利用納米磁性材料表征地表濺蝕特征的初探*

汪 倩 林金石 黃炎和 蔣芳市 周 曼 林 蕾 朱 璨

（福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點實驗室，福州 350002）

利用納米磁性材料表征地表濺蝕特征的初探*

汪 倩 林金石?黃炎和 蔣芳市 周 曼 林 蕾 朱 璨

（福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點實驗室，福州 350002）

磁性示蹤研究坡面土壤侵蝕已取得一定成果，但目前的磁性示蹤方法不能滿足次降雨后的濺蝕特征研究。因此，在無磁性的石英砂上施用不同濃度（1.5%、2.5%、3.5%）和不同粒徑（20 nm、200 nm）的納米磁性材料，而后進行人工模擬濺蝕試驗，利用磁化率儀和3D手持微地形掃描儀研究地表磁性變化與濺蝕后地表特征變化之間的關(guān)系，研究利用納米磁性材料表征濺蝕特征的可行性。結(jié)果表明：20 nm磁性材料提高石英砂磁性背景值的幅度遠高于200 nm磁性材料且不同濃度的磁性差異極顯著，兩種納米磁性材料均呈現(xiàn)出布設(shè)濃度越大，示蹤時間越長的特點；濺蝕后表層磁化率隨濺蝕時間的延長而逐漸衰減，二者呈現(xiàn)出相關(guān)性較高的χ1=aln（t）+b對數(shù)函數(shù)關(guān)系；20 nm磁性材料在3.5%濃度下可有效定量表征出石英砂濺蝕量的變化（p＜0.01），二者之間的相關(guān)關(guān)系可用χ2=aMb冪函數(shù)表示；20 nm磁性材料在濺蝕3 min內(nèi)的磁化率變化與微地形高差變化呈極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），說明20 nm磁性材料可以在短時間內(nèi)有效表征出濺蝕地表的侵蝕程度，可表征出的侵蝕厚度在-5～10 mm內(nèi)。該研究證明20 nm磁性材料表征濺蝕地表特征的方法在一定程度上是可行的，可為磁性示蹤法的深入研究提供新的思路和方法。

濺蝕；磁性示蹤劑；納米磁性材料；磁化率；微地形

濺蝕是土壤侵蝕過程的開始，是導致坡面水蝕的重要因子，土壤的濺蝕研究受到人們的長期關(guān)注［1］。濺蝕是南方花崗巖崩壁土壤受侵蝕的主要形式，崩崗崩壁土壤受雨滴濺蝕的面積大同時濺蝕也影響崩壁表面的水分變化從而加重崩壁土壤侵蝕，故濺蝕是崩崗崩壁侵蝕的重要影響因素之一。由于垂直崩壁濺蝕測量與傳統(tǒng)方法差異較大，已有研究采用激光全站儀、3D激光掃描儀、多角度攝影測量等方法進行研究［2-4］，這些方法可以對一段時間（3—6個月）后崩壁濺蝕量進行分析。為了能進行崩壁次降雨后濺蝕特征的研究，需要尋求新的研究方法。磁性示蹤法是一種利用人工磁性示蹤劑或土壤本身的礦物磁性，通過磁化率儀測量土壤侵蝕前后磁化率的變化來確定土壤空間變異規(guī)律的方法。Eriksson和Sandgren［5］最早提出利用天然礦物在泥沙中的相對含量來確定泥沙的來源。Dan Royall［6］認為通過分析土壤表面磁性的變化，可以確定小流域的土壤侵蝕的空間分異模式。Ventura等［7-8］最早利用聚乙烯和磁鐵礦粉研制了一種人工土壤侵蝕磁性示蹤劑，用它研究坡面的侵蝕和沉積的空間分異特征，開創(chuàng)了利用人工磁性示蹤劑研究土壤侵蝕的新思路。近十年來，該方法逐漸得到國內(nèi)廣大科研工作者的重視。董元杰等［9-11］借鑒國外的思路研制了以粉煤灰、水泥等為原料的新型磁性示蹤劑并將其施入土壤，研究坡面土壤侵蝕，認為其可以有效的對磁性背景值較低的土壤進行土壤侵蝕的監(jiān)測研究。胡國慶等［12］通過不同雨強的模擬降雨試驗，研究了新型磁性示蹤劑的示蹤效果，認為示蹤劑布設(shè)深度越淺，土壤磁化率值越小，隨著布設(shè)深度的增加，土壤磁化率大幅升高。王全輝等［13］也在模擬降雨條件下對三個坡度進行磁性示蹤，結(jié)果表明三個坡度上、中、下部分磁化率的變化均能對應相應的侵蝕積累情況。傳統(tǒng)的人工磁性示蹤劑在平地及坡面上的應用為今后的研究奠定了良好的實踐基礎(chǔ)，但在垂直崩壁上難以應用傳統(tǒng)方法布設(shè)示蹤劑進行研究［14-15］，在野外崩崗垂直型崩壁上表征濺蝕地表特征的探究應用上還存在困難。因此，本文通過模擬濺蝕試驗，利用磁性靈敏度高且攜帶及布設(shè)便捷的納米四氧化三鐵磁性材料替代傳統(tǒng)磁性示蹤劑表征無磁性石英砂濺蝕地表特征，探索利用納米磁性材料表征濺蝕地表特征的可行性。為建立磁性示蹤劑的定量表征模型做出方法性探究，也為利用磁性示蹤劑定量測定南方崩崗崩壁濺蝕提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

