胡國慶，張 民，劉 慶，邱現(xiàn)奎，董元杰，*

(1山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，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研究中心，山東泰安，271018;2濱州學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，來反映坡面土壤侵蝕及泥沙沉積狀況，具有操作簡便易行、研究結果精度高和試驗成本低等優(yōu)點［4～6］。

磁性示蹤技術在1986年就應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，為磁性示蹤技術在土壤侵蝕研究中的應用提供了一定的理論和實踐依據。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應用的可行性。在國內，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用研究。結果表明，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的發(fā)展。

從目前的關于土壤侵蝕磁性示蹤技術的報道來看，人工磁性示蹤劑的研制和應用促進了該技術的發(fā)展，但是也存在一些問題。當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上，制備了3種新型磁性示蹤劑，總結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(中國標準篩，以下同);磁性調節(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熱電廠，膨潤土原產地是山東省濰坊市，水泥由泰安市水泥廠生產。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)用造粒設備，結構主要由直徑為80 cm的圓盤，功率為0．55 kW的電機，調速器以及支架組成。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，均按照質量比為2∶1的比例進行配制。制作時把原料和磁性調節(jié)劑(磁性示蹤劑中磁性調節(jié)劑的質量分數為0．1)按照設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的木質徑流小區(qū)，坡度為5°，示蹤劑采用全坡面布設的方式布設，布設的質量分數均為0．05，布設深度為3 cm，布設FS，F(xiàn)B，F(xiàn)C的木質徑流小區(qū)標號分別為: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質量分數為0．05的土壤放入玻璃燒杯，測定土層深度(示蹤劑的布設深度)從1 cm增加到15 cm時土壤的磁化率。

示蹤劑布設質量分數對土壤磁化率影響的測定方法:取一定量風干后的土壤分別布設不同質量分數的磁性示蹤劑，然后測定各布設質量分數下土壤的磁化率［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，布設示蹤劑之后再測定整個小區(qū)侵蝕前的土壤磁化率，室內模擬降雨之后，待坡面表層土壤曬干后實地測定坡面土壤磁化率。

1．4 數據處理

采用Minitab-14和Excel對數據進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

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劑。造粒時，先把一定量的細土和相應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節(jié)磁性顆粒的成粒度。在圓盤轉動過程中，用噴霧器把與原料質量比為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，在圓盤轉動過程中用噴霧器把與原料質量比為1∶6的水噴入原料中，轉動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深度和布設質量分數的篩選

3種示蹤劑在布設質量分數均為0．05的情況下，土壤磁化率表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖1)。示蹤劑布設深度越淺，土壤磁化率值越小，隨著布設深度的增加，土壤磁化率大幅升高，以布設深度3 cm為拐點，當＞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時，選擇布設深度為3 cm是比較理想的，因為在此布設深度下，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確的反映土壤的剝蝕和沉積。

3種示蹤劑在布設深度都為5 cm時，隨著示蹤劑布設質量分數的增大，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，0．05是比較理想的布設質量分數，因為在此質量分數下示蹤劑的用量處在較低水平，又能保證測定結果的準確性。因此，在模擬降雨以及自然降雨徑流小區(qū)布設時，磁性示蹤劑的布設質量分數均為0．05，布設深度均為3 cm。

圖1 不同布設深度下示蹤劑對土壤磁化率的影響

圖2 不同布設質量分數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 FS，F(xiàn)B，F(xiàn)C 后木質徑流小區(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，分別經過30 mm/h和60 mm/h的2個雨強的模擬降雨后，布設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FB的b區(qū)分別經過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的產流產沙量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在相同雨強的模擬降雨中，徑流小區(qū)在相同時間段內的產沙量近似，各時間段內的泥沙經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量分數均接近于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與泥沙的質量比分別達到0．030 2和0．041 3，接近示蹤劑的布設質量分數(0．05)，且絕對系數(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(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生差異，在一定程度上影響了FC與土壤物質運移的同步性。a區(qū)和c區(qū)在布設FS和FC后，坡面磁化率相近，而在經過降雨后坡面磁化率下降幅度相近，這也說明FS和FC與土壤物質的運移具有一定的同步性。

圖3 經過30 mm/h和60 mm/h模擬降雨后的坡面磁化率

圖4 模擬降雨中產沙量與示蹤劑(FC)含量的相關性

3 結論與討論

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節(jié)劑(磁性示蹤劑中磁性調節(jié)劑的質量分數為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的質量分數為0．05，最佳布設深度為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(r0．05=0．864 9 和0．934 7)，其質量比分別達到 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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