土壤溶质迁移基本特征

植物根部细胞表面吸附的阳离子、阴离子与土壤溶液中阳离子、阴离子发生交换的过程就叫交换吸附
根部之所以能够进行交换吸附，是由于根部细胞膜的表面有阴、阳两种离子，其中主要是H+和HCO-3，
这些离子主要是由呼吸作用放出的CO2和H2O生成的H2CO3所离解出来的。

H+和HCO-3能够迅速地
分别与周围溶液中的阳离子和阴离子进行交换吸附，盐类离子就被吸附在细胞的表面上。

这种吸附是不需
要能量的，而且吸附的速度很快。

1、将离子吸附在根部细胞表面：主要通过交换吸附进行。

所谓交换吸附是指根部细胞表面的正负离子（主
要是细胞呼吸形成的CO2和H2O生成H2CO3再解离出的H+和HCO3-）与土壤中的正负离子进行交换，
从而将土壤中的离子吸附到根部细胞表面的过程。

在根部细胞表面，这种吸附与解吸附的交换过程是不断
在进行着的。

具体又分成三种情形：
①土壤中的离子少部分存在于土壤溶液中，可迅速通过交换吸附被植物根部细胞表面吸附，该过程速度很
快且与温度无关。

根部细胞表面吸附层形成单分子层吸附即达极限。

②土壤中的大部分离子被土壤颗粒所吸附。

根部细胞对这部分离子的交换吸附通过两种方式进行：一是通
过土壤溶液间接进行。

土壤溶液在此充当“媒介”作用；二是通过直接交换或接触交换（contact exchange）
进行。

这种方式要求根部与土壤颗粒的距离小于根部及土壤颗粒各自所吸附离子振动空间的直径的总和。

在这种情况下，植物根部所吸附的正负离子即可与土壤颗粒所吸附的正负离子进行直接交换。

土壤溶质迁移基本特征
第三章土壤水分运动参数确定方法
随着土壤水分运动定量研究的深入，数学模型已广泛被用于土壤水分运动的模拟计算，而计算精度很大程度上取决于土壤水分运动参数的准确性。

因此准确估计土壤水分运动参数成为一项基础]：作。

多年来国内外学者通过大量的理论分析和实验验证，提出了多种确定土壤水分运动参数的方法，概括起来主要有两大类，即直接测定法和间接推求法。

两种方法各具特点和优势，但总的研究趋势是寻求利用简单实验获得土壤水分运动参数的方法。

当然，简单方法同样建立在一定的理论分析基础上，因此在参数确定方面不仅需要发展相关理论和方法，同样需要开发价格合理，便于应用的设备系统。

第一节质地对土壤水分特征曲线的影响
土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线。

它表明了土壤水能态与土壤水含量之间的关系，土壤水吸力随着含水量增加而减小。

目前测定土壤水分特征曲线的方法主要有张力计法、离心机法、压力膜法、砂芯漏斗法，平衡水汽压法等。

张力计法操作简单，在田间条件下具有明显优势。

土壤水分特征曲线主要受土壤质地、土壤结构、土壤干容重、土壤温度等影响。

此外，土壤膨胀收缩、吸附性离子的种类和数量等因素也影响土壤水分特征曲线。

由于影响因素较多，且关系复杂，目前尚不能从理沦上推求基质势与含水量之间的关系，一般常用经验公式或简单模型表示，如Brooks—Corey(1964)模型、van Genuchten(1980)模型、Campbell(1974)模型以及Mualem(1976)模型等。

而Brooks—Corey模型和van Genuchten模型是目前应用最为广泛的模型，因此下面着重分析质地与两模型参数间关系。

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为拟合参数，其中m＝1—1／n。

由式(3—1)和式(3—2)可知，当土壤处于饱和状态时，式(3—1)中的土壤吸力h等于进气吸力，而式(3—2)中的土壤吸力A等于零。

从这种意义上讲，Brooks—Corey模型更符合脱湿曲线，而var Genuchten模型更符合吸湿曲线。

但由于两种模型在实际应用中各具特点，如Brooks—Corey模型形式简单，便于推求土壤水分运动模型，以及发展确定土壤水分运动参数的简单方法，而van Genuchten模型适用土壤质地范围比较宽，因此目前两模型的应用没有严格限制于脱湿或吸湿过程。

