基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法

1.本发明涉及精准农业技术领域，更具体的说是涉及一种基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法。


背景技术：

2.重金属(镉、铅、汞等)作为生物体非必需的有毒元素，在土壤中易迁移、易累积且难降解，已被联合国环境规划署列为全球性的危害物质。土壤重金属的累积，不仅给植物带来危害，造成粮食减产，还能够通过食物链对人体健康产生威胁。明晰土壤重金属迁移过程是保障土壤健康状态和农作物质量安全的关键，也是当前我国土壤重金属污染防治的重点和难点。
3.研究表明农田土壤重金属主要由大气沉积物、肥料、污水灌溉和牲畜粪便等多种自然和人为来源共同组成。空间上，因污染源种类、位置以及污染物排放途径的不同，不同地区土壤重金属主要污染源可能会发生改变；时间上，在经济发展过程中，土壤重金属主要来源及污染途径还可能受发展模式影响而发生改变。外源重金属在进入土壤后，经吸附、交换、溶解和沉淀等过程后以水合离子、复杂的无机物或有机化合物存在于土壤中。植物有效性除与自身浓度相关外，还受到土壤ph、土壤氧化还原电位、土壤有机质含量、土壤质地和共存阴阳离子等诸多因素影响。由于这些过程具有低强度、长周期、影响因素繁杂等特征，通过区域调查和长期观测来研究土壤重金属迁移归趋变化较为困难且成本较高，而数学模型可以有效地耦合多种因素，是科学分析区域土壤重金属污染趋势和演变过程的重要手段。
4.质量平衡是自然界最普遍的规律，土壤重金属迁移始终遵循质量平衡物质迁移，基于此开发的通量模型无需描述土壤中重金属复杂的物理化学过程，只需关注它们的源、汇，适用于模拟土壤污染物的累积过程，可以快速、便捷、有效地诊断出土壤重金属累积趋势和污染过程，能够为土壤修复目标和修复技术方案的制定提供理论基础和数据支撑。现有的通量模型在一定程度上阐明了土壤重金属累积过程，但模型结构上的不足影响了模拟结果的准确性，比如对污染物的输入途径考虑过于简单、未考虑土壤理化性质对重金属累积的影响效应及重金属赋存形态变化，且所有参数均来自于温室的观测值或文献参考值，或采用观测值平均值或中位数代替指标，舍弃了指标的本身特性，存在较大的不确定性。
5.因此，为了保证模型的精度，如何根据区域实际情况将确定性的通量模型转变为基于概率分布的通量模型，减少模型的测量误差，更准确和直观地显示出预测结果的范围和累积分布，准确把控不同输入输出途径对土壤重金属累积过程的影响程度，并根据不同的污染防治目标设定相应的风险调控对策是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法，阐明土壤生态系统重金属迁移归趋的影响机制，预测分析不同管控策略模式在不同
区域长期施用的可持续性和潜在风险，并可根据不同污染防治目标进行策略优化，为我国土壤重金属污染防治和风险管控工作提供科学支撑。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.采集研究区域中的环境样品，获取实测变量的概率分布信息；
10.基于质量平衡原理，构建用于描述农田土壤重金属累积过程的概念框架，建立输入输出清单；
11.通过不同方程表征农田土壤重金属迁移归趋过程，并初步获取土壤重金属的通量变化；
12.构建基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
13.对所述土壤重金属累积过程概率模拟模型的运算结果进行评估和参数校正，获取最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
14.基于所述最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行多场景模拟，根据不同防控目标获取相应的土壤重金属污染防治优化策略。
15.以上技术方案达到的技术效果为：阐明了土壤生态系统重金属迁移归趋的影响机制，预测分析不同管控策略模式在不同区域长期施用的可持续性和潜在风险，并可根据不同污染防治目标进行策略优化。
16.可选的，所述获取实测变量的概率分布信息，具体包括以下步骤：
17.确定研究区域，采集所述研究区域中包括土壤、大气、灌溉水、肥料和农作物在内的环境样品；
18.测定所述研究区域中不同环境介质重金属含量及土壤基本理化性质，采用概率分析的方法获取实测变量的概率分布信息。
19.可选的，所述建立输入输出清单，具体包括以下步骤：
20.构建用于描述农田土壤重金属累积过程的概念框架，包括农田土壤重金属的输入过程和输出过程；所述输入过程包括大气沉降输入过程、灌溉水输入过程、肥料输入过程和秸秆还田过程；所述输出过程包括农作物吸收过程、土壤淋滤过程和径流损失过程；
21.基于质量平衡原理，构建农田土壤重金属含量增加量为“年输入量-年输出量”，年输入量为“大气沉降输入量 灌溉水输入量 肥料输入量 农作物还田量”，年输出量为“农作物吸收量 淋滤输出量 径流损失量”。