石英砂：選用分析純的石英砂，磁化率本底值基本接近空氣值，便于納米磁性材料被濺蝕前后的磁化率分析，故供試材料選取25～50目（0.4～0.5 mm）和60～80目（0.2～0.3 mm）兩種石英砂分析純的多次研磨混合物，模仿土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)，保證粒徑大小不同，混合比例1∶1，保證其顆粒大小可以被雨滴濺蝕?；旌虾蟮墓┰嚥牧洗呕示禐?.5（×10-6SI），稍高于背景空氣值。在濺蝕盤內(nèi)填滿供試石英砂并平整壓實，表面覆蓋紗布均勻灑水，使其充分滲透，保證供試材料水分飽和，減少濺蝕初期的干土濺散過程，模擬正常的濺蝕過程，防止干燥石英砂吸水影響濺蝕效果。濺蝕盤底有均勻孔隙供多余水分漏出。石英砂容重控制在1.7～1.8 g cm-3之間，兩種石英砂分析純物理性質(zhì)如表1所示。

納米磁性材料：選用Iron oxide（Ⅱ、Ⅲ）納米四氧化三鐵球形磁珠（20 nm）和Iron oxide（Ⅱ、Ⅲ）納米四氧化三鐵鐵粉（100～300 nm）兩種粒徑的納米磁性材料。由于納米級磁性材料在20 nm前后的磁性差異較大，本試驗兩種納米材料平均粒徑分

別為20 nm和200 nm，并將兩種供試納米磁性材料進行磁性對比分析。由于納米磁性材料的顆粒具有磁性強且比表面高、易團聚、吸附性強的特點，故本試驗選取由醇-水組合的表面活性劑包裹在納米晶體表面的納米磁性材料，以防止納米晶體的團聚，又可以使納米磁珠均勻分散［16-17］。兩種磁性材料均具有較穩(wěn)定的磁響應強的順磁性性質(zhì)及吸附性能。

表1 供試石英砂理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the quartz sand tested

