J200流域侵蚀元素迁移分析系统

撰稿人: 日期:2013-7-19 点击次数:7031

1 引言

土壤侵蚀造成的水土流失是流域输入大量泥沙的主要原因之一,也是造成流域非点源元素输入和迁移的主要载体。土壤粒径是影响土壤可耕性和保水性的重要指标,流域泥沙颗粒粒径的分布对于确定水土流失过程中流域沉积物的迁移曲线和评价流域水体环境是否退化具有重要的参考意义。因此流域侵蚀的泥沙来源确定、元素迁移路径研究和颗粒粒径分析对流域治理及水土保持措施评价具有很重要的理论和现实意义。

传统的泥沙来源确定是用一系列直接监测技术,这些监测技术包括:潜在泥沙来源区的目测评价、调查侵蚀痕迹、用航片和数字地形图、GIS软件分析泥沙来源、侵蚀针、剖面测量计、光电侵蚀针体系等。然而,利用上述方法虽然是最有效和接近实际的手段,但往往会因人为因素、客观条件及经费的限制,难以保证长时间应用和空间所有代表性的资料和数据的完整采集,因而得到的结果不具有连续性,一般不能为重现泥沙的来源和元素迁移路径及时提供有益的历史记录。

目前现代地球化学方法(又称指纹法)得到广泛应用,即利用保存在泥沙剖面中的各种地球化学记录,确定泥沙的源地及元素的空间分布。

2 分析系统设计

2.1 目标

流域侵蚀元素迁移分析系统基于现代地球化学方法原理,应用地球化学组成元素参数(如Fe、Ca、Cr、Cu、K、Mg、Na、Ni、Sr、Zn、Mn、Al及P等元素的各种形式)和物理参数(如颗粒粒径)作为复合指纹,通过测量和比对流域不同区段泥沙样品的地球化学组成元素指纹光谱特征,同时测量泥沙的颗粒粒径分级,从而精确确定泥沙的来源以及流域侵蚀的程度,也可用于绘制某种或多种特定元素在流域侵蚀过程中的迁移路径。

2.2 分析内容

流域不同区段的泥沙地球化学元素组成成分、泥沙地球化学组成元素的指纹光谱特征、泥沙的颗粒粒径、粒形特性。

2.3 分析系统组成与特性

流域侵蚀元素迁移分析系统由元素分析单元、土壤粒子特性分析单元和专业数据分析软件共同组成。

元素分析单元源自美国加州大学国家能源技术实验室年多年科学研究成果,采用激光在样品表面形成等离子体,然后由光谱检测单元对等离子体的光谱进行分析,进而得到样品的元素组分、含量以及指纹光谱信息。

无需样品制备,数秒内即可同时、快速得到土壤、泥沙、岩层、矿石、植物、气溶胶等样品中70多种元素的含量。

该单元配置的系统软件,可让用户任意选取光谱线及背景,自动去除背景强度、自动计算峰值下的面积,提供谱线的“净”强度;还可优化选择原子/离子发射谱线作不同的分析,在光谱标样基础上制作定量分析标定曲线,并提供了PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析等数据分析工具,方便将随机样品的谱线与数据库中的谱线比较,得到复杂的、多组分样品的定量分析结果。

土壤粒子特性分析单元采用针对旋转的激光光束遮蔽时间的粒径分析技术,在600个不连续的时间间隔进行粒径测量,得到高分辨率的粒径分布。利用该技术,颗粒粒径是直接测出来的,而不是通过粒径的二级特点推算出来的,因此不受折射率指数、粘度变化、布朗运动、热传导和其它物理现象的影响,具有高精度和优秀的可靠性与重复性。

该单元还可收集土壤颗粒的原位数字图像来分析颗粒的大量形状参数,从而进行粒形特征分析。

配置的系统软件包含存储所有数据的SQL数据库,可输出采用报表生成器来生成包括各种类型粒径粒形分布、平均值和统计数据的报表,具有强大的自定义编辑和处理功能,易于数据读取和分析。

