在缺乏参照样地条件下利用137Cs估算土壤侵蚀：应用于截短型土壤剖面

《Science of The Total Environment》：Estimating soil erosion using 137Cs in the absence of reference sites: Application to truncated soil profiles

　　

摘要

水土流失是影响生态系统功能和服务的主要土地退化过程，需要可靠的评估方法。利用137Cs估算土壤再分配具有重要价值，但其应用通常受到缺乏合适参考点的限制。本研究提出了一种方法论，在无合适未扰动参考点的情况下，利用机械截断的土壤剖面重建137Cs参考深度分布并推导关键侵蚀参数。研究对象为巴拿马运河流域内的两个站点：一个受土地平整影响的截断土壤剖面和一处放牧草地。利用截断土壤剖面保留的底部部分，通过位移指数函数重建了137Cs参考深度分布，同时独立地从基于降水的沉降模型估算了参考存量（Aref）。该方法允许估算松弛质量深度（h0）和已移除土壤层的厚度。利用剖面分布模型（PDM）和MODERN模型量化了草地站点的侵蚀速率。两个模型均得出了可比的侵蚀速率（1.5–2.5 Mg ha?1 yr?1），在低侵蚀条件下吻合度良好，尽管PDM存在轻微的系统性高估。估算的侵蚀速率与侵蚀试验小区测量报告的结果一致，支持了该方法的可靠性。此外，研究结果强调了在参考存量估算中考虑不确定性的的重要性，即使用合理的Aref值范围并将侵蚀速率表示为范围值。总体而言，该方法论为在受干扰景观中应用137Cs技术提供了一种稳健且实用的替代方案，适用于缺乏合适参考点且满足重建假设的情况。与传统监测方法相比，该方法可以扩大137Cs技术的适用范围，同时减少土壤侵蚀评估所需的时间、成本和野外工作量。

引言

在过去两个世纪中，人口增长、粮食需求增加和土地利用集约化对土壤资源造成了日益增长的压力。健康的土壤对农业生产至关重要，并提供关键的生态系统功能，包括水分调节、碳循环和养分动态（Borrelli等人，2017；Gibbs和Salmon，2015；Józefowska等人，2020）。然而，土壤退化已成为全球性问题，水土流失是其主要过程之一。水土流失影响土壤生产力和环境质量，驱动土壤在景观中的再分配，并可能产生显著的场外影响，包括水体淤积、泥沙淤塞和富营养化，以及土壤碳循环的改变（Amundson等人，2015；Borrelli等人，2017；Dercon等人，2012；Fehlenberg等人，2017；Gibbs和Salmon，2015；Józefowska等人，2020）。在许多地区，当前土壤流失率超过自然土壤形成率，这主要是人类活动和土地利用变化的结果。不适宜的农业实践、森林砍伐、过度放牧和 intensive 耕作已被确定为加速水土流失的主要驱动因素（Amundson等人，2015；Borrelli等人，2017；Dercon等人，2012）。因此，量化土壤再分配和估算侵蚀速率的可靠方法对于理解景观过程和支撑可持续土壤管理至关重要。

全球水土流失速率平均约为2.4 Mg ha?1 yr?1。然而，在巴拿马，侵蚀速率估计是全球平均水平的两倍，平均值为5.4 Mg ha?1 yr?1，最大值达到10 Mg ha?1 yr?1（Borrelli等人，2017）。

在巴拿马，多种因素导致水土流失，包括气候变异性、崎岖地形、土地所有权和产权问题、缺乏规划的定居模式、缺乏土地利用规划、土壤管理不当、农业机械使用不当以及农作物管理不善等（Pérez Fernández，2020）。全国约27%的国土面积受到土壤退化的影响，导致农业和畜牧业生产力下降，这一影响因气候变化而进一步加剧。以往研究报告了裸土高达420 Mg ha?1的极端土壤流失和常规管理的菠萝作物75.1 Mg ha?1的流失量，突显了在这些土地利用条件下侵蚀的严重程度（Mejía等人，2023；ANAM，2008）。根据Rekacewicz（2008）的研究，巴拿马在全球土壤退化图中被确定为土壤严重退化的地区。这一情况尤其令人担忧，因为尽管巴拿马是该地区经济最活跃的国家之一（Hausmann等人，2016），但其生产潜力正日益受到土地退化的威胁。

巴拿马运河流域在提供通航水道运行所需的水资源方面发挥着关键作用，同时包含对国家乃至国际市场具有重要意义的肥沃区域。在这一流域内，存在多种集约化的生产活动。因此，提供快速可靠的工具来评估土壤退化对于防止进一步恶化并确保这些系统的长期可持续性至关重要（CICH，2004）。

已使用多种方法论来评估景观内的土壤再分配，包括侵蚀试验小区（Mejía，2018）、侵蚀钉（Falc?o Sobrinho等人，2024）和USLE/RUSLE模型（Borrelli等人，2017）。尽管这些方法已在全球范围内得到广泛应用和验证，但它们存在若干局限性，如实施成本高、无法提供回顾性信息、评估沉积过程能力有限、需要经过培训的人员以及需要持续监测以捕捉降雨事件对土壤再分配的影响。因此，国际原子能机构通过与国际组织合作，推广利用沉降放射性核素（FRN）作为土壤侵蚀和沉积过程的示踪剂。

