耕作力学研究的土壤结构及其评价方法

论文摘要

土壤耕作力学的核心任务是调控农地的土壤生物环境，因此，需要利用工程的理论与方法去认识、描述以土壤结构为中心的土壤生物环境，并进而建立力学的、机械的因素以及管理措施与农地土壤结构形成之间的联系，从而最终实现通过合理的耕作提供最佳的苗床，促进农业生产。耕作力学是建立在拓展的土壤结构定义基础上的。由于土壤结构直接关系到土壤中水的入渗、传导、存储，影响着溶质的运移以及气体的交换与传导，从而决定着植物、生物及微生物群落生存环境的好坏。因此，研究土壤耕作是一个改善土壤生物环境的重要途径。以土壤生物环境为对象的耕作力学的研究方法必须同时注重室内的与室外的实验手段的使用。室内的研究方法关注人工结构土壤基的制作、人工结构土壤基土壤结构的生成及其在力学与模拟环境因子作用下的演变及动力学过程，从而能够在可控的量化的基础上为描述大田土壤的结构表现提供参考。室外的对于土壤结构的研究包括农地土壤的调查以及在大田中进行实际的耕作研究，从而描述在大田真实环境下土壤结构的表现及其动力学规律。本文首先在南京的周边地区进行农地的土壤结构状况调查，结果显示，在一定的条件下农地土壤表现出明显的结构性特征，而且这种结构表现在水坝农地明显地体现为机械耕作的特征，而在林场则明显体现为生物学特征。水坝农地的机械耕作能够生成致密的土垡，这种致密的土垡能够在一个作物季内被完整地保存。致密土垡阻碍作物根系的穿透，同时也必然对水与溶质的传递与分布带来不良影响，这也影响到土壤生物群落的发展。机械耕作对于土壤生物环境的不良影响可以通过对根区土壤结构及作物根系的发育形态的定性观察体现出来。与此不同的是，林场的农地具有良好的土壤结构性表现，其土壤的生物环境具有良性的循环。在南京地区农地的定性调查研究为提出土壤的广义结构概念提供了前提条件。土壤的广义结构由土壤单粒、复粒、团聚体、耕作生成的土垡等所有尺度范围的土壤颗粒构成，是土壤颗粒的空间排列或拓扑关系。这种土壤颗粒间的空间拓扑关系决定着土壤结构的动力学稳定性，同时也决定着颗粒间孔隙网络的空间构成，从而在最根本上决定着水、溶质、气体的运移，以及以此提供的土壤生物环境的好坏。本文针对土壤耕作力学的最基本问题—土壤的破碎—提出了土壤结构多尺度多分辨率分析的应力小波方法，该方法在物理意义上与小波理论具有良好的一致性。应力小波理论运用了小波分析的理念，该理论同时考虑到冲击破碎过程中的尺度与能量分布的特点，并将二者综合运用到破碎分析的过程中，从而能够真正体现出多尺度多分辨率分析的优势，为冲击破碎法分析土壤结构提供了全新的思想。室内的实验研究显示，应力小波分析方法具有很好的稳定性。室内实验除了验证应力小波理论外，还进行了人工结构土壤基制作的初步探索。在进行冲击破碎实验时发现，与自然条件的土块相比，人工结构土壤基具有不同的结构性表现，这种不同的结构性表现体现在冲击破碎的能量以及破碎后的土壤碎块形态上。除室内实验外，本文进一步进行了室外耕作实验，实验在南京郊区盘城镇的农地进行，其目的也是对于应力小波理论进行进一步的验证。结果发现，与土壤破碎相关的指标可以分为两类：土壤破碎的统计学指标与力学指标。在与分形学的土壤结构分析的对比中发现，应力小波指标与分形学指标描述了土壤结构的不同方面。分形学描述的是土壤结构的统计学表现，而应力小波描述的是土壤结构的力学性质表现。在与其他的土壤破碎相关指标进行比较中发现，土壤颗粒的分形维数与土壤破碎体的单粒能量消耗易于获得并且更加敏感，因此，将二者的组合运用能够比较完整地描述土壤结构的状态。