冻融土壤水热互作机理及环境响应研究

发布时间：2017-10-18 02:13

  本文关键词：冻融土壤水热互作机理及环境响应研究

  更多相关文章： 积雪覆盖 冻融土壤 水热传输 环境因素 耦合模型

【摘要】：积雪覆盖是松嫩平原黑土地区最为普遍和最为常见的冻融土壤边界形式条件,土壤的冻结与融化过程必将会引起土壤的液态含水率及热量的动态迁移变化。本文在查阅国内外有关文献的基础之上,采取连续动态观测以及定点定量测量的方法,对冻融期土壤的温度和液态含水率变化过程进行了量取。分析并研究了松嫩平原腹地地区在裸地处理、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下土壤的冻结过程、土壤水热耦合、土壤水热迁移环境响应因子和土壤水热响应函数。主要内容和结论如下:(1)冻融期内,土壤表现出单向冻结和双向融化的现象,在冻融过程中根据冻结速率的大小,将其划分为三个阶段,即快速冻结期、稳定冻结期和融化期。土壤的冻结过程及最大冻深受土壤上边界条件的影响,随着积雪覆盖厚度的增加以及密度的增大,土壤的最大冻结深度呈现出逐渐降低的现象。同时,积雪的覆盖影响着土壤系统的热量吸收和释放状况,使得不同覆盖处理地块中土壤各个土层的冻结起使日期出现差异,随着积雪覆盖量的增加,土壤冻结日期的延时现象越发明显,在10cm土层处,3种不同积雪覆盖处理条件下冻结土壤初始的冻结时间分别相对于裸地处理延时2、3、8d,同时,融化期内各个土层的土壤融化时间也分别相对于裸地处理出现一定的延时现象,表明积雪的覆盖对于土壤与环境之间的水热传递与能量交换存在一定的阻碍作用。(2)季节性冻土区内,冻结期,土壤温度和液态含水率从会出现减低的现象,而融化期,随着环境温度的升高,土壤中固态冰会发生相变转换,温度和液态含水率都会出现增加的现象。同时,土壤的温度和液态含水率在土壤中的空间分布也存在着异同,随着冻层的形成和发展,土壤中温度和液态含水率在土壤空间中会出现重分布的现象,具体表现为表层土壤的温度变化幅度大于下层,随着深度的增加变幅逐渐变小,另外,随着积雪覆盖厚度的增加和密度的增大,相同土层处的土壤温度和液态含水率的变化幅度相对降低。(3)在土壤内部水热传输的过程中,土壤温度变异导致温度梯度的产生,在该驱动力的作用下,土壤液态含水率会发生一定的迁移现象,同时,土壤温度的改变会促使土壤水分发生一定的相变,另外,土壤水分的变化也会在一定程度上影响着土壤热量的分布。因此,在季节性冻土区,土壤中的温度和液态含水率存在相互影响、相互制约的互作关系。冻结期,裸地处理条件下表层土壤温度和液态含水率的耦合关系较好,模型精度较高,同时随着积雪覆盖厚度的早呢更加和密度的增大,土壤中水热迁移状况受外界环境的影响较低,在自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下的土壤水热耦合关系逐渐升高。随着土层深度的增加,二者的耦合关系逐渐的增强,但是在60cm土层处,由于该层次距离土壤冻结锋面较近,土壤的耦合效果受到一定影响。融化期内,融雪水的入渗影响着土壤温度和液态含水率的耦合效果,因此在各个土层处,随着积雪覆盖量的增加,土壤含水率和温度的耦合效果变差。(4)环境因子在冻结期会影响土壤温度和液态含水率的变化趋势,这些因子与土壤液态含水率和温度之间存在着潜意识的耦合关系。通过灰色关联度分析可知,在环境因子中,环境温度、大气净辐射与土壤温度相关性较强,而环境湿度和露点湿度与土壤液态含水率之间的相关度较大。同时在分析环境温度与土壤温度相关性可知,随着土壤土壤深度的增加,二者之间的相关性逐渐的降低,同时,随着积雪覆盖量的增加,二者的相关性也受到一定的影响。同理,土壤液态含水率与环境湿度之间的相关关系与土壤温度和环境温度之间的相关性呈现出相类似的关系。另外,通过筛选出的与土壤温度与环境湿度相关性较高的环境因子与土壤水热构建多元回归函数,通过显著性分析可知,60cm以上土层处的土壤温度和液态含水率与气象因子之间的多元回归性模型显著性较高,而60cm以下土层处的土壤温度和含水率与环境因子之间建立的多元回归模型不显著,相关性较低。同时,在积雪压实和积雪加厚处理中,积雪覆盖量的增加,环境因子对于土壤水热的影响的区域范围也在逐渐的提升,表明积雪的低导热性和强反照率使得环境因子对于土壤水分的影响区域范围有所减弱。综上所述,研究季节性冻融土壤的冻结过程、水热耦合状况以及对于环境因子的响应关系,探索水热动态运移的机理,可以为季节性冻土区春季土壤水热的预测,合理的安排春季作物的播种时间,精确的制定灌溉制度,科学合理的提高农业水土资源的利用效率具有重要的参考意义。
【关键词】：积雪覆盖 冻融土壤 水热传输 环境因素 耦合模型
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S152
【目录】：

