温度梯度下水汽在均质土壤中的运移机制研究

土壤中的水汽运移影响着农田蒸发、土壤水分再分布等一系列过程，是农田生态系统水分循环的重要组成部分。对温度梯度下的土壤水汽运移，传统的研究大都忽略了气体分子碰撞传热的本质，没有对水汽促进运移过程进行定量化系统研究。本项目提出利用土壤热导率中的水汽潜热传热贡献来研究均质土壤中的水汽运移机理，并依据高气压对水汽运移的阻滞效应，结合气体分子动理论，建立水汽运移促进因子与土壤含水量、质地关系的模型。在此基础上，将水汽运移促进因子模型引入土壤热传输基本方程中，建立包含温度为自变量的土壤热导率预测模型。研究采用室内实验和田间测定相结合、实验研究和模拟相结合的方法，系统探讨温度梯度下水汽在土壤中的运移过程，为土壤蒸发和水热耦合运移模拟、预测不同温度下的土壤热导率奠定理论基础、提供新的方法。

土壤中的水汽运移研究是农田蒸发和土壤水分再分布研究的重要内容。由于非饱和土壤中液态水的存在，水汽在运移过程中会与液态水产生互作并引起增强扩散现象，本研究提出利用土壤传热过程中的潜热传输来研究温度梯度下的水汽扩散问题。首先通过压力分离技术，依据高气压对水汽运移的阻滞作用，进行了土壤传热过程中的潜热传输和传导传输分解，进而结合气体分子动理论，进行了高压校正，最后计算获取水汽运移促进因子并用于水汽运动模拟。通过和实验结果的比较，本研究建立方法均可以较好地模拟变化温度下的土壤水汽促进运移。研究还发现，即使在3.5℃的低温下，水汽扩散引起的潜热传输也不可忽略，且潜热传输的贡献随土壤温度增加而增加。研究发现，水汽运移促进因子受土壤质地的影响显著，Cass等(1984)提供的分质地参数组误差较大，为此本研究还提出了适合于模拟粘土水汽运移的促进因子参数。. 在热示踪技术模拟水汽运移的基础上，本研究还深入探讨了多针热脉冲技术的误差以及土壤热储量在地面热通量计算中的作用问题。研究发现，多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好，其热导率测定值的平均误差为0.074 W m-1 K-1。干土热导率随气压增大呈现对数增长，这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域，关键问题是加热针的温度升高偏大，促进了水汽潜热传输。另外，土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。在地面热通量研究中，研究发现土壤热储量是地面热通量的重要组成部分，忽略土壤表层热储量并以某一深度处的实测热通量值代表地面热通量的方法误差很大。. 此外，本项目还研究了非增强扩散气体二氧化碳在土壤中的运移，并以农林复合系统为研究对象，探讨了核桃间作系统的土壤二氧化碳通量，并与核桃果园与农田进行了对比分析。结果发现，农田的土壤二氧化碳通量高于核桃间作系统和果园，但核桃间作系统的温度敏感度显著大于对照农田。