137Cs和210Pbex双核素示踪“三北”防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化

王俊杰，苏正安，周 涛，王丽娟，王晓艺,3，刘翊涵,4，伍 佐,3

137Cs和210Pbex双核素示踪“三北”防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化

王俊杰1,2，苏正安1※，周 涛1,2，王丽娟1,2，王晓艺1,3，刘翊涵1,4，伍 佐1,3

（1. 中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 四川农业大学水利水电学院，雅安 625014；4. 四川师范大学地理与资源科学学院，成都 610101）

为查明“三北”防护林建设前后农耕地和退耕地土壤保持效益变化，该研究利用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，选择了防护林建设较为成功的张家口坝上地区（风力侵蚀区）作为典型区，研究了农耕地以及退耕地土壤137Cs和210Pbex的剖面变化规律及其示踪的土壤侵蚀变化。结果表明：1）由于耕作的混匀作用，农耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex均呈均匀态分布；退耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex则表现为表层（0～5cm）比活度最高、下层（5～25cm）均相对较低且分布相对均匀的形态，这表明退耕后坡地土壤137Cs和210Pbex剖面形态均会发生一定变化，退耕驱动土壤137Cs和210Pbex剖面变化导致运用土壤核素估算侵蚀模型在该区域难以适用；2）基于土壤137Cs和210Pbex剖面变化规律，利用210Pbex质量平衡方程，提出了退耕地土壤210Pbex土壤侵蚀估算模型；3）利用137Cs比例模型估算退耕地土壤侵蚀速率为（27.94±11.92）t/(hm2·a)，农耕地侵蚀速率为（29.11±14.42）t/(hm2·a)，而利用修正后的210Pbex转换模型估算得到“三北”防护林区退耕地造林前平均侵蚀速率为（82.16±14.36）t/(hm2·a)，造林后平均侵蚀速率为（-41.28±33.91）t/(hm2·a)；农耕地造林前平均侵蚀速率为（68.55±22.11）t/(hm2·a)，造林后平均侵蚀速率（-8.52±47.32）t/(hm2·a)。这表明137Cs示踪技术主要表征了1963年以来该区坡地土壤侵蚀和沉积的平均结果，而210Pbex示踪技术则可以较好地示踪防护林建成前后的土壤侵蚀变化。此外，研究结果也表明，相比于“三北”防护林建成之前，建成之后该区农耕地和退耕地的土壤侵蚀速率均呈显著下降趋势，且均由前期的风沙侵蚀转变成了风沙沉积。

土壤；侵蚀；模型；210Pbex；137Cs；防护林；退耕还林

0 引 言

土壤侵蚀会导致土地利用率、土壤肥力和生产力大幅下降[1-2]，亟需有效的水土保持措施来控制土壤侵蚀。在国外，美国实施了“罗斯福工程”，加拿大实施了“绿色计划”，日本实施了“治山计划”，印度实施了“社会林业计划”，法国实施了“林业生态工程”[3]，联合国1997年12月在日本京都制定了《联合国气候变化框架公约》的补充条款《京都议定书》[4]，以此来防治日益严重的荒漠化和水土流失。在中国，从1978年开始，政府部门制定实施了大规模的“三北”防护林工程，旨在通过植树造林改善我国西北、华北北部、东北西部和新疆建设兵团地区的恶化环境，促进生态环境的改善，控制沙尘暴和水土流失[5]。相关研究表明，“三北”防护林工程已经成功减少了“三北”地区的荒漠化和沙尘暴，有效地建立了一系列的森林防护带，被称作“绿色长城”，是全球生态治理的成功典范[6]。目前，由于地面监测资料空白区较大，难以对“三北”防护林的防风固沙等土壤保持效益进行科学评估，而定量评估“三北”防护林的土壤保持效益对继续推进该区大型生态工程建设具有重要现实意义，因此，亟需探索出经济、快速和有效的定量评估方法对该区的土壤保持效益进行科学评估，从而服务于该区经济社会的可持续发展。

目前，定量估算土壤侵蚀的研究方法较多，如径流小区法、人工模拟降雨法、GIS结合土壤侵蚀模型法和核素示踪技术等[7]。径流小区法可以对坡面水土流失规律进行定量研究，但需要进行长历时的监测，较为费时、费力和经费需求大[8]。人工模拟降雨法能够节省大量人力、物力，并能在短时间内重复试验，但人工模拟降雨装置在野外大范围运用较为困难[9]。“3S”技术通常与USLE、RUSLE等模型相结合定量研究土壤侵蚀，这种方法能够进行大尺度的土壤侵蚀动态评价与监测，然而该方法需要地面实测数据对评价结果进行验证[10]。

核素示踪法能够提供土壤颗粒在土壤中移动与沉积状态的信息，并可以快速准确地对土壤侵蚀速率进行定量估算，受到广大土壤学者的青睐。137Cs技术是目前运用最成熟的核素示踪方法[11]，其半衰期为30.17a，近年来随着土壤中137Cs含量不断降低，其灵敏度已经严重下降，因此迫切需要另外一种放射性核素代替或是辅助137Cs示踪[12]。210Pb作为一种天然的放射性核素，半衰期为22.26a，在土壤中有两种不同来源，一是土壤中原生226Ra元素衰变而成，二是大气中的226Ra元素衰变形成，经过沉降被土壤表层黏粒快速吸附存在于土壤中，被称作“过剩210Pb”（210Pbex），只有这部分的210Pb才能示踪土壤侵蚀及其导致的土壤再分布格局[13]。137Cs主要用于1963年以来的土壤侵蚀速率估算，而210Pbex能用于百年尺度的土壤侵蚀速率的估算，将两种核素联合应用有助于弥补单一同位素在示踪土壤侵蚀速率中的不确定性，同时也可以揭示不同时间尺度的土壤侵蚀速率差异[14]。

