森林源头集水区浅层地下水排放对地表水中溶解态137Cs浓度形成的影响机制研究

推荐：日本福岛核事故后，森林生态系统中放射性铯(137Cs)的迁移机制亟待阐明。本研究通过密集布设测压计网络和系统采样，首次揭示浅层地下水(0.18–0.94 m)溶解态137Cs浓度(0.64 Bq/L)显著高于地表水(0.09 Bq/L)，证实降雨驱动的浅层地下水排放是137Cs向溪流迁移的关键途径，为核污染区域生态风险评估提供了新视角。

　　

2011年福岛第一核电站事故导致大量放射性核素释放，其中半衰期约30年的¹³⁷Cs在森林生态系统中的长期循环引发持续关注。尽管已有研究明确了颗粒态¹³⁷Cs的主导迁移形式，但溶解态¹³⁷Cs因其更高生物有效性，对下游水生态系统构成潜在威胁。传统研究聚焦于深层地下水、饱和地表流等迁移途径，却忽视了浅层地下水在放射性核素输移中的潜在作用。这一认知空白使得准确评估森林源头集水区¹³⁷Cs通量面临挑战。

日本国立环境研究所等机构的研究团队选择福岛县浪江町高沉积区(初始¹³⁷Cs沉积量4727 kBq/m²)的森林源头集水区，通过构建密集水文观测网络，结合同位素分析技术，首次系统揭示了浅层地下水排放对地表水¹³⁷Cs浓度形成的调控机制。相关成果发表于《Journal of Environmental Management》。

研究采用多尺度水文观测技术体系：在0.008 km²的试验流域布设V型缺口堰监测地表水流速，通过测压计网络(0.31–0.81 m深度)记录水力梯度变化；设置零张力渗漏计采集枯落层和表层土壤(0–10 cm)渗透水；利用自动采样器捕获暴雨事件前后水样。采用γ能谱法测定溶解态¹³⁷Cs(0.45 μm滤膜过滤)，结合燃烧催化氧化法分析溶解有机碳(DOC)，离子色谱检测K⁺等阳离子。通过克里金插值构建水力势场，解析降雨期间地下水流动路径变化。

研究结果揭示三个关键发现：

1. 浓度梯度特征：建立溶解态¹³⁷Cs的完整浓度剖面，枯落层渗透水(5.8±3.9 Bq/L) > 土壤渗透水(1.8±0.63 Bq/L) > 浅层地下水(0.64±0.77 Bq/L) > 地表水(0.09±0.02 Bq/L)，证实土壤有机质层是¹³⁷Cs活化的主要来源。
2. 水文驱动机制：暴雨事件中浅层地下水位上升导致水力梯度增加(R²=0.44)，引发侧向流转向河道，此时地表水¹³⁷Cs浓度峰值(0.24±0.04 Bq/L)较基流提高118%。
3. 生物地球化学关联：DOC与¹³⁷Cs呈现显著协同变化(r=0.82)，表明有机质分解产物是¹³⁷Cs迁移的重要载体，而K⁺的竞争吸附作用进一步影响溶解态比例。

讨论部分强调，该研究突破性地将浅层地下水动力学纳入森林¹³⁷Cs迁移模型。相比前人提出的四种迁移途径(深层地下水、土壤渗透水、河道有机质浸出、饱和地表流)，本研究证实浅层地下水排放是第五种关键途径，其贡献率在暴雨期间可达总通量的35%。特别值得注意的是，水力梯度与¹³⁷Cs浓度的顺时针滞后关系，反映出不同深度地下水混合的时空异质性——浅层富DOC水体的快速排放形成浓度峰值，而深层地下水的延迟补给导致后期浓度衰减。

该成果为核污染森林区的生态修复提供理论依据：通过控制浅层地下水排放可有效降低下游¹³⁷Cs通量。未来研究需结合稳定同位素示踪和分子水平表征，精确量化不同水文路径的贡献率，并开发集成浅层地下水模块的¹³⁷Cs迁移预测模型。这些进展将助力制定更精准的核污染流域管理策略，保障饮用水安全和生态系统健康。