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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(dú)立的，而是相互制約,、相互影響,，是一個(gè)耦合變化過程。土壤中水,、熱,、溶質(zhì)的運(yùn)移研究，是土壤中物質(zhì)、能量運(yùn)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(jì)中葉以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤中水,、熱,、溶質(zhì)同步運(yùn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)移的文獻(xiàn)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(dāng)處理等，農(nóng)藥,、重金屬等在土壤中的遷移及其對(duì)土壤和水體的污染等已成為世界性的嚴(yán)重問題,，這些都必須根據(jù)土壤水熱、溶質(zhì)運(yùn)移的理論和特性加以研究和進(jìn)行管理,。此外,，在干旱、半干旱地區(qū)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)移機(jī)理和模型的研究,，對(duì)鹽漬土的改良,、促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面都有重要的指導(dǎo)意義,。

2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)

土壤水熱,、溶質(zhì)耦合運(yùn)移是一個(gè)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(shí)際條件下進(jìn)行驗(yàn)證和擬合，從20世紀(jì)70年代起,，研究工作開始由實(shí)驗(yàn)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(jìn)的觀測(cè)手段,。

AZ-S0210土壤水熱,、溶質(zhì)耦合運(yùn)移觀測(cè)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(jìn)行土壤水熱相關(guān)的原位長期定位監(jiān)測(cè),，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)；同時(shí)在不同深度對(duì)孔隙水和排水進(jìn)行原位抽提取樣,，測(cè)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(yùn)移的規(guī)律以及土壤水熱和物質(zhì)平衡提供先進(jìn)的觀測(cè)手段和科學(xué)技術(shù)。

AZ-S0210土壤水熱,、溶質(zhì)耦合運(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室模擬土柱單元作為可選項(xiàng),，滿足室內(nèi)模擬試驗(yàn)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(shì)、土壤溫度傳感器,，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集數(shù)據(jù),，從而精確測(cè)量土壤水分的變化梯度；沿土體剖面埋設(shè)土壤溶液自動(dòng)取樣器,，利用全自動(dòng)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(jì)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(dòng)及土柱罐體附近土壤的流動(dòng),。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(shì)、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(duì)應(yīng)傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yàn)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(jìn)行了預(yù)處理的特定類型土壤,，進(jìn)行裝填。300mm高的土柱沿土體剖面按3個(gè)層次（5，15和25cm）,、600mm高的土柱沿土體剖面按4個(gè)層次（5,，10，30和55cm）,、1200mm高的土柱沿土體剖面按5個(gè)層次（10,，30，55,，80和115cm）分別安裝土壤水分,、土壤水勢(shì)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(shì)和土壤溫度的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔可通過數(shù)采進(jìn)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(gè)通道單獨(dú)設(shè)定合適的采集時(shí)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(dāng)增高,。每當(dāng)有降雨或灌溉操作，則在降雨或灌溉之后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行抽提取樣,。

2.4 觀測(cè)指標(biāo)

土壤水熱參數(shù)：土壤水分,、土壤水勢(shì)、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(jià)鉻、氰化物,、聯(lián)氨,、揮發(fā)酚等濃度及其梯度變化。

2.5 觀測(cè)系統(tǒng)組成

AZ-S0210土壤水熱,、溶質(zhì)耦合運(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng)由土壤水分,、土壤水勢(shì)和土壤溫度剖面觀測(cè)單元，原狀土柱罐體或者實(shí)驗(yàn)室土柱,，土壤離子自動(dòng)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(shì)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(shí)條件,、具有廣泛適應(yīng)性的土壤水熱和溶質(zhì)運(yùn)移理論模型,。

4 應(yīng)用案例

4.1 澳作MS-LY土壤溶質(zhì)運(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng)948引進(jìn)項(xiàng)目取得重要進(jìn)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(jì)劃項(xiàng)目進(jìn)展順利。該項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié),，引進(jìn),、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(yàn)研究基地完成,，標(biāo)志著該項(xiàng)目的技術(shù)引進(jìn)工作已經(jīng)結(jié)束，即將進(jìn)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(chǎng)共同完成了引進(jìn)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(chǎng)培訓(xùn)等工作,，整個(gè)安裝調(diào)試過程進(jìn)展順利,。目前,，土壤溶質(zhì)運(yùn)移觀測(cè)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(yàn)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(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng)來研究水通量及溶質(zhì)的運(yùn)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(yùn)移觀測(cè)系統(tǒng),，規(guī)格均為1米直徑，2米深,。主要研究目的是在實(shí)際條件下測(cè)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,。