近年来，一些学者开始探索采用核素示踪技术估算风蚀区的土壤侵蚀速率，并取得了一系列研究成果。刘纪远等[15]运用137Cs示踪技术在蒙古高原塔利亚特-锡林郭勒样带区域的7个典型景观类型采样点进行了风蚀速率变化及其影响因素的研究，提出该区的风蚀速率介于64.58～419.63 t/(km2·a)，且该区的风力侵蚀受风力、地表覆盖度等自然因素和人类活动扰动的双重影响。齐永青等[16]运用137Cs示踪技术估算了蒙古国巴彦淖尔、哈林和林的不同牧场和弃耕地的土壤风蚀速率，提出巴彦淖尔草原牧场和割草场均为微度侵蚀，风蚀速率介于64.58～169.07 t/(km2·a)，哈林和林弃耕地风蚀速率为6 723.06 t/(km2·a)，达到了强度侵蚀水平。胡云锋等[17]运用137Cs、210Pbex复合示踪技术在内蒙古浑善达克沙地南缘的正蓝旗进行了土壤侵蚀速率及其变化的研究，提出了研究区137Cs和210Pbex本底值分别为2 123.5±163.94 Bq/m2和8 112±1 787.62 Bq/m2，并指出单一同位素示踪技术研究中存在背景值样地难以确认，土壤侵蚀速率测算差异较大等问题。张春来等[18]在青海贵南牧场耕作农田进行了耕作土壤表面的空气动力学粗糙度对土壤风蚀的影响的研究，提出土壤风蚀速率随空气动力学粗糙度的增大而迅速减小，两者具有良好的相关性。杨秀春等[19]在内蒙古太仆寺旗进行了7种不同耕作模式土壤风蚀的风洞试验，提出耕作模式的不同导致了土壤风蚀状况的差异，7种耕作模式风蚀速率均值的从大到小顺序依次为：翻耕碾碎、无残茬、深松、荞麦茬、翻耕、小麦茬、胡麻茬。然而前人关于风蚀区土壤侵蚀速率的研究中，主要侧重于研究长期以来土地利用类型保持稳定的农耕地和非农耕地，而对1963年以来土地利用类型发生显著变化的坡地缺乏系统研究。

因此，本文采用137Cs和210Pbex双核素示踪法[20-21]，对张家口市坝上地区农耕地和退耕地土壤侵蚀速率及其剖面分布和空间分布格局进行对比研究，从而为定量评价该区“三北”防护林区的土壤保持效益奠定了理论基础。

1 研究区概况

研究区位于河北省张家口市张北县小二台镇（40°57′N～41°34′N，114°10′E～115°27′E），地处内蒙古高原的南部，海拔1 600～1 800 m。该区属于中温带大陆性季风气候，主导风向为西北风（NNW），平均风速为1.8～3.6 m/s，年平均大风日数为15～59 d[22]，年平均温度1.1～3.2 ℃，年降水量300～400 mm，每年总降水量大约70%发生在季风季节（7月到9月）。除古城河外，其余河流均为季节性内陆河。研究区农耕地与退耕地如图1所示。主要农作物包括马铃薯（L.），裸燕麦（（Fisch. ex Roem. & Schult.）Metzg），甜菜（L.），大豆（（Linn.）Merr.）。该区植被以草本植物为主，尤其是白羊草（）和羊草（（Trin.）Tzvel.）的分布范围大；灌木主要是锦鸡儿（（Buc'hoz）Rehder）和沙棘（Linn.）等；乔木主要是杨树（L.）、落叶松（（Mayr））、柳树（Koidz.）等。土壤类型以栗钙土为主，质地为沙壤质土壤[23]。

图1 研究区照片

2 研究方法

2.1 样品采集与测试

此次取样选择在1978年造林的防护林区域，该区地势较为平坦，基本不存在水力侵蚀。采样方法为网格法，如图2所示（垂直主风向采样间距为30 m，沿主风方向采样间距为20 cm），使用直径为8 cm，高15 cm的土壤采样器在农耕地和退耕地上进行了土壤剖面样品采集，剖面样分为全样和层样。根据前人在类似研究区提出的土壤137Cs和210Pbex分布深度和耕作深度[24]，同时在大规模采样之前，项目组在该区耕地和林草地上进行了少数土壤剖面样品采集，结果表明该区林草地和耕地中土壤137Cs和210Pbex主要在0～24 cm土层内，30 cm以下几乎没有分布，因而本研究将取样深度设为30cm。同时，为满足取得一定量分层混合样的需求，本研究耕地的剖面分层样取样间距为3 cm，退耕地的剖面分层取样间距为5 cm，均采集6个点位的样品，然后按照同一土层深度进行样品混合。全样的采集过程是将采用取样筒同一点位进行两次采样操作以完成全样剖面的采集每个点位采集两个土壤剖面样[25]。

图2 农耕地及退耕地采样点

所取样本中，农耕地土壤剖面样79个，包括69个全样，10个分层混合样；退耕地土壤剖面样61个，包括55个全样，6个分层混合样；共采集土壤剖面样品140个。样品采集后经风干、剔除草根和砾石、全部研磨后过2 mm筛、称重，混合均匀，利用四分法取500 g以上进行137Cs和210Pbex测试，剩余的样本装回原袋，以备补测。

137Cs和210Pbex测定采用高纯锗（HPGe）探测器的伽马能谱仪。样品测质量≥500 g，测试时间≥67 000 s，测试误差为±5%（置信度95%）。样品的137Cs浓度根据662keV谱峰面积直接算出，210Pbex浓度为210Pb总浓度和226Ra浓度的差值，210Pb总浓度根据46.5 keV谱峰面积算出，226Ra浓度根据214Pb的谱峰面积（351.9 keV）求算，214Pb半衰期极短，是226Ra的衰变产物[26]。

