涇惠渠灌區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化研究綜述

徐春燕

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054)

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，是一個(gè)大型灌區(qū)，同時(shí)也是陜西省糧食、蔬菜、奶蛋的重要生產(chǎn)基地。灌區(qū)位于半干旱地區(qū)的渭北平原，降雨時(shí)空分布不均，水資源很短缺，因此研究灌區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化，研究水分有效性，為合理利用土壤水分、保證植物正常生長提供了理論依據(jù)。

1 土壤水分測試技術(shù)

隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑等領(lǐng)域越來越多的情況下要求測量土壤的濕度，許多專家學(xué)者因此做了大量的研究工作，于是各種各樣的測量方法也隨之發(fā)展起來。在國外，1907年，Buckingham就提出了利用毛細(xì)管原理測量土壤水分，在國內(nèi)，對于土壤水分測試技術(shù)的研究起步比較晚，但隨著科技工作者的不斷涌現(xiàn)，也取得了很大的進(jìn)展，已經(jīng)由最初的烘干法測試土壤水分發(fā)展為利用各種傳感器或者射線等科學(xué)方法實(shí)現(xiàn)快速、無損傷的測量土壤含水量。下面介紹幾種不同的測試方法。

1.1 烘干法

烘干法是測量土壤水分最原始、最基礎(chǔ)、也是最簡單的方法。它的有點(diǎn)是精度高、簡單易操作，是土壤水分測定的基礎(chǔ)方法，是其他測量方法以此為準(zhǔn)標(biāo)定的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)其他測量方法優(yōu)劣性的常用方法。但是烘干法也有它的缺點(diǎn):

(1)由于需要烘烤，測量時(shí)間長，而且不能野外作業(yè)，便攜性差;

(2)烘烤的溫度要嚴(yán)格控制，否則，可能會(huì)使土壤中的有機(jī)質(zhì)分解，帶來誤差;

(3)連續(xù)測定土壤水分時(shí)，由于不斷變動(dòng)取土點(diǎn)，土壤本身的變異性可使結(jié)果發(fā)生很大的差異。

1.2 張力法

張力計(jì)法是一種廣泛應(yīng)用在在線土壤水分上的方法。張力計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可連續(xù)測量土壤張力變化，在線實(shí)時(shí)測量，確定水在土壤內(nèi)的流動(dòng)方向和滲透深度，而且價(jià)格便宜，制作容易。但它的缺點(diǎn)也很突出:

(1)測量范圍受土質(zhì)的影響大;

(2)測得的張力需要根據(jù)土壤特征曲線換算成土壤含水量，由于土壤水分能量關(guān)系復(fù)雜，且非線性，容易受到土壤理化特性的影響，帶來較大誤差。

(3)測量反應(yīng)慢，存在滯后和回環(huán)，影響其測量速度。

1.3 中子法

中子法屬于射線法中的一種，是將中子源埋入待測土壤中，由于中子源不斷發(fā)射快中子，快中子進(jìn)入土壤介質(zhì)中與各種原子和離子碰撞，因能量損失而慢化成為慢中子。當(dāng)快中子與氫原子碰撞時(shí)能量損失最大，慢化更嚴(yán)重，由此形成的慢中子云密度和氫元素含量成正比。土壤的水分含量越高，氫元素含量也越多，慢中子云的密度越大，根據(jù)慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關(guān)系即可得到土壤的水分含量。

中子法的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)不必取土，不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu);

(2)可定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測，得到的土壤水分動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律快速準(zhǔn)確。

中子法的缺點(diǎn):

(1)測量時(shí)，室內(nèi)外曲線差異大，不同土壤的物理性質(zhì)差異也會(huì)造成曲線較大的移動(dòng);

(2)垂直分別率差，表層測量困難;(3)儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，投入大;

1.4 近紅外線法

近紅外線法屬于遙感法中典型的一種測量土壤水分的方法。該測量方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)土壤的非接觸測量，無破壞性，重現(xiàn)性好，而且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和實(shí)時(shí)分析。存在的缺陷是:受土壤表面粗糙度影響大，同時(shí)受土壤表面水分孔隙狀況的影響;僅能測量土壤表層含水量。

1.5 電容傳感器法

電容傳感器法是通過測量以固體、水分和空氣組成的土壤為介質(zhì)的電容器的電容進(jìn)行土壤水分含量測試。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于干土壤和空氣的介電常數(shù)，土壤水分含量改變，其介電常數(shù)發(fā)生改變，從而引起電容的變化。根據(jù)傳感器的電容值和土壤含水量的關(guān)系，可以擬合曲線，因此，只要求出土壤電容傳感器的電容，就可以得到土壤的水分含量。

電容法的優(yōu)點(diǎn):

(1)較高的精度和可靠性;

(2)能夠方便地接入自動(dòng)化采集系統(tǒng)，連續(xù)測量土壤水分含量隨時(shí)間的變化過程;

(3)多次測量重現(xiàn)性好;

