一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法，其特征在于：根据研究内容选择观测区，采集并测试所选观测区各种稀土元素的背景值，选择示踪稀土元素和计算释放量，配制示踪土样并通过“条带法+断面法”布设，划线标记表层土壤位置，采集并测试观测期后所选稀土元素含量，计算和分析土壤地下漏失量。本发明专利技术利用稀土元素示踪喀斯特区土壤流失/漏失，可定量界定喀斯特石漠化区土壤地表流失和地下漏失的贡献，在喀斯特地区具有普遍适用性，准确度高、操作简单。

A method for tracing soil leakage in Karst area by using rare earth elements

The invention discloses a method for tracing soil leakage in karst area by using rare earth elements. The method is characterized in that the observation area is selected according to the research contents, the background values of various rare earth elements in the selected observation area are collected and tested, the tracing rare earth elements are selected and the release amount is calculated, the tracing soil sample is prepared and the method of \strip method + section method\ is adopted. \Layout, mark the position of surface soil, collect and test the content of rare earth elements selected after the observation period, calculate and analyze the amount of soil leakage underground. The invention can quantitatively define the contribution of soil surface loss and underground leakage in karst rocky desertification area by tracing soil loss/leakage in karst area with rare earth elements, and has universal applicability, high accuracy and simple operation in Karst area.

【技术实现步骤摘要】
一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法
本专利技术属于土壤侵蚀与水土保持、环境科学领域，具体涉及一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法。
技术介绍
长期岩溶作用致使喀斯特地貌出现多级多处与水、土、岩和生物联为一体的地表、地下双层结构，使该区的水循环过程和土壤侵蚀过程具有特殊性和复杂性，产生一系列特殊的环境地质问题，如水土流失、石漠化、地面沉降和塌陷等。喀斯特地区水土流失是其生态环境退化的重要因素，严重制约着该区农业可持续发展，充分揭示喀斯特地区坡地水土流失发生、运移机制是控制石漠化发展的关键。尽管近年来喀斯特地区特殊的土壤流失类型研究备受关注，包括地表流失及地下漏失等，其中地表流失研究通过野外观测、室内模拟及同位素示踪等一系列的方法，其侵蚀过程、机理及影响因素都相对系统；但由于喀斯特地下径流泥沙野外直接观测难度系数大，且目前尚无切实可行的研究方法和手段，故基于喀斯特地区特殊的地下漏失机理研究较少，目前仅处于定性描述和室内模拟探索阶段，且已有研究未能揭示其漏失机制。稀土元素近年来被证实是研究土壤侵蚀较理想的示踪元素。利用稳定性稀土元素示踪技术研究土壤侵蚀分布，基本原理是将示踪元素氧化物与土壤均匀混合后布设于研究区不同地形部位，使其在整个降雨侵蚀过程中随径流泥沙迁移，通过采集侵蚀的泥沙样品，采用中子活化分析等方法测定示踪元素含量，据此研究侵蚀泥沙来源及不同地形部位土壤侵蚀差异特征，以此达到判别侵蚀泥沙来源及得出不同地形部位土壤流失量的目的。前述方法主要适用于非喀斯特区并设有径流小区的坡面，而对于具有特殊侵蚀类型的喀斯特区，地下漏失很难直接接收到漏失掉的水土，因此只能通过示踪载体在裂隙中的分布来反应裂隙土壤漏失的过程。