而迁移。在同一地理区域内，
210
pb
ex
的年沉积通量在长时间尺度上相对一致。相比之下，地形和当地气候会在小范围内影响
210
pb
ex
的沉积通量(dorr et al.,1991；graustein et al.,1986)。
5.由于我国相关研究起步较晚，至今没有建立全面、准确、系统的农业面源污染数据库。鉴于上述背景技术和我国研究现状，寻找一种简单、快速、准确的定量评估流域土壤侵蚀的方法十分必要。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于210pbex核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法。
7.本发明的技术方案为：
8.一种基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.(1)采集
210
pb
ex
环境放射性核素样品；
10.(2)测定
210
pb
ex
环境放射性核素样品的比活度；
11.(3)根据步骤(2)的比活度建立
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出
210
pb
ex
土壤侵蚀速率；
12.(4)根据步骤(3)的
210
pb
ex
土壤侵蚀速率建立土壤有机碳、全氮、全磷单位面积流失
速率的模型，计算土壤有机碳、全氮、全磷流失速率。
13.进一步地，所述步骤(1)包括：
14.选择多年未扰动的无侵蚀、堆积的平坦地作为参考点，采集不同坡面、坡位的
210
pb
ex
土壤样品，每个采样点采集3个样品混合为一个样品，所有样品采集深度为表层0-15cm和深层15-30cm。
15.进一步地，所述步骤(2)包括：采集的样品经风干、剔除石块和草根、研磨、过筛、混合均匀后称取粒径小于2mm的土壤进行
210
pbex质量活度的测定，样品测试采用高纯锗伽马能谱仪测定，
210
pb
ex
的比活度根据能量在46.5kev处谱峰面积算出，
210
pb与
226
ra的比活度之差即
210
pb
ex
比活度，测定误差《8％。
16.进一步地，所述步骤(3)包括：
17.a.将步骤(2)测得的
210
pb
ex
比活度(bq/kg)，根据式(ⅰ)换算成
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)，表示单位面积内测定核素的bq数：
18.ppi＝ci×
w/s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ⅰ)
19.式(ⅰ)中：ppi为采样点
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)；ci表示
210
pb
ex
比活度(bq/kg)；w为相应采样点过筛后样品总重(kg)；s为采样器的横截面积(m2)；
20.b.采用式(ⅱ)的耕作土
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度；
[0021][0022]
采用式(ⅲ)的非耕作土
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度；
[0023][0024]
式(ⅱ)和式(ⅲ)中：λ为
210
pb
ex
衰变系数(0.031a-1
)；a
ref-pb
为
210
pb
ex
背景值(bq/m2)；a
pb
为土壤样点
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)；h
pb
为土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度(cm/a)；h为犁耕层深度(cm)；
[0025]
210
pb
ex
土壤侵蚀速率通过式(ⅳ)计算：
[0026]
e＝d
×hpb
×
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ⅳ)
[0027]
式(ⅳ)中：e为
210
pb
ex
土壤侵蚀速率(t/(hm2·
a))；d为土壤容重(g/cm3)。
[0028]
进一步地，所述步骤(4)包括：
[0029]
采用式(
ⅴ
)的土壤有机碳、全氮、全磷单位面积流失速率的计算模型，计算土壤有机碳、全氮、全磷流失速率；
[0030]
li＝n
x
×ei
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(
ⅴ
)
[0031]
式(
ⅴ
)中：li为第i种养分的流失速率(kg/(hm2·
a))，n
x
为第x种养分在表层土壤的含量(kg)，ei为i样点
210
pb
ex
土壤侵蚀速率(t/(hm2·
a))。
[0032]
本发明的有益效果为：
[0033]
本发明采用
210
pb
ex
核素示踪技术能够快速评估不同利用类型土地侵蚀状况及不同坡位土壤养分流失规律，可以定量解析和区分流域土壤侵蚀情况，从而能够对污染区域有效地进行主控和改善。
附图说明
[0034]
图1为本发明提供的一种基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法的流程图。
具体实施方式
[0035]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
实施例1
[0037]
以某流域的其中一子流域全坡为例，采集全坡面不同层面的土壤样品。将样品带回实验室按以上图1所述流程进行处理分析，所得结果如下表1～表4。
[0038]
不同坡位土壤
210
pb
ex
面积活度分布特征如表1所示，全坡h表层土壤
210
pb
ex
面积活度平均值从2911.91bq/m2下降到深层的2381.79bq/m2，降幅达22.26％；表层土壤
210
pb
ex
面积活度最大值、最小值分别在坡中下、坡底部。深层土壤
210
pb
ex
面积活度最大值、最小值分别在坡底、坡中下部。
[0039]
表1不同坡位土壤
210
pb
ex
面积活度分布特征
[0040][0041]
不同坡位土壤侵蚀/沉积特征如表2所示，全坡h不同坡位土壤侵蚀速率在-5.59～174.95t/(hm2·
a)之间，平均值达到105.92t/(hm2·
a)。坡面不同坡位的土壤侵蚀速率差异较大，土壤侵蚀速率最大值位于坡上部。全坡在不同坡位的土壤侵蚀特征总体表现为“增加-减少-增加-减少”的趋势，从坡顶到坡下土壤表现为侵蚀，坡底则表现为沉积。
[0042]
表2不同坡位土壤侵蚀/沉积特征
[0043][0044]
由表3可知，流域农地平均土壤
210
pb
ex
面积活度为8634.27bq/m2，相比于背景值的土壤
210
pb
ex
面积活度(9437.19bq/m2)，
210
pb
ex
残存百分比为8.51％；林地土壤
210
pb
ex
面积活度为9591.96bq/m2，相比于背景值的土壤
210
pb
ex
面积活度，残存百分比为-1.64％。农地的残存百分比表明流域农地以土壤侵蚀为主，而林地的残存百分比表明流域林地以土壤沉积为主。采用
210
pb
ex
模型估算农地土壤侵蚀速率为33.81t/(hm2·
a)，而林地土壤侵蚀速率为14.03t/(hm2·
a)。流域平均土壤侵蚀速率为农地高于林地，侵蚀强度均为中度侵蚀。
[0045]
表3农地和林地土壤侵蚀速率
[0046][0047]
注：
210
pb
ex
残存百分比负值表示富集，正值表示流失。
[0048]
由表4可知，不同坡位土壤soc、tn、tp流失速率不同，但均显示为坡底的养分流失速率最小。不同坡土壤soc流失速率在-1119.23～3419.17t
·
hm-2
·
a-1
之间，平均流失速率为2008.94t
·
hm-2
·
a-1
，表现出坡顶、坡上、坡中上的流失速率大于坡中下、坡下、坡底的。不同坡位tn流失速率在-7.98～228.48t
·
hm-2
·
a-1
之间，平均流失速率为133.49t
·
hm-2
·
a-1
，与soc流失速率的规律相一致。不同坡位tp流失速率在-0.85～22.46t
·
hm-2
·
a-1
之间，平均流失速率为17.78t
·
hm-2
·
a-1
，表现出坡顶、坡中上、坡中下流失速率高于其他坡位。
[0049]
表4不同坡位土壤养分流失速率
[0050][0051]
综上所述，本发明提出的一种基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，利用
210
pb
ex
核素示踪技术评估集约化农区流域不同利用类型坡面土壤侵蚀及养分流失特征，可以定量解析和区分流域土壤侵蚀情况，从而对污染区域有效地进行控制和改善。
[0052]
上述说明是针对发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

