基于中红外光谱的黄土丘陵沟壑区泥沙来源示踪研究
倪玲珊
Subtype博士
Thesis Advisor谭文峰
2020-05
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name农学博士
Degree Discipline土壤学
Keyword土壤侵蚀 指纹示踪 泥沙来源 中红外光谱 黄土高原
Abstract

土壤侵蚀严重危害生态环境并制约社会经济发展,侵蚀泥沙来源的识别是土壤侵蚀研究的热点和难点,精确识别侵蚀泥沙来源对正确模拟水土流失,进而做到因地制宜,合理布置水保措施有着重要影响。黄土高原丘陵沟壑区土壤侵蚀严重,在该区域开展土壤侵蚀泥沙来源的定量识别,对揭示土壤侵蚀的发生机理及发展过程有着极其重要的意义。本研究选取黄土高原丘陵沟壑区7个集水区小流域作为研究区域,开展基于中红外漫反射光谱的黄土特性表征研究,对黄土中红外漫反射光谱特征进行分析,以能反映黄土显著特性的物质碳酸钙(Calcium carbonate, CaCO3)和土壤有机碳(Soil organic carbonSOC)为例,通过建立基于中红外漫反射光谱的模型对CaCO3含量和SOC含量进行定量预测。在此基础上,进行中红外漫反射光谱技术示踪黄土高原丘陵沟壑区小流域侵蚀泥沙来源的研究,结合沉积泥沙反演土壤侵蚀技术,对9个典型小流域沉积泥沙的坡面和沟道两种侵蚀来源进行了定量识别,并将结果与传统地化指纹示踪法进行对比分析。同时借助构建的中红外光谱示踪法开展黄土丘陵沟壑区河流推移质和悬移质的来源识别。其主要研究结论如下:

1)黄土具有高CaCO3和低SOC的特点,其中红外漫反射光谱表现出明显的CaCO3、有机物及粘土矿物等组分相关基团的特征峰。建立了基于中红外光谱的CaCO3SOC定量模型,模型预测性能受光谱预处理方法、建模回归方法和建模集样本选择的影响。本研究中偏最小二乘法(Partial least squares regression, PLSR)要优于主成分回归法(Principal component regression, PCR)和支持向量机回归法(Support vector machine regression, SVMR)。黄土CaCO3含量和SOC含量的高低会对光谱建模定量预测CaCO3SOC的相对误差产生影响。建立基于中红外光谱的定量预测模型,不仅充分利用了预测目标组分本身的光谱特征,黄土其它组分的光谱特征也参与了模型建立并在其中有重要贡献,但预测目标不同,各光谱特征对建立模型的贡献大小不同。

2)利用中红外光谱结合化学计量学方法构建了基于中红外光谱的黄土丘陵沟壑区泥沙来源示踪技术,在正确判别流域内坡面土壤和沟道土壤两种泥沙源样的基础上,通过构建基于中红外光谱的泥沙来源定量模型,计算得到研究区域沉积泥沙来源以坡面侵蚀土壤为主,沟道侵蚀土壤的平均贡献仅占大约35%。将光谱示踪法与传统地化示踪法进行比较,在大多数沉积旋回泥沙样品中地化示踪法计算出的沟道贡献要低于光谱示踪法结果,但两种方法计算得到的总深度沟道加权平均贡献分别为27%21%,结果基本一致。光谱示踪法由于样品前处理简单,所需样品量少,对样品无损,对环境无污染,测定速度快和经济成本低等优点,使其与传统化学示踪法相比具有明显优势。

3)利用构建的基于中红外光谱的泥沙来源示踪技术,结合PLSR方法建立了基于中红外光谱的河流泥沙来源示踪模型,分别对洪水期和基流期河流推移质及洪水过程悬移质坡面和沟道来源进行了定量预测。结果表明,洪水期和基流期河流推移质总体上均以坡面侵蚀为主,坡面侵蚀贡献分别为65%71%。不同支流推移质来源的变化表现不同,上游支流在洪水期和基流期推移质均以坡面侵蚀来沙为主,下游支流在基流期推移质来源以坡面侵蚀来沙为主,沟道贡献仅占14%,而洪水期则沟道贡献明显增加,达到60%。洪水过程中流域出口悬移质来源以沟道侵蚀贡献为主,沟道贡献比例变化范围为39%-97%,平均沟坡比例大致为12:5,悬移质颗粒的粘粒和粉粒比例明显高于源样,中值粒径明显小于源样。相关分析发现河流泥沙沟道贡献比例与SOC含量、CaCO3含量、粘粒体积百分比和粉粒体积百分比均呈极显著正相关,与砂粒体积百分比和中值粒径呈极显著负相关关系。含沙量与悬移质的沟道贡献比例以及含沙量与中值粒径之间均表现出抛物线拟合关系,但变化规律正好相反。

Subject Area土壤学其他学科
MOST Discipline Catalogue农学::农业资源与环境
Pages97
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/9206
Collection水保所2018--2020届毕业生论文(学位论文、期刊论文)
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GB/T 7714
倪玲珊. 基于中红外光谱的黄土丘陵沟壑区泥沙来源示踪研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020.
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