（土壤学专业论文）花江峡谷区土壤植物大气连续系统水分行为与优化调控.pdf

摘要 针对贵州喀斯特生态脆弱区森林植被退化、水土流失严重、石漠化速度加剧等 生态问题，科技部“十五”科技攻关计划将这一生态区综合治理技术立项，深入研 究项目区主要的农业经济作物水循环规律及节水控制。因此，研究该生态条件花椒 林地s p a c 系统，阐明农田小气候和土壤及花椒地水分运动规律的理论问题，开发研 究新型节水灌溉方式，对于缓解林地肥、水供需矛盾，推广节水栽培技术，对改善 林地土壤生态条件，增进果品产量和质量，降低大小年幅度，减少病虫危害，改造 低产园和维持丰产优质，将起到重大作用。 本文研究了：1 、林地生态需水量。通过对植株含水量、棵间蒸发和蒸腾量的测 定与转换计算，分析得出作物的全年耗水量和各阶段耗水量。2 、花江峡谷区雨水资 源供应的时空分布规律。通过在项目区建立气象站，实地测量气象数据，对比分析 峡谷内外雨水资源供应的横向空间差异性以及峡谷内高低海拔所影响的纵向差异 性，总结出项目区的雨水资源供应能力及供应特征。3 、土壤持水规律。主要通过研 究项目区土壤物理性状和不同植被条件下不同层次土壤含水量，分析土壤持水能力 及土壤含水量与土壤结构的关系，土壤含水量周年动态变化规律。4 、雨水资源损失 规律。通过小区径流池的方法和模拟入渗实验法分别测定径流与渗漏损失，并结合 实际分析损失的构成。5 、水资源供需平衡分析。建立模型分析水分供需在时间上的 协调性与差异性，数量上的差异性，总结得出该体系的优势和不足之处。6 、主要的 雨水资源集蓄利用及调控方式。研究了新型节水水袋根灌技术调控法，“三小工程” 集水喷灌法与坡改梯工程自然保水法，通过对比试验的方法探讨根灌和喷灌两种方 式的效果。 研究结果表明：花江喀斯特峡谷区降雨量特征为总量多，贮存少，夏季多，冬季 少，区外多，区内少，山顶多，山脚少。土壤水变动规律下层土壤含水量一般比上 层高，且越接近地表差距越明显，上层土壤水变化主要受蒸发作用影响，中层土壤 主要受蒸腾作用影响，下层土壤水主要受土壤结构影响。土壤水含量时间上表现为 冬季时表层变化大，夏季为中层变化大。全年蒸腾量一般都高于蒸发量，只有1 2 月 左右相当，总需水量4 、5 、6 月需水最多，且是作物生长的关键时期，冬季需水少。 坡改梯工程在雨水资源赋存过程中起着较好的作用，有效地减少了径流，增加水分 就地入渗。“三小”工程中的水池工程的集水设备已遭到破坏，没能起到很好的集 水效果。根灌技术成本低、用水少、效益高、无蒸发、易操作、集储水灌溉于一体， 实用性强，适合当地经济作物一花椒林地的生产实际，能有效地缓解了当地的水资源 短缺问题，达到了资源的最优化配置，为当地生态建设以及农民增收起到很好的帮 助作用，具有较大的开发潜力。 本文打破了前人水资源研究过程中单点深入而面上不足的缺陷，从宏观的角度 出发，结合供水、需水、配水、控水四个环节，研究水分在整个s p a c 系统中的转换 规律，它重视是的生态适用性和性质上的准确性，这是它与一般的微观研究的本质 差别。也正是由于本文以定性研究为主，所以对各水循环的各个环节并未作深入研 究，还有许多问题有待研究与解决，如果要真正掌握当地的水分转换规律，还需作 进一步的研究。 关键词：花江峡谷；s p a c ；水分供需平衡；调控 中图分类号：s 1 5 2 7 ；s 1 6 1 4 ；$ 6 0 7 + 1 w a t e rb e h a v i o ra n do p t i m i z e dr e g u l a t i o no f s o i l p l a n t a t m o s p h e r ec o n t i n u a ls y s t e mi nh u a j i a n gc a n y o n a b s t r a c t i nv i e wo ft h es e r i o u sd e g e n e r a t i o n ，s o i le r o s i o no ft h eg u i z h o uk a r s t e c o l o g yf r a i la r e af o r e s tv e g e t a t i o n ，t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n t a t t a c kt h ep l a no fc o m p r e h e n s i v ep r o g r a mi nh u a j i a n ge c o l o g ya r e ai n “t h e t e n t hf i v ey e a rp l a n ”a g a i nt ot a k et h eh u a j i a n gc a n y o na sam o d e ld i s t r i c t t od e v e l o p m e n ta t t a c kr e s e a r c h w h i c hi sa b a u t4 8s q u a r ek i l o m e t e r sa n d1 i e s i nt h en o r t hw e s to fg u i z h o u t h er e s e a r c