土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究

第14卷3期應用基礎與工程科學(xué)學(xué)報Vol 14. No. 32006年9月JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERINGtember 2006文章編號:10050930(2006)034033307中圖分類(lèi)號:S152.7文獻標識碼:A土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究時(shí)新玲,張富倉2,王國棟(1.西北農林科技大學(xué)理學(xué)院陜西楊凌712100;2.西北農林科技大學(xué)旱區農業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,陜西楊凌712l00)摘要:對不同質(zhì)地的土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了試驗研究.結果表明,不同質(zhì)地土壤失水干燥過(guò)程存在3個(gè)階段:穩定失水階段、快速失水階段和土壤干燥階段;設定干燥溫度和土壤的初始含水率對失水干燥速率有較大的影響,設定溫度越髙,失水速率越大,土壤由濕變干越快,初始含水量越大,土壤由濕變干的時(shí)間越長(cháng);在同一的溫度和初始含水量條件下,失水干燥速率與土壤質(zhì)地無(wú)關(guān);土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)可用二次多項式進(jìn)行描述關(guān)鍵詞:蒸發(fā);失水速率;土壤質(zhì)地;動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)土壤水分是農業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要因素.土壤水分的多少及其動(dòng)態(tài)變化強烈地影響著(zhù)植物的生長(cháng)發(fā)育狀況.土壤蒸發(fā)是土壤水分散失的重要過(guò)程,它受許多因素的影響許多年來(lái),們在室內外對土壤蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了大量的研究,也提出了描述土壤蒸發(fā)的數學(xué)模型,這些研究大都是研究土體中土壤水分的蒸發(fā)性能,對于農田土壤水分動(dòng)態(tài)、土壤水分保持以及作物生長(cháng)有重要作用13.關(guān)于土壤本身干燥失水的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及數學(xué)模型的研究,國內外研究的較少,這種情況主要出現在農田表層表面土壤的干燥失水過(guò)程,研究土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)機制,一方面對于農田表層土壤干層的形成過(guò)程、土壤的保墑?dòng)兄匾淖饔?另一方面,對于合理地了解用烘干法快速測定土壤含水量,確定最優(yōu)的烘干參數具有重要的理論和實(shí)際意義1實(shí)驗材料及方法供試土壤為兩種不同質(zhì)地的砂壤土和重壤土,砂壤土和重壤土分別采自甘肅古浪縣張家灣和西北農林科技大學(xué)節水灌溉試驗站的耕層土壤(O-20cm),兩種土壤經(jīng)過(guò)風(fēng)干磨細,通過(guò)1mm篩供試土壤的基本性質(zhì)如表1所示實(shí)驗處理設計為3種不同的土壤含水量,分別為10%、15%和20%,分別放置在用于烘干的電子水分測定天平的樣品盤(pán)上,實(shí)驗設定的控制蒸發(fā)溫度分別為105℃、12091509、180℃和200℃.在烘干過(guò)程中,土壤的重量失水量可用電子天平自動(dòng)讀出,最終計算土壤基質(zhì)干燥失水條件下土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化中國煤化工收稿日期:20050427;修訂日期:20060802CNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金(50579066作者簡(jiǎn)介:時(shí)新玲(1968-),女,副教授在職博土研究生通訊作者張富倉(1962—),男,教授博士生導師應用基礎與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13表1供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 The basic properties of experimental soil各級顆粒/mm含量/%有機質(zhì)含鹽量土壤>1.0000.200-0.050-0.020—0.010-0.005—<砂壤土5.重壤土0.500.498.134111.397259.1021.98.0111838.622結果與分析2.1土壤蒸發(fā)失水的一般規律土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)過(guò)程與干燥的溫度密切相關(guān)圖1為砂壤土在設定105℃、120℃、150℃、180℃和200℃條件下溫度隨時(shí)間的的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程(升溫曲線(xiàn)),圖1表明,對于不同的設定溫度,隨著(zhù)時(shí)間的增大,溫度逐漸增加,最終達到某一設定的溫度.且在時(shí)間小于100s,溫度隨時(shí)間的變化與設定的溫度無(wú)關(guān);當時(shí)間大于100s時(shí),不同的設定溫度,升溫曲線(xiàn)開(kāi)始產(chǎn)生分離,最終達到各自設定的溫度圖2為砂壤土土壤含水量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)圖.由圖2可見(jiàn),設定溫度不同,土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)即土壤含水量隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)是不同的.