第14卷3期應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報Vol 14. No. 32006年9月JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERINGtember 2006文章編號:10050930(2006)034033307中圖分類號:S152.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A土壤失水干燥的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究時新玲,張富倉2,王國棟(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院陜西楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712l00)摘要:對不同質(zhì)地的土壤失水干燥的動力學(xué)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果表明,不同質(zhì)地土壤失水干燥過程存在3個階段:穩(wěn)定失水階段、快速失水階段和土壤干燥階段;設(shè)定干燥溫度和土壤的初始含水率對失水干燥速率有較大的影響,設(shè)定溫度越髙,失水速率越大,土壤由濕變干越快,初始含水量越大,土壤由濕變干的時間越長;在同一的溫度和初始含水量條件下,失水干燥速率與土壤質(zhì)地?zé)o關(guān);土壤失水干燥的動力學(xué)曲線可用二次多項(xiàng)式進(jìn)行描述關(guān)鍵詞:蒸發(fā);失水速率;土壤質(zhì)地;動力學(xué)曲線土壤水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個重要因素.土壤水分的多少及其動態(tài)變化強(qiáng)烈地影響著植物的生長發(fā)育狀況.土壤蒸發(fā)是土壤水分散失的重要過程,它受許多因素的影響許多年來,們在室內(nèi)外對土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行了大量的研究,也提出了描述土壤蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型,這些研究大都是研究土體中土壤水分的蒸發(fā)性能,對于農(nóng)田土壤水分動態(tài)、土壤水分保持以及作物生長有重要作用13.關(guān)于土壤本身干燥失水的動力學(xué)過程以及數(shù)學(xué)模型的研究,國內(nèi)外研究的較少,這種情況主要出現(xiàn)在農(nóng)田表層表面土壤的干燥失水過程,研究土壤干燥失水的動力學(xué)機(jī)制,一方面對于農(nóng)田表層土壤干層的形成過程、土壤的保墑有重要的作用,另一方面,對于合理地了解用烘干法快速測定土壤含水量,確定最優(yōu)的烘干參數(shù)具有重要的理論和實(shí)際意義1實(shí)驗(yàn)材料及方法供試土壤為兩種不同質(zhì)地的砂壤土和重壤土,砂壤土和重壤土分別采自甘肅古浪縣張家灣和西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站的耕層土壤(O-20cm),兩種土壤經(jīng)過風(fēng)干磨細(xì),通過1mm篩供試土壤的基本性質(zhì)如表1所示實(shí)驗(yàn)處理設(shè)計(jì)為3種不同的土壤含水量,分別為10%、15%和20%,分別放置在用于烘干的電子水分測定天平的樣品盤上,實(shí)驗(yàn)設(shè)定的控制蒸發(fā)溫度分別為105℃、12091509、180℃和200℃.在烘干過程中,土壤的重量失水量可用電子天平自動讀出,最終計(jì)算土壤基質(zhì)干燥失水條件下土壤含水量的動態(tài)變化中國煤化工收稿日期:20050427;修訂日期:20060802CNMHG基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(50579066作者簡介:時新玲(1968-),女,副教授在職博土研究生通訊作者張富倉(1962—),男,教授博士生導(dǎo)師應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13表1供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 The basic properties of experimental soil各級顆粒/mm含量/%有機(jī)質(zhì)含鹽量土壤>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結(jié)果與分析2.1土壤蒸發(fā)失水的一般規(guī)律土壤干燥失水的動力學(xué)過程與干燥的溫度密切相關(guān)圖1為砂壤土在設(shè)定105℃、120℃、150℃、180℃和200℃條件下溫度隨時間的的動態(tài)變化過程(升溫曲線),圖1表明,對于不同的設(shè)定溫度,隨著時間的增大,溫度逐漸增加,最終達(dá)到某一設(shè)定的溫度.