黃土高原地區(qū)泥沙來(lái)源復(fù)合指紋示蹤研究進(jìn)展

史瑋玥, 岳 榮, 方怒放

〔1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 信息工程學(xué)院， 北京 100083；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100〕

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，強(qiáng)烈的土壤侵蝕引起土壤養(yǎng)分流失，土地退化和生產(chǎn)力降低，侵蝕所產(chǎn)生的泥沙涌入河道，成為污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要載體[1]。流域作為黃土高原水土保持綜合治理的基本單元，蘊(yùn)含了大量泥沙侵蝕特征和侵蝕環(huán)境信息。在小流域侵蝕產(chǎn)沙系統(tǒng)中，侵蝕泥沙的來(lái)源、類型、時(shí)空分布可以決定流域泥沙輸出的屬性[2]。判別黃土高原流域泥沙來(lái)源成為流域土壤侵蝕和泥沙運(yùn)移研究的重要方面，有助于為黃土高原小流域水土流失綜合治理提供針對(duì)性的管理措施，為水土保持措施的實(shí)施提供理論指導(dǎo)。

指紋識(shí)別技術(shù)示蹤泥沙始于20世紀(jì)70年代。早期使用單因子，采用大氣沉降核素[3-5]、穩(wěn)定同位素[6]、土壤礦物[7]為指紋因子，之后隨著指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，因子種類不斷豐富。例如利用大氣沉降核素(137Cs，7Be，210Pbex)在表土中具有特殊的分布性質(zhì)，在示蹤坡面土壤侵蝕過(guò)程[8-9]、估算土壤侵蝕沉積速率、土壤侵蝕量[10-13]、反演流域侵蝕歷史[14]等研究中具有明顯優(yōu)勢(shì)。單因子指紋識(shí)別技術(shù)雖然應(yīng)用的較多，但具有不確定性：①指紋因子濃度受地貌、土壤、植被、氣候、土地利用等流域環(huán)境因素的影響而具有明顯的差異；②當(dāng)物源數(shù)量增多時(shí)，指紋因子濃度不能在物源間表現(xiàn)出顯著差異，即在多物源情況下，單指紋因子已經(jīng)不具備判別能力；③土壤侵蝕的方式不一，泥沙輸移路徑方式的復(fù)雜性和不確定性，也降低了單指紋因子的識(shí)別能力；④指紋判別能力的差異以及在泥沙中保存性能的差異，使得不同元素示蹤得出的結(jié)果差異較大。因而，采用復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)，通過(guò)因子篩選確定最優(yōu)因子組，再結(jié)合多變量線性混合模型，計(jì)算各潛在源地的泥沙貢獻(xiàn)比，可使指紋識(shí)別技術(shù)的可信度和準(zhǔn)確度得到大幅提高。

1 理論基礎(chǔ)

泥沙來(lái)源復(fù)合指紋示蹤技術(shù)，是以地表物質(zhì)內(nèi)所含的各種物質(zhì)指標(biāo)為指紋識(shí)別因子，選擇由多因子指紋組合替代單指紋因子，結(jié)合多變量線性混合模型，定量計(jì)算不同泥沙物源區(qū)輸沙貢獻(xiàn)的技術(shù)方法。流域內(nèi)的土壤、植被、地質(zhì)、地貌以及土地利用、農(nóng)作物管理措施共同影響泥沙運(yùn)移，構(gòu)建流域內(nèi)泥沙來(lái)源的時(shí)間、空間分布格局[2]。在一個(gè)流域內(nèi)，地質(zhì)上的相異性是導(dǎo)致地表物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的內(nèi)部因素，而一些外部因素如地貌變化、土地利用、地表侵蝕會(huì)直接影響含沙流的運(yùn)移路徑和方式，從而使地表物質(zhì)的物理化學(xué)等各種性質(zhì)差異進(jìn)一步加強(qiáng)，最終在流域出口泥沙中，使得指紋因子在含量、種類上顯現(xiàn)出差異[15]。指紋示蹤技術(shù)就是通過(guò)以上內(nèi)部聯(lián)系，再建立質(zhì)量平衡模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥沙來(lái)源的定量分?jǐn)偂?/p>