• 摘要8-10
• 英文摘要10-13
• 1 引言13-23
• 1.1 立题依据13
• 1.2 研究目的及意义13-16
• 1.2.1 冻融土壤水热动态对生态水环境影响14-15
• 1.2.2 冻融土壤水热动态对农业生产的影响15-16
• 1.3 国内外研究现状16-21
• 1.3.1 冻融土壤物理研究进展16-17
• 1.3.2 冻融土壤元素迁移机理17-18
• 1.3.3 冻融土壤水热对覆被响应18-19
• 1.3.4 冻融土壤水热耦合机制19-21
• 1.4 研究内容与技术路线图21-23
• 1.4.1 研究内容21-22
• 1.4.2 技术路线图22-23
• 2 试验条件与方法23-29
• 2.1 研究区概况23-24
• 2.1.1 自然地理23-24
• 2.1.2 地形地貌24
• 2.1.3 气候条件24
• 2.2 试验设计24-26
• 2.2.1 试验场地布置24-26
• 2.2.2 试验方法26
• 2.3 数据指标测定26-28
• 2.3.1 土壤基本物理指标测定26-27
• 2.3.2 冻融期土壤水分监测27
• 2.3.3 冻融期土壤温度监测27-28
• 2.3.4 冻融期土壤冻深监测28
• 2.3.5 气象数据采集28
• 2.3.6 其他指标测定28
• 2.4 数据分析与处理28-29
• 3 不同积雪覆盖条件下土壤的冻结与融化29-39
• 3.1 冻融土壤的基本特性29-33
• 3.1.1 冻融土壤的水力特征参数30-33
• 3.1.2 冻融土壤水分运动的驱动力33
• 3.2 季节性冻融土壤的冻结与融化33-37
• 3.2.1 土壤冻融的机理34
• 3.2.2 冻融阶段的划分34-35
• 3.2.3 不同积雪覆盖下土壤冻结融化特征35-37
• 3.3 不同积雪覆盖下冻结深度37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 冻融土壤水热耦合机制39-59
• 4.1 冻结期土壤水热互作效应39-48
• 4.1.1 冻结期土壤含水率变异特性39-42
• 4.1.2 冻结期土壤温度变异特性42-45
• 4.1.3 冻结期土壤水热耦合关系45-48
• 4.2 融化期土壤水热互作效应48-58
• 4.2.1 融化期土壤含水率变异特性48-52
• 4.2.2 融化期土壤温度变异特性52-54
• 4.2.3 融化期土壤水热耦合关系54-58
• 4.3 本章小结58-59
• 5 冻融土壤水热迁移及环境的响应59-76
• 5.1 冻融土壤水热的驱动因子筛选59-66
• 5.1.1 驱动模型选取59-60
• 5.1.2 分析计算步骤60
• 5.1.3 选取驱动因子60-61
• 5.1.4 土壤水热变化驱动力分析61-66
• 5.2 土壤水热变化响应函数研究66-75
• 5.2.1 多元回归模型的定义66-67
• 5.2.2 模型假定67-68
• 5.2.3 模型显著性检验68-75
• 5.3 本章小结75-76
• 6 结论与建议76-79
• 6.1 结论76-77
• 6.2 建议77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文84

，

本文编号：1052354