1.2 模擬降雨試驗

采用室內(nèi)人工模擬的試驗方法，人工模擬降雨試驗在福建農(nóng)林大學金山水土保持科教園人工模擬降雨大廳進行。濺蝕試驗選用自制方形雨滴發(fā)生裝置（方形塑膠容器）模擬降雨，選用內(nèi)徑為51 mm的81個針頭均勻布設(shè)在降雨裝置底部，裝置規(guī)格為39.5 cm×28.5 cm×20 cm（長×寬×高），降雨高度為12 m。由于測量供試材料的磁化率值需要隔絕外界的磁性干擾以及方便磁化率探頭均勻測量，試驗根據(jù)此需要將Morgan圓形濺蝕盤改造為人工自制無磁性亞克力板方形濺蝕盤，其他作用保持不變，規(guī)格為20 cm×20 cm×2 cm（長×寬×高），雨滴發(fā)生裝置采用精密蠕動泵調(diào)節(jié)供水。根據(jù)秦越等［18］的研究結(jié)論：當雨滴動能小于0.067 4×10-3J時，雨滴無法產(chǎn)生濺蝕，直徑為2.8～3.8 mm的小雨滴產(chǎn)生的濺蝕量較多，對土壤表面的濺蝕影響最大。故本實驗在前人研究的基礎(chǔ)上，通過OTT Parsivel2型激光雨滴譜儀對自制雨滴發(fā)生裝置的雨滴直徑進行多次濾定（精度達到95%），設(shè)定雨滴直徑為（3.3±0.2）mm，雨強控制為（56±2.5）mm h-1。由于降雨5 min內(nèi)產(chǎn)生的侵蝕厚度遠高于崩壁年侵蝕厚度，考慮到石英砂之間無膠結(jié)，為了在濺蝕盤上形成不同的表面特征，降雨時間設(shè)置為1 min、2 min、3 min、4 min、5 min五個時間段。降雨過程中用方形鐵皮蓋遮擋收集槽，防止土壤濺出收集槽，影響濺蝕量。降雨前后掃描濺蝕土盤的微地形變化并測定表層磁化率值。同時收集石英砂濺蝕量、測定濺蝕泥沙磁化率值。降雨后將收集槽內(nèi)的濺蝕石英砂轉(zhuǎn)移到塑料盒內(nèi)，待濺蝕泥沙磁化率測量結(jié)束后將濺蝕石英砂轉(zhuǎn)至鋁盒內(nèi)，靜置后倒掉上清液，并將其放入烘箱，在105 ℃溫度下烘干并稱取濺蝕石英砂量。整個試驗設(shè)計三次重復，所有數(shù)據(jù)在三次重復后取平均值。

1.3 磁化率及微地形的測定

兩種納米磁性材料均采用電動噴壺均勻噴灑布設(shè)在方形濺蝕土盤表面以提高表層磁性，根據(jù)預實驗多種布設(shè)濃度下磁性值測量的差異性結(jié)果，將布設(shè)濃度設(shè)定為1.5%、2.5%、3.5%三個梯度，靜置一段時間等待納米磁性材料完全吸附及入滲。磁化率均采用英國Bartington公司MS3型磁化率儀高精度測量探頭MS3E測定，測定過程中采用自制無磁性木質(zhì)網(wǎng)格固定測量點位置。微地形變化采用HandyScan700型手持式計量級3D激光掃描儀掃描測量，測量精度設(shè)置0.5 mm，保證微地形變化的精確掃描。降雨前先進行原始土盤的3D微地形立體掃描并測定表層64個固定測量點的磁化率值，并通過3D掃描儀的處理軟件Geomagic Studio 2013進行微地形濺蝕前高程值的提取。再通過地統(tǒng)計插值，得到整個土盤的地表磁化率分布圖。每個降雨時段后，再進行一次3D微地形掃描，提取濺蝕后高程值并進行濺蝕前后微地形高差值的計算。同時測定濺蝕后表層磁化率值和濺蝕泥沙磁化率。收集裝置選取不影響磁性變化的塑料盒子，便于測定濺蝕泥沙磁化率值。

1.4 磁化率及微地形特征值構(gòu)建

不同時間段降雨前后測定的3D微地形變化值采用微地形掃描軟件（Geomagic Qualify 2013）進行分析處理。運用軟件中的網(wǎng)格醫(yī)生功能修補小范圍缺失部位值，運用填充功能將平面的點或面修補完整，以減少掃描過程中產(chǎn)生的測量誤差［19］。同時在微地形表面均勻提取與64個固定磁化率測量點相對應的微地形坐標點的微地形高程值，結(jié)合每個坐標點上相對應的磁化率值，構(gòu)建每個土盤不同降雨時間段前后的磁化率差值變化和降雨微地形高差變化特征關(guān)系圖。濺蝕過程中每個時間段內(nèi)的磁化率差值與微地形差值特征的相互關(guān)系是納米磁性材料能否很好地表征濺蝕地表特征的重要指標。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析采用SPSS18.0軟件進行，制圖采用Excel2007、Qrigin8.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米磁性材料對表層磁化率的影響

