探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响

在利用热脉冲方法测定热特性时,通常对探针形状做理想化处理,即假设探针为线性热源,热导率无限大而热容量为零。在实际应用中,探针本身的有限特性(有限半径以及有限热容量)会导致热特性测定误差。为了研究探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响,该研究采用改进的热脉冲探针(直径2 mm、长度40 mm、间距8 mm)测定土壤热特性,并分别使用PILS(pulsed infinite line source,无限长线性脉冲热源)和ICPC(identical cylindrical perfect conductors,近似圆柱形完美导体)2种理论估计土壤热特性,比较分析了探针有限特性对热脉冲技术测定热特性结果的影响。结果表明:1)与PILS理论相比,利用ICPC理论拟合得到的温度升高曲线,可以有效减少探针有限半径和热容量对土壤热特性测定结果的影响。与ICPC理论相比,在0.03~0.25 m3/m3的含水率范围内,用PILS理论得到的砂土热扩散率和热导率分别偏低11.8%和5.2%;与模拟热容量相比,PILS和ICPC理论分别将热容量高估16.1%和7.9%;2)探针有限特性对土壤热特性的影响与含水率有关:在干土上最大;随着土壤含水率的增加,其影响逐渐降低。该研究对提高热脉冲技术测定土壤热特性的准确性具有指导意义。     

条带覆盖免耕下吉林南部玉米行间土壤水分和温度的时空动态

  【目的】  覆盖免耕能够减缓土壤侵蚀,提升土壤有机质含量,但在我国东北黑土区,可能会引起春季土温较低,影响玉米生长。因此,研究条带覆盖免耕(NT-SRC)技术模式下玉米行间土壤水分和温度的时空分布规律,为科学应用NT-SRC技术提供理论支撑。  【方法】  玉米田间试验于2018年在吉林省南部进行,采用田间条带覆盖免耕技术模式。玉米采用宽窄行栽培,宽行行距为100 cm,秸秆全覆盖;窄行行距为40 cm,无覆盖,为玉米播种带。选择玉米行间进行原位连续监测,监测点包括玉米株下(0位点),宽行距植株10、20、30和50 cm (简称为10、20、30、50位点),窄行距植株10和20 cm (简称为–10和–20位点),每个位点土壤水分和温度监测探头埋藏5、10和20 cm 3个深度,自动连续监测土壤温度和含水量。  【结果】  1) NT-SRC管理下,玉米行间含水量在空间分布上呈现宽行>株下>窄行,其中含水量50位点处最高,–10位点处最低;不同监测点土壤含水量在时间尺度上的稳定性为 –10<–20<10<0<20和30<50 位点;土壤水分在玉米生育期内的稳定性表现为苗期>成熟期>拔节期和吐丝灌浆期。2)与窄行相比,宽行在水分较低的拔节期和吐丝灌浆期能够分别提高土壤储水量13.1% 和11.1%。3)宽窄行的行间温度差异主要表现在苗期和拔节期,土壤温度由窄行20 cm处至宽行50 cm处依次降低。相较于宽行,苗期窄行的日均温提高1℃～2℃。  【结论】  在吉林南部地区免耕配合带状秸秆覆盖模式下,秸秆覆盖使宽行的土壤含水量和储水量在全生育期高于窄行,且土壤含水量更加稳定。无覆盖窄行提升了苗期和拔节期苗带土壤温度,对吐丝灌浆期和成熟期行间温度分布几乎无影响,缓解了吉林南部黑土区全覆盖免耕管理下玉米生长过程中的水热矛盾。     

测量土壤水分特征曲线的复合传感器设

为了直接获取土壤水特征曲线,在一种商品化微型张力计的基础上,设计了一种同步测量土壤水吸力与容积含水率的复合传感器.将张力计中的一段金属保护套管作为天线,利用其辐射阻抗随着土壤含水率变化的规律来测量土壤容积含水率.在实验室环境下,利用3种不同质地土样(砂土、砂壤土、粘壤土)对复合传感器进行了试验,并与经典土壤水特征曲线测量方法(压力锅法结合砂箱法)获得的数据进行了比较.结果表明,复合传感器在3种土壤样品上获得的水分特征曲线的均方根误差均小于0.05,与标准方法所获得的结果具有较好的一致性.     

保护性耕作对太行山前平原土壤热水解和酸解有机碳的影响

【目的】研究传统耕作转为保护性耕作后土壤热水解碳（HWC）和酸解碳（AHC）的分布和积累特征。【方法】2001年在河北栾城设置翻耕+玉米秸秆不还田（CK）、翻耕+玉米秸秆粉碎还田（CT）、旋耕+玉米秸秆粉碎还田（RT）和免耕玉米秸秆直立还田（NT）4个处理。2007年小麦收获后,采集0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层样品,测定热水解有机碳（HWC,80℃水浴下提取24 h）和酸解有机碳（AHC,6 mol•L-1 HCl,105℃下提取4 h）的浓度,分析两种活性碳的层化比率值（SR）,并基于等效质量碳库储量计算方法,比较了不同耕作处理对土壤活性碳分布和储量的影响。【结果】连续6年保护性耕作后,HWC和AHC在土壤表层积累,具有较高的层化比率值。在0—10 cm土层,保护性耕作（RT和NT）系统HWC的SR值（1.68—1.98）显著高于传统翻耕（CK和CT）处理（1.30—1.50）,保护性耕作下AHC的SR值（1.62—1.83）亦高于传统翻耕（1.12—1.63）。与传统翻耕CT相比,保护性耕作系统0—30 cm剖面的HWC储量无显著变化,但免耕显著增加了AHC的储量。【结论】在太行山前平原地区,保护性耕作导致土壤剖面中HWC和AHC在表层积累,呈现高度层化特征,可能会潜在影响土壤质量和农田固碳速率。     

