史瑋玥, 岳 榮, 方怒放

〔1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 信息工程學(xué)院， 北京 100083；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100〕

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，強(qiáng)烈的土壤侵蝕引起土壤養(yǎng)分流失，土地退化和生產(chǎn)力降低，侵蝕所產(chǎn)生的泥沙涌入河道，成為污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要載體[1]。流域作為黃土高原水土保持綜合治理的基本單元，蘊(yùn)含了大量泥沙侵蝕特征和侵蝕環(huán)境信息。在小流域侵蝕產(chǎn)沙系統(tǒng)中，侵蝕泥沙的來源、類型、時(shí)空分布可以決定流域泥沙輸出的屬性[2]。判別黃土高原流域泥沙來源成為流域土壤侵蝕和泥沙運(yùn)移研究的重要方面，有助于為黃土高原小流域水土流失綜合治理提供針對(duì)性的管理措施，為水土保持措施的實(shí)施提供理論指導(dǎo)。

指紋識(shí)別技術(shù)示蹤泥沙始于20世紀(jì)70年代。早期使用單因子，采用大氣沉降核素[3-5]、穩(wěn)定同位素[6]、土壤礦物[7]為指紋因子，之后隨著指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，因子種類不斷豐富。例如利用大氣沉降核素(137Cs，7Be，210Pbex)在表土中具有特殊的分布性質(zhì)，在示蹤坡面土壤侵蝕過程[8-9]、估算土壤侵蝕沉積速率、土壤侵蝕量[10-13]、反演流域侵蝕歷史[14]等研究中具有明顯優(yōu)勢(shì)。單因子指紋識(shí)別技術(shù)雖然應(yīng)用的較多，但具有不確定性：①指紋因子濃度受地貌、土壤、植被、氣候、土地利用等流域環(huán)境因素的影響而具有明顯的差異；②當(dāng)物源數(shù)量增多時(shí)，指紋因子濃度不能在物源間表現(xiàn)出顯著差異，即在多物源情況下，單指紋因子已經(jīng)不具備判別能力；③土壤侵蝕的方式不一，泥沙輸移路徑方式的復(fù)雜性和不確定性，也降低了單指紋因子的識(shí)別能力；④指紋判別能力的差異以及在泥沙中保存性能的差異，使得不同元素示蹤得出的結(jié)果差異較大。因而，采用復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)，通過因子篩選確定最優(yōu)因子組，再結(jié)合多變量線性混合模型，計(jì)算各潛在源地的泥沙貢獻(xiàn)比，可使指紋識(shí)別技術(shù)的可信度和準(zhǔn)確度得到大幅提高。

1 理論基礎(chǔ)

泥沙來源復(fù)合指紋示蹤技術(shù)，是以地表物質(zhì)內(nèi)所含的各種物質(zhì)指標(biāo)為指紋識(shí)別因子，選擇由多因子指紋組合替代單指紋因子，結(jié)合多變量線性混合模型，定量計(jì)算不同泥沙物源區(qū)輸沙貢獻(xiàn)的技術(shù)方法。流域內(nèi)的土壤、植被、地質(zhì)、地貌以及土地利用、農(nóng)作物管理措施共同影響泥沙運(yùn)移，構(gòu)建流域內(nèi)泥沙來源的時(shí)間、空間分布格局[2]。在一個(gè)流域內(nèi)，地質(zhì)上的相異性是導(dǎo)致地表物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的內(nèi)部因素，而一些外部因素如地貌變化、土地利用、地表侵蝕會(huì)直接影響含沙流的運(yùn)移路徑和方式，從而使地表物質(zhì)的物理化學(xué)等各種性質(zhì)差異進(jìn)一步加強(qiáng)，最終在流域出口泥沙中，使得指紋因子在含量、種類上顯現(xiàn)出差異[15]。指紋示蹤技術(shù)就是通過以上內(nèi)部聯(lián)系，再建立質(zhì)量平衡模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥沙來源的定量分?jǐn)偂?/p>