土壤磁性通常用磁化率χ表示，磁化率是衡量物質(zhì)被磁化強弱的量，是磁化強度M對外加磁場H的一階導數(shù)，也是衡量物質(zhì)磁性大小最重要的指標［20］。由表2可見，200 nm磁性材料布設(shè)濃度為1.5%、2.5%時，差異顯著（p＜0.05），而布設(shè)濃度為3.5%時，石英砂表層磁化率呈現(xiàn)極顯著差異（p＜0.01），石英砂磁性本底值提高幅度約47萬倍；而20 nm磁性材料在布設(shè)濃度為1.5%、2.5%、3.5%時，磁化率值均有大幅提升，提升幅度分別約為背景值的35萬倍、49萬倍和84萬倍，且布設(shè)濃度越大，石英砂背景值提高倍數(shù)越大。所有布設(shè)濃度之間的磁化率均呈現(xiàn)顯著性差異。這表明兩種納米磁性材料均能達到提高石英砂本底磁性的目的，但20 nm磁性材料的提升幅度明顯高于200 nm磁性材料，且其所需的布設(shè)濃度更低、反應更靈敏。胡國慶等［21］利用傳統(tǒng)的圓盤造粒法造出的磁性示蹤劑提高土壤磁性值為背景值的1.98倍～5.37倍，與之相比，納米磁性材料在提高磁性背景值方面具有一定的優(yōu)勢。

2.2 濺蝕后表層磁性變化規(guī)律

試驗對不同降雨時間段前后的濺蝕盤表層進行了磁化率的測量。磁化率是順磁磁化率（正值）、鐵磁磁化率（正值）和逆磁磁化率（負值）的總和［22］，兩種納米磁性材料雖均具有順磁性特點，但粒徑越小磁性越穩(wěn)定。一般研究認為納米磁性材料在30 nm以下具有超順磁性的特點，所以20 nm磁性材料測量結(jié)果表現(xiàn)為正值，200 nm磁性材料的磁性在低濃度下性質(zhì)不穩(wěn)定，測定的磁化率值會出現(xiàn)逆磁性負值。通過對圖1兩種納米磁性材料濺蝕后的表層磁化率變化進行分析可以看出，兩種納米磁性材料3種濃度的磁性均隨濺蝕時間呈現(xiàn)階梯狀下降趨勢，且擊打1min后磁性下降程度最大。200 nm磁性材料在2.5%和3.5%濃度下，磁性值變化呈現(xiàn)一致性。前2 min隨著石英砂濺出土盤，衰減大。3～5 min雨滴濺蝕后磁化率變化趨于平穩(wěn)，且磁化率值仍為順磁性正值。但在1.5%濃度下，濺蝕1 min內(nèi)200 nm磁性材料被大量擊打出濺蝕土盤，磁化率值下降最快。擊打2 min后，剩余微量磁性材料趨于穩(wěn)定，磁化率值趨向于石英砂本底值。雖然1.5%濃度不斷被雨滴稀釋出現(xiàn)逆磁性的負值，但磁化率仍隨濺蝕時間的延長呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢；20 nm磁性材料在1.5%和2.5%濃度下，擊打1 min內(nèi)，磁性值變化最大。1 min后二者呈現(xiàn)出相似的緩慢下降趨勢，磁性值趨于一致，3 min后二者磁性值差異變大。這說明兩種低濃度在濺蝕后磁化率的變化特征上差異不大。在3.5%的濃度下，濺蝕后磁化率隨著時間逐漸遞減，前2 min衰減幅度大，后3 min磁化率波動幅度小，但仍呈現(xiàn)下降趨勢，濺蝕5 min后，20 nm磁性材料在3種濃度下的磁化率值仍處于較高水平（大于石英砂本底值），這說明濺蝕盤內(nèi)仍有少量納米磁性材料殘留且仍具有較高磁性。兩種納米磁性材料均呈現(xiàn)出濃度越高，可表征的時間越長的特點。

