舒艷 王紅旗 王亞男
(北京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

　　我國(guó)對(duì)土壤磷運(yùn)移研究起步較晚，尤其對(duì)污水土地處理?xiàng)l件下的磷遷移、轉(zhuǎn)化、沉淀模擬研究還是起步階段，磷為反應(yīng)性溶質(zhì)，進(jìn)入土壤后受化學(xué)、物理等諸多因素的影響，其運(yùn)移機(jī)制較復(fù)雜，國(guó)外一些學(xué)者對(duì)其運(yùn)移進(jìn)行了初步研究；國(guó)內(nèi)近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)磷在土壤中遷移也作了初步探索，但均未提出數(shù)學(xué)模型，對(duì)磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化綜合過(guò)程始終缺乏定量化研究。
　　本文根據(jù)磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，分別進(jìn)行了以土柱試驗(yàn)為基礎(chǔ)的“磷在污水土地處理?xiàng)l件下的的遷移轉(zhuǎn)化模擬試驗(yàn)”，總結(jié)了污水中的磷在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，提出了定量模擬這一規(guī)律的遷移轉(zhuǎn)化聯(lián)合模型。聯(lián)合模型包括水運(yùn)動(dòng)模型和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)模型兩部分，綜合考慮磷在土壤中遷移、轉(zhuǎn)化和沉淀等過(guò)程，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在傳統(tǒng)的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上添加化學(xué)轉(zhuǎn)化項(xiàng)形成了具有磷的反應(yīng)特點(diǎn)的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)模型。對(duì)磷在土壤中的化學(xué)反應(yīng)分別考慮了吸附反應(yīng)和沉淀反應(yīng)，并提出了沉淀態(tài)磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化模型。聯(lián)合模型為研究磷在土壤中的運(yùn)動(dòng)提供了定量化依據(jù)，避免了已有研究中將遷移和轉(zhuǎn)化割裂研究造成的誤差，豐富并完善了不同形態(tài)磷的遷移轉(zhuǎn)化模型。

1. 污水土地處理?xiàng)l件下磷遷移轉(zhuǎn)化模擬實(shí)驗(yàn)

　　本次研究中設(shè)計(jì)了垂直土柱實(shí)驗(yàn)用以模擬污水進(jìn)入土壤后發(fā)生的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，試圖尋找出污水中的可溶態(tài)磷進(jìn)入土壤后的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及各種形態(tài)磷的濃度變化，并以此為基礎(chǔ)建立磷在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、沉淀模擬模型。
　　實(shí)驗(yàn)用土柱為圓柱形加蓋不透水裝置，底部為自流出水裝置，頂端加蓋。土柱共有四個(gè)，分為兩組。組1包括土柱I和土柱II，兩土柱各取一列取樣孔位置安裝負(fù)壓計(jì)，兩組負(fù)壓計(jì)連接到一個(gè)負(fù)壓計(jì)水銀槽讀數(shù)板上。組2包括土柱III和土柱IV，不安裝負(fù)壓計(jì)。本裝置可以觀測(cè)到土壤中水分和溶質(zhì)以及土壤水吸力在剖面上的變化，便于觀測(cè)溶質(zhì)在剖面上的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為測(cè)量計(jì)算各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供了可能。
　　由磷在土壤中的化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理，將磷在土壤中的形態(tài)分為可溶態(tài)磷、吸附態(tài)磷和沉淀態(tài)磷。根據(jù)磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化模擬實(shí)驗(yàn)，分析了這三種形態(tài)的磷在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律：可溶態(tài)磷是磷在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的起點(diǎn)，進(jìn)入土壤后，主要隨水分作溶質(zhì)遷移，在遷移的同時(shí)，不斷轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)磷和各種沉淀態(tài)磷；吸附態(tài)磷由可溶態(tài)磷生成，并與可溶態(tài)磷一起發(fā)生沉淀反應(yīng)生成沉淀態(tài)磷，但固著于土壤顆粒上，不發(fā)生遷移；沉淀態(tài)磷由可溶態(tài)磷和吸附態(tài)磷化學(xué)轉(zhuǎn)化而成，在土壤中也有部分遷移現(xiàn)象。

