36100字硕士毕业论文地下滴灌条件下土壤空气传导速率的变化
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：36100字
论点：土壤,滴灌,模型
论文概述：
现有土壤导气率的测量方法有很多，这些方法常常适用于土壤水分均匀分布的饱和和非饱和土壤中。然而对于地下滴灌来说，土壤水分并非均匀分布，越靠近滴头，土壤水分含量越高。
论文正文：
第一章导言
1.1目的和意义
土壤中发生的大多数生物反应消耗氧气并产生二氧化碳作为副产品。这一一般过程称为需氧呼吸，它使土壤通气成为植物生长的一个重要问题。土壤通气对高等植物的影响通常可分为两类:第一，对影响植物生长的土壤成分的影响；第二，对植物生理条件的直接影响。在土壤中缺乏足够氧气的情况下，会形成硫化物、低铁和低锰化合物；有机物被还原成醇、醛或甲烷，并能产生氢气。同时，必需硝酸盐被还原成有害的亚硝酸盐或游离氮。大多数高等植物需要适当的土壤通气来保证根系的正常发育。生长中的根不断使用氧气并产生二氧化碳，其生长速度可能受到可用氧气量的限制。在通风不良的土壤中，根系生长将非常缓慢，因此通过根系表面吸收养分和水分的面积将很小。这可能导致植物生长减少。因此，营养基质的通气对于植物吸收最大量的水和营养是必不可少的。土壤空气体是影响土壤肥力的主要因素之一。
土壤通气不仅影响种子萌发和根系发育，还影响养分转化。土壤中的大多数物理、化学和生物过程与土壤空空气密切相关。当土壤通风良好时，好氧微生物的活性和繁殖增强，土壤有机质分解加快，矿化明显增强，土壤中的有效氧得到充分供应，有利于作物对养分的吸收和利用。当土壤通风不良时，土壤中各种有益真菌的活动受到抑制，不利于作物吸收养分，甚至产生有毒气体，危及作物生长，进而影响作物产量(邵明安等人，2006年)。因此，土壤通气成为植物生长的主要环境因素。庄稼的根需要呼吸。当土壤透气性小时，土壤渗透性差，作物根系呼吸受到抑制。当作物生长的土壤环境中O2浓度过低、CO2浓度过高时，根系的生长发育会受到抑制，从而影响作物的茎、叶和果实的生长。土壤气体电导率是土壤的一个重要物理性质，它反映了气体通过土壤孔隙的能力。
土壤气体电导率(Soil gas conductivity)是指每单位时间每单位面积通过土壤质量的气体量，是土壤特性对土壤气体交换速率的综合影响指数。它的大小经常受到土壤质地、体积密度、含水量、孔隙度和其他因素的影响。地下滴灌作为一种高效的用水系统，广泛应用于水资源稀缺的干旱和半干旱地区。持续少量的水，地下滴灌可以提高作物的生长和产量，从而增强作物的健康。与地面滴灌相比，地下滴灌减少了水分蒸发和深层渗漏，具有更高的用水效率，使灌溉位置更加准确，减少了水质危害的发生(Lamm和Camp 2007)。然而，地下滴灌提供了满足作物生理生长需要的水，也带来了一些与灌溉农业相关的问题。其中一个问题是地下滴灌将导致作物根区空气体含量降低和土壤渗透性差。
1.2研究概述
1.2.1土壤中气体运动的基本原理
土壤和大气之间的气体交换有两种不同的机制。一个是来自土壤内部的气体质量流量空，另一个是气体扩散。质量流量空气体可能由于土壤整体运动中的许多不同因素或过程而产生，例如温度或压力变化导致的土壤气体膨胀和收缩；因降雨或灌溉而去除空气体，并替代排水、植物利用和蒸发消耗的水；风力活动在某些地方或某些时间将空气体推入土壤，并在其他地方或其他时间吸入空气体。基恩(1931)计算出，从观察到的每日温度波动中可以预期的绝大多数气体交换不会超过每小时2.4厘米，这仅仅是通风标准的八分之一。降雨量和灌溉量有望取代土壤中深度为20厘米的空空气，全年仅约50次。因为正常通风需要每小时更换空深度为20厘米的空气，所以这个因素无关紧要。在水平土壤上，风的影响取决于土壤表面的风速。当土壤被庄稼覆盖时，土壤表面几乎没有风的运动。即使当土壤裸露时，地形的微小变化也会大大减缓风速，除非风吹到这里的土壤上。因此，不能从土壤中吸出多少空气体。在山坡上，地形使得风以一定的角度撞击土壤，因此迎风面将被压缩，并且空空气可能进入土壤。在背风面，将产生微小的真空度，并且空空气可能被吸出。基恩(1931)估计了这些影响，它们只是正常通风的一小部分。在极端多孔土壤和高风速的情况下，可能会达到高于正常通风的值。
第二章研究内容和方法
2.1研究内容
为了研究地下滴灌土壤的透气性特征，以现有土壤透气性模型和地下滴灌湿润体为研究对象，分析了瞬态一维和稳态一维土壤透气性模型的特点，并通过瞬态一维和稳态三维土壤透气性模型推导出瞬态三维土壤透气性模型；借助现有的土壤空气电导率测量方法，找到了一种适合地下滴灌湿润体土壤空气电导率的测量方法，将瞬态一维土壤空气电导率测量装置引入滴灌系统，提出了一种灌水器空气电导率测量方法，分析了不同类型滴灌灌水器的空气电导率和水电导率，研究了灌水器结构对空气电导率和水电导率的影响；对比分析地下滴灌前后通气对土壤透气性的影响，提出滴灌条件下提高土壤透气性的方法；对比分析了不同类型滴灌灌水器空空气和土壤中空气电导率的变化特征，探讨了地下滴灌灌水器堵塞评价方法。基于上述目标，本文的主要内容如下:
(1)地下滴灌土壤透气性测量方法的选择是基于测量技术成熟的稳态土壤透气性测量模型，并从测量效率、经济性和测量结果的相对误差等方面对瞬态一维和稳态一维透气性模型进行了对比分析。选择合适的地下滴灌土壤空气电导率测量方法。
(2)瞬态一维土壤透气性模型的简化和瞬态三维土壤透气性模型的推导在现有稳态一维、三维和瞬态一维土壤透气性模型的基础上，进一步推导出瞬态三维土壤透气性模型。简化了瞬态一维土壤电导模型中的参数，验证了简化模型的准确性。