本試驗同時對濺蝕后的表層磁化率和濺蝕時間進行回歸分析，通過表3的擬合函數(shù)發(fā)現(xiàn)濺蝕后表層磁化率χ1與濺蝕時間t呈現(xiàn)χ1=aln（t）+b對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較高。200 nm磁性材料的擬合程度隨著布設(shè)濃度的增大呈現(xiàn)階梯狀增長的趨勢，在3.5%濃度下擬合程度最佳，3種濃度的擬合程度差異較大；而20 nm磁性材料的3種濃度擬合程度均較高，擬合效果差異較小，但在2.5%濃度下呈現(xiàn)出最佳擬合度。

表2 納米磁性材料對供試土壤磁化率的影響Table 2 Effects of nano magnetic materials on magnetic susceptibility of the soil tested

圖1 不同濃度下納米磁性材料濺蝕后表層磁化率隨時間變化Fig. 1 Diagram of temporal variation of magnetic susceptibility of the surface subjected to splash erosion relative to concentration of the nano magnetic material

表3 濺蝕后表層磁化率與濺蝕時間的擬合函數(shù)Table 3 Fitting functions of magnetic susceptibility of the surface subjected to splash erosion and splashing time

2.3 濺蝕泥沙磁化率與濺蝕量變化特征

濺蝕泥沙磁化率指被濺蝕出土盤的納米磁性材料的磁化率值，濺蝕量是濺蝕過程中被雨滴擊濺出來的總量，是衡量雨滴濺蝕強弱最直觀的指標。通過圖2中濺蝕量與濺蝕泥沙磁化率的變化趨勢可以看出，1.5%濃度下200 nm磁性材料的濺蝕量與濺蝕泥沙磁化率變化趨勢緩慢且趨于平坦，這表明濺蝕泥沙磁化率變化與濺蝕量變化在一定時間段后不再一致，濺蝕量增加而濺蝕泥沙磁化率保持不變。與之相比，2.5%和3.5%濃度下兩者的變化呈現(xiàn)一致上升趨勢，這表明200 nm磁性材料在1.5%濃度下無法表征濺蝕量的變化，而在2.5%和3.5%濃度下濺蝕泥沙磁化率隨著濺蝕量的增加而增大；20 nm磁性材料3個濃度下濺蝕量與濺蝕泥沙磁化率均呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，3個濃度的磁化率及濺蝕量變化趨勢基本一致，這表明200 nm磁性材料3個濃度的濺蝕泥沙磁化率均隨著濺蝕量的增加而增大。綜上所述：20 nm磁性材料（2.5%、3.5%）和20 nm磁性材料（1.5%、2.5%、3.5%）均呈現(xiàn)濺蝕泥沙磁化率值隨著濺蝕量的增加而增大的趨勢，濺蝕泥沙磁化率的變化在一定時間段內(nèi)與濺蝕量變化是一致的。即：納米磁性材料在一定時間內(nèi)表征濺蝕量變化的方法是可行的。且20 nm磁性材料的濺蝕泥沙磁化率也均遠高于200 nm磁性材料磁化率。這一結(jié)論與程楊［23］單顆粒尺寸在22 nm左右的磁性材料具有更高的磁響應能力和環(huán)境穩(wěn)定性的結(jié)論一致，也從側(cè)面表明20 nm磁性材料較200 nm磁性材料磁性更強。相比200 nm磁性材料，20 nm磁性材料的濺蝕泥沙磁化率與濺蝕量呈現(xiàn)的上升趨勢更大，這說明20 nm磁性材料或許還可以在更長時間內(nèi)表征濺蝕量。

圖2 兩種磁性材料不同濃度下濺蝕量與濺蝕泥沙磁化率關(guān)系（5 min內(nèi)）Fig. 2 Diagram of relationship between splash erosion rate and magnetic susceptibility of the sediment from splash erosion relative to type and concentration of the magnetic material（within 5 min）

