植物根部細胞表面吸附的陽離子、陰離子與土壤溶液中陽離子、陰離子發(fā)生交換的過程就叫交換吸附根部之所以能夠進行交換吸附，是由于根部細胞膜的表面有陰、陽兩種離子，其中主要是H+和HCO-3,這些離子主要是由呼吸作用放出的CO2和H2O生成的H2CO3所離解出來的。H+和HCO-3能夠迅速地分別與周圍溶液中的陽離子和陰離子進行交換吸附，鹽類離子就被吸附在細胞的表面上。這種吸附是不需要能量的，而且吸附的速度很快。1、將離子吸附在根部細胞表面：主要通過交換吸附進行。所謂交換吸附是指根部細胞表面的正負離子(主要是細胞呼吸形成的CO2和H2O生成H2CO3再解離出的H+和HCO3-)與土壤中的正負離子進行交換，從而將土壤中的離子吸附到根部細胞表面的過程。在根部細胞表面，這種吸附與解吸附的交換過程是不斷在進行著的。具體又分成三種情形：土壤中的離子少部分存在于土壤溶液中，可迅速通過交換吸附被植物根部細胞表面吸附，該過程速度很快且與溫度無關(guān)。根部細胞表面吸附層形成單分子層吸附即達極限。土壤中的大部分離子被土壤顆粒所吸附。根部細胞對這部分離子的交換吸附通過兩種方式進行：一是通過土壤溶液間接進行。土壤溶液在此充當(dāng)“媒介”作用；二是通過直接交換或接觸交換(contactexchange)進行。這種方式要求根部與土壤顆粒的距離小于根部及土壤顆粒各自所吸附離子振動空間的直徑的總和。在這種情況下，植物根部所吸附的正負離子即可與土壤顆粒所吸附的正負離子進行直接交換。土壤溶質(zhì)遷移基本特征第三章土壤水分運動參數(shù)確定方法隨著土壤水分運動定量研究的深入，數(shù)學(xué)模型已廣泛被用于土壤水分運動的模擬計算，而計算精度很大程度上取決于土壤水分運動參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此準(zhǔn)確估計土壤水分運動參數(shù)成為一項基礎(chǔ)］：作。多年來國內(nèi)外學(xué)者通過大量的理論分析和實驗驗證，提出了多種確定土壤水分運動參數(shù)的方法，概括起來主要有兩大類，即直接測定法和間接推求法。兩種方法各具特點和優(yōu)勢，但總的研究趨勢是尋求利用簡單實驗獲得土壤水分運動參數(shù)的方法。當(dāng)然，簡單方法同樣建立在一定的理論分析基礎(chǔ)上，因此在參數(shù)確定方面不僅需要發(fā)展相關(guān)理論和方法，同樣需要開發(fā)價格合理，便于應(yīng)用的設(shè)備系統(tǒng)。第一節(jié)質(zhì)地對土壤水分特征曲線的影響土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與吸力(基質(zhì)勢)之間的關(guān)系曲線。它表明了土壤水能態(tài)與土壤水含量之間的關(guān)系，土壤水吸力隨著含水量增加而減小。目前測定土壤水分特征曲線的方法主要有張力計法、離心機法、壓力膜法、砂芯漏斗法，平衡水汽壓法等。張力計法操作簡單，在田間條件下具有明顯優(yōu)勢。土壤水分特征曲線主要受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤干容重、土壤溫度等影響。此外，土壤膨脹收縮、吸附性離子的種類和數(shù)量等因素也影響土壤水分特征曲線。由于影響因素較多，且關(guān)系復(fù)雜，目前尚不能從理淪上推求基質(zhì)勢與含水量之間的關(guān)系，一般常用經(jīng)驗公式或簡單模型表示，如Brooks—Corey(1964)模型、vanGenuchten(1980)模型、Campbell(1974)模型以及Mualem(1976)模型等。而Brooks—Corey模型和vanGenuchten模型是目前應(yīng)用最為廣泛的模型，因此下面著重分析質(zhì)地與兩模型參數(shù)間關(guān)系。Brooks-Corey模型可表示為：vanGenuchten模型可表示為：°一七=-一|——丁(2-2)式中：8為體積含水晝.tm7cm1；仇為滯留含水cmVern1*&為飽和含水雖，ctnVJi為七壤吸力.c.m；知為土壤進氣吸力*cm；A,功.“和口為擬合參數(shù)，其中m=1—1/n。由式(3—1)和式(3—2)可知，當(dāng)土壤處于飽和狀態(tài)時，式(3—1)中的土壤吸力h等于進氣吸力，而式(3—2)中的土壤吸力A等于零。從這種意義上講，Brooks—Corey模型更符合脫濕曲線，而varGenuchten模型更符合吸濕曲線。