資源-環(huán)境-植物系統(tǒng)中熱物理問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要本文根據(jù)資源一環(huán)境一植物系統(tǒng)(REPS)的概念，全面分析了該系統(tǒng)中的能量流和物質(zhì)流，從系統(tǒng)的角度來(lái)研究其中的幾個(gè)熱物理問(wèn)題，如土壤溫度的日變化規(guī)律，氣溫和土溫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤中熱濕遷移的影響，作物生長(zhǎng)的土壤中的氧氣濃度場(chǎng)以及土壤水分運(yùn)移的溫度效應(yīng)等。具體內(nèi)容如下:1‘當(dāng)假設(shè)土壤表面溫度為周期性日變化時(shí)，得到了未耕作土壤溫度日變化的解析解，發(fā)現(xiàn):土壤溫度亦呈現(xiàn)出以日為周期的變化規(guī)律，而

2、且土壤溫度的波幅隨著深度呈指數(shù)函數(shù)迅速衰減，峰值滯后時(shí)間與深度呈線性關(guān)系。進(jìn)一步的研究表明:土壤熱擴(kuò)散率對(duì)土溫日波幅以及峰值滯后時(shí)間有著很大的影響，土壤表面溫度波動(dòng)的影響深度隨著熱擴(kuò)散率的增大而增大，而隨著土壤熱擴(kuò)散率的增大，相同深度處的土壤溫度的滯后時(shí)間則變短。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了土壤溫度的日變化，并指出可以用三階傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示其日變化規(guī)律。2.數(shù)值模擬的結(jié)果顯示:(I)在周期性變化的氣溫和太陽(yáng)輻射作用下，不同條件下土壤溫度的響應(yīng)特

3、性不同。(2)隨著深度的增加，土壤溫度受氣溫和太陽(yáng)輻射的影響變小，溫度變化的滯后效應(yīng)越來(lái)越明顯。(3)在夏天，一天的大部分時(shí)間，土壤表層的溫度高于深層的溫度而在冬天則恰恰相反。(4)風(fēng)速對(duì)土壤表層的溫度影響較大.風(fēng)速越大，土壤溫度降低得越多。(5)干燥氣候下，由于水分蒸發(fā)的降溫作用，一天中土壤各點(diǎn)的溫度低于濕潤(rùn)氣候下各點(diǎn)的溫度，這在土壤表層尤為明顯。3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣溫和士溫對(duì)對(duì)花卉(試驗(yàn)植物:黑心菊)生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)溫室栽培能夠促進(jìn)

4、黑心菊地上部的生長(zhǎng)單不利于其根系的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致較小的根冠比同樣土壤溫度的較小差異就會(huì)對(duì)黑心菊根系和地上部的生’本文研究接受國(guó)家自然科學(xué)基金資助(1)REPS系統(tǒng)中的熱物理問(wèn)題研究(No.59976010)(2)土壤次生鹽潰化過(guò)程的機(jī)理研究和模型預(yù)報(bào)(No.50376015)華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractInthepresentpaperweputforwardtheconceptofResourcesEnvironmentP

5、lantSystemandgiveananalysisofthemassflowandenergyflowinthissystem.Inourstudieswefocuseonseveralthermophysicalproblemssuchasthedailyvariationofsoiltemperatureeffectsofatmospherictemperatureandsoiltemperatureonplantgrowtha

6、nddevelopmentimpactsofenvironmentalfactorsonthesimultaneoustransferofheatandmoistureincroppedsoiltheoxygenconcentrationfieldincroppedsoilandthetemperatureeffectonsoilmoisturetransportandsoon.Thedetailsareshownbelow:1.Ont

7、hebasesofneglectingconvectionandphasechangeheattransfermodesandassumingthattheunculturedsoilwasasemiinfiniteuniformmediumananalyticalsolutiontothedailyfluctuationofsoiltemperatureandacorrelationbetweenthedailyamplitudeof

8、soiltemperatureandsoildepthareobtainedbysolvingtheonedimensionaltransientheatconductionequation.Theresultsshowthatsoiltemperaturesexhibitaonedayperiodfluctuationwiththedailyvariationofgroundsurfacetemperature.Meanwhileth

9、eamplitudeofsoiltemperaturedecreasesrapidlyinanexponentfunctionmannerwithsoildepthandthepeakvaluelagtimehasalinearcorrelationwithsoildepth.Furtherinvestigationdemonstratesthatsoilthermaldiffusivityhasasignificantinfluenc

10、eonthedailyamplitudeandthepeakvaluelagtime.Thedepthimpactedbythevariationofgroundsurfacetemperatureincreaseswiththeincreaseofsoilthermaldifusivitywhilethelagtimeofsoiltemperaturedecreaseswiththeincreaseofsoilthermaldiffu

11、sivity.FinallywecarriedoutmeasurementsofthedailyvariationsofsoiltemperatureatdifferentdepthsandfoundthatthedailyvariationofsoiltemperaturecouldbefittedbythreeorderFouriersseries.2.Byemployingthemathematicalmodelestablish

12、edtodescribeheatandmasstransferinporousmediasimulativecomparisonsontheresponsesofsoiltemperatureunderdifferentconditionssuchassummerandwinterambientwindvelocityoflmsand4msandambientrelativehumidityof35%and85%havebeencond