土壤热参数确定方法比较与修正

土壤热参数是分析研究土壤热传递的基本参数,寻求确定热参数简单方法是研究的热点问题.该文利用自行研制的土壤热特性试验系统,测定了4种质地土壤热特性,计算了不同质地土壤在不同含水率、不同容重情况下的热扩散率,进一步推导出不同情况下的导热率,并与Campbell经验公式计算的导热率进行比较,发现计算值与实测值相差较大,并对Campbell经验公式进行修正,同时对修正经验公式进行分析、检验,并讨论此经验公式的适用范围.结果显示在体积含水率小于20%的时候,修正经验公式可以用于计算导热率.     

添加生物质炭对壤土热性质影响机理研究

生物质炭添加对一系列土壤理化性质具有显著影响,然而其对土壤热性质的影响机理仍不明确。本研究结合田间定位试验和室内控制实验揭示了生物质炭添加对壤质土热性质的影响机理。两年田间区组试验中小麦秸秆生物质炭施用量设0 t hm~(-2)、25 t hm~(-2)和50 t hm~(-2)三个水平。使用热脉冲法分别在室内控制土壤含水量和田间自然条件下测定土壤热容量、导热率和热扩散系数。同时测定了不同生物质炭处理下土壤容重、土壤水分特征曲线、孔隙分布以及作物生长季表层土壤含水量。结果表明,生物质炭添加会对土壤热性质产生显著影响,其主要途径为(1)通过降低土壤容重,增加土壤大孔隙,从而显著降低土壤导热率,对土壤热容量和热扩散系数也有降低效应,但受土壤含水量水平影响;(2)通过改变土壤水力学特性,增加土壤含水量,从而提高土壤热容量、导热率和热扩散系数。田间状态下,生物质炭影响土壤热性质的两个途径同时存在而作用相反,综合效应表现为生物质炭添加小区的土壤体积热容量有增加趋势,且与生物质炭施用量有关;生物质炭添加会显著降低土壤导热率和热扩散系数。     

添加生物质炭对土壤热性质影响机理研究

生物质炭添加对一系列土壤理化性质具有显著影响,然而其对土壤热性质的影响机理仍不明确。本研究结合田间定位试验和室内控制实验揭示了生物质炭添加对壤质土热性质的影响机理。两年田间区组试验中小麦秸秆生物质炭施用量设0 t hm~(-2)、25 t hm~(-2)和50 t hm~(-2)三个水平。使用热脉冲法分别在室内控制土壤含水量和田间自然条件下测定土壤热容量、导热率和热扩散系数。同时测定了不同生物质炭处理下土壤容重、土壤水分特征曲线、孔隙分布以及作物生长季表层土壤含水量。结果表明,生物质炭添加会对土壤热性质产生显著影响,其主要途径为(1)通过降低土壤容重,增加土壤大孔隙,从而显著降低土壤导热率,对土壤热容量和热扩散系数也有降低效应,但受土壤含水量水平影响;(2)通过改变土壤水力学特性,增加土壤含水量,从而提高土壤热容量、导热率和热扩散系数。田间状态下,生物质炭影响土壤热性质的两个途径同时存在而作用相反,综合效应表现为生物质炭添加小区的土壤体积热容量有增加趋势,且与生物质炭施用量有关;生物质炭添加会显著降低土壤导热率和热扩散系数。     

基于土壤物理基本参数的土壤导热率模型

土壤物理基本参数是影响土壤导热率的重要因素,为了获取土壤的颗粒组成、有机质含量与土壤导热率计算模型中参数之间的关系,该文分析了陕西省9个地区的土壤质地对土壤导热率的影响,对不同土壤导热率估算模型的准确性进行评价,并在C?té-Konrad模型和Lu-Ren模型的基础上,建立了基于土壤物理基本参数的改进模型,结果表明:改进的C?té-Konrad模型与改进的Lu-Ren模型可以用来拟合不同质地的土壤导热率,且具有较好的拟合精度,决定系数R2均在0.92以上,相对误差(relative error,Re)均低于9.6%;对于砂粒含量或粉粒含量较高的土壤导热率,改进的C?té-Konrad模型模拟结果的均方根误差(root-mean-square error,RMSE)≤0.1183、R2≥0.9259以及Re≤9.55%,均优于C?té-Konrad模型、Lu-Ren模型和改进Lu-Ren模型;对于砂粒和粉粒含量均较低的土壤导热率,改进Lu-Ren模型模拟结果的RMSE≤0.0815、R2≥0.9326,Re≤8.21%,均明显优于其他3种模型。两种改进的模型分别建立了模型参数与颗粒组成、有机质含量之间的关系,能够更加详细描述土壤物理基本参数与导热率之间的关系,并且针对不同的土壤质地,选取合适的改进模型能够更加准确地计算土壤导热率。     

