張璐琪, 趙展恒, 王玉嬌, 梁玉祥

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 四川 成都 610065)

不同沙化土地改良材料對(duì)沙化土壤熱量傳遞的影響

張璐琪, 趙展恒, 王玉嬌, 梁玉祥

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 四川 成都 610065)

摘要：[目的] 研究不同土地改良材料對(duì)沙化土壤熱量傳遞關(guān)系的影響，以便有效保墑和防治沙漠化。[方法] 分別將4種沙化土地改良材料(無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料、綜合性沙化土地改良材料、石膏性沙化土地改良材料、高碳性沙化土地改良材料)按一定比例(5%，7%，9%，11%，12%)與沙化土壤進(jìn)行混合配制，通過模擬穩(wěn)態(tài)輻射作為土壤沙化過程的熱推動(dòng)力，測(cè)定不同土層深度，不同成分的沙化土壤溫度。[結(jié)果] 不同材料的添加導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱率發(fā)生改變；在-4～-8 cm土層，4種材料以不同比例添加至沙土中后，對(duì)導(dǎo)熱率的影響為：石膏性沙化土地改良材料>無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料>高碳性沙化土地改良材料>綜合性沙化土地改良材料。綜合性沙化土地改良材料在該土層范圍內(nèi)最適宜的添加比例為9%。[結(jié)論] 綜合性沙化土地改良材料和高碳性沙化土地改良材料對(duì)沙化土壤的改良效果較佳。

關(guān)鍵詞：沙化土壤; 熱量傳遞; 土壤導(dǎo)熱率

若爾蓋草原是黃河上游的重要源頭水源區(qū)，對(duì)黃河上游的水源涵養(yǎng)與補(bǔ)給及生態(tài)平衡的維持起著極其重要的作用。若爾蓋草原不僅對(duì)區(qū)域氣候變化響應(yīng)強(qiáng)烈，而且對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和保障區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。然而近年來，若爾蓋氣候呈現(xiàn)出變暖趨干的特征，草地沙化速度顯著加快，年均遞增率高達(dá)14.11%[1]，如何保墑治沙已成為現(xiàn)今面臨的最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一。對(duì)土壤進(jìn)行水、氣、熱平衡調(diào)控是土壤退化及沙化治理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中對(duì)土壤熱特性的研究是最重要的一個(gè)因素。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)退化土壤的熱特性研究已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作[1-5]，但仍存在一些局限：一是偏重于對(duì)野外開放性環(huán)境下的特定區(qū)域進(jìn)行沙化成因或主導(dǎo)因子的研究；二是研究多從理論和試驗(yàn)上證實(shí)土壤熱特性與其含水率、含鹽量及水吸力等因素間的相關(guān)性，但在如何改善土壤傳熱特性上的研究上則較少；三是對(duì)退化、沙化土壤的修復(fù)過程、機(jī)理及影響因素研究工作不足。

地—?dú)饨缑娴臒崃拷粨Q是維持土壤生態(tài)體系平衡的要素之一。若將土壤視為控制體[6]，根據(jù)“三傳原理”，土壤通過其控制面與外界環(huán)境進(jìn)行能量、質(zhì)量以及動(dòng)量傳遞。太陽(yáng)通過輻射將熱量帶入土壤控制面—土壤表層，土壤得到熱量后，一部分散失到大氣中，一部分用于土壤水分的蒸發(fā)，還有一部分傳向土壤深層，剩下來的便提高土壤本身的溫度。當(dāng)土壤獲得或散失一定的熱量后，土壤溫度升降的多少取決于土壤的熱容量，土壤傳熱的快慢則取決于土壤的導(dǎo)熱率。根據(jù)二者的關(guān)系，可以用熱擴(kuò)散率(K)來表示[7]

(1)

式中：K——土壤熱擴(kuò)散率(m2/s)；λ——土壤的熱導(dǎo)率〔W/(K·m1)〕；CV——土壤體積熱容量〔J/(K·m3)〕。土壤導(dǎo)熱率取決于土壤固、液、氣三相組成及其比例，以及孔隙度大小，固體顆粒排列方式，固相和液相界面的接觸程度等。溫度作為物體所含有熱量多少的一種量度，其變化是土壤中水分蒸發(fā)和溶質(zhì)運(yùn)移、轉(zhuǎn)化的直接推動(dòng)力。對(duì)于只考慮垂直一維熱流，各向同性的均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)，土壤內(nèi)任意一層的熱傳輸可以用Fourier定律[6]來表示，即熱通量正比例于該點(diǎn)的溫度梯度：

(2)