但由于兩種模型在實際應(yīng)用中各具特點，如Brooks—Corey模型形式簡單，便于推求土壤水分運動模型，以及發(fā)展確定土壤水分運動參數(shù)的簡單方法，而vanGenuchten模型適用土壤質(zhì)地范圍比較寬，因此目前兩模型的應(yīng)用沒有嚴格限制于脫濕或吸濕過程。同時Brooks—Corey模型與vanGenuchten模型也可以進行簡單轉(zhuǎn)化，如省略vanGenuchten模型等式右邊分母項中1，式(3—2)就變?yōu)槭?3—1)。袋五種土境的賺粒組成M為粒枝)±樺_.將級腰林.〔mm)?含量白命敬(%)-2502新事土瓦17368.45】西安土D.2I6低5國5i.280曜福土0.M冗一部529,441安塞上0+則76-性657榆林土冥，19口77.IliO&650安塞土、綏德土、西安土、新疆土。利用篩分土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓和過篩后，按設(shè)計容重分層

，首先測定吸濕曲線，待土壤飽和后開始定時蒸為了分析質(zhì)地對土壤水分特征曲線的影響，選取西北地區(qū)有代表性的五種質(zhì)地土樣，即榆林土、法和吸管法進行土壤顆粒分析，五種土樣顆粒組成如表3—1安塞土、綏德土、西安土、新疆土。利用篩分土樣經(jīng)風(fēng)干、碾壓和過篩后，按設(shè)計容重分層

，首先測定吸濕曲線，待土壤飽和后開始定時蒸按照國際土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，五種土樣質(zhì)地分別為粉黏壤土、粉壤土、沙壤土、沙壤土和壤質(zhì)沙土。均勻裝入實驗土柱，實驗土柱截面直徑為9cm、高為9cm的圓筒，然后插入張力計。在實驗過程中發(fā)脫水，測定脫濕曲線，實驗結(jié)果如圖3—1和圖3—2所示。1200-BOO■100-?■新疆士.+西安土，畿制土—安塞土-*-1200-BOO■100-?■新疆士.+西安土，畿制土—安塞土-*-榆林土*SrM±?西安土一罪箝土充塞土+榆林土[513-1土麋吸濕過程水分特彼曲貌圖3-N上壤脫濕過程水分特祖1曲蜷第49頁第四章土壤溶質(zhì)遷移基本特征隨著世界人口的增加，面臨糧食不足的威脅，提高糧食產(chǎn)量成為一項重要而艱巨的任務(wù)。灌溉無疑是提高土壤水分，獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，但不良灌溉和缺乏淡水的灌溉，使土壤發(fā)生嚴重的次生鹽堿化，因此保護糧食和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)資一一土地，使灌區(qū)土壤從次生鹽堿化的威脅中解脫出來是人類面臨的緊迫任務(wù)。最近幾十年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，空氣污染和水環(huán)境污染的發(fā)生，以及農(nóng)田化肥、農(nóng)藥的使用，給上壤和地下水帶來了嚴重污染，威脅著生態(tài)環(huán)境、人身健康和人類生存。對此問題的研究與解決需要理解土壤環(huán)境中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機制。溶質(zhì)在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，不儀是研究鹽堿土、次生鹽堿土水鹽運動的基礎(chǔ)，而且是農(nóng)田合理施肥、植物對養(yǎng)分吸收與利用、土壤以及水環(huán)境污染防治的基礎(chǔ)。第一節(jié)土壤溶質(zhì)遷移特點一、土壤與環(huán)境間溶質(zhì)交換土壤系統(tǒng)是以土壤為中心，與土壤環(huán)境條件組成的系統(tǒng)，它是相互聯(lián)系、相互制約的多種因素有機結(jié)合休，具有各種復(fù)雜多變的組成、特定的結(jié)構(gòu)、功能和演變規(guī)律。在土壤環(huán)境系統(tǒng)中物質(zhì)和能量不斷地由外界環(huán)境向土壤輸入，通過土體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化，必然會引起土壤成分，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能的改變，從而推動土壤的演變；物質(zhì)和能量從土壤向環(huán)境的輸出，也必然會導(dǎo)致環(huán)境成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變，從而推動環(huán)境的不斷變化。