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农业学 干湿交替过程中土壤胀缩特性探析

博今文化 / 2020-09-24

  摘   要: 土壤胀缩现象是指土壤在枯燥、潮湿交替变化过程中所表现出的土壤容积随含水量改动的一种现象。本文就土壤容重测定办法、土壤容积变化表示办法和常用土壤收缩特征曲线模型等方面停止了总结和归结, 为干湿循环条件下土壤的胀缩特征研讨提供参考。

  关键词: 土壤收缩特征; 土壤容重; 土壤容积;

  0、 引言

  湿度及温度循环变化所惹起的胀缩现象是自然界内万物的固有属性, 指湿度或温度降低后的收缩以及湿度温度升高后的收缩, 即湿胀干缩与热胀冷缩特性。农业方面, 土壤在缺水的条件下会产生收缩, 其外表会产生不可逆的宏观变形, 裂隙逐步发育, 土壤的构造与质量会遭到较大影响, 裂隙的产生会为优先流的产生发明条件, 优先流的淋溶作用会使得植物根区的肥料和营养物质会流失, 入渗水流会挟带污染物沿优先途径抵达公开水面, 污染公开水源。

  研讨干湿交替过程中土壤胀缩特性对土壤水分运动理论的完善具有一定的理论研讨意义。

  1、 土壤容重测定办法

  土壤容重是指在自然状态下, 单位体积土壤的干重, 单位为g·cm3。土壤容重主要反映的是土壤松紧水平以及构造情况。随着科学程度的不时进步, 土壤容重的测定办法和手腕也阅历了一系列的开展。传统办法中, 是应用环刀取出土样, 在实验室经过烘干等一系列办法测出土壤容重。这种办法具有简单且容易操作等优点。但是这种办法存在一定的局限性, 若待测试样为松懈体或土样中夹杂了局部砂石, 此时环刀取样测容重的办法则显然不再适用。基于此背景下, 应用石蜡浇注来测定容重的办法被学者提出, 根本思绪是经过凝结的石蜡来替代被移走的土壤, 以石蜡的容积来肯定出待测试样的容重, 这种较为新颖的测试办法同样存在缺乏, 例如操作复杂, 关于过程控制的请求较高。

  祝艳涛等以为能够应用TDR与土钻法相分离来测定土壤容重, 两种办法的分离具有快速、准确、连续测定等优点, 并能测定某一特定土层的含水量, 应用TDR法与土钻法相分离的测试办法能防止毁坏土壤构造, 这种测试办法比拟适用于长期且需求连续监测的环境。吕殿青等为了得到容重与土壤吸力之间的函数关系, 应用了土壤水分特征曲线幂函数模型以及土壤收缩特征线性模型, 依据实验材料对所得到的函数关系停止了检验, 最终提出了三点法, 以此来肯定土壤持水特征测定中土壤容重的变化, 应用三点法所得到的土壤水分特征曲线经检验与实测结果极为吻合, 该办法的精度较高。

  2、 土壤容积变化表示办法

  容积比率是土壤容积变化与水损失容积之比, 在实践研讨中经常被用于预测田间土壤容积的变化。关于土壤容积变化的表示方式, 更为常用的是应用比容积来表示, 比容积与容重之间是互为倒数的关系, 比容积与重量含水量之间的关系被定义为收缩特征曲线。

  Parker等应用线性延展系数为根底计算了自然构造土块的容积变化, 并以此为规范来评价估量土壤容积变化的办法。已有的研讨标明, 粘粒类型比粘粒含量对容积变化的影响更大, 而土壤潜在的容积变化则与土壤中的弹性指标亲密相关。线性延展系数和可能容积变化被普遍应用于田间土壤容积变化的预测中。

  3、 土壤收缩特征曲线模型

  在评价土壤构造质量中, 与土壤含水量有关的容积变化的指标已被普遍运用。为了采用同规范停止比拟, 许多学者提出了土壤收缩特征模型, 其中以三直线模型, Logistic模型, 土壤容积变化的通用方程, KM模型等尤为常用。