2.2 137Cs和210Pbex背景值

由于本研究区主要以风蚀为主，加之近年来实施大量生态工程，如退耕还林工程、三北防护林工程、京津冀风沙源治理工程等，难以找到合适的137Cs和210Pbex背景值取样点，利用前人提出的背景值（黄土高原区137Cs变幅为1 351～2 633 Bq/m2，平均值为2 063 Bq/m2，随着降雨量增加整体呈现北高南低的趋势）[27-28]，结合本研究的采样年份以及前人在太仆寺旗[29]和康保县[30]的采样年份，同时考虑137Cs的衰变系数，取2 655 Bq/m2作为本区域的137Cs背景值，该结果与Du和Walling[31]的理论模型计算出的参考值较为一致。内蒙古浑善达克沙地南缘与研究区气候类型相同，年均降水量相近，210Pbex背景值采用胡云锋等[17]在内蒙古浑善达克沙地南缘提出的背景值，同时结合本研究的采样年份，考虑210Pbex的衰变系数，修正后研究区210Pbex背景值为8 112 Bq/m2。

2.3 计算方法

2.3.1137Cs比例模型

137Cs比例模型是当前耕地土壤侵蚀速率估算中应用较为普遍的理论模型，该模型假设137Cs开始沉降后，137Cs在耕层土壤中均匀分布，土壤侵蚀量与137Cs流失量成比例[32]，其具体表达式如下

2.3.2137Cs剖面分布模型

对于非农耕地土壤，采用Zhang等[33]提出的137Cs剖面分布模型，该模型需要的参数少，计算简单，其具体表达式如下

2.3.3 稳定态农耕地210Pbex转换模型

稳定态农耕地是指近100年以来土地利用类型没有发生变化的农耕地。Walling等[34]给出了210Pbex稳定态年质量平衡模型，该模型充分考虑了210Pbex沉降、沉积、衰变和侵蚀的质量平衡过程，考虑了210Pbex年沉降通量的变化和表层富集对估算土壤侵蚀速率的影响，是目前应用最广泛的核素土壤侵蚀速率转换模型模型之一，其具体表达式如下

张信宝等[35]基于210Pbex质量平衡方程，提出了稳定态农耕地侵蚀速率变化前后的210Pbex转换模型，当土壤侵蚀速率发生变化前

式中0为侵蚀速率发生变化时的210Pbex累计活度（Bq/m2）；为210Pbex衰变系数（0.031 a-1）；A为210Pbex本底值（Bq/m2）；为侵蚀速率发生变化时的年侵蚀厚度（cm/a）；为犁耕层深度（cm）。

当土壤侵蚀速率发生变化时，即从h变化为h后

式中A为侵蚀速率发生变化后的210Pbex累计活度（Bq/m2）；为侵蚀速率变化后的历时（a）；h为变化后的年侵蚀厚度（cm/a）。

2.3.4 非农耕地土壤侵蚀速率210Pbex转换模型

孙威等[36]给出了稳定态非农耕地侵蚀速率变化前后的转换模型，变化前

变化后

3 结果与分析

3.1 137Cs和210Pbex的剖面分布

农耕地中的137Cs和210Pbex的比活度为79个样本的平均活度，退耕地中137Cs和210Pbex的比活度为61个样本的平均活度，137Cs和210Pbex在耕地和退耕地中的剖面分布如图3所示，农耕地中土壤137Cs剖面形态较为均一，0～27 cm土层中137Cs分布均匀，这是由于耕作的长期混匀作用所致[37]。137Cs作为核爆炸试验的产物，来源受限，多年来土壤中的137Cs含量也在不断衰减，土壤水分和土壤有机质的影响也使得137Cs在土壤剖面中的迁移受到限制[38]，导致137Cs在土壤深度27 cm以下基本没有分布；210Pbex的剖面形态与137Cs大致相同，在0～27 cm是均匀分布的，平均活度较大。

图3 137Cs、210Pbex在耕地和退耕地中的剖面分布

退耕地中，由于张家口市坝上地区沙尘暴（干沉降）带来137Cs不断沉降到土壤表层，同时也带走一部分表层土壤及其137Cs，总体导致0～5 cm土壤的137Cs比活度略高于5～25 cm土壤的比活度，5～25 cm的土壤没有人为扰动的影响，呈均匀分布，在30 cm以下没有分布。由于210Pbex是来源于自然界的核素，沙尘暴和日常降雨（湿沉降）均会带来210Pbex，质量平衡的结果是0～5 cm土层中210Pbex比活度也是最高，且增加幅度明显高于137Cs，从5 cm开始急剧下降，在5～25cm土层中基本呈均匀分布，30 cm以下没有分布。

3.2 修正后非稳定态退耕地210Pbex土壤侵蚀转换模型

式中H为侵蚀速率变化后犁耕层厚度（cm）；H为侵蚀速率发生变化时的犁耕层厚度（cm）。

由于该区退耕地土地类型已改变多年，仅通过210Pbex的背景值无法正常求解方程（8），由于土壤中137Cs的剖面分布变化较小，0可通过式（1）的比例模型利用相同采样点的137Cs背景值进行估算。再通过式（4）从0估算出0，最后通过式（8）中H，H和已求得的0评估h。农耕地可用同样的方法估算出0，最后通过式（5）和以求得的0评估h。