ho ft h ew a t e rc y c l er u l ea n dw a t e r s a v i n ga n dc o n t r o l l i n gi st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h i sp r o j e c t r e s e a r c hp r o c e s s ，t h ec h i n e s er e dp e p p e rt r e ei st h em a i na g r i c u l t u r a le c o n o m y c r o p si nt h i sa r e a ，t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d i e st h es p a cs y s t e m i nt h i s e c o l o g i c a lc o n d i t i o nt h r o u g hi l l u m i n a t i n g t h ea g r i c u l t u r a l m i c r o c l i m a t ea n dt h et h e o r ym o v e m e n tr u l eo ft h ew a t e ri ns o i la n dc h i n e s e r e dp e p p e rt r e e ，d e v e l o p i n gn e ww a yw a t e rs a v e i n gi r r i g a t i o n ，b e c a u s ei t i s o fg r e a ti m p o r t a n c et oa l l e v i a t e sc o n t r a d i c t o r yb e t w e e nt h es u p p l ya n dd e m a n d o ff e r t i l i z e ra n dw a t e r ，p r o m o t et h ec u l t i v a t i o nt e c h n o l o g yw i t hl e s sw a t e r ， i m p r o v es o i le c o l o g i c a lc o n d i t i o ni nf o r e s tl a n d ，p r o m o t et h ef r u i t so u t p u t a n dq u a l i t y ，r e d u c et h ed i s e a s e c a r r y i n gi n s e c th a r m ，t r a n s f o r mt h el e s s p r o d u c e sg a r d e na n dt h em a i n t e n a n c eh i g hq u a l i t y t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e df o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t sc o n t e n t ：1 s t ，s t u d y t h ew a t e rd e m a n di nf o r e s te c o l o g yl a n ds y s t e ma b a u tp l a n tw a t e rc o n t e n t ， e v a p o r a t e ss n dt r a n s p i r a t i o nq u a n t i t ya n da n a l y s ec r o p s l o w e s tw a t e rd e m a n d a sw e l la st h eb e s tw a t e rd e m a n d 2 n d t h ed i s t r i b u t e dr u l eo fr a i nw a t e r r e s o u r c e ss u p p l yi ns p a c ea n dt i m ei nh u a j i a n gc a n y o na r e a ，t h r o u g ht h ew a y o f e s t a b l i s h i n g w e a t h e r s t a t i o ni nt h ep r o j e c ta r e a ，s u r v e y i n gt h e m e t e o r o l o g i c a ld a t a ，a n a l y i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d et h e c a n y o ni nt h er a i nw a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya sw e l ia st h eh e i g h t ，s u m m a r i z