土壤系统中溶质运移研究.docx

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1、土壤系统中溶质运移研究博士研究生：石辉学科、专业：土壤学研究方向：土壤溶质运移导师：邵明安研究员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之间的相似性，利用化学色谱理论分析了土壤溶质穿透曲线的形状，以及塔板理论模拟溶质运移的穿透曲线。发现穿透曲线的形

2、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，对于凸型分配函数，表现为前缘陡峭、后缘“拖尾”的“拖尾”型穿透曲线；对于凹型分配函数，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c1M-1M1[erfcNexp2N）erfcN]co2..2M-2M（1该模型与溶质运移的CDE方程

3、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，在一般情况解析解第二项的贡献较小（<4%）,可以省略。对CDE方程省略第二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TTarcerf(1_2Ce)=X上2(D对于穿透曲线则有疋Lu%D2，Dt这样可利用Z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CXTFIT拟合结果一致。当Ce按照边界层定义一个固定值时，式（2）则为边界层与时间的关系。对于边界层，定义其相对浓度为3%。时拟合参数与CXTFIT结果一致。测定穿透

4、曲线费时费力，由式（2）可利用任意两个时刻的Ce（xi,ti）,Ce（x2,t2）估计参数。1•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Co（4）式（4）表明，可将薄层土壤溶质运移分为二个阶段。初始阶段，由于E和V较小，式（4）的第一项较小，因而对浓度影响不大；而在后期阶段，第二项的数值变小，浓度主要由第一项决定，但第二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,60-140c

5、m,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的变异远远大于土壤水分的变异。NO3-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NO3-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NO3-N含量增加，而大于50mm时随降雨量的增加而减少；140-200cmNO3-N基本不变。这可能有在低降雨量的情况下将上层NO3-N淋溶进入中层，引起中层的NO3-N增加；而降雨量大时，降雨可将NO3-N淋入下层，导致中层NO3-N降低。NO3-

6、N的产生与温度关系密切，随温度的增加，0-60cm土层的NO3-N增加，而下两层则变化平缓。这主要由于NO3-N在表层产生，随温度增加，硝化作用增强，NO3-N生成增加；而土壤下层，土壤温度本身变化较小且非NO3-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，水分的湿溶锋与溶质锋在

7、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NO3-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。关键词：溶质运移塔板理论对流一一弥散方程（CDE）可动与不可动水体模型（MIM）NO3-N水分与溶质耦合运动SoluteTransportinSoilsInordertomeetthedemandforfoodoftheincreasingpopulation,agri-chemicalsarewidelyused.Agri-chemicalsenters

8、oilsbymanyways,solutetransportanditstransferinsoilshavegreatsignificaneeforpreventionofenvironme