舒艷 王紅旗 王亞男
(北京師范大學環境科學研究所，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100875)

　　我國對土壤磷運移研究起步較晚，尤其對污水土地處理條件下的磷遷移、轉化、沉淀模擬研究還是起步階段，磷為反應性溶質，進入土壤后受化學、物理等諸多因素的影響，其運移機制較復雜，國外一些學者對其運移進行了初步研究；國內近年來一些學者對磷在土壤中遷移也作了初步探索，但均未提出數學模型，對磷在土壤中的遷移轉化綜合過程始終缺乏定量化研究。
　　本文根據磷在土壤中的遷移轉化機理，分別進行了以土柱試驗為基礎的“磷在污水土地處理條件下的的遷移轉化模擬試驗”，總結了污水中的磷在土壤中遷移轉化的規律，提出了定量模擬這一規律的遷移轉化聯合模型。聯合模型包括水運動模型和溶質運動模型兩部分，綜合考慮磷在土壤中遷移、轉化和沉淀等過程，并根據試驗結果，在傳統的溶質運動模型基礎上添加化學轉化項形成了具有磷的反應特點的溶質運動模型。對磷在土壤中的化學反應分別考慮了吸附反應和沉淀反應，并提出了沉淀態磷在土壤中的遷移轉化模型。聯合模型為研究磷在土壤中的運動提供了定量化依據，避免了已有研究中將遷移和轉化割裂研究造成的誤差，豐富并完善了不同形態磷的遷移轉化模型。

1. 污水土地處理條件下磷遷移轉化模擬實驗

　　本次研究中設計了垂直土柱實驗用以模擬污水進入土壤后發生的遷移轉化過程，試圖尋找出污水中的可溶態磷進入土壤后的遷移轉化規律及各種形態磷的濃度變化，并以此為基礎建立磷在土壤中的遷移、轉化、沉淀模擬模型。
　　實驗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，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壓計，兩組負壓計連接到一個負壓計水銀槽讀數板上。組2包括土柱III和土柱IV，不安裝負壓計。本裝置可以觀測到土壤中水分和溶質以及土壤水吸力在剖面上的變化，便于觀測溶質在剖面上的運動，同時為測量計算各種運動參數提供了可能。
　　由磷在土壤中的化學轉化機理，將磷在土壤中的形態分為可溶態磷、吸附態磷和沉淀態磷。根據磷在土壤中的遷移轉化模擬實驗，分析了這三種形態的磷在土壤中遷移轉化的規律：可溶態磷是磷在土壤中遷移轉化的起點，進入土壤后，主要隨水分作溶質遷移，在遷移的同時，不斷轉化為吸附態磷和各種沉淀態磷；吸附態磷由可溶態磷生成，并與可溶態磷一起發生沉淀反應生成沉淀態磷，但固著于土壤顆粒上，不發生遷移；沉淀態磷由可溶態磷和吸附態磷化學轉化而成，在土壤中也有部分遷移現象。

2. 污水土地處理條件下磷沉淀過程模擬模型

　　在土壤中，溶質的對流通量和水動力彌散作用形成了溶質的基本通量，由此得到溶質運移基本方程。污水處理條件下磷在土壤中的運動不僅是隨水流運動，而且有自身的化學轉化，因此溶質運動方程還應考慮各種形態的磷在土壤中吸附反應和沉淀反應。土壤中沉淀態磷包括Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P和Fe-P，根據其物理化學性質，將Ca2-P稱為微沉淀態鈣磷，Ca8-P稱為中間態鈣磷，Ca10-P為沉淀態鈣磷，將Al-P和Fe-P綜合考慮為沉淀態鋁-鐵磷。
　　溶質運動基本方程與各種形態的磷的轉化方程相結合形成可溶態磷在土壤中遷移轉化方程。中間態磷、沉淀態鈣磷和沉淀態鋁-鐵磷以類似懸移質的不平衡輸送的形式在土壤中遷移。這三種沉淀態磷在土壤中的運動包括物理遷移和化學轉化兩部分，因此在化學動力學方程的基礎上應考慮增加水流對這三種沉淀物的影響。化學轉化模型在溶質運動模型中已經確定，參考懸移質泥沙在水流中運移的過程，只考慮水流對流對懸移質的輸送作用，由此得到中間態磷、沉淀態鈣磷和沉淀態鋁-鐵磷在土壤中的遷移轉化方程。
　　將水運動模型和溶質運動模型相結合，就得到了磷沉淀過程的聯合模型。

　　為檢驗模型的合理性和精度，根據實驗條件對聯合模型進行應用和計算，并與實測的可溶態磷、微沉淀態磷、中間態磷、沉淀態鈣磷和沉淀態鋁-鐵磷的濃度值進行比較分析，各種形態的磷的計算值與實測值變化趨勢相同，數值相近。驗證了聯合模型的形式是合理的，具有應用性。

3. 污水土地處理磷沉淀過程模擬分析

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

　　（2）土柱中各種形態的磷剖面變化規律
　　可溶態磷在剖面上的變化明顯與含水率的剖面變化一致，說明可溶態磷的濃度變化主要受水流作用主導；中間態鈣磷和沉淀態鈣磷、沉淀態鋁-鐵磷在地表和地表以下20cm濃度內濃度明顯較低，而再向深處濃度保持穩定，同時，三種磷的遷移明顯大大滯后于水分的遷移，說明懸移質在水中的遷移相對較弱。
　　模擬計算結果分析表明，磷在土壤中的遷移轉化過程中，可溶態磷和沉淀態磷的遷移作用均強于轉化作用；溶質運移和懸移質運移存在一定的差異，溶質的遷移效果強于懸移質。

結論

　　本文在分析了污水土地處理條件下磷在土壤中的遷移、轉化、沉淀機理的基礎上，設計了綜合考慮磷沉淀過程的土柱試驗。通過對土柱試驗結果的分析，提出了聯合模型，為研究磷在土壤中運動提供了定量化依據。模型主要特點有：
　　◆ 模型首次綜合考慮了磷在土壤中的遷移、轉化兩種過程，避免了已有研究中將這兩個過程割裂開造成的誤差；
　　◆ 模型中對磷在土壤中的化學反應考慮了沉淀反應，并提出了沉淀態磷在土壤中遷移轉化的模型，首次將沉淀態磷隨水流遷移的過程反映在模型中。