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1 引言

土壤中水、熱和溶質(zhì)狀況的變化并不是獨立的，而是相互制約、相互影響，是一個耦合變化過程。土壤中水、熱、溶質(zhì)的運移研究，是土壤中物質(zhì)、能量運移與轉(zhuǎn)換研究的重要組成部分，是土壤—植物—大氣連續(xù)體研究中的重要內(nèi)容之一。上世紀中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤中水、熱、溶質(zhì)同步運移的有關(guān)問題做了大量研究，并從理論上發(fā)展了各種模型以描述其運動與影響因素，使本領(lǐng)域的研究有了較大的發(fā)展。但綜合性的描述和研究土壤中水、熱、溶質(zhì)耦合運移的文獻較為少見。

近年來，由于化肥和農(nóng)藥使用量的日益增多、工業(yè)廢水的大量排放、污染物的不當處理等，農(nóng)藥、重金屬等在土壤中的遷移及其對土壤和水體的污染等已成為世界性的嚴重問題，這些都必須根據(jù)土壤水熱、溶質(zhì)運移的理論和特性加以研究和進行管理。此外，在干旱、半干旱地區(qū)強烈蒸發(fā)條件下，土壤鹽分或地下水可溶性鹽類通過水的垂直或側(cè)向運動向地表累積，這是土壤積鹽過程*為普遍的形式，也是發(fā)生鹽漬化的主要原因，土壤中水、熱、溶質(zhì)耦合運移機理和模型的研究，對鹽漬土的改良、促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、保護生態(tài)環(huán)境等方面都有重要的指導(dǎo)意義。

2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 目標

土壤水熱、溶質(zhì)耦合運移是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程，經(jīng)過國內(nèi)外科研工作者近數(shù)十年的努力，目前已經(jīng)建立了很多理論模型。但模擬研究得出的模型亟需在田間實際條件下進行驗證和擬合，從20世紀70年代起，研究工作開始由實驗室走向田間，研究者發(fā)現(xiàn)室內(nèi)研究結(jié)果跟田間有很大差別。因此，更加深入的研究需要更為先進的觀測手段。

AZ-S0210土壤水熱、溶質(zhì)耦合運移觀測系統(tǒng)以水分及溶質(zhì)在土壤系統(tǒng)中的傳遞為紐帶，充分考慮土壤水熱及溶質(zhì)在不同層次和水平面上的傳遞過程，進行土壤水熱相關(guān)的原位長期定位監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集器自動采集數(shù)據(jù)；同時在不同深度對孔隙水和排水進行原位抽提取樣，測定不同層次土壤溶質(zhì)的組成。為深入研究土壤水熱和溶質(zhì)耦合運移的規(guī)律以及土壤水熱和物質(zhì)平衡提供先進的觀測手段和科學(xué)技術(shù)。

AZ-S0210土壤水熱、溶質(zhì)耦合運移觀測系統(tǒng)將實驗室模擬土柱單元作為可選項，滿足室內(nèi)模擬試驗研究的需要。該單元采用某一特定高度的微型土柱，填裝原狀土樣，沿土體剖面埋設(shè)高精度土壤水分和水勢、土壤溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器自動采集數(shù)據(jù)，從而精確測量土壤水分的變化梯度；沿土體剖面埋設(shè)土壤溶液自動取樣器，利用全自動離子分析單元土壤溶質(zhì)濃度及梯度分析。

2.2 樣品采集及傳感器布設(shè)

原狀土柱樣品通常為直徑1m，高度2m的土體，應(yīng)用**設(shè)計的原狀土取樣技術(shù)，采用不帶有圓形切割刀具的開挖工具，可以避免土壤擾動及土柱罐體附近土壤的流動。然后在罐體30cm、60cm、120cm和180cm深的位置分層分別安裝土壤水分、土壤水勢、土壤溫度傳感器以及土壤溶液抽提取樣器。此外在罐體周圍的田間，依照罐體內(nèi)傳感器的層次埋設(shè)對應(yīng)傳感器，以實時監(jiān)測原狀土柱內(nèi)外參數(shù)的變化和修正其偏差。

