一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，包括REE示蹤元素用量及坡面布置步驟以及應(yīng)用REE濃度計(jì)算輸沙能力的步驟。本發(fā)明方法只需要建立基于稀土元素方法的輸沙量和坡長(zhǎng)的響應(yīng)關(guān)系，就可以計(jì)算得到任意水動(dòng)力條件下的輸沙能力；本發(fā)明方法只需要坡面布置不同稀土元素就可以方便、快捷的估算任意坡段的輸沙量，提高了獲取具有空間分布特征的輸沙量數(shù)據(jù)的精度和便捷性。
【專利說明】一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，涉及土壤侵蝕與水土保 持、農(nóng)田面源污染控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 全國(guó)有3. 59億畝坡耕地，約占全國(guó)18億畝坡耕地的1/5,大于15°的坡耕地有 1. 67億畝，約占坡耕地總量的47 %。坡地在降雨過程中迅速匯集徑流發(fā)育為細(xì)溝和淺溝， 沖刷力極強(qiáng)，侵蝕動(dòng)能劇增，成為泥沙來源和溝頭前進(jìn)的動(dòng)力源泉，使土地資源遭到極大的 破壞。在我國(guó)黃土區(qū)、黑土區(qū)、紫色土區(qū)坡耕地、中歐黃土帶和美國(guó)東南部坡地水蝕非?；?躍，坡地水蝕定量化研究一直受到關(guān)注。
[0003] 坡地水蝕的剝蝕、輸移以及沉降過程是相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的三個(gè)過程，受水流 的水力學(xué)特性及輸沙能力的顯著影響。坡地股流形成后，運(yùn)動(dòng)泥沙和床面泥沙有可能發(fā)生 交換，但當(dāng)輸沙量達(dá)到水流輸沙能力時(shí)這種交換出現(xiàn)平衡狀態(tài)，水流輸沙能力是泥沙沉降 和搬運(yùn)過程的綜合性指標(biāo)。坡地水蝕輸沙能力在侵蝕產(chǎn)沙及泥沙輸運(yùn)研究中十分重要，一 直受到土壤侵蝕界的高度關(guān)注。
[0004] 坡地水蝕輸沙能力極為復(fù)雜，被輸移的土壤顆粒細(xì)、粘性大、組成很不均勻，當(dāng)存 在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)時(shí)重率（泥沙顆粒單位體積的重量）較低。長(zhǎng)期以來，關(guān)于坡地水蝕輸沙能力 的研究，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者或從理論，或根據(jù)野外小區(qū)實(shí)測(cè)資料和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，提出了 不少半理論、半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)性的公式。Julien和Simons(1985)分析了 14個(gè)已有的輸沙 方程，認(rèn)為河流輸沙能力公式不能直接用于坡面流，并在維數(shù)分析的基礎(chǔ)上提出了一種作 為坡度、流量、剪切力和降雨強(qiáng)度的冪函數(shù)關(guān)系的輸沙能力表達(dá)式，他們?cè)诜治鲋兄赋鲇绊?輸沙能力最重要的兩個(gè)參數(shù)是坡度和流量。Moore等（1986)發(fā)現(xiàn)，基于水流單位能量概 念的Yang公式既能較好地模擬片流輸沙過程，也能對(duì)細(xì)溝流輸沙過程模擬得到較好結(jié)果。 Govers等（1986)利用不同土壤類型，研究了平面和不規(guī)則地塊漫流條件下的水流輸沙能 力，利用水流功率和徑流剪切力來計(jì)算坡面輸沙能力。Nearing等（1997)根據(jù)大量室內(nèi)細(xì) 溝侵蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了侵蝕產(chǎn)沙與水流功率間的關(guān)系表達(dá)式。雷廷武、N earing(1998)等 人通過計(jì)算模擬和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，證實(shí)了這一表達(dá)式可以作為水流輸沙能力方程使用，但盡管 其具有良好的表達(dá)形態(tài)，實(shí)際使用中仍需要對(duì)不同的土壤類型進(jìn)行標(biāo)定，方能給出準(zhǔn)確的 預(yù)報(bào)結(jié)果。