i n g t h er a i nw a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya b i l i t ya n dt h es u p p l yc h a r a c t e r i s t i ci n p r o j e c ta r e a 3 r d ，t h er u l eo fs o i 1w a t e rh o l d i n g ，m a i n l yt h r o u g hr e s e a r c h i n g t h ew a t e rc o n t e n ti nd i f f e r e n tl e v e ls o i l ，p h y s i c sc h a r a c t e ra n dv e g e t a t i o n c o n d i t i o n ，a n a l y s i st h ea b i l i t yo fw a t e rh o l d i n gi ns o l la n dt h er e l a t i o n s b e t w e e ns o i lw a t e rc o n t e n ta n ds t r u c t u r e ，s u m m a r i z et h ea n n i v e r s a r yd y n a m i c v c h a n g er u l ea b a u ts o i lm o i s t u r ec o n t e n t 4 t h ，r e s e a r c ho ft h er a i nw a t e r r e s o u r c e sl o s s ，t h r o u g ht h es i m u l a t i v e m e t h o dt od e t e r m i n eo fn u m b e ro fr u n o f f a n di n f i i t r a t e s ，a n a l y s i st h ep a r to ft h el o s s 5 t h ，a n a l y s i st h eb a l a n c e o ft h ew a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n d ，t h r o u g hb u i l d i n gm o d e lt oa n a l y s i s t h ed i f f e r e n c ea n dc o o r d i n a t i o na n dq u a n t i t yd i f f e r e n c ea b a u tw a t e rs u p p l y a n dd e m a n d ，s u m m a r i s et h ea d v a n t a g ea n dd e f i c i e n c yo ft h i ss y s t e m 6 t h ，t h e m a i nw a yo fr a i nw a t e rr e s o u r c e sg a t h e r i n ga n dr e g u l a t i n g ，s t u d i e dn e w r e g u l a r i n gw a yo fan e wb a gf i l l e dw i t hw a t e r ，s p r a yi r r i g a t i o nw i t hw a t e r i n ”t h r e es m a l lp r o j e c t s ”a n dg a t h e rw a t e rt h r o u g hc h a n g es l o p ei n t ol a d d e r ， a n dc o n t r a s tt h et w ow a y so fs p r a yi r r i g a t i o na n dr o o ti r r i g a t i o nt h r o u g h t h ee x p e r i m e n tm e t h o d t h ef i n d i n g si n d i c a t e dt h a tt h er a i n f a l la m o u n tc h a r a c t e r i s t i ci nt h e h u a j i a n gk a r s tc a n y o na r e ai st h et o t a lq u a n t i t ym a n y ，e s s e n c ef e w ，s u m m e r m a n y ，w i n t e rf e w ，o u t s i d em a n y ，i n s i d ef e w ，h i g hp l a c em a n y ，t h el o ws p o t a r ef e w t h eh o l a r dc h a n g er u l el o w e rl e v e ls o i lm o i s t u r ec o n t e n