2 各因子研究進(jìn)展

應(yīng)用指紋因子示蹤泥沙來(lái)源包括幾個(gè)前提條件[16]：首先指紋因子要有保存性，在泥沙運(yùn)移過(guò)程中不受其他因素的影響而發(fā)生變化；其次所使用的指紋因子要有判別能力，在各泥沙來(lái)源區(qū)之間差異性顯著；最后所應(yīng)用的定量模型要有估算流域內(nèi)各泥沙來(lái)源區(qū)對(duì)流域產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)能力。目前來(lái)說(shuō)，黃土高原地區(qū)所用于示蹤泥沙來(lái)源的指紋因子，按性質(zhì)主要分為3大類，分別為物理性質(zhì)類屬性(土壤粒徑分布、顆粒形態(tài)、顏色等)、化學(xué)性質(zhì)類屬性(放射性核素、無(wú)機(jī)元素、礦物成分、土壤磁性等)、生物性質(zhì)類屬性(有機(jī)組分、有機(jī)化合物、生物標(biāo)志物、穩(wěn)定性同位素等)，表1概括了當(dāng)前黃土高原地區(qū)運(yùn)用復(fù)合指紋示蹤技術(shù)判別泥沙來(lái)源的大概進(jìn)展，同時(shí)總結(jié)了黃土高原地區(qū)所使用的各指紋因子的特性及研究進(jìn)展。

2.1 土壤物理性質(zhì)

泥沙顏色、形態(tài)、粒度都可以作為指紋識(shí)別因子。在早期的研究中，Grimshaw和Lewin[17]通過(guò)泥沙顏色，對(duì)沉積泥沙來(lái)源進(jìn)行判別。Boer和Crosby[18]利用SEM/EDS(掃描電子顯微鏡/能量色散光譜分析法)，將黏土類的顆粒形態(tài)作為示蹤因子，判別了流域兩種表層土壤來(lái)源。Pulley等[19]利用土壤磁性和顏色作為示蹤劑對(duì)沉積物來(lái)源進(jìn)行比較，得出顏色適用于追蹤歷史沉積物來(lái)源。在黃土高原地區(qū)，王曉[20]采用粒度分析法對(duì)小流域泥沙來(lái)源進(jìn)行分析，得到了黃土高原砒砂巖區(qū)小流域泥沙主要來(lái)源是溝谷地。安正鋒[21]、彌智娟[22]除了將所有理化屬性指標(biāo)作為指紋因子進(jìn)行分析外，還將泥沙各個(gè)粒徑區(qū)間和特征粒徑作為識(shí)別因子共同進(jìn)行分析，得到了砂巖是皇甫川流域典型淤地壩攔截泥沙主要貢獻(xiàn)區(qū)。由于泥沙的輸移具有顆粒的分選性，細(xì)沙又有團(tuán)聚和分散作用，并且伴隨土壤發(fā)生的化學(xué)變化，導(dǎo)致泥沙顏色具有極大的不穩(wěn)定性。因而，單一物理性質(zhì)因子在實(shí)際應(yīng)用中受到許多限制。

2.2 核素因子

核素指紋因子主要為天然放射性核素(137Cs，7Be，210Pbex，226Ra，232Th等)。20世紀(jì)60年代初，Menzel[23]研究了放射性核素的運(yùn)移和土壤侵蝕的關(guān)系，而后Walling和Woodward[24]利用137Cs，210Pb，226Ra這3種核素，結(jié)合有機(jī)碳氮、磁性組成復(fù)合指紋，證明了復(fù)合指紋識(shí)別在大尺度流域內(nèi)確定沉積物來(lái)源的應(yīng)用潛力。Schuller等[25]利用137Cs，210Pb，226Ra，40K、土壤有機(jī)質(zhì)構(gòu)成復(fù)合指紋，研究了林業(yè)作業(yè)背景下細(xì)顆粒泥沙主要來(lái)源。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代，張信寶等[26]在羊道溝開展了黃土高原小流域泥沙來(lái)源的137Cs法研究，判別梁峁坡和溝壑區(qū)的相對(duì)來(lái)沙量，得出了溝道區(qū)為泥沙主要來(lái)源地。楊明義等[27]、李少龍等[28]以及楊明義和徐龍江[29]在黃土高原地區(qū)用放射性核素進(jìn)行了泥沙示蹤研究，同時(shí)證明了復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)在黃土高原地區(qū)用于識(shí)別泥沙來(lái)源的可行性。

