不同原料土壤侵蚀磁性示踪剂的研制及应用

胡国庆，张 民，刘 庆，邱现奎，董元杰，*

(1山东农业大学资源与环境学院，土肥资源高效利用国家工程实验室，国家缓控释肥工程技术研究中心，山东泰安，271018;2滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室)

由降雨及径流引起的土壤侵蚀是土壤颗粒被分散、剥离、搬运、沉积的过程［1］，并伴随着土壤中磁性颗粒的分离、迁移和富集。目前，在土壤侵蚀监测研究中示踪法应用较多，其中，以137Cs和REE示踪法操作比较成熟［2］，但是存在受空间分布限制、需要专门仪器和费用高等局限性［3～5］。磁性示踪法是近年来兴起的研究土壤侵蚀的新方法，其原理就是通过测定侵蚀前后土壤的磁化率等磁性参数，来反映坡面土壤侵蚀及泥沙沉积状况，具有操作简便易行、研究结果精度高和试验成本低等优点［4～6］。

磁性示踪技术在1986年就应用于研究坡面表层土壤颗粒的运动［7］，但是，直到近几年，该方法才逐渐得到广大科研工作者的重视。Caitcheon［8］提出利用天然磁性矿物在泥沙中的相对含量来确定泥沙来源，以及Jong等［9］利用土壤磁化率的变化研究耕作土地长期土壤侵蚀的再分布，为磁性示踪技术在土壤侵蚀研究中的应用提供了一定的理论和实践依据。Ventura等［6，10］利用聚乙烯和磁铁矿粉研制了一种人工土壤侵蚀磁性示踪剂，并用它来研究了坡面的侵蚀和沉积的空间分异特征，开创了利用人工磁性示踪剂研究土壤侵蚀的新思路;Gennadiev等［11］利用放射性示踪剂和土壤磁性示踪剂相结合，量化了流域不同空间部位土壤侵蚀和沉积速率，验证了磁性示踪法在流域大空间尺度范围内应用的可行性。在国内，董元杰等［12，13］研制了以粉煤灰、水泥等为原料的新型磁性示踪剂并进行了初步的应用研究。结果表明，利用粉煤灰、水泥制作的人工磁性示踪剂，可以有效的对磁性背景值较低的土壤进行土壤侵蚀的监测研究，从而推动了人工磁性示踪技术的发展。

从目前的关于土壤侵蚀磁性示踪技术的报道来看，人工磁性示踪剂的研制和应用促进了该技术的发展，但是也存在一些问题。当前所研制的人工磁性示踪剂虽然解决了土壤磁性背景值低的问题，但其与土壤颗粒运移的同步性还有待于进一步提高［6，12，13］。笔者在前人研究工作的基础上，制备了3种新型磁性示踪剂，总结了示踪剂的原料配比和加工工艺，并分别通过不同雨强的模拟降雨试验，研究了3种新型磁性示踪剂的示踪效果，以期获取一种与土壤颗粒同步运移的磁性示踪剂，为土壤侵蚀的监测研究提供简单、可靠的技术手段。

1 材料与方法

1．1 磁性示踪剂的制作

磁性示踪剂的主要原料有细土(Fine soil)和粉煤灰(Fly ash)，粘结剂为膨润土(Bentonite)和水泥(Cement)，均过筛孔尺寸为0．1 mm细筛(中国标准筛，以下同);磁性调节剂为还原性铁粉，过筛孔尺寸为0．05 mm细筛。普通细土取自位于鲁中地区的碧霞湖小流域坡耕地(过筛孔尺寸为0．1 mm细筛)，为普通棕壤，粉煤灰取自泰安市南关热电厂，膨润土原产地是山东省潍坊市，水泥由泰安市水泥厂生产。磁性示踪剂采用圆盘造粒法进行制作。圆盘造粒机为小型工业用造粒设备，结构主要由直径为80 cm的圆盘，功率为0．55 kW的电机，调速器以及支架组成。磁性示踪剂FS的主要原料为细土，FB和FC的主要原料分别为粉煤灰与膨润土、粉煤灰与水泥，均按照质量比为2∶1的比例进行配制。制作时把原料和磁性调节剂(磁性示踪剂中磁性调节剂的质量分数为0．1)按照设定配方混匀之后放入圆盘，然后，开动机器进行造粒。

1．2 模拟降雨试验的设置

模拟降雨试验采用长宽高为2．0 m×0．5 m×0．4 m的木质径流小区，坡度为5°，示踪剂采用全坡面布设的方式布设，布设的质量分数均为0．05，布设深度为3 cm，布设FS，FB，FC的木质径流小区标号分别为:a区，b区，c区。模拟降雨采用USA-Norton降雨模拟降雨器，选择的雨强为30 mm/h和60 mm/h，降雨历时从产流开始持续60 min，共降雨6次。降雨开始后的前40 min，每隔5 min，收集1次径流，并用量筒测量每个时间段的径流体积，然后，待澄清后分离出泥沙，在105℃条件下将泥沙烘干，用磁铁将示踪剂与泥沙分离出来并称质量［6］。