2 各因子研究進(jìn)展

應(yīng)用指紋因子示蹤泥沙來源包括幾個(gè)前提條件[16]：首先指紋因子要有保存性，在泥沙運(yùn)移過程中不受其他因素的影響而發(fā)生變化；其次所使用的指紋因子要有判別能力，在各泥沙來源區(qū)之間差異性顯著；最后所應(yīng)用的定量模型要有估算流域內(nèi)各泥沙來源區(qū)對(duì)流域產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)能力。目前來說，黃土高原地區(qū)所用于示蹤泥沙來源的指紋因子，按性質(zhì)主要分為3大類，分別為物理性質(zhì)類屬性(土壤粒徑分布、顆粒形態(tài)、顏色等)、化學(xué)性質(zhì)類屬性(放射性核素、無機(jī)元素、礦物成分、土壤磁性等)、生物性質(zhì)類屬性(有機(jī)組分、有機(jī)化合物、生物標(biāo)志物、穩(wěn)定性同位素等)，表1概括了當(dāng)前黃土高原地區(qū)運(yùn)用復(fù)合指紋示蹤技術(shù)判別泥沙來源的大概進(jìn)展，同時(shí)總結(jié)了黃土高原地區(qū)所使用的各指紋因子的特性及研究進(jìn)展。

2.1 土壤物理性質(zhì)

泥沙顏色、形態(tài)、粒度都可以作為指紋識(shí)別因子。在早期的研究中，Grimshaw和Lewin[17]通過泥沙顏色，對(duì)沉積泥沙來源進(jìn)行判別。Boer和Crosby[18]利用SEM/EDS(掃描電子顯微鏡/能量色散光譜分析法)，將黏土類的顆粒形態(tài)作為示蹤因子，判別了流域兩種表層土壤來源。Pulley等[19]利用土壤磁性和顏色作為示蹤劑對(duì)沉積物來源進(jìn)行比較，得出顏色適用于追蹤歷史沉積物來源。在黃土高原地區(qū)，王曉[20]采用粒度分析法對(duì)小流域泥沙來源進(jìn)行分析，得到了黃土高原砒砂巖區(qū)小流域泥沙主要來源是溝谷地。安正鋒[21]、彌智娟[22]除了將所有理化屬性指標(biāo)作為指紋因子進(jìn)行分析外，還將泥沙各個(gè)粒徑區(qū)間和特征粒徑作為識(shí)別因子共同進(jìn)行分析，得到了砂巖是皇甫川流域典型淤地壩攔截泥沙主要貢獻(xiàn)區(qū)。由于泥沙的輸移具有顆粒的分選性，細(xì)沙又有團(tuán)聚和分散作用，并且伴隨土壤發(fā)生的化學(xué)變化，導(dǎo)致泥沙顏色具有極大的不穩(wěn)定性。因而，單一物理性質(zhì)因子在實(shí)際應(yīng)用中受到許多限制。

2.2 核素因子

核素指紋因子主要為天然放射性核素(137Cs，7Be，210Pbex，226Ra，232Th等)。20世紀(jì)60年代初，Menzel[23]研究了放射性核素的運(yùn)移和土壤侵蝕的關(guān)系，而后Walling和Woodward[24]利用137Cs，210Pb，226Ra這3種核素，結(jié)合有機(jī)碳氮、磁性組成復(fù)合指紋，證明了復(fù)合指紋識(shí)別在大尺度流域內(nèi)確定沉積物來源的應(yīng)用潛力。Schuller等[25]利用137Cs，210Pb，226Ra，40K、土壤有機(jī)質(zhì)構(gòu)成復(fù)合指紋，研究了林業(yè)作業(yè)背景下細(xì)顆粒泥沙主要來源。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)80年代，張信寶等[26]在羊道溝開展了黃土高原小流域泥沙來源的137Cs法研究，判別梁峁坡和溝壑區(qū)的相對(duì)來沙量，得出了溝道區(qū)為泥沙主要來源地。楊明義等[27]、李少龍等[28]以及楊明義和徐龍江[29]在黃土高原地區(qū)用放射性核素進(jìn)行了泥沙示蹤研究，同時(shí)證明了復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)在黃土高原地區(qū)用于識(shí)別泥沙來源的可行性。