22.可选的，所述农作物吸收过程包括农田土壤重金属在固态和植物可利用态之间的形态转化，定义土壤重金属植物可利用态含量为土壤重金属固态含量与植物重金属可利用系数的乘积。
23.以上技术方案达到的技术效果为：区别于传统研究方法只关注土壤重金属含量变化这一单一指标，本方案是对土壤生态系统重金属迁移过程进行整体描绘和模拟；通过土壤重金属在固态和植物可利用态之间的转化，将不同过程连接起来。
24.可选的，所述初步获取土壤重金属的通量变化，具体包括以下步骤：
25.通过不同方程描述所述农田土壤重金属的输入过程和输出过程；其中，分别采用freundlich吸收方程和freundlich扩展方程描述土壤重金属形态转换过程及农作物吸收
过程；
26.将所述实测变量的平均值作为输入参数，联立各方程进行土壤重金属通量变化的初步计算。
27.以上技术方案达到的技术效果为：通过不同主控方程来计算土壤重金属在农田生态系统中的迁移过程，进行了整体的描绘和模拟。
28.可选的，所述构建基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型，具体包括以下步骤：
29.采用微分方程描述土壤重金属变化量和时间的关系，建立基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
30.基于monte carlo随机模拟方法，将所述不同环境介质重金属含量及土壤基本理化性质参数以数据分布的形式输入所述基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型中；
31.将采样年土壤重金属含量模拟的结果作为下一年土壤重金属含量变化的初始值，设置模型模拟的时间步长和每年的模拟次数，通过方程迭代获取区域农田土壤重金属含量在时间尺度上的变化特征。
32.上述技术方案达到的技术效果为：创造性的耦合了monte carlo随机模拟方法，参数在输入的时候不是以平均值或参考值，而是以观测得到的参数分布区间作为数值组输入，通过此方法可保持区域参数特性，得到的结果不再是单一的确定性数值，而是以概率的形式给出区域土壤重金属累积趋势和变化特征，解决了传统通量模型在参数研究上采用固定数值造成结果误差较大的问题。
33.可选的，所述获取最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型，具体包括以下步骤：
34.对所述基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行敏感性分析，判断不同参数对模型模拟结果的影响程度并进行相应的校准和调整；
35.对所述每年的模拟次数进行调整，获取能够达到期望精度δ的最小模拟次数，同时保证不影响模型的预测精度。
36.可选的，获取相应的土壤重金属污染防治优化策略，具体包括以下步骤：
37.基于所述最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行多场景模拟，通过调整参数分布规律来设置不同的模拟场景，预测不同的模拟场景下土壤重金属累积趋势，评估不同措施的调控效率和可持续性；
38.比较不同模拟场景的模拟结果，根据不同防控目标，获取相应的土壤重金属污染防治优化策略。
39.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法，具有以下有益效果：
40.(1)本发明阐明了土壤生态系统重金属迁移归趋的影响机制，预测分析不同管控策略模式在不同区域长期施用的可持续性和潜在风险，并可根据不同污染防治目标进行策略优化，为我国土壤重金属污染防治和风险管控工作提供科学支撑；
41.(2)区别于传统研究方法只关注土壤重金属含量变化这一单一指标，本发明对生态系统重金属迁移过程进行整体描绘和模拟，并通过不同主控方程来计算土壤重金属在农田生态系统中经不同输入输出途径的通量变化，揭示重金属在农田生态系统中的迁移过
程；
42.(3)本发明创造性的耦合了monte carlo随机模拟方法，通过此方法可保持区域参数特性，得到的结果不再是单一的确定性数值，而是以概率的形式给出区域土壤重金属累积趋势和变化特征，可根据特定情况和环境需要选择合适的土壤重金属污染防治策略，并进行防治措施优化，实现土壤污染物管控和修复措施的科学决策。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
44.图1为土壤重金属累积过程概率模拟方法的流程图；
45.图2为土壤重金属累积过程的概念框架；
46.图3为对区域近10年农田土壤镉累积过程进行模拟的模拟结果示意图；
47.图4为不同参数对模型模拟结果的影响程度示意图；
48.图5(a)-图5(b)为不同管控措施下区域稻田土壤镉变化情况的模拟结果示意图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本发明实施例公开了一种基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：
51.采集研究区域中的环境样品，获取实测变量的概率分布信息；