放射性核素作為識(shí)別因子，在較大尺度有較多優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用較多的核素如137Cs(半衰期30.1 a)，它是核試驗(yàn)的產(chǎn)物，在20世紀(jì)60年代達(dá)到頂峰，之后由于禁止核試驗(yàn)，137Cs在土壤中的含量會(huì)隨著時(shí)間的推移衰變或侵蝕掉，失去示蹤能力[30]；而7Be半衰期只有53.3 d，只能在次降雨短期內(nèi)進(jìn)行示蹤，受時(shí)間尺度影響很大[31]。

2.3 地球化學(xué)性質(zhì)

地球化學(xué)組成分為主要元素(Na，Mg，Ca，K，F(xiàn)e，Al等)、微量元素(Ba，As，Cr，Zn，Co，Cs，Ag，Cd，Cu，Mn，Ni，Pb，Sb，Se，V，Hf等)、稀土元素(REE)(Ce，Eu，La，Lu，Sm，Tb，Yb等)，目前已廣泛被用于沉積物來(lái)源示蹤和重建歷史沉積物來(lái)源。不同的母巖構(gòu)成，則直接影響空間來(lái)源的地球化學(xué)元素含量，可以用于各類母巖發(fā)育下土壤類型區(qū)泥沙來(lái)源判別；在相同母巖類型區(qū)，成土過(guò)程由于風(fēng)化作用、淋溶作用、土地利用、植被覆蓋等影響，地球化學(xué)組成同樣存在差異。1997年，Collins等[32]利用漫灘沉積物中的地化元素作為指示劑，重建兩個(gè)流域盆地沉積物來(lái)源的變化。范立杰[33]利用地化元素研究皇甫川壩控小流域泥沙來(lái)源，得到裸巖是主要的泥沙貢獻(xiàn)區(qū)，占到39.7%。

Knaus和Gent[34]指出最好的穩(wěn)定示蹤劑應(yīng)該是和土壤緊密結(jié)合、對(duì)生物無(wú)害、隨水遷移能力弱、背景值較低。稀土元素(REE)正是這樣一種理想的示蹤物質(zhì)，其容易被土壤顆粒強(qiáng)烈吸附，與土壤有較高的親和力，利用中子活化分析檢測(cè)時(shí)，靈敏度高，簡(jiǎn)單易行[35-37]；而且REE間具有相似的化學(xué)性質(zhì)，利用稀土元素進(jìn)行研究，可以消除元素之間化學(xué)性質(zhì)差異而引起的試驗(yàn)誤差[38]。

在黃土高原地區(qū)，石輝等[38]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，首次將REE示蹤法引入泥沙來(lái)源研究，表明REE示蹤法可以得到較滿意結(jié)果。薛亞洲等[39]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕嚴(yán)重區(qū)主要集中在坡面下部的三分之一區(qū)域，產(chǎn)沙量幾乎占到坡面產(chǎn)沙量的100%。魏霞等[40]利用REE示蹤技術(shù)，在室內(nèi)利用坡溝系統(tǒng)模型，對(duì)黃土高原坡溝系統(tǒng)侵蝕泥沙來(lái)源問(wèn)題進(jìn)行研究。目前黃土高原已有的REE示蹤多數(shù)局限在室內(nèi)模擬，在流域尺度上還未見報(bào)道。

