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土壤次生盐渍化及其防治的模型与实验研究

陈丽湘  
【摘要】:土壤次生盐渍化过程是一种严重的土地退化现象,在世界各地普遍发生,尤其在干旱半干旱地区尤为明显,对粮食生产有极为严重的影响,甚而会影响到人类的生存和发展,因此长期以来引起世界各国的广泛关注。本文将多孔介质的热质传输理论应引入传统农业工程领域,对传统的农业土壤次生盐渍化过程进行研究。土壤作为一种典型的多孔介质,人们对其进行了长期的研究和探索,并取得了大量的研究成果。将多孔介质的研究成果引入对土壤次生盐渍化过程的研究,无疑为这一传统的研究领域开辟了新的研究思路,从而为问题的解决提供了新的可能。本文从多孔介质的研究视角,对土壤次生盐渍化过程进行了实验研究,对地下水位、蒸发量等环境因素对土壤水盐运动规律进行了定量测量和研究。研究了植被和根系的影响。并在多孔介质“七场-相变”模型基础上对土壤中水热盐耦合过程进行了数学建模和数值模拟。 实验在环境风洞中进行,研究了环境因子,尤其是地下水位条件对于盐分运移过程的影响。研究结果表明,地下水临界深度(CDG)对于盐分的运移过程有十分重要而明显的作用。CDG是环境因子,如气温,湿度,风速,和土质,甚至植被等因素综合作用的结果。本文中通过实验手段进行了测量。通过对土壤次生盐渍化地区进行CDG的取样测量,取得的大量基础数据可以为农业灌溉等实践活动提供科学的指导,从而减少甚至避免土壤次生盐渍化过程的发生,对于世界粮食安全和人类的生存具有重大意义。基于对土壤次生盐渍化机理的认识,对典型的土壤表面“盐结皮”的形成要素分析和研究,并在实验条件下模拟了“盐结皮”现象,对“盐斑”的形成和消失进行了观察和研究,实验结果符合预期,证明我们对土壤次生盐渍化机理的认识在一定程度上是正确的。 “七场-相变”模型从连续介质力学的观点,采用局部体积平均法,建立了描述湿分分层土壤中热湿迁移的数学模型,分析了湿分分层土壤中水、热、气的迁移机理;并在恒定环境条件下进行了稳态与非稳态的数值计算,得到了湿分分层土壤中的温度场、湿度场以及内部蒸发量场,分析了土壤内部热湿迁移规律。在此研究基础上,通过对土壤溶质运移过程的分析,建立了描述盐分运移方程,与“七场-相变-扩散模型”一起,构成土壤次生盐渍化过程的数学模型。并对盐分上升过程进行了初步的模拟,在趋势上表现出很好的一致性,为对其进行更为精确的模拟提供了良好的研究基础。 在上述研究的基础上,本文总结了土壤次生盐渍化的发生机理,即环境气象因子(温度、湿度、风速),地下水位及其矿化度,植被和根系等。并提出了防止土壤次生盐渍化的根本原则,即“切断”水盐上升的通道,具体措施如地膜覆盖、产生表面干土层、降低地下水位(不大水漫灌)、改变土壤性质等都是防止土壤次生盐渍化过程的有效途径,提出了“坡地”种植模式的盐渍化防治理念。


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