表4 兩種磁性材料不同濃度下濺蝕泥沙磁化率與濺蝕量相關(guān)性關(guān)系Table 4 Correlation relationship between magnetic susceptibility of the sediment from splash erosion and splash erosion rate relative to type and concentration of the magnetic material

本試驗同時對濺蝕泥沙磁化率和濺蝕量進行回歸分析，通過對表4的擬合函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)濺蝕泥沙磁化率χ2與濺蝕量M呈現(xiàn)出χ2=aMb冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)程度均較高。5 min內(nèi)，在200 nm磁性材料的1.5%和2.5%兩個濃度下，濺蝕泥沙磁化率與濺蝕量均呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），3.5%濃度下顯著相關(guān)（p＜0.05）且擬合程度較低，2.5%濃度時擬合程度達到最佳；20 nm磁性材料的濃度越大，擬合程度越高，在3.5%濃度下二者呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）且擬合程度達到最佳。這表明：200 nm磁性材料在2.5%濃度下表征濺蝕量的程度最高，20 nm磁性材料在3.5%濃度下表征程度最高。傳統(tǒng)的磁性示蹤劑是被人工均勻摻入（＞5cm）土壤以保證其能與土壤有效結(jié)合從而示蹤土壤侵蝕，布設(shè)濃度在5%～10%時才能適用于侵蝕研究［24］。本實驗將納米磁性材料人工噴灑在供試土壤表面的方法可有效降低示蹤劑的用量，并減輕傳統(tǒng)磁性示蹤方法的工作量，但無法使之與土壤更深入結(jié)合從而長時間表征土壤濺蝕特征。相比較200 nm磁性材料，20 nm磁性材料在表征濺蝕量的變化上具有磁性更高的特點。

2.4 濺蝕泥沙磁化率與地表微地形變化關(guān)系

微地形受濺蝕前后的變化是濺蝕地表最重要的特征之一，微地形變化表現(xiàn)為微地形高差值變化［25］，即微地形受侵蝕的侵蝕厚度，反映出土壤受擊濺侵蝕的遷移深度變化。為進一步探討濺蝕出的泥沙磁化率與地表微地形受侵蝕程度的關(guān)系，根據(jù)試驗結(jié)果，挑選兩種納米磁性材料（20 nm、200 nm）的最高濃度（3.5%）進行濺蝕泥沙磁化率濺蝕前后的差值及微地形濺蝕前后的高差變動的相關(guān)性分析。磁化率差值與微地形高差變化越大，表示磁化率衰減越大、微地形受侵蝕程度越大。通過圖3左右兩側(cè)的兩種粒徑磁性材料濺蝕泥沙磁化率差值與地表微地形高差變化的回歸分析可以看出：20 nm磁性材料在整個濺蝕時間段內(nèi)均呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），整個濺蝕時間段內(nèi)地表微地形受濺蝕作用產(chǎn)生的侵蝕厚度在-10～15 mm。但降雨后期的微地形侵蝕厚度與濺蝕泥沙磁化率的擬合效果較差，能被有效表征出濺蝕厚度的范圍在-5～10 mm；而200 nm磁性材料只在受濺蝕1 min內(nèi)的濺蝕泥沙磁化率與微地形高差變化達到極顯著相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），能夠有效表征的侵蝕厚度在-2～8 mm。說明20 nm磁性材料可以在一定時間內(nèi)承受住雨滴濺蝕，濺蝕泥沙磁化率變化與微地形高差變化呈現(xiàn)較好一致性，而200 nm磁性材料只在受濺蝕初期呈現(xiàn)一致性變化。微地形受侵蝕的厚度與濺蝕出的濺蝕泥沙磁化率的變化基本一致，這一結(jié)論與Guzmán等［26］利用磁性氧化鐵示蹤評估橄欖園水土流失的空間分異規(guī)律有相似之處?？偠灾?，不同粒徑的納米磁性材料均可以在一定程度上定量表征出濺蝕地表特征，但20 nm磁性材料僅可在一段時間內(nèi)表征出地表-5～10 mm內(nèi)的侵蝕厚度變化，而200 nm磁性材料則只能在受濺蝕最初階段表征出地表-2～8 mm內(nèi)的侵蝕變化。20 nm的小粒徑磁性材料呈現(xiàn)出定量表征侵蝕程度更深、表征時間更長及示蹤效果更好的特點。

