土壤系統(tǒng)中溶質(zhì)運移研究

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1、土壤系統(tǒng)中溶質(zhì)運移研究博士研究生：石輝學科、專業(yè)：土壤學研究方向：土壤溶質(zhì)運移師：邵明安研究員為了滿足H益增長的人口對糧食的需求，農(nóng)用化學物質(zhì)被廣泛使用，這些物質(zhì)可通過各種渠道進入土壤，因此研究土壤中農(nóng)用化學物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化對于防止環(huán)境污染和促進農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。本文在對土壤溶質(zhì)運移理論分析的基礎(chǔ)上，采用土柱實驗、田間實驗以及計算機模擬研究土壤系統(tǒng)屮溶質(zhì)的運移過程，得到以下主要結(jié)論：1.通過分析土壤溶質(zhì)運移與化學色譜Z間的相似性，利用化學色譜理論分析了土壤溶質(zhì)穿透曲線的形狀，以及塔板理論模擬溶質(zhì)運移的穿透曲線。發(fā)現(xiàn)穿透曲線的形狀主要由溶質(zhì)在固體土粒與溶液屮濃度的吸附等溫線來決

2、定，對于凸型分配函數(shù)，表現(xiàn)為前緣陡峭、后緣“拖尾”的“拖尾”型穿透曲線；對于凹型分配函數(shù)，表現(xiàn)為前緣“伸舌”、后緣陡峭的“伸舌”型穿透曲線。對于非反應(yīng)型溶質(zhì)理論上應(yīng)當保持對稱的高斯型穿透曲線，但在實際土壤中市于不動水體的存在，穿透曲線也表現(xiàn)出前緣陡峭、后緣拖尾的“拖尾”型穿透曲線。根據(jù)塔板理論認為土柱市理想形態(tài)的一系列小塔板所組成，忽略彌散作用，利用質(zhì)量守恒定律可得到描述溶質(zhì)運移的塔板模型=—erfc^f^=4N+exp(2N)e穴(1)2J1M41M該模型與溶質(zhì)運移的CDE方程解具有一定的相似性，但由于忽略了彌散作用，其估計濃度低于CDE方程。2?研究表明，在一般情況解析解第二項的

3、貢獻較?。╲4%）,可以省略。對CDE方程省略第二項后的解析解進行了詳細分析，通過誤差函數(shù)的逆運算得到下述公式4tdrcerf(-2Ce)=尢<(2)2』D對于穿透曲線則有(3)這樣可利用F與t線形關(guān)系的斜率、截距估計CDE參數(shù)D、R值。實驗結(jié)果證實該方法與常用CXTFIT擬合結(jié)果一致。當Ce按照邊界層定義一個固定值時，式（2）則為邊界層與時間的關(guān)系。對于邊界層，定義其相對濃度為3%。時擬合參數(shù)與CXTFIT結(jié)果一致。測定穿透曲線費時費力，由式(2)可利用任意兩個時刻的Ce(xPCe(x2,t2)估計參數(shù)。3.對薄層土壤溶質(zhì)運移的可動水體與不可動水體模型進行了研究。發(fā)現(xiàn)對于薄層土壤+

4、(1_§比-(7)(1+如在忽略彌散的作用下，其溶質(zhì)運移穿透可用式(4)表示(4)式(4)表明，可將薄層土壤溶質(zhì)運移分為二個階段。初始階段，由于E和V較小，式(4)的第一項較小，因而對濃度影響不大；而在后期階段，第二項的數(shù)值變小，濃度主要由第一項決定，但第二項數(shù)值減小的幅度較慢。用土柱實驗進行了驗證。4.研究了田間NO3-N的時空變化。發(fā)現(xiàn)NO3-N在垂直方向上可分為0-60cm,60-140cm,140-200cm三個層次，層次間NO3-N的含量達到顯著差異。在水平方向上，NO3-N的變異遠遠大于土壤水分的變異。NO3-N隨時間的變化主要表現(xiàn)在氣候因索對其的影響。隨著降雨量的增加，0

5、-60cm土層中的NO3-N表現(xiàn)出減少趨勢；而60-140cm在降雨量小于50mm時隨降雨量的增加NO3-N含量增加，而大于50mm時隨降雨量的增加而減少；140-200cmNO3-N基本不變。這可能有在低降雨量的情況下將上層NOyN淋溶進入中層，引起中層的NO3?N增加；而降雨量大時，降雨可將NO'3-N淋入下層，導(dǎo)致中層NO'3-N降低。NO3-N的產(chǎn)生與溫度關(guān)系密切，隨溫度的增加，0-60cm土層的NO3-N增加，而下兩層則變化平緩。這主要由于NO3?N在表層產(chǎn)生，隨溫度增加，硝化作用增強，NOyN生成增加；而土壤下層，土壤溫度本身變化較小且非NO3-N的主要生成區(qū)，因而隨溫度變

6、化較小。5.關(guān)于土壤溶質(zhì)運移的研究，主要是在飽和條件下進行的，但實際化學物質(zhì)是在非飽和情況下運移的，與土壤水分運動存在耦合。本文介紹了土壤水分、溶質(zhì)耦合運動的基本方程,所采用土壤水分、基質(zhì)勢、導(dǎo)水率關(guān)系以及所采用的邊界、初始條件，模擬非飽和土壤的水分、溶質(zhì)耦合運動。模擬結(jié)果表明，水分的濕溶鋒與溶質(zhì)鋒在非飽和情況下并不重合。在對田間情況進行簡化后，模擬田間NOyN與水分運動情況，結(jié)果在趨勢上與實測值具有相似性,但由于土壤的非均質(zhì)性、邊界條件的選擇等因素使預(yù)測值與測泄值存在一定的偏差。關(guān)鍵詞：溶質(zhì)運移塔板理論對流一一彌散方程(CDE)可動與不可動水體模型(M【M)NO3-N水分與溶質(zhì)耦合運

7、動SoluteTransportinSoilsInordertomeetthedemandforfoodoftheincreasingpopulation,agri-chemicalsarewidelyused.Agri-chemicalsentersoilsbymanyways,solutetransportanditstransferinsoilshavegreatsignificanceforpreventionofenvironment