崔 嵩, 付 強(qiáng), 李天霄, 李一凡

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心,哈爾濱 150030; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心, 哈爾濱 150090)

?

凍融期土壤溫度對(duì)有機(jī)污染物遷移行為的影響

崔 嵩1,2, 付 強(qiáng)1,2, 李天霄1,2, 李一凡3

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心,哈爾濱 150030; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心, 哈爾濱 150090)

為了解季節(jié)性凍融期土壤垂直分層溫度變化對(duì)有機(jī)污染物遷移擴(kuò)散行為的影響。通過(guò)冬季大田試驗(yàn)分別測(cè)定了裸地，5，10，15 cm厚度秸稈覆蓋條件下3，10，20，40，60，100 cm深度土壤溫度，并應(yīng)用土—?dú)饨粨Q層及相鄰?fù)寥缹舆w移擴(kuò)散通量系數(shù)，深入研究了土壤溫度變化對(duì)有機(jī)污染物遷移行為的影響，并系統(tǒng)地分析了不同溫度數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生的差異性。研究結(jié)果表明：不同覆蓋條件下深層土壤有機(jī)氯農(nóng)藥α-HCH遷移擴(kuò)散通量系數(shù)數(shù)值的變化與土壤層厚度有關(guān)；土壤垂直分層溫度的變化與α-HCH的遷移擴(kuò)散通量系數(shù)呈顯著正相關(guān)，且隨著土壤深度的增加相關(guān)性逐漸減弱；日平均氣溫變化與土—?dú)饨粨Q層α-HCH的遷移擴(kuò)散通量系數(shù)的變化具有明顯的一致性(R=0.999，p=0.000)；日平均氣溫與土壤垂直分層溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的回歸方程能夠較好地與0—40 cm土壤深度實(shí)測(cè)溫度相吻合：y=-0.788+0.818x(3 cm，R=0.964，p<0.01)，y=-1.214+0.705x(10 cm，R=0.942，p<0.01)，y=0.912+0.474x(20 cm，R=0.836，p<0.01)，y=1.004+0.361x(40 cm，R=0.714，p<0.01)；40 cm深度土壤預(yù)測(cè)溫度計(jì)算α-HCH遷移擴(kuò)散通量系數(shù)產(chǎn)生的相對(duì)誤差小于使用日平均氣溫作為替代數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。本研究結(jié)果將可能為有機(jī)污染物在土壤中的遷移擴(kuò)散行為及相關(guān)數(shù)值模擬研究提供參考價(jià)值。

凍融期; 土壤溫度; 有機(jī)污染物; 遷移行為

土壤因其具有相對(duì)穩(wěn)定的性質(zhì)而成為有機(jī)污染物在陸地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)重要的貯存場(chǎng)所，同時(shí)由于土壤所擁有較大的貯存能力，以及有機(jī)污染物在土壤中較長(zhǎng)的半衰期，從而使得土壤成為有機(jī)污染物在全球范圍內(nèi)進(jìn)行重新分配的重要主導(dǎo)力量[1-3]。有機(jī)污染物在土壤中的環(huán)境監(jiān)測(cè)研究雖能較好地代表監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)土壤的污染狀況，但是限于大尺度范圍內(nèi)土壤樣品采集的不現(xiàn)實(shí)性，運(yùn)用多介質(zhì)環(huán)境數(shù)值模型或擴(kuò)散模型，進(jìn)行數(shù)值模擬研究則能夠很好地解決這一問(wèn)題。Harner等[4]對(duì)農(nóng)藥土—?dú)饨粨Q及土壤中賦存狀態(tài)的研究表明，細(xì)化土壤垂直分層能夠更好地描述有機(jī)污染物的環(huán)境行為。另有研究表明，環(huán)境溫度是土壤水熱狀況及有機(jī)污染物在土壤中殘留濃度最重要的影響因素之一[5-7]。同時(shí)有關(guān)土壤溫度變化的研究多見(jiàn)于凍融期不同覆蓋條件下[8-10]，而對(duì)有機(jī)污染物在凍融期的遷移擴(kuò)散行為的研究卻不多見(jiàn)。然而，現(xiàn)有的對(duì)土壤垂直分層較為全面且細(xì)化的多介質(zhì)環(huán)境模型或擴(kuò)散模型[11-13]，由于缺乏土壤垂直分層不同深度土壤溫度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，多以日平均氣溫作為不同深度土壤溫度的替代數(shù)據(jù)，這可能會(huì)給有機(jī)污染物土壤殘留狀況的數(shù)值模擬研究結(jié)果帶來(lái)較大的不確定性。