同时Brooks—Corey模型与van Genuchten模型也可以进行简单转化，如省略van Genuchten模型等式右边分母项中1，式(3—2)就变为式(3—1)。

为了分析质地对土壤水分特征曲线的影响，选取西北地区有代表性的五种质地土样，即榆林土、安塞土、绥德土、西安土、新疆土。

利用筛分法和吸管法进行土壤颗粒分析，五种土样颗粒组成如表3—1所示。

按照国际土壤分类标准，五种土样质地分别为粉黏壤土、粉壤土、沙壤土、沙壤土和壤质沙土。

土样经风干、碾压和过筛后，按设计容重分层均匀装入实验土柱，实验土柱截面直径为9cm、高为9cm的圆筒，然后插入张力计。

在实验过程中，首先测定吸湿曲线，待土壤饱和后开始定时蒸发脱水，测定脱湿曲线，实验结果如图3—1和图3—2所示。

第49页第四章土壤溶质迁移基本特征
随着世界人口的增加，面临粮食不足的威胁，提高粮食产量成为一项重要而艰巨的任务。

灌溉无疑是提高土壤水分，获得高产和稳产的重要措施，但不良灌溉和缺乏淡水的灌溉，使土壤发生严重的次生盐碱化，因此保护粮食和农产品的生产资料——土地，使灌区土壤从次生盐碱化的威胁中解脱出来是人类面临的紧迫任务。

最近几十年来，随着工业的发展，空气污染和水环境污染的发生，以及农田化肥、农药的使用，给上壤和地下水带来了严重污染，威胁着生态环境、人身健康和人类生存。

对此问题的研究与解决需要理解土壤环境中溶质迁移转化机制。

溶质在土壤环境中的迁移转化规律，不仪是研究盐碱土、次生盐碱土水盐运动的基础，而且是农田合理施肥、植物对养分吸收与利用、土壤以及水环境污染防治的基础。

第一节土壤溶质迁移特点
一、土壤与环境间溶质交换
土壤系统是以土壤为中心，与土壤环境条件组成的系统，它是相互联系、相互制约的多种因素有机结合休，具有各种复杂多变的组成、特定的
结构、功能和演变规律。

在土壤环境系统中物质和能量不断地由外界环境向土壤输入，通过土体内的迁移转化，必然会引起土壤成分，结构、性质和功能的改变，从而推动土壤的演变；物质和能量从土壤向环境的输出，也必然会导致环境成分、结构和性质的改变，从而推动环境的不断变化。

因此，土壤环境系统是一个为能量与物质所贯穿的开放体系。

土壤溶质作为土壤环境系统中的重要组成部分，它的运移过程必然影响着土壤与环境间的物质与能量的交换过程。

天然条件下，以土壤为研究对象，溶质主要通过降雨、施肥、灌溉、地下水补给、植物残留物、植物固氮以及河流与湖泊侧渗等过程输入到土壤中，而土壤又通过生物吸收、大气挥发、地表径流与水土流失、农田排水以及与地下水的交换等过程向外部环境输出溶质。

因此土壤内的溶质通过各种途径与环境间不断的进行交换，处于——种动态变化过程，并与其环境保持一种动态平衡。

根据质量平衡原理，土壤溶质的变化量可表示为：
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二、土壤系统基本特性
土壤是一个极其复杂的体系，它不仅包括固、液和气相，而且各个相又具有有机和无机组合，以及惰性和活性化合物，这种不均匀特点强烈地影响着土壤物理和化学性质，并对土壤溶质的迁移转化特性有直接的影响。

