可溶性物质以水为媒介,在土体内的迁移过程。土壤溶质包括自然土壤中存在的和由于人为活动加入到土壤中的各类可溶性无机盐、有机盐和在溶液中呈分子态的有机化合物。土壤溶质运移包括质流、扩散、水力学弥散等可溶性物质的迁移过程,也包括溶质的源汇和动态存储。
可溶性物质以水为媒介,在土体内的迁移过程。土壤溶质包括自然土壤中存在的和由于人为活动加入到土壤中的各类可溶性无机盐、有机盐和在溶液中呈分子态的有机化合物。土壤溶质运移包括质流、扩散、水力学弥散等可溶性物质的迁移过程,也包括溶质的源汇和动态存储。
由降水和灌溉进入土壤中的水本身就是一种溶液,虽然雨水是由水汽凝结而生成的纯水,但在降落过程中溶解了大气中的气体以及由工厂排放出的含有硫、氮等氧化物的烟尘。进入土壤中的水将溶解存在于土壤中的盐类,并与土壤固相物质之间建立若干化学平衡(如沉淀—溶解平衡、吸附—解吸平衡、氧化—还原平衡等)。在干旱、半干旱地区和滨海地区,地下水中含有大量的可溶性盐分,这类地下水向土壤补给时,为土壤带入了高浓度的水溶液,并可诱发土壤次生盐碱化。工矿企业排出的污水和城市生活污水也是土壤高浓度水溶液的来源之一。大部分的农药均为水溶性的有机化合物,因而农药的使用是土壤中有机溶质的重要来源。几乎所有化肥都是可溶性盐类,化肥的施用实际上就是提高土壤水溶液中某些养分离子的浓度。土壤中植物根系对溶质的吸收以及微生物对溶质的同化,都将降低土壤中溶质的浓度。此外,土壤有机质的矿化以及腐殖化作用,也是土壤溶质的源和汇,但由于有机质矿化作用和腐殖化作用,相对于溶质运移的其他过程来说,其速度非常缓慢,一般忽略不计。
任何土壤水都是含有溶质的水溶液,它的运动必然挟带着溶质一起迁移,这种通过水的对流而发生的溶质迁移称为溶质的质流运移。土壤中液相的运动经常是缓慢的,因而溶质在液相中由于不规则热运动和流体中分子反复变位和碰撞所产生的扩散运移,也是土壤溶质迁移的极其重要的形式。只要土壤溶液中溶质分布不均匀,就必然发生溶质从高浓度处向低浓度处的扩散。
水(溶液)进入土壤参与土壤水(溶液)的过程,是一种溶液混入和置换另一种溶液的过程。这是70年代初由美国学者纳尔逊等(D.R.Nielsen,J.W.Biggar and K.T.Erh,1973)最早介绍到土壤科学中来的液体混合置换理论。所谓液体的混合置换是指当与土壤原始溶液的组成不同的某种溶液进入土壤时,两种溶液混合后,使流出液的组成或浓度逐渐改变的过程。假设在一内壁光滑无阻力的管子内充满纯水,用NaCl溶液作为置换流体注入管子一端,将原有的纯水(被置换流体)迅速推出,取而代之。如果这一过程中没有发生溶质的扩散和流体的混合,这将是一个百分之百的推移置换过程,称为活塞流。事实上,土壤中的活塞流是不存在的。即使土壤为一均匀的多孔介质,并视土壤孔隙为一圆管,液体在管中流动时的管壁阻力以及溶质在置换流体与被置换溶液界面两侧的扩散作用,是不能忽略的。因此,当NaCl溶液注入管子中时,使得靠近管壁处流体的流速小于管子中心的流速,随着置换流体的不断注入,管子中原液在中心处先被置换,两种流体逐渐混合,并此消彼长,直至原液被完全置换。监测管子另一端的排出液,将排出液的体积与其相对浓度的变化关系绘制成曲线,称为混合置换过程的贯流曲线,又称穿透曲线。对活塞流而言,当排出液的容积小于管子的容积时,其浓度为纯水的浓度,相对浓度为零,而当排出液的容积等于管子的容积后,排出液的浓度完全变为置换流体的浓度,相对浓度为1。而对于土壤中的混合置换过程,排出浓度的变化不是一个突变过程,而是从零到1之间逐渐增大的连续变化。这表明了土壤中一种溶液替换另一种溶液的过程,是一个先混合后置换的过程。土壤溶液的混合置换过程中,流体混合和置换的速度极大地受制于土壤孔隙度和孔隙分布,并受土壤湿度和溶质浓度等因素的强烈影响。上述种种原因造成土壤溶质的非均速迁移,是导致土壤溶液混合置换的基本机制,通常称它为弥散作用。又因为土壤流体的混合置换过程,也是溶质扩散作用的共同结果,而且实际上溶质的弥散作用和扩散作用是难以区分的,因此又常把弥散作用和扩散作用综合称为水动力弥散作用。
这是土壤溶质运移的另一种形式。所谓源、汇,是指溶质在土壤中的产生和消失;而动态存储则指溶质从液相中离析出来变为土壤固相物质,但并未真正从土壤中消失,在适当条件下它们又可从固相变为液相,重新加入到土壤溶液中成为溶质,通常这是一个可逆的动态过程。
在土壤学、环境科学和生态学的物质循环研究中均具有重要意义。认识和利用土壤溶质运移的规律,对于干旱、半干旱地区和滨海地区的地下水位控制,安全利用咸水进行灌溉,防止土壤盐碱化的发生和利用淡水淋洗土壤中过多的盐分,改良盐碱土都是必不可少的;研究养分元素在土壤中的运动和相互作用,通过根层养分元素的调控增强土壤肥力,是土壤养分研究的基本内容。厂矿废弃物和污水的排放,造成有害物质在土壤和地下水中的污染和扩散,它们的控制和防治是环境土壤学的主要课题;越来越多的杀虫剂和除草剂的使用,造成有害有机物在土壤中的残留、扩散甚至进入食物链,因此,防止和控制有机溶质在土壤和地下水中的污染,改善农作物的已成为一项新的研究方向。
土壤溶质运移的研究发展较快,在大量实验的基础上,国际上已有大量应用数学模型进行土壤溶质运移定量研究的报道。这些借助计算机进行的模拟研究,大多以流体混合置换理论为基础,主要考虑了质流、扩散和弥散等过程和作用,对土壤溶质运移进行预测预报和行为规律的研究,并已开始涉及土壤溶质运移的源、汇问题,液相与固相之间的作用(溶质的动态存储)问题,以及土中非流动区(死孔隙)的溶质运移问题等。关于土壤溶质运移的模拟研究,多数仍限于描述控制条件下实验室土柱的溶质运移过程,若要得到田间实际条件下的广泛验证和实际应用,尚待进一步的研究和完善。
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