脱硫副产物改良碱化土壤的效应机理与数值模拟

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利用脱硫副产物改良碱化土壤可以实现改良土壤和减少空气污染“双赢”效果。为了确定脱硫副产物改良碱化土壤的效应和机理,本文通过土柱试验、盆栽试验和田间小区试验研究了脱硫副产物对土壤理化性质和向日葵生长的影响,分析了脱硫副产物改良碱化土壤的机理,并利用UNSATCHEM多离子溶质运移方程和非线性支持向量机模型对脱硫副产物改良碱化土壤的离子运移过程进行了模拟和预测。通过研究得出如下结论: (1)通过施用脱硫副产物表层土壤的ESP、SAR和pH均显著降低,向日葵的出苗率和产量明显增加。且在强度碱化土0~40cm和碱土区0~20cm,基本上达到了ESP<15、SAR<13和pH<8.5的中度碱化土水平,碱化土壤的理化性质得到了改善;淋洗在脱硫副产物改良碱化土壤的过程中起着至关重要的作用,改良效果和淋洗次数呈正相关关系; (2)脱硫副产物改良碱化土壤的效果并不和脱硫副产物用量呈正相关关系,过多施加烟气脱硫副产物会抑制向日葵的出苗和生长,脱硫副产物用量是理论计算量的1.2-1.5倍时改良效果最为明显。土壤含水率、土壤含盐量和土壤碱化度都对向日葵的生理指标和产量有一定的影响,并不是受其单一因素的影响; (3)利用静态吸附交换试验求得离子吸附交换选择系数KCa-Na、KCa-Mg和KCa-K分别为1.9、0.8和1.1。当流入液Ca2+浓度为14.71、22.06和29.41mmol·l-1时Ca2+实现了穿透,且Ca2+浓度越大,实现穿透所需要的时间越短,而Ca2+浓度等于7.35mmol·l-1时没有实现穿透。利用UNSATCHEM多离子溶质运移模型能够准确的模拟Ca2+穿透和运移过程中土壤溶液中Ca2+和Na+的迁移转化、土壤胶体Na+和土壤溶液中Ca2+吸附交换以及硫酸钙的溶解沉淀过程; (4)用支持向量机模型预测土壤溶质含量的时空变化具有可行性,且不需要建立具体的数学模型,利用matlab工具箱构建的土壤溶质运移支持向量机模型能够准确反映了溶质穿透和运移过程中土壤流出液和土壤溶液中Ca2+和Na+的变化过程,且工作量大大减小,不需要测定水动力弥散系数等,实用性很强; (5)利用主要成分为硫酸钙的脱硫副产物改良碱化土壤是一个伴随着离子吸附交换和硫酸钙溶解沉淀平衡等反应的复杂过程,同时还要受到土壤理化特性等因素的影响,本文提出的分次施加脱硫副产物方式,降低了土壤盐分的累积,促进了CaSO4溶解,其改良效果要优于一次性施加脱硫副产物。
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