52.基于质量平衡原理，构建用于描述农田土壤重金属累积过程的概念框架，建立输入输出清单；
53.通过不同方程表征农田土壤重金属迁移归趋过程，并初步获取土壤重金属的通量变化；
54.构建基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
55.对土壤重金属累积过程概率模拟模型的运算结果进行评估和参数校正，获取最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
56.基于最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行多场景模拟，根据不同防控目标获取相应的土壤重金属污染防治优化策略。
57.进一步地，获取实测变量的概率分布信息，具体包括以下步骤：
58.实地采样，获取研究区域中土壤、大气、灌溉水、肥料和农作物(使用部分和秸秆部分)等环境样品；
59.测定研究区域中不同环境介质重金属含量及土壤基本理化性质，采用概率分析的方法获取实测变量的概率分布信息(包括正态分布、对数正态分布、gamma分布等)，具体结
果如表1所示。
60.表1区域稻田系统不同环境介质cd含量及分布特征
[0061][0062][0063]
进一步地，建立输入输出清单，具体包括以下步骤：
[0064]
参见图2，构建用于描述农田土壤重金属累积过程的概念框架，包括农田土壤重金属的输入过程和输出过程；其中，输入过程包括大气沉降输入过程、灌溉水输入过程、肥料输入过程、秸秆还田过程和其他输入过程；输出过程包括农作物吸收过程、土壤淋滤过程和
径流损失过程；其中，农作物吸收过程包括农田土壤重金属在固态和植物可利用态之间的形态转化，是连接土壤重金属输入和输出的关键过程；
[0065]
基于质量平衡原理，构建农田土壤重金属含量增加量为“年输入量-年输出量”，年输入量为“大气沉降输入量 灌溉水输入量 肥料输入量 农作物还田量”，年输出量为“农作物吸收量 淋滤输出量 径流损失量”；定义土壤重金属植物可利用态含量为土壤重金属固态含量与植物重金属可利用系数的乘积。
[0066]
具体地，区域土壤镉输入源(f)包括大气输入源(f
atmos
)、灌溉水输入源(f
irri
)、肥料输入源(f
agro
)和秸秆还田输入源(f
rein
)，输入过程表示为：
[0067]
f＝f
atmos
f
irri
f
agro
f
rein
；
[0068]
区域稻田土壤镉输出源(f
out
)为径流损失(r)和土壤淋滤(l)和农作物吸收(u)，输出过程表示为：
[0069]fout
＝f-r-l-u；
[0070]
定义形态转换方程：[c
solu
×
kd×
ρ]表示土壤镉固相含量，单位为(mg kg-1
cm-1
)；其中，c
solu
表示土壤镉溶液中镉含量(mg kg-1
cm-1
)，kd表示土壤镉固态和植物可利用性分配系数(l kg-1
)。
[0071]
进一步地，初步获取土壤重金属的通量变化，具体包括以下步骤：
[0072]
通过不同方程描述所述农田土壤重金属的输入过程和输出过程：
[0073]
径流输出过程表示为：
[0074]
r＝c
solu
×vr
×rfac
；
[0075]
其中，vr表示径流量(l ha-1
)，r
fac
表示蒸发和降雨插值；
[0076]
淋滤输出过程表示为：
[0077]
l＝(c
solu
×
kh×
θ)/d；
[0078]
其中，kh表示土壤饱和导水率(cm day-1
)，d表示土壤表层深度(cm)；
[0079]
土壤镉输出过程表示为：
[0080]
u＝c
grain
×
y f
rein
＝c
grain
×
y c
straw
×
(y
×yfac
)；
[0081]
其中，c
grain
和c
straw
分别表示稻米镉含量和秸秆镉含量(mg dw kg-1
)，y表示水稻产量(t ha-1
)，[c
straw
×
(y
×yfac
)]表示秸秆还田输入量(f
rein
,mg kg-1
cm-1
)，r
fac
表示谷草比；
[0082]
将实测变量的平均值作为输入参数，联立各方程进行土壤重金属通量变化的初步计算，并与相关研究进行比较。
[0083][0084]
其中，c
total
表示土壤镉含量(mg kg-1
cm-1
)，t表示时间步长(day)，[c
solu
×
kd×
ρ]表示土壤镉固相含量(mg kg-1
cm-1
)，c
solu
表示土壤溶液中镉含量(mg kg-1
cm-1
)，kd表示土壤镉固液分配系数(l kg-1
)，ρ表示土壤容量(kg cm-3
)，[c
solu
×
θ]表示土壤镉液相含量(mg kg-1
cm-1
)，θ为土壤含水率(cm
3 cm-3
)，f表示土壤镉输入通量(mg kg-1
cm-1
)，r和l分别代表土壤镉通过径流和淋滤的输出通量(mg l-1
cm-1
)，u代表植物吸收通量(mg kg-1
cm-1
)。
[0085]
具体的，分别采用freundlich吸收方程和freundlich扩展方程描述土壤重金属形态转换过程及农作物吸收过程；土壤ph是影响水稻镉累积的关键因子，在本实施例中，稻米镉和秸秆镉含量可通过freundlich-type方程拟合得到：