基于此，本研究將以我國(guó)北方高寒地區(qū)典型城市——哈爾濱市為研究對(duì)象，測(cè)定凍融期不同覆蓋條件下土壤垂直分層溫度，通過(guò)土—?dú)饨粨Q層和相鄰?fù)寥缹拥倪w移擴(kuò)散通量系數(shù)，了解土壤垂直分層溫度變化對(duì)凍融期有機(jī)污染物遷移擴(kuò)散行為的影響。

1　材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)為我國(guó)北方高寒地區(qū)典型城市——哈爾濱市，試驗(yàn)于2013年11月—2014年4月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行為期6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。試驗(yàn)區(qū)位于北緯45°44′24″，東經(jīng)126°43′07″，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長(zhǎng)夏短，全年平均氣溫約2～4℃，冬季1月氣溫最低，平均氣溫為-19℃；夏季7月氣溫最高，平均氣溫為23℃。研究區(qū)域面積為1.0萬(wàn)m2，主要種植旱田作物，地表類型分別設(shè)置為裸地，5，10，15 cm秸稈覆蓋。土壤垂直層深度劃分為3，10，20，40，60，100 cm，且溫度采用JL—04型6路地表溫度記錄儀進(jìn)行自動(dòng)采集。2013年11月—2014年10月日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)采用TRM-ZS1型氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)記錄。試驗(yàn)區(qū)土壤凍結(jié)期為11月9日—翌年3月8日，融化期為3月9日—4月28日。有機(jī)氯農(nóng)藥α-HCH在我國(guó)雖已停止使用多年，但其較為活躍的物理化學(xué)性質(zhì)使其易于在土壤及大氣環(huán)境介質(zhì)中遷移擴(kuò)散，故本研究選取持久性有機(jī)污染物的典型代表α-HCH作為目標(biāo)研究對(duì)象，其物理化學(xué)參數(shù)來(lái)自于文獻(xiàn)[14—16]。

1.2模型概述

有機(jī)污染物在土壤中的環(huán)境行為包括擴(kuò)散、揮發(fā)、降解及滲濾等過(guò)程，而在土壤中的遷移(擴(kuò)散)行為過(guò)程則由土壤—大氣界面的交換及相鄰?fù)寥缹又g的擴(kuò)散過(guò)程構(gòu)成。本文以土壤模型[1]中涉及的有機(jī)污染物在土壤層間及土壤—大氣層交換的物理過(guò)程為基礎(chǔ)，研究有機(jī)污染物在土壤中的遷移行為。通常有機(jī)污染物在相鄰?fù)寥缹又g的遷移擴(kuò)散通量系數(shù)是由這兩層土壤的空氣和水的擴(kuò)散過(guò)程組成，可由下式表示[4]：

(1)

式中：n，n+1——相鄰的兩個(gè)土壤層；Dv，Dv(n,n+1)——有機(jī)污染物的遷移擴(kuò)散D值。而有機(jī)污染物在土壤交換層與大氣間的遷移行為過(guò)程模塊由遷移(擴(kuò)散)通量系數(shù)Dv[mol/(Pa·h)]表示[4]：

(2)

Da=ABAEZa/YD

(3)

Dw=ABWEZw/YD

(4)

De=AKVZa

(5)

式中：De——空氣邊界層的揮發(fā)速率系數(shù)[mol/(Pa·h)]；Da，Dw——土壤中空氣和水的擴(kuò)散速率系數(shù)[mol/(Pa·h)]；A——研究區(qū)域面積(m2)；KV——邊界層質(zhì)量遷移系數(shù)(m/h)，KV=BA/0.00475；BAE——土壤中空氣的有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/h)；BWE——土壤中水的有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/h)；YD——土壤的對(duì)數(shù)平均擴(kuò)散距離(m)，可由(dl-du)/ln(dl/du)計(jì)算得出，dl和du——下層和上層土壤深度；Za，Zw——有機(jī)污染物在大氣和土壤中的逸度容量[mol/(m3·Pa)]。