(4)安裝簡單，操作方便，可便攜，成本低。存在的缺點(diǎn)是對土壤電導(dǎo)率敏感。

2 涇惠渠灌區(qū)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化研究

土壤水是指由地面向下至地下水面(潛水面)以上土壤層中的水分，而土壤水的水分物理特性制約著植物對水分的有效利用。由于干旱、半干旱地區(qū)降水稀少，且季節(jié)分配不均勻，所以土壤水分動(dòng)態(tài)一直是研究區(qū)土壤水分研究的重點(diǎn)之一。

2.1 灌區(qū)土壤含水量的年內(nèi)變化特征

為了分析涇惠渠灌區(qū)土壤水分的年內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，利用實(shí)測資料，作出圖1。

圖1 土壤含水量的年內(nèi)變化曲線圖

由圖可以看出，灌區(qū)土壤含水量在年內(nèi)隨時(shí)間呈周期性變化的規(guī)律基本一致。每年1月份土壤含水量都呈下降趨勢，2～5月份期間土壤含水量變化波動(dòng)幅度較大，最高值達(dá)22.8%，最低是14.4%;5月中旬左右是每年土壤含水量最低的月份，最低值只有13%;6月份以后隨雨期的來臨，土壤含水量呈上升趨勢，至8月中旬達(dá)到土壤含水量最高的峰值，此后土壤含水量基本保持在20%上下波動(dòng)，變化幅度較小，在3%以內(nèi)。但由于年際間降水變率較大，干旱或濕潤年型情況會(huì)有所改變，而且土壤含水量的年變化特征與自然降水的時(shí)間分布及作物的耗水規(guī)律有著密切聯(lián)系。

通過對歷年土壤含水量時(shí)間變化曲線圖的分析得出，土壤含水量在年內(nèi)變化大致可分為三個(gè)階段。

(1)相對穩(wěn)定階段(10月～1月):這一階段灌區(qū)降雨量逐漸減少，氣溫也逐漸下降，同時(shí)蒸發(fā)量也相對較小，當(dāng)氣溫降至零度以下時(shí)，土壤表層凍結(jié)，土壤含水量基本處于土壤內(nèi)部調(diào)整階段，因此這一時(shí)期土壤含水量相對比較穩(wěn)定，變化比較緩慢，土壤含水量最高值與最低值的差距不超過3%，基本保持在20%上下波動(dòng)。

(2)嚴(yán)重失墑階段(2月～5月中旬):這一時(shí)期氣溫逐漸回升，作物開始旺盛生長，作物覆蓋面積增廣，蒸散發(fā)量逐漸增大，耗水強(qiáng)度很大，而灌區(qū)降雨量這一時(shí)期又相對較少，土壤水分迅速減少，因此這一階段土壤含水量整體呈下降趨勢，土壤含水量隨時(shí)間的變化曲線波動(dòng)很大很頻繁，變幅一般在10%左右，最大不超過14%。

(3)雨季蓄墑階段(5月下旬～9月):這一階段是灌區(qū)降水比較充沛的時(shí)期，土壤水分逐漸升高，但這時(shí)期氣溫較高，蒸散發(fā)量大，作物生長需水也多，如遇氣候異常降雨較少時(shí)，土壤水分下降，降雨后又迅速上升。因此在土壤水分時(shí)間變化曲線上，有波動(dòng)現(xiàn)象，振幅也較大。由圖可以看出，土壤含水量的最大變幅一般在13%左右，最低值不小于12%，最高值25%左右，但土壤含水量整體上是呈上升趨勢的。

2.2 灌區(qū)土壤含水量的垂直變化特征

土壤含水量在各層土壤中的分布，隨各層土壤性質(zhì)、作物根系分布的多少和氣象、灌水量等因素而變化，不同季節(jié)土壤含水量在同一層次的土壤含水量變化范圍不同，同樣的，不同層次的土壤含水量在同一季節(jié)變化范圍也不同。根據(jù)2004～2007年涇惠渠灌區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)觀測資料，分別繪制了每個(gè)月0～100 cm深度土層的土壤含水量的變化曲線，見圖2。由圖可以看出，四年的土壤含水量垂直變化周期基本一致，即表層的土壤含水量變化迅速，波動(dòng)很大，20～40 cm土壤水含水量稍微低于0～20 cm土層的土壤含水量，以后各層的土壤含水量又開始增加，且土壤水分變化速率較慢，土壤水分相對穩(wěn)定。總的來說，土壤水分垂直變化差距較小，最大為15%左右。

通過以上的分析，結(jié)合圖2，土壤含水量垂直變化大致可分為3個(gè)層次。

(1)急變層(0～20 cm):該層是土壤與大氣水汽交換的媒介，受氣象因素和耕作措施的影響最為顯著，土壤與大氣間的水分交換過程劇烈，特點(diǎn)是在全年不同時(shí)期變化范圍很大而且變化迅速。在雨季蓄墑時(shí)期最大，土壤含水量最高達(dá)到25%，在4、5月份含水量一般最小，最高不超過20%。

