不同原料土壤侵蝕磁性示蹤劑的研制及應(yīng)用

胡國慶，張 民，劉 慶，邱現(xiàn)奎，董元杰，*

(1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，國家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心，山東泰安，271018;2濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室)

由降雨及徑流引起的土壤侵蝕是土壤顆粒被分散、剝離、搬運、沉積的過程［1］，并伴隨著土壤中磁性顆粒的分離、遷移和富集。目前，在土壤侵蝕監(jiān)測研究中示蹤法應(yīng)用較多，其中，以137Cs和REE示蹤法操作比較成熟［2］，但是存在受空間分布限制、需要專門儀器和費用高等局限性［3～5］。磁性示蹤法是近年來興起的研究土壤侵蝕的新方法，其原理就是通過測定侵蝕前后土壤的磁化率等磁性參數(shù)，來反映坡面土壤侵蝕及泥沙沉積狀況，具有操作簡便易行、研究結(jié)果精度高和試驗成本低等優(yōu)點［4～6］。

磁性示蹤技術(shù)在1986年就應(yīng)用于研究坡面表層土壤顆粒的運動［7］，但是，直到近幾年，該方法才逐漸得到廣大科研工作者的重視。Caitcheon［8］提出利用天然磁性礦物在泥沙中的相對含量來確定泥沙來源，以及Jong等［9］利用土壤磁化率的變化研究耕作土地長期土壤侵蝕的再分布，為磁性示蹤技術(shù)在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用提供了一定的理論和實踐依據(jù)。Ventura等［6，10］利用聚乙烯和磁鐵礦粉研制了一種人工土壤侵蝕磁性示蹤劑，并用它來研究了坡面的侵蝕和沉積的空間分異特征，開創(chuàng)了利用人工磁性示蹤劑研究土壤侵蝕的新思路;Gennadiev等［11］利用放射性示蹤劑和土壤磁性示蹤劑相結(jié)合，量化了流域不同空間部位土壤侵蝕和沉積速率，驗證了磁性示蹤法在流域大空間尺度范圍內(nèi)應(yīng)用的可行性。在國內(nèi)，董元杰等［12，13］研制了以粉煤灰、水泥等為原料的新型磁性示蹤劑并進行了初步的應(yīng)用研究。結(jié)果表明，利用粉煤灰、水泥制作的人工磁性示蹤劑，可以有效的對磁性背景值較低的土壤進行土壤侵蝕的監(jiān)測研究，從而推動了人工磁性示蹤技術(shù)的發(fā)展。

從目前的關(guān)于土壤侵蝕磁性示蹤技術(shù)的報道來看，人工磁性示蹤劑的研制和應(yīng)用促進了該技術(shù)的發(fā)展，但是也存在一些問題。當(dāng)前所研制的人工磁性示蹤劑雖然解決了土壤磁性背景值低的問題，但其與土壤顆粒運移的同步性還有待于進一步提高［6，12，13］。筆者在前人研究工作的基礎(chǔ)上，制備了3種新型磁性示蹤劑，總結(jié)了示蹤劑的原料配比和加工工藝，并分別通過不同雨強的模擬降雨試驗，研究了3種新型磁性示蹤劑的示蹤效果，以期獲取一種與土壤顆粒同步運移的磁性示蹤劑，為土壤侵蝕的監(jiān)測研究提供簡單、可靠的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1．1 磁性示蹤劑的制作

磁性示蹤劑的主要原料有細土(Fine soil)和粉煤灰(Fly ash)，粘結(jié)劑為膨潤土(Bentonite)和水泥(Cement)，均過篩孔尺寸為0．1 mm細篩(中國標(biāo)準(zhǔn)篩，以下同);磁性調(diào)節(jié)劑為還原性鐵粉，過篩孔尺寸為0．05 mm細篩。普通細土取自位于魯中地區(qū)的碧霞湖小流域坡耕地(過篩孔尺寸為0．1 mm細篩)，為普通棕壤，粉煤灰取自泰安市南關(guān)熱電廠，膨潤土原產(chǎn)地是山東省濰坊市，水泥由泰安市水泥廠生產(chǎn)。磁性示蹤劑采用圓盤造粒法進行制作。圓盤造粒機為小型工業(yè)用造粒設(shè)備，結(jié)構(gòu)主要由直徑為80 cm的圓盤，功率為0．55 kW的電機，調(diào)速器以及支架組成。磁性示蹤劑FS的主要原料為細土，F(xiàn)B和FC的主要原料分別為粉煤灰與膨潤土、粉煤灰與水泥，均按照質(zhì)量比為2∶1的比例進行配制。制作時把原料和磁性調(diào)節(jié)劑(磁性示蹤劑中磁性調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分數(shù)為0．1)按照設(shè)定配方混勻之后放入圓盤，然后，開動機器進行造粒。

