我們中的大多數(shù)人都不把降雨當(dāng)回事，也不關(guān)心它流去哪里了，除非它引發(fā)了洪水或滑坡。但是土壤科學(xué)家們已經(jīng)花了幾十年的時(shí)間來研究水是如何流經(jīng)或穿過土壤的。堪薩斯大學(xué)教授Daniel Hirmas和他的研究團(tuán)隊(duì)正在開啟一個(gè)新領(lǐng)域的研究，進(jìn)行土壤水文研究，這項(xiàng)研究能夠幫助土壤科學(xué)家更好地管理水資源。
為什么Hirmas要試圖預(yù)測水在土壤中的運(yùn)動呢?
“有多方面的原因，需要我們準(zhǔn)確地預(yù)測水流量。更好地管理水資源是其中一個(gè)，”Hirmas說。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水流會產(chǎn)生很多問題：在干旱地區(qū)，我們能正確地預(yù)測我們土壤含水層的補(bǔ)給率嗎?也許可以更有效地利用水資源來進(jìn)行糧食生產(chǎn)，或者預(yù)測一個(gè)地區(qū)如何應(yīng)對氣候變化。此外，我們還能更好地預(yù)測地表水徑流和土壤侵蝕、沉積以及地表水水庫的淤積。最后，我們可以預(yù)測植物的營養(yǎng)物質(zhì)如何在土壤環(huán)境中傳輸。
土壤是由沙子、淤泥和粘土顆粒組成的。而且土壤中也含有有機(jī)物質(zhì)，如分解的凋落物、土壤微生物、其它有機(jī)物和根系。其它組成部分是空氣和水。
Hirmas一直在研究水在土壤中運(yùn)動的難易程度，稱為傳導(dǎo)率。這通常發(fā)生在較大的空間里，土壤大孔隙中，這樣的空間能夠幫助水通過土壤。
“土壤結(jié)構(gòu)會影響水在土壤中流動的難易程度。這就是所謂的‘水力傳導(dǎo)率’”，Hirmas說。“傳導(dǎo)率是土壤的一個(gè)特性。它會影響水是否能快速地在土壤中流動。飽和導(dǎo)水率是指土壤中的水分飽和時(shí)，土壤的導(dǎo)水率。在這種情況下，所有的土壤孔隙都充滿了水。”
由于復(fù)雜的幾何形狀和科學(xué)性質(zhì)，土壤孔隙大小對導(dǎo)水率特別重要。簡單地說，與孔隙小的土壤相比，土壤孔隙大兩倍的土地，在同一時(shí)間量里，它的水流量要高出16倍。
土壤科學(xué)家將這種水運(yùn)動方式稱為優(yōu)先流。Hirmas解釋說：“在這種情況下，優(yōu)先流意味著很大一部分水將流過數(shù)量較少的大孔隙。也就是說，大孔隙優(yōu)先運(yùn)送了大部分的水。”
hirmas一直使用一種叫做多線激光三角掃描儀(MLT)的特殊工具。這個(gè)掃描儀最初是為了工程目的而開發(fā)的。Hirmas調(diào)整了它的使用方式，用于土壤孔隙和優(yōu)先流研究 。
為了確定MLT掃描儀是否可以用來預(yù)測優(yōu)先流，Hirmas設(shè)計(jì)了一項(xiàng)研究。研究團(tuán)隊(duì)對飽水土壤取樣，并讓藍(lán)色染料流過樣品。開發(fā)了這樣一個(gè)易于識別的、可視化的模式。變藍(lán)的土壤區(qū)域代表它具有較大的孔隙。這些孔隙讓染色水經(jīng)過，這就是優(yōu)先流模式。接下來，他們把相同的土壤再次樣品，使用MLT掃描。激光掃描模式與染色模式的研究結(jié)果高度一致。
MLT掃描技術(shù)為土壤水文領(lǐng)域的研究人員提供了一個(gè)有力工具。“相比于飽水土壤，當(dāng)土壤干燥時(shí)，MLT掃描技術(shù)在檢測和土壤大孔隙測繪方面表現(xiàn)的更好，” Hirmas說。利用數(shù)學(xué)工具來解釋兩種狀態(tài)土壤之間的差異，Hirmas可以預(yù)測水運(yùn)動。
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