土壤系统中溶质运移研究_石辉

第14卷第4期2000年12月

水土保持学报

Jour nal of Soil and Wa ter Co nse rv a tio n

V o l.14N o.4

Dec.,2000

·博士论文简报·

土壤系统中溶质运移研究

石　辉,邵明安

(中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100)

中图分类号:S153.5;S153.61 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2000)04-0118-03

为了满足日益增长的人口对粮食的需求,农用化学物质被广泛使用,这些物质可通过各种渠道进入土壤,因此研究土壤中农用化学物质的迁移、转化,对于防止环境污染和促进农业持续发展有着重要的意义。本文在对土壤溶质运移理论分析的基础上,采用土柱实验、田间实验以及计算机模拟研究土壤系统中溶质的运移过程,得到以下主要结论:

1.通过分析土壤溶质运移与化学色谱间的相似性,利用化学色谱理论分析了土壤溶质穿透曲线的形状,及塔板理论模拟溶质运移的穿透曲线。发现穿透曲线的形状主要由溶质在固体土粒与溶液中浓度的吸附等温线来决定,对凸型分配函数,表现为前缘陡峭、后缘“拖尾”的“拖尾”型穿透曲线;对凹型分配函数,表现为前缘“伸舌”、后缘陡峭的“伸舌”型穿透曲线。对于非反应型溶质理论上应当保持对称的高斯型穿透曲线,但在实际土壤中由于不动水体的存在,穿透曲线也表现出前缘陡峭、后缘拖尾的“拖尾”型穿透曲线。根据塔板理论认为土柱由理想形态的一系列小塔板所组成,忽略弥散作用,利用质量守恒定律可得到描述溶质运移的塔板模型C/C0=[erf c(M-1)N+ex p(2N)erf c(M+1)N]/22M(1)该模型与溶质运移的CDE方程解具有一定的相似性,但由于忽略了弥散作用,其估计浓度低于CDE方程。

2.研究表明,一般情况解析解第2项的贡献较小(<4%),可以省略。对CDE方程省略第2项后的解析解进行了详细分析,通过误差函数的逆运算得到下述公式

t arcerf(1-2Ce)=(x-ut)/2D(2)对于穿透曲线则有a=(L-ut)/2D(3)这样可利用Y与t线形关系的斜率、截距估计CDE参数D、R值。实验结果证实该方法与常用CXT FIT拟合结果一致。当Ce按照边界层定义一个固定值时,式(2)则为边界层x与时间t的关系。对于边界层,定义其相对浓度为3‰时拟合参数与CX T FIT结果一致。测定穿透曲线费时费力,由式(2)可利用任意两个时刻的Ce(x1,t1),Ce(x2,t2)估计参数。

3.对薄层土壤溶质运移的可动水体与不可动水体模型进行了研究。发现对于薄层土壤在忽略弥散的作用下,其溶质运移穿透可用式(4)表示

1-C/C0=a e-a(1+)V/+(1-a)e-(1-a)(1+)V(4)式(4)表明,可将薄层土壤溶质运移分为2个阶段。初始阶段,由于a和V较小,式(4)的第1项较小,因而对浓度影响不大;而在后期阶段,第2项的数值变小,浓度主要由第1项决定,但第2项数值减小的幅度较慢。用土柱实验进行了验证。

4.研究了田间NO3-N的时空变化。发现NO3-N在垂直方向上可分为0-60cm,60-140cm,140-200cm三个层次,层次间NO3-N的含量达到显著差异。在水平方向上,NO3-N