土壤干燥失水存在3個(gè)階段,前期千燥階段(小于50s),土壤失水速率較穩定階段,即穩定干燥階段;第二階段為快速失水階段,該時(shí)間間隔與設定溫度有關(guān);第三階段為干燥后期控制階段,即土壤干燥階段2401614砂壤土簧10●180細8X200口105X2002300時(shí)間/s時(shí)間/8圖1電子水分測定天平的升溫曲線(xiàn)圖圖2土壤含水量與時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)圖Fig. 1 Temperature Ascend curves of electrieFig 2 Dynamics change curves of soilmoisture balanceMu中國煤化工總的規律表現為:在干燥前期,即時(shí)間小于50CNMHG學(xué)曲線(xiàn)比較平穩,與設定溫度幾乎無(wú)關(guān),這和圖1中的升溫曲線(xiàn)是相對應的;當時(shí)間大于50s,土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈現快速變化,這種變化與土壤的升溫曲線(xiàn)呈近乎線(xiàn)性增加有關(guān),即隨No. 3時(shí)新玲等:土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究335溫度的快速升高,不同設定溫度的土壤含水量急速下降,在溫度將要到達設定的溫度時(shí),土壤含水量隨著(zhù)時(shí)間開(kāi)始緩慢降低;當溫度達到設定溫度,此時(shí),達到恒溫干燥階段由圖1可見(jiàn),不同的設定溫度,到達恒溫干燥階段的時(shí)間是不同的,設定溫度愈高,到達恒溫蒸發(fā)階段的時(shí)間愈長(cháng),而且到達恒溫蒸發(fā)階段時(shí),溫度的波動(dòng)性也愈大當到達恒溫蒸發(fā)階段,設定溫度越低,土壤含水量越高,蒸發(fā)失水越少,最終土壤由濕變干的時(shí)間越長(cháng)2.2不同質(zhì)地土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖3為兩種不同質(zhì)地土壤在相同的初始含水量和4種不同的設定溫度條件下土壤干燥失水曲線(xiàn)的比較圖,結果表明,對于任意的設定溫度,兩種不同質(zhì)地土壤的干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)幾乎重合,說(shuō)明在同一設定溫度條件下,土壤的干燥失水與質(zhì)地無(wú)關(guān),這與李玉山(1991)和張富倉(1996)的土壤水分蒸發(fā)與質(zhì)地無(wú)關(guān)的研究結論類(lèi)似45105℃120℃642●砂壤土●砂壤土重壤土哥長(cháng)鈿口重壤士286420200時(shí)間/s時(shí)間/s150C180℃●砂壤土●砂壤土口重壤土重壤8哥長(cháng)6420時(shí)間/s圖3不同質(zhì)地土壤干燥失水中國煤化工Fig 3 Comparison of soil dryness dynamicsCNMHG2.3不同初始含水量對土壤干燥蒸發(fā)失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的影響圖4為砂壤土在不同初始土壤含水量條件下土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)由圖可見(jiàn),336應用基礎與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13土壤初始含水量對土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)有很大的影響.土壤初始含水量愈大,在某設定溫度下的土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)上移,總的表現為:三種初始土壤含水量下土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)表現一致的規律性,也表現為在土壤失水前期,不同設定溫度條件下的土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)較為平緩,隨著(zhù)時(shí)間的增加,該曲線(xiàn)有快速降低的趨勢即快速失水過(guò)程,而失水后期曲線(xiàn)變得平緩,即土壤接近干燥階段.℃150c■10■10%◆15%◆15%時(shí)間/s180℃C■10%■10%◆15%▲20%▲20%300時(shí)間/s時(shí)間/s圖4不同初始土壤含水量對土壤干燥失水動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的影響Fig. 4 Effect of soil initiative moisture on soil dryness dynamics curves24不同設定溫度對士壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的影響實(shí)驗對兩種不同質(zhì)地的砂壤土和重壤土,在相同含水率條件下通過(guò)不同設定溫度比較土壤干燥失水變化過(guò)程圖5為同一含水量條件中國煤化工土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn),由圖可見(jiàn),隨著(zhù)設定溫度的增加,達CNMHG率越小,達到干燥所需的時(shí)間越短砂壤土和重壤土表現出同樣的研究結論(圖5)No. 3時(shí)新玲等:土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究337120℃△20%e15l50·10%●10%◆15%200℃◆15%▲20%▲20%300時(shí)間/s時(shí)間/s圖5兩種不同溫度的土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)比較Fig 5 Comparison of soil dryness dynamics curves at different temperature3土壤干燥失水的數學(xué)模式為定量分析探討土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn),我們對不同質(zhì)地土壤以及不同溫度條件下的土壤干燥失水曲線(xiàn)進(jìn)行了函數擬合.由于土壤干燥失水曲線(xiàn)是一個(gè)復雜的曲線(xiàn),不能找到一個(gè)簡(jiǎn)單的函數來(lái)描述該曲線(xiàn),為此我們采用分段函數擬合.對于2種質(zhì)地的土壤,土壤干燥失水曲線(xiàn)可分別在小于100s和大于100s時(shí)段分段擬合,2種時(shí)段的曲線(xiàn)均采用2次多項式Y=at2+bt+c進(jìn)行擬合,式中;c為當t為0時(shí)的土壤含水量(初始含水量),a和b為與曲線(xiàn)變化幅度大小有關(guān)的參數,分析結果表明,無(wú)論是不同土壤,不同初始含水量以及不同設定溫度,所有擬合得到的相關(guān)系數都達到0.9,均達到極顯著(zhù)水平表2土壤蒸發(fā)失水動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)數學(xué)模式的擬合參數Table 2 Fitted parameters of soil dryness dynamics