土壤侵蚀速率则可以通过土壤流失深度和容重来评估，具体表达式如下

3.3 退耕地及农耕地的土壤理化性质及侵蚀速率

退耕地和农耕地理化性质及土壤侵蚀速率如表1所示，该区农耕地平均土壤137Cs面积活度为1 565.18±162.31 Bq/m2，相比背景值的土壤137Cs面积活度（2 655 Bq/m2），137Cs残存百分比为41.04%；退耕地137Cs面积活度为1 520.03±232.38 Bq/m2，相比背景值土壤137Cs面积活度，残存百分比为42.75%。农耕地和退耕地土壤137Cs残余百分比表明该区以风沙侵蚀为主。采用137Cs比例模型估算农耕地土壤侵蚀速率为29.11±14.42 t/(hm2·a)，而退耕地土壤侵蚀速率为27.94±11.92 t/(hm2·a)。

该区农耕地土壤210Pbex面积活度为8 373.34±3 647.77 Bq/m2，相比背景值的土壤210Pbex面积活度（8 112 Bq/m2），残存百分比为-3.22%；退耕地210Pbex面积活度为13 200.80±7 118.39 Bq/m2，相比背景值土壤210Pbex面积活度，残存百分比为-62.73%。不同于137Cs相比背景值的残存百分比和比例模型的估算结果，农耕地和退耕地土壤210Pbex残余百分比表明该区的农耕地和退耕地均以风沙沉积为主。采用张信宝等[35]提出的农耕地210Pbex估算土壤侵蚀模型和本文提出的退耕地210Pbex估算土壤侵蚀模型可以计算出农耕地和退耕地在1978年以来造林前后的侵蚀速率，退耕地造林前后侵蚀速率分别为82.16±14.36 t/(hm2·a)和-41.28±33.91 t/(hm2·a)；农耕地造林前后侵蚀速率分别为68.55±22.11 t/(hm2·a)和-8.52±47.32 t/(hm2·a)。

表1 退耕地和农耕地理化性质及土壤侵蚀速率

注：137Cs和210Pbex残存百分比负值表示富集，正值表示流失。

Note: Negative values of137Cs and210Pbexresidual percentage indicate enrichment, and positive values indicate loss.

4 讨 论

4.1 137Cs和210Pbex在退耕地和农耕地中的剖面分布特征

137Cs和210Pbex在退耕地和农耕地中的土壤剖面分布存在着显著差异。137Cs比活度在退耕地土壤表层略高，但整体呈均匀分布；210Pbex比活度在退耕地土壤表层含量最高，0～5cm层的比活度占了总量的80%，5cm开始急剧下降，5～30cm大致分布均匀，这个结果与严平等[40]、He等[41]关于137Cs和210Pbex在非耕地土壤剖面中分布的研究结果基本一致。值得注意的是，退耕地土壤中210Pbex的剖面分布并不符合指数递减模式，因为退耕地退耕前土地利用类型是农耕地，退耕后没有人为扰动，表层土壤不断接受来自大气沉降的210Pbex导致表层土壤210Pbex比活度最高，而下层土壤由于退耕前的耕作混匀作用导致210Pbex分布比较均匀，退耕地210Pbex的剖面分布很好地反映了土地利用类型的变化。137Cs和210Pbex在农耕地中的剖面分布大致相同的，均呈均匀分布，这与方海燕等[42]提出的耕地中137Cs和210Pbex的剖面分布基本一致。

4.2 基于137Cs和210Pbex双核素示踪的土壤侵蚀速率的变化特征

137Cs和210Pbex土壤侵蚀速率的变化表明了本文提出的210Pbex土壤侵蚀估算模型具有一定的适用性和可靠性。以往的210Pbex模型适用于估算土地利用类型不变，长期处于稳定态的土壤的侵蚀速率，而根据210Pbex­在退耕地中的剖面分布可知，由于土地利用类型发生了变化，210Pbex在退耕地土壤剖面中的分布处于非稳定的状态，以往的210Pbex估算土壤侵蚀速率的模型均不适用，需要对前人的210Pbex转换模型进行修正。前人的研究表明，利用137Cs模型和210Pbex模型估算土壤侵蚀速率在一定误差范围内应该是一致的[43]。而在本研究中，造林前，修正的210Pbex转换模型计算出的土壤侵蚀速率要高于137Cs比例模型计算的结果；造林后，修正的210Pbex转换模型计算出的土壤侵蚀速率要低于137Cs比例模型计算的结果。此外，通过对比137Cs和210Pbex在退耕地和耕地中的面积活度以及残存百分比可以发现，土壤137Cs与210Pbex背景值的残存百分比和土壤侵蚀估算模型结果之间存在显著差异，137Cs在退耕地和农耕地中的面积活度和残存百分比的大小几乎一致，残存百分比表明退耕地和耕地均处于风沙侵蚀状态；而210Pbex在退耕地中的面积活度要大于耕地的面积活度，残存百分比表明退耕地和耕地均处于风沙沉积状态。造成这种差异的原因是自然界中和土壤中137Cs和210Pbex的来源不同。土壤中137Cs主要来源于20世纪50～70年代的核试验产生的人工放射性核素[44]；而210Pbex作为一种天然放射性核素，在自然界中拥有较大的库存量，土壤中的210Pbex来源具有连续性特点。因此，210Pbex能够较好地反映造林以来近几十年的土壤侵蚀速率变化，而137Cs则能够更好地反映1963年以来的平均土壤侵蚀速率变化，且后期较低的土壤侵速率蚀极易被前期较高的侵蚀速率所掩盖[45]。由此可见，由于137Cs和210Pbex的来源不同，造成了两种核素示踪的背景值残存率及其估算的土壤侵蚀速率在显著差异，虽然两种核素示踪的结果有显著差异，但两种核素示踪的结果都是可信的，只是反映了不同时期的侵蚀速率，137Cs示踪结果表征了造林前后侵蚀速率的平均值，而210Pbex示踪结果表征了造林前后土壤侵蚀速率的动态变化。正如Kalkan等[46]提出的结论，在今后的研究工作中，多种同位素的复合示踪应得到进一步加强，以便更深刻地理解土壤侵蚀的作用机理。