因此，土壤環(huán)境系統(tǒng)是一個為能量與物質(zhì)所貫穿的開放體系。土壤溶質(zhì)作為土壤環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，它的運移過程必然影響著土壤與環(huán)境間的物質(zhì)與能量的交換過程。天然條件下，以土壤為研究對象，溶質(zhì)主要通過降雨、施肥、灌溉、地下水補給、植物殘留物、植物固氮以及河流與湖泊側(cè)滲等過程輸入到土壤中，而土壤又通過生物吸收、大氣揮發(fā)、地表徑流與水土流失、農(nóng)田排水以及與地下水的交換等過程向外部環(huán)境輸出溶質(zhì)。因此土壤內(nèi)的溶質(zhì)通過各種途徑與環(huán)境間不斷的進行交換，處于一一種動態(tài)變化過程，并與其環(huán)境保持一種動態(tài)平衡。根據(jù)質(zhì)量平衡原理，土壤溶質(zhì)的變化量可表示為：J&W—-M.、IM；+T-r+機一"-虬一一一<4-1）第78頁式中；AM為土壤溶質(zhì)變化量，虬為降雨蠕入的溶質(zhì)；Ma為農(nóng)施肥輸入的溶質(zhì)，Ms為農(nóng)田灌溉偷人的溶質(zhì)wM,：為地下水補給壤的解質(zhì)；為植物殘留物樸給土壤的溶質(zhì)，為植物固筑；Mr為河流湖泊側(cè)滲擒人的溶質(zhì)j為生物吸收的溶質(zhì)w為輸入地下水的瘠質(zhì)寧M,為大氣抨發(fā)的溶質(zhì)；Mr為隨地裊徑流利水土流失損失落.質(zhì)；Md為寂R1排水所排出的溶質(zhì)'二、土壤系統(tǒng)基本特性土壤是一個極其復(fù)雜的體系，它不僅包括固、液和氣相，而且各個相又具有有機和無機組合，以及惰性和活性化合物，這種不均勻特點強烈地影響著土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并對土壤溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化特性有直接的影響。當(dāng)溶質(zhì)進入土壤后，它與土壤固、液和氣相物質(zhì)之間發(fā)生一系列物理、化學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)過程，以及在土壤中進行遷移轉(zhuǎn)化。溶質(zhì)在土壤中遷移轉(zhuǎn)化速度和強度決定于土壤溶質(zhì)與土壤物質(zhì)組成以及特性。土壤是一個多孔介質(zhì)體土壤是由固液氣三相構(gòu)成的多孔介質(zhì)體，土壤中的溶質(zhì)可以以氣態(tài)形式擴散和揮發(fā)，也可被稀釋、濃縮。同時溶質(zhì)可以氣態(tài)或液態(tài)形式在土體內(nèi)遷移或遷移到土體外部。這些遷移轉(zhuǎn)化過程與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、含水量和溫度以及溶質(zhì)本身特性有關(guān)。土壤是一個膠體體系土壤膠體是土壤固體物質(zhì)中最為活躍的部分，它與土壤溶質(zhì)離子的吸附與交換作用是土壤中極其重要的物理化學(xué)過程。它也是提高土壤養(yǎng)分有效性及土壤化學(xué)改良的重要因素。土壤膠體對帶有相反電荷離子吸附，其吸附交換量與土壤膠體種類和數(shù)量、溶質(zhì)相對含量以及溶質(zhì)離子自身特性、土壤溶液pH值、土壤含水量等有關(guān)。同時由于土壤膠體對離子吸附引起帶有正負電荷離子的遷移速度的差異，影響著溶質(zhì)在土壤內(nèi)部以及隨水土流失的過程與強度。土壤是一個化學(xué)體系土壤中的化合物或離子如同在水溶液中一樣，同樣遵循化學(xué)平衡原理，只因兩種體系的差異表現(xiàn)出化學(xué)反應(yīng)速度和強度有所不同。這些化學(xué)平衡法則同樣決定著溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程和速度。土壤中的氧化還原反應(yīng)是普遍存在，由于土壤中存在著多種多樣的氧化還原體系，所以土壤中的氧化還原過程遠比純?nèi)芤簭?fù)雜的多。這些過程的發(fā)生不僅與土壤的發(fā)展與形成密切相關(guān)，而且影響著有機質(zhì)分解的速度以及存在形式，同樣對土壤肥力有著重要影響，因此土壤中的氧化還原反應(yīng)同樣影響著溶質(zhì)在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程。