[0005] 輸沙能力是經(jīng)典物理模型WEPP (Water Erosion Prediction Pro ject)坡面侵蝕 產(chǎn)沙方程中的核心參數(shù)。在用傳統(tǒng)方法計(jì)算模型參數(shù)時(shí)，因缺乏獲取泥沙時(shí)空分布數(shù)據(jù)的 方法，常用溝道出口處測(cè)量的輸沙量作為整個(gè)溝段的平均侵蝕量，由此計(jì)算得到的參數(shù)輸 入方程后，模擬結(jié)果與實(shí)際誤差較大，不能反映侵蝕過程的時(shí)空分布規(guī)律。由于試驗(yàn)手段和 計(jì)算方法的局限，尚不能經(jīng)試驗(yàn)直接測(cè)定與計(jì)算輸沙能力，在實(shí)際使用過程中，需要根據(jù)不 同土壤顆粒粒級(jí)的輸沙能力的權(quán)重平均值來進(jìn)行修正，且不同粒級(jí)之間的Tc存在差異。因 缺乏合理的計(jì)算方法，當(dāng)模擬值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)差異時(shí)，很難辨別誤差來自模型本身還是參 數(shù)選擇有誤，限制了模型在侵蝕預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕預(yù)報(bào)完全建立在物理過 程基礎(chǔ)上，輸沙能力等模型參數(shù)應(yīng)具有明確的物理意義，并能用力學(xué)表達(dá)式描述或由試驗(yàn) 直接測(cè)量。
[0006] 穩(wěn)定性稀土元素 （Rare Earth Elements,簡(jiǎn)稱REE)具有能被土壤顆粒強(qiáng)烈吸 附、難溶于水、植物富集有限、有較低的土壤背景值、且分析檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，從而在侵 蝕過程研究中顯示特有的巨大功能（田均良等，1992 ;田均良，1997 ;Zhang et al.，2001 ; Zhang et al. , 2003 ；Lei et al. , 2006 ；Zhang et al. , 2008) 〇 關(guān)于土壤中稀土兀素的背 景值方面，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，積累了豐富的資料（彭安和朱建國(guó)，2003)，對(duì)于應(yīng) 用稀土元素研究不同土壤類型的土壤侵蝕過程有重要的參考價(jià)值。外源稀土進(jìn)入土壤后， 絕大部分在很短的時(shí)間內(nèi)被土壤吸附固定，剩下的稀土只有很少的部分以離子態(tài)、可溶性 的有機(jī)、無機(jī)絡(luò)合態(tài)存在于土壤溶液中（彭安和朱建國(guó)，2003)。稀土元素可被土壤顆粒強(qiáng) 烈吸附，在泥沙輸運(yùn)過程中泥沙顆粒分選不明顯，REE氧化物可以與不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體結(jié) 合，不會(huì)改變土壤顆粒和團(tuán)聚體的物理化學(xué)性質(zhì)，REE是一種鑒別侵蝕泥沙相對(duì)來源部位的 有效方法。由于植物對(duì)稀土元素的富集有限，且跟土壤有很好的吸附性，可將稀土元素化合 物與土壤均勻混合后布設(shè)于研究地區(qū)的不同地形部位，使之在沖刷過程中隨徑流泥沙一起 移動(dòng)，爾后采集徑流泥沙樣品，利用中子活化分析方法測(cè)定侵蝕泥沙中示蹤元素的含量，來 探討坡地水蝕輸沙能力的直接測(cè)定和定量表達(dá)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種坡地水蝕輸沙能力的定量表達(dá)的坡地水 蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示 蹤方法，包括以下步驟：
[0009] 第一步：REE示蹤元素用量及坡面布置，具體如下：
[0010] 1. 1)選取用于示蹤的稀土元素及坡面布置
[0011] 用于坡地水蝕研究的示蹤元素，應(yīng)具有和土壤有較好的結(jié)合能力、不溶于水、不易 被植物吸收且不損害生態(tài)環(huán)境等特征。此外，從方法的精度及試驗(yàn)成本和推廣前景考慮，示 蹤元素還應(yīng)具有土壤含量甚微、施加量少且易于識(shí)別、精確探測(cè)等特征。為此，建議選取的 稀土元素為 Ho(欽），Tb(鋱），Eu(銪），Yb(鐿），Dy(鏑），Sm(釤），La(鑭），Tm(銩）， Ce(鈰），Nd(釹）十種稀土元素。相應(yīng)的元素氧化物分別為Ho203，Tb40 7，Eu203，Yb203，Dy 203， Sm203, La203, Tm203, Ce02, Nd203〇
[0012] 選取十種稀土元素后，將坡地的坡面進(jìn)行布置；
[0013] 1. 2)計(jì)算REE的施放濃度：
[0014] 設(shè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)土壤侵蝕總量為W，對(duì)應(yīng)于第i坡段的侵蝕量為1，施放的第i種REE 在總的侵蝕土壤中的濃度q，可根據(jù)其施放濃度Q計(jì)算為：
[0015]
【權(quán)利要求】
