一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法
【专利摘要】本发明涉及一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，包括REE示踪元素用量及坡面布置步骤以及应用REE浓度计算输沙能力的步骤。本发明方法只需要建立基于稀土元素方法的输沙量和坡长的响应关系，就可以计算得到任意水动力条件下的输沙能力；本发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输沙量，提高了获取具有空间分布特征的输沙量数据的精度和便捷性。
【专利说明】一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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、N earing(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。
[0005] 输沙能力是经典物理模型WEPP (Water Erosion Prediction Pro ject)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。
[0006] 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) 〇 关于土壤中稀土兀素的背 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】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种坡地水蚀输沙能力的定量表达的坡地水 蚀输沙能力的稀土元素示踪方法。
[0008] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示 踪方法，包括以下步骤：
[0009] 第一步：REE示踪元素用量及坡面布置，具体如下：
[0010] 1. 1)选取用于示踪的稀土元素及坡面布置
[0011] 用于坡地水蚀研究的示踪元素，应具有和土壤有较好的结合能力、不溶于水、不易 被植物吸收且不损害生态环境等特征。此外，从方法的精度及试验成本和推广前景考虑，示 踪元素还应具有土壤含量甚微、施加量少且易于识别、精确探测等特征。为此，建议选取的 稀土元素为 Ho(钦），Tb(铽），Eu(铕），Yb(镱），Dy(镝），Sm(钐），La(镧），Tm(铥）， Ce(铈），Nd(钕）十种稀土元素。相应的元素氧化物分别为Ho203，Tb40 7，Eu203，Yb203，Dy 203， Sm203, La203, Tm203, Ce02, Nd203〇
[0012] 选取十种稀土元素后，将坡地的坡面进行布置；
[0013] 1. 2)计算REE的施放浓度：
[0014] 设试验时段内土壤侵蚀总量为W，对应于第i坡段的侵蚀量为1，施放的第i种REE 在总的侵蚀土壤中的浓度q，可根据其施放浓度Q计算为：
[0015]
【权利要求】
1. 一种坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：REE示踪元素用量及坡面布置，具体如下： 1. 1)选取Ho, Tb，Eu，Yb，Dy，Sm，La, Tm，Ce，Nd十种稀土元素，上述十种稀土元素相应 的兀素氧化物分别为 H〇203, Tb407, Eu203, Yb203, Dy203, Sm203, La203, Tm203, Ce02, Nd203 ; 选取十种稀土元素后，将坡地的坡面进行布置； 1. 2)计算REE的施放浓度：设试验时段内土壤侵蚀总量为W，对应于第i坡段的侵蚀量 为I，施放的第i种REE在总的侵蚀土壤中的浓度Ci，可根据其施放浓度Q计算为：
式1中，所述i = 1，2, "·，10鷓为侵蚀土壤中第i种元素的质量；Wi为第i种REE元 素坡段的侵蚀土壤的权重；为第i种元素的背景值； 1. 3)计算REE的施放量：〇 为不同元素的施放倍数，则第i种元素的施放量Ai为：
根据式2方法由元素的施放浓度和相对于背景值的放大倍数计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换算出稀土元素氧化物的施放 量； 1. 4)配置REE施放样：为确保示踪元素在监测点施放的均匀性，将选取的稀土元素 按不同倍数进行逐步稀释，所述La和Ce的稀释倍数为2.5%，其余元素的稀释倍数为 1. 25%，稀释后布直在坡面监测点； 第二步：应用REE浓度计算输沙能力，具体如下： 2. 1)收集坡面全部径流泥沙，测量总的土壤侵蚀量和侵蚀泥沙中不同稀土元素的浓度 Ci，用上述浓度值剔除该元素背景值后乘以全部侵蚀泥沙质量，得到各施放区REE的纯元素 侵蚀量ey从侵蚀泥沙中收集到的所施放的第i种REE元素的量值 ei，与第i段中失去的该 种元素的量1 Q相等，得到：
即第i种元素所在区段的土壤侵蚀量I等于此元素在总土壤侵蚀量W中浓度增量相 对于施放浓度的百分数与总土壤侵蚀量W的乘积； 式3中，Ci为第i种元素所在区段的稀土元素浓度，单位为kg kg4;所述i = 1，2,…，10, 为第i种元素稀土元素背景浓度，单位为kg kg4 ;W为总侵蚀量，单位为kg ; 设试验时段为Λ T，流量q为恒定，对应于第i种REE的区段的输沙量为：
式4中，所述q为单宽流量，单位为m2^ ; 不同坡度及流量下输沙量随沟长的变化复合非线性数学关系： G(x) = A(l-e_0x)(式 5); 式5中：G为输沙量，单位为kg πΓΥ1 ;β为衰减系数；X为沟长,单位为m;A和B为回 归系数； 2. 2)计算输沙能力：公式如下：
式6中，β是输沙量随距离增加其增长幅度衰减的指数，A值代表的是水流达到饱和时 的输沙量，T。代表输沙能力，单位为kg πΓ1 s'系数β为衰减常数。
2. 根据权利要求1所述的坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，其特征在于，在步 骤1. 1)中，所述将坡地的坡面进行布置的具体步骤如下：将所述坡地的坡面分隔成10个等 份的坡段，在每一等份上施放一种元素，分段分别施放上述十种元素进行示踪，自上坡到下 坡的顺序将各区段编上从小到大标号：1，2,…，10。
3. 根据权利要求2所述的坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，其特征在于，施放 所述十种元素时，将价格低的稀土元素放在上坡侵蚀量大处。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的坡地水蚀输沙能力的稀土元素示踪方法，其特征 在于，在步骤1. 4)中，将所述示踪土样逐步进行稀释的具体步骤如下：首先称取按1. 3)步 骤计算得到稀土元素氧化物的施放量，然后将称取得的稀土元素氧化物进行等分，稀土元 素氧化物分为8到10份，将每份稀土元素氧化物均与烘干土混合，用碾钵充分碾磨使之充 分混合均匀，得到示踪土样；然后将所述示踪土样再与烘干土混合逐级进行进一步稀释，逐 步稀释直到配足所需示踪土样，再将配足所需示踪土样布置在坡面监测点。
【文档编号】G01N33/24GK104111318SQ201410340488
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张晴雯, 雷廷武 申请人:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所