第一章 绪论
1.1目的及意义
土壤中发生的绝大多数生物反应都消耗氧，并产生作为一种副产物的二氧化碳。这个一般的过程称为好气性呼吸作用，使得土壤通气成为对植物生长的一个重要问题。土壤通气对高等植物的作用一般地可以分为两个范畴：第一，对影响植物生长的土壤组分的作用；第二，对植物生理条件的直接影响。在土壤中缺乏足够的氧时，形成硫化物、低铁和低锰的化合物；有机物质被还原成醇类、醛类或者甲烷，并能出现氢气。同时，必需的硝酸盐被还原成有害的亚硝酸盐或游离态氮气。大多数高等植物，为了它们根系的正常发育，要求适当的土壤通气。一条生长着的根不断地利用氧和产生二氧化碳，它的生长速率可能受到有效氧数量的限制。在通气不良的土壤中，根的生长会很缓慢，因此，通过根表面吸收养分和水的面积也就小了；这可导致降低植物的生长。所以，营养基质的通气对植物吸收最大量的水和养分是必不可少的。土壤空气是影响土壤肥力的主要因素之一。
土壤通气状况不仅影响种子萌发、根系发育，而且影响养分转化，土壤中的物理、化学和生物过程大都与土壤空气密切相关。土壤通气良好时，加强了好气性微生物的活动和繁殖，土壤有机质分解较快，矿质化明显增强，土壤有效氧气将得到充分供应，有利于作物对养分的吸收利用。土壤通气不良时，土壤中各种有利菌类活动受到抑制，不利于作物对养分的吸收，甚至产生有毒气体，危害作物生长，进而影响作物产量（邵明安等 2006）。因此土壤通气状况就成为植物生长的一个主要环境因素。作物的根是要进行呼吸作用的，当土壤导气率较小时，土壤的通透性较差，作物根系的呼吸作用就会受到抑制。当作物生长的土壤环境中 O2浓度过低、CO2浓度过高时，根系的生长发育就会受到抑制，进而影响作物的茎、叶及果实的生长。土壤导气率是土壤的一个重要的物理性质，它反映了气体穿过土壤孔隙的能力。
土壤导气率是指单位时间单位面积土体上通过的气体数量，是土壤特性对土壤气体交换速率的综合影响指标。其大小常受到土壤质地、容重、含水率、孔隙度等因素的影响。地下滴灌作为一种高效用水系统而被广泛应用于水资源稀缺的干旱和半干旱地区。凭借连续的微小水量，地下滴灌能够提高作物的生长和产量，进而增强作物的健康。相对于地表滴灌来说，地下滴灌减少了水分蒸发和深层渗漏，具有较高的水分利用效率，使灌溉位置更加精确化，并减少了水质危害的发生(Lamm and Camp 2007)。然而地下滴灌提供水分满足了作物生理生长的需求，同时也会带来一些与灌溉农业有关的问题，问题之一就是地下滴灌会引起作物根区空气含量的降低，土壤的通透性较差。
1.2 研究概况
1.2.1 气体在土壤中运动的基本原理
在土壤与大气之间的气体交换上有两个明显不同的机制。一是来自土壤内部空间的气体质流，二是气体的扩散。质流空气通过土壤的整体运动能因若干不同的因素或过程而出现，例如由于温度或气压变化而产生的土壤气体的膨胀和收缩；因降雨或灌溉而排除空气，和通过排水、植物利用和蒸发所消耗的水而代换；风的活动在某些地点或某些时间推动空气进入土壤，在其他地点或其他时间则吸出空气。Keen (1931) 曾推算过，从观测的每日温度波动所能预期的、绝大部分的气体交换，合计每小时不会大于 2.4 厘米，它仅是通气标准的八分之一。降雨和灌溉能够预期代换空气到土壤中 20 厘米的深处，在全年中大约只有 50 次。因为正常的通气要求空气每小时代换到 20 厘米的深度，因此这个因素是无关重要的。在水平土壤上，风的作用取决于在土壤表面的风速。当土壤为作物所覆盖，土壤表面上几乎没有风的运动，甚至在土壤裸露时，在地形上小的变化就大大地阻滞风速，除非在此处风正撞击在土壤上。因此，没有多少空气能从土壤吸出。在山坡，地形使得风以一定的角度撞击土壤，因而迎风面就会受到压缩，使空气可能进入土壤。在背风面，就会产生微小的真空度，空气有可能被吸出。Keen（1931）曾估计了这些作用，它们仅仅是正常通气量的一小部分。在极多孔的土壤和高风速的极端情形下，可能达到高于正常通气的数值。
第二章 研究内容与方法
2.1 研究内容
为了研究地下滴灌土壤的导气特性，本文以现有土壤导气率模型和地下滴灌湿润体为研究对象，分析瞬态一维和稳态一维土壤导气率模型的特点，并通过瞬态一维和稳态三维土壤导气率模型推导出瞬态三维土壤导气率模型；借助现有土壤导气率测量方法，寻找适合地下滴灌湿润体土壤导气率的测量方法，将瞬态一维土壤导气率测量装置引入滴灌系统中，提出灌水器的导气测量方法，分析不同类型滴灌灌水器的导气性与导水性，研究灌水器结构对导气性与导水性的影响；对比、分析地下滴灌灌水前后通气作用对土壤导气率的影响，提出改善滴灌土壤导气率的方法；对比分析不同类型滴灌灌水器在空气和土壤中导气性的变化特征，对地下滴灌灌水器的堵塞评测方法进行探索。根据以上目的，本文研究的主要内容如下：
（1）地下滴灌土壤导气率测量方法的选择以测量技术成熟的稳态土壤导气率测算模型为基准，对瞬态一维和稳态一维两种导气率模型在测量效率、经济性及测算结果的相对误差方面进行对比分析。选出地下滴灌条件下适宜的土壤导气率测量方法。
（2）瞬态一维土壤导气率模型简化及瞬态三维土壤导气率模型推导在现有稳态一维、三维和瞬态一维土壤导气率模型的基础上，对瞬态三维土壤导气率模型作进一步的推导。对瞬态一维土壤导气率模型中的参数进行简化，并验证简化后模型的精度。