两种方法都能够显示，冬季的土壤动力学过程明显地改善了土壤的结构。与春季耕作的土壤相比，秋季耕作的土壤具有更高的颗粒破碎度，同时，其表面结合能也显著低于春季耕作的土壤。这能够表明，机械耕作并不是改善农地土壤结构的唯一途径，农地土壤的结构调控还需要重视环境的甚至是气候的因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.土壤的结构与土壤结构的功能
• 1.1.农业土壤的结构
• 1.1.1 土壤结构的农业与耕作力学定义
• 1.1.2 土壤结构的形成
• 1.2.土壤结构的功能
• 1.2.1.耕作力学所关注的土壤结构的内涵
• 1.2.2.耕作力学决定的土壤结构的功能表现
• 1.3.现代的土壤耕作力学研究方法
• 1.4.现代土壤耕作力学研究的特征
• 1.4.1.土壤结构研究的困难性
• 1.4.2.土壤结构与其功能的研究方法
• 1.5.土壤耕作力学的任务
• 1.5.1.量化描述土壤结构
• 1.5.2.展示土壤的最佳结构状态
• 1.5.3.探求最优的土壤耕作方法
• 1.5.4.土壤结构的过程管理,土壤结构的维持与保护
• 1.6.结论
• 1.7.本文的研究思路、研究方法与意义
• 1.7.1.现代土壤耕作力学理论体系的提出
• 1.7.2.农地土壤结构的调查研究
• 1.7.3.土壤结构的多尺度多分辨率分析
• 1.7.4.全方位展示现代土壤耕作力学内涵的努力
• 1.8.本文的创新点
• 第二章 南京周边地区土壤结构状态的实地调查
• 2.1.农地土壤结构实地调查的必要性与特点
• 2.1.1.土壤学的农地调查方法
• 2.1.2.农地土壤结构调查的必要性
• 2.1.3.土壤结构农地调查的特点
• 2.2.材料与方法
• 2.3.结果与讨论
• 2.3.1.两地土壤条件对比与实地观察
• 2.3.2.土壤结构状态的比较
• 2.3.3.两地作物根系的发育形态
• 2.4.土壤广义结构
• 2.4.1.土壤广义结构的提出
• 2.4.2.土壤广义结构的功能
• 2.5.土壤广义结构与作物生长
• 2.6.土壤广义结构与物质传递
• 2.7.结论
• 第三章 应力小波:利用冲击破碎法的多尺度多分辨率土壤结构评价
• 3.1.利用冲击破碎法研究土壤结构的问题提出
• 3.2.传统冲击破碎方法的局限
• 3.3. 应力小波—利用冲击破碎法进行土壤结构多尺度多分辨率分析的原理
• 3.3.1.小波分析
• 3.3.2.小波分析与土壤冲击破碎过程的相似性
• 3.4.材料与方法
• 3.4.1.人工结构土壤基的制备
• 3.4.2.冲击破碎装置
• 3.5.结果与讨论
• 3.5.1.自然土垡的破碎
• 3.5.2.人工结构土壤的破碎
• 3.6.结论与建议
• 第四章 土壤结构的分形学描述与应力小波描述方法的比较
• 4.1.土壤耕作力学对于土壤结构描述的需求
• 4.2.土壤结构的分形学描述的历史发展与应力小波描述的必要性
• 4.3.材料与方法
• 4.4.结果与讨论
• 4.4.1.土壤颗粒的分形维数
• 4.4.2.土壤的小波分析特征
• 4.4.2.1.比冲击破碎能
• 4.4.2.2.土壤破碎体的单粒能量消耗
• 4.4.2.3.土壤的破碎分形维数
• 4.4.2.4.土壤颗粒体比表面结合能
• 4.5.结论
• 第五章 结论与建议
• 附录
• 在校期间论文发表情况表
• 致谢