饱和非均质土壤中溶质大尺度运移的两区模型模拟

目前,用于模拟土壤中溶质运移过程的两区模型(TRM)的研究均集中在实验室的短土柱上,涉及的尺度较小。本研究分别应用两区模型(TRM)、对流-弥散方程(CDE)和分数微分对流-弥散方程(FADE)对1 250 cm长一维非均质土柱中NaCl的运移过程进行模拟,并分析了TRM模型参数的变化特征。结果表明:实验土柱中存在一定的不动水体,与CDE和FADE相比,TRM能更好地描述土柱中不同位置处溶质穿透曲线的提前穿透和拖尾特征,表明TRM对较大尺度条件下非均质土壤中溶质运移的模拟具有更高的精度;应用TRM研究长土柱中溶质的运移问题依然存在弥散系数的尺度效应问题,但TRM的弥散尺度效应小于CDE;TRM中的可动水体含量可以由土壤的有效孔隙率与总孔隙率的比值来确定;而质量交换系数则与对流时间(x/vm)之间存在幂函数的相关关系。     

孔隙水流速对胶体在饱和多孔介质中运移的影响

采用室内石英砂柱出流实验和数学模型,研究了流速对自然土壤胶体、蒙脱石胶体和腐殖酸钠胶体在饱和多孔介质中运移的影响。结果表明:孔隙水流速影响着胶体在多孔介质中的运移过程,流速的提高可加速土壤胶体的出流过程,减小蒙脱石胶体和腐殖酸钠胶体的沉积率。胶体的运移过程除受孔隙水流速的影响外,胶体特性的不同亦决定着胶体运移过程的差异,由于胶体表面性质不同,与介质之间的作用力不同,决定了胶体运移过程中的沉积和释放。     

腐殖酸-高岭石胶体对铀(VI)在饱和多孔介质中迁移过程的影响

为探讨可溶性有机质存在条件下黏土矿物胶体对铀（VI）在饱和多孔介质中迁移的影响,选取2种石英砂（细砂和粗砂）分别构建均质构型的石英砂柱,研究了饱和水流条件下腐殖酸存在时高岭石胶体对铀在2种不同粒径石英砂中迁移的影响。结果表明,示踪溶质在2种均质石英砂柱中的穿透曲线相似且分布对称。当在石英砂柱中只通入铀（VI）溶液时,铀（VI）在2种粒径石英砂柱中的穿透量均较小（<25%）,此时大量的铀（VI）通过络合作用吸附在石英砂表面上。当通入溶液中存在腐殖酸和高岭石胶体时,铀（VI）在2种石英砂柱中的穿透量增加,且在600~850 μm石英砂中（58.36%）比250~425 μm石英砂中（42.68%）穿透量更多。这充分表明腐殖酸—高岭石胶体和石英砂粒径是影响铀（VI）在地下环境中迁移的重要因素。     

饱和多孔介质中高岭石胶体和SiO2胶体运移行为比较

胶体在多孔介质中的运移行为不仅取决于胶体本身的性质,同时还受到溶液离子强度、孔隙水流速等物理、化学因素的影响。本文通过室内饱和石英砂柱出流实验,探讨了高岭石胶体(Kaolinite胶体)和SiO2胶体在不同离子强度(0.001 5,0.01和0.03 mol L-1)和平均孔隙流速(约20和5 cm h-1)作用下的迁移行为。结果表明,随溶液离子强度增加,Kaolinite胶体和SiO2胶体的沉淀量增加;平均孔隙水流速的增加则会促进Kaolinite胶体和SiO2胶体的运移。同时还表明,离子强度和流速变化对粒径较大的Kaolinite胶体运移的影响要显著大于SiO2胶体。研究结果有助于加深胶体对污染物运移的促进机制的理解,同时对全面、客观评价地下环境的污染风险具有一定的指导意义。     

多孔介质中多组分反应性溶质运移的研究进展

溶质在多孔介质中的运移,必然受到多组分反应的影响,并且此种情况下能用水动力方程和多组分化学平衡方程进行描述。本文回顾了此研究领域的运移模型、数值模拟、可应用的计算软件和相关的问题,并在此基础上,提出目前土壤多组分反应性溶质运移仍存在的问题。     

