土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論研究及應(yīng)用

閆家怡

(臨沂市環(huán)保局，山東 臨沂 276001)

土壤是人類最早開發(fā)利用的生產(chǎn)資料，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和寶貴財(cái)富的源泉。近幾十年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化步伐加快，廢水廢氣的大量排放以及農(nóng)田化肥、農(nóng)藥的過度使用，導(dǎo)致空氣污染和水環(huán)境污染事件頻發(fā)。污染物經(jīng)水、空氣等介質(zhì)進(jìn)入土壤，終將改變土壤的溶質(zhì)組成，引起土壤和地下水環(huán)境污染，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人類生存發(fā)展。

本文論述了土壤溶質(zhì)運(yùn)移的基礎(chǔ)理論及存在的問題，介紹了各類土壤溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境保護(hù)等方面的應(yīng)用。

1 土壤溶質(zhì)運(yùn)移的基礎(chǔ)理論及其特點(diǎn)

1.1 土壤溶質(zhì)運(yùn)移質(zhì)量平衡定律

土壤是一個(gè)開放系統(tǒng)，不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。土壤溶質(zhì)作為土壤環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，它的遷移過程必然制約和影響著土壤與環(huán)境間物質(zhì)與能量的交換過程。無論溶質(zhì)存在的形態(tài)和遷移途徑如何，土壤溶質(zhì)總是服從質(zhì)量守恒定律。

對(duì)于任意單元體而言，設(shè)單元體的體積為V=ΔzΔxΔy，對(duì)于Δt時(shí)間內(nèi)，單元體內(nèi)溶質(zhì)代數(shù)型質(zhì)量守恒方程可表示為：

式中：z、x、y 為空間坐標(biāo)，t為時(shí)間坐標(biāo)，Win 為在 Δt時(shí)間內(nèi)進(jìn)入單元體的溶質(zhì)量，Wout為Δt時(shí)間內(nèi)流出單元體的溶質(zhì)量，Ws為在Δt時(shí)間內(nèi)單元體增加的溶質(zhì)量，為在Δt時(shí)間內(nèi)由于化學(xué)和生物等作用消耗的溶質(zhì)量。

1.2 土壤溶質(zhì)遷移的幾何理論

幾何理論是根據(jù)土壤水體、溶質(zhì)及土壤孔隙的分布特征，將土壤溶質(zhì)運(yùn)移看成是對(duì)流與分子擴(kuò)散相互作用的結(jié)果而推導(dǎo)出土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型，它是研究土壤溶質(zhì)運(yùn)移較早模型之一，具有簡(jiǎn)明清晰的特點(diǎn)。目前常見的有活塞流、單毛管和毛管束模型。

活塞流模型不考慮分子擴(kuò)散作用和土體結(jié)構(gòu)變化，假定土壤孔隙是一個(gè)直徑一定的圓形直管，溶質(zhì)和水以同一速度流動(dòng)，不考慮流速分布和土壤與溶質(zhì)的反應(yīng)。該模型不能定量描述多孔介質(zhì)孔隙分布特征，因此其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異。

單毛管模型由活塞流模型演化而來，它將活塞模型中沿橫斷面的流速分布假定為層流。該模型所預(yù)測(cè)的土壤溶質(zhì)穿透曲線的特征參數(shù)，如最小穿透時(shí)間和形狀系數(shù)都不隨土壤特征的差異而發(fā)生改變，因此無法反映不同土壤溶質(zhì)運(yùn)移的具體特點(diǎn)。

毛管束模型則忽略分子擴(kuò)散作用，假定土體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化；認(rèn)為溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移主要是對(duì)流，土壤中的水分分為可動(dòng)水和不可動(dòng)水兩部分，兩者之間質(zhì)量交換處于瞬態(tài)平衡狀態(tài)。

1.3 土壤溶質(zhì)遷移的對(duì)流-彌散理論

上世紀(jì) 60年代初，Nielson和Biggar(1962)從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)一步說明了土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程中質(zhì)流、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的耦合性質(zhì)，并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來說明和解釋溶質(zhì)運(yùn)移過程，確立了土壤溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流-彌散方程(CDE)：

式中：C為溶質(zhì)濃度，D為水動(dòng)力彌散系數(shù)，v為孔隙水流速；z為垂向坐標(biāo)，向下為正，t為時(shí)間。

但在一般情況下，土壤中化學(xué)物質(zhì)是以固、液、氣三種形態(tài)存在，如考慮固相吸附時(shí)溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，上式可表述為：

式中：θ為土壤容積含水量；S為固相的吸附量；ρ為固相密度；為溶質(zhì)濃度梯度。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)土壤溶質(zhì)所存在的狀態(tài)、運(yùn)移過程以及所發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)確定上述方程中各分項(xiàng)的取舍，進(jìn)而獲得所描述具體情況下的土壤溶質(zhì)運(yùn)移對(duì)流-彌散方程。該模型是基于土壤溶質(zhì)隨水分整體遷移的對(duì)流作用和水動(dòng)力彌散作用建立的，對(duì)土壤孔隙分布特征對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的微觀影響考慮不夠充分，在應(yīng)用上存在一些缺陷。

