土壤溶质运移模型的研究及应用进展研究.pdf

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土壤溶质运移模型的研究及应用进展 土壤溶质运移模型的研究及应用进展+ 李保国,胡克林,黄元仿 (中国农业大学资源与环境学院,北京100094) 摘要:土壤溶质运移的研究已成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学 科的基础和前沿研究领域。本文系统地论述了不同尺度下土壤溶质运移模型的研究进展,对 其在农业生产、资源利用和环境保护方面的应用进行了简要综述,并就其未来发展趋势进行 了展望。 关键词:不同尺度;溶质运移;模型;应用进展 移过程中质流、扩散和化学反应的耦合性质,开创了应用数学模型来说明和解释溶质运移 过程的局面,推导建立了土壤溶质运移的对流一弥散方程(ConvectionEaua— Dispersion tion:简称CDE,或Advection DispersionEquation:简称ADE)。由此,CDE方程作为土壤 溶质运移研究的经典方程和基本方程的主导地位。 目前,土壤溶质运移的研究已成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等 相关学科的基础和前沿研究领域,越来越得到重视【6曲]。近十几年取得的进展有目共 睹,其研究成果促进了土壤学科和相关学科的发展,在农业生产、资源利用和环境保护方 面也得到了广泛应用。 本文就土壤溶质运移模型的研究及应用进展进行简要的综述。 1 土壤溶质运移模型的研究 1.1 室内和田间“点尺度下土壤溶质运移模型 根据模型的构成原理,可分为3类[10]:确定性机理模型、确定性函数模型和随机模 型。 1.1.1确定性的机理模型 该类模型实质是体现了过程的最基本的机理。通常非稳态、伴有吸附或分解的一维 对流一弥散溶质运移方程一般可表述为: (1) a(aetc)+Io薯=麦{印(口,q)薏一gc}一9(z,t) 式中:C:土壤溶质浓度;0:土体含水量;JD:土壤干容重;S:溶质在吸附相中的浓度;D(日, q):弥散系数;q:达西流速;t:时间;::土壤深度坐标;9(:,t):包括土壤溶质的各个转化 过程及植物根系吸收在内的源汇项。 ★国家熏点基础研究发展规划项目(G1999011709)资助。 ·224· 面向农业与环境的土壤科学 该模型是经典的溶质运移机理性模型,是诸多溶质运移转化模型的主体构成,比如 一步的修正,建立了可动与不可动相“两域”(two—regions)的CDE。考虑到土壤颗粒表 面物理化学反应特征的不同,vn /双点位(two—sites)的土壤溶质运移模型。 近10年来许多学者还注意到土壤结构体之间因大孔隙的存在等产生优先流,使在初 始时刻位置相同的溶质随着时间的变化产生巨大的位移差异或显著的弥散作用。Gerke 和van 用RZWQM模型模拟了化学溶质在大孔隙中的运移。 1.1.2确定性的函数模型 确定性函数模型对基本原理没有什么要求,对溶质和水流进行了简化处理,大多用物 质平衡的方法来估算土壤溶质的行为[t9-20]。常见的函数模型如活塞流、半解析模型、层 状模型和其他简单方法等【2卜22|。层状模型简单易于求算,模拟结果较准确,许多土壤养 分运移转化模型都以该模型作为首选模型,可以说该模型是目前水肥管理研究中比较实 用的工具。 1.1.3随机模型 随机模型可分为两大类,一类是基于变量空间变异特性的随机模型,另一类是基于变 量时间序列随机特性的随机模型。 空间随机模型主要有2种形式,其一是在确定性模型中引入随机参数,例如Amoze. 98r等[23]应用偏斜斜率分布拟合孔隙水流速率和扩散系数以代替CDE中使用单一移和 D值。杨金忠等【24】对均匀和非均匀多孔介质中水分及溶质运移的随机理论进行了详细 介绍,在理论上将溶质的宏观弥散与介质的统计特征相联系,克服和解决了宏观弥散系数 的求解问题。其二是完全随机模型,也就是说当制约溶质迁移的机理不清楚时,在某一时 刻从给定土壤容积输出的溶质质量速率可看作是前一时刻t’输入的随机函数[25]。设 Q加(t’)和Q洲(

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