  3.1、 三直线模型

  Mgarry提出了三直线模型, 用来描绘土壤收缩特征的变化。其主要思想是将土壤收缩特征曲线分为三个阶段, 即滞留段、正常段和构造段。三直线模型的表达式为:

  在上式中:v表示比容积, 计量单位为cm3·g-1, U表示质量含水量单位为g·g-1, r、n、s分别表示滞留、正常、构造段, 土壤收缩特征曲线的斜率;UA、UB、US分别表示的是滞留拐点 (进气点) 、构造拐点 (收缩极限) 以及饱和点处的质量含水量, α、k、γ是常数, 取经历值。

  在三直线模型中, 每一收缩段都有其本身的数学特性和特定的物理条件, 其数学特性和物理条件之间常常具有分歧性, 所取得的参数均有其物理意义。

  3.2、 土壤容积变化的通用方程

  Giraldez等提出了土壤容积变化的通用方程, 用来描绘土壤容积的变化, 其表达式为:

  在上式中:v表示比容积, vs表示土壤比重的倒数, ρw表示水的密度, θae表示进气点的含水量, θm表示重量含水量。

  为计算烦琐, 上式中水的密度取值为1。这个模型存在缺陷, 只能得到最小值, 而不能得到最大值, 因而准确度较低只能对滞留与正常收缩段的土壤容积变化停止近似描绘。

  3.3、 KM模型

  Kim和Vereecken经过最小二乘法目的函数和Marquarts优化办法相分离提出了KM模型, 该模型是指数与线性相分离的模型。

  在上式中:ρs表示土壤比重, 单位为g/cm3, a'、α'、b'为经历参数。

  KM模型存在一定的缺陷, 没有对构造收缩停止思索剖析, 对正常收缩段的模仿只能用线性函数停止, 对滞留段的描绘则运用指数函数的倒数的方式停止。

  3.4、 Logistic模型

  Nelder提出了Logistic模型, 该模型能近似描绘土壤收缩的根本外形。

  在上式中:a2、b2、c2、d2为经历参数。

  该模型没有较为完善的理论根底为依托, 所选的参数只能经过数据拟合来近似估量, 这些参数没有其特定的物理意义, 其优点在于它契合土壤收缩的外形, 即“S”形。

  Mcgarry对常用的模型停止了比拟, 包括三直线模型、土壤容积变化的通用方程和Logistic模型, 对模型中呈现的重要参数作了较为细致的阐明, 其结论为:通用方程没有最大值, 对构造收缩区域不再适用, 对整个收缩过程不能停止精确精准的描绘。Logistic缺乏完善的理论根底支撑, 其所触及的参数的物理意义不明白。三直线模型是较为适用的模型, 该模型能较为完好的描绘土壤收缩过程中的三个收缩区域, 模型中所触及的各项参数都有其本身明白的物理意义。

  黄传琴等在实验的根底上对四种土壤胀缩过程中土壤容积与含水量的关系及土壤的胀缩特征停止了详尽的研讨剖析, 其研讨结果标明, 三直线模型关于四种土壤的收缩、收缩过程能停止精确的模仿。

  4、 结语

  目前, 已有大量国内外学者对土壤胀缩方面停止了研讨, 土壤的胀缩现象存在其一定的时间和空间变化规律, 这需求我们停止不时的探究发现。国内外相关学者对土壤容积变化的表示办法、土壤干裂特征、变性土土壤水运动机理、土壤的收缩特征曲线以及影响土壤收缩的相关要素等方面已停止了相当的研讨。而在今后的研讨中, 将土壤的收缩特征与土壤水力特征相分离, 并以此来研讨土壤水分运动是研讨的一个重要方向, 以此研讨为更高效天时用水分和避免公开污染提供愈加真实牢靠的科学根据。