2.4 土壤磁性

原生鐵通過(guò)一系列生物化學(xué)作用生成次生磁礦物，性質(zhì)穩(wěn)定，在土壤中的保存性能強(qiáng)。大尺度范圍內(nèi)，不同區(qū)域磁性礦物的分布具有明顯的差異性，其種類、含量和賦存方式主要受到成巖過(guò)程和地質(zhì)構(gòu)造所影響，小尺度范圍內(nèi)，植被覆蓋、土地利用等微地貌的差異，也使磁性礦物具有差異性[41]。在土壤空間剖面分布上，表層土壤磁性強(qiáng)度高，以超順磁性顆粒為主[42]。沉積物磁性繼承了其來(lái)源物質(zhì)的屬性，沉積物來(lái)源不同，其磁性礦物成分、含量、顆粒度也不同，所以他們的磁性特征如磁化率、飽和剩磁、矯頑力等就有差別，將它們和周圍可能的來(lái)源區(qū)泥沙磁性作對(duì)比，就可以得出各種沉積泥沙的準(zhǔn)確來(lái)源[41]。土壤磁性作為示蹤因子，有兩大優(yōu)勢(shì)：一是連續(xù)性好、分辨率高、有效記錄了氣候、人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響；二是磁參數(shù)的測(cè)量簡(jiǎn)單快速、無(wú)破壞性。經(jīng)過(guò)磁參數(shù)測(cè)試后，還可以進(jìn)行核素，地球化學(xué)分析，也可以迅速與其他指紋因子相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)合示蹤。20世紀(jì)70年代，Oldfield等[43]最早利用質(zhì)量磁化率、飽和等溫剩磁，剩磁矯頑力等磁性參數(shù)識(shí)別了河流中懸浮泥沙來(lái)源。80年代末90年代初，Yu和Oldfield[44]、俞立中[45]等說(shuō)明了沉積物來(lái)源組成定量分析的磁診斷模型，利用磁信息對(duì)沉積物來(lái)源組成的定量計(jì)算。董元杰和史衍璽[46]利用磁性示蹤法對(duì)坡面土壤侵蝕進(jìn)行了探討，認(rèn)為其是一種行之有效的方法。賈松偉和韋方強(qiáng)[47]利用土壤磁性特征在蔣家溝流域研究沉積物的來(lái)源，表明滑坡體堆積物是泥石流沉積物的主要來(lái)源。在黃土高原小流域研究中，趨磁細(xì)菌[48]、碳酸鹽淋溶[49]、作物覆蓋燃燒[50]、有機(jī)質(zhì)和土壤粒徑大小[51]對(duì)土壤磁化率的影響也不容忽視，目前在黃土高原，大多數(shù)學(xué)者如Zhao等[52]、王永吉[53]是把磁性因子和其他因子結(jié)合，采用復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)判別泥沙來(lái)源。

2.5 土壤有機(jī)組分、穩(wěn)定同位素和孢粉因子

土壤有機(jī)組分是構(gòu)成土壤有機(jī)質(zhì)的基本元素，是碳、氮生物循環(huán)的重要組成物質(zhì)。近年來(lái)，許多研究者將土壤有機(jī)組分作為指紋因子，在黃土高原小流域進(jìn)行沉積土壤有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳和沉積泥沙來(lái)源判別，得到了比較好的效果。Liu等[54]利用13C和放射性同位素(137Cs和210Pbex)，以及C/N來(lái)定性和定量地識(shí)別有機(jī)碳來(lái)源。張瑋[55]，Zhang等[56]將土壤有機(jī)質(zhì)，TN，TP，TK和其他指紋因子復(fù)合，得到了農(nóng)耕地、裸地是主要的泥沙來(lái)源區(qū)。然而，有機(jī)碳的含量隨時(shí)會(huì)受到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的制約[57]，種植系統(tǒng)和輪作次序的不同，會(huì)使土壤有機(jī)質(zhì)在土壤剖面分布產(chǎn)生差異[58]，農(nóng)作物和樹種枯落物在壩地堆積以及施加氮肥、磷肥、有機(jī)肥也會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的富集和分解。所以，判別泥沙來(lái)源時(shí)，一般多是將土壤有機(jī)質(zhì)、全碳、全氮等與其他因子復(fù)合，很少單獨(dú)使用。

