稀土元素示踪法探究团聚体在溅蚀过程中的周转路径

作     者：吴文枭 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王军光

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：稀土元素示踪法 土壤团聚体 溅蚀 破碎 团聚 周转路径 

摘      要：土壤团聚体的形成与破碎是非常复杂的过程,它的稳定性与土壤侵蚀过程有着紧密的联系。而团聚体的破碎和形成是个完全动态变化的过程,利用示踪剂示踪的方法可以标记不同粒级的团聚体,通过测量示踪剂在土壤中的迁移路径来探究团聚体的周转变化过程。研究发现,通过测定稀土元素在各个粒级团聚体的浓度变化可以很好量化不同粒级团聚体之间的迁移路径,从而研究团聚体的周转动态变化过程,但在侵蚀过程的团聚体的周转研究中,该方法还未得到应用。因此本文选取了第四纪红黏土,利用稀土元素来标记土壤团聚体,然后组合成不同元素标记的不同粒级的标记团聚体,在不同雨强、不同降雨时间和不同初始含水量条件下进行降雨溅蚀试验,研究不同因素对溅蚀过程的影响规律,并通过测定试验前和试验后各粒级团聚体中稀土元素的浓度,代入团聚体的转移矩阵模型,量化不同粒级团聚体在溅蚀过程中的迁移路径,探讨团聚体在溅蚀过程中的周转路径。主要结论如下:(1)稀土元素示踪方法中,用湿混法标记团聚体的湿筛回收率达到了91.8-105.8%,说明在湿筛过程中,稀土元素几乎没有损失,湿筛有效提高了稀土元素与团聚体之间的结合能力,不同粒级的团聚体与稀土元素的结合能力不一样,其中0.053-0.25 mm的微团聚体与稀土元素的结合能力最强。通过各粒级团聚体的预测值与实测值的比例对比和MWD的实测值与预测值对比的线性关系大概为1:1的关系可知,稀土元素对试验中2-5 mm、0.25-2 mm、0.053-0.25 mm、0.053mm四个粒级的团聚体的示踪效果都比较良好,它量化了不同粒级团聚体之间的周转动态变化过程。(2)在溅蚀试验中,溅蚀率随时间变化的呈现上下波动态势,具有陡涨陡落的特点。溅蚀的颗粒主要来源是0.25-2 mm的小团聚体,占比86.02-98.86%。其富集率ER值大于1易被迁移,2-5 mm的大团聚体稳定性不强,其富集率变化差异性大。标记团聚体相比自然团聚体的内部团粒结构不紧密,抗侵蚀能力弱。提高标记团聚体的初始含水量,可使松散的标记团聚体的粒湿润后快速团聚,抗侵蚀能力增强。整个试验中MWD实测值范围主要集中在0.9-0.95 mm,低于标记团聚体的初始值1.02 mm,说明主要发生机制是大团聚体破碎成不同粒级更小的团聚体的过程。(3)在研究团聚体的周转路径中,所有试验中都不存在团聚成2-5 mm大团聚体的路径,溅蚀过程中,存在团聚成0.25-2 mm小团聚体和0.053-0.25 mm微团聚体的路径,12.75-30.99%的微团聚体和36.72-46.38%的粉黏粒团聚体团聚成了小团聚体,20.08-24.94%的粉黏粒团聚体团聚成了微团聚体。降雨试验中,有68.81-88.24%的大团聚体破碎成了小团聚体,只有4.35-6.56%和4.89-9.15%的小团聚体破碎成微团聚体的粉黏粒团聚体,16.2-25.16%的微团聚体破碎成了粉黏粒团聚体。增大雨强,会促使大团聚体破碎成更多更小粒级的团聚体,但不影响团聚体内部的团聚能力,高雨强下团聚体的迁移整体流向只存在破碎路径。随着降雨时间的增加,也会促使粒级大的团聚体破碎,团聚体的迁移整体流向也会逐渐变成单一的破碎路径,降雨时间也不影响团聚体内部的团聚能力。增加初始含水量会对团聚体具有保护作用,并改变不同粒级团聚体之间的整体流向,有效减少团聚体的破碎,提高团聚体的团聚能力,有效地减少了2-5 mm大团聚体和0.053-0.25 mm微团聚体的破碎,促进0.053-0.25 mm微团聚体和0.053 mm粉黏粒团聚体的团聚,提高团聚体的团聚能力。