進(jìn)而利用Millington-Quirk方程計(jì)算出土壤中空氣和水的有效擴(kuò)散系數(shù)BAE和BWE：

(6)

(7)

式中：fsa，fsw——土壤中空氣和水的體積分?jǐn)?shù)。

空氣分子擴(kuò)散系數(shù)BA(m2/h)和水相分子擴(kuò)散系數(shù)BW(m2/h)可以用下式計(jì)算[18-20]：

(8)

(9)

式中：T——絕對(duì)溫度(K)；Ma——空氣的摩爾質(zhì)量(g/mol)；M——模擬化合物的摩爾質(zhì)量(g/mol)；P——大氣壓(1 atm)；Va——空氣的摩爾體積(cm3/mol)；Vm——模擬化合物的摩爾體積(cm3/mol)；μ——水的粘度系數(shù)。

1.3模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

有機(jī)污染物在大氣和土壤中的環(huán)境過(guò)程包括大氣向土壤的干濕沉降、雨水淋洗和擴(kuò)散過(guò)程，土壤向大氣的揮發(fā)(擴(kuò)散)過(guò)程，土壤層間擴(kuò)散、滲濾和徑流過(guò)程，以及有機(jī)污染物在大氣和土壤中的降解行為，可以說(shuō)有機(jī)污染物在土壤中的環(huán)境行為是比較復(fù)雜的，所有這些環(huán)境過(guò)程構(gòu)成了有機(jī)污染物在大氣—土壤及不同土壤層間的遷移轉(zhuǎn)化行為。已有研究表明不同土壤類型(旱田、水田、林地、草地、荒地和城市土壤)的含水和含氣體積分?jǐn)?shù)及土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均會(huì)對(duì)有機(jī)污染物的遷移擴(kuò)散行為產(chǎn)生影響[13,21]。因研究期間處于溫度相對(duì)較低的冬季，而α-HCH作為有機(jī)氯農(nóng)藥類化學(xué)品，在土壤中主要通過(guò)微生物的降解動(dòng)力學(xué)過(guò)程來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的行為相對(duì)較弱，因此在不考慮α-HCH大氣和土壤中化學(xué)過(guò)程，同時(shí)假定土壤有機(jī)質(zhì)、土壤無(wú)機(jī)質(zhì)、土壤水和氣的體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，單純從其物理過(guò)程即遷移(擴(kuò)散)行為的角度，通過(guò)擴(kuò)散D值來(lái)分析土壤垂直分層溫度的變化對(duì)旱田土壤α-HCH遷移擴(kuò)散行為的影響。

2　結(jié)果與分析

2.1不同覆蓋條件下溫度對(duì)α-HCH遷移行為的影響分析

2.1.1不同覆蓋條件下土壤溫度對(duì)土壤垂直分層α-HCH遷移行為的影響由圖1可知，在不考慮地表覆蓋類型的情況下，α-HCH的遷移擴(kuò)散D值隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且3 cm和100 cm深度相差近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而這種差異則隨著土壤深度的增加逐漸減小，這可能受土壤對(duì)數(shù)平均擴(kuò)散距離(YD)的影響，YD與土壤層厚度有關(guān)，隨著土壤層厚度的增加而增大，從而導(dǎo)致土壤中空氣和水的擴(kuò)散速率系數(shù)減小，進(jìn)而會(huì)使α-HCH遷移擴(kuò)散D值變小。然而，將考慮的6種土壤垂直分層的YD值與α-HCH的遷移擴(kuò)散D值作相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者之間并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性；而將20，40，60，100 cm深度的YD值與遷移擴(kuò)散D值作相關(guān)性分析則表明，二者之間存在顯著負(fù)相關(guān)，R=-0.962，p<0.05，這說(shuō)明土壤對(duì)數(shù)平均擴(kuò)散距離對(duì)20—100 cm深度土壤α-HCH的遷移擴(kuò)散行為具有影響，同時(shí)從遷移擴(kuò)散D值的數(shù)值變化來(lái)看，這種差異性會(huì)隨著土壤深度的增加而減小。