当溶质进入土壤后，它与土壤固、液和气相物质之间发生一系列物理、化学、生物化学反应过程，以及在土壤中进行迁移转化。

溶质在土壤中迁移转化速度和强度决定于土壤溶质与土壤物质组成以及特性。

1．土壤是一个多孔介质体
土壤是由固液气三相构成的多孔介质体，土壤中的溶质可以以气态形式扩散和挥发，也可被稀释、浓缩。

同时溶质可以气态或液态形式在土体内迁移或迁移到土体外部。

这些迁移转化过程与土壤质地、结构、含水量和温度以及溶质本身特性有关。

2．土壤是一个胶体体系
土壤胶体是土壤固体物质中最为活跃的部分，它与土壤溶质离子的吸附与交换作用是土壤中极其重要的物理化学过程。

它也是提高土壤养分有效性及土壤化学改良的重要因素。

土壤胶体对带有相反电荷离子吸附，其吸附交换量与土壤胶体种类和数量、溶质相对含量以及溶质离子自身特性、土壤溶液pH值、土壤含水量等有关。

同时由于土壤胶体对离子吸附引起带有正负电荷离子的迁移速度的差异，影响着溶质在土壤内部以及随水土流失的过程与强度。

3．土壤是一个化学体系
土壤中的化合物或离子如同在水溶液中一样，同样遵循化学平衡原理，只因两种体系的差异表现出化学反应速度和强度有所不同。

这些化学平衡法则同样决定着溶质迁移转化过程和速度。

土壤中的氧化还原反应是普遍存在，由于土壤中存在着多种多样的氧化还原体系，所以土壤中的氧化还原过程远比纯溶液复杂的多。

这些过程的发生不仅与土壤的发展与形成密切相关，而且影响着有机质分解的速度以及存在形式，同样对土壤肥力有着重要影响，因此土壤中的氧化还原反应同样影响着溶质在土壤中的迁移转化过程。

土壤中有许多有机和尤机配位体，它们主要是土壤腐殖质、微生物分解有机残体过程中产生的有机物质或分泌物。

随着化学工业的发展，人工合成的许多化学物质(农药等)
第79页第五章土壤溶质迁移模型
随着对土壤溶质迁移机制研究的逐步深入，对土壤溶质迁移过程的定量描述逐步深化。

人们试图通过发展简单数学模型来描述土壤溶质迁移过程，以及影响溶质迁移特征因素间内在关系。

通过对土壤溶质迁移几何理论和对流弥散理论的分析，比较各种模型间关系，为土壤溶质迁移机制认识和迁移过程的数学描述提供参考。

第一节土壤溶质迁移几何模型
几何理论是依据对土壤孔隙分布特性的概化，并将土壤溶质迁移过程看成对流与分子扩散过程，推求土壤溶质迁移模式，如单毛管模型(Taylor，1951)、等自径毛管束模型(Danel，1952)以及单元系列模型(Bear和Todd，1960)和毛管束模型。

这种理论的优点在于从土壤孔隙和流速分布特点出发，将土壤水分运动与溶质迁移有机的联系起来，给出比较清晰的溶质迁移轨迹，便于更好地理解溶质迁移机制。

一、活塞流模型
活塞流是一种最为简单而理想的溶质迁移模式，将土壤孔隙概化成为一个直径为D的圆形直管，圆管内为水所充满，水与溶质的迁移速度为υ，且流速与管半径无关。

如果进行溶质置换试验，示踪元素的出流浓度可表示为：
从式(5—1)可看出，活塞流模型实际上认为土壤溶质迁移不受土壤孔隙分布特性的影响。

虽然活塞流是一种理想的溶质迁移模式，但可通过对比，进一步理解土壤溶质迁移特征。

二、单毛管模型
Taylor(1951)将土壤孔隙概化成为相当于直径为D的直毛管。

根据层流理论，任意断面水流速分布为：
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三、毛管束模型
几何理论最大的特点就是依据土壤孔隙分布特性及有关的理论推求土壤溶质迁移模式。

随着土壤物理科学的发展，对土壤孔隙分布特性已有了较为清晰的认识，建立了描述土壤孔隙分布与土壤水分运动有关参数间关系的方法，为利用几何理论以及结合现有的土壤孔隙分布研究成果，推求土壤溶质迁移过程数学模型奠定了基础。