4.3 退耕还林和防护林生态工程对土壤侵蚀速率的影响

在张家口坝上草原“三北防护林”区，实施退耕还林和农田防护林生态工程之后，农耕地和退耕地的土壤侵蚀速率明显减小，退耕地由前期的风沙侵蚀转变为风沙沉积。值得注意的是，张加琼等[47]关于张家口坝上区域康保县的研究中，由于康保县没有较好的防护林，利用137Cs模型估算出的耕地的平均土壤侵蚀速率为83.62 t/(hm2·a)，而本研究中，利用137Cs模型估算出的耕地的平均土壤侵蚀速率为29.11 t/(hm2·a)，利用修正后的210Pbex模型估算出的造林前后农耕地的平均侵蚀速率分别为68.55 t/(hm2·a)和-8.52 t/(hm2·a)，且造林前的土壤侵蚀速率接近83.62 t/(hm2·a)，造林后的侵蚀速率显著降低，这表明张家口坝上地区“三北”防护林较好的区域土壤侵蚀速率显著低于无“三北”防护林区域，且防护林成熟之后，其防风固沙的效果显著，两个区域土壤侵蚀速率的显著差异正好反映了研究区实施退耕还林以及农田防护林工程后的显著成果，说明本研究提出的210Pbex土壤侵蚀估算模型在研究区具有较好的适用性以及可靠性。此外，除了“三北”防护林工程，国家也制定实施了长江防护林工程、沿海防护林工程、平原绿化工程、万里治沙工程、太行山绿化工程等，这些生态工程均取得了显著成果，可否将修正后的210Pbex土壤侵蚀估算模型应用于这些工程以评估其土壤保持效益值得进一步深入研究。

5 结 论

本文采用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，初步查明了137Cs和210Pbex在该区农耕地和退耕地中的剖面分布特征以及土壤侵蚀速率的变化规律，分析了防护林区农耕地和退耕地土壤侵蚀速率的差异。主要结论有：

1）137Cs和210Pbex在农耕地和退耕地中的深度分布特征不同，农耕地土壤中137Cs和210Pbex均呈均匀分布；退耕地中137Cs和210Pbex此活度均呈表层（0～5 cm）最高，其他深度土层中分布相对均匀。

2）退耕还林导致近几十年来土地利用类型发生了突变，退耕地土壤中210Pbex的剖面分布呈非稳定态，致使目前的210Pbex转换模型在退耕地土壤侵蚀速率的估算中不适用，本研究基于210Pbex在退耕地土壤中的剖面分布特征及其对退耕过程的动态响应规律，提出了退耕地210Pbex估算土壤侵蚀速率模型。

3）基于137Cs比例模型计算出退耕地平均侵蚀速率为27.94±11.92 t/(hm2·a)，耕地平均侵蚀速率为29.11±14.42 t/(hm2·a)；基于210Pbex土壤侵蚀估算模型计算出退耕地造林前后210Pbex土壤侵蚀速率分别为82.16±14.36 t/(hm2·a)和-41.28±33.91 t/(hm2·a)，农耕地造林前后210Pbex土壤侵蚀速率分别为68.55±22.11 t/(hm2·a)和-8.52±47.32 t/(hm2·a)。这表明农耕地和退耕地在“三北”防护林建成之后土壤侵蚀速率（风力侵蚀）明显减小，逐渐由前期的风沙侵蚀转变为风沙沉积。

[1]Deng Longzhou, Sun Tianyu, Fei Kai, et al. Effects of erosion degree, rainfall intensity and slope gradient on runoff and sediment yield for the bare soils from the weathered granite slopes of SE China[J]. Geomorphology, 2020, 352: 106997.

[2]史东梅，金慧芳，蒋光毅. 土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用及其评价趋势展望[J]. 农业工程学报，2019，35(18)：118-126. Shi Dongmei, Jin Huifang, Jiang Guangyi. Degradation effect of soil erosion on tillage-layer quality of slope farmland and its evaluation trend[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 118-126. (in Chinese with English abstact)

[3]李世东，陈幸良，李金华. 世界重点生态工程与林业机构设置的关系研究[J]. 世界林业研究，2003，16(3)：7-11. Li Shidong, Chen Xingliang, Li Jinhua. Research on the relationship between world key ecological projects and the allocation of forestry organizations[J]. World Forestry Research, 2003, 16(3): 7-11. (in Chinese with English abstact)

[4]Kim Y, Tanaka K, Matsuoka S. Environmental and economic effectiveness of the Kyoto Protocol[J]. Plos One, 2020, 15(7): 1-15.

[5]Sun Shoujia, He Chunxia, Qiu Lanfen, et al. Stable isotope analysis reveals prolonged drought stress in poplar plantation mortality of the Three-North Shelter Forest in Northern China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2018, 252: 39-48.

[6]王耀，张昌顺，刘春兰，等. 三北防护林体系建设工程区森林水源涵养格局变化研究[J]. 生态学报，2019，39(16)： 5847-5856. Wang Yao, Zhang Changshun, Liu Chunlan, et al. Research on the pattern and change of forest water conservation in Three-North Shelterbelt Forest Program region, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(16): 5847-5856. (in Chinese with English abstact)

[7]苏正安，熊东红，张建辉，等. 紫色土坡耕地土壤侵蚀及其防治措施研究进展[J]. 中国水土保持，2018(2)：42-47,69. Su Zhengan, Xiong Donghong, Zhang Jianhui, et al. Research progress of erosion of purple soil slope farmland and its prevention and control measures[J]. Soil and Water Conservation in China, 2018(2): 42-47,69. (in Chinese with English abstact)

[8]刘娜，王克林，张伟，等. 土壤侵蚀及其评价、校验方法研究进展[J]. 中国农学通报，2011，27(18)：1-6. Liu Na, Wang Kelin, Zhang Wei, et al. Progress on the study of soil erosion, evaluation and validation[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(18): 1-6. (in Chinese with English abstact)

[9]Zambon N, Johannsen L L, Strauss P, et al. Splash erosion affected by initial soil moisture and surface conditions under simulated rainfall[J]. Catena, 2021, 196: 104827.