土壤中有許多有機和尤機配位體，它們主要是土壤腐殖質(zhì)、微生物分解有機殘體過程中產(chǎn)生的有機物質(zhì)或分泌物。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，人工合成的許多化學(xué)物質(zhì)（農(nóng)藥等）第79頁第五章土壤溶質(zhì)遷移模型隨著對土壤溶質(zhì)遷移機制研究的逐步深入，對土壤溶質(zhì)遷移過程的定量描述逐步深化。人們試圖通過發(fā)展簡單數(shù)學(xué)模型來描述土壤溶質(zhì)遷移過程，以及影響溶質(zhì)遷移特征因素間內(nèi)在關(guān)系。通過對土壤溶質(zhì)遷移幾何理論和對流彌散理論的分析，比較各種模型間關(guān)系，為土壤溶質(zhì)遷移機制認識和遷移過程的數(shù)學(xué)描述提供參考。第一節(jié)土壤溶質(zhì)遷移幾何模型

幾何理論是依據(jù)對土壤孔隙分布特性的概化，并將土壤溶質(zhì)遷移過程看成對流與分子擴散過程，推求土壤溶質(zhì)遷移模式，如單毛管模型(Taylor,1951)、等自徑毛管束模型(Danel，1952)以及單元系列模型(Bear和Todd，I960)和毛管束模型。這種理論的優(yōu)點在于從土壤孔隙和流速分布特點出發(fā)，將土壤水分運動與溶質(zhì)遷移有機的聯(lián)系起來，給出比較清晰的溶質(zhì)遷移軌跡，便于更好地理解溶質(zhì)遷移機制。一、活塞流模型活塞流是一種最為簡單而理想的溶質(zhì)遷移模式，將土壤孔隙概化成為一個直徑為D的圓形直管，圓管內(nèi)為水所充滿，水與溶質(zhì)的遷移速度為u，且流速與管半徑無關(guān)。如果進行溶質(zhì)置換試驗，示蹤元素的出流濃度可表示為：c=0L〉vlf—4L<ui.(5-1)式中；L為試驗土柱長度；門為示蹤元素波度；r為試驗見時』從式(5—1)可看出，活塞流模型實際上認為土壤溶質(zhì)遷移不受土壤孔隙分布特性的影響。雖然活塞流是一種理想的溶質(zhì)遷移模式，但可通過對比，進一步理解土壤溶質(zhì)遷移特征。二、單毛管模型Taylor(1951)將土壤孔隙概化成為相當(dāng)于直徑為D的直毛管。根據(jù)層流理論，任意斷面水流速分布為：第91頁(5-2)式中吉密為任意半程，所對應(yīng)的流速；融>為管流平均流速*R為管的半徑.對于桔溫st換過程而—如果不考慮分于擴散作用，質(zhì)a：平衡方程我示為】(5-3)式中】n為任意管的半徑『?！撮T〈瓦府上式積分很.(5-4)TJ2,式EF就是上壤溶質(zhì)遷移的單E管模型*從式【5-4)可箱悟,當(dāng)?shù)仁接羞厼榱銜r,盯得到平均穿透時間Tf=L/vo.而最小穿透時間1：心即最小穿透時間是平均穿透時的的一半■同時也說明最小穿透時間與上壤特性無關(guān).這與實際有■定的差距，故JttTaylor(1953)提出了考慮分子擴散作用的模式，認為對于圓形水平?土柱溶質(zhì)在誣落過稅中存在著粕向擴散，這祥溶質(zhì)遷移方程變?yōu)椋篢J2,(5-5)式中：M為溶質(zhì)軸向分子鏟散系數(shù),工為水平坐標(biāo)山近一方程也為時流彌散理論的發(fā)腰盥定了基礎(chǔ).，女(5-5)式中：M為溶質(zhì)軸向分子鏟散系數(shù),工為水平坐標(biāo)山近一方程也為時流彌散理論的發(fā)腰盥定了基礎(chǔ).三、毛管束模型幾何理論最大的特點就是依據(jù)土壤孔隙分布特性及有關(guān)的理論推求土壤溶質(zhì)遷移模式。隨著土壤物理科學(xué)的發(fā)展，對土壤孔隙分布特性已有了較為清晰的認識，建立了描述土壤孔隙分布與土壤水分運動有關(guān)參數(shù)間關(guān)系的方法，為利用幾何理論以及結(jié)合現(xiàn)有的土壤孔隙分布研究成果，推求土壤溶質(zhì)遷移過程數(shù)學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。欲從幾何理論角度研究土壤溶質(zhì)的遷移特性，需尋求土壤物理特性與土壤水分及溶質(zhì)運移間的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)土壤物理學(xué)可知，土壤水分特征曲線反映了土壤水分的靜態(tài)特征，而土壤非飽和導(dǎo)水率反映了土壤水分的動態(tài)特征。