耐冬根系—土壤热湿耦合迁移规律及其对植物抗寒性影响的研究

发布时间：2017-12-20 06:22

  本文关键词：耐冬根系—土壤热湿耦合迁移规律及其对植物抗寒性影响的研究　出处：《青岛科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：植物作为生态系统中天然的温度调节器以及空气净化器,与土壤和大气时刻进行着热质交换,构成SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系统,植物在其中起到植物热管作用。探究根系与土壤内的热湿耦合迁移过程对揭示植物热管内传热传质过程、耐寒植物的抗寒机理以及植物对环境的温度调节和净化作用具有重要作用。选取耐寒植物耐冬为主要研究对象,搭建土壤参数可调的开顶式人工气候生长室,测定耐冬根系及土壤主要物性参数,并实验研究不同土温对根系内温度场及液流速率的影响,在土壤水热耦合运移双场驱动模型基础上,考虑温度对湿分运移的影响,联合改进后的Feddes根系吸水模型以及根系组织传热传质模型,建立根系-土壤系统热湿耦合迁移数学模型。采用图像分割技术建立耐冬根系-土壤系统二维物理模型,利用Hydrus微观有限元方法和格子Boltzmann介观模型方法,数值计算不同工况下耐冬根系-土壤系统内温度场和液流场,分析系统内热湿耦合迁移机理,并从热学响应方向分析其对植物抗寒性的影响。主要结论如下:①耐冬根系密度均小于水的密度,且整体表现为主根密度侧根密度根毛密度,夏季根密度冬季根密度;当耐冬根系含水率恒定时,其比热容和导热系数均在0℃小温差范围内存在突变现象,而水力导度在30℃处达到峰值;②根据BET比表面积及孔隙分析仪所测土壤吸附-脱附等温线,计算得实验用土壤孔隙率为43.18%,属中孔介质;采用烘干法测定土壤含水量,随深度增加土壤含水量降低;土壤比热容和导热系数均随温度升高线性增加;③耐冬根系-土壤系统温度与气温变化趋势相同,但滞后性明显;不同季节影响根温的主要因素不同,夏季根温与土温相关性大,而冬季根温由气温和土温共同控制;根温与土温呈线性函数关系,但不同季节土温对根温的影响程度不同,并非土温越高,根系温升速率越大,与当季根系最适代谢温度有关;④夏季升高土温,根系生理代谢作用旺盛,温度变幅较大,而冬季根系代谢作用微弱,根温变幅较小,即根系生理代谢作用会影响系统温度分布;冬季根温均高于周边土温,验证耐冬在寒冬仍存在生理作用;当根系-土壤温差较小,明显偏离气温时,根系周边土壤随根温变化,验证植物对周边环境具有微调作用;⑤耐冬茎干液流速率与光照强度和气温具有相同日变化规律,但在时间上约滞后1~3h;液流速率受光照强度、气温和土温的综合影响,但不同季节主导因素不同,采用SPSS软件分析不同季节液流速率与光照强度、气温和土温的相关性,夏季液流速率主要受气温影响,而在冬季土壤冻结期和春季土壤解冻期,土温对液流速率起主要控制作用,且液流速率与土温呈“单峰曲线”关系;⑥根系分布特点及吸水特性对土壤床内热湿迁移影响较大,根系吸水使土壤内热湿迁移速度加快,且根系越密集区域,热湿迁移速率越大,而根系中心下端出现滞温区,与根系散状结构及根系分布密度和根系向地性生长性质有关;⑦夏季冷却土壤时,根系高温区位于根系外边缘,此处吸水作用旺盛,呼吸代谢热多;而冬季加热土壤,根系高温区为主根中心区,此处分泌抗寒保护物质较多,根系生理代谢作用使得组织温度分布与传热学理论相违背;⑧不同季节,耐冬根系-土壤系统内温度场和液流场变化趋势相同,但冬季温度梯度及水势梯度均较小;越靠近根系密度较大区域土壤含水量下降越快,且随土温升高,根系吸水速率增加,根系相对含水量达到0.25所用时间逐渐缩短;⑨耐寒植物热物性参数在相变温度处存在突变现象,且耐寒性越强,热物性峰值越大;冬季气温较低情况下,耐寒植物根系温度高于非耐寒植物,且由于液流流动,使得在径向方向上,液流流动区域根系温度明显偏离于周边区域;⑩耐冬根系-土壤系统热湿耦合迁移规律:系统热湿迁移耦合度在0.25~0.5范围内,且冬季热湿迁移耦合度大于夏季耦合度,验证冬季土温对植株茎干液流速率起主要控制作用,热湿迁移耦合度与系统均温呈负相关关系,与茎干液流速率呈正相关关系,且温度越低、液流速率越大,耦合度越高;11耐寒植物抗寒机理:夏季土壤为低温热源,液流方向与温度梯度相反,低温液流降低植物内温度,避免温度过高灼伤植物,冬季土壤为高温热源,高温液流由根系传递至冠层,使植物组织温度维持在较高水平;耐寒植物抗寒性规律总体表现为当系统温度梯度与水势梯度同向时,随温度梯度增大,热湿迁移耦合度降低,主要表现为液流速率增大,植物生理代谢作用旺盛,抗寒性强,当温度梯度与水势梯度反向时,随温度梯度增大,热湿迁移耦合度增大,小幅温度降低即可导致液流速率下降,液流速率随温度梯度增大而减小,耐寒植物抗寒性减弱。通过理论分析、实验研究和数值模拟,对根系-土壤系统热湿耦合迁移进行基础研究,得到了较为理想的结果,对耐寒植物抗寒机理研究和植物生理学发展具有重要理论意义,对于科学培育利于生态环境的抗寒物种也具有重要作用。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q945
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本文编号：1311059