[10]黄杰，姚志宏，查少翔，等. USLE/RUSLE中水土保持措施因子研究进展[J]. 中国水土保持，2020(3)：37-39,56,5. Huang Jie, Yao Zhihong, Zha Shaoxiang, et al. Progress of study on soil and water conservation measure factors in USLE/RUSLE[J]. Soil and Water Conservation in China, 2020(3): 37-39,56,5. (in Chinese with English abstact)

[11]Li Sheng, David A L, Kachanoski R G, et al. Comparing the use of the traditional and repeated-sampling-approach of the137Cs technique in soil erosion estimation[J]. Geoderma, 2010, 160(3): 324-445.

[12]Wang Xiaolei, Xue Bin, Yao Shuchun, et al.137Cs estimates of soil erosion rates in a small catchment on a channelized river floodplain in the lower reaches of Yangtze River, China[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2019, 208/209: 106008.

[13]裴曾莉，龙翼，张云奇，等. 近100年喀斯特槽谷区洼地沉积速率与流域产沙强度[J]. 水土保持学报，2020，34(2)：23-29. Pei Zengli, Long Yi, Zhang Yunqi, et al. Deposition rate of karst depression and sediment yield intensity of the watershed in karst trough-valley area in the past 100 years[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(2): 23-29. (in Chinese with English abstact)

[14]李俊杰，李勇，王仰麟，等. 三江源区东西样带土壤侵蚀的137Cs和210Pbex示踪研究[J]. 环境科学研究，2009，22(12)：1452-1459. Li Junjie, Li Yong, Wang Yanglin, et al. Study of soil erosion on the east-west transects in the Three- Rivers Headwaters region using137Cs and210Pbextracing[J]. Research of Environmental Science, 2009, 22(12): 1452-1459. (in Chinese with English abstact)

[15]刘纪远，齐永青，师华定，等. 蒙古高原塔里亚特-锡林郭勒样带土壤风蚀速率的137Cs示踪分析[J]. 科学通报，2007，52(23)：2785-2791.

[16]齐永青，刘纪远，师华定，等. 蒙古高原北部典型草原区土壤风蚀的137Cs示踪法研究[J]. 科学通报，2008，53(9)：1070-1076.

[17]胡云锋，张云芝. 内蒙古浑善达克沙地南缘137Cs、210Pbex复合示踪研究[J]. 地理学报，2019，74(9)：1890-1903. Hu Yunfeng, Zhang Yunzhi. Using137Cs and210Pbexto investigate the soil erosion and accumulation moduli on southern margin of the Hunshandake Sandy Land in Inner Mongolia[J]. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(9): 1890-1903. (in Chinese with English abstact)

[18]张春来，邹学勇，董光荣，等. 耕作土壤表面的空气动力学粗糙度及其对土壤风蚀的影响[J]. 中国沙漠，2002，22(5)：66-68. Zhang Chunlai, Zou Xueyong, Dong Guangrong, et al. Aerodynamic roughness of cultivated soil and its influence on soil erosion by wind in a wind tunnel[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(5): 66-68. (in Chinese with English abstact)

[19]杨秀春，严平，刘连友，等. 农牧交错带不同农田耕作模式土壤风蚀的风洞实验研究[J]. 土壤学报，2005，42(5)：35-41. Yang Xiuchun, Yan Ping, Liu Lianyou, et al. Wind tunnel experiment on effects of different cultivation patterns on soil wind erosion in agro-grazing ecotone, Inner Mongolia[J]. Acta Pedologica Sinica, 2005, 42(5): 35-41. (in Chinese with English abstact)

[20]Aksoy H, Gedikli A, Yilmaz M, et al. Soil erosion model tested on experimental data of a laboratory flume with a pre-existing rill[J]. Journal of Hydrology, 2020, 581: 124391.

[21]Tao Wanghai, Wang Quanjiu, Guo Li, et al. A new analytical model for predicting soil erosion and nutrient loss during crop growth on the Chinese loess plateau[J]. Soil & Tillage Research, 2020, 199: 104585.

[22]霍丽芳，周彦丽，李彩娟. 风电场的建立与张家口风速风向的相关分析[J]. 河北北方学院学报：自然科学版，2015，31(6)：60-63. Huo Lifang, Zhou Yanli, Li Caijuan. Correlation analysis of wind farm construction and wind velocity in Zhangjiakou City[J]. Journal of Hebei North University(Natural Science Edition), 2015, 31(6): 60-63. (in Chinese with English abstact)

[23]海春兴，马礼，王学萌，等. 农牧交错带典型地段土地沙化主要因素分析：以河北坝上张北县为例[J]. 地理研究，2002，21(5)：543-550. Hai Chunxing, Ma Li, Wang Xuemeng, et al. Main factors analysis about soil desertification in typical section of interlock area of farming and pasturing: The case of Zhangbei County, Bashang Area of Hebei Province[J]. Geographical Research, 2002, 21(5): 543-550. (in Chinese with English abstact)

[24]孙宝洋，周蕊，王喆，等. 黄河内蒙古段土壤风蚀特征模拟[J]. 中国沙漠，2020，40(4)： 120-127. Sun Baoyang, Zhou Rui, Wang Zhe, et al. The simulation study of wind erosion characteristics of different soils in Inner Mongolia reach of Yellow River[J]. Journal of Desert Research, 2020, 40(4): 120-127. (in Chinese with English abstact)

[25]文安邦，张信宝，王玉宽，等. 长江上游紫色土坡耕地土壤侵蚀137Cs示踪法研究[J]. 山地学报，2001，19(S1)：56-59. Wen Anbang, Zhang Xinbao, Wang Yukuan, et al. A study on soil erosion rates of the purple slope cultivated land using caesium-137 technique in the upper of the Yangtze River[J]. Journal of Mountain Science, 2001, 19(S1): 56-59. (in Chinese with English abstact)

[26]张信宝，Walling D E，冯明义，等.210Pbex在土壤中的深度分布和通过210Pbex法求算土壤侵蚀速率模型[J]. 科学通报，2003，48(5)：502-506.