1．3 土壤磁化率的测定

采用SHX-2型磁化率仪对土壤磁化率进行测定，磁化率单位为×10－5SI。

磁性示踪剂布设深度对土壤磁化率影响的测定方法:取一定量的示踪剂布设质量分数为0．05的土壤放入玻璃烧杯，测定土层深度(示踪剂的布设深度)从1 cm增加到15 cm时土壤的磁化率。

示踪剂布设质量分数对土壤磁化率影响的测定方法:取一定量风干后的土壤分别布设不同质量分数的磁性示踪剂，然后测定各布设质量分数下土壤的磁化率［6］。

模拟降雨径流小区坡面磁化率的测定:具体方法是先将坡面均匀的划分为若干测定单元，然后，启动SHX-2型磁化率仪，将其探头直接放在坡面要测定单元的土壤表面，实地测定土壤的磁化率值。在布设磁性示踪剂之前测定整个小区的土壤磁化率背景值，布设示踪剂之后再测定整个小区侵蚀前的土壤磁化率，室内模拟降雨之后，待坡面表层土壤晒干后实地测定坡面土壤磁化率。

1．4 数据处理

采用Minitab-14和Excel对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2．1 磁性示踪剂的制作工艺

采用圆盘造粒法制作磁性示踪剂，制造过程比较简单。FS的主要原料是粒径＜0．1 mm的细土，具有良好的成粒性，在制作过程中不加入其它粘结剂。造粒时，先把一定量的细土和相应量的还原性铁粉混匀，然后把大部分原料倒入造粒机圆盘进行造粒，剩余一少部分原料在造粒过程中调节磁性颗粒的成粒度。在圆盘转动过程中，用喷雾器把与原料质量比为1∶9的水以雾状喷入原料。整个造粒过程持续10～12 min，到预定时间取出晾干，即得到FS的初始示踪剂。FB以粉煤灰和膨润土为原料，按照质量比为2∶1的比例将粉煤灰与膨润土混匀，然后放入圆盘造粒机，在圆盘转动过程中用喷雾器把与原料质量比为1∶6的水喷入原料中，转动25～30 min取出晾干，即可得到粒度宽泛的磁性示踪剂。FC的主要原料是粉煤灰和水泥，原料配比、用水量以及造粒时间与FB相同。FS，FB和FC在造粒过程中喷水要均匀，否则成粒的粒径过大或过小，另外，要严格控制造粒时间，造粒时间过短细颗粒过多，时间过长粗颗粒过多。

成品磁性示踪剂的制备:首先把初始示踪剂晾干，然后用不同筛孔尺寸的尼龙筛将其＞2．0，2．0～1．0，1．0～0．5，＜0．5 mm等不同粒径的磁性示踪剂筛分开来，根据土壤的团粒组成(干筛法)来配制成为成品示踪剂。

2．2 磁性示踪剂的最佳布设深度和布设质量分数的筛选

3种示踪剂在布设质量分数均为0．05的情况下，土壤磁化率表现出相似的变化趋势(图1)。示踪剂布设深度越浅，土壤磁化率值越小，随着布设深度的增加，土壤磁化率大幅升高，以布设深度3 cm为拐点，当＞3 cm时土壤磁化率增幅减小，≥5 cm时，土壤磁化率趋于稳定。最终布设FS，FB和FC的土壤磁化率值分别大约200×10－5，180×10－5，250×10－5SI。在进行示踪剂的布设时，选择布设深度为3 cm是比较理想的，因为在此布设深度下，土壤磁化率变化比较灵敏。示踪效果好的磁性示踪剂所布设的小区，在受到降雨侵蚀时被剥蚀的部位土壤磁化率降低，而泥沙沉积的部位土壤磁化率升高。可以通过坡面土壤磁化率的减小和增大准确的反映土壤的剥蚀和沉积。

3种示踪剂在布设深度都为5 cm时，随着示踪剂布设质量分数的增大，土壤磁化率均逐渐变大(图2)。在现有磁测仪器的测量精度允许范围内，0．05是比较理想的布设质量分数，因为在此质量分数下示踪剂的用量处在较低水平，又能保证测定结果的准确性。因此，在模拟降雨以及自然降雨径流小区布设时，磁性示踪剂的布设质量分数均为0．05，布设深度均为3 cm。

图1 不同布设深度下示踪剂对土壤磁化率的影响

图2 不同布设质量分数下示踪剂对土壤磁化率的影响

2．3 模拟降雨条件下3种磁性示踪剂的示踪效果

布设 FS，FB，FC 后木质径流小区的平均磁化率分别达到210 ×10－5，233 ×10－5和238 ×10－5SI，比供试土壤的磁性背景值70×10－5SI有较大幅度的提高。在坡度均为5°的情况下，分别经过30 mm/h和60 mm/h的2个雨强的模拟降雨后，布设3种磁性示踪剂的坡面磁化率呈现不同程度的降幅。在30 mm/h雨强时，a区的磁化率降幅为10．48%，b区为1．45%，c区为11．32%;在60 mm/h雨强时，a区的磁化率降幅达到20．39%，b区为12．17%，c区为26．50%。

