土壤植物连续体中水分运移过程的电容响应特性与成像监测方法研究

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1、南京大学博士学位论文土壤．植物连续体中水分运移过程的电容响应特性与成像监测方法研究博士研究生：吴世艳指导教师：周启友教授专业名称：地下水科学研究方向：SPAC、水文地球物理南京大学地球科学与工程学院2010年7月ADissertationsubmittedtoNanjingUniversityforDegreeofDoctorofScienceStudyonResponseCharacteristicsandTomographicMonitoringofElectricalCapacitancefo

2、rWaterTransferProcessesinSo丑．PlantContinuumPostgraduate：ShiYanWUSupervisor：Prof．QiYouZhouSpeciality：GroundwaterSciencesSubject：SPAC，HydrogeophysicsSchoolofEarthSciencesandEngineering，NanjingUniversityJuly,2010摘要毕业论文题目：圭蕉：垫堑垫筮签主坐金鎏壁垫堡鲍垫窒堕廛壁：睦鱼盛堡些型壅鎏盟宝些工

3、坐登鲎-(r,_$_—20—07博士生姓名：暴壁整指导教师(姓名、职称)：周廛塞熬撞对土壤．植物．大气连续体(SPAC)中水分运移过程的研究是认识土壤、植物和大气各圈层之间水热相互作用过程和建立统一的物质和能量传输模型的重要基础，是目前国内外研究的热点问题，但却很少有从电容特性的角度系统地研究SPAC中水分传输过程的报道。因此，研究SPAC中水分传输过程的电容响应特性，并通过电容监测对水分传输过程进行成像分析，是对SPAC中水分传输过程传统研究方法的一种补充和完善，为测定水分运动参数、建立SPAC中

4、水分传输过程的统一模型和证实已有的相关模型提供了一种新的手段。本研究首先探讨了电容方法在多孔介质含水量测定中的有效性问题。通过实验室中不同粒径砂样的批量实验，在砂样由饱和到干燥的过程中，测量砂样的重量和不同电极组合的电容值，探讨了基于电容测量所获得的视介电常数和含水量之间的关系，分析了影响视介电常数和含水量之间关系的因素，如测量频率、电极安装模式、土壤粒径等。其次，通过室内实验研究了土壤．植物连续体水分传输过程中的电容时空变化特征。实验在一棵盆栽银杏树上进行，在根区土壤和银杏树树干上分别安装了电极，

5、并使其与电容测量设备相连，连续测量根区土壤、树干和土壤．树干间的电容值，同时用TDR间断测量根区土壤的含水量。实验持续了50天左右，其间在根区土壤处进行了六次灌溉。根据所获得的电容数据，计算了不同电极组合条件下的视介电常数，再分别根据土壤含水量与介电常数之间的经验公式、植物含水量与介电常数之间的经验公式，获得了不同电极组合在不同时刻的含水量值。根据所得的含水量，以成像的方式分析了土壤含水量和树干含水量的空间分布特征，探讨了不同饱和条件下根区土壤的含水量变化率问题，并由此对土壤含水量变化率的空间分布特

6、征进行了分析。，最后，本研究采用上述所建立起来的电容方法在南京中山植物园内对原位土壤含水量摘要的空间分布和植物水分状况的时间变化过程进行了监测，分析了所提出的电容方法在现场应用中存在的问题，提出了相应的建议。通过上述研究获得了如下成果：(1)电容在多孔介质含水量测定中的有效性实验表明，即使使用杆状电极，以1kHz频率测量的电容，也反映出了所得视介电常数与含水量之间的良好关系。虽然电极安装方法和土壤粒径确实在某种程度上影响了视介电常数的绝对值，但视介电常数和含水量之间的良好关系仍然存在。这一结果表明针

7、对介电常数的电容测量方法可以广泛推广应用，特别是当对平行电极的要求难以满足的时候更是如此。(2)电容在土壤．植物连续体的室内实验表明：这个实验过程中土壤电容的时间变化过程可以分为六个阶段，在每个阶段电容都是由局部最小值迅速增大到局部最大值，随后随着时间的延续电容值逐渐减小，这恰好与根区土壤六次灌溉后的饱和与干燥过程相对应。在相同的灌溉量下，同一电极对的电容在六次灌溉后所得的局部最大值都有所不同，反映了每次灌溉前土壤水分含量的差异。灌溉前土壤越潮湿，在同量灌溉后的土壤湿度也越大，电容值也就越大。根据电

8、容所获得的根区土壤含水量与电容具有同样的时间变化规律，且在空间分布上二者也相互吻合。在灌溉后的0．1小时内，大部分区域或全部测量区域都达到了近饱和的状态，而在灌溉之后的几天，在根区土壤的中心部位均出现了十字形的高含水量区，在一定程度上反映了植物根系在土壤中的分布情况。这说明所采用的测量方法是有效的，电容能很好地反映根区土壤的水分变化情况，根据电容计算含水量的方法是可行的。因此，电容可以用作反映根区土壤含水量大小的参数而使用，并可用于识别土壤中植物根系的空间分布。(3)