1 引言

土壤侵蝕造成的水土流失是流域輸入大量泥沙的主要原因之一，也是造成流域非點(diǎn)源元素輸入和遷移的主要載體。土壤粒徑是影響土壤可耕性和保水性的重要指標(biāo)，流域泥沙顆粒粒徑的分布對(duì)于確定水土流失過程中流域沉積物的遷移曲線和評(píng)價(jià)流域水體環(huán)境是否退化具有重要的參考意義。因此流域侵蝕的泥沙來源確定、元素遷移路徑研究和顆粒粒徑分析對(duì)流域治理及水土保持措施評(píng)價(jià)具有很重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的泥沙來源確定是用一系列直接監(jiān)測(cè)技術(shù)，這些監(jiān)測(cè)技術(shù)包括：潛在泥沙來源區(qū)的目測(cè)評(píng)價(jià)、調(diào)查侵蝕痕跡、用航片和數(shù)字地形圖、GIS軟件分析泥沙來源、侵蝕針、剖面測(cè)量計(jì)、光電侵蝕針體系等。然而，利用上述方法雖然是效和接近實(shí)際的手段，但往往會(huì)因人為因素、客觀條件及經(jīng)費(fèi)的限制，難以保證長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用和空間所有代表性的資料和數(shù)據(jù)的完整采集，因而得到的結(jié)果不具有連續(xù)性，一般不能為重現(xiàn)泥沙的來源和元素遷移路徑及時(shí)提供有益的歷史記錄。

目前現(xiàn)代地球化學(xué)方法（又稱指紋法）得到廣泛應(yīng)用，即利用保存在泥沙剖面中的各種地球化學(xué)記錄，確定泥沙的源地及元素的空間分布。

2 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)基于現(xiàn)代地球化學(xué)方法原理，應(yīng)用地球化學(xué)組成元素參數(shù)（如Fe、Ca、Cr、Cu、K、Mg、Na、Ni、Sr、Zn、Mn、Al及P等元素的各種形式）和物理參數(shù)（如顆粒粒徑）作為復(fù)合指紋，通過測(cè)量和比對(duì)流域不同區(qū)段泥沙樣品的地球化學(xué)組成元素指紋光譜特征，同時(shí)測(cè)量泥沙的顆粒粒徑分級(jí)，從而精確確定泥沙的來源以及流域侵蝕的程度，也可用于繪制某種或多種特定元素在流域侵蝕過程中的遷移路徑。

2.2 分析內(nèi)容

流域不同區(qū)段的泥沙地球化學(xué)元素組成成分、泥沙地球化學(xué)組成元素的指紋光譜特征、泥沙的顆粒粒徑、粒形特性。

2.3 分析系統(tǒng)組成與特性

流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)由元素分析單元、土壤粒子特性分析單元和專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件共同組成。

元素分析單元源自美國(guó)加州大學(xué)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室年多年科學(xué)研究成果，采用激光在樣品表面形成等離子體，然后由光譜檢測(cè)單元對(duì)等離子體的光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到樣品的元素組分、含量以及指紋光譜信息。

無需樣品制備，數(shù)秒內(nèi)即可同時(shí)、快速得到土壤、泥沙、巖層、礦石、植物、氣溶膠等樣品中70多種元素的含量。

該單元配置的系統(tǒng)軟件，可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動(dòng)去除背景強(qiáng)度、自動(dòng)計(jì)算峰值下的面積，提供譜線的“凈”強(qiáng)度；還可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作定量分析標(biāo)定曲線，并提供了PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)分析工具，方便將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)中的譜線比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。

土壤粒子特性分析單元采用針對(duì)旋轉(zhuǎn)的激光光束遮蔽時(shí)間的粒徑分析技術(shù)，在600個(gè)不連續(xù)的時(shí)間間隔進(jìn)行粒徑測(cè)量，得到高分辨率的粒徑分布。利用該技術(shù)，顆粒粒徑是直接測(cè)出來的，而不是通過粒徑的二級(jí)特點(diǎn)推算出來的，因此不受折射率指數(shù)、粘度變化、布朗運(yùn)動(dòng)、熱傳導(dǎo)和其它物理現(xiàn)象的影響，具有高精度和的可靠性與重復(fù)性。

該單元還可收集土壤顆粒的原位數(shù)字圖像來分析顆粒的大量形狀參數(shù)，從而進(jìn)行粒形特征分析。

配置的系統(tǒng)軟件包含存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可輸出采用報(bào)表生成器來生成包括各種類型粒徑粒形分布、平均值和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，具有強(qiáng)大的自定義編輯和處理功能，易于數(shù)據(jù)讀取和分析。

2.4 分析系統(tǒng)性能指標(biāo)

2.4.1 元素分析單元

基本配置：激光、等離子體發(fā)射檢測(cè)模塊、光閘延遲調(diào)節(jié)控制器模塊、激光燒蝕及采樣行程模塊、顯示主機(jī)