tg e n e r a l l y c o m p a r e dt oo nb u i l d i n gs t o r eh e i g h t ，a l s om o r ea p p r o a c h e st h es u r f a c e d i s p a r i t yt ob e m o r eo b v i o u s ，u p p e rf o r m a t i o nh o l a r dc h a n g em a i n l y e v a p o r a t i o ni n f l u e n c e ，i n t e r m e d i a t ed e c ks o i lm a i n l yt r a n s p i r a t i o ni n f l u e n c e ， l o w e rl e v e lh o l a r dm a i n l ys o i ls t r u c t u r ei n f l u e n c e i nt h eh o l a r dc o n t e n t t i m ed i s p l a y sf o rt h ew i n t e rw h e nt h es u r f a c el a y e rc h a n g e si nab i gw a y ， s u m m e rc h a n g e sf o rt h ei n t e r m e d i a t ed e c ki nab i gw a y w h o l ey e a rt h e t r a n s p i r a t i o nr a t eg e n e r a l l ya l li sh i g h e rt h a nt h et r a n s p i r a t i o nq u a n t i t y ， o n l yt h e na b o u td e c e m b e rq u i t e ，t h et o t a lw a t e rd e m a n d4 ，i nm a y ，i nj u n e n e e dt h ew a t e rm o s tm u c h ，i sp r e c i s e l yt h ec r u c i a lt i m ew h i c ht h ec r o p sg r o w s ， t h ew i n t e rn e e d st h ew a t e rt ob ef e w t h es l o p ec h a n g e st h el a d d e rp r o j e c t t os a v ei nt h ep r o c e s si nt h er a i nw a t e rr e s o u r c e st a xt op l a yt h eg o o dr o l e ， e f f e c t i v e l yr e d u c e dt h er u n o f f ，t h ei n c r e a s e m o i s t u r ec o n t e n te n t e r e d i n f i l t r a t e s ”t h r e ei ss m a l l ”i nt h ep r o j e c tb a s i np r o j e c tc a t c h m e n t e q u i p m e n tt ob ed e s t r u c t e d ，h a sn o tb e e n a b l et og e tu pt ot h ev e r yg o o d c a t c h m e n te f f e c t t h er o o tf i l l st h et e c h n i c a lc o s tl o w l y ，t h ew a t e ru s e d f e w ，t h eb e n e f i th i g h ，d o e sn o th a v ee v a p o r a t e s ，i se a s yt oo p e r a t e ，t h e c o l l e c t i o ns t o r e st h ew a t e ri r r i g a t i o ni nab o d y ，u s a b l e ，s u i t st h el o c a l i n d u s t r i a lc r o p c h i n e s ep r i c k l ya s hf o r e s tl a n dt h ep r o d u c t i o nr e a l i t y ， c o u l de f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h el o c a lw a t e rr e s o u r c e ss h o r tq u e s t i o n ，h a d v i a c h i e v e dt h er e s o u r c e so p t i m i z e dd i s p o s i t i o n ，a d d