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)測技術(shù)，這些監(jiān)測技術(shù)包括：潛在泥沙來源區(qū)的目測評(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、剖面測量計(jì)、光電侵蝕針體系等。然而，利用上述方法雖然是和接近實(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，通過測量和比對流域不同區(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加州大學(xué)國家能源技術(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，然后由光譜檢測單元對等離子體的光譜進(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，具有高精度和優(yōu)秀的可靠性與重復(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，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，元素分布、深度分析等功能，多閃累積LIBS信號(hào)，多譜線對比顯示

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

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)、激光測量頭和視頻測量頭、測量池、樣品分散系統(tǒng)

測量參數(shù)：土壤粒徑、粒形、顆粒濃度

測量原理：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

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

視頻通道測量范圍：2-3600μm

濃度測量范圍：高達(dá)109顆粒/cm3(對1μm顆粒)

測量池模塊：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)雜的光譜測量數(shù)據(jù)直接變成測量結(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，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，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比分析，并可實(shí)現(xiàn)元素的指紋識(shí)別。

美國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含量情況。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實(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。

美國加利福尼亞州大學(xué)國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、美國橡樹嶺國家實(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)在國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較為成熟的商品化，相對而言，國內(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