且在時間小于100s,溫度隨時間的變化與設(shè)定的溫度無關(guān);當(dāng)時間大于100s時,不同的設(shè)定溫度,升溫曲線開始產(chǎn)生分離,最終達(dá)到各自設(shè)定的溫度圖2為砂壤土土壤含水量隨時間的動態(tài)變化曲線圖.由圖2可見,設(shè)定溫度不同,土壤干燥失水的動力學(xué)曲線即土壤含水量隨時間變化的動力學(xué)曲線是不同的.土壤干燥失水存在3個階段,前期千燥階段(小于50s),土壤失水速率較穩(wěn)定階段,即穩(wěn)定干燥階段;第二階段為快速失水階段,該時間間隔與設(shè)定溫度有關(guān);第三階段為干燥后期控制階段,即土壤干燥階段2401614砂壤土簧10●180細(xì)8X200口105X2002300時間/s時間/8圖1電子水分測定天平的升溫曲線圖圖2土壤含水量與時間的動態(tài)變化曲線圖Fig. 1 Temperature Ascend curves of electrieFig 2 Dynamics change curves of soilmoisture balanceMu中國煤化工總的規(guī)律表現(xiàn)為:在干燥前期,即時間小于50CNMHG學(xué)曲線比較平穩(wěn),與設(shè)定溫度幾乎無關(guān),這和圖1中的升溫曲線是相對應(yīng)的;當(dāng)時間大于50s,土壤干燥失水的動力學(xué)曲線呈現(xiàn)快速變化,這種變化與土壤的升溫曲線呈近乎線性增加有關(guān),即隨No. 3時新玲等:土壤失水干燥的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究335溫度的快速升高,不同設(shè)定溫度的土壤含水量急速下降,在溫度將要到達(dá)設(shè)定的溫度時,土壤含水量隨著時間開始緩慢降低;當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度,此時,達(dá)到恒溫干燥階段由圖1可見,不同的設(shè)定溫度,到達(dá)恒溫干燥階段的時間是不同的,設(shè)定溫度愈高,到達(dá)恒溫蒸發(fā)階段的時間愈長,而且到達(dá)恒溫蒸發(fā)階段時,溫度的波動性也愈大當(dāng)?shù)竭_(dá)恒溫蒸發(fā)階段,設(shè)定溫度越低,土壤含水量越高,蒸發(fā)失水越少,最終土壤由濕變干的時間越長2.2不同質(zhì)地土壤干燥失水的動力學(xué)曲線圖3為兩種不同質(zhì)地土壤在相同的初始含水量和4種不同的設(shè)定溫度條件下土壤干燥失水曲線的比較圖,結(jié)果表明,對于任意的設(shè)定溫度,兩種不同質(zhì)地土壤的干燥失水的動力學(xué)曲線幾乎重合,說明在同一設(shè)定溫度條件下,土壤的干燥失水與質(zhì)地?zé)o關(guān),這與李玉山(1991)和張富倉(1996)的土壤水分蒸發(fā)與質(zhì)地?zé)o關(guān)的研究結(jié)論類似45105℃120℃642●砂壤土●砂壤土重壤土哥長鈿口重壤士286420200時間/s時間/s150C180℃●砂壤土●砂壤土口重壤土重壤8哥長6420時間/s圖3不同質(zhì)地土壤干燥失水中國煤化工Fig 3 Comparison of soil dryness dynamicsCNMHG2.3不同初始含水量對土壤干燥蒸發(fā)失水的動力學(xué)曲線的影響圖4為砂壤土在不同初始土壤含水量條件下土壤干燥失水的動力學(xué)曲線由圖可見,336應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13土壤初始含水量對土壤干燥失水的動力學(xué)曲線有很大的影響.土壤初始含水量愈大,在某設(shè)定溫度下的土壤干燥失水的動力學(xué)曲線上移,總的表現(xiàn)為:三種初始土壤含水量下土壤干燥失水的動力學(xué)曲線表現(xiàn)一致的規(guī)律性,也表現(xiàn)為在土壤失水前期,不同設(shè)定溫度條件下的土壤含水率隨時間的變化曲線較為平緩,隨著時間的增加,該曲線有快速降低的趨勢即快速失水過程,而失水后期曲線變得平緩,即土壤接近干燥階段.℃150c■10■10%◆15%◆15%時間/s180℃C■10%■10%◆15%▲20%▲20%300時間/s時間/s圖4不同初始土壤含水量對土壤干燥失水動力學(xué)曲線的影響Fig. 4 Effect of soil initiative moisture on soil dryness dynamics curves24不同設(shè)定溫度對士壤干燥失水的動力學(xué)曲線的影響實(shí)驗(yàn)對兩種不同質(zhì)地的砂壤土和重壤土,在相同含水率條件下通過不同設(shè)定溫度比較土壤干燥失水變化過程圖5為同一含水量條件中國煤化工土壤干燥失水的動力學(xué)曲線,由圖可見,隨著設(shè)定溫度的增加,達(dá)CNMHG率越小,達(dá)到干燥所需的時間越短砂壤土和重壤土表現(xiàn)出同樣的研究結(jié)論(圖5)No. 3時新玲等:土壤失水干燥的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究337120℃△20%e15l50·10%●10%◆15%200℃◆15%▲20%▲20%300時間/s時間/s圖5兩種不同溫度的土壤干燥失水的動力學(xué)曲線比較Fig 5 Comparison of soil dryness dynamics curves at different temperature3土壤干燥失水的數(shù)學(xué)模式為定量分析探討土壤干燥失水的動力學(xué)曲線,我們對不同質(zhì)地土壤以及不同溫度條件下的土壤干燥失水曲線進(jìn)行了函數(shù)擬合.