i t i o n a l l yr e c e i v e df o rt h e l o c a le c o l o g yc o n s t r u c t i o na sw e l la st h ef a r m e rt ot h ev e r yg o o dh e l pf u n c t i o n ， h a dt h eb i gd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l t h i sa r t i c l eb r o k et h et r a d i t i o n a lf l a wo fd e e ps t u d yo ns i m p l ep o i n t b u ti n s u f f i c i e n to nr a n g e s t u d yt h em o i s t a r et r a n s f o r m a t i o nr u l ei ne n t i r e s p a cs y s t e mf r o mw a t e rs u p p l y i n g ，n e e d i n g ，m a t c h e i n ga n dc o n t r o l l i n g t h e r e s e a r c ha t t a c hi m p o r t a n c et oe c o l o g ys e r v i c e a b i l i t ya n dn a t u r ee x a c t n e s s ， b u td i dn o tr e q u e s tt h ea c c u r a c y ，w h i c hi st h ee s s e n t i a ld i s t i n c t i o nf r o n o t h e ra r t i c l e t h i sa r t i c l ei sm a i n l yq u a l i t a t i r ew i t h o u td e e pr e s e a r c hf o r v a r i o u sp a r t si n gt h ew a t e rc y c l e s ，t h e r e f o r et h e r ea r em a n yq u e s t i o n sa r e u n d e rs o l u t i o na n daf u r t h e rs t u d yi sn e e d e di ft h em o i s t u r ec o n t e n t t r a n s f o r m a t i o nr u l ei st ob eg r a s p e dt r u l y k e yw o r d ：h u a j i a n gc a n y o n ：s p a c ：m o i s t u r e ；s u p p l ya n dd e m a n d ：b a l a n c e r e g u l a t i o n v i i 1 1 项目区基本概况 第一章前言 国家科技部重大攻关项目”喀斯特脆弱生态环境综合治理”示范区所在的花江大 峡谷位于贵州西南部，地处贞丰县和关岭县交界处，北盘江中游的花江峡谷地段。 东经1 5 0 03 6 3 0 ”一1 5 0 0 4 6 3 0 ”、北纬2 5 03 9 1 3 ”一2 5 。4 1 o o ”，总面积4 7 6 3 k i n 2 。 包括关岭县板贵乡的孔洛箐、三家寨、坝山、木工和贞丰县兴北镇的查尔岩、板围、 云洞湾、水淹坝等8 个行政村，共计6 5 1 3 人。花江大峡谷全长约8 0 余公里，宽3 公里左右，谷深约l 公里，总面积3 0 0 多平方公里。区内地势起伏大，相对高差悬 殊，最高海拔1 4 7 3 m ( 胡家湾坡顶) ，最低海拔5 1 5 m ( 花江大桥) 。地质构造总体上北 东翼陡峻，倾角在3 0 。一5 0 。，而南西翼平缓，倾角多在2 0 。一3 0 。，喀斯特分布 面积占总面积的8 8 0 7 。这里热量资源丰富，年均温1 8 4 c ，年均极端最高气温为 3 2 4 。c ，年均极端最低气温为6 6 c ，年总积温达6 5 4 2 2 c 以上，多年平均降雨量 不足9 0 0 m m ，冬半年少雨，属中亚热带干热河谷气候类型，年日照时数超过2 5 0 0 小 时。区内土壤以石灰土为主，土壤结构不良、质地粘重、缺乏团粒结构，土层浅薄， 厚度在3 0 _ _ 6 0 c m 的土层占到5 0 ，1 0 3 0 c m 和6 0 c m 以上土层各占2 0 ，低于l o c m 的土层占1 0 ，易旱，持水能力低。项目区内植被单一，主要为坛香科花椒属作物， 配合普通农作物，以及部分灌丛和杂草，植被覆盖率为3 0 。 1 2 相关理论 水分不断在土壤、植物、大气三者之间循环迁移，这一水分迁移体系最早为澳 大利亚学者j r 菲利普于1 9 6 6 年命名为土壤一植物一大气连续体，简称为s p a c 系统。 