[发明专利]一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，涉及土壤侵蚀与水土保持、农田面源污染控制领域。

背景技术

全国有3.59亿亩坡耕地，约占全国18亿亩坡耕地的1/5，大于15°的坡耕地有1.67亿亩，约占坡耕地总量的47％。坡地在降雨过程中迅速汇集径流发育为细沟和浅沟，冲刷力极强，侵蚀动能剧增，成为泥沙来源和沟头前进的动力源泉，使土地资源遭到极大的破坏。在我国黄土区、黑土区、紫色土区坡耕地、中欧黄土带和美国东南部坡地水蚀非常活跃，坡地水蚀定量化研究一直受到关注。

坡地水蚀的剥蚀、输移以及沉降过程是相互独立又相互联系的三个过程，受水流的水力学特性及输沙能力的显著影响。坡地股流形成后，运动泥沙和床面泥沙有可能发生交换，但当输沙量达到水流输沙能力时这种交换出现平衡状态，水流输沙能力是泥沙沉降和搬运过程的综合性指标。坡地水蚀输沙能力在侵蚀产沙及泥沙输运研究中十分重要，一直受到土壤侵蚀界的高度关注。

坡地水蚀输沙能力极为复杂，被输移的土壤颗粒细、粘性大、组成很不均匀，当存在团粒结构时重率(泥沙颗粒单位体积的重量)较低。长期以来，关于坡地水蚀输沙能力的研究，国内外许多学者或从理论，或根据野外小区实测资料和室内试验数据出发，提出了不少半理论、半经验或经验性的公式。Julien和Simons(1985)分析了14个已有的输沙方程，认为河流输沙能力公式不能直接用于坡面流，并在维数分析的基础上提出了一种作为坡度、流量、剪切力和降雨强度的幂函数关系的输沙能力表达式，他们在分析中指出影响输沙能力最重要的两个参数是坡度和流量。Moore等(1986)发现，基于水流单位能量概念的Yang公式既能较好地模拟片流输沙过程，也能对细沟流输沙过程模拟得到较好结果。Govers等(1986)利用不同土壤类型，研究了平面和不规则地块漫流条件下的水流输沙能力，利用水流功率和径流剪切力来计算坡面输沙能力。Nearing等(1997)根据大量室内细沟侵蚀试验数据，提出了侵蚀产沙与水流功率间的关系表达式。雷廷武、Nearing(1998)等人通过计算模拟和实测验证，证实了这一表达式可以作为水流输沙能力方程使用，但尽管其具有良好的表达形态，实际使用中仍需要对不同的土壤类型进行标定，方能给出准确的预报结果。

输沙能力是经典物理模型WEPP(Water Erosion Prediction Project)坡面侵蚀产沙方程中的核心参数。在用传统方法计算模型参数时，因缺乏获取泥沙时空分布数据的方法，常用沟道出口处测量的输沙量作为整个沟段的平均侵蚀量，由此计算得到的参数输入方程后，模拟结果与实际误差较大，不能反映侵蚀过程的时空分布规律。由于试验手段和计算方法的局限，尚不能经试验直接测定与计算输沙能力，在实际使用过程中，需要根据不同土壤颗粒粒级的输沙能力的权重平均值来进行修正，且不同粒级之间的Tc存在差异。因缺乏合理的计算方法，当模拟值与实测值出现差异时，很难辨别误差来自模型本身还是参数选择有误，限制了模型在侵蚀预报中的应用。为了实现土壤侵蚀预报完全建立在物理过程基础上，输沙能力等模型参数应具有明确的物理意义，并能用力学表达式描述或由试验直接测量。

稳定性稀土元素(Rare Earth Elements，简称REE)具有能被土壤颗粒强烈吸附、难溶于水、植物富集有限、有较低的土壤背景值、且分析检测灵敏度高等优势，从而在侵蚀过程研究中显示特有的巨大功能(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)。关于土壤中稀土元素的背景值方面，我国已经进行了大量的研究，积累了丰富的资料(彭安和朱建国，2003)，对于应用稀土元素研究不同土壤类型的土壤侵蚀过程有重要的参考价值。外源稀土进入土壤后，绝大部分在很短的时间内被土壤吸附固定，剩下的稀土只有很少的部分以离子态、可溶性的有机、无机络合态存在于土壤溶液中(彭安和朱建国，2003)。稀土元素可被土壤颗粒强烈吸附，在泥沙输运过程中泥沙颗粒分选不明显，REE氧化物可以与不同粒级土壤团聚体结合，不会改变土壤颗粒和团聚体的物理化学性质，REE是一种鉴别侵蚀泥沙相对来源部位的有效方法。由于植物对稀土元素的富集有限，且跟土壤有很好的吸附性，可将稀土元素化合物与土壤均匀混合后布设于研究地区的不同地形部位，使之在冲刷过程中随径流泥沙一起移动，尔后采集径流泥沙样品，利用中子活化分析方法测定侵蚀泥沙中示踪元素的含量，来探讨坡地水蚀输沙能力的直接测定和定量表达。

发明内容