(3)土壤透气性的应用研究在不扰动土壤的前提下，利用模型中瞬态一维土壤透气性测量装置和透气性特征参数S，提出了地下滴灌条件下湿润土壤透气性的测量方法，分析了地下滴灌条件下人工通气处理和非通气处理对土壤透气性的影响，并提出了改善湿润土壤透气性的方法。
第三章土壤空气电导率的测定方法选择...................15
3.1数学模型.........................................15
3.1.1瞬态一维土壤空气电导率测量模型...................15
3.1.2稳态一维土壤气体电导率计算模型……15
3.2测试结果和数据分析................................16
3.3本章概述................................18
第四章土壤气体电导率模型的推导及简化............................19
4.1瞬态三维土壤气体电导率模型的推导..............................19
4.2土壤气体电导率特征参数的简化...................20
4.3.............................................23
第五章发射器空气传导性能的实验研究...................24
5.1试验材料和方法...................24
5.1.1测试设计................24
5.1.2发射器空气电导率的测定方法..............................24
5.2发射器空气和水电导率结果分析................................24
5.2.1发射器特征空气传导参数的存在..............................25
5.2.2发射器水传导和空气传导性能的一致性...................26
5.3..............................本章第29节
结论
(1)利用60组土样对目前常用的瞬态一维和稳态一维土壤透气性测量方法进行了实际对比试验，并对其测量效率、准确性、所得土壤透气性的统计差异和经济性进行了评价。认为稳态测量技术成熟，计算方便，但需要配备一定的设备。瞬态法不需要测量通过土样的气体量，测量时间短，只有少量气体通过土样，对土样造成的结构损伤小；试验结果证明，在瞬态气体电导率测量试验中，U型管压力计的高度差P的变化与时间T呈线性关系，每组数据f(t)的变化与时间T呈线性关系；两种计算模型测得的土壤空气电导率值变化不大，而稳态法测得的值变化稍大。瞬态法和稳态法测得的土壤空气电导率结果可以用线性函数关系y=0.9791x表示，表明两种方法测得的空气电导率结果有很好的相关性。
(2)推导并简化了瞬态一维土壤气体电导率模型中压力函数的表达式。简化的土壤气体电导率特征参数与原始模型中的气体电导率特征参数非常接近，即简化解与原始模型参数中由气体电导率特征参数计算的样品气体电导率值之间存在非常显著的相关性，二者之间的关系可以用良好的线性函数关系表示。结果表明，简化后的土壤空气电导率特征参数对土壤空气电导率计算结果影响不大，从而验证了用简化解替代原模型中土壤空气电导率特征参数的可行性。在现有瞬态一维和稳态三维土壤气体电导率的基础上，进一步推导了瞬态三维土壤气体电导率模型，得到了瞬态三维土壤气体电导率模型。根据Kirkham的建议，试验土样封闭端的动压力变化与瞬态模型中的时间t之间存在线性关系，发现简化解0的LNP (t)与时间t之间存在相同的线性关系。以原始模型参数S为标准，简化解0s与原始模型参数S的相对误差变化范围较小，大部分小于0.4%。简化解0s接近原始模型参数s，用简化解0s代替原始模型参数s计算空气电导率，可以提高瞬态模型空气电导率的计算效率。简化解0和由原始模型参数s计算的样品气体电导率值之间存在非常显著的相关性(R=0.99>R0.01，= 0.01)。两种方法计算的气体电导率可以用线性函数关系0k =1.0038 k来表示，这表明简化解0s对气体电导率计算结果的影响比原始模型参数s小:根据简化解0s，瞬态和稳态土壤透气性结果之间存在非常显著的相关性(R=0.93>R0.01，= 0.01)，可以用线性函数关系0k =1.0033sk来表示， 表明简化参数s对土壤透气性计算结果影响不大，验证了用简化解0s代替原始模型参数s计算土壤透气性的可行性。
(3)根据以前的研究，瞬态土壤空气电导率测量装置中的土壤箱被一端封闭用于测试的滴灌带代替。假设模型中存在特征空气电导率参数，该参数作为单独的变量被分离，以测量发射器的空气电导率。借助瞬态一维边界条件空气电导率计算模型和测量装置，研究了发射器的空气电导率，分析了发射器空气电导率特性参数与发射器流量和流量系数的关系。结果表明，瞬态一维土壤空气电导率模型中的空气电导率特征参数不仅适用于土壤空气电导率的测量，也适用于发射器空气电导率的测量。滴灌测试平台用于测量灌水器的导水率。发现发射器的空气电导率和水电导率具有良好的一致性。在相同的压头区间内，发射器的流量、流量系数和空气电导率特性参数具有良好的线性关系。建立了发射器的水电导率与空气电导率之间的关系，为发射器的设计和研发提供了一定的理论依据。
参考
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