s p a c 系统中的水分迁移，首先是液态水自土壤向植物的根表皮运移，然后穿过 根的表皮、皮层、内皮层到达木质部的导管，再沿茎，叶的导管而达叶细胞，接着 在叶细胞间隙和气孔腔的壁面上发生液态水转化为汽态水的散发，所散发的水汽主 要通过叶面上的气孔扩散到邻近叶面的静止空气边界层，再经空气紊流扩散作用散 失到大气中。这个过程以水势理论为基础，水势( p ) 一般情况下由重力势( 少e ) 、 压力势( 怕) 、基质势( p m ) 和溶质势( 凯) 等组成。 由于植物根系在土壤中的错综分布及植物组织的复杂构造，用纯理论的方法定 量地研究s p a c 系统中水分迁移是困难的。目前，只能用半理论、半经验的方法分析 每单位地表面积上单位时间内植物所蒸腾的水量( 蒸腾强度或蒸腾率) 和大气条件、 植物生长状况及土壤水分之间的关系。 现代水资料研究不仅局限于降雨、地表水与地下水“三水”转化的研究，应当 将土壤水与植株耗水联系起来，称为“五水转化”，这是研究工作的一种循回渐进， 从简单到复杂的过程。到上世纪9 0 年代，在土壤一植物一大气循环系统( s p a c ) 方面 有了深入的研究。在本世纪初，以邵明安为代表的一批水源研究专家也在水资源的 转化方面作了大量的研究，目前对水分在土壤一植物一大气循环系统的转移受到越来 越多的专家和学者的重视。包括对大气水一地表水一土壤水一地下水运移与转化大中尺 度上的研究。 1 3 研究目标 从宏观的角度出发，通过对区域大气水、植物水、地表水、土壤水的测定，研 究项目区内水资源的供应、分配、利用、损失和调节五个环节，弄清区内水循环系 统雨水资源供应量，资源转化量，农业利用效率作物需水规律以及s p a c 系统内土壤、 作物与大气界面间水分的相互转化的动态平衡规律。探讨节水控制与高产控制以及 提高水分利用效率的不同理论机制，摸索一套适合于当地实际情况的生态恢复与重 建的节水、保水措施，其各个环节见图1 。 1 4 研究内容 图1s p a c 系统水分循环转化图 1 4 1 花江峡谷区雨水资源供应的时空分布规律研究 主要研究雨水资源的供应情况，在项目区建立气象站，测定相关气象数据，统 计自项目实始以来的年降雨量，月降雨量，以及时段降雨量。同时收集位于峡谷两 肩的贞丰与关岭的降雨情况。采用实地调查研究法收集峡谷区内不同海拔高度降雨 量的差别。主要研究当地雨水资源各时期的供应情况，不同海拔所对应的不同降雨 量。 1 4 2 土壤持水规律研究 主要研究内容包括项目区土壤物理性状、不同植被条件下不同层次土壤含水量、 土壤含水量与土壤结构的关系、土壤周年含水量动态变化规律。 1 4 3 林地生态需水量研究 包括蒸发和蒸腾量的测定与转换，利用a 值，分析蒸腾与蒸发问的相互影响与 制约，找出蒸腾和蒸发与不同层次土壤含水量的对应关系，找出供需平衡在时间和 数量上的差异性，为进一步分析对策与措施作好准备。 1 4 4 雨水资源损失研究 径流量的测定是采取小区径流池的方法测定。渗漏量的测定是采用滴定入渗实 验的方法。 i 4 5 主要的雨水资源集蓄利用及调控方式 主要是新型节水水袋根灌技术调控法，“三小工程”集水喷灌法与坡改梯工程 自然保水法。集蓄利用采用实地调查与测量相结合的方法，效果分析是采用对比试 验的方法。其中根灌技术研究中按年龄分别选定三年以下、四年及五年以上的植株 各十株，并将各年龄段植株分为三个灌水水平进行滴灌试验，同时作好自然水分条 件下和人工灌溉方式下作物的产量及品质的对比处理，找出分别对应产量最高的论 需水量、品质最好的理论需水量、经济效益最高的理论需水量、作物保持正常生长 的最低及最高需水量。找出节水水袋滴灌技术和普通管道灌溉的的差异所在，得出 滴灌技术的优劣之处。 1 5 国内外研究现状 该问题已经受到高度重视，上世纪9 0 年代初期开展大型国际计划国际地圈 生物圈计划( i g b p ) 以来，其中的核心项目包括了水文循环生物圈方面( b i o s p h e r e s a s p e c t s o fh y d r o l o g i c a lc y c l e ，b a h c ) ，其焦点( f o c u s ) 之一是土壤一植被一大气中 的传输( s o i l 一v e g e t a t i o n a t m o s p h e r e t r a n s f e r ，s v a t ) 问题( b a h c n e w s ，1 9 9 8 ) 。世 界气候研究计划( w c r p ) 在9 0 年代开展的全球能量与水循环实验( g l o b a le n e r g y a n d w a t e rc y c l ee x p e r i m e n t ，g e w e x ) ，设置了通量测量( f l u x m e a s u r e m e n t ) 项目，研究 地表( 植被) 一大气间的相互作用。因此，土壤一植物一大气连续系统中的水分运行研究 是当今国际学术界的热点之一。由于水循环受到人类活动的干扰，因此研究全球变 化中与人类活动有关的研究( i h d p ) 特别是土地利用与土地覆被( l u c c ) 与水循环也有 密切的相互作用关系。1 9 9 9 年5 月7 1 3 日在日本举行的i g b p 大会从科学问题上进一 步确立了综合( s y n t h e s i s ) 研究与水问题研究的重点。