2. 污水土地處理?xiàng)l件下磷沉淀過(guò)程模擬模型

　　在土壤中，溶質(zhì)的對(duì)流通量和水動(dòng)力彌散作用形成了溶質(zhì)的基本通量，由此得到溶質(zhì)運(yùn)移基本方程。污水處理?xiàng)l件下磷在土壤中的運(yùn)動(dòng)不僅是隨水流運(yùn)動(dòng)，而且有自身的化學(xué)轉(zhuǎn)化，因此溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程還應(yīng)考慮各種形態(tài)的磷在土壤中吸附反應(yīng)和沉淀反應(yīng)。土壤中沉淀態(tài)磷包括Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P和Fe-P，根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)，將Ca2-P稱為微沉淀態(tài)鈣磷，Ca8-P稱為中間態(tài)鈣磷，Ca10-P為沉淀態(tài)鈣磷，將Al-P和Fe-P綜合考慮為沉淀態(tài)鋁-鐵磷。
　　溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)基本方程與各種形態(tài)的磷的轉(zhuǎn)化方程相結(jié)合形成可溶態(tài)磷在土壤中遷移轉(zhuǎn)化方程。中間態(tài)磷、沉淀態(tài)鈣磷和沉淀態(tài)鋁-鐵磷以類似懸移質(zhì)的不平衡輸送的形式在土壤中遷移。這三種沉淀態(tài)磷在土壤中的運(yùn)動(dòng)包括物理遷移和化學(xué)轉(zhuǎn)化兩部分，因此在化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮增加水流對(duì)這三種沉淀物的影響?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化模型在溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)模型中已經(jīng)確定，參考懸移質(zhì)泥沙在水流中運(yùn)移的過(guò)程，只考慮水流對(duì)流對(duì)懸移質(zhì)的輸送作用，由此得到中間態(tài)磷、沉淀態(tài)鈣磷和沉淀態(tài)鋁-鐵磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化方程。
　　將水運(yùn)動(dòng)模型和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)模型相結(jié)合，就得到了磷沉淀過(guò)程的聯(lián)合模型。

　　為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇院途?，根?jù)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)聯(lián)合模型進(jìn)行應(yīng)用和計(jì)算，并與實(shí)測(cè)的可溶態(tài)磷、微沉淀態(tài)磷、中間態(tài)磷、沉淀態(tài)鈣磷和沉淀態(tài)鋁-鐵磷的濃度值進(jìn)行比較分析，各種形態(tài)的磷的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)相同，數(shù)值相近。驗(yàn)證了聯(lián)合模型的形式是合理的，具有應(yīng)用性。

3. 污水土地處理磷沉淀過(guò)程模擬分析

　　（1）土柱中各種形態(tài)的磷隨時(shí)間變化規(guī)律
　　土壤中各種形態(tài)的磷在遷移轉(zhuǎn)化中互相影響，互相制約，灌水初期可溶態(tài)磷逐漸向下遷移，并向其它形態(tài)的磷發(fā)生轉(zhuǎn)化，表層可溶態(tài)磷濃度漸漸下降。鋁-鐵磷的生成小于其遷移量，沉淀態(tài)鋁-鐵磷的濃度也呈持續(xù)下降趨勢(shì)。中間態(tài)鈣磷和沉淀態(tài)鈣磷隨時(shí)間變化而不斷積累，其濃度明顯隨時(shí)間升高（見圖1 A）。
在土層深部，可溶態(tài)磷、中間態(tài)鈣磷、沉淀態(tài)鈣磷、沉淀態(tài)鋁-鐵磷濃度均持續(xù)增漲。幾種磷不斷隨水流遷移而積累，造成濃度隨時(shí)間不斷升高（見圖1 B）。

　　（2）土柱中各種形態(tài)的磷剖面變化規(guī)律
　　可溶態(tài)磷在剖面上的變化明顯與含水率的剖面變化一致，說(shuō)明可溶態(tài)磷的濃度變化主要受水流作用主導(dǎo)；中間態(tài)鈣磷和沉淀態(tài)鈣磷、沉淀態(tài)鋁-鐵磷在地表和地表以下20cm濃度內(nèi)濃度明顯較低，而再向深處濃度保持穩(wěn)定，同時(shí)，三種磷的遷移明顯大大滯后于水分的遷移，說(shuō)明懸移質(zhì)在水中的遷移相對(duì)較弱。
　　模擬計(jì)算結(jié)果分析表明，磷在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中，可溶態(tài)磷和沉淀態(tài)磷的遷移作用均強(qiáng)于轉(zhuǎn)化作用；溶質(zhì)運(yùn)移和懸移質(zhì)運(yùn)移存在一定的差異，溶質(zhì)的遷移效果強(qiáng)于懸移質(zhì)。

結(jié)論

　　本文在分析了污水土地處理?xiàng)l件下磷在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、沉淀機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了綜合考慮磷沉淀過(guò)程的土柱試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)土柱試驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了聯(lián)合模型，為研究磷在土壤中運(yùn)動(dòng)提供了定量化依據(jù)。模型主要特點(diǎn)有：
　　◆ 模型首次綜合考慮了磷在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化兩種過(guò)程，避免了已有研究中將這兩個(gè)過(guò)程割裂開造成的誤差；
　　◆ 模型中對(duì)磷在土壤中的化學(xué)反應(yīng)考慮了沉淀反應(yīng)，并提出了沉淀態(tài)磷在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的模型，首次將沉淀態(tài)磷隨水流遷移的過(guò)程反映在模型中。