(2)活躍層(20～60 cm):此層為根系的主要分布層，受天氣、氣候因素的影響雖比速變層小，但受植被根系活動(dòng)的影響，土壤水分變化仍比較活躍，土壤含水量的變化范圍仍然較大，同時(shí)它也是積蓄降水的主要層次。涇惠渠灌區(qū)由于春季降水偏少，主要靠灌溉補(bǔ)充土壤水分，在5，6月份由于植物根系大量吸水又使土壤含水量降低，而在隨后的8，9，10月份的雨季的降水可以使該層土水分含量最大。

(3)相對穩(wěn)定層(60～100 cm):由于根系分布愈向下愈少，水分消耗相對減少，降水等氣象因子對其影響也不斷減小，因此，這一層土壤含水量相對比較穩(wěn)定，變化小，變化的速率也相對緩慢，由圖可以看出，一般該層的土壤水分含量比上層要高，土壤含水量基本保持在20%。該層的主要影響因子是地下水的埋深。地下水埋深較淺的站點(diǎn)，該層的土壤水分含量相對地下水埋深深的站點(diǎn)稍高。

圖2 2004～2007年各月份土壤含水量隨深度變化曲線圖

3 土壤水分的有效性研究

土壤水分有效性的研究是土壤水分研究中的熱點(diǎn)問題，作為土壤水分中可直接被植物生長利用的部分，有效水的含量和分布狀況直接關(guān)系植被類型和植被生長狀況。有效水的正確估算是研究區(qū)水資源狀況估算的核心問題，但由于土壤水分有效性一直未曾有嚴(yán)格的概念予以定義，其研究方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也互不相同，同時(shí)筆者能力所限，暫時(shí)不能對研究區(qū)的土壤水分有效性做出正確估算。所以僅簡單介紹有效性的研究進(jìn)展。

關(guān)于土壤水分有效性問題，早期形成的觀點(diǎn)有等效說和非等效說。等效說認(rèn)為在永久萎蔫點(diǎn)和田間持水量之間，土壤水分對植物同等有效。非等效說認(rèn)為，在永久萎蔫點(diǎn)和田間持水量之間土壤水分對植物的有效性隨著土壤濕度的降低而呈線性下降。在不同學(xué)說中，尚沒有一個(gè)綜合性理論來作為其假說的基礎(chǔ)。隨著人們對SPAC中的水分狀態(tài)認(rèn)識(shí)水平的提高和水分子動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展與測定技術(shù)的進(jìn)步，對土壤水分有效性的認(rèn)識(shí)發(fā)生了改變。劉增文(1990)等將土壤有效水劃分為3個(gè)等級:難效水(凋萎到生長阻滯持水量，約為田間持水量的60%)、中效水(田間持水量的60%～80%)和易效水。張小泉等(1994)認(rèn)為比水容(單位水勢變化時(shí)土壤吸人或釋放出的水量)在評價(jià)半干旱黃土丘陵區(qū)土壤有效水分時(shí)有極重要的意義。

總之，研究認(rèn)為不管用什么標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)土壤水分有效性，都應(yīng)充分考慮影響土壤水分有效性的3個(gè)因素(即土壤、植物和氣象條件)，都應(yīng)以SPAC中水分運(yùn)移理論為基礎(chǔ)，同時(shí)還必須與作物的生長、反應(yīng)及產(chǎn)量密切結(jié)合起來考慮。

4 研究結(jié)論與展望

通過對研究區(qū)搜集到的數(shù)據(jù)做分析，我們得出結(jié)論，涇惠渠灌區(qū)的的土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征為:在一年內(nèi)，10～1月份為相對穩(wěn)定階段，在2～5月中旬為嚴(yán)重失墑階段，5月下旬～9月為雨季蓄墑階段;深度上，0～20 cm、20～60 cm、60～100 cm，依次可分為急變層、活躍層和相對穩(wěn)定層。

當(dāng)然，由于受到多種因素的影響，土壤水分通常會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的變化特征，目前，針對不同氣候和不同地形特征，許多學(xué)者做出了大量土壤水分動(dòng)態(tài)變化研究，在研究方法上都有了重大的進(jìn)展。但仍存在許多不足，存在的問題和今后研究的重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)關(guān)于土壤水的定義還未統(tǒng)一，土壤水水量計(jì)算及資源的評價(jià)方面的研究也還存在許多不確定性，研究的內(nèi)容和方法尚未形成統(tǒng)一的共識(shí)。所以，土壤水的定義、土壤水水量計(jì)算及資源的評價(jià)仍是研究的重點(diǎn)之一，進(jìn)一步闡述土壤水的資源屬性、理論、內(nèi)涵，建立土壤水資源的評價(jià)方法及評價(jià)指標(biāo)體系。

(2)在破環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)、重建等的研究中，土壤水的高效利用問題仍是生態(tài)恢復(fù)的主題;對土壤污染和地下水污染等環(huán)境問題的研究，從土壤水來進(jìn)行分析是一個(gè)有效的途徑。

(3)我國干旱半干旱和半濕潤易旱地區(qū)的耕地面積占全國的51%，如何加強(qiáng)半干旱地區(qū)農(nóng)田水分管理和調(diào)控，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，使增產(chǎn)更多的糧食，也是水分工作者的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

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