非均质饱和土壤盐分优先运移的随机模拟

在室内使用特殊形状的土柱隔板成功地填装了在水平横截面上呈“川”字型分布、由质地相差较大的两种土壤相间构成的非均质土柱。当土柱出流达到稳态后，灌入CaCl2溶液，监测土柱出流液的浓度动态。通过计算表征氯离子迁移时间随机特征的概率密度函数，对出流盐分的优先运移采用传递函数模型进行仿真，并对构成非均质土柱的两种均质土壤分别进行了条件类似的水盐入渗实验和模拟。在此基础上获得了参与氯离子输运的土壤水运移体积和可动体积以及土壤溶液中氯离子的体积平均驻留浓度。     

胶体颗粒对不同粒径饱和多孔介质渗透性的影响

探讨胶体颗粒在多孔介质中迁移所发生的物理、化学及生物作用过程,在许多学科中具有重要的科学意义。采用室内石英砂柱实验,开展了定水头条件下不同浓度和粒径的胶体颗粒在饱和多孔介质中的运移行为研究。共使用了3种胶体粒径、3种浓度的胶体溶液和3种粒径范围的石英砂。实验表明:多孔介质的相对渗透系数K/K0(K为各时刻计算所得的渗透系数,K0为初始渗透系数)减小程度与颗粒浓度成正比;胶体颗粒越大,越易在表层沉积,而小颗粒易向下部迁移,但总体来看粒径效应没有浓度效应明显;当胶体颗粒在不同粒径的饱和多孔介质中迁移时,粒径大的多孔介质各段K/K0均有明显降低,而粒径小的只在表层变化明显。不同条件下总体相对渗透系数与时间之间呈二次方相关关系,但当多孔介质粒径较小时,相关性不显著。介质渗流流速及砂柱不同位置胶体颗粒浓度变化与介质渗透性变化相对应。用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行定性表征,进一步说明胶体颗粒会堵塞多孔介质孔隙影响其渗透性。实验中发现当输入浓度C0小于0.5 g·L–1且dp/Dp>0.018(dp为胶体颗粒粒径,Dp为石英砂算数平均粒径)时,会出现多孔介质局部K/K0增大的现象。     

纳米碳对黄绵土水分运动及溶质迁移特征的影响

以黄绵土为研究对象,均匀添加不同含量纳米碳(质量含量分别为0,0.001,0.005,0.01,0.05g/g),采用室内土柱试验分别测定土壤累积入渗量曲线、溶质穿透曲线及水分特征曲线,初步研究了纳米碳含量对黄绵土水分运动及溶质迁移过程的影响。结果表明:(1)纳米碳的存在对土壤水分入渗过程产生阻碍作用,入渗率随着纳米碳含量增加而减小,Philip方程能较好地描述添加纳米碳的黄绵土入渗过程;(2)纳米碳可以提高土壤的持水能力,随着纳米碳含量增加,土壤饱和含水量增加,相同土壤水吸力下的土壤含水量增大,van Genuchten模型可较好拟合含有纳米碳的黄绵土水分特征曲线,进气吸力随纳米碳含量增加而减小,形状参数(n)随之减小;(3)纳米碳可以有效提高土壤吸持溶质能力,随纳米碳含量增加,初始穿透时间提前,完全穿透时间延长,弥散度增大;土柱被置换液完全穿透后,土样中Cl-平均含量随纳米碳含量增加而变大。     