圖3 兩種粒徑納米磁性材料磁化率及微地形隨濺蝕時間變化（3.5%含三次重復）Fig. 3 Diagram of variation of magnetic susceptibility and microrelief of the two nano magnetic materials with splash erosion going on（3.5%，three replicates）

3 結(jié) 論

兩種納米磁性材料均可以大幅度提高石英砂表層磁性值，且呈現(xiàn)出粒徑越小磁性越大、濃度越大磁性越強的趨勢； 但20 nm磁性材料的磁性靈敏度遠高于200 nm磁性材料，在抗濺蝕能力上，20 nm磁性材料的抗濺蝕能力強于200 nm磁性材料，抗侵蝕時間可達5 min；濺蝕后表層磁化率隨著濺蝕時間的延長呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，二者之間存在相關(guān)性較高的χ1=aln（t）+b對數(shù)函數(shù)關(guān)系；同時，20 nm磁性材料在3.5%布設(shè)濃度下的濺蝕泥沙磁化率與濺蝕量呈現(xiàn)出χ2=aMb冪函數(shù)關(guān)系，說明濺蝕泥沙磁化率可以在一定程度上表征出濺蝕量的變化。通過微地形高差變化與磁化率變化的相關(guān)性關(guān)系發(fā)現(xiàn)20 nm磁性材料在短時間內(nèi)可以有效表征出石英砂的微地形侵蝕特征，可表征的侵蝕厚度在-5～10 mm內(nèi)。綜上所述，納米磁性材料被證明是一種靈敏度更高的新型磁性示蹤劑，20 nm磁性材料在一定程度上替代原始的四氧化三鐵球形示蹤劑表征擊濺侵蝕的地表特征的方法是可行的。本試驗以石英砂為對象進行研究，與土壤差異較大，因此今后還需要將之應用于土壤侵蝕研究中，完善野外土壤侵蝕分異機理，為水土侵蝕與監(jiān)測提供更好的量化方法。

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中國知網(wǎng)（CNKI）推出《中國高被引圖書年報》

日前，中國知網(wǎng)（CNKI）中國科學文獻計量評價研究中心推出了一套《中國高被引圖書年報》，該報告基于中國大陸建國以來出版的422萬余本圖書被近3年國內(nèi)期刊、博碩、會議論文的引用頻次，分學科、分時段遴選高被引優(yōu)秀學術(shù)圖書予以發(fā)布。據(jù)研制方介紹，他們統(tǒng)計并分析了2013―2015年中國學術(shù)期刊813萬余篇、中國博碩士學位論文101萬余篇、中國重要會議論文39萬余篇，累計引文達1 451萬條。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，422萬本圖書至少被引1次的圖書達72萬本。研制方根據(jù)中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個學科，分1949―2009年和2010―2014年兩個時間段，分別遴選被引最高的TOP10%圖書，共計選出70 911本優(yōu)秀圖書收入《中國高被引圖書年報》。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這7萬本高被引優(yōu)秀圖書雖然只占全部圖書的1.68%，卻獲得67.4%的總被引頻次，可見這些圖書質(zhì)量上乘，在同類圖書中發(fā)揮了更加重要的作用。該報告還首次發(fā)布各學科“學科h指數(shù)”排名前20的出版單位的評價指標，對客觀評價出版社的社會效益——特別是學術(shù)出版物的社會效益具有重要的參考價值。

該報告從圖書被引用的角度出發(fā)，評價圖書的學術(shù)影響力，彌補了以銷量和借閱等指標無法準確評價學術(shù)圖書的缺憾，科學、客觀地評價了圖書、圖書作者以及出版單位對各學科發(fā)展的貢獻。