（3）土壤导气率的应用研究在不扰动土壤的前提下，借助瞬态一维土壤导气率测量装置及模型中的导气特征参数 s，提出地下滴灌湿润体土壤导气率测量方法，分析人工通气处理与不通气处理对地下滴灌土壤导气率的影响，提出改善湿润体土壤导气率的方法。
第三章 土壤导气率测量方法选择....................15
3.1 数学模型.................................. 15
3.1.1 瞬态一维土壤导气率测算模型....................15
3.1.2 稳态一维土壤导气率测算模型.................15
3.2 试验结果与数据分析.......................... 16
3.3 本章小结.......................... 18
第四章 土壤导气率模型推导与简化.....................19
4.1 瞬态三维土壤导气率模型推导....................... 19
4.2 土壤导气特征参数的简化..............20
4.3 本章小结....................................... 23
第五章 灌水器导气性能试验研究...................24
5.1 试验材料与方法....................24
5.1.1 试验设计...................... 24
5.1.2 灌水器导气性能测定方法.............................. 24
5.2 灌水器导气、导水性能结果分析.......................... 24
5.2.1 灌水器导气特征参数存在性.............................. 25
5.2.2 灌水器导水、导气性能一致性...................26
5.3 本章小结........................ 29
结论
（1）利用 60 组土壤样品对目前常用的瞬态一维和稳态一维土壤导气率测量方法进行了实际对比测试，并对其测量效率、精度、所获土壤导气率的统计结果差异和经济性等方面对其进行评价。认为稳态法测量技术较成熟，计算方便，但需要配备一定的设备；瞬态法无须测量通过土样的气体数量，测量时间短，且只需少量体积的气体通过土样，对土样结构破坏小；试验结果验证了瞬态法导气率测算试验中 U 形管压力计高度差变化 P 与时间 t 呈线性关系，且每组数据 f(t)变化与时间 t 都呈线性关系；两种测算模型测量的土壤导气率数值均为中等变异，稳态法测量导气率值的变异稍大；瞬态法测量的土壤导气率和稳态法测量导气率结果可用线性函数关系式 y=0.9791x 表示，表明两种测量方法测量的导气率结果之间具有良好的相关性。
（2）对瞬态一维土壤导气率模型中压力函数的表达式进行了推导简化，利用简化后得到的土壤导气特征参数非常接近原模型中的导气特征参数，即简化解和原模型参数中导气特征参数计算的样品导气率数值之间具有极显著相关关系，二者之间可用良好的线性函数关系式来表示；表明简化后的土壤导气特征参数对导气率计算结果影响较小，从而验证了用简化解代替原模型中的导气特征参数计算土壤导气率的可行性。在现有的瞬态一维和稳态三维土壤导气率基础上，对瞬态三维土壤导气率模型作了进一步推导，得出瞬态三维土壤导气率模型；根据Kirkham提出的在瞬态模型中被测土样密封端压力动态变化与时间t之间存在线性关系，发现对于简化解0s 即 ln P (t)与时间t 之间也存在相同的线性关系；以原模型参数 s 为标准，简化解0s 与原模型参数 s 相对误差变化幅度小，大部分变化幅度小于0.4%。简化解0s 数值接近原模型参数 s ，用简化解0s 代替原模型参数 s 计算导气率可以提高瞬态模型导气率的测算效率。简化解0s 和原模型参数s计算的样品导气率数值之间具有极显著相关关系(R=0.99>R0.01， =0.01)，二者计算的导气率可用线性函数关系式0k =1.0038 k 表示，表明相对于原模型参数 s ，简化解0s 对于导气率计算结果影响较小；根据简化解0s 计算的瞬态土壤导气率结果和稳态导气率结果之间具有极显著相关性(R=0.93>R0.01， =0.01)，可用线性函数关系式0k =1.0033sk 表示，表明简化后的参数 s 对导气率计算结果影响较小，验证了用简化解0s代替原模型参数s计算土壤导气率的可行性。
（3）在前人研究的基础上，将瞬态土壤导气率测量装置中的土箱换成一端封闭的滴灌带进行试验，假设该模型中导气特征参数s 存在，从而把s 分离出来作为单独的变量，用于测定灌水器的导气性。借助瞬态一维边界条件下导气率测算模型及测量装置，对灌水器的导气性进行了研究，分析了灌水器导气特征参数与灌水器流量及流量系数之间的关系，结果表明瞬态一维土壤导气率模型中导气特征参数不仅适用于土壤导气率的测定，而且适用于灌水器导气性能的测定。用滴灌测试平台测定灌水器的导水性能，发现灌水器导气性与导水性有着良好的一致性，在相同的压力水头区间内，灌水器的流量和流量系数与导气特征参数均具有良好的线性关系，建立起灌水器导水性能与导气性能之间的关系，对灌水器的设计和研发提供一定的理论依据。
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