收稿日期:2000-05-19　*中国科学院“西部之光”资助项目

作者简介:石辉,男,生于1968年,博士,副研究员。主要从事土壤侵蚀与土壤系统中物质迁移方面的研究。

DOI:10.13870/ k i.st b cxb.2000.04.028

的变异远远大于土壤水分的变异。NO 3-N 随时间的变化主要表现在气候因素对其的影响。随着降雨量的增加,0-60cm 土层中的NO 3-N 表现出减少趋势;而60-140cm 在降雨量小于50mm 时随降雨量的增加NO 3-N 含量增加,而大于50mm 时随降雨量的增加而减少;140-200cm NO 3-N 基本不变。这可能是在低降雨量的情况下将上层NO 3-N 淋溶进入中层,引起中层的NO 3-N 增加;而降雨量大时,降雨可将NO 3-N 淋入下层,导致中层NO 3-N 降低。NO 3-N 的产生与温度关系密切,随温度的增加,0-60cm 土层的NO 3-N 增加,而下面两层则变化平缓。这主要由于NO 3-N 在表层产生,随温度增加,硝化作用增强,NO 3-N 生成增加;而土壤下层,土壤温度本身变化较小且非NO 3-N 的主要生成区,因而随温度变化较小。

5.关于土壤溶质运移的研究,主要是在饱和条件下进行的,但实际化学物质是在非饱和情况下运移的,与土壤水分运动存在耦合。本文介绍了土壤水分、溶质耦合运动的基本方程,所采用土壤水分、基质势、导水率关系以及所采用的边界、初始条件,模拟非饱和土壤的水分、溶质耦合运动。模拟结果表明,水分的湿润锋与溶质锋在非饱和情况下并不重合。在对田间情况进行简化后,模拟田间N O 3-N 与水分运动情况,结果在趋势上与实测值具有相似性,但由于土壤的非均质性、边界条件的选择等因素使预测值与测定值存在一定的偏差。

Study on S olute Transport in Soil System

SHI Hui,SHAO Ming-an

(Institute of Soil and Water Conservation ,Chinese Academy of Soil Sciences

and Ministry of W ater Resources ,Yangling ,Shaanx i 712100)

In o rder to meet the demand for food o f the increasing populatio n ,ag ri -chemicals a re w idely used .Ag ri -chemica ls enter soils by many way s ,solute transport and its tra nsfer in soils hav e g rea t sig nificance fo r prev entio n of env iro nmental pollutio n and maintenance o f sustainable a-g riculture .In this paper ,based on theoretical a nalysis of solute transpo rt in soils ,soil co l-umn ex periment ,and field ex periment and computer sim ula tion tech nique w ere used to study solute transpo rt in soils .Meanw hile ,a method fo r fertiliza tion a pplicatio n localized com-paction dim e ,which can prev ent leaching o f N fertilizer and improv e fertilizer use efficiency ,w as presented .This is a n exam ple of a pplicatio n for the theo retical achiev ements of solute transpor t.The results are as the fellow s.

1.By analy zing the similarity betw een solute transport in soil and ch ro matog raphy in chemistry,shapes of Breakthrough Curve (BTC)and simulatio n soil solute transpor t by us-ing chroma tog raphy w ere co nducted.The shape of BTC is mainly determined by adso rption isotherm betw een soil solid pa rticle and soil solutio n.Fo r conv ex functio n,there is “pulling tail ”B TC that the front pa rt of BTC is high a nd steep and the rear pa rt of BTC is “pulling tail ”.For co ncav e function,there is “stretching to ng ue ”B TC that the front part o f BTC is “stretching to ngue ”a nd the rear par t o f BTC is high a nd steep.Fo r no n-reactive solute,BTC is “pulling tail ”ty pe because there is im mobile wa ter in field soils.Acco rding to the plate theory ,the soil column was fo rmed by a series pla tes and the pla te model is obtained by neglecting dispersion :

C /C 0=[erf c (M -1)N +ex p(2N )erf c (M +1)

N ]/22

M (1)

This model has same tendency as the analy tical so lution of CDE,but the estima tion result w as less accurate than CDE due to neglecting rg e amount of resea rch indicated that under no rmal condition,the contributio n of 119第4期石辉等:土壤系统中溶质运移研究