Brooks和Corey(1964)建立了一種土壤水分特征曲線與非飽利導(dǎo)水率間的函數(shù)關(guān)系。這一關(guān)系的建立為從幾何角度研究土壤水分運動及溶質(zhì)遷移奠定了基礎(chǔ)。因此町根據(jù)Brooks和Corey的建模思想，結(jié)合土壤溶質(zhì)與水分運動的特點，從幾何角度來研究土壤溶質(zhì)的遷移機制。1.基本假定為了從幾何理淪角度研究土壤溶質(zhì)遷移特點，需對土壤孔隙分布特征及各第92頁第六章土壤水力學(xué)性質(zhì)及溶質(zhì)遷移參數(shù)的空間變異性空間變異是土壤性質(zhì)的一種普遍特忭。土壤性質(zhì)的變異主要來源于兩個方面，一是隨機變異；二是系統(tǒng)變異。隨機變異往往是山于采樣誤差和測定誤差造成的，而系統(tǒng)變異則是由母質(zhì)、氣候、水文、地形、生物、時間、人類活動的差異引起的。對于土壤性質(zhì)空間變異的研究經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)往往是把土壤性質(zhì)處理成空間隨機變量，即認為土壤性質(zhì)在空間上相互獨立、且具有相同的概率分布，在此基礎(chǔ)上進一步對土壤性質(zhì)進行統(tǒng)計估值、假設(shè)檢驗、回歸、判別、聚類等一系列的統(tǒng)計分析。但自20世紀(jì)70年代以來，隨著土壤科學(xué)家對土壤性質(zhì)空間分布規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)土壤性質(zhì)并不是空間隨機的，而是在一定空間內(nèi)具有白相關(guān)性。傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)的不足逐步顯露出來，對于如何解決土壤性質(zhì)窄間分布的分析問題已成為土壤科學(xué)家研究的一個熱點。第一節(jié)空間變異特性研究的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)半方差理論地質(zhì)統(tǒng)汁學(xué)方法的引進成為當(dāng)前研究土壤性質(zhì)空間分布的一種重要方法。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)最早產(chǎn)生于地質(zhì)礦業(yè)領(lǐng)域。］951年南非金礦的地質(zhì)學(xué)家、采礦工程師克立格(D.G.Krige)根據(jù)南非金礦的具體情況提出了按照樣品與待估地段的相對空間位置和相關(guān)程度來計算地段品味及儲量的方法，這是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)思想的雛形。隨后法國學(xué)者馬特隆(G.Matheron)對克立格提出的方法進行了洋細研究，于1962年提出了區(qū)域化變量概念(RegionalizedVariable)，并產(chǎn)生了地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)(Geostatistics)。所謂變量的區(qū)域性是指空間變量不是隨機相互獨立的，而是在一定空間內(nèi)相互影響的，并且這種影響會隨空間相對距離的增大而減弱并最終消失。按照地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)理論，區(qū)域變量的特征是用區(qū)域變量的空間分布來表征，而研究區(qū)域變量空間分布的主要數(shù)學(xué)工具是變異函數(shù)(Variogram)，即地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是根據(jù)相鄰變量的值，利用變異函數(shù)所揭示的區(qū)域化變量的內(nèi)在聯(lián)系來估計空間變量數(shù)值的方法。概括講，地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為工具研究變量空間分布規(guī)律的一種數(shù)學(xué)方法。第115頁一、空間變量進行地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析的三個條件用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法研究某種空間變量的分