由此可见水循环研究在当今全 球变化研究中是最为重大的科学问题之一( 刘昌明，1 9 9 9 ) 。 1 5 1 在所研究的对象方面 目前较为系统地探讨了林地、凋落物、粗木残质体、灌木林、草坡等的大气降 水分配特点、调节径流及泥沙效益、土壤水分循环特征及植物的蒸腾耗水特征。但 总的说来，主要表现在单项系统，特别是林草系统的水文生态效应研究比较深入， 且多注重对地表水的减水减沙分析，而对完整小流域水量平衡、水环境情势等水环 境效应方面的研究较少。对西南岩溶区而言，目前的研究主要集中在水资源的生态 效应、节水措施和可持续利用方面，对以岩溶与峡谷相结合的特殊生态系统的水系 统研究主要表现为土壤水分的动态变化规律和降水条件所引起的水土流失，在水资 源供需平衡方面，已有部分关于土壤水含量及径流方面的研究，但目前在土壤一植物 的供需关系还没有深入研究，也没有关于整个s p a c 系统中水资源供需平衡体系方面 的研究。 1 5 2 在研究尺度上 单点研究深入而面上研究不够。刘文兆( 2 0 0 0 ) 将小流域水文生态研究，分解为 小流域水分行为、小流域水分行为的生态效应、小流域水分行为与生态效应优化调 控研究三个方面。赵文智等指出中国干旱区生态水文过程的研究积累十分薄弱，尚 不足以回答维持干旱区生态系统健康的水分从哪里来、如何来、需要多少的问题的 关键所在。从生态尺度( 实验场，小流域等) ，即小尺度的水循环来看，水循环也是 一个巨大的系统，其中包括水分在五相水文系统中的交互作用与水分运动的驱动力。 水分运动在气、土( 壤) 、地( 表) 、地下( 水层) 与植( 物) 系统中的往返运动构成了一 个庞大水循环研究课题系列，有繁多的科学问题，在理论上有大的难度，我们虽有 研究但方兴未艾。而对于水循环的核心土壤水而言，长期以来主要集中在两个方面， 即影响土壤水分状况主要因素( 土壤质地、容重) 及土壤水分常数( 田间持水量、凋萎 湿度、饱和持水量) 等的研究，和局地植物( 林草及农作物) 生长与土壤水分关系研究。 本研究利用宏观与微观相结合的方法对整个水量平衡体系和体系的各个组成部分作 一个总体研究，并在总结水分供需差异的前提下提出对应的高效节水措施，方法简 便，可操作性强，适合当地的生态恢复与重建，有较好的应该前景。 1 5 3 土壤持水研究现状 国外研究现状：人们仅能够通过d a r c y 定律对饱和土壤水分做定量研究，对非饱 和土壤水分主要采用形态学的观点进行定性地描述或分析土壤中发生的物理现象和 过程。进入8 0 年代，随着测试手段和计算机应用的发展，以及学科间的相互渗透， 土壤水分的研究由经验到理论、定性到定量发生了质的转变，并为相关应用学科的 发展提供了理论基础。目前，国外土壤水分的研究主要集中在下述领域。 1 5 3 1 土壤持水理论研究现状( - 5 履一，1 9 9 7 ) 。 土壤水分的入渗土壤水分的入渗方面目前，土壤水分入渗研究主要集中在 g r e e n a m p t 模型的修正以及p h i l i p 和p a r l a n g e 入渗方程的求解两方面。经过修正的 g r e e n a m p t 模型能较好地说明非匀质土壤的降水入渗过程。但在应用该模型时，如 何测定湿润锋处土壤水势的问题未能很好地解决。 土壤一植物一大气连续体中水流的运动1 9 6 6 年p h i l i p 提出了较完整的关于s p a c 的概念，认为尽管介质不同、界面不一，但在物理上都是一个统一的连续体，水在 该系统中的流动过程就像链环一样，互相衔接，而且完全可以应用统一的能量指标 “水势”来定量研究整个系统中各个环节能量水平的变化，并计算出水分通量。近 年来，倾向于通过s p a c 来研究林地水分循环，将土壤水分和植物、大气联系起来研 究，其结果比较接近田间实际。然而由于水分在s p a c 系统各个环节中的运动和变化 的物理机制还有许多不够清楚的地方，如干土层和大气中的水汽扩散，液态水到气 态水的相变，土面蒸发和叶面蒸腾等，因此，许多学者正致力于研究这些过程。根 据目前的研究进展，用数学模型描述s p a c 系统中的水流运动过程，尚处在半经验半 理论的阶段。 土壤水分运动数值模拟土壤水分运动方程的求解问题，很难用解析解和准解析 法求出与实际相符的结果。目前最有效的方法是通过数值计算，即有限差分法和有 限元法( 雷志栋等，1 9 8 8 ) 。但是利用数值计算法所要处理的数据及运算量相当惊人， 因此，计算机模拟是当今土壤水分运动最感兴趣的方法。如德国格廷根大学林业系 土壤研究所利用电脑模拟该所森林生态站的土壤水分运动状况，与实测结果很相似 ( 姚贤良，1 9 8 5 ) 。数值模拟的结果既建立于严格的科学基础上，又比较接近田间实 际，基本上摆脱了过去静态地或孤立地研究水分形态或几个常数的局面。 1 5 3 2 土壤水的应用进展 能量观点的引入这样的观点反映了在土壤水分测试技术上的进步，虽然作为经 典的方法即取土烘干法仍是可取的，但近2 0 年来，国内开展了较大量的测定土壤水 分的方法和仪器的研制。首先是中国科学院南京土壤研究所研制的张力计有小批量 生产，随后很多单位能自制张力计供使用，并有各种改进，多用于研究灌溉节水或 控制环境等方面。随着中子水分仪技术传入我国，江苏农业科学研究院原子能研究 所研究的铍源中子水分仪已在国内形成商品。