不同类型农耕地地气界面热质传递关系研究

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摘要通过对同一时段不同地区农田的实地考察研究和取样分析，获得地气界面形态及热质传递关系现场数据，使用质量守恒定律研究近地空气湿度与土壤中氮磷钾含量及相互关系。结果表明：地空湿度梯度过大是造成土壤退化的主要原因。土壤中的氮磷含量随湿度梯度的增加有正相关性，钾含量有负相关性，但地表温度较高时，氮的含量有所下降。
【关键词】农耕地；地气界面；热质传递；湿度梯度；氮磷钾含量
　　中图分类号S152.8文献标识码A文章编号 1001-5139（2011）11-0214-03
　　
　　HeatandMassTransitiveRelationofDifferentTypes ofAgriculturalLandInterface
　　KONG Qiu-chanCHEN LanBAI HaiYI Mei-guiLIANG Yu-xiang *
　　（School of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan  100 4）
　　AbstractAt the close period of time，investigating and field sampling analysis were made in different farmland areas，which obtain the field data of interface configurations and the relations of heat and mass transfer.Mass conservation theorem was used to research air humidity，soil NPK content of perigee，and the interactions between them.Air humidity gradient data showed that excessive is the main reason of causing soil degradation.The nitrogen and phosphorus content correlated with the increasing of humidity，temperature gradient positively，and potassium content has negative correlation，but the temperature of the earth′s surface temperature is higher， nitrogen content declined.
　　Key wordsagricultural land；interface；heat and mass transition；humidity gradient；NPK content of soil
　　
　　近年来，土壤退化的机理及其影响因子的研究工作主要在以下方面取得了重要进展[1- ]。土壤退化是一个复杂的过程，就现在的研究状况而言，国内外对于土壤退化的研究存在以下局限：一是偏重于对特定区域或特定土壤类型的某些土壤性质的变化或退化的研究，不同退化类型在时间序列上的变化研究很少。二是研究主要集中在单个因子或少数几个因子上，缺乏这些因素相互之间及其与生态系统之间关系的研究。三是土壤与土地退化过程、机理及影响因素研究工作不足，可根据退化形式的不同研究其发生的过程以及影响因子相互直接的关系。四是在土壤退化评价方法论及评价指标体系方面的研究工作大多处于探索阶段。五是缺乏对土壤养分长期定位及其动态变化与人为干扰下不同利用类型的关系研究，尤其缺乏土壤退化过程中土壤热质平衡关系变化的研究。
　　土壤是一个复杂的物理化学生态系统，其状态受外界影响较明显。若将土壤视为单独的控制体[1]（空间任意坐标位置处具有一定几何形状与大小的开放体系），就可用化工传递的三传定理研究土壤中水、肥、气、热及生物质等特性。土壤通过控制面与外界环境进行质量、动量和能量传递。将所分析的土壤样品视为控制体，土壤中的传递与化学反应过程都必须服从质量守恒定律[1]：若控制体内的流体包含若干组分，对其中任意组分进行质量衡算，都会有：输出控制体的质量流量－输入控制体的质量流量＋控制体的质量生成速率＝控制体内质量的积累速率。土壤和环境的质量传递主要涉及到水分和营养元素的传递，即土壤中的水分、有机质、氮、磷、钾等的传递规律都要符合质量守恒定律。