《中國高被引圖書年報》將建國以來出版圖書全部納入評價范圍屬國內(nèi)首創(chuàng)，是全面、客觀評價圖書學術(shù)影響力的工具，填補了目前圖書學術(shù)水平定量評價的空白，在幫助圖書館建設(shè)特色館藏和提高服務(wù)水平、幫助出版管理部門了解我國學術(shù)出版物現(xiàn)狀、幫助科研機構(gòu)科研管理、幫助讀者購買和閱讀圖書等方面，均具有較強的參考價值，也為出版社評估出版業(yè)績、決策再版圖書、策劃學科選題提供有用的信息。

《中國高被引圖書年報》由《中國學術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司出版。該產(chǎn)品的形式為光盤電子出版物，分為理學、工學、農(nóng)學、醫(yī)學、人文科學和社會科學6個分卷，隨盤贈送圖書，歡迎您咨詢、訂購。咨詢電話：010-82710850，82895056轉(zhuǎn)8599，Email：aspt@cnki.net。

Feasibility Study of Using Nano Magnetic Materials to Characterize Splash Erosion of Land Surface

WANG Qian LIN Jinshi?HUANG Yanhe JIANG Fangshi ZHOU Man LIN Lei ZHU Can
（College of Resources and Environment，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)ujian Provincial Key Laboratory of Soil Environmental Health and Regulation，F(xiàn)uzhou350002，China）

Certain achievements have been made in the study on soil erosion on slopes using magnetic tracers. However，the traditional magnetic tracer method is far from effective enough to meet the requirements of the study to characterize splash erosion caused by each rainfall event. Therefore，an in-lab splash erosion simulation experiment was carried out over on a bed of non-magnetic quartz sand mixed separately with nano magnetic materials，different in particle size（20 nm or 200 nm），at a rate of 1.5%，2.5% and 3.5% in this study，Magnetic susceptibility meter and Three-dimensional Laser Micro-topographical Scanner was used to monitor variation of the magnetism of the land surface and its relationship with changes in topographic characteristics of the land surface subjected to splash erosion，and hence to study feasibility of using nano magnetic materials to characterize splash erosion. Results show that the 20 nm magnetic material was more effective than the 200 nm magnetic material in raising magnetism of the quartz sand over its background value，and the effect varied sharply with concentration or incorporation rate of the magnetic materials；and the higher the concentration of the material，the more durable the tracing effect. After splash erosion，surface magnetic susceptibility declined gradually with the time going on，displaying a high logarithmic function relation expressed asχ1=aln（t）+b；The use of 20nm magnetic material，3.5% in concentration effectively characterized changes in splash erosion rate of the quartz sand（p＜0.01）with a power function relation expressed asχ2=aMb（χ2= sediment susceptibility andM= splash erosion amount）. The highly significant relationship between the variation of magnetic susceptibility of the 20 nm magnetic materials in the 3 minutes of splash erosion and the variation of microrelief demonstrates that the 20nm magnetic material can be used to characterize erosion degree，up to the range of -5～10 mm，of the land surface subjected to splash erosion within a short period of time. All the findings in this study prove that it is，to a certain extent，feasible to use 20 nm magnetic material to characterize splash erosion of land surface. Moreover，this study may help open up some new ideas and develop new methods for further study on utilization of the magnetic tracing method.

Splash erosion；Magnetic tracer；Nano magnetic materials；Magnetic susceptibility；Micro-topography

Q143；S154.36

A

10.11766/trxb201703270059

* 國家科技支撐計劃項目（2014BAD15B0303）、國家自然科學基金項目（41571272）、福建省自然科學基金項目（2015J01156）資助 Supported by the National Key Technology R＆D Program of China（No. 2014BAD15B0303），the National Natural Science Foundation of China（No. 41571272），the Natural Science Foundation of Fujian Province，China（No.2015J01156）

? 通訊作者 Corresponding author， E-mail：linjs18@163.com

汪 倩（1991—），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與治理研究。E-mail：wangq 910103@163.com

2017-03-27；

2017-06-06；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2017-06-29

（責任編輯：檀滿枝）