不同沙化土地改良材料對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 化學工程學院， 四川 成都 610065)

不同沙化土地改良材料對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 化學工程學院， 四川 成都 610065)

摘要：[目的] 研究不同土地改良材料對沙化土壤熱量傳遞關系的影響，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(無機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%)與沙化土壤進行混合配制，通過模擬穩態輻射作為土壤沙化過程的熱推動力，測定不同土層深度，不同成分的沙化土壤溫度。[結果] 不同材料的添加導致土壤導熱率發生改變；在-4～-8 cm土層，4種材料以不同比例添加至沙土中后，對導熱率的影響為：石膏性沙化土地改良材料>無機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最適宜的添加比例為9%。[結論] 綜合性沙化土地改良材料和高碳性沙化土地改良材料對沙化土壤的改良效果較佳。

關鍵詞：沙化土壤; 熱量傳遞; 土壤導熱率

若爾蓋草原是黃河上游的重要源頭水源區，對黃河上游的水源涵養與補給及生態平衡的維持起著極其重要的作用。若爾蓋草原不僅對區域氣候變化響應強烈，而且對改善區域生態環境和保障區域社會經濟可持續發展具有重大意義。然而近年來，若爾蓋氣候呈現出變暖趨干的特征，草地沙化速度顯著加快，年均遞增率高達14.11%[1]，如何保墑治沙已成為現今面臨的最為嚴重的生態環境問題之一。對土壤進行水、氣、熱平衡調控是土壤退化及沙化治理領域的關鍵技術之一，其中對土壤熱特性的研究是最重要的一個因素。目前，國內外學者對退化土壤的熱特性研究已經進行了大量的工作[1-5]，但仍存在一些局限：一是偏重于對野外開放性環境下的特定區域進行沙化成因或主導因子的研究；二是研究多從理論和試驗上證實土壤熱特性與其含水率、含鹽量及水吸力等因素間的相關性，但在如何改善土壤傳熱特性上的研究上則較少；三是對退化、沙化土壤的修復過程、機理及影響因素研究工作不足。

地—氣界面的熱量交換是維持土壤生態體系平衡的要素之一。若將土壤視為控制體[6]，根據“三傳原理”，土壤通過其控制面與外界環境進行能量、質量以及動量傳遞。太陽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，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熱率。根據二者的關系，可以用熱擴散率(K)來表示[7]

(1)

式中：K——土壤熱擴散率(m2/s)；λ——土壤的熱導率〔W/(K·m1)〕；CV——土壤體積熱容量〔J/(K·m3)〕。土壤導熱率取決于土壤固、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和溶質運移、轉化的直接推動力。對于只考慮垂直一維熱流，各向同性的均質連續介質，土壤內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的溫度梯度：

(2)

式中：q——熱通量﹝J/(s·cm2)﹞，即單位時間通過單位截面面積的熱流；T——土壤絕對溫度(℃)；z——土壤中垂直坐標(cm)(向下為正)；負號表示熱流的方向是指向溫度下降的方向。當土壤內熱量的流失與補償達到滿足植物正常生長的平衡時，便為土壤良性循環過程的建立提供了條件。

1材料與方法

1.1　試驗材料的采集和處理

本文選取若爾蓋地區典型沙化樣地進行研究。取樣時采用對角線法，將所選的每個采樣單元按對角線分割并選定5個不同的取樣點，在每個取樣點處取表層，10和20 cm土樣各50 g，每個取樣單元共取樣5次。將所取取樣點表層，10和20 cm土樣分別混合，重復此操作直到取樣完成。分別將樣品袋裝，并帶回實驗室，沙化土壤樣品在室內自然風干后，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核、石灰結核或石子等，磨細，篩分，選擇粒徑在60目以下的土壤放置于干燥處，備用。試驗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、無機性沙化土地改良材料及石膏性沙化土地改良材料。

1.2　試驗方法

在野外自然條件下，太陽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)。本試驗選擇在室內進行，采用非穩態方法[5]，監測在穩定的空氣流動及固定功率供熱情況下，試驗土柱中不同土壤內的熱特性隨時間瞬時變化的過程。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動減到最小，而不需要長時間等待熱梯度恒定。試驗裝置如圖2所示。