碳、氮穩(wěn)定同位素(δ13C，δ15N)作為土壤重要組成部分，其代表碳庫(kù)和氮庫(kù)的土壤有機(jī)質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中扮演了重要角色。δ13C受地面植被種類，土壤顆粒大小和土壤深度的影響而表現(xiàn)出差異性。δ15N是15N和14N的比值，表面土壤的δ15N來(lái)自腐爛植被和植物根部的有機(jī)物質(zhì)的輸送，反映了泥沙物源區(qū)的植被覆蓋類別和土地管理措施的特點(diǎn)。Mukundan等[59]在南皮埃蒙特流域?qū)?1種示蹤劑進(jìn)行測(cè)試，得出137Cs和15N是識(shí)別流域潛在沉積物來(lái)源的最佳示蹤劑，并表明δ15N作為一種獨(dú)特示蹤劑，可以區(qū)分不同來(lái)源地的土壤。Papanicolaou等[60]在帕盧斯河流域利用δ15C,δ15N和C/N識(shí)別森林和農(nóng)業(yè)用地土壤，得到了氮穩(wěn)定同位素和C/N是可靠的指紋識(shí)別因子。Blake等[61]使用單體同位素分析法在農(nóng)業(yè)小流域辨別了不同泥沙來(lái)源。黃土高原地區(qū)，安正峰[21]利用穩(wěn)定碳、氮同位素作為復(fù)合指紋因子在黃土高原多沙粗沙區(qū)小流域進(jìn)行產(chǎn)沙來(lái)源判別，得到了砂巖是主要的泥沙來(lái)源。干旱、氣候變化、海拔、以及施肥會(huì)對(duì)碳氮同位素產(chǎn)生重大影響[60]，在利用碳氮同位素時(shí)，必須重點(diǎn)注意如氣侯條件、海拔高度、緯度等改變沉積物穩(wěn)定同位素組成的因素。

孢粉是孢子植物的孢子和種子植物的花粉，質(zhì)輕量多，散布極遠(yuǎn)，性質(zhì)比較穩(wěn)定。1985年，Brown[62]首次論證了孢粉在判別沉積泥沙來(lái)源中的潛在用途。何永彬等[63]利用137Cs示蹤技術(shù)和孢粉分析法，對(duì)喀斯特峰叢草地洼地泥沙沉積進(jìn)行研究。在黃土高原地區(qū)，張信寶等[64]在陜北吳起縣周灣水庫(kù)利用孢粉進(jìn)行示蹤，得到了坡地和草地土壤不是沉積泥沙的主要來(lái)源孢粉濃度的變化受到季節(jié)、花粉生產(chǎn)力、花粉的耐腐蝕性以及花粉顆粒的分散度影響較大；在采樣過(guò)程中，采樣點(diǎn)和散播花粉植被的距離也會(huì)對(duì)孢粉濃度產(chǎn)生影響，還有關(guān)于孢粉的運(yùn)輸方式和儲(chǔ)存過(guò)程還尚在研究中，并不成熟[62]，在黃土高原地區(qū)使用孢粉示蹤的相關(guān)研究還相對(duì)較少。

2.6 生物標(biāo)志物

生物標(biāo)志物(由C，H及其他元素組成的復(fù)雜有機(jī)物質(zhì))存在于沉積物或巖石中，在演化過(guò)程中記載了原始生物母質(zhì)碳骨架的特殊分子結(jié)構(gòu)信息。目前來(lái)說(shuō)研究范圍主要在類脂物分子、烷烴、非烴類的酸、醇、酯等。2008年，Gibbs[65]首次利用對(duì)植物的天然生物標(biāo)志物(脂肪酸)的同位素分析，得到了不同土地利用下的物源區(qū)對(duì)河口沉積物的貢獻(xiàn)。陳方鑫等[66]利用生物標(biāo)志物(正構(gòu)烷烴)與其他理化性質(zhì)作為復(fù)合指紋因子，在黃土丘陵區(qū)判別沉積泥沙來(lái)源，得到了溝壁是主要泥沙來(lái)源區(qū)的結(jié)論。Liu等[67]利用烷烴生物標(biāo)記、碳氮同位素和有機(jī)組分對(duì)土壤有機(jī)物來(lái)源進(jìn)行示蹤，得到了農(nóng)田是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源。生物標(biāo)志物與地質(zhì)條件關(guān)系不大，與土地利用關(guān)系密切，生物標(biāo)志物示蹤就可應(yīng)用在土壤質(zhì)地較為均一的區(qū)域。