秸稈覆蓋相對(duì)于裸地來(lái)說(shuō)，對(duì)土壤溫度的變化具有雙向作用，即試驗(yàn)初期當(dāng)溫度下降時(shí)秸稈覆蓋能夠阻止土壤熱量的散失，而試驗(yàn)?zāi)┢诋?dāng)溫度上升時(shí)也會(huì)影響太陽(yáng)輻射和氣溫對(duì)土壤溫度的傳遞。由圖1可以看出，裸地土壤垂直分層α-HCH遷移擴(kuò)散D值隨溫度變化的波動(dòng)最大且隨著土壤深度的增加波動(dòng)振幅逐漸減弱；對(duì)于10 cm和15 cm秸稈覆蓋，不同深度土壤α-HCH的遷移擴(kuò)散D值變化基本一致且振幅較小；裸地不同深度土壤α-HCH遷移擴(kuò)散D值的變化則較大；同時(shí)與裸地相比，所有覆蓋類型α-HCH的遷移擴(kuò)散D值的變化由淺層土壤(3，10，20 cm)至深層土壤(40，60，100 cm)隨相應(yīng)土壤深度溫度的變化均逐漸趨于平穩(wěn)，且這種變化存在明顯的滯后效應(yīng)，即當(dāng)試驗(yàn)期間日平均氣溫由下降到上升期間，在秸稈覆蓋條件下，α-HCH的遷移擴(kuò)散D值隨著土壤深度的增加，受溫度變化影響而減小或增大的趨勢(shì)逐漸變緩，即由于秸稈覆蓋的存在，凍結(jié)期α-HCH遷移擴(kuò)散D值高于裸地，而融化期(除100 cm深度外)則呈現(xiàn)相反狀態(tài)。為進(jìn)一步探尋土壤垂直分層溫度與遷移擴(kuò)散D值的關(guān)系，將裸地3，10，20，40，60，100 cm深度土壤溫度分別與相應(yīng)層的遷移擴(kuò)散D值作相關(guān)性分析得到，其相關(guān)系數(shù)分別為：R=0.851；R=0.882；R=0.943；R=0.977；R=0.987；R=0.956，且均在0.01水平上顯著相關(guān)。由此可知，不同覆蓋條件下，深層土壤α-HCH遷移擴(kuò)散D值數(shù)值的變化與土壤層厚度有關(guān)，而遷移擴(kuò)散D值曲線變化的波動(dòng)振幅則與溫度的變化有關(guān)，同時(shí)土壤垂直分層溫度將會(huì)影響遷移擴(kuò)散D值的變化，與裸地相比不同秸稈覆蓋厚度會(huì)使遷移擴(kuò)散D值曲線的變化相對(duì)平穩(wěn)且在凍結(jié)期高于裸地的遷移擴(kuò)散D值。

圖1　不同覆蓋條件下土壤垂直分層擴(kuò)散D值隨時(shí)間的變化特征

2.1.2日平均溫度變化對(duì)土—?dú)饨粨Q層α-HCH環(huán)境行為的影響分析為了多介質(zhì)環(huán)境數(shù)值模型模擬有機(jī)污染物環(huán)境行為研究的需要，通常將土壤垂直分層劃分為交換層(深度0.1 cm)、緩沖層(深度1 cm)、耕作層(深度20 cm)和貯蓄層(深度30 cm)，而土壤交換層則主要是用于描述模擬有機(jī)污染物在界面交換時(shí)的過(guò)渡過(guò)程。

