根-土系統(tǒng)是土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)或地球關(guān)鍵帶(CZ)中的一個重要組成部分,是一個復(fù)雜的多相系統(tǒng),包括根系、土壤、水、空氣、有機(jī)質(zhì)、微生物等組分。水分傳輸過程是根-土系統(tǒng)中最基本的過程,是植物營養(yǎng)物質(zhì)運移的基礎(chǔ)。由于根-土系統(tǒng)的隱藏性和復(fù)雜性,目前仍缺乏快速、無損、有效的方法來研究根-土系統(tǒng)的水分傳輸過程。本文的研究目的是嘗試建立起集成單頻電容法(SFC)、阻抗譜(EIS)技術(shù)和電容層析成像(ECT)技術(shù)的電容法體系,用于研究根-土系統(tǒng)水分動態(tài)。為了實現(xiàn)這個研究目的,本文從電容測量影響因素、單頻電容法、阻抗譜技術(shù)和電容層析成像技術(shù)等四個方面分別開展了實驗研究。主要內(nèi)容和獲得的成果包括：(1)電容測量中影響因素電容器由電極對和電極間的電介質(zhì)組成,而電容值又須通過儀器來測量得到,所以電容測量影響因素包括三類參數(shù)：儀器、電極和電介質(zhì)。本文通過實驗研究獲取這三方面影響因素與電容的關(guān)系,為后續(xù)的實驗方案設(shè)計和實驗結(jié)果解釋提供依據(jù)。電容測量影響因素實驗結(jié)果表明：在電感-電容-電阻測量儀(LCR)測量參數(shù)范圍內(nèi),電壓、內(nèi)阻、速度和平均次數(shù)對電容測量影響很小,而頻率、溫度、濃度和含水量對電容測量影響顯著。電容隨著頻率的增加而減小,特別是在低頻率(小于10kHz)范圍內(nèi)二者呈現(xiàn)很強(qiáng)的雙對數(shù)負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。1kHz正好處于這個頻率域內(nèi),同時這個頻率是LCR最具代表性的頻率,所以在使用LCR進(jìn)行單頻測量電容時,1kHz一般作為首選頻率。本研究中的單頻電容法也選用1kHz作為測量頻率。(2)單頻電容法(SFC)SFC測量根電容時,涉及的對象是電極-電介質(zhì)系統(tǒng),主要包括電極、生長基質(zhì)和植物根,這三部分構(gòu)成“電極-基質(zhì)-植物根連續(xù)體”。本文從這個連續(xù)體的三方面開展了室內(nèi)外的電極實驗、基質(zhì)實驗和變根實驗,所得的實驗結(jié)果不支持Dalton(1995)所提出的根系電容概念模型,但支持Dietrich(2012)提出的概念模型�；赟FC測根電容的實驗證據(jù),本文提出“雙線性相關(guān)”來解釋電容與根參數(shù)(如鮮重、干重、表面積等)存在線性相關(guān)的原因。雙線性相關(guān)是指單頻電容法所測電容與莖參數(shù)(如莖圍、莖徑等)存在強(qiáng)的線性相關(guān),同時根據(jù)異速生長關(guān)系,莖參數(shù)與根參數(shù)也存在很強(qiáng)的線性相關(guān),由這兩重線性相關(guān)建立起電容與根參數(shù)之間的線性相關(guān)。除此之外,利用SFC進(jìn)行了分根測量實驗,證實根系存在水力再分配作用。為了更形象地描述植物根系的水力再分配作用,本文構(gòu)建了“兩泵三池”的SPAC結(jié)構(gòu)模型。同時,提出“負(fù)水勢梯度突破內(nèi)皮層假說”來解釋水力再分配(HR)現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理。根據(jù)“負(fù)水勢梯度突破內(nèi)皮層假說”,可得到HR現(xiàn)象發(fā)生的條件是內(nèi)皮層膜的最大逆水勢梯度點位于根部,且最大逆水勢梯度可以克服內(nèi)皮層較大的外向阻力而使水分流向土壤。(3)阻抗譜(EIS)技術(shù)EIS技術(shù)是一種通過解譯多頻率電參數(shù)以獲取物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部信息的有效方法。本文分析了根-土系統(tǒng)各部分以及莖段的頻譜響應(yīng)特征,并利用EIS技術(shù)在根-土系統(tǒng)中開展水位動態(tài)、干旱和水澇過程的監(jiān)測實驗。在數(shù)據(jù)分析中,先由單頻電容法拾取根-土系統(tǒng)水分動態(tài)過程的典型點；再針對這些典型點使用EIS技術(shù)進(jìn)行多頻率多電參數(shù)地分析,主要是利用復(fù)數(shù)非線性最小方差(CNLS)擬合獲取的模型電參數(shù)；然后使用統(tǒng)計軟件SPSS對模型電參數(shù)與目標(biāo)變量(如水位、含水率等)進(jìn)行相關(guān)分析,獲得一些電參數(shù)與目標(biāo)變量間較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系；最后可利用這些關(guān)系對根-土系統(tǒng)的水分動態(tài)進(jìn)行預(yù)測。實驗結(jié)果表明：EIS技術(shù)可結(jié)合單頻電容法,作為監(jiān)測根-土系統(tǒng)的水分動態(tài)的一種有效手段。(4)電容層析成像(ECT)技術(shù)在許多植物生長模擬和水量平衡模擬中,根參數(shù)都是一項重要參數(shù),故需盡量獲取植物根系的延伸范圍和分布。為了滿足獲取根參數(shù)的迫切需求,本文引入電容層析成像技術(shù),以本實驗室研發(fā)的LCRWin系統(tǒng)(由LCR和可編程邏輯控制器PLC組成)作為ECT系統(tǒng)的測量單元,使用“內(nèi)置無屏蔽型”的傳感器獲取電容數(shù)據(jù),編制了ECT正、反演程序用于模擬計算電容值和重建感應(yīng)區(qū)的圖像。本文開展了探測水中異常體的模擬實驗和物理實驗,結(jié)果表明：本文所構(gòu)建的ECT系統(tǒng)可成功對水中的異常體進(jìn)行了二維和三維成像,驗證了該ECT系統(tǒng)的可行性。在ECT的應(yīng)用方面,該系統(tǒng)可獲取根系在水溶液中的大體分布,并能夠監(jiān)測土壤水的下滲過程。本文集成以上三種電容方法開展了根-土系統(tǒng)中水分動態(tài)的實驗研究,結(jié)果表明這些電容法可以原位、無損、快速地獲取根-土系統(tǒng)水分動態(tài)的信息。本文的研究成果可促進(jìn)關(guān)鍵帶、SPAC、氣候變化等方面的研究,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。從學(xué)科發(fā)展上看,本文的研究可以促進(jìn)一門富有前景的水文學(xué)分支——電性水文學(xué)的發(fā)展。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：S154.4

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1 廖愛民;根—土系統(tǒng)中水分動態(tài)監(jiān)測的電容法研究[D];南京大學(xué);2015年

本文編號：2815566