2.7 光譜法示蹤

紅外光譜示蹤法是將紅外光譜作為指紋示蹤因子，借助化學(xué)計(jì)量法對(duì)紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和特征提取，建立定量模型，對(duì)泥沙來(lái)源進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。紅外光譜示蹤法原理在于物質(zhì)在紅外光譜范圍的吸收峰為基頻、倍頻與合頻吸收，不同化合物有其特異的紅外吸收光譜，其譜帶的強(qiáng)度、位置、形狀及數(shù)目均與化合物及其狀態(tài)有關(guān)。Poulenard等[68]初次嘗試使用漫反射紅外光譜示蹤河流懸浮沉積物來(lái)源并取得了理想的結(jié)果。先后有學(xué)者利用可見光譜在盧森堡[69]和法國(guó)[70]，紫外可見光譜[71]和近紅外光譜[72]在巴西南部，可見近紅外光譜在盧森堡[73]，中紅外在法國(guó)[74]開展泥沙來(lái)源的研究。在進(jìn)行光譜法示蹤研究建模時(shí)，一般選用偏最小二乘法基于不同源地配比的混合樣構(gòu)建模型，再把目標(biāo)樣品帶入模型中，計(jì)算目標(biāo)樣品來(lái)源及比例[68-69]。紅外光譜技術(shù)具有樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、快速、高效、等優(yōu)勢(shì)，受到較多關(guān)注，但是在黃土高原地區(qū)尚未見報(bào)道。

3 混合模型

數(shù)值混合模型的應(yīng)用，使得各潛在泥沙源地泥沙貢獻(xiàn)率得到量化[75]。1986年，Thompson[76]在研究如何通過(guò)找到最佳的原樣組合來(lái)解釋所調(diào)查沉積物的磁特性時(shí)，通過(guò)建立m個(gè)線性方程組來(lái)求解這類混合問(wèn)題。之后在1989年，Yu和Oldfield[44]采用多元回歸分析法對(duì)各種磁參數(shù)建立的回歸方程進(jìn)行分析，通過(guò)得到的線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模式，對(duì)沉積物來(lái)源組成進(jìn)行定量分析。1993年，Walling等[77]提出了一種更為簡(jiǎn)單的方法，避免了建立經(jīng)驗(yàn)混合模型方程，其混合模型的基本表述為：

(1)

式中：Ci——泥沙樣指紋因子 的濃度；Xj——泥沙源地j的泥沙貢獻(xiàn)率；Sji——源地j中指紋因子i的平均濃度；m——潛在泥沙源地?cái)?shù)量。下同。

表1 黃土高原地區(qū)復(fù)合指紋示蹤研究概況

Walling等通過(guò)引入數(shù)據(jù)分析優(yōu)化模型使得各源地的泥沙貢獻(xiàn)率更接近實(shí)際情況，通過(guò)找到各源地的泥沙貢獻(xiàn)率，使模擬的指紋因子屬性值和實(shí)際屬性值的相對(duì)誤差平方和最小，模型如下：

(2)