2.4 分析系统性能指标

2.4.1 元素分析单元

基本配置:激光、等离子体发射检测模块、光闸延迟调节控制器模块、激光烧蚀及采样行程模块、显示主机

测量参数:土壤中地球化学组成元素种类、含量及其特征指纹光谱

操作系统:硬件控制,预选或自制激光烧蚀采样模式,发射谱线数据库,元素分布、深度分析等功能,多闪累积LIBS信号,多谱线对比显示

光谱数据库:UV-NIR 全光谱,TrueLIBS 发射光谱数据库

采样方法:全采样,夹杂物和微光斑分析,深度分布,元素分布

分析工具:去除发射峰背景,PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析

光谱范围:190-1000nm

2.4.2 土壤粒子特性分析单元

基本配置:主机、激光测量头和视频测量头、测量池、样品分散系统

测量参数:土壤粒径、粒形、颗粒浓度

测量原理:激光视频双通道,模块化配置。激光通道采用激光光阻法(又称时间转换理论),视频通道采用动态图像分析法

激光通道测量范围:0.1-2000μm,分辨率:全量程的0.33%,最小可达0.2μm

视频通道测量范围:2-3600μm

浓度测量范围:高达109颗粒/cm3(对1μm颗粒)

测量池模块:液体、乳液/不透明液体、干粉、纤维、磁性颗粒、加热液体及气溶胶可选

样本分散系统:自动液体循环、干粉分散器、粉料送样器、温度控制器、气溶胶控制器可选

3 数据分析

3.1 元素组成及光谱特征数据分析

系统配置的系统软件实现了将复杂的光谱测量数据直接变成测量结果。强大的光谱分析工具可让用户任意选取光谱线及背景,自动计算峰值下的面积,提供谱线的“净”强度。在系统软件中可优化选择原子/离子发射谱线作不同的分析,在光谱标样基础上制作标定曲线,完成高精度定量分析。

软件提供多种数据分析工具,如:PCA、PLS、多参数线性回归、化学统计分析等。让用户将随机样品的谱线与数据库中的谱线比较,得到复杂的、多组分样品的定量分析结果。

 

 

3.2 土壤粒径粒形特性数据分析
系统软件包含存储所有数据的SQL数据库,可输出采用报表生成器来生成包括各种类型粒径粒形分布、平均值和统计数据的报表,具有强大的自定义编辑和处理功能,易于数据读取和分析。 目标数据库含有分布中单个颗粒的粒径和图像信息。只要轻轻点击,每一颗粒的详细信息都会被显示。

 

 

 

从目标数据库里选择信息,以进一步分析探究图形分布的信息。

 

系统软件包含存储所有数据的SQL数据库,可输出采用报表生成器来生成包括各种类型粒径粒形分布、平均值和统计数据的报表,具有强大的自定义编辑和处理功能,易于数据读取和分析。 目标数据库含有分布中单个颗粒的粒径和图像信息。只要轻轻点击,每一颗粒的详细信息都会被显示。

 

4 系统应用

流域侵蚀元素迁移分析系统基于成熟的光谱技术和激光遮蔽时间理论,大大缩短了常规分析方法所需的较长实验周期。能够进行多种类型样品多种元素成分的组成和含量对比分析,并可实现元素的指纹识别。

美国Russo科研小组采用该系统快速分析了包括粘土、壤土、沙土在内的7种样品中C、K、Ca、Mn、Al等5种元素的含量,通过叠加各元素的光谱谱图,并比较特征谱线的强度,可清晰地看出不同样品不同元素的相对含量情况。

 

 

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室利用该系统获得岩石和沙粒的指纹光谱,通过比对来自不同地域的样品指纹光谱特征,从而应用于沙尘暴的精确溯源和痕量元素指纹识别的深入研究。

 

美国加利福尼亚州大学国家能源技术实验室、美国橡树岭国家实验室环境科学部也将该系统广泛应用于不同矿石样品不同区域的元素组成特点及具体含量分析、金属材料的组成成分分析、土壤中总碳含量等的研究。

 

 

目前该系统基于的技术在国外已经实现较为成熟的商品化,相对而言,国内利用相关技术和仪器设备还处于起步阶段,尚有着广阔的科研空间。 随着激光技术及检测技术的快速发展,该系统必将在流域侵蚀泥沙来源的确定、流域元素的迁移路径分析、土壤污染及修复、土壤和植物元素分布、沙尘溯源分析及其颗粒粒径等级和粒形特性研究等生态地球化学领域展示更加深入的应用前景。

 

5 参考文献

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