SPAC系統(tǒng)水分循環(huán)與轉化過程探析

王 璐，張恒嘉

(甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

綠洲降雨量少，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，對植物的生長不利[1]。長期以來，綠洲地區(qū)作物增產主要依賴于水肥的大量投入，這不僅增大了作物增產成本，并且對綠洲地區(qū)生態(tài)環(huán)境不利。近幾年國內外專家通過研究田間水分循環(huán)與轉化規(guī)律，探討SPAC系統(tǒng)之間水分動態(tài)和量化關系，以此來有效解決下墊面濕度變化與蒸發(fā)問題，以期科學合理地配置有限水資源，對農田進行合理的水肥調控，為農田高效節(jié)水節(jié)肥的研究機制及具體實踐奠定基礎和提供理論依據[2]。此外，將單一的土壤根區(qū)水熱運移及能量轉化與水循環(huán)、水文因素和生態(tài)環(huán)境評價有效聯系結合，可以充分研究系統(tǒng)中的節(jié)水脅迫評估、水熱循環(huán)與轉化、土壤水分及蒸發(fā)蒸騰量的變化、覆膜水熱動態(tài)、農田小氣候的調控[3]。目前，已有實踐證明SPAC系統(tǒng)水分循環(huán)與轉化的研究對作物農田水熱能進行有效調控，從而提高作物水分利用效率，有利作物優(yōu)質高產[4- 5]。

1 SPAC系統(tǒng)的概念

SPAC系統(tǒng)是土壤-植物-大氣連續(xù)體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)的簡稱，系統(tǒng)中水分循環(huán)與轉化是研究農田土壤水分運移、土壤水分對植物生長調控、土壤-植物水分相互轉化的基礎。目前，研究者把SPAC系統(tǒng)分為三個層次：第一層次為土壤層，第二層次為能量轉化與運輸最為頻繁的植物體，第三層次是位于一定高度的大氣層[6]。水分在SPAC系統(tǒng)中作為統(tǒng)一能量的指標，將不同介質和不同界面聯系整合形成統(tǒng)一連續(xù)體，在系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中，水勢作為主要的驅動力，用以定量研究系統(tǒng)的能量變化，并且計算水流通量?？到B忠等[7]研究表明，SPAC系統(tǒng)中的土壤水、植物水、大氣水在水勢主導作用下的運移規(guī)律是從水勢高的地方向水勢低的地方運動，且與阻力成正相關。1966年Philip[8]提出比較完善的SPAC概念，即植物根區(qū)的土壤水分被植物根系吸收，在植物體內通過物理和化學作用被運至植物莖部，經由木質部運至植物葉片，通過葉片胞間空隙蒸發(fā)，由氣孔腔和孔洞散發(fā)至大氣，參與大氣的循環(huán)與交換。這一概念的提出突破原有土壤-植物-大氣水分研究，有效統(tǒng)一水熱動態(tài)關系，為研究分析系統(tǒng)中水分及能量循環(huán)與轉化動態(tài)過程提供方便，能夠為相關學科領域研究提供可行性依據，將多個單一研究整合成連續(xù)體，使研究更加完善深入。實踐證明，將土壤-植物-大氣系統(tǒng)作為整體研究探討，可避免研究的片面化和理論性不足的情況。

2 SPAC系統(tǒng)水分循環(huán)與轉化機理

SPAC系統(tǒng)水分運移大致過程主要建立在全球水分循環(huán)基礎之上，劉昌明等[9]研究表明，大氣降水、地下水補給、農業(yè)灌溉等構成土壤水的主要來源；而土壤水的散失途徑主要有土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、深層滲漏等。這些環(huán)節(jié)中的水分在水勢驅動下，將土壤、植物、大氣聯系整合，中間主要有三個過程：①根系吸水過程，即土壤水分向根區(qū)運移經由根系被植物吸收利用，這一過程主要影響因素有：土壤水勢、土壤結構、土壤輸水性、植物根系吸水性[10]。②植物體內水分運移轉化過程，這一過程取決于植物自身輸水能力大小[11]。③植物體內水向大氣傳輸過程，即將液態(tài)水轉化成氣態(tài)水，這一過程主要決定于植物葉面水汽壓與大氣水汽壓差，即當大氣水汽壓低于植物葉面水汽壓時，在水汽壓差作用下植物體內水分向大氣散發(fā)[12]。此外，在蒸發(fā)作用下，土壤水汽壓高于大氣水氣壓，在兩者的水汽壓差作用下，促使淺層土壤水經由地表向大氣運移。在降雨條件下，在水汽壓差作用下雨水經由地表進行入滲。劉蘇峽等[13]研究表明基于“五水”理論的SPAC系統(tǒng)水分運移遵循水量平衡原則，且該系統(tǒng)中水分運移具有連續(xù)和雙向聯通的特性。因此，土壤水分在水汽壓差作用下經由植物蒸騰和土面蒸發(fā)散失至大氣中，大氣水又因氣象等因素影響作用，大氣水由氣態(tài)轉化成液態(tài)或固態(tài)以降雨、雪方式運移到土壤中，形成田間水分循環(huán)系統(tǒng)。