土壤导热率测定及其计算模型的对比分析

土壤导热率是重要的热参数之一,为了获得预测导热率的准确方法,该文对比分析了确定土壤导热率的热脉冲直接测定法和模型间接推求法。根据热脉冲原理在相同体积质量下,测定了不同质地和含水率土壤的导热率值。结果表明在相同含水率条件下,砂粒含量越高,土壤的导热率越大,土壤导热能力越强。利用Horton经验公式对实测值进行了拟合,结果显示Horton经验模型基本可以反映土壤导热率变化特征,并得到了Horton公式经验系数。利用实测值与Campbell模型计算值进行了比较,结果显示Campbell模型计算结果偏差较大,并对其进行了修正。并且用实测值与Johansen模型及其2种改进模型(Coté-Konrad模型和Lu-Ren模型)的计算值进行了对比分析,结果表明Johansen模型计算结果与实测值偏差较大,2种改进型模型的计算结果与实测值更接近。该研究表明土壤导热率可以利用土壤质地、含水率、孔隙度和体积质量进行计算,3种理论模型的计算值与实测值的相关系数均值分别为:0.643、0.937、0.943,推荐使用Coté-Konrad模型和Lu-Ren模型计算土壤导热率,Lu-Ren模型比Coté-Konrad模型的适用范围更广。     

热脉冲法测定土壤热性质的研究进展

土壤热性质包括土壤热容量、热扩散率和导热率等,是决定土壤热状况的内在因素,与土壤水分状况之间关系密切。热脉冲—时域反射仪方法所用成本低,对土壤扰动小,测试时间短,具有很多优点,因此在测定土壤热性质方面具有很大的潜力。该方法在国外已得到了大量应用,在国内应用却很有限。本文综述了土壤热性质的计算模型及研究现状,重点针对近年来国内外研究土壤热性质的新方法———热脉冲法的理论和技术发展,及其在土壤水和其他物理性质应用方面的进展。该方法在国内相关研究领域里有进一步推广的意义。     

冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响

为了研究冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和土壤热通量的影响,在2015年11月-2016年4月期间,设置了裸地(BL)、自然积雪覆盖(SC)、6 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM1)、12 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM2)和18 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM3)5种不同的处理,测定了20、40、60和100 cm土壤含水率和温度,并计算出土壤导热率和土壤热通量。研究结果发现:在土壤冻结期,土壤导热率随着土壤的冻结而增大,直至完全冻结后基本保持不变,而在土壤融化期则逐渐减小。冻融阶段,积雪和秸秆覆盖会延缓土壤导热率的变化,减小土壤导热率的变化。冻结期,裸地处理的土壤导热率最大,平均为1.55 W/(m×K);融化期,裸地处理的土壤导热率最小,平均为0.79 W/(m×K)。在冻结期,土壤热量向上传递,传递量先增加后减小;在融化期,土壤热量向下传递,传递量逐渐增加。积雪和秸秆覆盖可以减小土壤热通量及其变化。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤热通量比裸地少4.73~8.84 W/m~2。裸地处理的土壤导热率与水汽压的相关性最好,相关系数为-0.84,与风速的相关性最差,相关系数为-0.43。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤导热率与环境温度的相关性最好,相关系数为-0.67~-0.73,与风速的相关性最差,相关系数为-0.18~-0.25。土壤热通量与太阳辐射的相关性最好,相关系数为-0.88~-0.91,与风速的相关性最差,相关系数为-0.44~-0.53。整体而言,积雪和秸秆覆盖会减小大气环境对土壤导热率和热通量的影响。     