由于土壤干燥失水曲線是一個復(fù)雜的曲線,不能找到一個簡單的函數(shù)來描述該曲線,為此我們采用分段函數(shù)擬合.對于2種質(zhì)地的土壤,土壤干燥失水曲線可分別在小于100s和大于100s時段分段擬合,2種時段的曲線均采用2次多項(xiàng)式Y(jié)=at2+bt+c進(jìn)行擬合,式中;c為當(dāng)t為0時的土壤含水量(初始含水量),a和b為與曲線變化幅度大小有關(guān)的參數(shù),分析結(jié)果表明,無論是不同土壤,不同初始含水量以及不同設(shè)定溫度,所有擬合得到的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.9,均達(dá)到極顯著水平表2土壤蒸發(fā)失水動力學(xué)曲線數(shù)學(xué)模式的擬合參數(shù)Table 2 Fitted parameters of soil dryness dynamics curves(s)溫度砂壤土重壤土擬合方程式(y擬合方程式(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中國煤化工20.983CNMHG4結(jié)論通過室內(nèi)土壤干燥失水試驗(yàn),研究了兩種不同質(zhì)地土壤、不同初始含水量以及不同設(shè)338應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報Vol. 13定溫度條件下土壤干燥失水動力學(xué)曲線,得出了如下研究結(jié)論:(1)不同條件下的土壤水分千燥過程都有相似的三個階段表現(xiàn)為,在干燥前期,土壤干燥失水的動力學(xué)曲線比較平穩(wěn),與設(shè)定的溫度無多大關(guān)系,而后出現(xiàn)土壤干燥失水的動力學(xué)曲線呈現(xiàn)快速變化,這種變化與土壤的升溫曲線呈近乎線性增加有關(guān);當(dāng)?shù)竭_(dá)恒溫干燥階段,設(shè)定溫度越低,土壤含水量越高,即干燥失水越少,最終土壤由濕變干的時間越長;(2)同一干燥溫度,兩種土壤的干燥失水的動力學(xué)曲線幾乎沒有多大差異,這說明在同一設(shè)定溫度條件下,質(zhì)地對土壤的干燥失水關(guān)系不大,這與一些學(xué)者的研究結(jié)論一致;(3)不同初始土壤含水量條件下土壤干燥失水的動力學(xué)曲線的研究結(jié)果表明,土壤初始含水量對土壤干燥失水的動力學(xué)曲線有很大的影響.土壤初始含水量越高,在某一設(shè)定溫度下的土壤干燥失水的動力學(xué)曲線上移,總的表現(xiàn)為三種初始土壤含水量下土壤干燥失水的動力學(xué)曲線表現(xiàn)一致的規(guī)律性,同樣也表現(xiàn)為在干燥初期,不同溫度條件下的土壤含水率隨時間的變化曲線較為平緩隨著時間的增加,該曲線有快速降低的趨勢.同含水量條件下,隨著設(shè)定溫度的增加,兩種不同溫度的土壤干燥失水的動力學(xué)曲線表現(xiàn)為土壤含水率越小,達(dá)到烘干所需的時間越短;(4)定量分析土壤干燥失水的動力學(xué)曲線,可采用兩次分段函數(shù)擬合.結(jié)果表明,不論是不同土壤,不同初始含水量以及不同設(shè)定溫度,所有擬合得到的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.9,均達(dá)到極顯著水平.用2次多項(xiàng)式來預(yù)測土壤干燥失水動力學(xué)曲線具有較高的精度參考文獻(xiàn)[1]張富倉,張一平,康紹忠.土壤水分運(yùn)移的能壘分析[J],水土保持研究,1996,3(3):87-92Zhang Fucang, Zhang Yiping Kang Shaozhong. 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Transactions of theCSAE,1999,15(2):74-78中國煤化工CNMHGNo. 3時新玲等:土壤失水干燥的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究339An Experimental Study of Soil Dryness Dynamics ProcessSHI Xinling, ZHANG Fucang, WANG Guodong(1. 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中國煤化工CNMHG