銫137在土壤中的分布、遷移及應(yīng)用綜述

潘玉梅 艾美榮 曾嘉

摘 要：土壤中銫元素主要來源于核武器實(shí)驗(yàn)、核反應(yīng)堆的放射性廢物以及核電站核泄漏和核燃料處理廠的放射性廢液。在土壤研究中，主要利用放射性核素銫137（137Cs）進(jìn)行土壤侵蝕研究，能夠簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確地獲取土壤流失、沉積和空間重新分布等詳細(xì)信息。該文重點(diǎn)介紹了銫137（137Cs）在土壤中的分布及遷移特征與銫元素在土壤研究中的應(yīng)用，探討了銫元素在應(yīng)用中存在的問題，并對(duì)后續(xù)的研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：放射性銫；土壤侵蝕；分布

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2019）07-0066-03

Abstract：Cesium in soil is mainly derived from nuclear weapon test，radioactive waste from nuclear reaction，nuclear leakage and radioactive waste from nuclear fuel reprocessing plant. In soil research，the use of radionuclide caesium-137（137Cs） for soil erosion research can be simple，rapid and accurate to obtain soil loss. Details such as deposition and spatial redistribution. The distribution and migration characteristics of cesium-137（137Cs） in soil and the application of cesium in soil research were introduced in this paper. At the same time，existence of cesium in application is discussed. The development of future research is also prospected.

Key words：Radioactive caesium；Soil erosion；Distribution

1860年德國(guó)化學(xué)家本生（R.W.Bunsen）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）在研究礦泉水的光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)新的元素譜線，根據(jù)光譜線的顏色按拉丁文caesius（天藍(lán)色）命名為cesium。1881年賽特貝格（C.Setterberg）在電解氯化銫-氰化鋇混合熔鹽時(shí)，首次制得金屬銫。銫是最活潑的金屬之一，它有16種核素，其中核素134Cs、137Cs是2種裂變產(chǎn)物，兩者都是中毒性核素，具有很強(qiáng)的放射性，銫137（137Cs）是銫的所有核素中放射性最強(qiáng)的核素。137Cs在工業(yè)[1]、軍工[2]、醫(yī)用科學(xué)[3]研究領(lǐng)域均有廣泛的用途，還可用作同位素示蹤核素等方面[4]。除此之外，人類健康也受其影響[5]，137Cs已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)。

1 土壤中137Cs的來源及分布特征

1.1 土壤中137Cs的來源 土壤中137Cs主要來自核武器試驗(yàn)[6]、核反應(yīng)堆的放射性廢物以及核電站核泄漏和核燃料處理廠的放射性廢液[7]。每次核試驗(yàn)會(huì)釋放許多裂變核素137Cs到大氣、土壤，釋放在大氣中的137Cs會(huì)隨著大氣環(huán)流沉降進(jìn)入土壤中。而大氣環(huán)流形成的137Cs分布狀況因地形、地貌及土壤類型而異[8]。

1.2 全球核試驗(yàn)、核事故與137Cs的分布 土壤中137Cs主要來源于核試驗(yàn)與核事故，因此核試驗(yàn)地分布與137Cs在土壤中的分布密不可分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1945年至今，全球共進(jìn)行了2062次核試驗(yàn)，其中美國(guó)1032次、蘇聯(lián)715次、法國(guó)210次、中國(guó)45次、英國(guó)45次、印度6次、巴基斯坦6次、北朝鮮3次等。除此之外，嚴(yán)重的核事故如前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故[9]及日本福島核事故[10]也造成137Cs的大量外泄，進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)，使周邊地區(qū)受到嚴(yán)重污染。

137Cs在全球空間分布規(guī)律呈現(xiàn)北半球的137Cs總沉降量大于南半球；核爆炸周圍地區(qū)的137Cs含量高于全球的平均水平；受平流層大氣運(yùn)動(dòng)影響，137Cs塵埃在中高緯度地區(qū)含量較高，相同降水量下，緯度越高137Cs沉降量越大[11]。除此之外，137Cs在土壤中的分布還與土壤類型有關(guān)，在黃黏土、潮土、鹽土和風(fēng)沙土中的含量有極顯著差異[12]；原地層中137Cs的活性度分布隨著土層深度的增加以指數(shù)形式衰減[13]；土壤中放射性核素137Cs比活度的對(duì)數(shù)值隨土壤顆粒表面積對(duì)數(shù)值的增加而線性增加[14]；高度可變的134Cs和137Cs活度濃度往往出現(xiàn)在同一位置不同土壤樣品之間[15]。