在30 mm/h雨强时，径流小区主要以面蚀为主，坡面顶端为净侵蚀区，磁化率应以降低为主，中部和坡脚既受到侵蚀又发生沉积，所以坡面磁化率应在总体降低的同时，坡顶至坡脚呈现出上升的趋势(图3 a区FS 30 mm/h，图3 c区FC 30 mm/h)。在60 mm/h雨强条件下，坡面仍以面蚀为主，只是随着雨强的增大，坡面径流的携带能力加大，侵蚀方式正处于由面蚀向沟蚀过渡阶段，坡面侵蚀程度:坡脚＞坡顶＞中部。由图3可见，60 mm/h模拟降雨后3种示踪剂的坡面磁化率均有较大幅度的降低，a区和c区的坡面磁化率的变化趋势与坡面实际侵蚀情况近似，这说明示踪剂FS和FC在降雨中与土壤颗粒的运移具有同步性。布设FB的b区分别经过2个雨强的降雨后，坡面磁化率受雨强的影响，只是比降雨前有不同程度的降低，并未呈现出一定的分布规律。在模拟降雨条件下，3种示踪剂的坡面磁化率变化说明在降雨中FB与土壤颗粒的运移不同步，FS和FC与土壤颗粒的运移具有同步性。

通过在降雨中对不同时间段内的产流产沙量的监测，发现在相同雨强的模拟降雨中，径流小区在相同时间段内的产沙量近似，各时间段内的泥沙经过烘干后分别用磁铁对示踪剂进行分离，发现FS和FB两种示踪剂在泥沙中的质量分数均接近于0，只有少量的细铁粉末，这说明FS和FB两种示踪剂遇水崩解，铁粉被分离出;而在30 mm/h和60 mm/h雨强条件下分离出来的FC与泥沙的质量比分别达到0．030 2和0．041 3，接近示踪剂的布设质量分数(0．05)，且绝对系数(R2)分别为0．748 1 和0．873 7(图4)。

可见FC在降雨中与土壤颗粒的运移同步性达到显著性相关(r0．05=0．864 9)，其中，以60 mm/h雨强条件下与土壤颗粒的运移同步性最高，说明雨强大小对示踪剂的运移有一定影响，在雨强越大的情况下，FC与土壤颗粒的运移同步性越高。另外，由于示踪剂是按照土壤的团粒组成配制，土壤团粒在降雨侵蚀时会发生崩解，而FC具有极高的水稳性，所以与土壤的团粒组成产生差异，在一定程度上影响了FC与土壤物质运移的同步性。a区和c区在布设FS和FC后，坡面磁化率相近，而在经过降雨后坡面磁化率下降幅度相近，这也说明FS和FC与土壤物质的运移具有一定的同步性。

图3 经过30 mm/h和60 mm/h模拟降雨后的坡面磁化率

图4 模拟降雨中产沙量与示踪剂(FC)含量的相关性

3 结论与讨论

本次研究选择细土、粉煤灰、水泥、膨润土作为磁性示踪剂的主要原料，具有与土壤的物理性状近似、不会对土壤构成污染的优点。采用圆盘造粒法制作磁性示踪剂是一种简单可行的方法。示踪剂的配制以细土为主要原料时，造粒过程持续10～12 min为宜;以粉煤灰与膨润土、粉煤灰与水泥为主要原料时，均按照质量比为2∶1的比例制作，造粒过程持续25～30 min最佳。造粒过程持续的时间过长或过短，会造成示踪剂的粒径过大或过小。另外，在制作过程中加入磁性调节剂(磁性示踪剂中磁性调节剂的质量分数为0．1)后，每种磁性示踪剂均可大幅度的提高土壤的磁化率。

通过筛选得出，3种磁性示踪剂的最佳布设的质量分数为0．05，最佳布设深度为3 cm。在此条件下，既符合磁测仪器的监测精度要求，又能够达到降低示踪剂布设用量的目的。粉煤灰与水泥为主料的示踪剂的水稳性极高，在30 mm/h和60 mm/h的模拟降雨条件下，径流中磁性示踪剂的量和泥沙量均呈极显著性相关(r0．05=0．864 9 和0．934 7)，其质量比分别达到 0．030 2 和 0．041 3，而且雨强越大，磁性示踪剂与土壤颗粒的运移同步性越高;坡面的磁化率变化可以准确的反映出坡面的侵蚀、沉积的空间分异特征。因此，粉煤灰与水泥为主料的示踪剂具有水稳性极高的特点，可用于多次降雨坡面侵蚀的连续监测。成品示踪剂根据供试土壤的团粒组成配制是可行的，但在小强度降雨时示踪剂与土壤颗粒运移的同步性降低，可以改进示踪剂的原料配比，提高示踪剂与土壤颗粒运移的同步性。

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