土壤溶質運移理論研究及應用

閆家怡

(臨沂市環保局，山東 臨沂 276001)

土壤是人類最早開發利用的生產資料，是人類賴以生存的物質基礎和寶貴財富的源泉。近幾十年來，隨著工農業的迅速發展和城市化步伐加快，廢水廢氣的大量排放以及農田化肥、農藥的過度使用，導致空氣污染和水環境污染事件頻發。污染物經水、空氣等介質進入土壤，終將改變土壤的溶質組成，引起土壤和地下水環境污染，嚴重威脅著生態環境和人類生存發展。

本文論述了土壤溶質運移的基礎理論及存在的問題，介紹了各類土壤溶質運移數學模型的發展及其在農業資源、環境保護等方面的應用。

1 土壤溶質運移的基礎理論及其特點

1.1 土壤溶質運移質量平衡定律

土壤是一個開放系統，不斷與外界進行物質和能量的交換。土壤溶質作為土壤環境系統中的重要組成部分，它的遷移過程必然制約和影響著土壤與環境間物質與能量的交換過程。無論溶質存在的形態和遷移途徑如何，土壤溶質總是服從質量守恒定律。

對于任意單元體而言，設單元體的體積為V=ΔzΔxΔy，對于Δt時間內，單元體內溶質代數型質量守恒方程可表示為：

式中：z、x、y 為空間坐標，t為時間坐標，Win 為在 Δt時間內進入單元體的溶質量，Wout為Δt時間內流出單元體的溶質量，Ws為在Δt時間內單元體增加的溶質量，為在Δt時間內由于化學和生物等作用消耗的溶質量。

1.2 土壤溶質遷移的幾何理論

幾何理論是根據土壤水體、溶質及土壤孔隙的分布特征，將土壤溶質運移看成是對流與分子擴散相互作用的結果而推導出土壤溶質運移模型，它是研究土壤溶質運移較早模型之一，具有簡明清晰的特點。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散作用和土體結構變化，假定土壤孔隙是一個直徑一定的圓形直管，溶質和水以同一速度流動，不考慮流速分布和土壤與溶質的反應。該模型不能定量描述多孔介質孔隙分布特征，因此其模擬結果與實測結果存在一定差異。

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。該模型所預測的土壤溶質穿透曲線的特征參數，如最小穿透時間和形狀系數都不隨土壤特征的差異而發生改變，因此無法反映不同土壤溶質運移的具體特點。

毛管束模型則忽略分子擴散作用，假定土體結構不發生變化；認為溶質在土壤中運移主要是對流，土壤中的水分分為可動水和不可動水兩部分，兩者之間質量交換處于瞬態平衡狀態。

1.3 土壤溶質遷移的對流-彌散理論

上世紀 60年代初，Nielson和Biggar(1962)從實驗和理論上進一步說明了土壤溶質運移過程中質流、擴散和化學反應的耦合性質，并應用數學模型來說明和解釋溶質運移過程，確立了土壤溶質運移的對流-彌散方程(CDE)：

式中：C為溶質濃度，D為水動力彌散系數，v為孔隙水流速；z為垂向坐標，向下為正，t為時間。

但在一般情況下，土壤中化學物質是以固、液、氣三種形態存在，如考慮固相吸附時溶質運移的數學模型，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；為溶質濃度梯度。

在實際應用中，根據土壤溶質所存在的狀態、運移過程以及所發生的物理化學反應確定上述方程中各分項的取舍，進而獲得所描述具體情況下的土壤溶質運移對流-彌散方程。該模型是基于土壤溶質隨水分整體遷移的對流作用和水動力彌散作用建立的，對土壤孔隙分布特征對水分運動的微觀影響考慮不夠充分，在應用上存在一些缺陷。

1.4 土壤溶質遷移傳遞函數模型

一些研究者認為由對流引起的沿軸向傳播的溶質必須在到達出流末端之前與多孔介質中其它濕潤區充分混合，否則CDE方程就不能用于描述機械彌散系數值恒定的溶質運移過程。因此，Jury(1986)建立了一個溶質遷移傳遞函數模型，該模型體現了溶質遷移的宏觀統計特征，可應用于不同尺度的溶質遷移研究。

設所研究的是一個具有單位質量的溶質質點，溶質質量進入所研究體積元的時間為t-t’,改質點離開研究土體的時間為t，則改質點在土體內停留時間為t’。利用隨機變量t、t’定義的聯合概率密度函數來描述溶質遷移過程。在[0，t]時段內，溶質從體積元累積出流率表示為：

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

2 土壤溶質運移模型的發展及其應用

隨著研究的深入，人們發現上述模型在進行土壤溶質運移模擬時存在諸多問題，存在理論結果與實測值不吻合的情況。因此國內外許多學者在總結前人的基礎上，從溶質運移的幾何機理、物理機理等方面建立了許多新的模型，并得到了很好的實際應用。

石輝等(2003)從CDE方程的解析解出發，提出了估計CDE參數的近似方法-截距法，該方法具有明確的物理意義且簡單易行，并且有很高的精度；劉春平等(2004)基于土壤中溶質運移的對流-彌散方程(CDE)提出了溶質運移參數估計的圖解方法，該方法直觀、簡便，估計參數具有較高的精度且計算結果穩定。王超等(2002)運用優化技術來估算水分和溶質遷移轉化耦合模型參數，并采用Gauss-New-ton最小化算法的Leven-Marquardt修正法來實現反求參數的迭代問題；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一維的反應溶質運移的CDE方程；李勇等(2005)采用考慮不動水體和忽略不動水體兩種CDE模型通過室內土柱實驗研究了保守性物質在土壤中運移的特性。Boggs(1992)和Macka等(1986)的野外溶質遷移實驗表明，溶質運移的隨機理論可以較好地描述區域溶質運動。

土壤溶質運移理論具有較高的實際應用價值，在土壤成土過程、土壤養分管理、環境污染過程與控制和區域尺度下非點源污染的評價等方面均有較多應用。Hoosbeek和Bryant(1992)從土壤發生學的角度對已有的成土過程模型根據其空間尺度和復雜性進行了分類。胡克林(2000)考慮了表層土壤飽和導水率空間變異性的影響，隨機模擬了農田水分滲漏和氮素淋失的特征。Selim和Amacher等(1997)系統地應用各種模型(平衡模型、動水-不動水模型、兩點模型、多離子組分競爭交換模型等)模擬了金屬在土壤中的運移與轉化過程。黃元仿等(2001)將水氮聯合模型應用于區域土壤素行為的模擬計算并與GIS技術結合，在考慮區域土壤類型和氣候類型基礎上評價華北平原區域的水氮利用效率。

3 結語

土壤溶質運移是一個復雜的物理化學過程，人們從不同角度，建立了不同類型的數學模型。這些模型的建立及基本方程的求解，為溶質運移研究的發展打下了良好的基礎。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孔隙分布特征，對流-彌散模型對土壤孔隙分布特征對水分運動的微觀影響考慮不夠充分，在應用上存在一些缺陷。影響溶質運移的因素很多，在今后的研究過程中除了土壤本身的性質之外，還要充分考土壤內部水、熱、氣等要素，以及氣候因素、人工因素等的綜合作用。同時要加強野外實際監測與實驗模擬之間的聯系，結合實際情況，運用和發展不同種類的模型，才能收到預期效果，達到合理開發、利用資源和保護環境的目的。

[1]李韻珠,李保國.土壤溶質運移[M].科學出版社,2007.

[2]邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學[M].2006.