地表覆盖对土壤热参数变化的影响

覆盖条件下土壤热性质的研究对于包气带水热运移及覆盖技术的应用均有重要意义。使用11针热脉冲探头对沙黄土不同深度(6 mm、18 mm、30 mm)的土壤热扩散率、热容量和热导率三个热参数进行测定,并进行地表覆盖(石子覆盖、秸秆覆盖)处理,旨在探究覆盖条件下表层土壤热性质动态变化过程及土壤热参数与水分的内在联系。结果表明:(1)相对于裸土,石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数增大,且覆盖对于靠近表层土壤热参数的影响更加明显;(2)随降雨的发生,土壤热参数均增大,在两次降雨期间,土壤热参数逐渐减小,覆盖与裸土热参数差异逐渐增大;(3)三个热参数随降雨的发生,其动态变化过程表现不同,热容量对降雨的响应最为敏感,热导率次之,热扩散率开始减小的时间较热导率和热容量滞后,三个深度滞后时间均在48 h以上,而且覆盖以后热扩散开始减小的时间较裸土推迟(48 h以上)。土壤容重不变的情况下,在频繁干湿交替的过程中土壤水分为土壤热参数变化的最主要影响因素。覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量关系研究表明:石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量的变化关系与裸土条件下一致,热导率与含水量呈幂函数增加的趋势,热容量随含水量线性增加,热扩散率随含水量增加先增后减,本研究所用沙黄土热扩散率峰值对应的含水量在0.20 cm3cm-3左右。由以上结果可以发现覆盖对近表层土壤热参数的动态变化有显著的影响,覆盖的保水效应直接影响土壤热参数的变化。     

土壤温度对土壤水分入渗的影响

为了解温度对土壤水分人渗参数的影响,研究了黄土高原三种典型土壤(神木风沙土、安塞黄绵土、杨凌蝼土)在不同温度(18℃,25℃-27℃.30℃,35℃)时的人渗特征.用幂函数对湿润锋距离与时间关系进行拟合.并用Philip入渗公式对累积人渗量及入渗率进行拟合.结果表明:(1)温度对湿润锋的影响主要是通过对参数a的影响来实现.而对土壤水分人渗率的影响主要是通过吸湿率S起作用;(2)随着温度的升高,同种土壤水分入渗达到某一深度所用时间缩短.但不同质地的土壤之间的差别较大;(3)随着温度的升高.湿润锋运移速率和入渗速率增加,且湿润锋运移速率及人渗速率与温度和时间关系可用多元复合幂函数关系拟合;(4)温度对同一土壤湿润锋运移速率和水分人渗速率的影响随着温度的变化而变化.在较低温度区温度对其的影响大于较高温区.     

利用热脉冲时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数Ⅱ.应用

土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是描述土壤中各种物理、化学和生物过程的基础。本文利用热脉冲 -时域反射技术 (Thermo -TDR)对不同质地土壤的含水量、电导率、温度、容积热容量、导热率和热扩散系数进行了测定 ,并利用土壤容积热容量与容重和含水量的关系 ,计算了土壤容重、通气孔度和饱和度。结果表明 ,Thermo -TDR技术能够提供可靠的土壤含水量、温度、容重、通气孔度和饱和度的信息。本文也分析了Thermo -TDR技术的测定误差并探讨了降低误差的对策     

初始含水率对土壤中原油入渗的影响

为确定土壤初始含水率对原油在土壤中入渗的影响,该文利用3种土壤,根据设定不同初始含水率进行配置,开展土柱模拟试验,研究了不同初始含水率条件下原油在土壤中的入渗。试验结果表明：对于同一质地土壤,随着初始含水率的增加,原油在土壤中入渗的湿润距离和湿润推进速率均增加。原油在土壤中的入渗与土壤粉粒含量密切相关,当土壤初始含水率较低时,不同质地土壤,粉粒含量越高,原油在土壤中入渗越慢;随土壤深度增加,土壤中原油残留物的含量呈波动递减趋势;原油在土壤中入渗的湿润距离随时间的变化可用对数函数拟合,湿润推进速率与时间的关系可用Kostiakov公式拟合。     