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种测定精度高、操作简单、环境友好型的喀斯特地区土壤地下漏失的稀土元素示踪方法。本专利技术的目的主要通过以下技术方案实现：一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法，根据研究内容选择观测区，采集并测试所选观测区各种稀土元素的背景值，选择示踪稀土元素和计算释放量，配制示踪土样并通过“条带法+断面法”布设，划线标记表层土壤位置，采集并测试观测期后所选稀土元素含量，计算和分析土壤地下漏失量；具体包括以下步骤：(1)根据研究内容，选择能够代表研究区土壤发生地表流失或地下漏失的多个典型观测区，考虑到岩土界面发生土壤流失或漏失的特殊性，所选观测区需包括部分岩石界面；(2)采集观测区稀土元素背景值的土壤样品，即在观测区内，以20-50cm网格大小在网格中心位置以分层厚度为2cm分层采集土样样品，以靠近岩石界面2cm内的土壤作为岩土界面土样，并以相同的分层厚度采集岩土界面土壤样品，上述土壤样品采集至8-20cm深度范围内；(3)选择多种稀土元素开展试验，其施放浓度及释放量分别按下式计算：Ci＝BCi×a(式1)，其中，i为第i种示踪稀土元素，i＝1,2,3,…,n；Ci为第i种示踪稀土元素施放浓度，mg/kg；BCi为第i种示踪稀土元素背景值，mg/kg；Mi为第i种示踪稀土元素氧化物释放量，g；Si为第i种示踪稀土元素所需土重，kg；a为浓度扩大系数，20～100；b为浓度校正系数，即稀土氧化物纯度，一般为0.9999；c为氧化物校正系数，稀土元素相对分子质量所占其氧化物相对分子质量的比例；所述Si按下式计算：其中，式中，WL为观测区样方面积大小，cm2；Hi为第i种示踪稀土元素布设深度，cm；R为布设深度土壤容重，g/cm3；1000为单位转化系数；(4)配制示踪土样，将计算得到释放量的稀土氧化物与土壤混合；示踪稀土氧化物与土壤的混合过程采用稀释法，逐步稀释逼近施放浓度；(5)配置的示踪土样采用“条带法+断面法”布设，将配置的示踪土样分层填入观测区条坑中，并夯实到与原坡面相同容重，同时在岩-土界面处标记表层土位置；(6)在研究周期：次降雨或月或季或年之后，土样样品按步骤(2)进行，并测样品稀土元素含量，采集方式分以下两种情况：①以岩土界面标记处为基准点，准确按2cm分层厚度采集土壤样品，记录采集到的每层土壤样品的厚度；②以岩土界面标记处为基准点，采用标准直尺测量土层下移位移大小，并以该下移土层的表层处准确以2cm分层厚度采集土壤样品；(7)土壤流失或漏失分析计算分以下两种情况：①计算基准点以下未采集到土壤样品的厚度，即为土壤流失/漏失厚度，由式3可计算土壤流失/漏失量；对比研究周期后土壤稀土元素浓度与背景值浓度变化，若二者差异不大，则证明土壤以整体蠕移漏失为主，若二者存在较大差异，则视数据情况进行分析；②计算直尺测得的土壤流失/漏失厚度均值，由式3可计算土壤流失/漏失量；对比研究周期后土壤稀土元素浓度与背景值浓度变化，可判断土壤的蠕移漏失是否由岩-土界面处流失所致。所述步骤(1)观测区大小视野外实际情况而定，选择0.5m×0.5m—2m×2m。所述步骤(2)背景值土壤样品稀土元素背景值采用仪器中子活化分析INNA方法和电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定；采集完背景值土壤样品后，另将该8-20cm深度范围内的土壤全部采回进行室内风干备用。所述步骤(3)用于示踪土壤漏失的稀土元素，应具备与土壤能较好的结合，难溶于水且不易被植物所吸收以及对土壤环境无害，稀土示踪元素具有土壤背景值低、施加量少、易于探测的特点；可供选择的稀土元素有镝Dy、铕Eu、钐Sm、铈Ce、镧La、钕Nd，对应的稀土氧化物依次为Dy2O3、Eu2O3、Sm2O3、CeO2、La2O3、Nd2O3。所述步骤(4)土壤为风干过筛土；所述步骤(4)逐步稀释逼近施放浓度操作过程为，先以少量粒径较小0.075mm的试验干土与所需重量稀土氧化物充分混合，稀释形成高浓土样，然后再加入所需土掭混，形成次高浓土样，最后加入能装满示踪深度的风干土充分混合。所述步骤(5)“条带法+断面法”布设中的“条带法”为所选观测区有限宽度的带，其土壤流失或土壤漏失等于或接近研究区的土壤流失/漏失量，将稀土元素布设于此条带中；“断面法”为将稀土示踪元素和被示踪的土壤全部混合布设于断面上，不同的示踪元素布设于不同土层。所述步骤(5)“条带法+断面法”布设原则如下：①尽量不破坏下层土壤结构，布设土层厚度应控制在一定范围；②漏失前后差异要保证显著，布设土层要结合采样深度，可控制为2cm；③表层应布设足够深度，以保证满足地表流失，这里取4cm；④为了使4cm层内也能看出漏失，取样深度应足够小；同时，在漏失小的情况下都能检测出来，取样深度控制为2cm或以下；⑤在保证准确度的情况下，注重经济、劳力、高效的原则。所述步骤(5)岩土界面标记表土层位置采用油漆标记。