資源-環(huán)境-植物系統(tǒng)中熱物理問題的理論與實(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)的角度來研究其中的幾個(gè)熱物理問題，如土壤溫度的日變化規(guī)律，氣溫和土溫對植物生長的影響，環(huán)境因子對作物生長的土壤中熱濕遷移的影響，作物生長的土壤中的氧氣濃度場以及土壤水分運(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)，通過實(shí)驗(yàn)測量了土壤溫度的日變化，并指出可以用三階傅里葉級數(shù)來表示其日變化規(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輻射的影響變小，溫度變化的滯后效應(yīng)越來越明顯。(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)的溫度低于濕潤氣候下各點(diǎn)的溫度，這在土壤表層尤為明顯。3.通過實(shí)驗(yàn)研究了氣溫和士溫對對花卉(試驗(yàn)植物:黑心菊)生長的影響，發(fā)現(xiàn)溫室栽培能夠促進(jìn)

4、黑心菊地上部的生長單不利于其根系的生長，從而導(dǎo)致較小的根冠比同樣土壤溫度的較小差異就會對黑心菊根系和地上部的生’本文研究接受國家自然科學(xué)基金資助(1)REPS系統(tǒng)中的熱物理問題研究(No.59976010)(2)土壤次生鹽潰化過程的機(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