冬小麦冠层表面温度裂窗算法的筛选与土壤含水率监测

NOAA气象卫星的两个热红外通道可以用来反演地球表面温度,而地球表面温度可用于监测土壤含水率。该研究于2002年冬小麦主要生育期,应用9种裂窗算法反演了邯郸地区的地表温度,并用这一时期冬小麦地面观测的冠层表面温度进行验证,结果表明：9种方法中,UL92法比较适合邯郸平原区地表温度的反演,平均误差为-0.27℃,标准误差为2.66℃;并建议：对于山区和丘陵地带,如能使裂窗算法结合数字高程模型(DEM),也能使山区和丘陵地带的地表温度反演精度提高,最后以地面试验基础上所建立的冬小麦地表温度与土壤含水率间的回归拟合经验方程为基础,用UL92法反演的地表温度监测不同土层的土壤含水率,这是一种利用热红外遥感监测区域剖面土壤含水率的新方法的尝试,证明地面基础试验所建立的经验方程与遥感数据结合能监测区域土壤剖面的土壤含水率。     

不同灌水技术下香梨地土面蒸发规律研究

对新疆库尔勒灌溉实验站香梨地不同灌水技术处理的土面蒸发进行了试验研究,并分析了土面蒸发强度与土壤含水量和土面蒸发强度与土壤耗水强度间的关系。结果表明,各处理在整个生育期的平均土面蒸发强度由大到小依次为微喷、小管和环管,其累积土面蒸发值分别为116.05,104.53和89.60mm。各处理棵间相对土面蒸发强度与0-20cm土层深度的土壤含水量相关关系显著,呈二次递增规律。土壤耗水强度在生育期内整体上呈现从大到小的变化规律,大小顺序依次为微喷、环管和小管,且土面蒸发强度均随着土壤耗水强度的增大而增大,二者之间呈幂函数关系。     

室内基于土壤水分再分布过程推求紫色土导水参数

选择三峡库区3种不同质地的紫色土,室内通过土壤水分再分布试验,探讨基于土壤水分再分布过程推求导水参数对于紫色土的适用性.结果显示,结合土壤水分垂直和水平再分布过程推求的紫色土水分扩散率与实测值具有很好的一致性,但推求的非饱和导水率偏差较大.然而,选用单一的土壤水分再分布过程结合实测水分特征曲线推求的紫色土非饱和导水率与实测值具有良好的一致性.湿润锋湿度与湿润剖面平均湿度不同函数关系对推求非饱和导水率和水分扩散率差异不明显.此外,基于土壤水分再分布过程推求导水参数方法比较适合低湿土壤的非饱和导水参数推求.     

Bestimmung von hydraulischen Parametern für die Wasserhaushaltsuntersuchungen im natürlich gelagerten Boden. Ein Vergleich von Feld- und Laboratoriumsmethoden

Determination of hydraulic parameters to estimate water movement and water storage in undisturbed soil. A comparison of field and laboratory methods. The soil moisture characteristics and the unsaturated conductivity were measured under field and laboratory conditions. In an undisturbed soil monolith in continous connection with the underlying loess-soil-layer 60 tensiometer and a neutronprobe-accestube were used respectively to determine the matric potential and water content changes during a transient drainage experiment. Within the matric potential range of 0 to approximately ?50 to ?100 mbar the soil moisture characteristics determined in the laboratory and in the field are substantially different. When the matric potential is more negative than ?100 mbar the slope of these curves and hence the specific moisture capacities are relatively well comparable. The field-measured conductivity functions differ considerably from those values which were either measured under lab-conditions or computed from the soil moisture characteristics data. The conductivities are expressed as a function of the matric potential which is possibly the major reason for these remarkable differences. However, the changes in water content in this dense silty clay loam are too small to express the unsaturated conductivity as a function of the absolute water content. The most serious problems in extrapolating the results of the less time consuming laborcalculation methods to field conditions arise in that range of matric potentials where water movement is significant.     