羟丙基甲基纤维素作土壤改良剂对土壤溶质运移的影响

羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)是一种潜在的土壤改良剂,加入土壤中后具有明显的减渗效果,对缓解黄土高原水土养分的流失具有重要意义。该文通过在土壤中施加不同含量的HPMC,研究HPMC对土壤溶质迁移特性的影响。结果表明:1)HPMC质量分数在0～0.5 g/kg范围内,饱和导水率随HPMC添加量增大而逐渐减小,0.5g/kg组相比未添加HPMC的空白组降低37.3%;土壤中保守性溶质的运移速度显著降低;随HPMC添加量增加,溶质的初始和完全穿透时间明显推迟,穿透总历时延长;2)CDE方程和两区模型均能较好地模拟在土壤中添加不同含量HPMC时溶质的运移状况,2种模型的拟合曲线也均能与实测曲线较好吻合,但两区模型的模拟精度更高。3)基于两区模型的参数拟合结果,随HPMC添加量的增加,平均孔隙水流速越小,水动力弥散系数、弥散度和质量交换系数均增加,而土壤可动水体的含水量比率逐渐减少。     

土壤容重对红壤水分溶质运移特征影响的试验研究

通过测定南方第四纪红壤不同土壤容重条件下,土壤水分水平入渗过程和溴化钾溶液穿透曲线,分析了土壤容重对入渗速率、土壤饱和导水率的影响;根据CDE模型、运用CXTFIT软件对溴离子的穿透曲线(BTC)进行拟合.并求其运移参数.结果表明:土壤水分运移速率和土壤饱和导水率随着红壤容重增大而减少;随着容重增大,Br-的水动力弥散系数D增大,阻力因子R也增大.     

根系对浅表层土大孔隙分布特征及饱和渗透性的影响

根系的存在对土壤大孔隙的产生及渗透特性有着重要影响,为研究浅表层土体中根系生物量与土壤大孔隙特征之间的数值关系,在缙云山针阔混交林中选取杉木单株植物根际土体为研究对象,进行染色示踪试验及根系生物量测量,取样后在室内采用自制定水头装置进行水分穿透试验和渗透试验.结果表明:(1)不同土壤剖面和不同土层深度的土壤染色面积不同...     

伊毛缟石对蒙脱土和高岭土分散凝聚特性的影响

[目的]探究伊毛缟石对蒙脱土和高岭土分散凝聚特性的影响,为水土保持和环境保护工作提供理论依据。[方法]采用浊度法测定黏土的分散性、离子交换法测定黏土电荷特性、电子显微镜观察等实验方法,将蒙脱土和高岭土溶液分别按一定比例混合伊毛缟石溶液,观察伊毛缟石对蒙脱土和高岭土分散凝聚特性的影响。[结果]伊毛缟石和蒙脱土的1∶1混合溶液,在全部pH值范围内保持凝聚;未脱铁处理的高岭土在pH值为5.9以下凝聚,在pH值为6.0以上分散,添加约5%的伊毛缟石使它的分散凝聚特性逆转。[结论]从微观上看,无论在酸性还是碱性条件下,伊毛缟石混合溶液都呈凝聚状态。酸性时,伊毛缟石的可变电荷和结晶性黏土矿物的永久电荷之间的引力形成凝聚;碱性时,伊毛缟石的表面变成中性形成凝聚。     

土壤胶体对砂质土柱中草萘胺迁移的影响

采用室内砂柱模拟试验方法研究了红壤和黑土两种土壤胶体对草萘胺在砂质土柱中迁移的影响。结果表明,整个淋滤过程中红壤和黑土胶体的回收率比较高,分别达到66．76％和74．75％;胶体促进了草萘胺在砂质土柱中的迁移,与对照相比（无胶体）,加入红壤和黑土胶体后草萘胺的回收率分别提高了9．82％和10．63％。但是吸附在胶体上迁移的草萘胺数量比较少,只占到迁移总量的1．15％（红壤）和1．68％（黑土）,物理非平衡机制可能在迁移过程中起支配作用。     

离子强度及pH对不同类型土壤中胶体释放的影响

采用实验室土柱纵向淋溶法,研究了离子强度及pH变化对常熟乌栅土原状、扰动土柱以及东北黑土、江西红壤扰动土柱土壤胶体释放的影响。结果表明离子强度变化对我国不同类型土壤胶体释放影响不同：淋洗液电解质为NaCl时,对于常熟乌栅土以及东北黑土,离子强度减小促进胶体的释放,反之抑制胶体的释放;对于江西红壤,离子强度变化对土壤胶体释放则不产生影响。淋洗液电解质为CaCl2条件下,土壤胶体的释放量低于淋洗液为NaCl,且离子强度变化对三种土壤胶体的释放均不产生明显影响。相同条件下,常熟乌栅土及东北黑土胶体释放量远远大于江西红壤,pH变化则对上述类型土壤胶体释放的影响不明显。研究结果有助于进一步阐明水化学条件的变化对我国不同类型土壤胶体释放的影响规律。     

