基于磁铁矿粉示踪剂的水蚀定量监测方法的可行性研究

Water erosion is one of the most serious environmental issues restricting the sustainability of agricultural productivity and economy and ecosystem health in China. The limitations of traditional soil erosion monitoring methods motivate people to explore alternative soil erosion tracer techniques to timely obtain accurate data including information about spatial variability of soil erosion and soil loss rates. Currently, magnetite powder, close to an ideal tracer, hopefully applied in developing magnetic tracing techniques. However, studies of erosion monitoring techniques using this tracer are far insufficient based on the conditions of China’s zonal soils. Therefore, one feasibility evaluation protocol using magnetite powder as a tracer in quantitative monitoring of water erosion has been finished based on low-cost and high-efficiency magnetic susceptibility technique. The study will be carried on in three aspects involving the tests of combining abilities between tracer and erosive soils and quantitatively monitoring the spatial variability of soil erosion and soil loss rates under the condition of simulated and natural rainfalls, respectively. Study results will hopefully demonstrate magnetite powder to have great potential as a cost-effective water erosion tracer and provide an important alternative quantitative monitoring technique in China’s soil conservation.

水力侵蚀是我国制约生态系统健康、农业生产力与经济发展可持续的最重要土壤退化及环境问题之一。传统土壤侵蚀监测方法的局限性促使人们将希望转向侵蚀示踪技术，以获取精确反映土壤侵蚀速率及空间变异的信息。目前基于一种接近理想示踪剂标准的磁铁矿粉在磁性示踪技术的应用研究中，展现出良好的应用前景。而在我国基于纯磁铁矿粉示踪剂的示踪研究报道尚不多见，亟待系统深入研究。因此，本研究拟采用廉价高效的磁测技术，以磁铁矿粉为侵蚀示踪剂，针对我国实际情况，开展针对水蚀定量监测的磁性示踪技术应用探索。拟分别从示踪剂与不同水蚀土壤的结合能力、人工降雨以及野外天然降雨条件下运用磁性示踪技术定量监测坡面土壤侵蚀速率及空间变异三个方面，系统评价基于磁铁矿粉示踪剂的示踪技术在不同水蚀区坡面土壤侵蚀的定量监测中应用的可行性。研究结果将为我国土壤侵蚀定量监测与评估提供一个廉价高效的技术方法和研究工具，具有良好的应用潜力。

土壤侵蚀是引发农业生产力衰退、农业面源污染、生态系统脆弱等环境问题的重要驱动力之一。土壤侵蚀测量技术与方法是获取可靠侵蚀数据、开展土壤侵蚀研究与水土保持效益评价的重要基础工作。传统土壤侵蚀监测方法的局限性促使人们发展新的侵蚀测量方法，以实现高效、准确地量化土壤侵蚀。围绕新式磁性侵蚀示踪技术，本项目开展了系统的磁层方法探索与可行性验证的研究工作。本项目的研究内容分别为磁粉示踪剂的应用可行性与磁层探测法的原理及应用可行性。.本项目首先通过团聚体筛分实验、长历时的土柱淋溶模拟实验、水槽土壤分离实验，证实了磁粉示踪剂与不同类型的易受水蚀的土壤具有良好的结合能力，这是磁性示踪侵蚀的重要基础。其次，通过黄土介质的模拟土壤剖面实验结果表明，磁层探测法的目标人工磁层上部的土层厚度和体积磁化率之间的关系几乎遵循一个指数变化关系，且该数学关系对土壤类型和磁层的磁性强度不敏感。该方法测量精度<±2mm，测定极限深度约为80mm。基于黄土的室内水蚀、风蚀模拟实验结果表明，基于磁层探测法与称重法所获取的侵蚀土层厚度值的纳什系数和均方根误差，在水蚀中分别为76.2％和0.9mm；在风蚀中分别为91.2％和1.2mm。结果表明，磁层探测法可快速、准确地测定水蚀、风蚀引起的土层厚度变化。.综上，相比传统土壤侵蚀测量方法，此法具有廉价、高效、对土壤侵蚀过程干扰小、监测点无需维护等技术优势，并能够快速获取地表的原位侵蚀土层厚度信息。此法为土壤侵蚀动态监测、水土保持效益评价提供了一种新的方法选择。.