粒度效应对137Cs、7Be法测算紫色土农耕地土壤流失量的影响

The effects of particle size selectivity exist both in fallout radionuclides adsorption and sediment mobilization processes. The particle size correction factors, which incorporated into the conversion models, will directly affect the results of model calculation. Traditional methods for estimating particle size correction factors are based on two hypotheses, one is that all radionuclides are adsorbed on the surface of soil particles in dispersed state, and the other is that the mobilized sediment also exists in dispersed state. But it did not take account of the impact of the aggregates. Selecting purple soil as the research object, this study aims to, (1) analysis the effects of aggregates on radionuclides adsorption by identifying the relationship between different size fractions of soil particles and aggregates on cultivated land and 137Cs and 7Be concentrations, (2) revel the effects of particle size selectivity, associated with sediment mobilization, by comparing the differences of the grain size composition, aggregate composition, and 137Cs and 7Be concentrations between the source soil and sediment, and (3) express the particle size correction factors reasonably and improve the 137Cs and 7Be models, then use the improved models to estimate the amount of soil erosion, which will be validated by the data of runoff plots. The results of this study have important significance in improving the accuracy and reliability for estimating soil loss on cultivated land by using 137Cs and 7Be measurements.

土壤对核素的吸附和泥沙输移均具有粒度效应，土壤侵蚀核素示踪模型中颗粒校正因子的准确与否直接影响模型测算结果的精度。传统对于颗粒校正因子的求算，是基于核素全部被吸附在分散态的土壤颗粒表面，侵蚀产生的泥沙也全部以分散状态存在，而未考虑团聚体的影响。项目以紫色土为研究对象，（1）查明农耕地不同粒级的土壤颗粒和团聚体与137Cs、7Be吸附含量的关系，深入分析团聚体对核素吸附的影响，揭示核素吸附的粒度效应；（2）对比分析侵蚀源地土壤和泥沙的颗粒组成和团聚体组成与137Cs、7Be吸附含量的关系，揭示泥沙输移过程中的颗粒分选效应；（3）确定颗粒校正因子的合理表达，建立基于粒度效应的农耕地土壤侵蚀137Cs、7Be改进模型，进而将模型用于土壤流失量的实际计算，并用径流小区实测资料验证。研究结果对于提高137Cs、7Be示踪法测算农耕地土壤流失量的精度和可靠性具有重要意义。

土壤对核素的吸附和泥沙输移过程均具有粒度效应，土壤侵蚀核素示踪模型中颗粒校正因子的准确与否直接影响模型测算结果的精度。目前对土壤侵蚀137Cs示踪模型中颗粒校正因子的计算方法是基于“核素全部被吸附在分散态的单颗粒表面，侵蚀产生的泥沙全部是呈分散状态的单粒”的认识，并未考虑团聚体的存在和影响，显然不合理。而国内外对于土壤7Be吸附粒度效应的研究很少，7Be模型的实际应用中更没有考虑颗粒分选的影响。. 本项目的研究目标是查明紫色土农耕地不同粒级的土壤颗粒和团聚体对137Cs、7Be吸附的粒度效应和坡面泥沙输移过程中的颗粒分选效应，建立颗粒校正因子的合理表达，改进现有农耕地土壤侵蚀137Cs、7Be模型，提高137Cs、7Be示踪法测算紫色土农耕地土壤流失量的精度和可靠性。主要研究内容为：（1）土壤中核素（137Cs、7Be）吸附的粒度效应；（2）坡面侵蚀和泥沙输移的颗粒分选效应；（3）基于粒度效应的农耕地土壤侵蚀137Cs、7Be模型改进及验证。. 研究采用室内分析、野外径流小区试验与人工模拟降雨等技术手段，定量分析了不同粒级的土壤颗粒、团聚体的比表面积与137Cs、7Be吸附含量的关系，深刻揭示了紫色土坡面侵蚀与泥沙输移过程中的颗粒分选特征，初步建立了核素浓度与土壤、泥沙中团聚体比表面积的函数表达，改进了基于粒度效应的农耕地土壤侵蚀137Cs、7Be法估算模型，并将模型用于土壤流失量的实际计算，用径流小区实测资料验证了模型精度。结果表明：紫色土单体的粒径与核素含量之间存在显著的相关关系，粒径越小核素吸附含量越高，然而这种相关性在团聚体中的表现并不明显。紫色土坡面侵蚀过程中存在显著的颗粒分选，大部分移动泥沙和输出泥沙以单体颗粒形态存在，然而坡面堆积泥沙中以团聚体形态存在的颗粒占有较大比例，因此应用核素示踪技术测算坡面土壤流失量时需要充分考虑团聚体的潜在影响。改进后的基于粒度效应的农耕地土壤侵蚀核示踪模型可显著提高137Cs、7Be法测算精度，具有重要的科学与现实意义。