季節(jié)性凍融土壤水分遷移規(guī)律的研究_百度文庫

1、土壤和水是自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本資源,與人類的生產(chǎn)和生活密切相關。土壤和水作為一個系統(tǒng),與外部環(huán)境不斷進行著物質(zhì)和能量的交換,同時水分在土水系統(tǒng)內(nèi)也進行著復雜的運動和遷移,且水分運動的同時伴隨著熱量和溶質(zhì)的傳輸。土壤水分是土壤三相組成中最活躍的因素,當土壤溫度降低到土壤冰點時,水分就會發(fā)生相變,因此,季節(jié)性凍土是一種含冰晶質(zhì)的特殊土水系統(tǒng),是由顆粒相互連接而成的多成分多相體系。據(jù)研究,地球上中緯度的大部分地區(qū)受季節(jié)性凍融作用影響。中國季節(jié)性凍土主要分布于北緯30°以北地區(qū),面積為5.137×106km2,約占全國國土面積的54%,且大多屬于干旱、半干旱的水資源短缺地區(qū)。中

2、國北方內(nèi)陸盆地,每年約在11月進入凍結期,凍融作用一直持續(xù)到翌年3月底,歷時5個月左右。在季節(jié)性凍融期,土壤的凍融過程伴隨著水分的相變、凍融土壤的相變及其伴生現(xiàn)象使得本來就不穩(wěn)定的土水系統(tǒng)變得更加復雜。在土壤凍結過程中,凍結區(qū)水分凍結成冰,冰水共存,使土壤水熱狀況發(fā)生變化,土水系統(tǒng)的動態(tài)平衡遭到破壞,水分在土水勢梯度作用下不斷從未凍區(qū)向凍結區(qū)遷移,其結果是凍結區(qū)冰的含量不斷增加,引起土體凍脹。隨著氣候的逐漸變暖,土壤從表層開始融化,而其下面的凍結層阻礙上層融水的下滲,導致上層土壤含水率增加,出現(xiàn)春澇翻漿等現(xiàn)象。也就是說,凍融過程中,土壤的水、熱狀況發(fā)生了劇烈的變化。因此,研究凍融土壤水熱變化規(guī)

3、律是非常必要的。凍融土壤中水分運動作為自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié),在農(nóng)業(yè)、水資源、環(huán)境及人類工程中占有極其重要的地位。1凍融土壤水分遷移對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響土壤凍結過程中的凍脹及融化過程中的沉陷等作用,會給作物根系生長帶來不利影響。在地下水水位埋深較淺的地區(qū),凍結期鹽分隨水分運動遷移至表層,消融期由于水分的不斷蒸發(fā),鹽分便積累在表層,從而出現(xiàn)地表泛鹽和作物因生理脫水而死亡等現(xiàn)象。如內(nèi)蒙古河套灌區(qū),地下水位較高,灌水量大,排水不暢,一年內(nèi)有半年以上時間存在土壤凍結融化現(xiàn)象,地表鹽分較高,對春小麥的播種和苗期的生長十分有害。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤是陸生植物的水分源泉,熱量則是生物賴以生存、繁衍的基礎。土壤

4、中許多物理的、化學的和生物的過程都需要在一定的水分、溫度下進行,水分、熱量條件是影響植物分帶及作物產(chǎn)量的決定性因素。在我國北方的大中型灌區(qū),絕大部分冬春灌溉都是在地表負積有凍層的條件下進行的,冬春灌溉后土壤水分的保持和遷移,農(nóng)田灌溉合理灌水技術參數(shù)的確定都與土壤水分運動密切相關。而且隨著水資源的日益緊缺,我國農(nóng)業(yè)用水面臨的問題極為嚴峻,農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和高效用水已成為全社會關注和重視的問題之一,如何合理高效地利用土壤水資源與掌握凍融土壤水分遷移規(guī)律密不可分,如在中國北方地區(qū)春季造林要把握造林時機和栽植樹苗深度。在地下水深埋區(qū),進行秋冬灌溉儲水,可以充分利用土壤凍融作用對土壤剖面水分再分布,使土壤在

5、溶解后保持較好的墑情,滿足春小麥生長的需要。2凍融土壤水分遷移在水資源評價中的作用水資源是人類賴以生存的自然資源之一,當今世界面臨的人口、資源、環(huán)境和生態(tài)四大問題無不與水密切相關,其不僅是工農(nóng)業(yè)的命脈,也是國民經(jīng)濟的命脈。隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展,人類社會對水的需求愈來愈迫切,水資源已經(jīng)成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的至關重要的制約因素。地球上的“四水”(大氣降水、地表水、土壤水和地下水處于不斷的循環(huán)和轉化之中,非飽和土壤水將地表水和地下水聯(lián)系起來,土壤水分入滲、遷移、騰發(fā)與轉化是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),研究其規(guī)律對于地下水資源的補給與消耗的確定以及地表水資源與地下水資源的合理開發(fā)利用具有重要意義,在“四

