资源-环境-植物系统中热物理问题的理论与实验研究

【摘要】：本文根据资源-环境-植物系统(REPS)的概念,全面分析了该系统中的能量流和物质流,从系统的角度来研究其中的几个热物理问题,如土壤温度的日变化规律,气温和土温对植物生长的影响,环境因子对作物生长的土壤中热湿迁移的影响,作物生长的土壤中的氧气浓度场以及土壤水分运移的温度效应等。具体内容如下: 1. 当假设土壤表面温度为周期性日变化时,得到了未耕作土壤温度日变化的解析解,发现:土壤温度亦呈现出以日为周期的变化规律,而且土壤温度的波幅随着深度呈指数函数迅速衰减,峰值滞后时间与深度呈线性关系。进一步的研究表明:土壤热扩散率对土温日波幅以及峰值滞后时间有着很大的影响,土壤表面温度波动的影响深度随着热扩散率的增大而增大,而随着土壤热扩散率的增大,相同深度处的土壤温度的滞后时间则变短。同时,通过实验测量了土壤温度的日变化,并指出可以用三阶傅里叶级数来表示其日变化规律。 2. 数值模拟的结果显示:(1) 在周期性变化的气温和太阳辐射作用下,不同条件下土壤温度的响应特性不同。(2) 随着深度的增加,土壤温度受气温和太阳辐射的影响变小,温度变化的滞后效应越来越明显。(3) 在夏天,一天的大部分时间,土壤表层的温度高于深层的温度;而在冬天则恰恰相反。(4) 风速对土壤表层的温度影响较大。风速越大,土壤温度降低得越多。(5) 干燥气候下,由于水分蒸发的降温作用,一天中土壤各点的温度低于湿润气候下各点的温度,这在土壤表层尤为明显。 3. 通过实验研究了气温和土温对对花卉(试验植物:黑心菊)生长的影响,发现温室栽培能够促进黑心菊地上部的生长单不利于其根系的生长,从而导致较小的根冠比;同样土壤温度的较小差异就会对黑心菊根系和地上部 本文研究接受国家自然科学基金资助: (1) REPS系统中的热物理问题研究(No.59976010) (2) 土壤次生盐渍化过程的机理研究和模型预报(No.50376015) WP=4 的生长造成很大的影响。土壤加热时,黑心菊地上部生长较好,但根系不如未加热株发达。 4. 建立了冬小麦二维根系吸水模型,进而发展了一个作物生长的土壤中热、湿耦合运移的数学模型,并对气温、太阳辐射强度以及大气相对湿度对土壤水分含量场和温度场的影响进行了稳态数值模拟。通过三种情况的对比可以看到,在有植物覆盖的情况下,太阳辐射主要影响土壤中的水分含量,对土壤温度的影响较小;而气温和大气相对湿度则对土壤温度和水分含量均有较大影响。土壤水分蒸散率从早上开始增加,在中午左右达到最大值,然后逐渐减小。同时,蒸发率、蒸腾率与蒸散率之间的比值也呈现出明显的日变化。另外,作物的叶面积指数对土壤水分蒸散也有较大的影响,同时它对蒸发和蒸腾在蒸散中所占的比重影响很大,叶面积指数增大时,叶面蒸腾所占的份额增大,而蒸发所占的份额则相应地减小。 5. 对土壤空气含量、组成以及土壤通气性对植物生长发育的影响进行了讨论,分析了土壤内部气体的迁移机制以及土壤表面与大气之间进行气体交换的途径,建立有作物生长的土壤床中热、湿、气耦合运移的数学模型,并进行了数值模拟,同时对植物的生长发育阶段,土壤孔隙率和土壤床高度三个因素对土壤氧气浓度场的影响进行讨论,所得结果对设施农业具有一定的指导价值。 6. 在对各种经典模型评述的基础上,考虑温度梯度对湿分运移的影响,对刘伟等提出的“七场-相变-扩散模型”进行了改进,从而使该模型反映的机理更加完全,能更好地描述非饱和多孔介质中热、湿、气的耦合迁移,同时还可进一步将其拓展到土壤溶质迁移的研究之中去。