放射性核素作為識(shí)別因子，在較大尺度有較多優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用較多的核素如137Cs(半衰期30.1 a)，它是核試驗(yàn)的產(chǎn)物，在20世紀(jì)60年代達(dá)到頂峰，之后由于禁止核試驗(yàn)，137Cs在土壤中的含量會(huì)隨著時(shí)間的推移衰變或侵蝕掉，失去示蹤能力[30]；而7Be半衰期只有53.3 d，只能在次降雨短期內(nèi)進(jìn)行示蹤，受時(shí)間尺度影響很大[31]。

2.3 地球化學(xué)性質(zhì)

地球化學(xué)組成分為主要元素(Na，Mg，Ca，K，F(xiàn)e，Al等)、微量元素(Ba，As，Cr，Zn，Co，Cs，Ag，Cd，Cu，Mn，Ni，Pb，Sb，Se，V，Hf等)、稀土元素(REE)(Ce，Eu，La，Lu，Sm，Tb，Yb等)，目前已廣泛被用于沉積物來源示蹤和重建歷史沉積物來源。不同的母巖構(gòu)成，則直接影響空間來源的地球化學(xué)元素含量，可以用于各類母巖發(fā)育下土壤類型區(qū)泥沙來源判別；在相同母巖類型區(qū)，成土過程由于風(fēng)化作用、淋溶作用、土地利用、植被覆蓋等影響，地球化學(xué)組成同樣存在差異。1997年，Collins等[32]利用漫灘沉積物中的地化元素作為指示劑，重建兩個(gè)流域盆地沉積物來源的變化。范立杰[33]利用地化元素研究皇甫川壩控小流域泥沙來源，得到裸巖是主要的泥沙貢獻(xiàn)區(qū)，占到39.7%。

Knaus和Gent[34]指出最好的穩(wěn)定示蹤劑應(yīng)該是和土壤緊密結(jié)合、對(duì)生物無害、隨水遷移能力弱、背景值較低。稀土元素(REE)正是這樣一種理想的示蹤物質(zhì)，其容易被土壤顆粒強(qiáng)烈吸附，與土壤有較高的親和力，利用中子活化分析檢測(cè)時(shí)，靈敏度高，簡(jiǎn)單易行[35-37]；而且REE間具有相似的化學(xué)性質(zhì)，利用稀土元素進(jìn)行研究，可以消除元素之間化學(xué)性質(zhì)差異而引起的試驗(yàn)誤差[38]。

在黃土高原地區(qū)，石輝等[38]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，首次將REE示蹤法引入泥沙來源研究，表明REE示蹤法可以得到較滿意結(jié)果。薛亞洲等[39]通過研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕嚴(yán)重區(qū)主要集中在坡面下部的三分之一區(qū)域，產(chǎn)沙量幾乎占到坡面產(chǎn)沙量的100%。魏霞等[40]利用REE示蹤技術(shù)，在室內(nèi)利用坡溝系統(tǒng)模型，對(duì)黃土高原坡溝系統(tǒng)侵蝕泥沙來源問題進(jìn)行研究。目前黃土高原已有的REE示蹤多數(shù)局限在室內(nèi)模擬，在流域尺度上還未見報(bào)道。