不同温度下的土壤热导率模拟

土壤热导率是研究陆地表层水热盐耦合运动的基本物理参数。由于水汽潜热传热在高温下的显著作用,高温下的土壤热导率显著高于常温值。该研究的目的是建立能够有效预测高温下土壤热导率的模型。在气体扩散定律的基础上,该文结合常温土壤热导率模型,提出了一个计算高温土壤热导率的新方法。并利用热脉冲技术实际测定了不同温度、不同含水率下的土壤热导率,对新模型进行了测试验证。结果表明,Cass等的水汽运移促进因子参数依赖于土壤质地,且存在较大的不确定性。经过对该参数修正后,建立的热导率模型均能够较好地模拟出高温下的土壤热导率。     

采样深度和计算方法影响保护性耕作土壤碳氮储量的评估结果

为探讨不同年限耕作措施下土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）在土壤剖面中的分布和累积特征，了解采样深度和计算方法对SOC和TN储量评估结果的影响，基于山东桓台（5a）和河北栾城（17a）耕作定位试验，设置翻耕（CT）、旋耕（RT）和免耕（NT）三个处理（秸秆均还田），分析土壤剖面中（桓台60cm；栾城50cm）土壤容重（b）、SOC和TN浓度的分布特征，并比较不同土层深度下“固定深度法（FD）”和“等效重量法（ESM）”所计算SOC和TN储量的差异。结果表明，连续多年保护性耕作后，NT处理较CT促进了SOC和TN储量在表层积累，增加了SOC和TN浓度的层化比率（SR）值。在山东桓台试验点，NT处理较CT显著增加了0−5cm土层SOC和TN储量（P＜0.05），增幅分别为29%和30%，而整个土壤剖面（0−60cm）的碳氮储量分别降低8%和10%。河北栾城试验点，0−10cm土层NT和RT处理较CT分别增加SOC储量10%和14%，但在≥20cm剖面中不同耕作处理之间的碳氮储量无显著差异。由于各处理之间b的差异，传统FD法高估了山东桓台免耕处理SOC和TN储量，但低估了河北栾城碳氮储量。因此，为准确评估不同耕作措施下土壤碳氮固持效应，推荐在“深层采样”（≥30cm）策略基础上，利用ESM法计算其储量。保护性耕作对改善土壤质量有积极作用，但其通过土壤碳截留以缓解气候变化的潜力不应该被高估。     

利用基于偏微分方程的图像滤波技术研究土壤孔隙结构

利用自主研发的土壤切片数字图像处理分析系统软件,采用3种滤波方式,即BMO滤波(boundary mean oscillation有界平均振荡模型)、PM滤波(Perona-Malik偏微分方程模型)和中值滤波,对免耕、翻耕和旋耕3种耕作方式下不同深度土壤切片的数字图像进行去噪增强,并对处理后的图像进行了孔隙特征参数提取与统计。在此基础上,探讨了几种图像滤波技术的效果以及耕作方式对不同土层土壤孔隙形态结构的影响,以期找到适用于土壤切片数字图像的滤波技术,为后期土壤孔隙信息的提取与统计提供工具。结果表明,采用BMO滤波后,从土壤切片数字图像得到的土壤孔隙度与试验结果最为接近;其中,孔径5μm的孔隙度显著大于其他图像滤波技术的结果,而5~50μm与50μm孔径的孔隙度与其他图像滤波技术的结果没有显著差异;与免耕相比,翻耕与旋耕提高了表层土壤的孔隙度,增加了传导孔隙的比例。     

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     

利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理

由于土壤特性的时空变异性 ,对土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是土壤学研究的重要课题。本文以热脉冲技术和时域反射技术的理论为基础 ,介绍了利用热脉冲技术 时域反射技术 (Thermo TDR)连续定位测定土壤含水量、电导率、温度和热特性的原理 ,并利用土壤热特性与容重和含水量的关系 ,导出了土壤容重、饱和度和通气孔度的计算公式。     

保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响

保护性耕作被认为是华北平原农业可持续发展的重要措施, 但目前缺乏这些措施对土壤质量影响的系统报道。本研究以长期定位试验为基础, 探讨了太行山前平原两熟制高产农田不同耕作措施对麦田土壤质量的影响。试验始于2001 年, 设置翻耕玉米秸秆不还田(非保护性耕作对照, CK)、翻耕玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4 个处理。2007 年冬小麦收获后分层测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)含量、容重(ρ_b)、水稳性团聚体、水分特征曲线、饱和导水率(K_s)和微生物量碳氮。2008 年测定了剖面SOC 含量、ρ_b 和蚯蚓数量。结果表明, 连续多年保护性耕作后土壤剖面的SOC 储量无显著变化, 但保护性耕作(RT 和NT)下SOC 的层化比率(1.74~2.04)显著高于翻耕处理(CK 和CT, 1.37~1.45); 保护性耕作显著提高了表层微生物量碳、氮含量以及单位面积土壤中的蚯蚓数量。NT 处理导致耕层(0~20 cm)土壤ρ_b 增加, 但提高了土壤团聚体的稳定性。CK 和CT 处理显著增加了0~5 cm 土层裂隙(>500 μm)和传输孔隙(500~50 μm)的比例, 而NT 处理则增加储水孔隙(50~0.5 μm)的含量。另外, 保护性耕作提高了土壤的K_s、田间持水量和有效水含量。对土壤质量指标S 的分析结果表明, 实施保护性耕作后, 太行山前平原地区土壤质量总体上得到改善。