1．2 模擬降雨試驗的設(shè)置

模擬降雨試驗采用長寬高為2．0 m×0．5 m×0．4 m的木質(zhì)徑流小區(qū)，坡度為5°，示蹤劑采用全坡面布設(shè)的方式布設(shè)，布設(shè)的質(zhì)量分數(shù)均為0．05，布設(shè)深度為3 cm，布設(shè)FS，F(xiàn)B，F(xiàn)C的木質(zhì)徑流小區(qū)標(biāo)號分別為:a區(qū)，b區(qū)，c區(qū)。模擬降雨采用USA-Norton降雨模擬降雨器，選擇的雨強為30 mm/h和60 mm/h，降雨歷時從產(chǎn)流開始持續(xù)60 min，共降雨6次。降雨開始后的前40 min，每隔5 min，收集1次徑流，并用量筒測量每個時間段的徑流體積，然后，待澄清后分離出泥沙，在105℃條件下將泥沙烘干，用磁鐵將示蹤劑與泥沙分離出來并稱質(zhì)量［6］。

1．3 土壤磁化率的測定

采用SHX-2型磁化率儀對土壤磁化率進行測定，磁化率單位為×10－5SI。

磁性示蹤劑布設(shè)深度對土壤磁化率影響的測定方法:取一定量的示蹤劑布設(shè)質(zhì)量分數(shù)為0．05的土壤放入玻璃燒杯，測定土層深度(示蹤劑的布設(shè)深度)從1 cm增加到15 cm時土壤的磁化率。

示蹤劑布設(shè)質(zhì)量分數(shù)對土壤磁化率影響的測定方法:取一定量風(fēng)干后的土壤分別布設(shè)不同質(zhì)量分數(shù)的磁性示蹤劑，然后測定各布設(shè)質(zhì)量分數(shù)下土壤的磁化率［6］。

模擬降雨徑流小區(qū)坡面磁化率的測定:具體方法是先將坡面均勻的劃分為若干測定單元，然后，啟動SHX-2型磁化率儀，將其探頭直接放在坡面要測定單元的土壤表面，實地測定土壤的磁化率值。在布設(shè)磁性示蹤劑之前測定整個小區(qū)的土壤磁化率背景值，布設(shè)示蹤劑之后再測定整個小區(qū)侵蝕前的土壤磁化率，室內(nèi)模擬降雨之后，待坡面表層土壤曬干后實地測定坡面土壤磁化率。

1．4 數(shù)據(jù)處理

采用Minitab-14和Excel對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 磁性示蹤劑的制作工藝

采用圓盤造粒法制作磁性示蹤劑，制造過程比較簡單。FS的主要原料是粒徑＜0．1 mm的細土，具有良好的成粒性，在制作過程中不加入其它粘結(jié)劑。造粒時，先把一定量的細土和相應(yīng)量的還原性鐵粉混勻，然后把大部分原料倒入造粒機圓盤進行造粒，剩余一少部分原料在造粒過程中調(diào)節(jié)磁性顆粒的成粒度。在圓盤轉(zhuǎn)動過程中，用噴霧器把與原料質(zhì)量比為1∶9的水以霧狀噴入原料。整個造粒過程持續(xù)10～12 min，到預(yù)定時間取出晾干，即得到FS的初始示蹤劑。FB以粉煤灰和膨潤土為原料，按照質(zhì)量比為2∶1的比例將粉煤灰與膨潤土混勻，然后放入圓盤造粒機，在圓盤轉(zhuǎn)動過程中用噴霧器把與原料質(zhì)量比為1∶6的水噴入原料中，轉(zhuǎn)動25～30 min取出晾干，即可得到粒度寬泛的磁性示蹤劑。FC的主要原料是粉煤灰和水泥，原料配比、用水量以及造粒時間與FB相同。FS，F(xiàn)B和FC在造粒過程中噴水要均勻，否則成粒的粒徑過大或過小，另外，要嚴格控制造粒時間，造粒時間過短細顆粒過多，時間過長粗顆粒過多。