[0086]
ln(c
grain
)＝a1 a2×
ph a3×
ln(cd
solu
)；
[0087]
ln(c
straw
)＝b1 b2×
ph b3×
ln(cd
solu
)；
[0088]
其中，ai和bi代表拟合参数，i＝1,2,3。
[0089]
进一步地，构建基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型，具体包括以下步骤：
[0090]
采用微分方程描述土壤重金属变化量和时间的关系，整合所有方程建立基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型；
[0091][0092]
其中，c
total
表示土壤镉含量(mg kg-1
cm-1
)，t表示时间步长(day)，ρ表示土壤容量(kg cm-3
)，[c
solu
×
θ]表示土壤镉液相含量(mg kg-1
cm-1
)，θ为土壤含水率(cm
3 cm-3
)，f表示土壤镉输入通量(mg kg-1
cm-1
)，r和l分别代表土壤镉通过径流和淋滤的输出通量(mg l-1
cm-1
)，u代表植物吸收通量(mg kg-1
cm-1
)。
[0093]
基于monte carlo随机模拟方法，将获取的不同环境介质重金属含量及土壤基本理化性质参数以数据分布的形式输入构建的基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型中；
[0094]
将采样年土壤重金属含量模拟的结果作为下一年土壤重金属含量变化的初始值，设置模型模拟的时间步长(1～100年)和每年的模拟次数(1000～100000次)，通过方程迭代获取区域农田土壤重金属含量在时间尺度上的变化特征，阐明农田土壤重金属累积关键过程。
[0095]
应用表2中的数据对模型关键参数进行设置，并对区域农田土壤重金属累积过程进行模拟，以2011年的监测数据(0.468mg kg-1
)为基础，对近10年的农田土壤镉累积过程进行模拟，结果显示区域土壤镉累积速率逐年增加。如图3所示，模拟结果显示到2019年，区域农田土壤镉含量增加至0.57mg kg-1
左右，50％的农田土壤cd含量在0.48mg kg-1
左右，有25％的农田土壤cd含量增加至0.8mg kg-1
以上。该模拟结果与2019年的实地观测结果基本一致，平均值相对偏差结果为1.29％，说明该模型预测精度良好。
[0096]
表2模型关键参数设置
[0097][0098]
[0099]
进一步地，获取最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型，具体包括以下步骤：
[0100]
对构建的基于质量平衡原理的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行敏感性分析，判断不同参数对模型模拟结果的影响程度(参见图4)，并对关键参数进行相应的校准和调整，确保模拟结果的准确性；
[0101]
对每年的模拟次数进行调整，获取能够达到期望精度δ的最小模拟次数，在不影响模型预测精度的情况下提升模型运算效率。
[0102]
进一步地，获取相应的土壤重金属污染防治优化策略，具体包括以下步骤：
[0103]
基于获得的最优的土壤重金属累积过程概率模拟模型进行多场景模拟，如表3所示，通过调整参数分布规律来设置不同的模拟场景(如大气管控、肥料管控、灌溉水管控、秸秆还田管控等场景)，预测不同的模拟场景下土壤重金属累积趋势，评估不同措施的调控效率和可持续性；
[0104]
表3模型案例参数设置
[0105][0106][0107]
比较不同模拟场景的模拟结果，根据不同防控目标(如在5年或10年实现对区域75％或90％农田的安全利用)，获取相应的土壤重金属污染防治优化策略。
[0108]
在此基础上，应用所构建的土壤重金属累积过程随机模拟模型进一步模拟了不同管控措施下区域稻田土壤镉变化情况，结果如图5(a)-图5(b)所示。由图5(a)可知，大气污染管控有助于降低区域稻田土壤镉累积速率，但是不能改变土壤镉累积趋势，区域土壤镉在当前环境条件下仍然会持续增加，并于2068年造成区域25％的土壤镉含量超过国家设定的土壤镉重度污染限定值(1.5mg kg-1
)。由图5(b)可知，停止秸秆还田对于降低土壤镉效果显著，该措施连续施用25年(即2045年)可保证区域25％的土壤镉含量降低到国家规定的土壤镉安全标准(0.3mg kg-1
)。可见区域农田土壤镉污染趋势在短期内难以逆转，如果要提升污染农田利用率到50％或75％，需要耦合其他措施(如灌溉水清洁、优化施肥量等)进行系统治理。该模型模拟结果对于区域土壤重金属迁移过程模拟提供了新的解决方法，并对污染防治对策制定提供了有效和灵活的数据支撑，为我国土壤重金属污染防治和风险管控工作提供了科学参考。
[0109]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。