式中：q——熱通量﹝J/(s·cm2)﹞，即單位時(shí)間通過單位截面面積的熱流；T——土壤絕對(duì)溫度(℃)；z——土壤中垂直坐標(biāo)(cm)(向下為正)；負(fù)號(hào)表示熱流的方向是指向溫度下降的方向。當(dāng)土壤內(nèi)熱量的流失與補(bǔ)償達(dá)到滿足植物正常生長(zhǎng)的平衡時(shí)，便為土壤良性循環(huán)過程的建立提供了條件。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料的采集和處理

本文選取若爾蓋地區(qū)典型沙化樣地進(jìn)行研究。取樣時(shí)采用對(duì)角線法，將所選的每個(gè)采樣單元按對(duì)角線分割并選定5個(gè)不同的取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)處取表層，10和20 cm土樣各50 g，每個(gè)取樣單元共取樣5次。將所取取樣點(diǎn)表層，10和20 cm土樣分別混合，重復(fù)此操作直到取樣完成。分別將樣品袋裝，并帶回實(shí)驗(yàn)室，沙化土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，揀出土壤中的枯枝落葉、植物根、殘茬蟲體以及土壤中的鐵錳結(jié)核、石灰結(jié)核或石子等，磨細(xì)，篩分，選擇粒徑在60目以下的土壤放置于干燥處，備用。試驗(yàn)材料包括綜合性沙化土地改良材料、高碳性沙化土地改良材料、無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料及石膏性沙化土地改良材料。

1.2　試驗(yàn)方法

在野外自然條件下，太陽(yáng)光可以均勻直射在大面積的土壤表面，使得熱量在土壤下方徑向的傳遞不存在熱量差(圖1)。本試驗(yàn)選擇在室內(nèi)進(jìn)行，采用非穩(wěn)態(tài)方法[5]，監(jiān)測(cè)在穩(wěn)定的空氣流動(dòng)及固定功率供熱情況下，試驗(yàn)土柱中不同土壤內(nèi)的熱特性隨時(shí)間瞬時(shí)變化的過程。該方法保證了單一變量的可靠性，且可以使溫度梯度引起的水分運(yùn)動(dòng)減到最小，而不需要長(zhǎng)時(shí)間等待熱梯度恒定。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖1　野外土壤熱量傳遞系統(tǒng)示意圖

圖2　豎直一維土柱熱特性試驗(yàn)系統(tǒng)

2結(jié)果與分析

2.1　4種材料以不同比例添加到沙化土壤的傳熱數(shù)據(jù)分析

土壤作為植物生長(zhǎng)最重要的外部環(huán)境，土壤溫度則是對(duì)植物種子萌發(fā)、出苗、消長(zhǎng)、演替有重要影響的因子之一。土壤深度不同，所持有的溫、光、氣、水等因素也不同，因而對(duì)植物的影響也大不相同[8]。Fourier熱傳導(dǎo)方程公式(2)中土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)與土壤的質(zhì)地、孔隙度和組成成分相關(guān)，因此不同改良材料的選擇和添加比例會(huì)直接影響著沙化土壤的傳熱過程，進(jìn)而關(guān)系到地表生態(tài)環(huán)境與植被的生長(zhǎng)狀況。距筒頂深4 cm處添加不同比例不同改良材料的混合土壤傳熱曲線如圖3所示。由圖3可知，不同成分沙化土壤溫度與光照時(shí)間均存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，對(duì)熱源加熱的依賴性較強(qiáng)，響應(yīng)迅速，在光照進(jìn)行了大概10 min后開始形成顯著的溫度梯度。而在前10 min內(nèi)，由于土壤孔隙內(nèi)仍殘留少量的水分，熱量經(jīng)傳導(dǎo)到達(dá)該層后首先用于水汽的蒸發(fā)并帶走了一部分熱量，溫度表現(xiàn)出微小的下降趨勢(shì)。對(duì)圖3混合土壤溫度曲線進(jìn)行線性擬合，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，二次多項(xiàng)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合精度良好，相關(guān)系數(shù)R2平均值達(dá)0.988 8，因次選擇二次多項(xiàng)式為最佳趨勢(shì)方程。

圖3　土深-4 cm處添加不同比例各改良材料的混合沙土溫度隨時(shí)間變化

由溫度曲線的物理意義可知，每條曲線各點(diǎn)的斜率代表各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的瞬時(shí)變化率，即變化率大的傳熱速度更快，土溫變化迅速。試驗(yàn)時(shí)間過了約60 min后，土壤內(nèi)溫度梯度基本趨于穩(wěn)定，由公式(2)可知，此時(shí)各類土壤在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量大致相等，即進(jìn)入到傳熱推動(dòng)力恒定階段，因而取該段內(nèi)某一瞬時(shí)x=70 min，計(jì)算各條溫度曲線在70 min處的斜率，即各傳熱曲線在70 min處溫度的瞬時(shí)變化率，就可以比較不同材料的混合對(duì)沙化土壤導(dǎo)熱率的影響(結(jié)果詳見表1)。