成品磁性示蹤劑的制備:首先把初始示蹤劑晾干，然后用不同篩孔尺寸的尼龍篩將其＞2．0，2．0～1．0，1．0～0．5，＜0．5 mm等不同粒徑的磁性示蹤劑篩分開來，根據(jù)土壤的團粒組成(干篩法)來配制成為成品示蹤劑。

2．2 磁性示蹤劑的最佳布設(shè)深度和布設(shè)質(zhì)量分數(shù)的篩選

3種示蹤劑在布設(shè)質(zhì)量分數(shù)均為0．05的情況下，土壤磁化率表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖1)。示蹤劑布設(shè)深度越淺，土壤磁化率值越小，隨著布設(shè)深度的增加，土壤磁化率大幅升高，以布設(shè)深度3 cm為拐點，當(dāng)＞3 cm時土壤磁化率增幅減小，≥5 cm時，土壤磁化率趨于穩(wěn)定。最終布設(shè)FS，F(xiàn)B和FC的土壤磁化率值分別大約200×10－5，180×10－5，250×10－5SI。在進行示蹤劑的布設(shè)時，選擇布設(shè)深度為3 cm是比較理想的，因為在此布設(shè)深度下，土壤磁化率變化比較靈敏。示蹤效果好的磁性示蹤劑所布設(shè)的小區(qū)，在受到降雨侵蝕時被剝蝕的部位土壤磁化率降低，而泥沙沉積的部位土壤磁化率升高?？梢酝ㄟ^坡面土壤磁化率的減小和增大準(zhǔn)確的反映土壤的剝蝕和沉積。

3種示蹤劑在布設(shè)深度都為5 cm時，隨著示蹤劑布設(shè)質(zhì)量分數(shù)的增大，土壤磁化率均逐漸變大(圖2)。在現(xiàn)有磁測儀器的測量精度允許范圍內(nèi)，0．05是比較理想的布設(shè)質(zhì)量分數(shù)，因為在此質(zhì)量分數(shù)下示蹤劑的用量處在較低水平，又能保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在模擬降雨以及自然降雨徑流小區(qū)布設(shè)時，磁性示蹤劑的布設(shè)質(zhì)量分數(shù)均為0．05，布設(shè)深度均為3 cm。

圖1 不同布設(shè)深度下示蹤劑對土壤磁化率的影響

圖2 不同布設(shè)質(zhì)量分數(shù)下示蹤劑對土壤磁化率的影響

2．3 模擬降雨條件下3種磁性示蹤劑的示蹤效果

布設(shè) FS，F(xiàn)B，F(xiàn)C 后木質(zhì)徑流小區(qū)的平均磁化率分別達到210 ×10－5，233 ×10－5和238 ×10－5SI，比供試土壤的磁性背景值70×10－5SI有較大幅度的提高。在坡度均為5°的情況下，分別經(jīng)過30 mm/h和60 mm/h的2個雨強的模擬降雨后，布設(shè)3種磁性示蹤劑的坡面磁化率呈現(xiàn)不同程度的降幅。在30 mm/h雨強時，a區(qū)的磁化率降幅為10．48%，b區(qū)為1．45%，c區(qū)為11．32%;在60 mm/h雨強時，a區(qū)的磁化率降幅達到20．39%，b區(qū)為12．17%，c區(qū)為26．50%。

在30 mm/h雨強時，徑流小區(qū)主要以面蝕為主，坡面頂端為凈侵蝕區(qū)，磁化率應(yīng)以降低為主，中部和坡腳既受到侵蝕又發(fā)生沉積，所以坡面磁化率應(yīng)在總體降低的同時，坡頂至坡腳呈現(xiàn)出上升的趨勢(圖3 a區(qū)FS 30 mm/h，圖3 c區(qū)FC 30 mm/h)。在60 mm/h雨強條件下，坡面仍以面蝕為主，只是隨著雨強的增大，坡面徑流的攜帶能力加大，侵蝕方式正處于由面蝕向溝蝕過渡階段，坡面侵蝕程度:坡腳＞坡頂＞中部。由圖3可見，60 mm/h模擬降雨后3種示蹤劑的坡面磁化率均有較大幅度的降低，a區(qū)和c區(qū)的坡面磁化率的變化趨勢與坡面實際侵蝕情況近似，這說明示蹤劑FS和FC在降雨中與土壤顆粒的運移具有同步性。布設(shè)FB的b區(qū)分別經(jīng)過2個雨強的降雨后，坡面磁化率受雨強的影響，只是比降雨前有不同程度的降低，并未呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。在模擬降雨條件下，3種示蹤劑的坡面磁化率變化說明在降雨中FB與土壤顆粒的運移不同步，F(xiàn)S和FC與土壤顆粒的運移具有同步性。