1. 一種坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步：REE示蹤元素用量及坡面布置，具體如下： 1. 1)選取Ho, Tb，Eu，Yb，Dy，Sm，La, Tm，Ce，Nd十種稀土元素，上述十種稀土元素相應(yīng) 的兀素氧化物分別為 H〇203, Tb407, Eu203, Yb203, Dy203, Sm203, La203, Tm203, Ce02, Nd203 ; 選取十種稀土元素后，將坡地的坡面進(jìn)行布置； 1. 2)計(jì)算REE的施放濃度：設(shè)試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)土壤侵蝕總量為W，對(duì)應(yīng)于第i坡段的侵蝕量 為I，施放的第i種REE在總的侵蝕土壤中的濃度Ci，可根據(jù)其施放濃度Q計(jì)算為：
式1中，所述i = 1，2, "·，10鷓為侵蝕土壤中第i種元素的質(zhì)量；Wi為第i種REE元 素坡段的侵蝕土壤的權(quán)重；為第i種元素的背景值； 1. 3)計(jì)算REE的施放量：〇 為不同元素的施放倍數(shù)，則第i種元素的施放量Ai為：
根據(jù)式2方法由元素的施放濃度和相對(duì)于背景值的放大倍數(shù)計(jì)算得到稀土元素施放 量，再由稀土元素施放量和元素的氧化物分子式和分子量換算出稀土元素氧化物的施放 量； 1. 4)配置REE施放樣：為確保示蹤元素在監(jiān)測(cè)點(diǎn)施放的均勻性，將選取的稀土元素 按不同倍數(shù)進(jìn)行逐步稀釋，所述La和Ce的稀釋倍數(shù)為2.5%，其余元素的稀釋倍數(shù)為 1. 25%，稀釋后布直在坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)； 第二步：應(yīng)用REE濃度計(jì)算輸沙能力，具體如下： 2. 1)收集坡面全部徑流泥沙，測(cè)量總的土壤侵蝕量和侵蝕泥沙中不同稀土元素的濃度 Ci，用上述濃度值剔除該元素背景值后乘以全部侵蝕泥沙質(zhì)量，得到各施放區(qū)REE的純?cè)?侵蝕量ey從侵蝕泥沙中收集到的所施放的第i種REE元素的量值 ei，與第i段中失去的該 種元素的量1 Q相等，得到：
即第i種元素所在區(qū)段的土壤侵蝕量I等于此元素在總土壤侵蝕量W中濃度增量相 對(duì)于施放濃度的百分?jǐn)?shù)與總土壤侵蝕量W的乘積； 式3中，Ci為第i種元素所在區(qū)段的稀土元素濃度，單位為kg kg4;所述i = 1，2,…，10, 為第i種元素稀土元素背景濃度，單位為kg kg4 ;W為總侵蝕量，單位為kg ; 設(shè)試驗(yàn)時(shí)段為Λ T，流量q為恒定，對(duì)應(yīng)于第i種REE的區(qū)段的輸沙量為：
式4中，所述q為單寬流量，單位為m2^ ; 不同坡度及流量下輸沙量隨溝長(zhǎng)的變化復(fù)合非線性數(shù)學(xué)關(guān)系： G(x) = A(l-e_0x)(式 5); 式5中：G為輸沙量，單位為kg πΓΥ1 ;β為衰減系數(shù)；X為溝長(zhǎng),單位為m;A和B為回 歸系數(shù)； 2. 2)計(jì)算輸沙能力：公式如下：
式6中，β是輸沙量隨距離增加其增長(zhǎng)幅度衰減的指數(shù)，A值代表的是水流達(dá)到飽和時(shí) 的輸沙量，T。代表輸沙能力，單位為kg πΓ1 s'系數(shù)β為衰減常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，其特征在于，在步 驟1. 1)中，所述將坡地的坡面進(jìn)行布置的具體步驟如下：將所述坡地的坡面分隔成10個(gè)等 份的坡段，在每一等份上施放一種元素，分段分別施放上述十種元素進(jìn)行示蹤，自上坡到下 坡的順序?qū)⒏鲄^(qū)段編上從小到大標(biāo)號(hào)：1，2,…，10。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，其特征在于，施放 所述十種元素時(shí)，將價(jià)格低的稀土元素放在上坡侵蝕量大處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的坡地水蝕輸沙能力的稀土元素示蹤方法，其特征 在于，在步驟1. 4)中，將所述示蹤土樣逐步進(jìn)行稀釋的具體步驟如下：首先稱取按1. 3)步 驟計(jì)算得到稀土元素氧化物的施放量，然后將稱取得的稀土元素氧化物進(jìn)行等分，稀土元 素氧化物分為8到10份，將每份稀土元素氧化物均與烘干土混合，用碾缽充分碾磨使之充 分混合均勻，得到示蹤土樣；然后將所述示蹤土樣再與烘干土混合逐級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步稀釋，逐 步稀釋直到配足所需示蹤土樣，再將配足所需示蹤土樣布置在坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK104111318SQ201410340488
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】張晴雯, 雷廷武 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所