随后核工业部所属的北京核子仪器公 司出品的c n c 5 0 3 d r 智能中子水分仪，均有计算机存贮、显示、打印等功能。但总体 说来，质量水平仍稍逊于国际产品。国内还在努力地研制各种传感器，用电阻式、 电容式或相应原理做成传感器，并配以单板机等将讯号自动采集，但目前仍没有十 分成功且商品化的产品。近几年，用时域反射仪逐渐进入中国市场，该仪器在8 0 年 代还不成熟，但经改进后，进入上世纪9 0 年代在国际上已很普遍，探头亦多样化， 由直插式发展为横插式，便于长期田间水分监测，且可自动监测。目前国内尚没有 生产t d r 产品，较之中子水分仪，t d r 使用更为方便，精度亦高，是一种很有前途的 测定土壤水分仪器，但仪器价格昂贵，较难推广应用，目前国外已有其简化产品例 如单点式，但价钱仍高。除了测试仪器外，国内还发展了多个室内大型物理模拟设 施( 例如大型土柱、试验槽) 和现场试验设施。地矿部水文地质工程地质研究所在室 内建设了大型物理模拟实验装置，在零通量面、土壤水势测量技术方面作了很多研 究。水利、土壤、农业、地矿等部门修建的地中渗透仪( l y s i m i t e r ) 用于研究潜水蒸 发降雨入渗补给等规律，其本质是研究非饱和带水分运动。 土壤水与作物关系问题的研究由于我国国民经济是以农业为基础，我国又是 水资源十分紧缺的国家，农业中节水问题被提到很高的地位，围绕着农田土壤水分 的转化问题与农田水分的有效利用开展了大量的研究。最常见的是各种农田水均衡 模式以及s p a c 水分迁移的研究，土壤水都是其核心内容之一。土壤水研究更为直接 地为农业生产服务则是研究如何充分发挥土壤水分的潜力，即作物产量与土壤水分 关系，作物水分生产函数研究即是其成果。如何加强农田水分的管理，使其发挥出 充分效益亦是重要的内容，由此国内研究了各种墒情监测与预报的模型。研究土壤 空间变异性并用于田间土壤墒情监测的合理取样数目，田间墒情布点方法等也是直 接为农业生产服务的。冻融条件下土壤水热耦合运移被用于研究北京等地区实行的 冬灌的作用，以及季节性冻土地区的盐碱化控制。 土壤环境中的溶质运移闯题包括生态环境在内的环境问题日益引起国际国内 高度重视。化肥、农药、除草剂等都属于与溶质有关的物质，这些物质在土壤中运 移状况不仅与土壤水的流动有关，而且与溶质的性质及随水移动过程中所发生的物 理、化学和生物化学过程有密切关系，它可包括根的吸收、土壤表面的挥发、降解( 农 药的水解及微生物的降解) ，硝化与反硝化、溶解与沉淀等等。主要研究进展是近三 四十年，上世纪7 0 年代开始，研究工作由实验室走向f r 间，这促进了优先流研究的 发展，目前国内已有土壤溶质运移的专著。计算机模拟技术发展使运用土壤溶质运 移原理对各种生产实际问题做出模拟和预测成为可能，但很多成果还有待于生产应 用中检验与改善。 1 5 4 林地生态需水规律研究进展 1 5 4 1 我国森林土壤水分研究进展 早期的土壤水分研究只有少量的零星工作( 陈恩风，1 9 5 2 ) ，进入7 0 年代，土壤 水分的研究有所改观。徐化成和易宗文( 1 9 7 9 ) 分析了土壤水分季节变化与林木生长 及耐旱性的关系，曹淑定等人( 1 9 8 3 ) 研究了不同沙打旺草地土壤水分随深度和时间 的变化规律及其与沙打旺生长和产量的关系，马履一( 1 9 8 4 ) 对1 9 8 1 1 9 8 3 年间京西 山地刺槐人工林大面积干枯死亡的原因进行了研究，指出土壤干旱是导致这一结果 的直接原因。侯喜禄( 1 9 8 5 ) 在安塞县水土保持实验区对不同立地条件下林地土壤水 分和林木生长关系进行研究，据此提出不同立地的适宜树种。马文元( 1 9 8 6 ) 研究了 沙地水分与梭梭和杨柴的造林密度、生长量、蒸腾强度、水势等的关系，马雪华等 ( 1 9 9 0 ) 对杉木和马尾松林下土壤水分物理性质和土壤含水量进行了测定，建立了土 壤含水量和当地主要气象要素间的多元回归关系，以说明气候对土壤含水量的影响 所及土层深度。张万儒等( 1 9 9 0 ) 根据卧龙自然保护区不同森林垂直带下的土壤在生 长季节剖面的水分动态变化规律，指出各类土壤o l o o c m 土层的水分贮量。张里宏 等( 1 9 9 2 ) 对北京九龙山不同林地土壤水分动态的定位研究，认为该区土壤水分经常 处于严重亏缺状态。上述研究属于土壤水分形态研究范畴，但作为土壤水分研究的 历史或者说土壤水分研究的一个方面，以及在林业土壤水分研究从形态学观点向能 量观点转变的过程中，它对林业生产确实起着极为重要的作用。由于这种方法应用 简便，并能说明一定的问题，在将来的一段时期内它仍然会发挥一定的积极作用。 进入8 0 年代，土壤水势的概念开始进入林业土壤水分研究领域。郭连生( 1 9 8 5 ) 在研 究木本植物水势时，引入了土壤一植物一大气连续模式的概念，庄季屏( 1 9 8 6 ) 首次 全面、系统地介绍了s p a c 理论及其发展。李吉跃( 1 9 8 8 ) 将苗木水势和土壤水势结合 起来分析苗木的抗旱性，马覆一等( 1 9 9 3 ) 根据不同立地的土壤水分特征曲线结合常 规测定的水分常数，全面分析了大兴安岭地区土壤水分对造林成活和苗木生长的作 用。尽管这些研究只是一种相关分析，并未涉及土壤水分流动问题，土壤水势也仅 采用室内压力仪法测定，但它标志着土壤水分