铯-137（137Cs）是一种人工放射性核素，通过核武器试验和核电站事故引入环境（UNSCEAR，2000a；UNSCEAR，2000b）。这种发射伽马射线的放射性核素具有661.66 keV的特征伽马射线能量，可通过伽马能谱法直接测量，无需复杂的化学制备或分离（Wallbrink等人，2003）。137Cs释放到大气后，在全球范围内分布并沉积到地表，主要通过降水途径。由于北半球进行的核试验次数更多以及半球间大气交换有限，北半球通常观察到更高的137Cs存量（UNSCEAR，2000a；UNSCEAR，2000b）。

在土壤中，137Cs被黏土矿物和有机质强烈吸附。它通常集中在未扰动土壤的表层20–25 cm内，在耕作区域可到达40–50 cm的深度。利用137Cs评估土壤再分配是基于将采样点的放射性核素存量与假设能代表在缺乏显著土壤再分配情况下当地大气沉降存量的参考点进行比较（Ritchie和McHenry，1990；Zapata，2003；IAEA，2011；IAEA，2014）。与参考值的差异随后通过适当的转换模型转化为侵蚀或沉积速率（Walling等人，2003；Zapata，2003；Arata等人，2016）。

137Cs技术已被广泛应用于估计不同区域的土壤再分配，包括欧洲（Walling和He，1999；Luk?ien?等人，2015；Pe?uela等人，2023；?upi?等人，2025）、亚洲（Hu和Zhang，2019；Khodadadi等人，2019；Yoon等人，2021；Yuan等人，2021）、澳大利亚（Wallbrink和Murray，1996）和非洲（Azaiez，2024；Saleh等人，2024）。然而，在美洲地区，应用仍然相对有限，研究报道包括阿根廷（Lohaiza等人，2024）、巴西（Andrello等人，2003a；Andrello等人，2003b；Bacchi等人，2003）、加拿大（Mabit等人，2002）、智利（Schuller等人，2007）、古巴（Sibello Hernández和Febles González，2011）、美国（Sutherland，1996；Matisoff等人，2002）、墨西哥（García-Oliva等人，1995）和尼加拉瓜（Caballero，2018）。

应用137Cs技术的一个主要限制是识别合适的参考点。正确选择参考点对于获得可靠的土壤侵蚀和沉积过程估计至关重要（Loughran等人，2003；Pennock和Appleby，2003；Mabit等人，2008）。在全球许多地区，识别过去约60年间保持未扰动的站点具有挑战性，这限制了该方法的适用性。尽管已提出不同的策略，如在墓地、古老教堂墓地、保护区或自然保护区采样（IAEA，2011），但这些方法可能存在实际操作或伦理方面的限制。此外，还提出了其他方法来解决缺乏合适参考点的问题，包括空间插值和对参考存量的地统计重建（Chappell等人，2011）。

在此背景下，本研究提出了一种方法论，利用机械截断的土壤剖面重建137Cs参考存量及其垂直分布，而无需依赖传统的未扰动参考点。该方法应用于巴拿马运河流域（La Zanguenga小流域）内的两个站点：一个具有截断土壤剖面的机械平整站点，用于重建参考137Cs分布；以及一处草地站点，利用137Cs技术估算土壤再分配速率。

研究区域

研究区域位于La Zanguenga小流域内，面积约1600公顷，是巴拿马运河流域Ca?o Quebrado River子流域的一部分。该小流域汇入加通湖集水区。

气候为热带气候，有明显的干湿季。月平均气温在25至30°C之间。旱季从1月持续到3月，雨季从4月开始，持续至12月中旬。年降水量平均为

截断土壤剖面作为替代参考点

参考点是在应用137Cs技术时的关键组成部分（Walling等人，2003；IAEA，2011），但在农业区域，土壤扰动可能改变沉降放射性核素的原始垂直分布，限制了其作为未扰动参考剖面直接表示的作用。

然而，在巴拿马等地区，可以识别出人工平整的区域，这些区域的土壤剖面因旨在修建梯田的土地平整实践而被截断，

结论

本研究证明，截断的137Cs土壤剖面可以有效地用于重建沉降放射性核素的原始垂直分布并推导土壤侵蚀评估所需的关键参数。该方法允许估算松弛质量深度（h0）和已移除土壤层的厚度（x0），克服了在缺乏未扰动参考点的地区应用137Cs技术的一个常见限制。

所提出的

CRediT作者贡献声明

Alexander Esquivel-López：写作 – 审阅与编辑、项目管理、调查研究、资金获取、概念化。Diego Valladares：写作 – 审阅与编辑、方法论、调查研究、概念化。Indiana Rodríguez：验证、资源、调查研究、数据管理、概念化。Jimena Juri Ayub：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、验证、方法论、调查研究、概念化。

资金

本研究由巴拿马共和国国家科学技术创新秘书处（SENACYT；资助编号94-2019-ITE18-R2-015）和SENACYT国家研究系统（SNI；资助编号86-2019）的支持得以完成。

利益冲突声明

作者声明他们之间不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了巴拿马共和国和阿根廷共和国机构的支持。在巴拿马，支持由巴拿马共和国国家科学技术创新秘书处（SENACYT）和巴拿马技术大学（UTP）提供。在阿根廷，支持由圣路易斯国立大学（UNSL）的化学、生物化学与药学院和应用数学研究所（IMASL）以及国家科学和技术研究

Alexander Esquivel-López | Diego Valladares | Indiana Rodríguez | Jimena Juri Ayub

水利与水工技术研究中心（CIHH），巴拿马技术大学，巴拿马，巴拿马