2 銫元素在土壤中的遷移與應(yīng)用

2.1 銫元素的遷移特征與制約因素 堿性環(huán)境中，水合鐵的氧化物比石英對(duì)銫元素的吸附能力強(qiáng)，因此，表面涂有鐵氧化物的石英砂對(duì)銫元素的遷移運(yùn)動(dòng)的阻礙力度比表面去除了鐵氧化物的石英砂更大[16]，銫元素在恒福沉積物中的流速比在石英砂中更快，在恒福沉積物中會(huì)引起很明顯的不平衡狀態(tài)，而在石英砂中銫可以很平穩(wěn)的停留在其中，恒福沉積物的減少可以有效阻礙銫的遷移[17]。

在森林中土壤的垂直方向上，堆積在土壤表層的137Cs會(huì)比較長(zhǎng)時(shí)間存在于表層，第2年以減少的速率向下遷移[18]，灰化土遷移速度快，潛育土遷移的深度最低[19]。據(jù)此猜測(cè)其它土壤也具有相似的性質(zhì)，從大氣中沉降到地表的137Cs都會(huì)在地表淺層存在一段時(shí)間，然后向下遷移或者是被植物所吸收。但是在遷移過程中，137Cs還會(huì)受到一些物理、化學(xué)、環(huán)境因素的影響[18]，富含有機(jī)物的土壤可以加快137Cs的遷移速率[20]。

2.2 示蹤土壤侵蝕 137Cs作為重要的土壤示蹤劑，在土壤研究中有廣泛應(yīng)用[21]，在科學(xué)研究領(lǐng)域有重要用途，特別是在示蹤土壤侵蝕方面[22]。示蹤土壤侵蝕試驗(yàn)中，137Cs背景值的確定會(huì)直接影響到最終結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[23]。一般來說，坡頂?shù)狡碌琢魇Я繚u減，坡地上部以凈流失為主，坡地中下部除土壤流失外，還接受坡上部流失的土壤，因而坡地的土壤凈流失上部大于中下部[24]。試驗(yàn)表明，利用137Cs示蹤法研究坡面侵蝕，可以客觀地描述典型坡面上土壤侵蝕的垂直分異現(xiàn)象[25]。

利用137Cs示蹤法對(duì)土壤的侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究，可以很好地展現(xiàn)出土壤在垂直和水平方向上的侵蝕速率和方向[26，27]。同時(shí)結(jié)合研究區(qū)域的自然環(huán)境特征就可以得出，土壤侵蝕與自然環(huán)境的關(guān)系[28]。相對(duì)來說氣候濕潤(rùn)，降雨量大的地區(qū)，它的徑流系數(shù)相對(duì)較高，土壤抗侵蝕性相對(duì)較強(qiáng)，用137Cs背景值求得的坡耕地的平均侵蝕量往往會(huì)偏大[29，30]，需要一個(gè)有效背景值來做計(jì)算才能更準(zhǔn)確。利用有效背景值所計(jì)算的坡耕地平均土壤侵蝕速率，能夠較為真實(shí)的反映土壤的侵蝕強(qiáng)度[31]。

3 存在問題與展望

137Cs示蹤法在土壤研究中，往往需要確定1個(gè)關(guān)系到最終結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的背景值，如果能夠在這一環(huán)節(jié)找到準(zhǔn)確又簡(jiǎn)便的方法來確定其背景值，那么137Cs示蹤法的實(shí)驗(yàn)難度會(huì)減小許多。

此外，137Cs示蹤法在土壤的研究上，只適合小區(qū)域、小樣本量的研究，當(dāng)樣本量比較大的時(shí)候，研究耗時(shí)長(zhǎng)，應(yīng)該改進(jìn)研究方法和路線。在大區(qū)域、大樣本量中，進(jìn)行少量抽樣取樣，使分析精度達(dá)到要求。在土壤侵蝕研究中，137Cs示蹤法具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，但也有一定的局限性，即不適用于某些侵蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)。因?yàn)楸磺治g的土壤表面很可能已經(jīng)測(cè)不到137Cs，需尋找一些替代核素，對(duì)這類土壤進(jìn)行研究，或者開發(fā)一些新技術(shù)，能夠測(cè)出侵蝕嚴(yán)重地區(qū)的微量137Cs，讓137Cs示蹤法依然適用于這類地區(qū)。

研究表明，137Cs基本沉降在土壤的淺表層，而土壤淺表層137Cs含量直接或者間接的反映土壤中微生物的狀況。利用這一關(guān)系，可以對(duì)很多土壤的微生物進(jìn)行研究。比如：研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤中的微生物狀況，探討其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響；研究森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物狀況，探討其與森林中各種植物的分布關(guān)系等。

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（責(zé)編：王慧晴）