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激光研究揭开了土壤中水的秘密生活

2016-04-07 09:11
退思
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  我们中的大多数人都不把降雨当回事,也不关心它流去哪里了,除非它引发了洪水或滑坡。但是土壤科学家们已经花了几十年的时间来研究水是如何流经或穿过土壤的。堪萨斯大学教授Daniel Hirmas和他的研究团队正在开启一个新领域的研究,进行土壤水文研究,这项研究能够帮助土壤科学家更好地管理水资源。

  为什么Hirmas要试图预测水在土壤中的运动呢?

  “有多方面的原因,需要我们准确地预测水流量。更好地管理水资源是其中一个,”Hirmas说。

  农业生产中的水流会产生很多问题:在干旱地区,我们能正确地预测我们土壤含水层的补给率吗?也许可以更有效地利用水资源来进行粮食生产,或者预测一个地区如何应对气候变化。此外,我们还能更好地预测地表水径流和土壤侵蚀、沉积以及地表水水库的淤积。最后,我们可以预测植物的营养物质如何在土壤环境中传输。

  土壤是由沙子、淤泥和粘土颗粒组成的。而且土壤中也含有有机物质,如分解的凋落物、土壤微生物、其它有机物和根系。其它组成部分是空气和水。

  Hirmas一直在研究水在土壤中运动的难易程度,称为传导率。这通常发生在较大的空间里,土壤大孔隙中,这样的空间能够帮助水通过土壤。

  “土壤结构会影响水在土壤中流动的难易程度。这就是所谓的‘水力传导率’”,Hirmas说。“传导率是土壤的一个特性。它会影响水是否能快速地在土壤中流动。饱和导水率是指土壤中的水分饱和时,土壤的导水率。在这种情况下,所有的土壤孔隙都充满了水。”

  由于复杂的几何形状和科学性质,土壤孔隙大小对导水率特别重要。简单地说,与孔隙小的土壤相比,土壤孔隙大两倍的土地,在同一时间量里,它的水流量要高出16倍。

  土壤科学家将这种水运动方式称为优先流。Hirmas解释说:“在这种情况下,优先流意味着很大一部分水将流过数量较少的大孔隙。也就是说,大孔隙优先运送了大部分的水。”

  hirmas一直使用一种叫做多线激光三角扫描仪(MLT)的特殊工具。这个扫描仪最初是为了工程目的而开发的。Hirmas调整了它的使用方式,用于土壤孔隙和优先流研究 。

  为了确定MLT扫描仪是否可以用来预测优先流,Hirmas设计了一项研究。研究团队对饱水土壤取样,并让蓝色染料流过样品。开发了这样一个易于识别的、可视化的模式。变蓝的土壤区域代表它具有较大的孔隙。这些孔隙让染色水经过,这就是优先流模式。接下来,他们把相同的土壤再次样品,使用MLT扫描。激光扫描模式与染色模式的研究结果高度一致。

  MLT扫描技术为土壤水文领域的研究人员提供了一个有力工具。“相比于饱水土壤,当土壤干燥时,MLT扫描技术在检测和土壤大孔隙测绘方面表现的更好,” Hirmas说。利用数学工具来解释两种状态土壤之间的差异,Hirmas可以预测水运动。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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