表1　-4 cm處添加5%，9%，12%各材料的瞬時(shí)溫度變化率數(shù)據(jù)(70 min時(shí))

根據(jù)圖3可知，在-4 cm土層，當(dāng)添加比例為9%時(shí)，綜合性沙化土地改良材料使沙化土壤的導(dǎo)熱率減小，高碳性沙化土地改良材料使土壤的導(dǎo)熱率減小或基本不變，無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料和石膏性沙化土地改良材料使沙化土壤的導(dǎo)熱率在不同程度上有所增大。當(dāng)添加比例減小到5%時(shí)，除石膏性沙化土地改良材料使混合土壤導(dǎo)熱率降低外，其余組均促進(jìn)了沙化土壤的傳熱。當(dāng)添加比例為12%時(shí)，除綜合性沙化土地改良材料使混合土壤導(dǎo)熱率明顯降低外，其余組均使沙化土壤的導(dǎo)熱率增大。結(jié)合分析表1數(shù)據(jù)，不同配比的混合土壤中有50%降低了沙化土壤的導(dǎo)熱率。其中，石膏性和高碳性沙化土地改良材料施加的比例越少，混合土壤的導(dǎo)熱率越小。綜合性沙化土地改良材料組則結(jié)果相反，施加量越多越有利于抑制土壤溫度的連續(xù)上升。

圖4為相同深度，即距筒頂8 cm處添加不同比例4種材料的混合土壤及原狀土的傳熱曲線圖。與-4 cm處傳熱曲線相比，-8 cm處土壤溫度隨時(shí)間變化幅度較小。在50 min之內(nèi)，-4 cm處的平均溫度升高了總升溫幅度的60%，而-8 cm處在該區(qū)間溫度的平均升幅僅為總升溫幅度的33%，可見土壤在受到熱輻射后，在垂直方向上產(chǎn)生的溫度梯度使土柱由表層向深層形成了一個(gè)明顯的熱滲透區(qū)。且在60 min后，-4 cm處土壤溫度逐漸接近土表溫度，溫度梯度明顯減小，而由于熱傳導(dǎo)的滯后效應(yīng)，-8 cm處土壤的溫度梯度仍然很大，溫度還將繼續(xù)上升。在該土層，4種材料的添加均使土壤溫度較空白組有所升高，如圖4所示，但其傳熱速率卻各不相同。結(jié)合表2在-8 cm處按5%，9%，11%的比例添加4種改良材料后土壤在70 min時(shí)的溫度瞬時(shí)變化率可知，添加了改良材料的混合土壤整體上對(duì)沙化土壤的傳熱速率有不同程度的促進(jìn)作用，其比例達(dá)到75%。其中，無(wú)機(jī)性和石膏性沙化土地改良材料均使混合土壤的導(dǎo)熱率增大。而綜合性沙化土地改良材料在不同配比下的混合均使沙化土壤的導(dǎo)熱率減小，且隨施加含量的增加而明顯降低。高碳性沙化土地改良材料的添加使土壤導(dǎo)熱率減小或基本不變。

綜合-4~-8 cm土層4種改良材料按不同配比對(duì)沙化土壤傳熱特性的影響效果，其對(duì)沙化土壤導(dǎo)熱率的促進(jìn)作用由大到小依次為：石膏性沙化土地改良材料>無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料>高碳性沙化土地改良材料>綜合性沙化土地改良材料?？梢婐ち１戎卮螅哂懈呶缘姆勰畈牧?，能夠有效阻礙土壤的熱擴(kuò)散，即阻礙熱量向蒸發(fā)面的傳遞，降低蒸發(fā)速率，使植被根系層保持良好的土墑條件，有助于沙化土壤的改良。

圖4　土深-8 cm處添加不同比例各改良材料的混合沙土溫度隨時(shí)間變化

添加比例/%無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料綜合性沙化土地改良材料石膏性沙化土地改良材料高碳性沙化土地改良材料空白組50.32300.21650.20830.24520.214890.22230.19810.23220.21720.2148120.34110.14670.34920.22170.2148