[27]刘志强，杨明义，刘普灵，等.137Cs示踪技术背景值研究进展与建议[J]. 核农学报，2008，22(6)： 913-917,922. Liu Zhiqiang, Yang Mingyi, Liu Puling, et al. Progress and suggestions on the investigation of137Cs reference inventory[J]. Journal of Nuclear Agricultural science, 2008, 22(6): 913-917,922. (in Chinese with English abstact)

[28]齐永青，张信宝，贺秀斌，等. 中国137Cs本底值区域分布研究[J]. 核技术，2006，29(1)：42-50. Qi Yongqing, Zhang Xinbao, He Xiubin, et al.137Cs reference inventories distribution pattern in China[J]. Nuclear Techniques, 2006, 29(1): 42-50. (in Chinese with English abstact)

[29]Hu Yunfeng, Liu Jiyuan, Zhuang Dafang, et al. Distribution characteristics of137Cs in wind-eroded soil profile and its use in estimating wind erosion modulus[J]. Chinese Science Bulletin, 2005, 50(11): 1155-1159.

[30]潘星慧，张春来，王升堂，等. 土地利用/覆盖变化对地表蚀积过程的影响：来自137Cs示踪的证据[J]. 中国沙漠，2007，27(6)：994-999. Pan Xinghui, Zhang Chunlai, Wang Shengtang, et al. Influence of land use/cover change on soil surface erosion/deposition process: evidence from137Cs as a tracer[J]. Journal of Desert Research, 2007, 27(6): 994-999. (in Chinese with English abstact)

[31]Du P, Walling D E. Using Cs-137 measurements to investigate the influence of erosion and soil redistribution on soil properties[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2001, 69(5): 717-726.

[32]高军，欧阳志云.137Cs技术测量土壤侵蚀速率常用模型讨论[J]. 水土保持通报，2006，26(1): 75-79,102. Gao Jun, Ouyang Zhiyun. Discussion on several models used in converting137Cs measurement to soil erosion rates[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2006, 26(1): 75-79,102. (in Chinese with English abstact)

[33]Zhang Xinbao, Higgitt D L, Walling D E. A preliminary assessment of the potential for using Caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loess Plateau of China[J]. Hydrological Sciences Journal, 1990, 35(3): 243-252.

[34]Walling D E, He Q. Using fallout lead-210 measurements to estimate soil erosion on cultivated land[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(5): 1404-1412.

[35]张信宝，张云奇，贺秀斌，等. 农耕地土壤210Pbex含量对侵蚀速率变化的响应模型[J]. 土壤学报，2010，47(4)：593-597. Zhang Xinbao, Zhang Yunqi, He Xiubin, et al. Response of210Pbexinventrory to changes in soil erosion rates in soil of cultivated land[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(4): 593-597. (in Chinese with English abstact)

[36]孙威，杨浩，赵其国，等. 非耕作土210Pbex含量对侵蚀速率变化的响应模型[J]. 科学通报，2013，58(15)：1379-1384. Sun Wei, Yang Hao, Zhao Qiguo, et al. Response of210Pbexinventrory to changes in soil erosion rates on uncultivated land[J]. Science Bulletin, 2013, 58(15): 1379-1384. (in Chinese with English abstact)

[37]殷建军，王华，罗为群，等. 广西平果龙何屯岩溶洼地剖面土壤137Cs和210Pb比活度分布的影响因素研究[J]. 中国岩溶，2016，35(1)：5-10. Yin Jianjun, Wang Hua, Luo Weiqun, et al. A study on the influencing factors for distribution of137Cs and210Pb specific radioacitivity in Longhetun karst depression area in Pingguo, Guangxi[J]. Carsologica Sinica, 2016, 35(1): 5-10. (in Chinese with English abstact)

[38]冯腾，陈洪松，张伟，等. 桂西北喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征及其指示意义[J]. 应用生态学报，2011，22(3)：593-599. Feng Teng, Chen Hongsong, Zhang Wei, et al.137Cs profile distribution character and its implication for soil erosion on Karst slopes of Northwest Guangxi[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(3): 593-599. (in Chinese with English abstact)

[39]Mabit L, Benmansour M, Walling D E. Comparative advantages and limitations of the fallout radionuclides137Cs,210Pbexand7Be for assessing soil erosion and sedimentation[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2008, 99(12): 1799-1807.

[40]严平，董光荣. 青海共和盆地土壤风蚀的137Cs法研究[J]. 土壤学报，2003，40(4)：497-503. Yan Ping, Dong Guangrong. Application of the Caesium-137 technique on wind erosion in the Gonghe basin, Qinghai province[J]. Acta Pedologica Sinica, 2003, 40(4): 497-503. (in Chinese with English abstact)

[41]He Q, Walling D E. The distribution of fallout137Cs and210Pb in undisturbed and cultivated soils[J]. Applied Radiation & Isotopes, 1997, 48(5): 677-690.

