土壤水熱與根系吸水模型研究進(jìn)展及其在西藏研究展望

劉 偉, 徐 冰, 湯鵬程, 李澤坤

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

1 研究背景

土壤水分與作物產(chǎn)量的關(guān)系一直以來備受關(guān)注。作為聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，土壤水在水資源形成、轉(zhuǎn)化及消耗的過程中有著不可或缺的作用。土壤水分狀況與農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境等領(lǐng)域都有密切聯(lián)系[1]，土壤水分運(yùn)動(dòng)與熱量交換密不可分，進(jìn)而將土壤水熱問題整體考慮。目前，土壤水熱運(yùn)移規(guī)律的研究是許多學(xué)科研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，比如水土保持、農(nóng)田灌溉、土壤學(xué)等。適宜的土壤水熱條件不僅能夠保證作物根系良好生長(zhǎng)以及作物最終能夠高產(chǎn)；同時(shí)，在土壤環(huán)境中也是防治土壤發(fā)生次生鹽堿化以及提高土壤肥力和土壤生產(chǎn)效率的重點(diǎn)。根系吸水是作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中最重要的生命活動(dòng)之一，承擔(dān)著農(nóng)田土壤中作物與土壤之間物質(zhì)運(yùn)移和能量交換的重要使命[2]。作物根系吸水狀況不僅是作物自身長(zhǎng)勢(shì)以及土壤環(huán)境條件的反映，更是作物與土壤及大氣的物質(zhì)能量的交換和傳輸?shù)捏w現(xiàn)。因此，探討和研究田間水分利用效率的提高、土壤墑情的調(diào)節(jié)、灌溉制度的合理制定以及作物產(chǎn)量提高的前提是先弄清作物根系的吸水機(jī)理。

在平均海拔4 000 m的西藏高寒地區(qū)，農(nóng)業(yè)科學(xué)的理論研究相較低海拔地區(qū)起步較晚。針對(duì)高寒區(qū)特殊環(huán)境條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及水熱耦合條件下的根系吸水研究仍處于起步階段。另外除去本身高海拔地區(qū)低壓低氧(氧氣含量約為內(nèi)地50%～80%)、強(qiáng)輻射(年日照時(shí)數(shù)3 000 h以上)、近地層水熱交換頻繁且復(fù)雜的自然條件之外，在當(dāng)?shù)剡€有著利用低溫融雪水進(jìn)行田間灌溉的生產(chǎn)實(shí)際，更進(jìn)一步加劇了近地層根區(qū)土壤的水熱交換條件。在此條件下所導(dǎo)致的農(nóng)作物減產(chǎn)，多年生作物返青推遲等現(xiàn)象產(chǎn)生。種種條件均說明土壤根區(qū)水熱運(yùn)移機(jī)理的探求的重要性[3-7]。因此，探索西藏高寒地區(qū)土壤水熱環(huán)境特性、作物根系生長(zhǎng)及根系吸水規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為進(jìn)一步展開高寒區(qū)水熱耦合條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供基礎(chǔ)。這既是高寒地區(qū)農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)理論研究的難點(diǎn)也是技術(shù)應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵科技問題。由此對(duì)高寒區(qū)考慮水熱耦合因素的根系吸水模型研究做出初步展望，以期對(duì)相關(guān)研究有所裨益。

2 土壤水熱耦合模型的研究進(jìn)展

土壤水熱耦合模型是一種能夠較完善地定量描述和預(yù)測(cè)土壤中的水分變化，進(jìn)而揭示土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模型。與等溫模型不同的是，土壤水熱耦合模型不僅能在比較濕潤(rùn)的區(qū)域有著更好的模擬效果，而且對(duì)于土壤內(nèi)部溫度梯度對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生影響的干燥土壤，它能夠更好地揭示土壤中水分與熱量之間相互作用相互影響的規(guī)律。

2.1 土壤水熱耦合模型的起源

土壤水熱的相關(guān)研究在很長(zhǎng)的一段時(shí)期之中，均處于定性描述或者是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論來處理實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的問題。在水熱耦合模型出現(xiàn)之前，主要以等溫模型為主，顧名思義該模型假設(shè)土壤內(nèi)部溫度是相等的，不存在溫度梯度，進(jìn)而將問題簡(jiǎn)化處理。但是隨著土壤溫度理論的研究的進(jìn)步發(fā)現(xiàn)土壤內(nèi)部溫度梯度對(duì)蒸發(fā)作用是存在著不可忽視的影響的，因此誕生了土壤水熱耦合的概念。