因秸稈覆蓋對(duì)土壤熱量的傳遞和散失有阻滯作用，且由于覆蓋層的存在也會(huì)阻礙污染物在大氣與土壤交換層之間的遷移擴(kuò)散行為，故選取裸地來(lái)研究污染物的遷移擴(kuò)散行為。由圖2和圖1比較可知，土壤交換層的遷移擴(kuò)散D值高出3～100 cm土壤深度約1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明土壤交換層對(duì)有機(jī)污染物的土—?dú)饨粨Q及土壤垂直分層中有機(jī)污染物遷移擴(kuò)散行為均具有重要的影響，即為了保持平衡狀態(tài)，當(dāng)污染物的大氣濃度高于土壤濃度時(shí)，其環(huán)境行為會(huì)表現(xiàn)為通過(guò)土壤交換層向下層土壤進(jìn)行垂直遷移，而當(dāng)大氣濃度低于土壤濃度時(shí)深層土壤中的污染物會(huì)通過(guò)擴(kuò)散行為對(duì)土壤交換層進(jìn)行補(bǔ)給。通過(guò)2013年11月-2014年10月裸地土壤交換層遷移擴(kuò)散D值與日平均氣溫的相關(guān)性分析得到，二者之間具有顯著相關(guān)性，R=0.999，p=0.000，隨著溫度升高會(huì)增大α-HCH的遷移擴(kuò)散D值，每1℃溫度的變化可以引起α-HCH遷移擴(kuò)散D值的變化量為0.55 mol/(Pa·h)。進(jìn)一步探討日溫度變化對(duì)α-HCH遷移擴(kuò)散D值的影響，由圖3可以看出，2013年11月1日0—24時(shí)，二者之間的變化具有明顯的一致性(R=1.000，p=0.000)，溫度在-1.4～10.9℃范圍可以引起α-HCH遷移擴(kuò)散D值在188.07～194.93 mol/(Pa·h)之間變化，即每1℃溫度的變化可以引起α-HCH遷移擴(kuò)散D值的變化量為0.56 mol/(Pa·h)。由此可知，日平均氣溫的變化將會(huì)強(qiáng)烈影響土—?dú)饨粨Q層α-HCH的環(huán)境行為。

圖2　日平均氣溫與土-氣交換層擴(kuò)散D值的關(guān)系

2.2日平均氣溫變化對(duì)土壤垂直分層溫度的影響

土壤垂直分層由于溫度的差異性會(huì)對(duì)α-HCH的

遷移擴(kuò)散D值的變化產(chǎn)生影響。與裸地相比，3種秸稈覆蓋條件下的α-HCH遷移擴(kuò)散D值的波動(dòng)均較為平穩(wěn)，裸地土壤因與大氣環(huán)境直接接觸而受環(huán)境溫度變化的影響較為劇烈，從而會(huì)引起α-HCH的遷移擴(kuò)散D值的強(qiáng)烈波動(dòng)。為了進(jìn)一步探尋日平均氣溫對(duì)土壤垂直分層溫度變化的影響，將試驗(yàn)期日平均氣溫與觀測(cè)獲取的不同土壤深度的溫度以及相鄰?fù)寥缹娱g的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，試圖獲得二者之間是否存在必然的聯(lián)系。由表1可以看出，除100 cm深度的土壤溫度外，其他深度土壤與日平均氣溫之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)隨著土壤深度的增加逐漸降低。然而，在相鄰?fù)寥缹娱g土壤溫度則具有較高的相關(guān)程度，這表明相鄰?fù)寥缹娱g存在較強(qiáng)烈的溫度傳遞關(guān)系，而大氣環(huán)境溫度的傳遞作用則隨著土壤深度的增加明顯減弱。

圖3　2013年11月9日環(huán)境溫度變化與擴(kuò)散D值

日平均氣溫土壤分層溫度3cm10cm20cm40cm60cm100cm日平均氣溫1.0003cm0.964**1.00010cm0.942**0.994**1.000土壤分20cm0.836**0.929**0.955**1.000層溫度40cm0.714**0.832**0.872**0.962**1.00060cm0.578**0.709**0.756**0.893**0.967**1.000100cm0.020 0.135*0.202**0.415**0.608**0.765**1.000

注：**表示p<0.01,*表示p<0.05。

在研究有機(jī)污染物在土壤中遷移擴(kuò)散行為時(shí)，由于實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，往往忽略土壤垂直分層溫度的差異，而以日平均氣溫作為不同深度土壤溫度的替代數(shù)據(jù)，這將可能會(huì)增加有機(jī)污染物土壤殘留濃度的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性。