[42]方海燕，盛美玲，孙莉英，等.137Cs和210Pbex示踪黑土区坡耕地土壤侵蚀对有机碳的影响[J]. 应用生态学报，2013，24(7): 1856-1862. Fang Haiyan, Sheng Meiling, Sun Liying, et al. Using137Cs and210Pbexto trace the impact of soil erosion on soil organic carbon at a slope farmland in the black soil region[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(7): 1856-1862. (in Chinese with English abstact)

[43]俱战省，文安邦，严冬春，等. 基于137Cs、210Pb和CSLE的三峡库区小流域土壤侵蚀评估[J]. 水土保持学报，2015，29(3)：75-80. Ju Zhansheng, Wen Anbang, Yan Dongchun, et al. Evaluation of soil erosion in small watershed of the Three Gorges Reservoir region by using137Cs,210Pb and CSLE[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 75-80. (in Chinese with English abstact)

[44]李立青，杨明义，刘普灵，等.137Cs示踪农耕地土壤侵蚀速率模型的比较研究[J]. 地球科学进展，2004，19(1): 32-37. Li Liqing, Yang Mingyi, Liu Puling, et al. The discussion on models for estmating soil ersion rates from Caesium-137 measurements on cultivated land[J]. Advance in Earth Sciences, 2004, 19(1): 32-37. (in Chinese with English abstact)

[45]付国燕，沙占江，张凯，等.137Cs和210Pb测年的青海湖西北沉积速率研究[J]. 盐湖研究，2015，23(2)：7-14. Fu Guoyan, Sha Zhanjiang, Zhang Kai, et al. Research of deposition rate in northwestern Qinghai Lake based on the137Cs and210Pb dating[J]. Journal of Salt Water Lake Research, 2015, 23(2): 7-14. (in Chinese with English abstact)

[46]Kalkan K S, Forkapić S, Marković S B, et al. The application of137Cs and210Pbexmethods in soil erosion research of Titel loess plateau, Vojvodina, Northern Serbia[J]. Open Geosciences, 2020, 12(1): 11-24.

[47]张加琼，周学雷，张春来，等. 张家口坝上地区农田土壤风蚀的137Cs示踪研究[J]. 北京师范大学学报：自然科学版，2010，46(6)：724-728. Zhang Jiaqiong, Zhou Xuelei, Zhang Chunlai, et al. Evaluation farmland soil erosion by wind in Bashang of Zhangjiakou with137Cs as a tracer[J]. Journal of Beijing Normal University(Natural Science), 2010, 46(6): 724-728. (in Chinese with English abstact)

137Cs and210Pbextracing of soil erosions on cultivated and reforested slope lands in Three North-Shelter Forest Region

Wang Junjie1,2, Su Zhengan1※, Zhou Tao1,2, Wang Lijuan1,2, Wang Xiaoyi1,3, Liu Yihan1,4, Wu Zuo1,3

(1.,,,610041,; 2.,100049,; 3.,,625014,; 4.,,610101,)

210Pbexand137Cs measurements were carried out to trace the variations in soil depth and erosion rates in the cultivated and reforested land, aiming to explore the changes of soil retention due to the construction of the “Three North” shelterbelt program in the north of China. A typical shelterbelt and wind dominant region was selected, particularly on the Bashang Region of Zhangjiakou City, Hebei province, China. The results showed that in the cultivated land, both137Cs and210Pbexin the soil profile were uniformly distributed, due mainly to the mixing effect of tillage. In the reforested land, the137Cs and210Pbexconcentrations in the 0-0.05 m soil layers were obviously higher than those in the other depth soil layers. There were roughly uniform concentrations of137Cs and210Pbexfrom 0.05 m to 0.15 m of the upper 0.15 m soil layer. It infers that the137Cs and210Pbexprofile of soil can be changed after reforestation, thereby posing a great challenge on the use of137Cs and210Pbexto estimate the variation in soil erosion rates under the conditions of reforestation. A revised210Pbexmodel of soil erosion in the reforested land was proposed using the210Pbexmass balance equation in the temporal change trends of137Cs and210Pbexprofiles. In the137Cs proportional model, the mean soil erosion rates of reforested and cultivated land were 27.94±11.92 t/(hm2·a) and 29.11±14.42 t/(hm2·a). In the revised210Pbexconversion model, the soil erosion rates of reforested and cultivated land were 82.16±14.36 t/(hm2·a) and 68.55±22.11 t/(hm2·a) before the construction of Three-North shelter forest, whereas, those were -41.28±33.91 t/(hm2·a) and -8.52±47.32 t/(hm2·a) after the constructed. It indicates that the137Cs tracing can be used to characterize the average soil erosion rates and deposition rates on the slopes since 1963. Nevertheless, the210Pbextracer technology can be used to trace the variations in soil erosion rates before and after the shelter forest was constructed. In addition, the wind erosion rates of cultivated and reforested land obviously declined, due to the construction of Three-North Shelter Forest, where the cultivated and reforested land have been transformed from erosion zone to deposition zone in the study area.

soils; erosion; models;210Pbex;137Cs; shelter forest; returning farmland to forest

王俊杰，苏正安，周涛，等.137Cs和210Pbex双核素示踪“三北”防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：64-72.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008 http://www.tcsae.org

Wang Junjie, Su Zhengan, Zhou Tao, et al.137Cs and210Pbextracing of soil erosions on cultivated and reforested slope lands in Three North-Shelter Forest Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 64-72. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008 http://www.tcsae.org

2020-09-30

2020-11-20

水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07101-001）和国家自然科学基金（41401313）联合资助。

王俊杰，主要从事土壤侵蚀和水土保持研究。Email：wangjunjie195@mails.ucas.ac.cn。

苏正安，博士，副研究员，主要从事土壤侵蚀和水土保持研究。Email：suzhengan@imde.ac.cn。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.008

S157.1

A

1002-6819(2020)-24-0064-09