室內(nèi)模擬試驗土柱，根據(jù)研究需要選擇直徑30cm、高度為30cm或60cm或120cm的罐體，采集原狀土或用進行了預(yù)處理的特定類型土壤，進行裝填。300mm高的土柱沿土體剖面按3個層次（5，15和25cm）、600mm高的土柱沿土體剖面按4個層次（5，10，30和55cm）、1200mm高的土柱沿土體剖面按5個層次（10，30，55，80和115cm）分別安裝土壤水分、土壤水勢傳感器和土壤溶液抽提取樣器。

2.3 數(shù)據(jù)采集頻率

土壤水分、土壤水勢和土壤溫度的數(shù)據(jù)采集時間間隔可通過數(shù)采進行統(tǒng)一設(shè)置為1、5、10、30s，或1、5、10、30min，或1、2、4、12、24h，也可每個通道單獨設(shè)定合適的采集時間間隔。

土壤溶液抽提取樣通常情況下每2周取樣一次，植物生長季頻率適當增高。每當有降雨或灌溉操作，則在降雨或灌溉之后幾個小時內(nèi)進行抽提取樣。

2.4 觀測指標

土壤水熱參數(shù)：土壤水分、土壤水勢、土壤溫度及其梯度變化。

土壤溶質(zhì)參數(shù)：亞硝酸鹽、硝酸鹽+亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、銨離子、鈣離子、氯離子、鐵離子、總磷、總氮、硫酸鹽、堿度、硬度、氯化物、六價鉻、氰化物、聯(lián)氨、揮發(fā)酚等濃度及其梯度變化。

2.5 觀測系統(tǒng)組成

AZ-S0210土壤水熱、溶質(zhì)耦合運移觀測系統(tǒng)由土壤水分、土壤水勢和土壤溫度剖面觀測單元，原狀土柱罐體或者實驗室土柱，土壤離子自動分析單元共同組成。

3 數(shù)據(jù)處理

從數(shù)據(jù)采集器定期下載土壤水分、土壤水勢和土壤溫度的數(shù)據(jù)，分析其與土壤溶質(zhì)濃度及遷移速率的關(guān)系，建立其相互之間的函數(shù)相關(guān)關(guān)系。建立*接近于真實條件、具有廣泛適應(yīng)性的土壤水熱和溶質(zhì)運移理論模型。

4 應(yīng)用案例

4.1 澳作MS-LY土壤溶質(zhì)運移觀測系統(tǒng)948引進項目取得重要進展

----來源：黑龍江省水利科學(xué)研究院

黑龍江省水利科學(xué)研究院承擔(dān)的水利部“948”計劃項目進展順利。該項目的重要環(huán)節(jié)，引進、安裝澳作公司**代理的德國UMS公司生產(chǎn)的土壤科學(xué)蒸滲儀工作，已于2009年5月26日至5月29日，在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗研究基地完成，標志著該項目的技術(shù)引進工作已經(jīng)結(jié)束，即將進入技術(shù)的消化、吸收再創(chuàng)新階段。

課題組全體人員與德國2名專業(yè)技術(shù)人員、北京澳作生態(tài)儀器有限公司3名技術(shù)人員，在現(xiàn)場共同完成了引進設(shè)備的取原狀土、傳感器安裝、土柱吊裝、儀器調(diào)試、現(xiàn)場培訓(xùn)等工作，整個安裝調(diào)試過程進展順利。目前，土壤溶質(zhì)運移觀測系統(tǒng)地表區(qū)域已經(jīng)種植了玉米，并開始試應(yīng)用和試驗研究工作。

4.2 巴伐利亞國家水管理局在河漫灘安裝土壤水熱溶質(zhì)耦合運移觀測系統(tǒng)來研究水通量及溶質(zhì)的運移

巴伐利亞國家水管理局Michael Gierig教授在位于慕尼黑南40公里處的河漫灘安裝了8套土壤水熱溶質(zhì)耦合運移觀測系統(tǒng)，規(guī)格均為1米直徑，2米深。主要研究目的是在實際條件下測量污染區(qū)域的污染物如何滲透到地下水中去的，此調(diào)查涉及的污染物范圍較為廣泛，包括重金屬（如砷、鉛、鉻、鎘、鉈）和多環(huán)芳烴等。