由于問題的復(fù)雜性，土壤水分運(yùn)動(dòng)在起初很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都只能處于定性描述的階段，直到1907年Buckingham[8]提出了毛管勢(shì)理論，1931年Richards[9]提出了非飽和流方程，數(shù)學(xué)物理手段才慢慢應(yīng)用到了土壤水的研究領(lǐng)域，使得問題從定性描述推進(jìn)到定量研究的階段。1957年P(guān)hilip等[10]率先提出了水熱耦合的概念，從能量平衡的角度看待土壤水分變化。相較于等溫模型更為完善的是考慮到非等溫條件下的土壤蒸發(fā)，從而以質(zhì)能平衡角度提出水-氣-熱耦合運(yùn)移理論，由此所構(gòu)建的水熱耦合方程中是以溫度和含水率為未知函數(shù)。

這些水熱耦合運(yùn)移的理論的提出以及相關(guān)模型的建立，都為后期水熱耦合理論的進(jìn)一步研究和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 凍融條件下的土壤水熱耦合模型

土壤熱質(zhì)遷移是凍土學(xué)研究的基本問題之一，凍脹問題的根本原因是土壤水分的相變問題，而水分相變正是由熱量的遷移導(dǎo)致的。出于凍脹問題研究的需要，最早可以追溯到1973年，Harlan[11]通過模型的建立，認(rèn)為凍土中未凍水量是溫度的函數(shù)，并通過這樣的函數(shù)來表示連通凍土和未凍土的不飽和水流與熱流。該模型針對(duì)土壤在凍結(jié)過程中水熱耦合問題做出了較為全面的描述，但是沒有涉及凍融過程中溶鹽離子的遷移問題[12]。近年來，隨著對(duì)寒區(qū)和極地資源的探索和開發(fā)的不斷深入，凍融過程中的溶鹽離子遷移的研究也越來越引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。土壤中的溶液幾乎不存在純凈狀態(tài)，溶鹽離子以水為介質(zhì)在土壤中遷移，而隨著土壤水相變的產(chǎn)生，水中的鹽分又表現(xiàn)出自身的運(yùn)移特點(diǎn)，并且會(huì)反作用于土壤凍融過程。在凍融耦合模型方面，1994年，岳漢森[13]推導(dǎo)出了凍融條件下的水熱運(yùn)移方程。2006年，胡和平等[14]在結(jié)合Richards連續(xù)方程的基礎(chǔ)上，建立了一維凍土-植被-大氣連續(xù)體模型。模型不僅具有較好的邊界條件適應(yīng)性，而且綜合考慮土壤凍融、土壤水汽通量、植被覆蓋和近地層水熱交換等情況。2009年，李瑞平等[15]為摸清寒旱區(qū)土壤凍融過程中水熱鹽的遷移規(guī)律，采用 SHAW模型對(duì)凍融期河套地區(qū)的鹽漬化土壤進(jìn)行了相應(yīng)模擬研究。2010 年，在凍結(jié)條件下水熱耦合模型的基礎(chǔ)上，劉暢等[16]通過模擬季節(jié)性凍土的試驗(yàn)，總結(jié)了凍結(jié)期土壤水熱的遷移變化規(guī)律。2011年，針對(duì)地下水淺埋區(qū)季節(jié)性凍融土壤水分運(yùn)動(dòng)情況，彭振陽等[17]通過試驗(yàn)觀測(cè)，定性定量地分析了其水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。鑒于積雪覆蓋對(duì)土壤水熱變化的影響，2015年，付強(qiáng)等[18]對(duì)積雪覆蓋下土壤的含水率變化進(jìn)行了分析，研究表明不同厚度和密度的積雪對(duì)土壤有不同程度的保墑作用 。2016 年，奚茜等[19]運(yùn)用PCA法求解土壤水熱耦合模型，通過簡(jiǎn)化全隱式差分格式，提高了模型計(jì)算效率。

2.3 干旱條件下的土壤水熱耦合模型

在干旱地區(qū)的土壤耦合模型的研究中，牛國(guó)躍等[20]于1997年率先提出了沙漠裸土模型，模型同時(shí)考慮了氣液兩相水分運(yùn)動(dòng) 。在此基礎(chǔ)上，馬金珠等[21]于1998年在線性化迭代后得到了用于沙漠包氣帶的水汽熱耦合模型。Sun等[22]基于試驗(yàn)觀測(cè)資料，對(duì)耦合模型和簡(jiǎn)化的耦合模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明,無論在干燥或濕潤(rùn)條件下，簡(jiǎn)化的耦合模型均更具優(yōu)勢(shì)。Liu等[23]針對(duì)干旱表面水氣熱運(yùn)動(dòng)變化, 通過相應(yīng)模型進(jìn)行了模擬分析。Bittelli等[24]針對(duì)裸土水氣熱運(yùn)移規(guī)律構(gòu)建的模型，通過模擬發(fā)現(xiàn)與觀測(cè)值有很好的一致性。

