土壤温度和土壤空气对荒漠包气带水汽传输的影响研究

Vapor transfer becomes the major component of soil water movement in desert environment. Soil temperature and soil air are the main driving forces of vapor transfer in the desert soil. However, their influence mechanisms in desert soil are still not clear and lack of experimental study. Based on the indoor experiment of dry soil column, this project aims to quantitatively analyze influence of soil temperature gradient and pressure gradient of soil air on vapor transfer in vadose zone, respectively. In addition, a soil dry air equation will be included in the traditional unsaturated water flow equations to deduce coupled moisture, vapor (air) and heat transfer model. The vapor transfer mechanism in the arid vadose zone will be investigated by a numerical experiment using the coupled model. The desert vadose zone in the Ejina of arid northwestern China will be selected as the study object, which carries out in situ observation of soil water and temperature in desert vadose zone. The vapor transfer process of desert vadose zone will be modeled for revealing the vapor transfer mechanism and its diurnal and seasonal modes. The study will enrich the theory on soil water and vapor movement In desert environment and also provide the theoretical support for studying the phreatic evaporation, water and energy balance and land surface model in arid region and so on.

干旱荒漠环境下，水汽传输是包气带水分运动的主要形式，土壤温度和土壤空气成为包气带水汽传输的主要驱动因素，但是对其影响机制缺乏系统的试验研究。本项目以室内干燥土柱控制实验为基础，定量分析土壤温度梯度、土壤空气压强梯度对干燥包气带水汽传输的影响；在包气带水流连续性方程和热量平衡方程的基础上，增加土壤空气运动方程，构建干燥包气带水-汽-热耦合模型；通过数值试验，分析干燥包气带水汽传输机制；以额济纳荒漠包气带为研究对象，开展野外包气带水分原位观测，模拟分析荒漠包气带水汽传输过程，揭示荒漠包气带水汽传昼夜与季节模式。研究成果可丰富干旱区土壤水分运动理论，为研究干旱区潜水蒸发、荒漠水热平衡、陆面过程模式等问题提供理论基础。

土壤圈层是联接“五水”循环与转化的纽带，影响着陆表圈层的水分传输与能量交换。在干旱区，土壤液态水含量甚至低于凋萎含水量，气态水含量较多且扩散能力强，其水汽传输直接影响着干旱区水热平衡和蒸发状况，是影响区域大气环流不可忽略的重要因素。由于干旱区与湿润区在土壤质地、水文条件、植被类型和气候条件等方面均存在明显的地带性差异，导致影响土壤水分运动的主导因素不同。在湿润区，土壤水分运动主要以液态水运移为主，土壤水势能是土壤水分运移的主要驱动因素。而干旱区土壤干燥，水汽传输是土壤水分运动的主要形式，土壤温度和土壤空气成为包气带水汽传输的主要驱动因素。因此，针对湿润地区、发展比较完善的土壤水分运动理论与模型并不适合干旱区。目前对干旱区干燥土壤水分运移机制和影响因素缺乏系统的研究，针对这一问题，本项目开展了室内土柱水分运动控制实验，从理论上定量分析土壤温度和土壤空气对干燥土柱水汽传输的影响机制。在土壤水流连续性方程和热量平衡方程的基础上，增加了土壤空气运动方程，构建了干燥土壤水-汽-热耦合模型。通过土壤剖面调查与属性测定，构建了能描述干燥条件下土壤水分与基质势之间关系的全范围土壤水分特征曲线模型，解决了土壤水动力模型在干旱区失效失真的问题。在此基础上，根据野外荒漠包气带水分观测试验，利用上述耦合模型模拟了荒漠包气带水-汽-热传输过程，揭示了荒漠土壤水汽热的昼夜/季节传输模式，估算了荒漠区试验点不同时间尺度（日、月、季、年）的潜水蒸发。本研究不仅丰富了干旱区土壤水分运动机理，也为陆面模式改进、土壤水文过程尺度扩展和土壤水资源利用等研究提供了理论基础。