測(cè)量參數(shù)：土壤中地球化學(xué)組成元素種類、含量及其特征指紋光譜

操作系統(tǒng)：硬件控制，預(yù)選或自制激光燒蝕采樣模式，發(fā)射譜線數(shù)據(jù)庫(kù)，元素分布、深度分析等功能，多閃累積LIBS信號(hào)，多譜線對(duì)比顯示

光譜數(shù)據(jù)庫(kù)：UV-NIR 全光譜，TrueLIBS 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫(kù)

采樣方法：全采樣，夾雜物和微光斑分析，深度分布，元素分布

分析工具：去除發(fā)射峰背景，PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析

光譜范圍：190-1000nm

2.4.2 土壤粒子特性分析單元

基本配置：主機(jī)、激光測(cè)量頭和視頻測(cè)量頭、測(cè)量池、樣品分散系統(tǒng)

測(cè)量參數(shù)：土壤粒徑、粒形、顆粒濃度

測(cè)量原理：激光視頻雙通道，模塊化配置。激光通道采用激光光阻法（又稱時(shí)間轉(zhuǎn)換理論），視頻通道采用動(dòng)態(tài)圖像分析法

激光通道測(cè)量范圍：0.1-2000μm，分辨率：全量程的0.33％，小可達(dá)0.2μm

視頻通道測(cè)量范圍：2-3600μm

濃度測(cè)量范圍：高達(dá)109顆粒/cm3(對(duì)1μm顆粒)

測(cè)量池模塊：液體、乳液/不透明液體、干粉、纖維、磁性顆粒、加熱液體及氣溶膠可選

樣本分散系統(tǒng)：自動(dòng)液體循環(huán)、干粉分散器、粉料送樣器、溫度控制器、氣溶膠控制器可選

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 元素組成及光譜特征數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)配置的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)直接變成測(cè)量結(jié)果。強(qiáng)大的光譜分析工具可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動(dòng)計(jì)算峰值下的面積，提供譜線的“凈”強(qiáng)度。在系統(tǒng)軟件中可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作標(biāo)定曲線，完成高精度定量分析。

軟件提供多種數(shù)據(jù)分析工具，如：PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等。讓用戶將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)中的譜線比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。

3.2 土壤粒徑粒形特性數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)軟件包含存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可輸出采用報(bào)表生成器來生成包括各種類型粒徑粒形分布、平均值和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，具有強(qiáng)大的自定義編輯和處理功能，易于數(shù)據(jù)讀取和分析。 目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)含有分布中單個(gè)顆粒的粒徑和圖像信息。只要輕輕點(diǎn)擊，每一顆粒的詳細(xì)信息都會(huì)被顯示。

從目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)里選擇信息，以進(jìn)一步分析探究圖形分布的信息。

系統(tǒng)軟件包含存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可輸出采用報(bào)表生成器來生成包括各種類型粒徑粒形分布、平均值和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表，具有強(qiáng)大的自定義編輯和處理功能，易于數(shù)據(jù)讀取和分析。 目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)含有分布中單個(gè)顆粒的粒徑和圖像信息。只要輕輕點(diǎn)擊，每一顆粒的詳細(xì)信息都會(huì)被顯示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

流域侵蝕元素遷移分析系統(tǒng)基于成熟的光譜技術(shù)和激光遮蔽時(shí)間理論，大大縮短了常規(guī)分析方法所需的較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)周期。能夠進(jìn)行多種類型樣品多種元素成分的組成和含量對(duì)比分析，并可實(shí)現(xiàn)元素的指紋識(shí)別。

美國(guó)Russo科研小組采用該系統(tǒng)快速分析了包括粘土、壤土、沙土在內(nèi)的7種樣品中C、K、Ca、Mn、Al等5種元素的含量，通過疊加各元素的光譜譜圖，并比較特征譜線的強(qiáng)度，可清晰地看出不同樣品不同元素的相對(duì)含量情況。

美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用該系統(tǒng)獲得巖石和沙粒的指紋光譜，通過比對(duì)來自不同地域的樣品指紋光譜特征，從而應(yīng)用于沙塵暴的精確溯源和痕量元素指紋識(shí)別的深入研究。

美國(guó)加利福尼亞州大學(xué)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室環(huán)境科學(xué)部也將該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于不同礦石樣品不同區(qū)域的元素組成特點(diǎn)及具體含量分析、金屬材料的組成成分分析、土壤中總碳含量等的研究。

目前該系統(tǒng)基于的技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較為成熟的商品化，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)利用相關(guān)技術(shù)和儀器設(shè)備還處于起步階段，尚有著廣闊的科研空間。 隨著激光技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，該系統(tǒng)必將在流域侵蝕泥沙來源的確定、流域元素的遷移路徑分析、土壤污染及修復(fù)、土壤和植物元素分布、沙塵溯源分析及其顆粒粒徑等級(jí)和粒形特性研究等生態(tài)地球化學(xué)領(lǐng)域展示更加深入的應(yīng)用前景。

5 參考文獻(xiàn)

Baudelet， M.， M. Boueri， S. Mao， X. Mao， and R.E. Russo. Laser ablation of organic materials for discrimination of bacteria in an inorganic background. SPIE 7214，20