針對(duì)西藏高寒區(qū)的自然條件，朱緒超等[25]2015年分別從遙感反演、定點(diǎn)觀測(cè)、模型模擬以及布點(diǎn)調(diào)查4個(gè)方面對(duì)青藏高原地區(qū)土壤水分研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。就模型模擬方面，常用模型有陸面過程模式 CLM3.0、常用的水熱耦合模型SHAW 模型和 COUPMODEL 模型，除此之外還有 VIC-3L模型、BATS陸面模型、WRF 模式、LDAS 模型等[26-34]。以上各模型在青藏高原多年凍土區(qū)活動(dòng)層土壤水熱模擬中各具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在著各自的不足。研究大多是以水文、陸面過程分析以及凍土學(xué)的研究為重點(diǎn)，針對(duì)特殊自然條件下復(fù)雜的水熱運(yùn)移情況，尤其是側(cè)重于農(nóng)田土壤水分以及作物減產(chǎn)機(jī)理的研究尚屬空白。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠土壤水熱耦合模型并不能充分地解釋和說明一定的水熱條件對(duì)作物植株，尤其是作物根系生長(zhǎng)的影響機(jī)理。因此，通過以上研究可以看出水熱變化條件在作物生長(zhǎng)過程中起到了重要的作用，針對(duì)青藏高原地區(qū)特殊水熱條件，適宜西藏地區(qū)的水熱耦合模型將會(huì)是進(jìn)一步的研究熱點(diǎn)。

3 作物根系吸水模型的研究進(jìn)展

植物根系吸水模型是通過數(shù)學(xué)物理方法來定量地體現(xiàn)和反映根系吸水的機(jī)理和過程的一種模型。根據(jù)研究尺度的不同，一般可分為兩類：一類是微觀模型，另一類是宏觀模型。

3.1 微觀吸水模型

微觀吸水模型由于其模型假設(shè)單根吸水特性沿徑向不變的特點(diǎn)，所以又稱之為單根徑向流模型。微觀模型假定植物根系分布均勻，與之相對(duì)應(yīng)的根系的各項(xiàng)物理特性也均勻分布。微觀模型主要用于研究植物根系的吸水機(jī)理[35]。

微觀模型由Gardner[36]于1960年率先提出。為了簡(jiǎn)化問題的求解，提出了均一性假設(shè)，即假設(shè)在沿根長(zhǎng)方向上單根的直徑、吸水特性以及土壤的初始條件和導(dǎo)水性能等各項(xiàng)物理特性均不變，并且忽略重力作用條件下垂直方向的水分運(yùn)動(dòng)，將土壤水分運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為平面徑向流動(dòng)問題。相應(yīng)的定解條件為：

(1)

在Gardner的基礎(chǔ)上，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究和改進(jìn)。1976年，Molz[37]提出了土-根系統(tǒng)水流動(dòng)模型，模型根據(jù)根表面與根組織內(nèi)部的不同水力特性，將土壤中水分流動(dòng)根據(jù)不同水力特性加以聯(lián)系[38]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的計(jì)算方法和計(jì)算手段應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。1986年，Hainsworth等[39]借助X射線攝影法，發(fā)現(xiàn)根系吸水速率和土壤含水率梯度與根長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，并指出原因可能是根表面隨著根徑減小而減小,因此均一圓柱體的假設(shè)可能是錯(cuò)誤的。緊隨其后，Novak[40]在土壤剖面充分濕潤(rùn)條件下，于1987年得出了作物根系吸水速率的表達(dá)式。與均一性假設(shè)不同的是其假定根系吸水速率在土壤剖面上呈現(xiàn)指數(shù)分布，較貼合實(shí)際。

與國(guó)外研究情況相比，國(guó)內(nèi)的吸水模型相關(guān)研究是從20世紀(jì)80年代開始的。針對(duì)不同作物類型的吸水特性的不同，1992年，康紹忠等[41]從作物吸水機(jī)理出發(fā)，結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬的方法，對(duì)作物的根系吸水速率展開了研究。1996年，羅遠(yuǎn)培等[42]在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析得到了關(guān)于冬小麥，玉米的微觀吸水模型。龔道枝等[43]2004年以果樹為研究對(duì)象，較系統(tǒng)和全面的研究了二維根系吸水特性。2013年，高曉瑜等[44]對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的水鹽脅迫條件下作物根系吸水模型及其相關(guān)研究作了綜述。