通過在降雨中對不同時間段內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在相同雨強的模擬降雨中，徑流小區(qū)在相同時間段內(nèi)的產(chǎn)沙量近似，各時間段內(nèi)的泥沙經(jīng)過烘干后分別用磁鐵對示蹤劑進行分離，發(fā)現(xiàn)FS和FB兩種示蹤劑在泥沙中的質(zhì)量分數(shù)均接近于0，只有少量的細鐵粉末，這說明FS和FB兩種示蹤劑遇水崩解，鐵粉被分離出;而在30 mm/h和60 mm/h雨強條件下分離出來的FC與泥沙的質(zhì)量比分別達到0．030 2和0．041 3，接近示蹤劑的布設(shè)質(zhì)量分數(shù)(0．05)，且絕對系數(shù)(R2)分別為0．748 1 和0．873 7(圖4)。

可見FC在降雨中與土壤顆粒的運移同步性達到顯著性相關(guān)(r0．05=0．864 9)，其中，以60 mm/h雨強條件下與土壤顆粒的運移同步性最高，說明雨強大小對示蹤劑的運移有一定影響，在雨強越大的情況下，F(xiàn)C與土壤顆粒的運移同步性越高。另外，由于示蹤劑是按照土壤的團粒組成配制，土壤團粒在降雨侵蝕時會發(fā)生崩解，而FC具有極高的水穩(wěn)性，所以與土壤的團粒組成產(chǎn)生差異，在一定程度上影響了FC與土壤物質(zhì)運移的同步性。a區(qū)和c區(qū)在布設(shè)FS和FC后，坡面磁化率相近，而在經(jīng)過降雨后坡面磁化率下降幅度相近，這也說明FS和FC與土壤物質(zhì)的運移具有一定的同步性。

圖3 經(jīng)過30 mm/h和60 mm/h模擬降雨后的坡面磁化率

圖4 模擬降雨中產(chǎn)沙量與示蹤劑(FC)含量的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

本次研究選擇細土、粉煤灰、水泥、膨潤土作為磁性示蹤劑的主要原料，具有與土壤的物理性狀近似、不會對土壤構(gòu)成污染的優(yōu)點。采用圓盤造粒法制作磁性示蹤劑是一種簡單可行的方法。示蹤劑的配制以細土為主要原料時，造粒過程持續(xù)10～12 min為宜;以粉煤灰與膨潤土、粉煤灰與水泥為主要原料時，均按照質(zhì)量比為2∶1的比例制作，造粒過程持續(xù)25～30 min最佳。造粒過程持續(xù)的時間過長或過短，會造成示蹤劑的粒徑過大或過小。另外，在制作過程中加入磁性調(diào)節(jié)劑(磁性示蹤劑中磁性調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分數(shù)為0．1)后，每種磁性示蹤劑均可大幅度的提高土壤的磁化率。

通過篩選得出，3種磁性示蹤劑的最佳布設(shè)的質(zhì)量分數(shù)為0．05，最佳布設(shè)深度為3 cm。在此條件下，既符合磁測儀器的監(jiān)測精度要求，又能夠達到降低示蹤劑布設(shè)用量的目的。粉煤灰與水泥為主料的示蹤劑的水穩(wěn)性極高，在30 mm/h和60 mm/h的模擬降雨條件下，徑流中磁性示蹤劑的量和泥沙量均呈極顯著性相關(guān)(r0．05=0．864 9 和0．934 7)，其質(zhì)量比分別達到 0．030 2 和 0．041 3，而且雨強越大，磁性示蹤劑與土壤顆粒的運移同步性越高;坡面的磁化率變化可以準(zhǔn)確的反映出坡面的侵蝕、沉積的空間分異特征。因此，粉煤灰與水泥為主料的示蹤劑具有水穩(wěn)性極高的特點，可用于多次降雨坡面侵蝕的連續(xù)監(jiān)測。成品示蹤劑根據(jù)供試土壤的團粒組成配制是可行的，但在小強度降雨時示蹤劑與土壤顆粒運移的同步性降低，可以改進示蹤劑的原料配比，提高示蹤劑與土壤顆粒運移的同步性。

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