土壤失水干燥的动力学实验研究

第14卷3期应用基础与工程科学学报Vol 14. No. 32006年9月JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERINGtember 2006文章编号:10050930(2006)034033307中图分类号:S152.7文献标识码:A土壤失水干燥的动力学实验研究时新玲,张富仓2,王国栋(1.西北农林科技大学理学院陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌712l00)摘要:对不同质地的土壤失水干燥的动力学过程进行了试验研究.结果表明,不同质地土壤失水干燥过程存在3个阶段:稳定失水阶段、快速失水阶段和土壤干燥阶段;设定干燥温度和土壤的初始含水率对失水干燥速率有较大的影响,设定温度越髙,失水速率越大,土壤由湿变干越快,初始含水量越大,土壤由湿变干的时间越长;在同一的温度和初始含水量条件下,失水干燥速率与土壤质地无关;土壤失水干燥的动力学曲线可用二次多项式进行描述关键词:蒸发;失水速率;土壤质地;动力学曲线土壤水分是农业生产中一个重要因素.土壤水分的多少及其动态变化强烈地影响着植物的生长发育状况.土壤蒸发是土壤水分散失的重要过程,它受许多因素的影响许多年来,们在室内外对土壤蒸发过程进行了大量的研究,也提出了描述土壤蒸发的数学模型,这些研究大都是研究土体中土壤水分的蒸发性能,对于农田土壤水分动态、土壤水分保持以及作物生长有重要作用13.关于土壤本身干燥失水的动力学过程以及数学模型的研究,国内外研究的较少,这种情况主要出现在农田表层表面土壤的干燥失水过程,研究土壤干燥失水的动力学机制,一方面对于农田表层土壤干层的形成过程、土壤的保墒有重要的作用,另一方面,对于合理地了解用烘干法快速测定土壤含水量,确定最优的烘干参数具有重要的理论和实际意义1实验材料及方法供试土壤为两种不同质地的砂壤土和重壤土,砂壤土和重壤土分别采自甘肃古浪县张家湾和西北农林科技大学节水灌溉试验站的耕层土壤(O-20cm),两种土壤经过风干磨细,通过1mm筛供试土壤的基本性质如表1所示实验处理设计为3种不同的土壤含水量,分别为10%、15%和20%,分别放置在用于烘干的电子水分测定天平的样品盘上,实验设定的控制蒸发温度分别为105℃、12091509、180℃和200℃.在烘干过程中,土壤的重量失水量可用电子天平自动读出,最终计算土壤基质干燥失水条件下土壤含水量的动态变化中国煤化工收稿日期:20050427;修订日期:20060802CNMHG基金项目:国家自然科学基金(50579066作者简介:时新玲(1968-),女,副教授在职博土研究生通讯作者张富仓(1962—),男,教授博士生导师应用基础与工程科学学报Vol. 13表1供试土壤的基本性质Table 1 The basic properties of experimental soil各级颗粒/mm含量/%有机质含盐量土壤>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结果与分析2.1土壤蒸发失水的一般规律土壤干燥失水的动力学过程与干燥的温度密切相关图1为砂壤土在设定105℃、120℃、150℃、180℃和200℃条件下温度随时间的的动态变化过程(升温曲线),图1表明,对于不同的设定温度,随着时间的增大,温度逐渐增加,最终达到某一设定的温度.且在时间小于100s,温度随时间的变化与设定的温度无关;当时间大于100s时,不同的设定温度,升温曲线开始产生分离,最终达到各自设定的温度图2为砂壤土土壤含水量随时间的动态变化曲线图.由图2可见,设定温度不同,土壤干燥失水的动力学曲线即土壤含水量随时间变化的动力学曲线是不同的.土壤干燥失水存在3个阶段,前期千燥阶段(小于50s),土壤失水速率较稳定阶段,即稳定干燥阶段;第二阶段为快速失水阶段,该时间间隔与设定温度有关;第三阶段为干燥后期控制阶段,即土壤干燥阶段2401614砂壤土簧10●180细8X200口105X2002300时间/s时间/8图1电子水分测定天平的升温曲线图图2土壤含水量与时间的动态变化曲线图Fig. 1 Temperature Ascend curves of electrieFig 2 Dynamics change curves of soilmoisture balanceMu中国煤化工总的规律表现为:在干燥前期,即时间小于50CNMHG学曲线比较平稳,与设定温度几乎无关,这和图1中的升温曲线是相对应的;当时间大于50s,土壤干燥失水的动力学曲线呈现快速变化,这种变化与土壤的升温曲线呈近乎线性增加有关,即随No. 3时新玲等:土壤失水干燥的动力学实验研究335温度的快速升高,不同设定温度的土壤含水量急速下降,在温度将要到达设定的温度时,土壤含水量随着时间开始缓慢降低;当温度达到设定温度,此时,达到恒温干燥阶段由图1可见,不同的设定温度,到达恒温干燥阶段的时间是不同的,设定温度愈高,到达恒温蒸发阶段的时间愈长,而且到达恒温蒸发阶段时,温度的波动性也愈大当到达恒温蒸发阶段,设定温度越低,土壤含水量越高,蒸发失水越少,最终土壤由湿变干的时间越长2.2不同质地土壤干燥失水的动力学曲线图3为两种不同质地土壤在相同的初始含水量和4种不同的设定温度条件下土壤干燥失水曲线的比较图,结果表明,对于任意的设定温度,两种不同质地土壤的干燥失水的动力学曲线几乎重合,说明在同一设定温度条件下,土壤的干燥失水与质地无关,这与李玉山(1991)和张富仓(1996)的土壤水分蒸发与质地无关的研究结论类似45105℃120℃642●砂壤土●砂壤土重壤土哥长钿口重壤士286420200时间/s时间/s150C180℃●砂壤土●砂壤土口重壤土重壤8哥长6420时间/s图3不同质地土壤干燥失水中国煤化工Fig 3 Comparison of soil dryness dynamicsCNMHG2.3不同初始含水量对土壤干燥蒸发失水的动力学曲线的影响图4为砂壤土在不同初始土壤含水量条件下土壤干燥失水的动力学曲线由图可见,336应用基础与工程科学学报Vol. 