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《中国农业大学》 2017年
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干湿交替过程中土壤容重、水分特征曲线和热特性的动态变化特征

张猛  
【摘要】:土壤作为一个复杂的三相体系,其结构呈现很强的时空变异特征。土壤结构及其稳定性直接影响土壤侵蚀、渗透、透气性以及机械强度等物理过程,可以通过容重、水分特征曲线和孔隙分布等物理指标来描述结构性质。干湿交替过程是影响土壤结构的因素之一,田间条件下土壤会经历周期性的干湿交替过程,影响土壤水分分布和水力学性质。利用传统方法测定土壤物理性质时,土壤样品会经历多次脱湿和吸湿过程。本研究利用时域反射技术(Time Domain Reflectometry,TDR)、热脉冲-TDR技术(thermo-TDR)和土壤基质吸力传感器,同时测定土壤含水量、热特性和基质吸力,实现了土壤容重、水分特征曲线以及热特性的连续定位观测。通过研究干湿交替过程中室内装填土柱(不同质地)和田间条件下裸土以及玉米田耕作层容重、水分特征曲线、孔隙分布以及热特性的变化规律,系统地探讨了干湿交替过程对土壤结构的影响。主要结论如下:第一,干湿交替过程对耕作层土壤容重的影响。干湿交替过程中,由于水分流动、水的吸附力和毛管力等相互作用,土壤颗粒会重新分布、组合,形成新的结构体系,并达到稳定状态。裸土耕作层共经历9次干湿交替过程。前四次干湿交替过程中,各层次容重快速增加,最大变化量出现在第四次干湿交替过程中,土壤第一次达到饱和状态。第四次干湿交替后,土壤容重达到稳定状态,各层次容重增加了约0.2 gcm-3。在快速增加阶段,5-10 cm和10-15 cm容重相近,但高于0-5 cm;随着干湿交替次数增加,容重随土层加深逐渐增加,并且层次间容重差异逐渐增大。翻耕和压实处理下玉米田耕作层土壤容重主要表现为:两种处理下0-5 cm容重逐渐增加,经过约40天干湿交替过程后,逐渐达到稳定;压实处理5-10和10-15 cm处容重基本保持稳定,而翻耕处理容重逐渐降低,40天后达到稳定。和裸土结果不同的是,干湿交替过程中玉米田耕作层容重逐渐趋于一致,层次间容重差异逐渐降低。本研究同时利用thermo-TDR技术和热导率方法计算了土壤容重动态变化。和环刀法测定结果相比,热导率法结果偏低,但能够较为准确地反映田间土壤容重的动态变化过程,均方根误差(RMSE)小于0.10 gcm-3,相对误差在10%以内。第二,干湿交替过程对裸土耕作层土壤水分特征曲线和孔隙分布的影响。耕作层容重随时间和深度逐渐增加,经过四次干湿交替后达到稳定。土壤水分特征曲线也表现出在相同基质吸力下含水量逐渐增加的趋势。在前三次干湿交替过程中,土壤含水量和饱和度低,干湿交替过程对各层次土壤水分特征曲线影响很小。第四次干湿交替过程中,土壤达到近饱和状态,同时水分特征曲线发生明显变化:相同基质吸力下含水量增加;在之后的干湿交替过程中不再发生明显变化。干湿交替过程对土壤持水性的影响主要表现在有效孔隙度降低和残余孔隙度的增加。第三,干湿交替过程对砂土、壤土和粉壤土三种不同质地土壤水分特征曲线和孔隙分布的影响。在五次干湿交替过程中,三种质地土壤均表现出:土壤饱和含水量θs降低、进气值增加;van Genuchten模型参数α降低而形状因子n逐渐增加;大于中值孔径孔隙的密度降低;和3cm结果相比,干湿交替过程对6 cm处水分特征曲线和孔隙分布的影响更大。在五次干湿交替过程中,壤土和粉壤土两个层次的残余含水量θr逐渐增加,而砂土 3 cm处θr不变,6 cm处θr随干湿交替逐渐降低。在孔隙分布方面,砂土和壤土的中值孔径密度逐渐增加,而粉壤土与之相反;砂土和粉壤土的中值孔径逐渐降低,壤土的基本保持不变;小于中值孔径孔隙的密度在砂土、壤土和粉壤土上分别表现为随干湿交替逐渐增加、降低和保持稳定。第四,干湿交替过程对砂土、壤土和粉壤土三种不同质地土壤热特性的影响。在五次干湿交替过程中,砂土和壤土容积热容量与含水量之间呈显著的线性关系,其斜率和截距分别和水的比热与容重有关。