3 SPAC系統(tǒng)界面

3.1 土壤-根系界面

3.1.1土-根界面水流阻力

土壤-根系界面是SPAC系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，是根系維持植株生長發(fā)育吸收水分和養(yǎng)分的門戶，界面上的通量為根系吸水。根系吸水的影響因素主要有：土壤阻力、根阻力、土-根界面阻力等。盛鈺等[14]研究表明土壤肥力和水分狀況可決定土壤阻力對根系吸水的影響大小。劉小芳等[15]研究表明植物根系吸水能力受土壤水分影響顯著，植物徑向和軸向的導水能力在水分脅迫條件下明顯降低，此外，不同品種植物的吸水能力存在顯著差異。張富倉等[16]研究表明在水勢差驅動作用下，土-根系統(tǒng)水分運移速率被土壤-植物系統(tǒng)水分進、出根，土壤、根和土根界面總的導水性限制。這三個因素對根系吸水速率的影響及作用大小受限于不同土壤水分條件，即在土壤水分充足時，根系的水流導度直接決定根系吸水速率大??；當土壤較為干旱時，根系吸水速率的影響因素為相對較小的土-根界面的水流導度；當土壤嚴重干旱時，土壤水流有效導度直接限制根系吸水速率大小。此外，邵明安等[17]研究表明隨著時間和土壤深度的增加，土-根總阻力增大；土壤阻力隨著時間增大，與深度有關的變化規(guī)律則取決于根密度的空間變化率與土壤導水率的增減程度；土-根接觸阻力隨著時間增大，但隨著深度的增加則降低；根系吸收阻力隨著深度增加緩慢。其中，在土-根界面水流阻力的各個分項中，根系吸收阻力占主導且主要取決于植物本身屬性，當土壤含水量接近或等于凋萎濕度時，土壤阻力相對較小，而土-根接觸阻力則能達到土-根總阻力的70%左右。

3.1.2土-根界面水分再分配

水分再分配(Hydraulic redistribution，簡稱HR)是指將土壤濕度高的地方的水分經由植物根系運移而被傳遞到土壤干旱的地方，一般情況下，較多在夜間蒸騰能力較弱時發(fā)生，并在不同土層沿水勢梯度下降方向四周移動。HR的發(fā)現有效證實SPAC系統(tǒng)中水流小通路的存在，為系統(tǒng)中水分儲存和運移的時空動態(tài)及機制具體化提供理論依據[18]。在整個SPAC系統(tǒng)中，水勢作為主要驅動力，促使水分從水勢高的地方向水勢低的地方運動。在土壤干燥或干旱時，植物水勢大于土壤水勢[19]，這時土壤濕度高的地方水分會經由植物根系傳導被運送到土壤干燥的地方，發(fā)生HR。但發(fā)生HR不僅取決于干燥的土壤環(huán)境和其產生的水勢梯度，還決定于水流通道的阻力大小[20]。此外，研究表明同一時空的不同植物間的水分再分配特點存在著顯著差異[21]。因此，HR與土壤含水量和土壤質地有關，且受植物自身的儲水性及導水性等生理生態(tài)屬性影響。

3.2 植物-大氣界面

3.2.1葉-氣系統(tǒng)的水流阻力、葉水勢

葉-氣系統(tǒng)的水流阻力是SPAC中水流阻力的主要組成部分，能夠在很大程度上影響SPAC系統(tǒng)的水流傳輸的控制，研究表明整個SPAC系統(tǒng)總水流阻力的97%以上分布在葉-氣系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的水流阻力為土壤阻力的幾千倍左右，并與植物體內水流阻力比值高達50左右，通常葉-氣系統(tǒng)中氣孔擴散阻力大于邊界層阻力，前者是后者的3～5倍，且該比值隨著土壤水勢降低而增大[22]。在SPAC系統(tǒng)中，土壤基質勢、大氣水勢、外部環(huán)境(光照輻射、飽和差等)等因素主要影響葉水勢的大小，葉水勢對植物物理、化學等生理代謝活動等均有著顯著作用，能夠具體反映土壤水分及植物水分脅迫。葉水勢的整體變化規(guī)律為前期高，后期低，日變化規(guī)律為早晚高、午時低，且與土壤水分能態(tài)的變化有關，研究表明葉水勢日變幅隨著土壤基質勢的增加而降低[23]。