2.2　不同添加比例，不同深度下土壤的傳熱數(shù)據(jù)與分析

由于外加材料含量的多少影響著沙化土壤的結(jié)構(gòu)及孔隙度，進(jìn)而影響土壤的傳熱系數(shù)，因此添加比例的選擇對(duì)不同程度的沙化地區(qū)的治理工作具有重要的意義。分析可得，施加綜合性沙化土地改良材料整體上有利于減小沙化土壤的傳熱速度。將-4~-8 cm的土層添加5%～12%綜合性沙化土地改良材料的瞬時(shí)溫度變化率數(shù)據(jù)列于表3。由表3可以看出，在-4~-8 cm土層處，添加9%的綜合性沙化土地改良材料能夠有效降低沙化土壤的導(dǎo)熱率，且隨深度增加效果越明顯；另外，在-4 cm深添加7%和-8 cm處添加12%的混合土壤導(dǎo)熱率也較空白組有所下降。因此，在該土層范圍內(nèi)，綜合性沙化土地改良材料最適宜的添加比例為9%。說明在對(duì)退化、沙化土壤進(jìn)行修復(fù)的過程中，在土地改良材料的應(yīng)用上要注意因地制宜以及土壤埋深與材料混合比例的問題。

表3　-4~-8 cm處添加5%～12%綜合性沙化土地改良材料的瞬時(shí)溫度變化率數(shù)據(jù)(70 min時(shí))

3結(jié) 論

(1) 沙化土壤由于團(tuán)聚作用弱，含水率幾乎為零，孔隙率低等因素，使它對(duì)熱源照射后的溫度變化表現(xiàn)極端，依賴性也比較強(qiáng)，響應(yīng)迅速，在熱源輻射強(qiáng)時(shí)溫度迅速上升，而加熱消失或變?nèi)鯐r(shí)溫度又迅速下降。

(2)在-4和-8cm土層處，4種材料(無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料，綜合性沙化土地改良材料，石膏性沙化土地改良材料，高碳性沙化土地改良材料)按不同比例(5%，9%，12%)的添加整體上對(duì)沙化土壤的傳熱速度有不同程度的促進(jìn)作用，總體影響沒有0~-4cm顯著。

(3) 在-4 cm土層石膏性和高碳性沙化土地改良材料的施加比例越低，混合土壤的導(dǎo)熱率越小，綜合性沙化土地改良材料組則結(jié)果相反；在-8 cm土層綜合性沙化土地改良材料隨施加比例的增高，土壤導(dǎo)熱率降低。在-4~-8 cm土層，4種材料對(duì)沙化土壤導(dǎo)熱率的促進(jìn)效果由大至小依次為：石膏性沙化土地改良材料>無(wú)機(jī)性沙化土地改良材料>高碳性沙化土地改良材料>綜合性沙化土地改良材料。可見，綜合性沙化土地改良材料和高碳性沙化土地改良材料是對(duì)沙化土壤很好的改良材料。

(4) 在施加單一的沙化土地改良材料時(shí)，需要特別關(guān)注土壤埋深與混合比例，對(duì)于不同程度的沙漠地區(qū)改良與植被修復(fù)具有重要的意義。綜合性沙化土地改良材料在-4~-8 cm土層深度最適宜的添加比例為9%，在該比例下對(duì)降低沙化土壤的導(dǎo)熱率效果較佳。

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Effects of Different Improvement Materials on Heat Transmission of Desertification Soil

ZHANG Luqi, ZHAO Zhanheng, WANG Yujiao, LIANG Yuxiang

(CollegeofChemicalEngineering,SichuanUniversety,Chengdu,Sichun610065,China)

Abstract：[Objective] The objective is researching different land improvement material’s impactions on the heat transmission of desertification soil in order to maintain soil water and control land deserification. [Methods] Using four different improvement materials(inorganic soil improvement material, integrated soil improvement material, gypseous soil improvement material, high-carbon soil improvement material) mixed with desertification soil in different proportions(5%, 7%, 9%, 11%, 12%, respectively). Steady state radiation was presumed as the heat impetus of soil degradation process, temperatures in different soil depths and compositions were measured. [Results] Addition of different materials led to the change of soil thermal conductivity. In the depths of -4~-8 cm, the effects on the thermal conductivity of four materials’ addition in different proportion to the soil were: gypseous soil improvement material>inorganic soil improvement material>high-carbon soil improvement material>integrated soil improvement material. The best proportion of adding the integrated soil improvement material to the soil in -4~-8 cm depth was 9%. [Conclusion] Integrated soil improvement material and high-carbon soil improvement material are better modified materials for improving desertification soil.

Keywords:desertification soil; heat transfer; soil thermal conductivity

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0163-04

中圖分類號(hào)：S152.8

通信作者：梁玉祥(1958—),男(漢族),四川省成都市人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,從事地表生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:lyxgs623b@163.com。

收稿日期：2014-01-14修回日期：2014-04-03
資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多孔層狀硅酸鹽治沙環(huán)境材料構(gòu)型條件”(50872085)
第一作者：張璐琪(1987—),女(漢族),吉林省吉林市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋佧}堿化治理和退化地改良新材料的開發(fā)和應(yīng)用。E-mail:zlqyxwd110@163.com。