發(fā)布時間：2017-10-18 02:13

  本文關(guān)鍵詞：凍融土壤水熱互作機理及環(huán)境響應(yīng)研究

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【摘要】：積雪覆蓋是松嫩平原黑土地區(qū)最為普遍和最為常見的凍融土壤邊界形式條件,土壤的凍結(jié)與融化過程必將會引起土壤的液態(tài)含水率及熱量的動態(tài)遷移變化。本文在查閱國內(nèi)外有關(guān)文獻的基礎(chǔ)之上,采取連續(xù)動態(tài)觀測以及定點定量測量的方法,對凍融期土壤的溫度和液態(tài)含水率變化過程進行了量取。分析并研究了松嫩平原腹地地區(qū)在裸地處理、自然降雪、積雪壓實和積雪加厚覆蓋處理條件下土壤的凍結(jié)過程、土壤水熱耦合、土壤水熱遷移環(huán)境響應(yīng)因子和土壤水熱響應(yīng)函數(shù)。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)凍融期內(nèi),土壤表現(xiàn)出單向凍結(jié)和雙向融化的現(xiàn)象,在凍融過程中根據(jù)凍結(jié)速率的大小,將其劃分為三個階段,即快速凍結(jié)期、穩(wěn)定凍結(jié)期和融化期。土壤的凍結(jié)過程及最大凍深受土壤上邊界條件的影響,隨著積雪覆蓋厚度的增加以及密度的增大,土壤的最大凍結(jié)深度呈現(xiàn)出逐漸降低的現(xiàn)象。同時,積雪的覆蓋影響著土壤系統(tǒng)的熱量吸收和釋放狀況,使得不同覆蓋處理地塊中土壤各個土層的凍結(jié)起使日期出現(xiàn)差異,隨著積雪覆蓋量的增加,土壤凍結(jié)日期的延時現(xiàn)象越發(fā)明顯,在10cm土層處,3種不同積雪覆蓋處理條件下凍結(jié)土壤初始的凍結(jié)時間分別相對于裸地處理延時2、3、8d,同時,融化期內(nèi)各個土層的土壤融化時間也分別相對于裸地處理出現(xiàn)一定的延時現(xiàn)象,表明積雪的覆蓋對于土壤與環(huán)境之間的水熱傳遞與能量交換存在一定的阻礙作用。(2)季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi),凍結(jié)期,土壤溫度和液態(tài)含水率從會出現(xiàn)減低的現(xiàn)象,而融化期,隨著環(huán)境溫度的升高,土壤中固態(tài)冰會發(fā)生相變轉(zhuǎn)換,溫度和液態(tài)含水率都會出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。同時,土壤的溫度和液態(tài)含水率在土壤中的空間分布也存在著異同,隨著凍層的形成和發(fā)展,土壤中溫度和液態(tài)含水率在土壤空間中會出現(xiàn)重分布的現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為表層土壤的溫度變化幅度大于下層,隨著深度的增加變幅逐漸變小,另外,隨著積雪覆蓋厚度的增加和密度的增大,相同土層處的土壤溫度和液態(tài)含水率的變化幅度相對降低。(3)在土壤內(nèi)部水熱傳輸?shù)倪^程中,土壤溫度變異導(dǎo)致溫度梯度的產(chǎn)生,在該驅(qū)動力的作用下,土壤液態(tài)含水率會發(fā)生一定的遷移現(xiàn)象,同時,土壤溫度的改變會促使土壤水分發(fā)生一定的相變,另外,土壤水分的變化也會在一定程度上影響著土壤熱量的分布。因此,在季節(jié)性凍土區(qū),土壤中的溫度和液態(tài)含水率存在相互影響、相互制約的互作關(guān)系。凍結(jié)期,裸地處理條件下表層土壤溫度和液態(tài)含水率的耦合關(guān)系較好,模型精度較高,同時隨著積雪覆蓋厚度的早呢更加和密度的增大,土壤中水熱遷移狀況受外界環(huán)境的影響較低,在自然降雪、積雪壓實和積雪加厚覆蓋處理條件下的土壤水熱耦合關(guān)系逐漸升高。隨著土層深度的增加,二者的耦合關(guān)系逐漸的增強,但是在60cm土層處,由于該層次距離土壤凍結(jié)鋒面較近,土壤的耦合效果受到一定影響。融化期內(nèi),融雪水的入滲影響著土壤溫度和液態(tài)含水率的耦合效果,因此在各個土層處,隨著積雪覆蓋量的增加,土壤含水率和溫度的耦合效果變差。(4)環(huán)境因子在凍結(jié)期會影響土壤溫度和液態(tài)含水率的變化趨勢,這些因子與土壤液態(tài)含水率和溫度之間存在著潛意識的耦合關(guān)系。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析可知,在環(huán)境因子中,環(huán)境溫度、大氣凈輻射與土壤溫度相關(guān)性較強,而環(huán)境濕度和露點濕度與土壤液態(tài)含水率之間的相關(guān)度較大。同時在分析環(huán)境溫度與土壤溫度相關(guān)性可知,隨著土壤土壤深度的增加,二者之間的相關(guān)性逐漸的降低,同時,隨著積雪覆蓋量的增加,二者的相關(guān)性也受到一定的影響。同理,土壤液態(tài)含水率與環(huán)境濕度之間的相關(guān)關(guān)系與土壤溫度和環(huán)境溫度之間的相關(guān)性呈現(xiàn)出相類似的關(guān)系。另外,通過篩選出的與土壤溫度與環(huán)境濕度相關(guān)性較高的環(huán)境因子與土壤水熱構(gòu)建多元回歸函數(shù),通過顯著性分析可知,60cm以上土層處的土壤溫度和液態(tài)含水率與氣象因子之間的多元回歸性模型顯著性較高,而60cm以下土層處的土壤溫度和含水率與環(huán)境因子之間建立的多元回歸模型不顯著,相關(guān)性較低。同時,在積雪壓實和積雪加厚處理中,積雪覆蓋量的增加,環(huán)境因子對于土壤水熱的影響的區(qū)域范圍也在逐漸的提升,表明積雪的低導(dǎo)熱性和強反照率使得環(huán)境因子對于土壤水分的影響區(qū)域范圍有所減弱。綜上所述,研究季節(jié)性凍融土壤的凍結(jié)過程、水熱耦合狀況以及對于環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系,探索水熱動態(tài)運移的機理,可以為季節(jié)性凍土區(qū)春季土壤水熱的預(yù)測,合理的安排春季作物的播種時間,精確的制定灌溉制度,科學(xué)合理的提高農(nóng)業(yè)水土資源的利用效率具有重要的參考意義。
【關(guān)鍵詞】：積雪覆蓋 凍融土壤 水熱傳輸 環(huán)境因素 耦合模型
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S152
【目錄】：