　　本文研究不同地区地气界面形态、介质情况，通过对不同类型土壤的对比分析，研究水、肥、热之间相互影响及多因子对土壤质地的综合作用。本文的创新性在于将土壤视为一个传质单元，通过控制体内质量传递的理论来分析评价土壤退化的因素及其本质，并通过退化土壤的水分传递和土壤养分传递分析得出典型土壤的退化特征。
　　1材料与方法
　　1.1样品采集
　　以检验土壤中全氮、全磷、全钾含量为土壤成分指标，以测量当地空气相对饱和湿度为土壤中水分的动态平衡指标。研究土壤基本理化性质，必须按土壤发生层次采样。土地土壤表层至向下30 cm是土壤的主耕作层，研究地区的植物根系主要分布于土壤该层，枯落物对土壤的影响也主要限于土壤区域，该土壤对外界因素影响最敏感，故选取表层、10 cm、20 cm、30 cm土样分析。选取典型样地调查，每个样带相距10～20 m，每次在同一样地随机调查5个点。人工使用铁锹分别在土壤的土样表层、10 cm、20 cm、30 cm土层取样，分别袋装，样品带回实验室完成有机质、全氮、全磷、全钾成分和粒度的测定。取样同时测量取样处空气近地点、0.5 m、1.0 m、1.5 m的湿度，并测定当地海拔与经纬度。
　　1.2样品处理
　　从典型地区采回的土样需要及时风干后才能用于分析。样品风干后，应拣出土壤中的枯枝落叶、植物根、残茬、虫体以及土壤中的铁锰结核、石灰结核或石子等。进行物理化学分析前，需将风干的土壤样品磨细过18号筛，进行土壤分析时需进一步研磨。测定全磷、全氮和有机质含量需全部样品通过 0号筛（孔径0.25 mm）。测定全钾时，应将全部样品通过100号筛（孔径0.149 mm）的土壤样品，作为其分析用。研磨过筛后的土壤样品混匀后，装入广口瓶中。
　　1.3分析方法
　　土壤全氮含量的测定选用半微量开氏法；土壤全磷含量的测定选用硫酸―高氯酸消煮法；土壤全钾的测定选用NaOH熔融火焰光度计法。
　　2结果与分析
　　2.1地空湿度与水分传递关系
　　从图1可以看出，除云登县农田外（拟合曲线为y＝0.082 x＋23.54），其他各处农田土壤表层的水汽湿度均大于大气中水汽湿度，以古浪翻耕农田（y＝－0.04  x＋28.81）和金双农麦田（y＝－0.035 x＋28.81）、拉干西久之间农田（y＝－0.020 x＋11.59）、民勤薛佰农田（y＝－0.019 x＋1 .11）的湿度梯度较大，金双农裸田（y＝－0.001 x＋18.39）湿度梯度较小。
               
       土壤水分蒸发是土壤水分整个运动过程中的一种特殊形式的阶段[8-11]。土壤水分蒸发是地气能量交换的主要过程之一，它既是地表能量平衡的组成部分，又是水分平衡的组成部分。土壤蒸发强度和水分蒸发通量主要受地空湿度梯度影响。湿度梯度越大，水蒸气从土壤表面传输到大气中就越容易[12-13]。通过了解测试点的湿度梯度，就可了解当地土壤水分的输入和输出的方向和蒸发量多少之间的关系，同时与质量守恒定律等式中输出控制体的质量流量和输入控制的质量流量之间密切相关。
　　由于样品皆取于甘肃省的干旱少雨地区，年降雨少，而地气界面中湿度梯度大，蒸发能力强。此外，土壤中水分还有入渗、径流等输出方式。由于土壤中微生物分解有机物产生的水量和土壤中水分的入渗、蒸发、径流量相比是微乎其微的，因此土壤中系统本身水的生成量可忽略不计。对照土壤中水分的质量守恒定律可知，由于土壤水分输出量较大，必须要有大量的水分输入，才能保证土壤中水分的积累量满足维持土壤自身稳定平衡需要。
　　在农耕季节，为满足农作物的生长需求，土壤水分输入较大。地气界面由于植物的覆盖，土壤蒸发阻力增加，减缓了土壤水分的输出。而在农闲季节，水分输入大大降低，土壤水分积累量减少。特别是收割后的裸露土壤，水分传输能力增加，土壤中水分平衡破坏，继而土壤的稳定平衡被打破，土壤必然退化。
　　在以上测试点，实地考察图片见图2。从图2a、图2b可以看出，云登县农田和金双农裸田（翻耕农田）的土壤团粒结构较好，无沙化现象；从图2c、图2d可以看出，民勤薛佰农田和拉干西久之间农田地表无植物覆盖，土壤中块状结构减少明显，已有轻微沙化现象；图2e的金双农麦田地表虽有农作物生长，但土壤明显沙化；图2f为古浪翻耕农田，已不能观察土壤表层情况，无沙化现象。