2.4 土壤磁性

原生鐵通過一系列生物化學(xué)作用生成次生磁礦物，性質(zhì)穩(wěn)定，在土壤中的保存性能強(qiáng)。大尺度范圍內(nèi)，不同區(qū)域磁性礦物的分布具有明顯的差異性，其種類、含量和賦存方式主要受到成巖過程和地質(zhì)構(gòu)造所影響，小尺度范圍內(nèi)，植被覆蓋、土地利用等微地貌的差異，也使磁性礦物具有差異性[41]。在土壤空間剖面分布上，表層土壤磁性強(qiáng)度高，以超順磁性顆粒為主[42]。沉積物磁性繼承了其來源物質(zhì)的屬性，沉積物來源不同，其磁性礦物成分、含量、顆粒度也不同，所以他們的磁性特征如磁化率、飽和剩磁、矯頑力等就有差別，將它們和周圍可能的來源區(qū)泥沙磁性作對(duì)比，就可以得出各種沉積泥沙的準(zhǔn)確來源[41]。土壤磁性作為示蹤因子，有兩大優(yōu)勢(shì)：一是連續(xù)性好、分辨率高、有效記錄了氣候、人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響；二是磁參數(shù)的測(cè)量簡(jiǎn)單快速、無破壞性。經(jīng)過磁參數(shù)測(cè)試后，還可以進(jìn)行核素，地球化學(xué)分析，也可以迅速與其他指紋因子相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)合示蹤。20世紀(jì)70年代，Oldfield等[43]最早利用質(zhì)量磁化率、飽和等溫剩磁，剩磁矯頑力等磁性參數(shù)識(shí)別了河流中懸浮泥沙來源。80年代末90年代初，Yu和Oldfield[44]、俞立中[45]等說明了沉積物來源組成定量分析的磁診斷模型，利用磁信息對(duì)沉積物來源組成的定量計(jì)算。董元杰和史衍璽[46]利用磁性示蹤法對(duì)坡面土壤侵蝕進(jìn)行了探討，認(rèn)為其是一種行之有效的方法。賈松偉和韋方強(qiáng)[47]利用土壤磁性特征在蔣家溝流域研究沉積物的來源，表明滑坡體堆積物是泥石流沉積物的主要來源。在黃土高原小流域研究中，趨磁細(xì)菌[48]、碳酸鹽淋溶[49]、作物覆蓋燃燒[50]、有機(jī)質(zhì)和土壤粒徑大小[51]對(duì)土壤磁化率的影響也不容忽視，目前在黃土高原，大多數(shù)學(xué)者如Zhao等[52]、王永吉[53]是把磁性因子和其他因子結(jié)合，采用復(fù)合指紋識(shí)別技術(shù)判別泥沙來源。

2.5 土壤有機(jī)組分、穩(wěn)定同位素和孢粉因子

土壤有機(jī)組分是構(gòu)成土壤有機(jī)質(zhì)的基本元素，是碳、氮生物循環(huán)的重要組成物質(zhì)。近年來，許多研究者將土壤有機(jī)組分作為指紋因子，在黃土高原小流域進(jìn)行沉積土壤有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳和沉積泥沙來源判別，得到了比較好的效果。Liu等[54]利用13C和放射性同位素(137Cs和210Pbex)，以及C/N來定性和定量地識(shí)別有機(jī)碳來源。張瑋[55]，Zhang等[56]將土壤有機(jī)質(zhì)，TN，TP，TK和其他指紋因子復(fù)合，得到了農(nóng)耕地、裸地是主要的泥沙來源區(qū)。然而，有機(jī)碳的含量隨時(shí)會(huì)受到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的制約[57]，種植系統(tǒng)和輪作次序的不同，會(huì)使土壤有機(jī)質(zhì)在土壤剖面分布產(chǎn)生差異[58]，農(nóng)作物和樹種枯落物在壩地堆積以及施加氮肥、磷肥、有機(jī)肥也會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的富集和分解。所以，判別泥沙來源時(shí)，一般多是將土壤有機(jī)質(zhì)、全碳、全氮等與其他因子復(fù)合，很少單獨(dú)使用。