13土壤初始含水量对土壤干燥失水的动力学曲线有很大的影响.土壤初始含水量愈大,在某设定温度下的土壤干燥失水的动力学曲线上移,总的表现为:三种初始土壤含水量下土壤干燥失水的动力学曲线表现一致的规律性,也表现为在土壤失水前期,不同设定温度条件下的土壤含水率随时间的变化曲线较为平缓,随着时间的增加,该曲线有快速降低的趋势即快速失水过程,而失水后期曲线变得平缓,即土壤接近干燥阶段.℃150c■10■10%◆15%◆15%时间/s180℃C■10%■10%◆15%▲20%▲20%300时间/s时间/s图4不同初始土壤含水量对土壤干燥失水动力学曲线的影响Fig. 4 Effect of soil initiative moisture on soil dryness dynamics curves24不同设定温度对士壤干燥失水的动力学曲线的影响实验对两种不同质地的砂壤土和重壤土,在相同含水率条件下通过不同设定温度比较土壤干燥失水变化过程图5为同一含水量条件中国煤化工土壤干燥失水的动力学曲线,由图可见,随着设定温度的增加,达CNMHG率越小,达到干燥所需的时间越短砂壤土和重壤土表现出同样的研究结论(图5)No. 3时新玲等:土壤失水干燥的动力学实验研究337120℃△20%e15l50·10%●10%◆15%200℃◆15%▲20%▲20%300时间/s时间/s图5两种不同温度的土壤干燥失水的动力学曲线比较Fig 5 Comparison of soil dryness dynamics curves at different temperature3土壤干燥失水的数学模式为定量分析探讨土壤干燥失水的动力学曲线,我们对不同质地土壤以及不同温度条件下的土壤干燥失水曲线进行了函数拟合.由于土壤干燥失水曲线是一个复杂的曲线,不能找到一个简单的函数来描述该曲线,为此我们采用分段函数拟合.对于2种质地的土壤,土壤干燥失水曲线可分别在小于100s和大于100s时段分段拟合,2种时段的曲线均采用2次多项式Y=at2+bt+c进行拟合,式中;c为当t为0时的土壤含水量(初始含水量),a和b为与曲线变化幅度大小有关的参数,分析结果表明,无论是不同土壤,不同初始含水量以及不同设定温度,所有拟合得到的相关系数都达到0.9,均达到极显著水平表2土壤蒸发失水动力学曲线数学模式的拟合参数Table 2 Fitted parameters of soil dryness dynamics curves(s)温度砂壤土重壤土拟合方程式(y拟合方程式(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中国煤化工20.983CNMHG4结论通过室内土壤干燥失水试验,研究了两种不同质地土壤、不同初始含水量以及不同设338应用基础与工程科学学报Vol. 13定温度条件下土壤干燥失水动力学曲线,得出了如下研究结论:(1)不同条件下的土壤水分千燥过程都有相似的三个阶段表现为,在干燥前期,土壤干燥失水的动力学曲线比较平稳,与设定的温度无多大关系,而后出现土壤干燥失水的动力学曲线呈现快速变化,这种变化与土壤的升温曲线呈近乎线性增加有关;当到达恒温干燥阶段,设定温度越低,土壤含水量越高,即干燥失水越少,最终土壤由湿变干的时间越长;(2)同一干燥温度,两种土壤的干燥失水的动力学曲线几乎没有多大差异,这说明在同一设定温度条件下,质地对土壤的干燥失水关系不大,这与一些学者的研究结论一致;(3)不同初始土壤含水量条件下土壤干燥失水的动力学曲线的研究结果表明,土壤初始含水量对土壤干燥失水的动力学曲线有很大的影响.土壤初始含水量越高,在某一设定温度下的土壤干燥失水的动力学曲线上移,总的表现为三种初始土壤含水量下土壤干燥失水的动力学曲线表现一致的规律性,同样也表现为在干燥初期,不同温度条件下的土壤含水率随时间的变化曲线较为平缓随着时间的增加,该曲线有快速降低的趋势.同含水量条件下,随着设定温度的增加,两种不同温度的土壤干燥失水的动力学曲线表现为土壤含水率越小,达到烘干所需的时间越短;(4)定量分析土壤干燥失水的动力学曲线,可采用两次分段函数拟合.结果表明,不论是不同土壤,不同初始含水量以及不同设定温度,所有拟合得到的相关系数都达到0.9,均达到极显著水平.用2次多项式来预测土壤干燥失水动力学曲线具有较高的精度参考文獻[1]张富仓,张一平,康绍忠.土壤水分运移的能垒分析[J],水土保持研究,1996,3(3):87-92Zhang Fucang, Zhang Yiping Kang Shaozhong. 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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中国煤化工CNMHG