1.4 土壤溶質(zhì)遷移傳遞函數(shù)模型

一些研究者認(rèn)為由對(duì)流引起的沿軸向傳播的溶質(zhì)必須在到達(dá)出流末端之前與多孔介質(zhì)中其它濕潤(rùn)區(qū)充分混合，否則CDE方程就不能用于描述機(jī)械彌散系數(shù)值恒定的溶質(zhì)運(yùn)移過程。因此，Jury(1986)建立了一個(gè)溶質(zhì)遷移傳遞函數(shù)模型，該模型體現(xiàn)了溶質(zhì)遷移的宏觀統(tǒng)計(jì)特征，可應(yīng)用于不同尺度的溶質(zhì)遷移研究。

設(shè)所研究的是一個(gè)具有單位質(zhì)量的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，溶質(zhì)質(zhì)量進(jìn)入所研究體積元的時(shí)間為t-t’,改質(zhì)點(diǎn)離開研究土體的時(shí)間為t，則改質(zhì)點(diǎn)在土體內(nèi)停留時(shí)間為t’。利用隨機(jī)變量t、t’定義的聯(lián)合概率密度函數(shù)來描述溶質(zhì)遷移過程。在[0，t]時(shí)段內(nèi)，溶質(zhì)從體積元累積出流率表示為：

式中：Qin(t-t’)為小于時(shí)間 t-t’土壤中的溶質(zhì)輸入速率，Qout(t)為積累溶質(zhì)出流率，f為溶質(zhì)滯留的條件概率密度函數(shù)。

2 土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型的發(fā)展及其應(yīng)用

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)上述模型在進(jìn)行土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬時(shí)存在諸多問題，存在理論結(jié)果與實(shí)測(cè)值不吻合的情況。因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，從溶質(zhì)運(yùn)移的幾何機(jī)理、物理機(jī)理等方面建立了許多新的模型，并得到了很好的實(shí)際應(yīng)用。

石輝等(2003)從CDE方程的解析解出發(fā)，提出了估計(jì)CDE參數(shù)的近似方法-截距法，該方法具有明確的物理意義且簡(jiǎn)單易行，并且有很高的精度；劉春平等(2004)基于土壤中溶質(zhì)運(yùn)移的對(duì)流-彌散方程(CDE)提出了溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)估計(jì)的圖解方法，該方法直觀、簡(jiǎn)便，估計(jì)參數(shù)具有較高的精度且計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。王超等(2002)運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)來估算水分和溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化耦合模型參數(shù)，并采用Gauss-New-ton最小化算法的Leven-Marquardt修正法來實(shí)現(xiàn)反求參數(shù)的迭代問題；張德生(2004)利用CDE模型給出了考慮隨深度變化的一階降解和隨深度變化的線性平衡吸附時(shí)一維的反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移的CDE方程；李勇等(2005)采用考慮不動(dòng)水體和忽略不動(dòng)水體兩種CDE模型通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)研究了保守性物質(zhì)在土壤中運(yùn)移的特性。Boggs(1992)和Macka等(1986)的野外溶質(zhì)遷移實(shí)驗(yàn)表明，溶質(zhì)運(yùn)移的隨機(jī)理論可以較好地描述區(qū)域溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在土壤成土過程、土壤養(yǎng)分管理、環(huán)境污染過程與控制和區(qū)域尺度下非點(diǎn)源污染的評(píng)價(jià)等方面均有較多應(yīng)用。Hoosbeek和Bryant(1992)從土壤發(fā)生學(xué)的角度對(duì)已有的成土過程模型根據(jù)其空間尺度和復(fù)雜性進(jìn)行了分類。胡克林(2000)考慮了表層土壤飽和導(dǎo)水率空間變異性的影響，隨機(jī)模擬了農(nóng)田水分滲漏和氮素淋失的特征。Selim和Amacher等(1997)系統(tǒng)地應(yīng)用各種模型(平衡模型、動(dòng)水-不動(dòng)水模型、兩點(diǎn)模型、多離子組分競(jìng)爭(zhēng)交換模型等)模擬了金屬在土壤中的運(yùn)移與轉(zhuǎn)化過程。黃元仿等(2001)將水氮聯(lián)合模型應(yīng)用于區(qū)域土壤素行為的模擬計(jì)算并與GIS技術(shù)結(jié)合，在考慮區(qū)域土壤類型和氣候類型基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)華北平原區(qū)域的水氮利用效率。

3 結(jié)語

土壤溶質(zhì)運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，人們從不同角度，建立了不同類型的數(shù)學(xué)模型。這些模型的建立及基本方程的求解，為溶質(zhì)運(yùn)移研究的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。但是，在某些研究方面還存在一些局限，如幾何模型不能定量描述多孔介質(zhì)孔隙分布特征，對(duì)流-彌散模型對(duì)土壤孔隙分布特征對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的微觀影響考慮不夠充分，在應(yīng)用上存在一些缺陷。影響溶質(zhì)運(yùn)移的因素很多，在今后的研究過程中除了土壤本身的性質(zhì)之外，還要充分考土壤內(nèi)部水、熱、氣等要素，以及氣候因素、人工因素等的綜合作用。同時(shí)要加強(qiáng)野外實(shí)際監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M之間的聯(lián)系，結(jié)合實(shí)際情況，運(yùn)用和發(fā)展不同種類的模型，才能收到預(yù)期效果，達(dá)到合理開發(fā)、利用資源和保護(hù)環(huán)境的目的。

[1]李韻珠,李保國(guó).土壤溶質(zhì)運(yùn)移[M].科學(xué)出版社,2007.

[2]邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學(xué)[M].2006.