碳、氮穩(wěn)定同位素(δ13C，δ15N)作為土壤重要組成部分，其代表碳庫(kù)和氮庫(kù)的土壤有機(jī)質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中扮演了重要角色。δ13C受地面植被種類，土壤顆粒大小和土壤深度的影響而表現(xiàn)出差異性。δ15N是15N和14N的比值，表面土壤的δ15N來自腐爛植被和植物根部的有機(jī)物質(zhì)的輸送，反映了泥沙物源區(qū)的植被覆蓋類別和土地管理措施的特點(diǎn)。Mukundan等[59]在南皮埃蒙特流域?qū)?1種示蹤劑進(jìn)行測(cè)試，得出137Cs和15N是識(shí)別流域潛在沉積物來源的最佳示蹤劑，并表明δ15N作為一種獨(dú)特示蹤劑，可以區(qū)分不同來源地的土壤。Papanicolaou等[60]在帕盧斯河流域利用δ15C,δ15N和C/N識(shí)別森林和農(nóng)業(yè)用地土壤，得到了氮穩(wěn)定同位素和C/N是可靠的指紋識(shí)別因子。Blake等[61]使用單體同位素分析法在農(nóng)業(yè)小流域辨別了不同泥沙來源。黃土高原地區(qū)，安正峰[21]利用穩(wěn)定碳、氮同位素作為復(fù)合指紋因子在黃土高原多沙粗沙區(qū)小流域進(jìn)行產(chǎn)沙來源判別，得到了砂巖是主要的泥沙來源。干旱、氣候變化、海拔、以及施肥會(huì)對(duì)碳氮同位素產(chǎn)生重大影響[60]，在利用碳氮同位素時(shí)，必須重點(diǎn)注意如氣侯條件、海拔高度、緯度等改變沉積物穩(wěn)定同位素組成的因素。

孢粉是孢子植物的孢子和種子植物的花粉，質(zhì)輕量多，散布極遠(yuǎn)，性質(zhì)比較穩(wěn)定。1985年，Brown[62]首次論證了孢粉在判別沉積泥沙來源中的潛在用途。何永彬等[63]利用137Cs示蹤技術(shù)和孢粉分析法，對(duì)喀斯特峰叢草地洼地泥沙沉積進(jìn)行研究。在黃土高原地區(qū)，張信寶等[64]在陜北吳起縣周灣水庫(kù)利用孢粉進(jìn)行示蹤，得到了坡地和草地土壤不是沉積泥沙的主要來源孢粉濃度的變化受到季節(jié)、花粉生產(chǎn)力、花粉的耐腐蝕性以及花粉顆粒的分散度影響較大；在采樣過程中，采樣點(diǎn)和散播花粉植被的距離也會(huì)對(duì)孢粉濃度產(chǎn)生影響，還有關(guān)于孢粉的運(yùn)輸方式和儲(chǔ)存過程還尚在研究中，并不成熟[62]，在黃土高原地區(qū)使用孢粉示蹤的相關(guān)研究還相對(duì)較少。

2.6 生物標(biāo)志物

生物標(biāo)志物(由C，H及其他元素組成的復(fù)雜有機(jī)物質(zhì))存在于沉積物或巖石中，在演化過程中記載了原始生物母質(zhì)碳骨架的特殊分子結(jié)構(gòu)信息。目前來說研究范圍主要在類脂物分子、烷烴、非烴類的酸、醇、酯等。2008年，Gibbs[65]首次利用對(duì)植物的天然生物標(biāo)志物(脂肪酸)的同位素分析，得到了不同土地利用下的物源區(qū)對(duì)河口沉積物的貢獻(xiàn)。陳方鑫等[66]利用生物標(biāo)志物(正構(gòu)烷烴)與其他理化性質(zhì)作為復(fù)合指紋因子，在黃土丘陵區(qū)判別沉積泥沙來源，得到了溝壁是主要泥沙來源區(qū)的結(jié)論。Liu等[67]利用烷烴生物標(biāo)記、碳氮同位素和有機(jī)組分對(duì)土壤有機(jī)物來源進(jìn)行示蹤，得到了農(nóng)田是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源。生物標(biāo)志物與地質(zhì)條件關(guān)系不大，與土地利用關(guān)系密切，生物標(biāo)志物示蹤就可應(yīng)用在土壤質(zhì)地較為均一的區(qū)域。