1997年，Collins等[84]在模型中加入有機(jī)質(zhì)和土壤粒徑校正因子，后來(lái)在Collins[85]的修正模型中，還加入了指紋因子判別權(quán)重。2006年，Landwehr和Gellis[86]在確定源地對(duì)河流樣品相對(duì)來(lái)源貢獻(xiàn)時(shí)，通過(guò)潛在來(lái)源地中示蹤因子濃度的方差的均方根使模型數(shù)值結(jié)果最小化。2009年，Gellis等[87]將Landwehr模型進(jìn)行改良。Landwehr模型的獨(dú)特之處在于該模型公式使一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，并不受示蹤因子濃度直接影響，所以，當(dāng)示蹤因子的濃度非常小或者接近于0時(shí)，這個(gè)模型就顯得特別有用[88]。Huges等[89]采用蒙特卡羅混合模型來(lái)預(yù)測(cè)各個(gè)來(lái)源對(duì)河道和漫灘沉積泥沙的相對(duì)貢獻(xiàn)，Huges模型是對(duì)Olley和Caitcheon[90]所概述的方法進(jìn)行修改，模擬蒙特卡羅隨機(jī)抽樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)隨機(jī)迭代程序，從而將模型的結(jié)果失誤最小化。Huges模型與Collins模型最大的不同之處在于Huges模型是直接用來(lái)源地收集的土壤樣的測(cè)量值進(jìn)行分析計(jì)算，而Collins模型則是使用每個(gè)特定來(lái)源類型的示蹤因子的平均值[91]。Motha等[92]提出的模型是基于模型與沉積泥沙中指紋因子濃度之間相對(duì)誤差的均方根。而Walden等[93]所提出的模型是在Thompson基本模式下演變而來(lái)。表2列出了幾種模型及其修正結(jié)構(gòu)。

在黃土高原地區(qū)，由于黃土質(zhì)地較為均一和侵蝕泥沙中較低的有機(jī)質(zhì)含量，目前運(yùn)用最多的是Walling的模型。

表2 幾種混合模型及其修正形式

注：式中:Ci為泥沙中指紋因子i的濃度；Xj為源地j的相對(duì)產(chǎn)沙率；l為蒙特卡羅迭代次數(shù)；Sji為源地j中指紋因子i的平均濃度；VARji為源地j指紋因子i的方差；m為泥沙潛在源地?cái)?shù)；n為指紋因子數(shù)。下同。

4 算法運(yùn)用

目前在黃土高原地區(qū)，研究者在利用混合模型求解時(shí)，大多用到的算法有兩種，一是最小二乘法，二是遺傳算法[94]。在泥沙沉積物來(lái)源判別中，1999年，Owens等[95]使用最小二乘法在英國(guó)約克郡河灣流域判別成沉積物來(lái)源及其歷史變化。在黃土高原地區(qū)，趙恬茵[70]、薛凱[72]、王永吉[53]研究人員在求解多元混合模型時(shí)大多都使用最小二乘法，取得了較滿意的研究結(jié)果。首次將遺傳算法運(yùn)用在泥沙示蹤方面是Collins等[96]在英格蘭南部的皮德爾河上游利用地球化學(xué)元素并結(jié)合遺傳算法研究農(nóng)田侵蝕沉積物來(lái)源，同時(shí)將傳統(tǒng)的優(yōu)化算法和遺傳算法作了比較。在黃土高原地區(qū)研究中，Chen等[79-80]利用遺傳算法來(lái)預(yù)測(cè)泥沙來(lái)源貢獻(xiàn)，取得了較好的研究成果。

5 不確定性分析

混合模型是基于兩個(gè)基本的假設(shè)，即源示蹤指紋因子的時(shí)空同質(zhì)性，土壤屬性和泥沙屬性兩者可以相互比較；沉積物在輸移過(guò)程中，指紋因子具有保守性。這樣的假設(shè)，使得這種方法具有內(nèi)在的不確定性[97]。Martínezcarreras等[98]指出，導(dǎo)致這種不確定性的原因可有： ①泥沙潛在來(lái)源的數(shù)量和性質(zhì)通常是假定的，用于示蹤來(lái)源的指紋因子可能在時(shí)間和空間上發(fā)生變異； ②同時(shí)在泥沙輸移過(guò)程中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，發(fā)生沿程形態(tài)轉(zhuǎn)變； ③物源區(qū)和河道之間聯(lián)系并不明確； ④不同來(lái)源的泥沙是否混合均勻； ⑤線性疊加關(guān)系假設(shè)不一定都滿足。所以在對(duì)泥沙來(lái)源復(fù)合指紋示蹤研究時(shí)，需要進(jìn)行不確定性分析。