3.2.2植物-大氣界面的光合、蒸騰作用

植物-大氣界面涉及的物質與能量交換主要有三大作用，即：光合作用、呼吸作用、蒸騰作用。實踐證明對植物光合和蒸騰過程的研究可以探討提高植物葉片水平和植物高效利用水分的方法和途徑，以期實現農業(yè)上的優(yōu)質高產，節(jié)能環(huán)保。孫景生等[24]研究表明，在充分灌溉條件下，光合生產過程效率是有限的，造成水分利用效率降低。在水分虧缺條件下，植株葉面積減小，氣孔開度隨之減小，水流阻力則反之增大，導致光合速率降低[25]。山侖等[26]研究表明，輕度水分虧缺與充分灌溉相比，前者的葉片光合作用高。植物氣孔蒸騰的影響因素是：葉片氣孔阻力、葉片與周圍環(huán)境的水勢梯度、空氣層阻力、土壤水分能態(tài)、氣象因素等[27]。李百鳳等[28]研究表明在水分虧缺條件下，產量與蒸騰失水相比，降低幅度較為顯著，因此，對節(jié)水農業(yè)的土壤水分指標進行有效分析時，應充分考慮以提高蒸騰水分利用效率的光合指標為主。

3.3 土壤-大氣界面

3.3.1水分的入滲

土壤-大氣界面的水分傳輸主要包括裸露土壤和顆間裸地，研究表明因顆間蒸發(fā)受周圍環(huán)境的影響，土壤水分和植物葉面積指數都會影響土壤熱通量，顆間蒸發(fā)隨著土壤含水率的上升而增大。該界面上的水分通量有兩個，即入滲和蒸發(fā)。在SPAC系統(tǒng)中，土壤入滲是水分循環(huán)與轉化的重要組成部分，是根系吸水、植物蒸騰的水分來源，其中土壤入滲性能受土壤性狀、土壤初始含水率等的影響，時空差異大[29]。魏恒等[30]研究表明，土壤入滲總體趨勢是初期最大，中期逐漸減小，后期趨于穩(wěn)定值。因此，利用有效的農業(yè)措施降低初始入滲率，減緩水分流失，達到高效節(jié)水、優(yōu)質高產的目的。

3.3.2土面蒸發(fā)

土面蒸發(fā)的最終研究目標是區(qū)分作物蒸騰與棵間蒸發(fā)，為簡化蒸騰與產量分析，且采用合理的農藝措施降低棵間無效水損耗，從而提高土壤水分利用效率。土壤質地、結構、含水率等對土面蒸發(fā)具有影響作用，其中土壤含水率能夠顯著影響土壤蒸發(fā)速率。李開元等[31]研究表明蒸發(fā)速率的顯著降低有兩個階段分別是當土壤含水量等于田間持水量時和土壤含水量等于毛管聯系破裂含水量時。李玉山等[32]研究表明，土壤干旱到一定程度時，10或20cm以下的土層濕度會達到田間穩(wěn)定濕度，出現持穩(wěn)均衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，土壤的無效蒸發(fā)會顯著降低，有利于節(jié)約用水，此外，土面蒸發(fā)的日變化規(guī)律與地表溫度和日輻射相一致，地表溫度能夠有效反映土壤-大氣界面的物質與能量交換。

4 結語

本文是在界面水文過程提出基礎上進行探討研究的，可以使水分循環(huán)與轉化更加清晰化，也可以實現對農業(yè)節(jié)水進行界面調控的認識，并將這些認識作為農業(yè)節(jié)水實施的理論依據，使其更加貼合綠洲農業(yè)節(jié)水發(fā)展。目前，通過分析SPAC系統(tǒng)中水流運移模擬作物根區(qū)土壤水分動態(tài)、作物根系吸水、作物的蒸發(fā)蒸騰量，可充分了解系統(tǒng)對田間水熱傳輸的抑制及加速作用，預測土壤水分狀況和作物需水量，從而有效提高水分利用效率，這對實現綠洲農業(yè)的節(jié)水增產及緩解當前用水矛盾具有一定的指導意義。此外，與生態(tài)水文模擬系統(tǒng)相結合，進行跨時空的生態(tài)水文模擬，可實現水資源的持續(xù)利用，從而保護生態(tài)環(huán)境。