欲从几何理论角度研究土壤溶质的迁移特性，需寻求土壤物理特性与土壤水分及溶质运移间的内在关系。

根据土壤物理学可知，土壤水分特征曲线反映了土壤水分的静态特征，而土壤非饱和导水率反映了土壤水分的动态特征。

Brooks和Corey(1964)建立了一种土壤水分特征曲线与非饱利导水率间的函数关系。

这一关系的建立为从几何角度研究土壤水分运动及溶质迁移奠定了基础。

因此町根据Brooks 和Corey的建模思想，结合土壤溶质与水分运动的特点，从几何角度来研究土壤溶质的迁移机制。

1．基本假定
为了从几何理沦角度研究土壤溶质迁移特点，需对土壤孔隙分布特征及各
第92页第六章土壤水力学性质及溶质迁移参数的空间变异性
空间变异是土壤性质的一种普遍特忭。

土壤性质的变异主要来源于两个方面，一是随机变异；二是系统变异。

随机变异往往是山于采样误差和测定误差造成的，而系统变异则是由母质、气候、水文、地形、生物、时间、人类活动的差异引起的。

对于土壤性质空间变异的研究经典统计学往往是把土壤性质处理成空间随机变量，即认为土壤性质在空间上相互独立、且具有相同的概率分布，在此基础上进一步对土壤性质进行统计估值、假设检验、回归、判别、聚类等一系列的统计分析。

但自20世纪70年代以来，随着土壤科学家对土壤性质空间分布规律的研究，发现土壤性质并不是空间随机的，而是在一定空间内具有白相关性。

传统统计学的不足逐步显露出来，对于如何解决土壤性质窄间分布的分析问题已成为土壤科学家研究的一个热点。

第一节空间变异特性研究的
地质统计学半方差理论
地质统汁学方法的引进成为当前研究土壤性质空间分布的一种重要方法。

地质统计学最早产生于地质矿业领域。

]951年南非金矿的地质学家、采矿工程师克立格(D．G．Krige)根据南非金矿的具体情况提出了按照样品与待估地段的相对空间位置和相关程度来计算地段品味及储量的方法，这是地质统计学思想的雏形。

随后法国学者马特隆(G.Matheron)对克立格提出的方法进行了洋细研究，于1962年提出了区域化变量概念(RegionalizedVariable)，并产生了地质统计学(Geostatistics)。

所谓变量的区域性是指空间变量不是随机相互独立的，而是在一定空间内相互影响的，并且这种影响会随空间相对距离的增大而减弱并最终消失。

按照地质统计学理论，区域变量的特征是用区域变量的空间分布来表征，而研究区域变量空间分布的主要数学工具是变异函数(Variogram)，即地质统计学是根据相邻变量的值，利用变异函数所揭示的区域化变量的内在联系来估计空间变量数值的方法。

概括讲，地质统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为工具研究变量空间分布规律的一种数学方法。

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一、空间变量进行地质统计学分析的三个条件
用地质统计学方法研究某种空间变量的分布特征时，该空间变量必须符合以下条件。

1．区域化变量
空间变量被认为是区域化变量的两个先决条件是具备结构性和随机性。

两个条件看似自相矛盾，其实并不矛盾。

结构性是指空间变量在点x和x+h处的数值Z(x)和Z(x+A)存在自相关性，自相关程度取决于两点间的距离^和该变量的空间变异特征。

随机性是指变量具有随机的不规则特征，是结构内的随机。

作为区域化变量具有以下特征：
(1)局限性，即具有区域变量的区域在几何上是有一定大小限制的，超出了这个区域变量的结构性就不存在，这种区域局限性的形成可能是因为其他影响因素造成的，也可能是影响区域内变量具有结构性因素的尺度变化造成的。

例如，具有一定变异特征的坡面土壤水分超出了坡面这个几何区域，其变异特征就会发生变化或不存在。

(2)连续性，即空间样点间的性质差异具有一定的规律性。

(3)各向异性，即区域化变量在不同方向上的空间变异特征可能不一样。

(4)可迁移性，指区域化变量在一定范围内存在空间自相关性，这种相关会随距离的增加减弱，甚至消失。

2．内蕴假设
第116页。