温度对土壤水力学参数及水分运移和保持的影响

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温度是影响土壤水分运移和保持的重要因素之一,本文在现有的关于土壤水分温度效应和土壤水热相互作用等相关研究的基础上,深入探究了温度变化对土壤水力学参数及水分运移的影响,分析其影响因子和机理,并对自然条件下的土壤水热变化进行了探讨。以我国不同类型土壤特别是粘性红壤为研究对象,采用室内模拟分析的方法量化温度对不同类型土壤水力学参数的影响:针对传统STVF理论的不足,着重从土壤结构和孔隙角度揭示温度对土壤水分运移和保持的影响机理;根据野外定位监测数据,探讨不同处理方式的原状红壤旱地由温度变化引起的水热变化特征及水热相互作用。研究结果表明:(1)温度对土壤饱和导水率的影响较为显著,但对不同类型土壤的影响差异很大,部分土壤的饱和导水率随着温度上升而上升,饱和导水率(Ks)和温度(T)的关系大致可以按幂函数关系拟合;部分土壤的饱和导水率随温度上升呈现先升高后下降的趋势。砂性轻质土壤的温度效应较粘重土壤更为显著。(2)随着温度上升,土壤水分特征曲线下移且变得平缓,含水率相同时,随着温度上升,土水势增大,土壤水吸力降低,相同条件下土壤的持水能力减弱。使用Van Genuehten模型可以较好地拟合中低温度下或中高含水量阶段的土壤水分特征曲线。土壤水势温度效应TW随土壤含水率的减小而增大,且在低温区的影响更为显著。在低含水量阶段,土壤水势的温度效应TW与含水量θV的关系大致可以用幂函数拟合。(3)质地较轻土壤的水分运移和保持的温度效应可以用STVF理论解释,对于砂性轻质土壤,温度变化对土壤水分的表面张力和粘滞系数的影响决定了其温度效应;而质地较为粘重的土壤则不能仅仅关注温度变化对水分性质产生的影响,有必要考虑温度引起土壤内部结构性质的变化对温度效应的影响。温度上升使土壤基质发生热膨胀,土壤热膨胀的程度主要取决于土壤的质地、黏粒矿物的类型、有机质的含量等,土壤热膨胀性与土壤粘粒含量呈强正相关性。土壤基质的热膨胀会改变土壤内部结构和孔隙分布,温度上升所造成的土壤孔隙结构变化不仅使得土壤内部总孔隙度减小,还会改变土壤当量孔径级配,而且对土壤大孔隙产生的影响尤其巨大,使得土壤大孔隙的孔径范围明显减小,大孔隙体积占总孔隙体积之比下降,而对中小孔隙影响程度不明显。温度影响土壤水分运移和保持的机理十分复杂,温度变化可以从以下几个方面对此产生影响:一,温度变化通过影响土壤水分性质而产生作用,包括对土壤水的表面张力、粘滞系数及密度的影响;二,温度影响土壤内部结构,温度变化会引起土壤基质部分颗粒的粒径发生变化,使土壤发生热膨胀,改变土壤的结构和孔隙度;此外,在土壤温度变化过程中,土壤水分性质的变化与土壤结构性质的变化之间也会相互作用、影响,事实上,这两种影响机制是同时存在且相互制约的。(4)在长周期温度波动(年内)条件下,红壤旱地各层土壤温度的整体变化趋势与气温基本一致。土壤温度年内变化幅度随深度增加而减小,且土壤温度的变化周期与大气温度相比存在一定的滞后期。土壤水分含量在长周期内变化状况较为复杂,主要受到不同时期气温及降水的影响而呈现出较大的起伏,总体上土壤水分主要受到降水的影响,土壤含水量与水势的变化均与降水量大小呈明显的正相关关系,除了 70 cm 土层,各层土壤温度与土壤水分之间呈现显著负相关关系,且相关性随土壤深度的增加表现出先增大再减小又增大的趋势。在短周期温度波动(日内)条件下,5、10 cm 土层土壤温度与土壤水分呈显著的正相关关系,相关性随土壤深度增加而减小,5 cm 土层土壤温度与土壤水势呈弱相关性。10 cm以下土层土壤水分与土壤温度无明显的相关性。(5)当缺少外来水分补给时,红壤旱地表层土壤含水量的变化主要与地温的日变化相关,土壤温度梯度的存在使得土壤水分产生垂直方向上的热运动,非饱和土壤中的水分会从低吸力处流向高吸力处,即从高温端流向低温端,从而影响土壤水分在垂直方向上的分布。(6)外来水分输入(降水)对于土壤水分变化影响显著,主要影响表现为各土层含水量对降水均有一定程度的响应,表层土壤含水量和水势随降水的出现迅速上升,增速随土层深度增加递减。降水量与10 cm以下土层的土壤温度有正相关关系,相关性先增大后减小。
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