干湿交替过程中,砂土以及壤土 3 cm处斜率和截距基本保持稳定,壤土 6 cm处斜率逐渐降低,截距增加,表明干湿交替过程可能增加了容重以及吸附水含量,使得土壤水的比热值降低。粉壤土容积热容量随含水量的变化不再是直线关系,在0.15~0.20cm3cm-3范围内,随含水量降低容积热容量降低速率变慢。干湿交替过程对热导率的影响主要表现在砂土两个层次,以及壤土 6 cm处:含水量高于0.2 cm3 cm-3时在相同含水量下热导率增加。这种趋势在粉壤土上,以及壤土 3 cm处表现不明显。干湿交替过程对砂土和壤土热扩散率曲线的影响主要在高含水量范围:相同含水量下,热扩散率随干湿交替和深度逐渐增加,6 cm处的变化更明显。干湿交替过程中,当含水量相同时粉壤土热扩散率逐渐降低,并且6 cm处热扩散率低于3 cm处结果。土壤热特性,尤其是容积热容量对干湿交替过程中土壤孔隙结构的变化不敏感,不能很好地反映干湿交替过程中土壤孔隙的变化。本研究有利于进一步了解干湿交替过程对耕作层和不同质地土壤总孔隙度、孔隙分布以及水力学性质的影响,对研究土壤水、热、盐运移以及其他土壤物理过程具有很大的应用价值。
【关键词】:干湿交替 土壤容重 孔隙分布 水分特征曲线 热特性
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S152
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-14
  • 第一章 前言14-22
  • 1.1 研究意义14
  • 1.2 国内外研究进展14-20
  • 1.2.1 耕作层土壤容重的动态及监测方法15-16
  • 1.2.2 土壤孔隙分布和SWRC的动态及监测16-19
  • 1.2.3 耕作层土壤热特性的动态与监测19-20
  • 1.3 研究目标与研究内容20
  • 1.3.1 研究目标20
  • 1.3.2 研究内容20
  • 1.4 技术路线20-22
  • 第二章 材料和方法22-40
  • 2.1 裸土实验22-23
  • 2.1.1 实验地点22
  • 2.1.2 仪器埋设和样品采集22-23
  • 2.2 玉米田实验23-25
  • 2.2.1 实验地点23
  • 2.2.2 仪器埋设和样品采集23-25
  • 2.3 室内土柱研究25-27
  • 2.4 测定方法27-35
  • 2.4.1 土壤容重27-28
  • 2.4.2 土壤含水量的测定:时域反射技术28-30
  • 2.4.3 土壤基质吸力30-32
  • 2.4.4 土壤热特性32-35
  • 2.5 数据计算与分析35-38
  • 2.5.1 SWRC拟合35-36
  • 2.5.2 土壤孔隙分布计算36-37
  • 2.5.3 土壤热特性计算37-38
  • 2.6 结果计算与分析38-40
  • 第三章 干湿交替过程中耕作层土壤容重的动态变化特征40-50
  • 3.1 裸土耕作层土壤容重随时间和深度的动态变化40-43
  • 3.2 玉米田耕层土壤含水量和容重的动态变化43-45
  • 3.3 基于土壤热导率的thermo-TDR方法评估45-49
  • 3.4 小结49-50
  • 第四章 干湿交替过程中耕作层土壤水分特征曲线和孔隙分布的动态变化特征50-70
  • 4.1 田间自然干湿交替下SWRC动态变化50-56
  • 4.2 室内控制干湿交替条件下SWRC动态变化56-69
  • 4.3 小结69-70
  • 第五章 干湿交替过程中土壤热特性的动态变化特征70-86
  • 5.1 干湿交替过程中土壤含水量动态变化70-71
  • 5.2 干湿交替过程对土壤容积热容量的影响71-76
  • 5.3 干湿交替过程对土壤热导率的影响76-80
  • 5.4 干湿交替过程对土壤热扩散率的影响80-85
  • 5.5 小结85-86
  • 第六章 结论与展望86-88
  • 6.1 结论86
  • 6.2 创新点86-87
  • 6.3 展望87-88
  • 参考文献88-96
  • 致谢96-98
  • 作者简历98-99

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