2种土壤磁性特征及其对磁性示踪实验的影响

通过磁性示踪耕作实验、土壤磁性背景值测定、土壤物理性质分析等方法研究了云南东川区蒋家沟流域2种土壤类型的磁性特征,并探讨了土壤磁性对耕作侵蚀磁性示踪实验的影响。结果表明:(1)砾石土磁性随粘粒和粉粒含量增加而明显增强(r=0.58,p0.05;r=0.67,p0.05),随砂粒增加而明显减弱(r=-0.71,p0.05);黄棕壤粘土因受磁性矿物影响大,随土壤中砂粒含量增加而增强,砾石土磁性随土壤含水量增加而明显减小(r=-0.68,p0.05)。(2)因受土壤侵蚀的影响,砾石土的磁性与坡度呈显著负相关关系(r=-0.701,p0.05),即随坡度增大而明显减小。(3)土壤成土背景差异导致2种土壤磁性存在明显差异,即黄棕壤粘土的磁性(1 451×10-5SI)是砾石土磁性(53×10-5SI)的27倍。在耕作侵蚀的磁性示踪实验中,磁性背景值低的砾石土比磁性强的黄棕壤粘土有更好的磁性敏感性,更能准确反映耕作侵蚀位移。当混入磁性示踪剂的土壤磁性是土壤磁性背景值的30倍时,耕作侵蚀磁性示踪实验较为准确和可靠,以此作参考,不同磁性的土壤可以确定一个科学的磁性示踪剂用量。     

六盘山华北落叶松坡面土壤饱和导水率空间异质性及其影响因素

为深入理解森林坡面土壤饱和导水率的空间变异,利用经典统计学和地统计学的方法研究六盘山华北落叶松人工林坡面不同土层土壤饱和导水率的空间异质性,并基于相关性分析揭示其空间变异的主要因素。结果表明:(1)随土层的加深,土壤饱和导水率逐渐增加,不同土层土壤饱和导水率的空间变异程度存在差异,表现为40—60 cm土层土壤饱和导水率为强变异,其他土层均为中等变异。(2)不同土层土壤饱和导水率的空间结构也存在差异,20—40,40—60,60—80 cm土层土壤饱和导水率表现为强烈的空间自相关性,0—20,80—100 cm土层土壤饱和导水率表现为中等空间自相关性。(3)坡面土壤饱和导水率与石砾含量、非毛管孔隙度、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度显著相关。综上,研究坡面土壤饱和导水率具有较强的空间变异,石砾含量和土壤物理性质是影响研究坡面土壤饱和导水率空间分布的主要因素。     

孔隙空间对聚苯乙烯胶体滞留与释放的影响

为加深孔隙空间对胶体运移影响的认识,在不同pH与离子强度下,研究了胶体在经酸洗或水洗后的玻璃珠或石英砂中的迁移行为。结果表明:粒径相同的玻璃珠与石英砂(0.45~0.60mm)相比,形状一致的玻璃珠形成的孔隙空间(孔隙率0.38)小于石英砂(0.45)。酸洗与水洗后的玻璃珠表面成分变化不大(0~0.6%),经酸洗的介质后能提供更多有利吸附位点。在高pH(10)环境下,石英砂经酸洗或水洗后,胶体滞留量增大(72.1%和69.2%)。提高溶液pH到10后出现的胶体吸附增加,是颗粒接触点、非流动区或低流速区和涡流区滞留等孔隙空间滞留机制引起的,用DLVO理论无法解释。在离子强度为0.001mol/L或0.05mol/L环境下,酸洗石英砂中胶体滞留量比酸洗玻璃珠的分别高16.3%和28.0%,表明介质孔隙空间增大可加强颗粒接触点、非流动区或低流速区和涡流区滞留,然而优先流能够削弱孔隙空间滞留机制对胶体的滞留。此外,超纯水解吸时仅使少量胶体(3.9%)从玻璃珠与石英砂介质的孔隙涡流区中解吸出来,表明涡流区对胶体的保留不是胶体滞留在介质中的主要机制。     