技术特征：
1.基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集
210
pb
ex
环境放射性核素样品；(2)测定
210
pb
ex
环境放射性核素样品的比活度；(3)根据步骤(2)的比活度建立
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出
210
pb
ex
土壤侵蚀速率；(4)根据步骤(3)的
210
pb
ex
土壤侵蚀速率建立土壤有机碳、全氮、全磷单位面积流失速率的模型，计算土壤有机碳、全氮、全磷流失速率。2.如权利要求1所述的基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：选择多年未扰动的无侵蚀、堆积的平坦地作为参考点，采集不同坡面、坡位的
210
pb
ex
土壤样品，每个采样点采集3个样品混合为一个样品，所有样品采集深度为表层0-15cm和深层15-30cm。3.如权利要求1所述的基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：采集的样品经风干、剔除石块和草根、研磨、过筛、混合均匀后称取粒径小于2mm的土壤进行
210
pbex质量活度的测定，样品测试采用高纯锗伽马能谱仪测定，
210
pb
ex
的比活度根据能量在46.5kev处谱峰面积算出，
210
pb与
226
ra的比活度之差即
210
pb
ex
比活度，测定误差<8％。4.如权利要求1所述的基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括：a.将步骤(2)测得的
210
pb
ex
比活度(bq/kg)，根据式(ⅰ)换算成
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)，表示单位面积内测定核素的bq数：ppi＝c
i
×
w/s (ⅰ)式(ⅰ)中：ppi为采样点
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)；c
i
表示
210
pb
ex
比活度(bq/kg)；w为相应采样点过筛后样品总重(kg)；s为采样器的横截面积(m2)；b.采用式(ⅱ)的耕作土
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度；采用式(ⅲ)的非耕作土
210
pb
ex
含量对侵蚀速率变化的响应模型，计算出土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度；式(ⅱ)和式(ⅲ)中：λ为
210
pb
ex
衰变系数(0.031a-1
)；a
ref-pb
为
210
pb
ex
背景值(bq/m2)；a
pb
为土壤样点
210
pb
ex
面积浓度(bq/m2)；h
pb
为土壤侵蚀速率发生变化时的年流失厚度(cm/a)；h为犁耕层深度(cm)；
210
pb
ex
土壤侵蚀速率通过式(ⅳ)计算：e＝d
×
h
pb
×
100
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(ⅳ)
式(ⅳ)中：e为
210
pb
ex
土壤侵蚀速率(t/(hm2·
a))；d为土壤容重(g/cm3)。5.如权利要求1所述的基于
210
pb
ex
核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括：采用式(
ⅴ
)的土壤有机碳、全氮、全磷单位面积流失速率的计算模型，计算土壤有机碳、全氮、全磷流失速率；l
i
＝n
x
×
e
i
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(
ⅴ
)式(
ⅴ
)中：l
i
为第i种养分的流失速率(kg/(hm2·
a))，n
x
为第x种养分在表层土壤的含量(kg)，e
i
为i样点
210
pb
ex
土壤侵蚀速率(t/(hm2·
a))。

技术总结
本发明属于农业面源污染技术领域，具体涉及一种基于210Pbex核素示踪技术定量评估流域土壤侵蚀的方法，包括以下步骤：(1)采集


技术研发人员：黄智刚 王旭 李勇
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/9/25