　　综上所述，采样地区土壤情况通过照片观测，与地空湿度梯度反映的情况相吻合。地空湿度梯度较大，土壤蒸发剧烈，土壤控制体内的水分积累量就越小，土壤水分不能维持自身稳定平衡，土壤退化越剧烈。
　　2.2土壤中氮、磷、钾含量分析
　　如果农田土壤蒸发强烈，土壤的水热稳定平衡破坏所引起土壤的退化必然会在土壤质地、土壤团粒结构、土壤中营养物质含量多少等性质上表现出来[13-1 ]。土壤中氮、磷、钾的传递规律同样可以用质量守恒定律判定。试验中所测氮、磷、钾结果都为土壤控制体中的积累量，由于试验分析样品中的全氮、全磷、全钾量，不涉及控制体内的生成量，因此质量积累量等于质量输入与输出之差。
　　土壤中的氮磷钾的含量随着土壤质地的变化而改变，通过氮磷钾的积累量变化趋势，可推测土壤退化状况。从图3可以看出，古浪翻耕农田（全氮0.045%～0.010%、全磷0.041%～0.081%）、云登县农田（全氮0.043%～0.051%、全磷0.025%～0.042%）、金双农裸田（全氮0.028%～0.05 %、全磷0.019%～0.039%）、拉干西久之间农田（全氮0.041%～0.0 1%、全磷0.023%～0.031%）的氮、磷含量较高，钾含量较低，可知这几个测试点处土壤质地较好，养分含量较高，土壤保水和保肥的性能较强。而金昌对照农田氮磷的含量较少，钾含量高（2.9%～5.1%），这会影响团粒结构的形成，促进土壤中水分的流失。以上所测数据与实地土地状况吻合性较好，说明使用质量守恒定律分析土壤中水分和养分的传递关系的方法是可行的。同时也与当地地空湿度情况吻合较好，由此说明空气湿度梯度对土壤中的氮磷钾含量有密切的相关性，土壤中的氮、磷含量随湿度梯度的增加有正相关性，钾含量有负相关性。
　　此外，民勤薛佰农田中除氮元素含量外，磷钾的含量与上述结论是吻合，可能是由于测试点处的温度较高（>30 ℃）加快了氮元素的分解，因此在地下30 cm温度较低时（0.021%），氮的含量又略有上升（0.034%）。
　　综上所述，当湿度梯度较小时，土壤蒸发量较小，土壤中湿度较高。由于氮、磷元素的稳定性与土壤湿度成正比，钾元素的稳定性与土壤湿度成反比，因此随着土壤中湿度的增加，钾元素更易分解，氮磷元素更易积累。氮磷的增加可促进土壤团粒结构的形成，改善土壤质地，增强土壤保水蓄水的能力，可使土壤墒值维持在一个较高水平，维持土壤的热质传递平衡。
　　3结论与讨论
　　本文将土壤视为控制体，创新性地提出使用质量守恒定律研究土壤中水分和养分的传递关系，避免了传统方法只能对指定区域或指定土壤类型的某些土壤性质的变化或退化的研究，同时质量守恒定律的分析方法也避免了外界条件不稳定对试验结果的影响。此次野外考察对热量传递的数据收集不够全面，此方法对土壤中水溶性氮、磷、钾的数据分析较复杂，还需进一步深入研究。
　　土壤湿度能够影响田间气候、土壤通气性和养分分解，是维持土壤平衡的重要条件之一。地空湿度梯度较大，土壤水分输出能力增强，造成土壤中水分流失。土壤中水分的流失是土壤退化的关键因素之一。
　　土壤的干湿变化对土壤中养分状态有重要的影响。土壤湿度较高，会促进团粒结构的形成，对土壤养分保持有促进作用。当土壤含水量较高时，钾元素稳定性降低，氮磷含量较高，土壤质地得到改善。反之，钾元素含量过高，又会对氮磷的含量起到逆效应。但地表温度较高（>30 ℃）时，由于氮元素本身的性质，会加速地面附近氮元素的分解，使土壤中氮元素的量较少，随着深度的增加，温度有所降低，氮含量又略有上升。
　　墒的不平衡导致土壤热质传递过程稳定平衡的破坏。随着土壤有机质和养分元素积累量减小、流失加速，土壤的质地改变，土壤团粒结构破坏，又会影响土壤的保水保肥保温能力，土壤退化将进入恶性循环。
　　在治理退化土壤时，补水不是唯一的有效措施，保水也是关键措施。在农闲季节应保持土壤的水分平衡，避免水分流失引起土壤退化；应施加氮肥和磷肥，改善土壤质地，增强水分蒸发的阻力；还应种植抗旱植物避免土地的裸露，降低湿度和温度梯度，降低蒸发强度。
　　利用农业投入品和物理耕作方法的改变，改善农耕地近地液―固界面热质传递关系，是维持农耕地良性循环的重要内容。
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　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
               
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