curves(s)溫度砂壤土重壤土擬合方程式(y擬合方程式(y=)R2105-0.0005x2+0.0182x+10.5710.9852-0.0006x2+0.0216x+12.1550.99420.0006x2+0.0233x+10.3630.99250.0007x2+0.0262x+12.1030.99190-100s0.0008x2+0.0348x+10.5790.98560.0009x2+0.0259x+12.5790.99510.000x2+0.0373x+9.74750.98670.0011x2+0.048x+12.3450.9863200-0.0007x2+0.0317x+8.52490.9893001x2+0.0431x+12.0990.983511050.0001x2-0.0857x+14.2670.99960.0001x2-0.0904x+16.4290.99931200.0002x2-0.113x+15.5440.99960.0002x2-0.1279x+179980.9995>100s1500.0003x2-0.132x+15.9480.96330.0001x2-0.0899x+16.4130.99970.0008x2-0.2827x+24.650.991000x2-0.3237x+29.2610.9863000.0007x2-0.2489x+21.2070.9329中國煤化工20.983CNMHG4結論通過(guò)室內土壤干燥失水試驗,研究了兩種不同質(zhì)地土壤、不同初始含水量以及不同設338應用基礎與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13定溫度條件下土壤干燥失水動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn),得出了如下研究結論:(1)不同條件下的土壤水分千燥過(guò)程都有相似的三個(gè)階段表現為,在干燥前期,土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)比較平穩,與設定的溫度無(wú)多大關(guān)系,而后出現土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)呈現快速變化,這種變化與土壤的升溫曲線(xiàn)呈近乎線(xiàn)性增加有關(guān);當到達恒溫干燥階段,設定溫度越低,土壤含水量越高,即干燥失水越少,最終土壤由濕變干的時(shí)間越長(cháng);(2)同一干燥溫度,兩種土壤的干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有多大差異,這說(shuō)明在同一設定溫度條件下,質(zhì)地對土壤的干燥失水關(guān)系不大,這與一些學(xué)者的研究結論一致;(3)不同初始土壤含水量條件下土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的研究結果表明,土壤初始含水量對土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)有很大的影響.土壤初始含水量越高,在某一設定溫度下的土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)上移,總的表現為三種初始土壤含水量下土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)表現一致的規律性,同樣也表現為在干燥初期,不同溫度條件下的土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)較為平緩隨著(zhù)時(shí)間的增加,該曲線(xiàn)有快速降低的趨勢.同含水量條件下,隨著(zhù)設定溫度的增加,兩種不同溫度的土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)表現為土壤含水率越小,達到烘干所需的時(shí)間越短;(4)定量分析土壤干燥失水的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn),可采用兩次分段函數擬合.結果表明,不論是不同土壤,不同初始含水量以及不同設定溫度,所有擬合得到的相關(guān)系數都達到0.9,均達到極顯著(zhù)水平.用2次多項式來(lái)預測土壤干燥失水動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)具有較高的精度參考文獻[1]張富倉,張一平,康紹忠.土壤水分運移的能壘分析[J],水土保持研究,1996,3(3):87-92Zhang 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Transactions of theCSAE,1999,15(2):74-78中國煤化工CNMHGNo. 3時(shí)新玲等:土壤失水干燥的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究339An Experimental Study of Soil Dryness Dynamics ProcessSHI Xinling, ZHANG Fucang, WANG Guodong(1. The College of Science, Northwest A F University, Yangling 712100, China; 2. Key Lab of Agricultural Soil andWater Engineering in Arid and Semiarid Areas, Northwest A F University, Yangling 712100, China)AbstractSoil dryness dynamic process was investigated in different soil texture by the method ofheating and weight with the electric moisture balance. The results showed as follows: There werethree stages in soil dryness process that is stable dryness stage, soil moisture quick decreasestage and soil dryness stage. There were obvious effect of set dryness temperature and soilinitiative moisture on soil dryness rate, the rate of soil dryness increase with increase of heatedtemperature, there was long time for soil dryness with increase of soil initial moisture. There wasno obvious relation with soil dryness rate and soil texture Soil dryness dydescribed by parabola equationsKeywords: evaporation; dryness rate; soil texture; dynamicscurves中國煤化工CNMHG