2.7 光譜法示蹤

紅外光譜示蹤法是將紅外光譜作為指紋示蹤因子，借助化學(xué)計(jì)量法對(duì)紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和特征提取，建立定量模型，對(duì)泥沙來源進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。紅外光譜示蹤法原理在于物質(zhì)在紅外光譜范圍的吸收峰為基頻、倍頻與合頻吸收，不同化合物有其特異的紅外吸收光譜，其譜帶的強(qiáng)度、位置、形狀及數(shù)目均與化合物及其狀態(tài)有關(guān)。Poulenard等[68]初次嘗試使用漫反射紅外光譜示蹤河流懸浮沉積物來源并取得了理想的結(jié)果。先后有學(xué)者利用可見光譜在盧森堡[69]和法國(guó)[70]，紫外可見光譜[71]和近紅外光譜[72]在巴西南部，可見近紅外光譜在盧森堡[73]，中紅外在法國(guó)[74]開展泥沙來源的研究。在進(jìn)行光譜法示蹤研究建模時(shí)，一般選用偏最小二乘法基于不同源地配比的混合樣構(gòu)建模型，再把目標(biāo)樣品帶入模型中，計(jì)算目標(biāo)樣品來源及比例[68-69]。紅外光譜技術(shù)具有樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、快速、高效、等優(yōu)勢(shì)，受到較多關(guān)注，但是在黃土高原地區(qū)尚未見報(bào)道。

3 混合模型

數(shù)值混合模型的應(yīng)用，使得各潛在泥沙源地泥沙貢獻(xiàn)率得到量化[75]。1986年，Thompson[76]在研究如何通過找到最佳的原樣組合來解釋所調(diào)查沉積物的磁特性時(shí)，通過建立m個(gè)線性方程組來求解這類混合問題。之后在1989年，Yu和Oldfield[44]采用多元回歸分析法對(duì)各種磁參數(shù)建立的回歸方程進(jìn)行分析，通過得到的線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模式，對(duì)沉積物來源組成進(jìn)行定量分析。1993年，Walling等[77]提出了一種更為簡(jiǎn)單的方法，避免了建立經(jīng)驗(yàn)混合模型方程，其混合模型的基本表述為：

(1)

式中：Ci——泥沙樣指紋因子 的濃度；Xj——泥沙源地j的泥沙貢獻(xiàn)率；Sji——源地j中指紋因子i的平均濃度；m——潛在泥沙源地?cái)?shù)量。下同。

表1 黃土高原地區(qū)復(fù)合指紋示蹤研究概況

Walling等通過引入數(shù)據(jù)分析優(yōu)化模型使得各源地的泥沙貢獻(xiàn)率更接近實(shí)際情況，通過找到各源地的泥沙貢獻(xiàn)率，使模擬的指紋因子屬性值和實(shí)際屬性值的相對(duì)誤差平方和最小，模型如下：

(2)