6、水”轉化關系的研究中具有重要地位。如在地下水資源的評價與計算中,潛水蒸發(fā)、河渠補給和灌溉入滲補給是其補給及消耗項的主要組成部分。非凍融條件下上述各項資源量的計算依據(jù)研究較為深入,而凍融條件下的有關參數(shù)的研究甚少。凍融土壤的水分運動規(guī)律的研究可以為季節(jié)性凍融期潛水蒸發(fā)量、河渠補給量和灌溉入滲補給量的計算提供依據(jù),有助于合理評價地下水資源。此外,與地表凍融有關的工程凍脹、鹽脹、土壤中污染物遷移等問題的解決也依賴于凍融條件下土壤水分運動的研究。同時,凍融土壤水分遷移的研究對于土壤鹽堿化防治具有重要意義。3凍土水分遷移研究進展3.1凍土學研究概況關于凍土學較為系統(tǒng)的研究始于19世紀末期,1890年俄國

7、成立了凍土研究委員會,開始對凍土進行比較廣泛的研究。進入20世紀以后,在前蘇聯(lián)時代,凍土學研究發(fā)展較快,研究問題涉及凍土物理學、凍土力學、土壤水熱改良、工程穩(wěn)定性等。在美國、加拿大等國家從20世紀中期開始,由于自然資源的開發(fā)推動了凍土學研究的不斷發(fā)展。1963年舉行了第一屆國際凍土大會(International Conference on Permafrost,簡稱ICOP,標志著凍土學的研究進入了新的階段。此后從1973年起每隔5年舉行一次ICOP,以交流各國在凍土學領域內(nèi)的研究成果。在1983年舉行的第四屆ICOP上,由中、俄、美、加四國倡議成立了國際凍土協(xié)會(International

8、 Permafrost Association,簡稱IPA。我國的凍土學研究在新中國成立后才開始起步,但發(fā)展較快,目前在凍土方面的研究已達到世界先進水平。從20世紀60年代開始,先后有東北水利科學研究院、長春水利科學研究所、哈爾濱工業(yè)大學土木工程系、北京建筑科學研究院以及中國科學院蘭州冰川凍土研究所等開展了凍土學方面的研究。進入70年代后,鐵路、交通、水利和林業(yè)等部門的有關單位逐步開展了有關的現(xiàn)場觀測工作。1982年成立了中國地理學會冰川凍土分會,并舉行全國冰川凍土學大會,交流國內(nèi)外相關領域的研究進展,對推動凍土學的研究起到了很大的促進作用。其后,中國科學院蘭州冰川凍土研究所開展了較為系統(tǒng)的相

9、關室內(nèi)試驗研究。3.2季節(jié)性凍融土壤水分遷移研究存在的問題季節(jié)性凍融土壤水分遷移規(guī)律的研究*呂棚棚(山西省水利科學研究所,山西太原,030002摘要:論述了季節(jié)性凍融土壤水分遷移對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,探討了凍融土壤水分遷移在水資源評價中的作用,同時介紹了凍土學研究進展。關鍵詞:凍融土壤;水分遷移;土壤水資源中圖分類號:S152.7文獻標識碼:A161!凍融土壤水分遷移規(guī)律的研究是凍土學的研究內(nèi)容之一,目前主要研究成果有:周德源對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)季節(jié)凍土水分遷移規(guī)律作了研究;張立杰采用野外試驗手段,通過氣象、包氣帶土壤水分含量及土水勢能的觀測分析,研究了季節(jié)性凍融土壤水分在凍融過程中的遷移規(guī)律及潛水的

10、形成特征;尚松浩等對凍融土壤水、熱耦合遷移的數(shù)值模擬方法進行了改進;高永等研究了土壤凍結過程中水分遷移動向;李偉強研究了硬殼覆蓋條件下凍融期土壤水鹽運動規(guī)律;鄭秀清等根據(jù)土壤中能量和質(zhì)量守衡定律、地表能量平衡及空氣動力學理論建立了凍融條件下土壤水熱耦合遷移模型;郭占榮等分析了凍結期和凍融期土壤水分遷移特征;劉海昆以北方凍土的實驗資料,對凍土的變化過程進行了分析,并就凍土對土壤水分的動態(tài)影響進行了綜合分析;朱春鵬等對季節(jié)凍土區(qū)高速公路路基土中的水分遷移變化進行了分析。綜合現(xiàn)有研究成果,凍融土壤水分遷移規(guī)律的研究有以下問題亟待解決:一是研究成果地表條件單一,沒有考慮地表條件對水分遷移的影響;二是用