• 摘要8-10
• 英文摘要10-13
• 1 引言13-23
• 1.1 立題依據(jù)13
• 1.2 研究目的及意義13-16
• 1.2.1 凍融土壤水熱動態(tài)對生態(tài)水環(huán)境影響14-15
• 1.2.2 凍融土壤水熱動態(tài)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響15-16
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-21
• 1.3.1 凍融土壤物理研究進展16-17
• 1.3.2 凍融土壤元素遷移機理17-18
• 1.3.3 凍融土壤水熱對覆被響應(yīng)18-19
• 1.3.4 凍融土壤水熱耦合機制19-21
• 1.4 研究內(nèi)容與技術(shù)路線圖21-23
• 1.4.1 研究內(nèi)容21-22
• 1.4.2 技術(shù)路線圖22-23
• 2 試驗條件與方法23-29
• 2.1 研究區(qū)概況23-24
• 2.1.1 自然地理23-24
• 2.1.2 地形地貌24
• 2.1.3 氣候條件24
• 2.2 試驗設(shè)計24-26
• 2.2.1 試驗場地布置24-26
• 2.2.2 試驗方法26
• 2.3 數(shù)據(jù)指標測定26-28
• 2.3.1 土壤基本物理指標測定26-27
• 2.3.2 凍融期土壤水分監(jiān)測27
• 2.3.3 凍融期土壤溫度監(jiān)測27-28
• 2.3.4 凍融期土壤凍深監(jiān)測28
• 2.3.5 氣象數(shù)據(jù)采集28
• 2.3.6 其他指標測定28
• 2.4 數(shù)據(jù)分析與處理28-29
• 3 不同積雪覆蓋條件下土壤的凍結(jié)與融化29-39
• 3.1 凍融土壤的基本特性29-33
• 3.1.1 凍融土壤的水力特征參數(shù)30-33
• 3.1.2 凍融土壤水分運動的驅(qū)動力33
• 3.2 季節(jié)性凍融土壤的凍結(jié)與融化33-37
• 3.2.1 土壤凍融的機理34
• 3.2.2 凍融階段的劃分34-35
• 3.2.3 不同積雪覆蓋下土壤凍結(jié)融化特征35-37
• 3.3 不同積雪覆蓋下凍結(jié)深度37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 4 凍融土壤水熱耦合機制39-59
• 4.1 凍結(jié)期土壤水熱互作效應(yīng)39-48
• 4.1.1 凍結(jié)期土壤含水率變異特性39-42
• 4.1.2 凍結(jié)期土壤溫度變異特性42-45
• 4.1.3 凍結(jié)期土壤水熱耦合關(guān)系45-48
• 4.2 融化期土壤水熱互作效應(yīng)48-58
• 4.2.1 融化期土壤含水率變異特性48-52
• 4.2.2 融化期土壤溫度變異特性52-54
• 4.2.3 融化期土壤水熱耦合關(guān)系54-58
• 4.3 本章小結(jié)58-59
• 5 凍融土壤水熱遷移及環(huán)境的響應(yīng)59-76
• 5.1 凍融土壤水熱的驅(qū)動因子篩選59-66
• 5.1.1 驅(qū)動模型選取59-60
• 5.1.2 分析計算步驟60
• 5.1.3 選取驅(qū)動因子60-61
• 5.1.4 土壤水熱變化驅(qū)動力分析61-66
• 5.2 土壤水熱變化響應(yīng)函數(shù)研究66-75
• 5.2.1 多元回歸模型的定義66-67
• 5.2.2 模型假定67-68
• 5.2.3 模型顯著性檢驗68-75
• 5.3 本章小結(jié)75-76
• 6 結(jié)論與建議76-79
• 6.1 結(jié)論76-77
• 6.2 建議77-79
• 致謝79-80
• 參考文獻80-84
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文84

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本文編號：1052354