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根—土系统中水分动态监测的电容法研究

廖爱民  
【摘要】:根-土系统是土壤-植物-大气连续体(SPAC)或地球关键带(CZ)中的一个重要组成部分,是一个复杂的多相系统,包括根系、土壤、水、空气、有机质、微生物等组分。水分传输过程是根-土系统中最基本的过程,是植物营养物质运移的基础。由于根-土系统的隐藏性和复杂性,目前仍缺乏快速、无损、有效的方法来研究根-土系统的水分传输过程。本文的研究目的是尝试建立起集成单频电容法(SFC)、阻抗谱(EIS)技术和电容层析成像(ECT)技术的电容法体系,用于研究根-土系统水分动态。为了实现这个研究目的,本文从电容测量影响因素、单频电容法、阻抗谱技术和电容层析成像技术等四个方面分别开展了实验研究。主要内容和获得的成果包括:(1)电容测量中影响因素电容器由电极对和电极间的电介质组成,而电容值又须通过仪器来测量得到,所以电容测量影响因素包括三类参数:仪器、电极和电介质。本文通过实验研究获取这三方面影响因素与电容的关系,为后续的实验方案设计和实验结果解释提供依据。电容测量影响因素实验结果表明:在电感-电容-电阻测量仪(LCR)测量参数范围内,电压、内阻、速度和平均次数对电容测量影响很小,而频率、温度、浓度和含水量对电容测量影响显著。电容随着频率的增加而减小,特别是在低频率(小于10kHz)范围内二者呈现很强的双对数负线性相关关系。1kHz正好处于这个频率域内,同时这个频率是LCR最具代表性的频率,所以在使用LCR进行单频测量电容时,1kHz一般作为首选频率。本研究中的单频电容法也选用1kHz作为测量频率。(2)单频电容法(SFC)SFC测量根电容时,涉及的对象是电极-电介质系统,主要包括电极、生长基质和植物根,这三部分构成“电极-基质-植物根连续体”。本文从这个连续体的三方面开展了室内外的电极实验、基质实验和变根实验,所得的实验结果不支持Dalton(1995)所提出的根系电容概念模型,但支持Dietrich(2012)提出的概念模型。基于SFC测根电容的实验证据,本文提出“双线性相关”来解释电容与根参数(如鲜重、干重、表面积等)存在线性相关的原因。双线性相关是指单频电容法所测电容与茎参数(如茎围、茎径等)存在强的线性相关,同时根据异速生长关系,茎参数与根参数也存在很强的线性相关,由这两重线性相关建立起电容与根参数之间的线性相关。除此之外,利用SFC进行了分根测量实验,证实根系存在水力再分配作用。为了更形象地描述植物根系的水力再分配作用,本文构建了“两泵三池”的SPAC结构模型。同时,提出“负水势梯度突破内皮层假说”来解释水力再分配(HR)现象的发生机理。根据“负水势梯度突破内皮层假说”,可得到HR现象发生的条件是内皮层膜的最大逆水势梯度点位于根部,且最大逆水势梯度可以克服内皮层较大的外向阻力而使水分流向土壤。(3)阻抗谱(EIS)技术EIS技术是一种通过解译多频率电参数以获取物质系统内部信息的有效方法。本文分析了根-土系统各部分以及茎段的频谱响应特征,并利用EIS技术在根-土系统中开展水位动态、干旱和水涝过程的监测实验。在数据分析中,先由单频电容法拾取根-土系统水分动态过程的典型点;再针对这些典型点使用EIS技术进行多频率多电参数地分析,主要是利用复数非线性最小方差(CNLS)拟合获取的模型电参数;然后使用统计软件SPSS对模型电参数与目标变量(如水位、含水率等)进行相关分析,获得一些电参数与目标变量间较强的相关关系;最后可利用这些关系对根-土系统的水分动态进行预测。实验结果表明:EIS技术可结合单频电容法,作为监测根-土系统的水分动态的一种有效手段。(4)电容层析成像(ECT)技术在许多植物生长模拟和水量平衡模拟中,根参数都是一项重要参数,故需尽量获取植物根系的延伸范围和分布。为了满足获取根参数的迫切需求,本文引入电容层析成像技术,以本实验室研发的LCRWin系统(由LCR和可编程逻辑控制器PLC组成)作为ECT系统的测量单元,使用“内置无屏蔽型”的传感器获取电容数据,编制了ECT正、反演程序用于模拟计算电容值和重建感应区的图像。本文开展了探测水中异常体的模拟实验和物理实验,结果表明:本文所构建的ECT系统可成功对水中的异常体进行了二维和三维成像,验证了该ECT系统的可行性。在ECT的应用方面,该系统可获取根系在水溶液中的大体分布,并能够监测土壤水的下渗过程。本文集成以上三种电容方法开展了根-土系统中水分动态的实验研究,结果表明这些电容法可以原位、无损、快速地获取根-土系统水分动态的信息。本文的研究成果可促进关键带、SPAC、气候变化等方面的研究,具有重要的科学意义和应用价值。从学科发展上看,本文的研究可以促进一门富有前景的水文学分支——电性水文学的发展。


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1 廖爱民;根—土系统中水分动态监测的电容法研究[D];南京大学;2015年
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