生物炭不同粒径及不同添加量对土壤收缩特征的影响

土壤收缩特征在准确定量评价土壤结构和水力学特性中发挥重要作用。生物炭孔隙结构发达、比表面积巨大,施加生物炭不仅可以改变土壤的生物、化学性质,而且还影响到土壤的收缩特性。利用离心机法测定了添加不同粒径(2～1mm,1～0.25mm,<0.25mm)、不同比例(0,10,50,100,150g/kg)生物炭的土壤收缩特征,并采用三直线模型进行了模拟,得出如下结果:相同压力下,土壤比容积随着生物炭含量增加而增大,生物炭有效地限制了土壤收缩。土壤收缩变化过程适用三直线模型描述,伪饱和段和结构段的收缩特征值随生物炭含量增加而减小,超正常段的土壤特征值随生物炭含量增加而增大;生物炭粒径对土壤收缩特征值变化的影响不显著。研究表明,向土壤中添加生物炭能有效降低土壤干燥过程中的收缩程度,改善土壤结构,提高土壤持水性能。     

干湿交替对长江荆江段典型断面岸滩土体力学性能的影响

河道水位水文年内的动态变化使得河岸土体处于干湿交替的状态。为研究干湿交替对粘性岸滩土体力学性能及河岸稳定性的影响,以长江荆江段8个典型崩岸断面岸滩的粘性土体为研究对象。采用历史资料分析、实地勘察取样、室内土工试验、BSTEM模型模拟相结合的方法,分析了上、下荆江河岸土体组成及力学特性,并且定量研究了干湿交替条件下粘性岸滩土体力学性能的变化;运用BSTEM模型对荆61和北门口断面在2013水文年内的崩岸过程进行了模拟,并分析了干、湿条件下土体抗剪强度指标对河岸稳定性的影响。结果表明:随着土体含水率的增加,粘聚力先增大后减小,而内摩擦角呈指数关系减小,并得出含水率与粘聚力和内摩擦角的定量关系式;2个断面计算崩塌宽度与实际一致,误差分别为1.69%和3.74%;干湿交替情况下安全系数值主要受土体粘聚力值的影响,并分别得到了2个典型断面粘聚力和内摩擦角与安全系数的一元线性关系。这样已知河岸土体含水率时,就可以通过关系式计算得出土体的粘聚力和内摩擦角,从而得出安全系数,判断河岸稳定性。     

模拟降雨下前期含水量对黄绵土坡面产流产沙过程的影响

为探究不同前期土壤含水量条件下坡面产流产沙特征及产流产沙关系，以安塞黄绵土为研究对象，通过设置6个前期土壤含水量处理(5%,10%,15%,20%,25%,30%),采用室内人工模拟降雨试验来系统研究前期土壤含水量对坡面产流产沙过程的影响。每个含水量处理设置2个重复，坡面坡度为15°,设计雨强为90 mm/h,降雨历时为1 h。结果表明：(1)随着前期土壤含水量的升高，坡面初始产流时间幂函数减小，产流量线性增大。(2)坡面土壤流失量随前期土壤含水量增大呈幂函数增加，高含水量组(29.3%)土壤流失量分别是低含水量组(5.8%和10.6%)和中含水量组(15.3%,20.4%,25.1%)的86.1,8.9倍。当前期含水量接近饱和时，坡面侵蚀加剧，土壤流失量迅速增加。(3)不同前期土壤含水量条件下坡面产流量与产沙量呈幂函数关系，当产流速率超过1.4 L/min,产沙量迅速增加甚至翻倍，呈“水大沙多”的特点。前期土壤含水量通过影响入渗产流和改变径流泥沙关系双重作用来影响坡面产沙。因此，对黄绵土坡面而言，应注意防范连绵持久降雨后暴雨或特大暴雨所造成的水土流失问题，可采取耕作、植被覆盖等措施维...     

黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究

通过对黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究, 结果表明: 原状土的饱和导水率随着土壤剖面深度的增加呈现出表土层高、中间土层低、底土层又升高的趋势; 扰动土与原状土的饱和导水率差异较大, 土壤饱和导水率与土壤容重呈负相关、而与孔隙度、结构系数、团聚度等均呈正相关。原状土的饱和导水率能反映田间水分运动以及孔隙状况, 对研究土壤水量平衡和水土保持有重要的意义。扰动土的饱和导水率对于土壤理化性质的理论研究有一定参考价值。