所述步骤(6)观测周期后土壤样品稀土元素含量采用仪器中子活化分析INNA方法和电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定。所述步骤(6)若需以不同时间点采集土样样品，则应将网格数进行平分，岩土界面也按相同批次进行平分，每次采集平分后的土壤样品，采集后需回填周围土壤，保证不影响下次土壤流失/漏失过程。本专利技术可以定量界定喀斯特石漠化区土壤地表流失和地下漏失的贡献，在喀斯特地区具有普遍适用性，准确度高、操作简单。附图说明图1为本专利技术利用稀土示踪喀斯特区土壤地下漏失的流程图；图2为本专利技术利用稀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法，其特征在于：根据研究内容选择观测区，采集并测试所选观测区各种稀土元素的背景值，选择示踪稀土元素和计算释放量，配制示踪土样并通过“条带法+断面法”布设，划线标记表层土壤位置，采集并测试观测期后所选稀土元素含量，计算和分析土壤地下漏失量；具体包括以下步骤：(1)根据研究内容，选择能够代表研究区土壤发生地表流失或地下漏失的多个典型观测区，考虑到岩土界面发生土壤流失或漏失的特殊性，所选观测区需包括部分岩石界面；(2)采集观测区稀土元素背景值的土壤样品，即在观测区内，以20‑50 cm网格大小在网格中心位置以分层厚度为2 cm分层采集土样样品，以靠近岩石界面2 cm内的土壤作为岩土界面土样，并以相同的分层厚度采集岩土界面土壤样品，上述土壤样品采集至8‑20 cm深度范围内；(3) 选择多种稀土元素开展试验，其施放浓度及释放量分别按下式计算：

【技术特征摘要】
1.一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法，其特征在于：根据研究内容选择观测区，采集并测试所选观测区各种稀土元素的背景值，选择示踪稀土元素和计算释放量，配制示踪土样并通过“条带法+断面法”布设，划线标记表层土壤位置，采集并测试观测期后所选稀土元素含量，计算和分析土壤地下漏失量；具体包括以下步骤：(1)根据研究内容，选择能够代表研究区土壤发生地表流失或地下漏失的多个典型观测区，考虑到岩土界面发生土壤流失或漏失的特殊性，所选观测区需包括部分岩石界面；(2)采集观测区稀土元素背景值的土壤样品，即在观测区内，以20-50cm网格大小在网格中心位置以分层厚度为2cm分层采集土样样品，以靠近岩石界面2cm内的土壤作为岩土界面土样，并以相同的分层厚度采集岩土界面土壤样品，上述土壤样品采集至8-20cm深度范围内；(3)选择多种稀土元素开展试验，其施放浓度及释放量分别按下式计算：其中，i为第i种示踪稀土元素，i=1,2,3,…,n；Ci为第i种示踪稀土元素施放浓度，mg/kg；BCi为第i种示踪稀土元素背景值，mg/kg；Mi为第i种示踪稀土元素氧化物释放量，g；Si为第i种示踪稀土元素所需土重，kg；a为浓度扩大系数，20~100；b为浓度校正系数，即稀土氧化物纯度，一般为0.9999；c为氧化物校正系数，稀土元素相对分子质量所占其氧化物相对分子质量的比例；所述Si按下式计算：其中，式中，WL为观测区样方面积大小，cm2；Hi为第i种示踪稀土元素布设深度，cm；R为布设深度土壤容重，g/cm3；1000为单位转化系数；(4)配制示踪土样，将计算得到释放量的稀土氧化物与土壤混合；示踪稀土氧化物与土壤的混合过程采用稀释法，逐步稀释逼近施放浓度；(5)配置的示踪土样采用“条带法+断面法”布设，将配置的示踪土样分层填入观测区条坑中，并夯实到与原坡面相同容重，同时在岩-土界面处标记表层土位置；(6)在研究周期：次降雨或月或季或年之后，土样样品按步骤(2)进行，并测样品稀土元素含量，采集方式分以下两种情况：①以岩土界面标记处为基准点，准确按2cm分层厚度采集土壤样品，记录采集到的每层土壤样品的厚度；②以岩土界面标记处为基准点，采用标准直尺测量土层下移位移大小，并以该下移土层的表层处准确以2cm分层厚度采集土壤样品；(7)土壤流失或漏失分析计算分以下两种情况：①计算基准点以下未采集到土壤样品的厚度，即为土壤流失/漏失厚度，由式3可计算土壤流失/漏失量；对比研究周期后土壤稀土元素浓度与背景值浓度变化，若二者差异不大，则证明土壤以整体蠕移漏失为主，若二者存在较大差异，则视数据情况进行分析；②计算直尺测得的土壤流失/漏失厚度均值，由式3可计算土壤流失/漏失量；对比研究周期后土壤稀土元素浓度与背景值浓度变化，可判断土壤的蠕移漏失是否由岩-土界面处流失所致。2.如权利要求1所述的一种利用稀土元素示踪喀斯特地区土壤漏失的方法，其特征在于：所述步骤(1)观...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭旭东，戴全厚，丁贵杰，李昌兰，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州,52