Motha等[92]，Collins和Walling[99]都使用模擬蒙特卡羅隨機(jī)抽樣法，根據(jù)每個(gè)源類型的每個(gè)指紋屬性的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)構(gòu)建累積正態(tài)分布，從而確定示蹤劑屬性的平均值范圍來(lái)描述一個(gè)特定的來(lái)源，在置信限度內(nèi)估計(jì)每一種源類型對(duì)每個(gè)泥沙樣品的相對(duì)貢獻(xiàn)。Chen等[80]在黃土高原埝堰溝流域內(nèi)進(jìn)行泥沙來(lái)源判別時(shí)，通過(guò)模擬5 000次蒙特卡羅抽樣結(jié)合遺傳算法，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，用每個(gè)數(shù)據(jù)集的均值表示貢獻(xiàn)率。

擬合優(yōu)度最初由Motha提出，用懸浮沉積物的每一種示蹤物的計(jì)算值和實(shí)際值之間的相對(duì)差異來(lái)衡量[92]，一般當(dāng)擬合優(yōu)度值大于0.8時(shí)，其結(jié)果精確度才會(huì)被接受[99]。具體的計(jì)算方法如下：

(6)

式中：n——指紋識(shí)別因子數(shù)量。

6 關(guān)于復(fù)合指紋技術(shù)在黃土高原地區(qū)使用的一些建議

選用不同指紋因子時(shí)，首先要注重流域尺度問(wèn)題。因黃土質(zhì)地較為均一，在較小尺度，地球化學(xué)元素差異可能較小，不適宜做示蹤研究。但是黃土有垂直分布，馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土組成差異明顯，假如侵蝕泥沙來(lái)源于不同黃土，則地球化學(xué)元素又可以作為指紋因子。放射性核素適用于耕作侵蝕/坡面侵蝕研究，而對(duì)于溝蝕下切較深部位，放射性核素是不能用來(lái)計(jì)算泥沙來(lái)源的，故而在黃土高原小流域/流域尺度不建議使用放射性核素進(jìn)行泥沙來(lái)源研究，但是在沉積物斷代、區(qū)分溝蝕/面蝕等非定量研究上，可以使用放射性核素作為參考。生物標(biāo)志物作為指紋因子可以表征土地利用，結(jié)合同位素技術(shù)具有較大應(yīng)用前景，但是黃土高原大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)過(guò)程使得土地利用發(fā)生較大變化，在選用指紋因子和確定泥沙源地時(shí)，應(yīng)考慮植被變化對(duì)生物標(biāo)志物的影響，且對(duì)有機(jī)質(zhì)在土壤中的分解、輸移、物質(zhì)守恒需要有一定的理解。總體來(lái)說(shuō)指紋因子的選擇取決于研究地點(diǎn)、研究尺度、研究目的以及對(duì)各類示蹤劑理化性質(zhì)的了解上，好的指紋因子保守性要強(qiáng)，在各潛在來(lái)源之間可以明顯區(qū)別、性質(zhì)穩(wěn)定，在水沙輸移過(guò)程中，變異程度小或者在可接受范圍內(nèi)。此外還應(yīng)該考慮時(shí)間、價(jià)格、試驗(yàn)難易程度等。例如稀土元素REE、生物標(biāo)志物因子測(cè)定價(jià)格較高，137Cs示蹤測(cè)試耗時(shí)較長(zhǎng)等，都是需要考慮的因素。

近20 a來(lái)，復(fù)合指紋識(shí)別泥沙來(lái)源技術(shù)在黃土高原地區(qū)發(fā)展迅速，目前黃土高原地區(qū)還是以探討指紋因子應(yīng)用研究為主，在混合模型矯正，多方法比較，指紋因子守恒，泥沙顆粒和有機(jī)質(zhì)影響等方面的研究還有所欠缺。為更好地應(yīng)用復(fù)合指紋示蹤技術(shù)，從采樣到數(shù)據(jù)處理，從因子選擇到模型驗(yàn)證，應(yīng)當(dāng)通過(guò)大量的研究形成一套規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)程序，確保其對(duì)泥沙來(lái)源研究能提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。