1997年，Collins等[84]在模型中加入有機(jī)質(zhì)和土壤粒徑校正因子，后來在Collins[85]的修正模型中，還加入了指紋因子判別權(quán)重。2006年，Landwehr和Gellis[86]在確定源地對(duì)河流樣品相對(duì)來源貢獻(xiàn)時(shí)，通過潛在來源地中示蹤因子濃度的方差的均方根使模型數(shù)值結(jié)果最小化。2009年，Gellis等[87]將Landwehr模型進(jìn)行改良。Landwehr模型的獨(dú)特之處在于該模型公式使一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，并不受示蹤因子濃度直接影響，所以，當(dāng)示蹤因子的濃度非常小或者接近于0時(shí)，這個(gè)模型就顯得特別有用[88]。Huges等[89]采用蒙特卡羅混合模型來預(yù)測(cè)各個(gè)來源對(duì)河道和漫灘沉積泥沙的相對(duì)貢獻(xiàn)，Huges模型是對(duì)Olley和Caitcheon[90]所概述的方法進(jìn)行修改，模擬蒙特卡羅隨機(jī)抽樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過隨機(jī)迭代程序，從而將模型的結(jié)果失誤最小化。Huges模型與Collins模型最大的不同之處在于Huges模型是直接用來源地收集的土壤樣的測(cè)量值進(jìn)行分析計(jì)算，而Collins模型則是使用每個(gè)特定來源類型的示蹤因子的平均值[91]。Motha等[92]提出的模型是基于模型與沉積泥沙中指紋因子濃度之間相對(duì)誤差的均方根。而Walden等[93]所提出的模型是在Thompson基本模式下演變而來。表2列出了幾種模型及其修正結(jié)構(gòu)。

在黃土高原地區(qū)，由于黃土質(zhì)地較為均一和侵蝕泥沙中較低的有機(jī)質(zhì)含量，目前運(yùn)用最多的是Walling的模型。

表2 幾種混合模型及其修正形式

注：式中:Ci為泥沙中指紋因子i的濃度；Xj為源地j的相對(duì)產(chǎn)沙率；l為蒙特卡羅迭代次數(shù)；Sji為源地j中指紋因子i的平均濃度；VARji為源地j指紋因子i的方差；m為泥沙潛在源地?cái)?shù)；n為指紋因子數(shù)。下同。

4 算法運(yùn)用

目前在黃土高原地區(qū)，研究者在利用混合模型求解時(shí)，大多用到的算法有兩種，一是最小二乘法，二是遺傳算法[94]。在泥沙沉積物來源判別中，1999年，Owens等[95]使用最小二乘法在英國(guó)約克郡河灣流域判別成沉積物來源及其歷史變化。在黃土高原地區(qū)，趙恬茵[70]、薛凱[72]、王永吉[53]研究人員在求解多元混合模型時(shí)大多都使用最小二乘法，取得了較滿意的研究結(jié)果。首次將遺傳算法運(yùn)用在泥沙示蹤方面是Collins等[96]在英格蘭南部的皮德爾河上游利用地球化學(xué)元素并結(jié)合遺傳算法研究農(nóng)田侵蝕沉積物來源，同時(shí)將傳統(tǒng)的優(yōu)化算法和遺傳算法作了比較。在黃土高原地區(qū)研究中，Chen等[79-80]利用遺傳算法來預(yù)測(cè)泥沙來源貢獻(xiàn)，取得了較好的研究成果。

5 不確定性分析

混合模型是基于兩個(gè)基本的假設(shè)，即源示蹤指紋因子的時(shí)空同質(zhì)性，土壤屬性和泥沙屬性兩者可以相互比較；沉積物在輸移過程中，指紋因子具有保守性。這樣的假設(shè)，使得這種方法具有內(nèi)在的不確定性[97]。Martínezcarreras等[98]指出，導(dǎo)致這種不確定性的原因可有： ①泥沙潛在來源的數(shù)量和性質(zhì)通常是假定的，用于示蹤來源的指紋因子可能在時(shí)間和空間上發(fā)生變異； ②同時(shí)在泥沙輸移過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，發(fā)生沿程形態(tài)轉(zhuǎn)變； ③物源區(qū)和河道之間聯(lián)系并不明確； ④不同來源的泥沙是否混合均勻； ⑤線性疊加關(guān)系假設(shè)不一定都滿足。所以在對(duì)泥沙來源復(fù)合指紋示蹤研究時(shí)，需要進(jìn)行不確定性分析。

