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《西北农林科技大学》 2003年 博士论文
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变容重土壤的水分动力学研究

吕殿青  
【摘要】: 变容重土壤水分动力学的研究是在土壤水分运动参数中引入容重变量,获得水势、含水量及容重三者之间的动力学关系,建立土壤水分特征曲面和土壤非饱和导水率曲面,推求变容重土壤的水分运动方程。本文在严格控制实验条件下测定了土壤水分特征曲面数据,分析了土壤水分运动参数中的容重变化特征以及容重与土壤水分参数的关系,结合现有理论和方法,建立了土壤水分特征曲面和土壤非饱和导水率曲面模型,推求了一维变容重土壤水分水平运动的非Richards方程。结果表明: 1.在土壤水分特征曲线测定过程中随着吸力的增大,含水量的减小,土壤容重相应增大。容重在吸力40.8m水柱时出现拐点,吸力低于40.8m水柱时容重发生明显变化,高于40.8m水柱后逐渐趋于稳定。四种土壤的收缩特征曲线可划分为结构段和正常段,且可用直线模型来描述。土壤容重及收缩特征随着土壤质地的加重而发生显著的变化。 2.以Brooks-Corey模型和近似线性的土壤收缩特征为基础,推求了规一化容重和吸力间的幂函数关系。实验资料表明该关系能较好地刻划容重随吸力的变化过程,参数λ′随砂粒含量的减小而增大。提出了以饱和点容重、吸力最小测值与最大测值对应的容重作为控制点来确定容重的三点法,可应用于实际测定过程中的容重校正。 3.假定容重不变与考虑容重变化的土壤水分运动参数存在差别。用不同容重来分析预报准确度的结果表明准确度是以最优容重点为中心呈对称分布,某一容重离最优容重点的距离越小,其准确度越高;与考虑容重变化的水分特征曲线比较,假定容重不变所得的水分特征曲线的拟合参数α和θ_r偏小,λ偏大;不同容重对参数λ的影响很小,α值随着容重的增加而减小;随着土壤由砂向粘过渡,其非饱和导水率和水分扩散系数逐渐减小;随着容重的增加,饱和导水率减小,非饱和导水率和水分扩散系数也减小。 4.变容重土壤水分特征曲面是由含水量、容重、吸力三变量共同决定的空间曲面,在相同的吸力下,小容重的土壤持水特征具有较大的含水量,含水量随着容重的增大而趋于递减,含水量的差别随着土壤质地的变重而日趋明显增加。统计结果表明土壤水分特征曲面用幂函数来描述比较适宜。系数a,b、c与粘粒含量有密切的关系。 5.土壤饱和重量含水量随着容重的增加而减小,与容重成反比;土壤水分特征曲线模型参数α与容重的关系可用幂函数来描述;土壤水分特征曲线模型参数λ则随容重的增加而减小,呈现出线性关系;容重越大,土壤饱和导水率越小,两变量间的关系也可用幂函数来描述。 6.以土壤水分特征曲面模型为基础进行拓展,建立了非饱和土壤导水率曲面和土壤水 分扩散系数曲面模式。根据非饱和土壤水分运动的达西定理和质量守恒原理,建立 了变容重土壤一维水平土壤水分运动的非形chards方程。变容重土壤水分运动参数 曲面与水分运动的非形chards方程初步形成变容重土壤水分动力学的基本框架。 本研究为解决土壤水分运动参数测定中长期存在的容重变化问题提供了新的途径, 提出了一种校正容重影响的方法。本文的研究结果有助于深化土壤水分运动的基本理 论,也可为田间水分运动和溶质迁移的精细管理提供重要参考。


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