本文關(guān)鍵詞：耐冬根系—土壤熱濕耦合遷移規(guī)律及其對(duì)植物抗寒性影響的研究　出處：《青島科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：植物作為生態(tài)系統(tǒng)中天然的溫度調(diào)節(jié)器以及空氣凈化器,與土壤和大氣時(shí)刻進(jìn)行著熱質(zhì)交換,構(gòu)成SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)系統(tǒng),植物在其中起到植物熱管作用。探究根系與土壤內(nèi)的熱濕耦合遷移過(guò)程對(duì)揭示植物熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程、耐寒植物的抗寒機(jī)理以及植物對(duì)環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)和凈化作用具有重要作用。選取耐寒植物耐冬為主要研究對(duì)象,搭建土壤參數(shù)可調(diào)的開(kāi)頂式人工氣候生長(zhǎng)室,測(cè)定耐冬根系及土壤主要物性參數(shù),并實(shí)驗(yàn)研究不同土溫對(duì)根系內(nèi)溫度場(chǎng)及液流速率的影響,在土壤水熱耦合運(yùn)移雙場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模型基礎(chǔ)上,考慮溫度對(duì)濕分運(yùn)移的影響,聯(lián)合改進(jìn)后的Feddes根系吸水模型以及根系組織傳熱傳質(zhì)模型,建立根系-土壤系統(tǒng)熱濕耦合遷移數(shù)學(xué)模型。采用圖像分割技術(shù)建立耐冬根系-土壤系統(tǒng)二維物理模型,利用Hydrus微觀有限元方法和格子Boltzmann介觀模型方法,數(shù)值計(jì)算不同工況下耐冬根系-土壤系統(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)和液流場(chǎng),分析系統(tǒng)內(nèi)熱濕耦合遷移機(jī)理,并從熱學(xué)響應(yīng)方向分析其對(duì)植物抗寒性的影響。主要結(jié)論如下:①耐冬根系密度均小于水的密度,且整體表現(xiàn)為主根密度側(cè)根密度根毛密度,夏季根密度冬季根密度;當(dāng)耐冬根系含水率恒定時(shí),其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均在0℃小溫差范圍內(nèi)存在突變現(xiàn)象,而水力導(dǎo)度在30℃處達(dá)到峰值;②根據(jù)BET比表面積及孔隙分析儀所測(cè)土壤吸附-脫附等溫線,計(jì)算得實(shí)驗(yàn)用土壤孔隙率為43.18%,屬中孔介質(zhì);采用烘干法測(cè)定土壤含水量,隨深度增加土壤含水量降低;土壤比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度升高線性增加;③耐冬根系-土壤系統(tǒng)溫度與氣溫變化趨勢(shì)相同,但滯后性明顯;不同季節(jié)影響根溫的主要因素不同,夏季根溫與土溫相關(guān)性大,而冬季根溫由氣溫和土溫共同控制;根溫與土溫呈線性函數(shù)關(guān)系,但不同季節(jié)土溫對(duì)根溫的影響程度不同,并非土溫越高,根系溫升速率越大,與當(dāng)季根系最適代謝溫度有關(guān);④夏季升高土溫,根系生理代謝作用旺盛,溫度變幅較大,而冬季根系代謝作用微弱,根溫變幅較小,即根系生理代謝作用會(huì)影響系統(tǒng)溫度分布;冬季根溫均高于周邊土溫,驗(yàn)證耐冬在寒冬仍存在生理作用;當(dāng)根系-土壤溫差較小,明顯偏離氣溫時(shí),根系周邊土壤隨根溫變化,驗(yàn)證植物對(duì)周邊環(huán)境具有微調(diào)作用;⑤耐冬莖干液流速率與光照強(qiáng)度和氣溫具有相同日變化規(guī)律,但在時(shí)間上約滯后1~3h;液流速率受光照強(qiáng)度、氣溫和土溫的綜合影響,但不同季節(jié)主導(dǎo)因素不同,采用SPSS軟件分析不同季節(jié)液流速率與光照強(qiáng)度、氣溫和土溫的相關(guān)性,夏季液流速率主要受氣溫影響,而在冬季土壤凍結(jié)期和春季土壤解凍期,土溫對(duì)液流速率起主要控制作用,且液流速率與土溫呈“單峰曲線”關(guān)系;⑥根系分布特點(diǎn)及吸水特性對(duì)土壤床內(nèi)熱濕遷移影響較大,根系吸水使土壤內(nèi)熱濕遷移速度加快,且根系越密集區(qū)域,熱濕遷移速率越大,而根系中心下端出現(xiàn)滯溫區(qū),與根系散狀結(jié)構(gòu)及根系分布密度和根系向地性生長(zhǎng)性質(zhì)有關(guān);⑦夏季冷卻土壤時(shí),根系高溫區(qū)位于根系外邊緣,此處吸水作用旺盛,呼吸代謝熱多;而冬季加熱土壤,根系高溫區(qū)為主根中心區(qū),此處分泌抗寒保護(hù)物質(zhì)較多,根系生理代謝作用使得組織溫度分布與傳熱學(xué)理論相違背;⑧不同季節(jié),耐冬根系-土壤系統(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)和液流場(chǎng)變化趨勢(shì)相同,但冬季溫度梯度及水勢(shì)梯度均較小;越靠近根系密度較大區(qū)域土壤含水量下降越快,且隨土溫升高,根系吸水速率增加,根系相對(duì)含水量達(dá)到0.25所用時(shí)間逐漸縮短;⑨耐寒植物熱物性參數(shù)在相變溫度處存在突變現(xiàn)象,且耐寒性越強(qiáng),熱物性峰值越大;冬季氣溫較低情況下,耐寒植物根系溫度高于非耐寒植物,且由于液流流動(dòng),使得在徑向方向上,液流流動(dòng)區(qū)域根系溫度明顯偏離于周邊區(qū)域;⑩耐冬根系-土壤系統(tǒng)熱濕耦合遷移規(guī)律:系統(tǒng)熱濕遷移耦合度在0.25~0.5范圍內(nèi),且冬季熱濕遷移耦合度大于夏季耦合度,驗(yàn)證冬季土溫對(duì)植株莖干液流速率起主要控制作用,熱濕遷移耦合度與系統(tǒng)均溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與莖干液流速率呈正相關(guān)關(guān)系,且溫度越低、液流速率越大,耦合度越高;11耐寒植物抗寒機(jī)理:夏季土壤為低溫?zé)嵩?液流方向與溫度梯度相反,低溫液流降低植物內(nèi)溫度,避免溫度過(guò)高灼傷植物,冬季土壤為高溫?zé)嵩?高溫液流由根系傳遞至冠層,使植物組織溫度維持在較高水平;耐寒植物抗寒性規(guī)律總體表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)溫度梯度與水勢(shì)梯度同向時(shí),隨溫度梯度增大,熱濕遷移耦合度降低,主要表現(xiàn)為液流速率增大,植物生理代謝作用旺盛,抗寒性強(qiáng),當(dāng)溫度梯度與水勢(shì)梯度反向時(shí),隨溫度梯度增大,熱濕遷移耦合度增大,小幅溫度降低即可導(dǎo)致液流速率下降,液流速率隨溫度梯度增大而減小,耐寒植物抗寒性減弱。通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,對(duì)根系-土壤系統(tǒng)熱濕耦合遷移進(jìn)行基礎(chǔ)研究,得到了較為理想的結(jié)果,對(duì)耐寒植物抗寒機(jī)理研究和植物生理學(xué)發(fā)展具有重要理論意義,對(duì)于科學(xué)培育利于生態(tài)環(huán)境的抗寒物種也具有重要作用。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：Q945
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本文編號(hào)：1311059