為此，本研究試圖通過(guò)日平均氣溫與模型研究需要的土壤垂直分層3，10，20，40 cm深度溫度的相關(guān)關(guān)系建立預(yù)測(cè)模型，將日平均氣溫(變化范圍-23.11～20.85℃)作為自變量，分別與其作回歸分析得到預(yù)測(cè)方程：

y=-0.788+0.818x(3 cm，R=0.964，p<0.01)

(10)

y=-1.214+0.705x(10 cm，R=0.942，p<0.01)

(11)

y=0.912+0.474x(20 cm，R=0.836，p<0.01)

(12)

y=1.004+0.361x(40 cm，R=0.714，p<0.01)

(13)

根據(jù)預(yù)測(cè)方程計(jì)算不同深度土壤溫度的預(yù)測(cè)值，與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析(圖4)可以看出，由日平均氣溫得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值基本吻合，并能反映出不同深度土壤溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)，而40 cm土壤深度的預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值略有偏差，但也處于實(shí)際觀測(cè)最大值與最小值區(qū)間范圍之內(nèi)，這表明本研究根據(jù)日平均氣溫建立的回歸方程能夠較好地反映不同深度土壤溫度的變化情況，可以為考慮北方高寒地區(qū)土壤垂直分層溫度變化條件下的多介質(zhì)環(huán)境數(shù)值模擬模型的構(gòu)建及優(yōu)化提供一定參考價(jià)值。

圖4　土壤實(shí)測(cè)溫度與預(yù)測(cè)溫度對(duì)比

2.3不同溫度數(shù)據(jù)對(duì)40 cm土壤深度α-HCH遷移行為的差異性分析

由圖4可知，40 cm土壤深度溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差略大，為進(jìn)一步驗(yàn)證這種偏差對(duì)α-HCH遷移擴(kuò)散行為帶來(lái)的影響，本研究將分別用40 cm深度土壤溫度的實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值與日平均氣溫來(lái)計(jì)算該深度α-HCH的遷移擴(kuò)散D值，結(jié)果如圖5所示。應(yīng)用實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)溫度值計(jì)算40 cm土壤深度α-HCH的遷移擴(kuò)散D值基本一致，而應(yīng)用日平均氣溫作為替代數(shù)據(jù)的計(jì)算值則存在強(qiáng)烈的波動(dòng)，這表明根據(jù)日平均氣溫預(yù)測(cè)的40 cm土壤深度的溫度數(shù)值能夠較好地用于α-HCH遷移擴(kuò)散D值的計(jì)算。為了能夠更為直觀地體現(xiàn)出日平均氣溫、40 cm深度預(yù)測(cè)土壤溫度、40 cm深度實(shí)測(cè)土壤溫度對(duì)α-HCH的遷移擴(kuò)散行為的差異性，分別計(jì)算預(yù)測(cè)溫度與日平均氣溫對(duì)真實(shí)結(jié)果的相對(duì)誤差。

由圖6可以看出，應(yīng)用預(yù)測(cè)溫度計(jì)算的α-HCH遷移擴(kuò)散D值的誤差要遠(yuǎn)小于應(yīng)用日平均氣溫計(jì)算的誤差。通常模型模擬的運(yùn)行周期一般長(zhǎng)達(dá)幾年甚至幾十年，這種誤差也將會(huì)逐步放大，進(jìn)而會(huì)對(duì)污染物土壤殘留狀況數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。由此說(shuō)明，根據(jù)日平均氣溫預(yù)測(cè)不同深度土壤溫度可以進(jìn)一步應(yīng)用到北方高寒區(qū)有機(jī)污染物遷移行為的數(shù)值模擬研究中，且具有一定的可靠性。

圖6　日平均氣溫與預(yù)測(cè)溫度對(duì)實(shí)際擴(kuò)散D值的相對(duì)誤差

3　結(jié) 論

(1) 不同覆蓋條件下，土壤垂直分層深層土壤α-HCH遷移擴(kuò)散D值數(shù)值的變化與土壤層厚度有關(guān)，土壤垂直分層溫度的變化與α-HCH的遷移擴(kuò)散通量系數(shù)呈顯著正相關(guān)，且隨著土壤深度的增加相關(guān)性逐漸減弱。在凍結(jié)期秸稈覆蓋會(huì)使α-HCH遷移擴(kuò)散D值大于裸地，且變化相對(duì)平穩(wěn)，而融化期(除100 cm土壤深度外)則呈相反趨勢(shì)。