圖1　野外土壤熱量傳遞系統示意圖

圖2　豎直一維土柱熱特性試驗系統

2結果與分析

2.1　4種材料以不同比例添加到沙化土壤的傳熱數據分析

土壤作為植物生長最重要的外部環境，土壤溫度則是對植物種子萌發、出苗、消長、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，因而對植物的影響也大不相同[8]。Fourier熱傳導方程公式(2)中土壤的熱傳導系數與土壤的質地、孔隙度和組成成分相關，因此不同改良材料的選擇和添加比例會直接影響著沙化土壤的傳熱過程，進而關系到地表生態環境與植被的生長狀況。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間均存在明顯的正相關關系，對熱源加熱的依賴性較強，響應迅速，在光照進行了大概10 min后開始形成顯著的溫度梯度。而在前10 min內，由于土壤孔隙內仍殘留少量的水分，熱量經傳導到達該層后首先用于水汽的蒸發并帶走了一部分熱量，溫度表現出微小的下降趨勢。對圖3混合土壤溫度曲線進行線性擬合，經比較發現，二次多項式與試驗數據擬合精度良好，相關系數R2平均值達0.988 8，因次選擇二次多項式為最佳趨勢方程。

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間變化

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

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

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

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處土壤溫度隨時間變化幅度較小。在50 min之內，-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，在垂直方向上產生的溫度梯度使土柱由表層向深層形成了一個明顯的熱滲透區。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，而由于熱傳導的滯后效應，-8 cm處土壤的溫度梯度仍然很大，溫度還將繼續上升。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時的溫度瞬時變化率可知，添加了改良材料的混合土壤整體上對沙化土壤的傳熱速率有不同程度的促進作用，其比例達到75%。其中，無機性和石膏性沙化土地改良材料均使混合土壤的導熱率增大。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沙化土壤傳熱特性的影響效果，其對沙化土壤導熱率的促進作用由大到小依次為：石膏性沙化土地改良材料>無機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。可見黏粒比重大，具有高吸水性的粉末狀材料，能夠有效阻礙土壤的熱擴散，即阻礙熱量向蒸發面的傳遞，降低蒸發速率，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間變化

添加比例/%無機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據與分析

由于外加材料含量的多少影響著沙化土壤的結構及孔隙度，進而影響土壤的傳熱系數，因此添加比例的選擇對不同程度的沙化地區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溫度變化率數據列于表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%的混合土壤導熱率也較空白組有所下降。因此，在該土層范圍內，綜合性沙化土地改良材料最適宜的添加比例為9%。說明在對退化、沙化土壤進行修復的過程中，在土地改良材料的應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溫度變化率數據(70 min時)

3結 論

(1) 沙化土壤由于團聚作用弱，含水率幾乎為零，孔隙率低等因素，使它對熱源照射后的溫度變化表現極端，依賴性也比較強，響應迅速，在熱源輻射強時溫度迅速上升，而加熱消失或變弱時溫度又迅速下降。

(2)在-4和-8cm土層處，4種材料(無機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%)的添加整體上對沙化土壤的傳熱速度有不同程度的促進作用，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，混合土壤的導熱率越小，綜合性沙化土地改良材料組則結果相反；在-8 cm土層綜合性沙化土地改良材料隨施加比例的增高，土壤導熱率降低。在-4~-8 cm土層，4種材料對沙化土壤導熱率的促進效果由大至小依次為：石膏性沙化土地改良材料>無機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，需要特別關注土壤埋深與混合比例，對于不同程度的沙漠地區改良與植被修復具有重要的意義。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%，在該比例下對降低沙化土壤的導熱率效果較佳。

[參考文獻]

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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

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0163-04

中圖分類號：S152.8

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

收稿日期：2014-01-14修回日期：2014-04-03
資助項目：國家自然科學基金項目“多孔層狀硅酸鹽治沙環境材料構型條件”(50872085)
第一作者：張璐琪(1987—),女(漢族),吉林省吉林市人,碩士研究生,研究方向為土地鹽堿化治理和退化地改良新材料的開發和應用。E-mail:zlqyxwd110@163.com。