Motha等[92]，Collins和Walling[99]都使用模擬蒙特卡羅隨機(jī)抽樣法，根據(jù)每個(gè)源類型的每個(gè)指紋屬性的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來構(gòu)建累積正態(tài)分布，從而確定示蹤劑屬性的平均值范圍來描述一個(gè)特定的來源，在置信限度內(nèi)估計(jì)每一種源類型對(duì)每個(gè)泥沙樣品的相對(duì)貢獻(xiàn)。Chen等[80]在黃土高原埝堰溝流域內(nèi)進(jìn)行泥沙來源判別時(shí)，通過模擬5 000次蒙特卡羅抽樣結(jié)合遺傳算法，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，用每個(gè)數(shù)據(jù)集的均值表示貢獻(xiàn)率。

擬合優(yōu)度最初由Motha提出，用懸浮沉積物的每一種示蹤物的計(jì)算值和實(shí)際值之間的相對(duì)差異來衡量[92]，一般當(dāng)擬合優(yōu)度值大于0.8時(shí)，其結(jié)果精確度才會(huì)被接受[99]。具體的計(jì)算方法如下：

(6)

式中：n——指紋識(shí)別因子數(shù)量。

6 關(guān)于復(fù)合指紋技術(shù)在黃土高原地區(qū)使用的一些建議

選用不同指紋因子時(shí)，首先要注重流域尺度問題。因黃土質(zhì)地較為均一，在較小尺度，地球化學(xué)元素差異可能較小，不適宜做示蹤研究。但是黃土有垂直分布，馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土組成差異明顯，假如侵蝕泥沙來源于不同黃土，則地球化學(xué)元素又可以作為指紋因子。放射性核素適用于耕作侵蝕/坡面侵蝕研究，而對(duì)于溝蝕下切較深部位，放射性核素是不能用來計(jì)算泥沙來源的，故而在黃土高原小流域/流域尺度不建議使用放射性核素進(jìn)行泥沙來源研究，但是在沉積物斷代、區(qū)分溝蝕/面蝕等非定量研究上，可以使用放射性核素作為參考。生物標(biāo)志物作為指紋因子可以表征土地利用，結(jié)合同位素技術(shù)具有較大應(yīng)用前景，但是黃土高原大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)過程使得土地利用發(fā)生較大變化，在選用指紋因子和確定泥沙源地時(shí)，應(yīng)考慮植被變化對(duì)生物標(biāo)志物的影響，且對(duì)有機(jī)質(zhì)在土壤中的分解、輸移、物質(zhì)守恒需要有一定的理解?？傮w來說指紋因子的選擇取決于研究地點(diǎn)、研究尺度、研究目的以及對(duì)各類示蹤劑理化性質(zhì)的了解上，好的指紋因子保守性要強(qiáng)，在各潛在來源之間可以明顯區(qū)別、性質(zhì)穩(wěn)定，在水沙輸移過程中，變異程度小或者在可接受范圍內(nèi)。此外還應(yīng)該考慮時(shí)間、價(jià)格、試驗(yàn)難易程度等。例如稀土元素REE、生物標(biāo)志物因子測(cè)定價(jià)格較高，137Cs示蹤測(cè)試耗時(shí)較長(zhǎng)等，都是需要考慮的因素。

近20 a來，復(fù)合指紋識(shí)別泥沙來源技術(shù)在黃土高原地區(qū)發(fā)展迅速，目前黃土高原地區(qū)還是以探討指紋因子應(yīng)用研究為主，在混合模型矯正，多方法比較，指紋因子守恒，泥沙顆粒和有機(jī)質(zhì)影響等方面的研究還有所欠缺。為更好地應(yīng)用復(fù)合指紋示蹤技術(shù)，從采樣到數(shù)據(jù)處理，從因子選擇到模型驗(yàn)證，應(yīng)當(dāng)通過大量的研究形成一套規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)程序，確保其對(duì)泥沙來源研究能提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。