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基于土壤微环境分层的平原水稻灌区磷污染模型(2)
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摘要：当田面有水层但无排水或无水层时，稻田土壤水运动过程均可简化为二维垂向土壤水动力学问题，模型利用Richards方程[20]计算 （3） 式中h为土壤压力水头
当田面有水层但无排水或无水层时，稻田土壤水运动过程均可简化为二维垂向土壤水动力学问题，模型利用Richards方程[20]计算
（3）
式中h为土壤压力水头，cm；z为垂向距离，向下为正，cm；K(h)为土壤非饱和水力传导度，cm/min；C(h)为比水容量，cm。选用水流和溶质运移模拟软件（HYDRUS）提供的van Genuchten-Mualem公式[21]计算土壤水力特性参数。
由于水稻田犁底层具有较强的阻水作用，本文暂不考虑犁底层向底土层和地下水的垂直下渗作用，只考虑犁底层的侧渗作用。在耕作层仅考虑向犁底层的垂直入渗，侧面为零通量边界。田面存在淹没水层时，C(h)=0，K(h)=Ks，Ks为土壤饱和水力传导度，cm/min。无淹没水层时，采用蒸发强度作为上边界。
稻田地表排水根据排水沟道汇流顺序汇入各级排水沟道，排水在沟道水流演进采用略去惯性项和压力项的一维圣维南方程[22]模拟。
1.2 磷的迁移转化过程
水稻在不同生育期需水状况不同，导致水田呈现干湿交替的水土环境，从而影响稻田的磷转化运移过程。干湿交替会造成稻田土壤水土界面有氧-无氧环境频繁变化，而磷转化的生物化学过程又受到有氧-无氧环境的强烈影响，因此需要考虑土壤和水层、有氧层与无氧层之间的界面效应。根据土壤中含氧量差异将稻田土壤分为有氧层和无氧层。一般河道沉积物有氧层为地表以下3 mm厚[23]，但水稻土壤有氧层可以取1 cm[24]，无氧层取有氧层以下30 cm厚。在田面积水和无人为干扰的情况下，有氧层和无氧层的厚度保持不变，但田面无淹没水层时，有氧层会随着土壤含水层下降而下降。本研究提出的稻田土壤磷转化过程见图1。
注：R1为施肥磷通量；R2、R3分别为有氧层和上覆水、有氧层和无氧层的磷扩散通量；R4为颗粒混掺磷通量；R5为稻田磷衰减通量；R6、R7分别为水体层向有氧层、有氧层向无氧层的磷渗透通量；R8为灌溉水携带磷通量。Note: R1 is Phosphorus (P) flux by fertilization; R2 and R3 are the P diffusion flux between aerobic layer and water layer, aerobic layer and anaerobic layer, respectively; R4 is particle mixing P flux; R5 is P attenuation flux in water layer; R6 and R7 are the P infiltration flux from water layer to aerobic layer and aerobic layer to anaerobic layer, respectively; R8 is P flux by irrigation.图1 基于土壤微环境分层的磷转化迁移模型示意图Fig.1 Schematic diagram of phosphorus transformation and migration model based on soil microenvironment sub-stratification
1.2.1 磷在稻田的循环过程
由图1可以看出，磷在稻田的循环由外界输入、各层之间的交换、水层的生化衰减反应3部分构成。磷在各层之间的交换主要包括3个过程：水体之间的扩散作用、生物扰动造成的颗粒混掺、渗透作用。
1）磷的来源主要是施肥、降雨灌溉外界带入，施入土壤中的有机磷肥或动植物残体的有机磷在微生物的作用下会产生矿化分解变成无机磷，主要是正磷酸盐。施肥和灌溉带入的磷通量分别用R1、R8表示。
2）水体之间的扩散作用。用R2、R3分别表示有氧层和上覆水、有氧层和无氧层之间的磷扩散通量。扩散是在浓度梯度作用下发生的，扩散通量与浓度梯度成正比，表达式如下[23]
（4）
式中Cw为水中污染物浓度，mg/L；Ce为有氧层中污染物浓度，mg/L；Cs为无氧层中污染物浓度，mg/L；KL01、KL12分别是水体层与有氧层、有氧层与无氧层间的水体扩散传质系数，m/s；fd1、fd2分别表示溶解磷在有氧层和无氧层中所占的比例。
3）有氧层和无氧层之间颗粒混掺作用。在生物扰动作用下，有氧层和无氧层间的土壤颗粒发生混掺，引起磷交换。颗粒混掺交换通量用R4表示[23]
（6）
式中ω12表示土壤颗粒的混掺速率，m/s；fp1、fp2分别表示吸附磷在有氧层和无氧层中所占的比例。
4）渗透作用。由于重力作用，水体层和有氧层、有氧层和无氧层之间会发生渗透，渗透水携带着磷向下迁移。有氧层和无氧层的渗透通量分别用R6、R7表示[23]
（7）
式中IL01和IL02分别是水体层与有氧层、有氧层与无氧层之间的渗透作用传质系数，m/s。
5）衰减作用。稻田水层中的磷由于自净作用会随着时间衰减，满足一阶反应动力学。衰减通量用R5表示
（9）
式中Kf为衰减系数，d-1。
1.2.2 考虑土壤微环境分层的磷分配过程
磷在固液相的分配比例是模型的重要参数，磷的吸附解吸过程是分配比例确定的依据。土壤颗粒中的铁（氢）氧化物表面存在着大量表面羟基，对无机磷的吸附作用很强，铁及其氧化物的存在形式决定了磷在土壤中的形态[25]。在有氧条件下，溶解态的Fe2+被氧化为FeOOH(s)，对磷的吸附作用较强；在无氧或相对缺氧的条件下，FeOOH(s)被还原为Fe2+，对磷的吸附作用减弱。可见溶解磷和吸附磷在土壤中所占的比例fdj和fpj是溶氧浓度的函数。
文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0127/492.html