再生水盐分在亚热带不同土壤中的迁移特性及其差异

为了合理评价再生水灌溉盐分对土壤环境的影响,分析盐溶液淋溶亚热带土壤流出液盐分变化规律及其对土壤化学性质的影响差异,该文采用定水头入渗法,模拟不同浓度钠盐溶液淋溶黏性潮土、沙性潮土、红壤、紫色土、水稻土等5种亚热带地区土壤,并观测土壤流出液电导率（EC）和pH值的差异。试验结果表明：1）高浓度盐溶液对黏粒含量较高的红壤、紫色土、黏性潮土的穿透能力弱于黏粒含量较低的水稻土和沙性潮土。同等浓度水平处理达到相同的穿透程度,酸性土壤（红壤、紫色土、水稻土）能承受更多的低质水量。2）盐分在土壤中的迁移速度主要由土壤理化性质决定,土壤黏粒含量、交换性铝含量会显著减缓盐分在土壤中的迁移能力,而土壤粉粒含量、EC、pH值以及交换性钙、镁含量会促进盐分在土壤中的迁移。盐分更容易穿透碱性土壤（黏性潮土和沙性潮土）而流出,碱性土壤流出液相对EC最大变化速率比酸性土壤高36%。基于Boltzmann函数拟合表明,入渗水盐浓度及土壤理化性质对模型参数有显著影响（P<0.05）。3）土壤化学性质受入渗液盐分浓度的影响程度不仅与土壤本身的化学性质有关,也与土壤质地中的粉粒、黏粒含量有极显著的关系（P<0.01）。各浓度盐溶液对碱性土壤的pH值影响不明显,对酸性土壤的pH值影响较大,其流出液pH值减少1.6～2.6个单位,其中红壤的pH值变化最大,其次为紫色土。入渗液EC高于4.77 dS/m的处理对土壤流出液的稳定pH值影响增幅不明显。因此,利用低质水灌溉时要依据土壤理化性质合理限定水中盐浓度。     

应用15N示踪技术研究耕作方式对甘蔗氮肥吸收利用的影响

为探讨甘蔗适宜的机械耕作方式,以甘蔗品种桂糖42号为材料,采用田间微区¹⁵N示踪技术,研究深松45 cm+旋耕25 cm(T1)、深翻40 cm+圆盘耙碎土25 cm(T2)和旋耕25cm(T3)3种耕作方式对氮肥利用效率及去向的影响。结果表明,3种耕作方式下新植蔗吸收的N有43.40%~46.45%来自当季施用的氮肥,氮肥利用率、残留率和损失率范围分别为14.39%~18.43%、50.70%~55.49%和26.08%~34.91%;宿根蔗吸收的N来自上季施用氮肥的比率为13.27%~14.78%,上季氮肥在宿根季的利用率、残留率和损失率范围分别为7.79%~10.35%、31.41%~34.12%和11.02%~11.50%;两季甘蔗收获后,氮肥残留均随土层深度的增加而明显递减,但T3在0~20 cm土层残留较多,其他耕作方式在20~60 cm土层残留较多。两季甘蔗干物质积累量、肥料氮来源比率、氮肥利用率及氮肥残留率以T1最高,T2次之,T3最低,T1与T3间差异达显著水平;两季甘蔗氮肥损失率以T3最高,T2次之,T1最低,其中在新植蔗3个处理间的差异达显著水平。综上,在红壤旱地,深松深翻能促进甘蔗对氮肥的吸收,减少氮肥损失,增加甘蔗产量,其中深松45 cm+旋耕25 cm(T1)的耕作方式效果较好。本研究结果可为红壤蔗地合理耕作提供科学依据。