11、以直接解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際問題的成果相對薄弱;三是凍融期淺層地下水和土壤水之間轉化關系的研究較薄弱。4結語凍融土壤水分遷移的研究在水資源評價、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及土壤鹽漬化防治等方面具有重要意義。在季節(jié)性凍土分布區(qū),非飽和帶的土壤水分狀況主要取決于凍融期不同地表條件下土壤水分的運動與保持特點,探索不同地表條件下的土壤水分遷移轉化規(guī)律,探索合理可行的土壤水資源高效利用措施,對于解決干旱、半干旱氣候區(qū)水資源供需矛盾,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分重要。地表覆蓋(如地膜、秸稈、地表植被(冬小麥、燕麥草等地表處理條件下土壤剖面含水率變化特征有待今后進一步的研究。*本文為國家自然科學基金資助項目(40472132的研究成果

12、之一。(責任編輯:邱婭男第一作者簡介:呂棚棚,男,1981年1月生,2003年畢業(yè)于太原理工大學水利系,助理工程師,山西省水利科學研究所,山西省太原市,030002.Research on the Regularity of Moisture Movement in Seasonal Freeze-thaw SoilsLU Peng-pengABSTRACT:This paper expounds the influences of moisture movement in seasonal freeze-thaw soils on the agricultural production,pr

13、obes into the functions of moisture movement in freeze -thaw soils in the water resource evaluation,and introduces the progress of the research on cryopedology.KEY WORDS:freeze-thaw soils;moisture movement;soil water resource“科學革命的實質(zhì)是某一自然研究領域內(nèi)占主導地位的科學觀念發(fā)生了重大更替。這里,科學觀念指的是作為該領域科學研究基礎的那些形而上的知識成分。它與具體理論

14、相比具有總括性、規(guī)范性、抽象性、穩(wěn)定性和信念性等特點?！?我們認為,科學革命實質(zhì)是科學思維方式的變革?？茖W思維方式在一定意義上是指思維主體的認識定式和認識運行模式,它不僅表現(xiàn)為思維傾向、思維運作的“邏輯”等諸多“精神定向”的方面,而且還表現(xiàn)為對一定歷史時期的科學活動起引導和規(guī)范作用,包括為科學研究活動提供一套科學信念、基本原理、理論模式和操作方法等,因而它是一定歷史時期科學活動和科學理論的思維基礎和邏輯前提?？茖W思維方式的本質(zhì)決定了它不可能脫離科學活動和科學發(fā)展而孤立存在,二者是一個雙向互動的過程?？茖W發(fā)展的深層本質(zhì)即是科學思維方式的變革,或者說科學革命是科學思維方式變革的結果。1關于科學革命

15、的爭論1.1有無科學革命的爭論關于有無科學革命的爭論,一直以來并沒有一致的觀點,目前主要存在著3種觀點:(1科學漸進論。歸納主義者認為科學的發(fā)展是絕對真命題的積累,隨著經(jīng)驗觀察深入,科學知識呈現(xiàn)出量的積累,沒有革命、中斷和質(zhì)的飛躍。如1960年美國E內(nèi)格爾在科學的結構中提出,科學發(fā)展表現(xiàn)為“一個相對自足的理論為另一個內(nèi)涵更大的理論所吸收,或者歸化到一個內(nèi)涵更大的理論?！眱?nèi)格爾認為有兩種形式歸化:一是同質(zhì)歸化。在這種歸化中,一條定律被歸并到并利用出現(xiàn)在該定律中的、實質(zhì)上相同的概念的一個理論中去,如伽利略落體定律被歸并到牛頓力學中。二是異質(zhì)歸化。異質(zhì)歸化是“一條定律通過演繹包容在一個缺乏表達該定律所用的一些概念的理論內(nèi)”,如經(jīng)典熱力學統(tǒng)計力學。(2科學革命論。持這種觀點的學者認為,科學是通過一系列的革命而進步的。按照這種模型,比通常增長量大很多的科學發(fā)展,例如牛頓、拉瓦錫、達爾文、盧瑟?；驉垡蛩固沟热说目茖W活動,可以構成了一場革命;革命的發(fā)生是一個又一個本身很小的進步累積而成的。然而,如此重要的科學領域中的