(2) 日平均氣溫的變化將會(huì)強(qiáng)烈影響土—?dú)饨粨Q層α-HCH的環(huán)境行為，溫度每1℃的變化可以引起α-HCH的遷移擴(kuò)散D值的變化量約為0.56 mol/(Pa·h)。

(3) 日平均氣溫會(huì)影響土壤垂直分層溫度的變化，以日平均氣溫作為自變量分別與模擬研究需要的土壤垂直分層溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)作回歸分析得到預(yù)測(cè)方程，能夠較好地與不同土壤層的實(shí)測(cè)溫度吻合。本研究雖具有一定的局限性，但通過(guò)研究可以證實(shí)土壤垂直分層溫度的變化將會(huì)影響有機(jī)污染物的遷移擴(kuò)散行為。

(4) 本研究根據(jù)日平均氣溫建立的回歸方程可以為北方高寒地區(qū)有機(jī)污染物在土壤中的遷移擴(kuò)散行為研究提供一定的參考價(jià)值。通過(guò)對(duì)旱田土壤垂直分層溫度變化對(duì)有機(jī)污染物遷移擴(kuò)散行為的研究也可為進(jìn)一步對(duì)不同土壤類型(水田、草地、林地、城市土壤及荒地等)垂直分層土壤溫度的觀測(cè)試驗(yàn)，以及相應(yīng)土壤類型有機(jī)污染物的遷移擴(kuò)散行為的研究提供借鑒。

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Effect of Soil Temperature on Migration Behavior of Organic Pollutants During Freeze-Thaw Period

CUI Song1,2, FU Qiang1,2, LI Tianxiao1,2, LI Yifan3

(1.SchoolofWaterConservancy&CivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.InternationalJointResearchCenterforPersistentToxicSubstances,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;3.InternationalJointResearchCenterforPersistentToxicSubstances,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

In order to understand soil effects of temperatures in different vertical layers on migration and diffusion behavior of organic pollutants during freeze-thaw period, the coefficient of migration and diffusion flux was used to assess the migration behavior of the soil-air exchange layer and adjacent soil layers. We deeply discussed the soil temperature effect on migration of organic pollutants and systematically analyzed differences on simulation results applying different temperature data. The results show that the migration and diffusionDvalue ofα-HCH in deep soil was related with the thickness of soil layer; the soil temperatures of different vertical layers affected the migration and diffusion behavior ofα-HCH; the change of diurnal average air temperature strongly affected the environmental behavior ofα-HCH at soil-air exchange layer (R=0.999,p=0.000); the established regression equation between diurnal average air temperature and soil vertical layer temperature could well coincide with measured temperatures of different soil depths:y=-0.788+0.818x(3 cm,R=0.964,p<0.01)；y=-1.214+0.705x(10 cm,R=0.942,p<0.01);y=0.912+0.474x(20 cm,R=0.836,p<0.01)；y=1.004+0.361x(40 cm,R=0.714,p<0.01)；The relative error of migration and diffusion D value used to predict temperature was less than using diurnal average air temperature as surrogate data. The established regression equation applying diurnal average air temperature in this study has great significance for examining the soil temperature effects of different vertical layers on migration and diffusion behavior of organic pollutants, and can further improve and enhance the accuracy of simulation results applying multimedia environmental modeling and diffusion modeling.

freeze-thaw period; soil temperature; organic pollutants; migration behavior

2015-05-17

2015-6-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51279031,41401550);黑龍江省自然科學(xué)基金(E201241);黑龍江省博士后資助項(xiàng)目(LBH-Z13029);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-0952);黑龍江省杰出青年基金(JC201402)；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)“青年才俊”基金(14QC49)

崔嵩(1981—),男,黑龍江寶清人,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)水土資源環(huán)境效應(yīng)及持久性有毒物質(zhì)數(shù)值模擬研究。E-mail:cuisong-bq@163.com

付強(qiáng)(1973—),男,黑龍江哈爾濱人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)分析和節(jié)水灌溉研究。E-mail:fuqiang0629@126.com

X592; S152.8

A

1005-3409(2016)03-0314-07