總的來說，由于研究尺度為單根，故在嚴(yán)格條件下根區(qū)微域內(nèi)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微觀吸水模型能描述得更好。但是由于微觀模型中包含的參數(shù)許多都難以測(cè)定，并且由于田間實(shí)際根系分布的復(fù)雜性，使得微觀根系吸水模型難以體現(xiàn)整個(gè)根系的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律和吸水機(jī)理。

3.2 宏觀吸水模型

宏觀吸水模型，顧名思義較微觀吸水模型不同的是其研究對(duì)象是整個(gè)根系，并將整個(gè)根系看作是一個(gè)吸水器。在根系分布上也與微觀模型不同，假定在根系均勻分布在根系所在土層中，而整個(gè)根區(qū)的根系密度又是不均勻的[45]。隨著土壤物理等其他相關(guān)學(xué)科的研究不斷深入，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)作物根系的吸水速率取決于土壤含水率、植物本身的生理特性以及近地氣象條件，故整個(gè)根系從土壤中吸收水分的吸水速率是不盡相同的。從數(shù)學(xué)角度來看，宏觀吸水模型是土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程的右邊加上一個(gè)根系吸水速率項(xiàng)：

(2)

式中:θ為體積含水率；t為時(shí)間；h為土水勢(shì)；k為非飽和土壤導(dǎo)水率；H為總土水勢(shì)；S為根系吸水速率。

之后的宏觀模型的發(fā)展和改進(jìn)，實(shí)質(zhì)上都是在通過修改吸水項(xiàng)S來建立一個(gè)更加切合實(shí)際的吸水模式，不難看出根系吸水項(xiàng)的確定是宏觀模型的關(guān)鍵所在。通常根據(jù)模型影響吸水速率的主導(dǎo)因子和建模方式將其分3類：吸水機(jī)理模型、蒸騰權(quán)重原理模型和水動(dòng)力學(xué)原理模型。

(1)吸水機(jī)理模型：主要是以水分物理參數(shù)和根系密度為主導(dǎo)因子來構(gòu)建的模型，最早有Gardner 模型、Whisler模型等。此類模型具有清晰的機(jī)理性和物理過程，但是由于其中許多參數(shù)很難準(zhǔn)確地測(cè)定，如根系水勢(shì)和土壤、根系對(duì)水流的阻力等，因此相應(yīng)的模型應(yīng)用也受到較大限制。

(2)蒸騰權(quán)重模型：將蒸騰量在根系層土壤剖面上按照一定的權(quán)重進(jìn)行分配，建立包含權(quán)重因子的根系吸水函數(shù)即為蒸騰權(quán)重模型。根據(jù)權(quán)重分配不同進(jìn)一步可分為如下3類：

線性模型：即吸水強(qiáng)度在土壤剖面上呈現(xiàn)線性規(guī)律，典型的有：均勻分布的Feddes模型，按4∶3∶2∶1的比例分配的Molz-Remson模型。

非線性模型：即結(jié)合植物根系在空間上分布的不同情況，在線性模型的基礎(chǔ)上作出進(jìn)一步的補(bǔ)充。羅毅和于強(qiáng)(2000)通過田間試驗(yàn)資料的分析對(duì)Molz-Remson模型、Feddes模型以及Selirn-lskandar模型做出了進(jìn)一步改進(jìn)。

指數(shù)模型：指隨土壤深度增加根系密度的變化呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。針對(duì)不同的水分條件以及植被類型情況，許多學(xué)者就此展開了探索：1992年，康紹忠等[41]在黃土高原特定的氣候條件下，提出了小麥的吸水模型。模型中規(guī)避了較難測(cè)定的參數(shù)如根系密度、阻力等，使得模型在實(shí)際應(yīng)用中也比較簡(jiǎn)便，但是由于模型是在特定的試驗(yàn)條件下得到的，相對(duì)應(yīng)的局限性也是無法避免的。1997年提出的邵愛軍等[46]建立的模型是在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多元非線性回歸的數(shù)值方法得到的,推求出的經(jīng)驗(yàn)因數(shù)不僅能夠體現(xiàn)作物吸水量峰值情況，還能反映根系吸水在剖面上分布情況。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)具有較好的模擬效果。

(3)水動(dòng)力學(xué)原理模型：該類模型是基于土壤水動(dòng)力學(xué)原理推導(dǎo)出來的。由于以往模型中存在參數(shù)多，而且難以測(cè)定導(dǎo)致應(yīng)用受到限制的問題。因此，以Honert[47]的假定為基礎(chǔ)，在總結(jié)已有模型中的不足，通過數(shù)值模擬反推求得了模型。該模型主要研究對(duì)象為土-根系統(tǒng)，并未涉及SPAC系統(tǒng)中大氣因素的影響。并且在模型中依然存在著許多難測(cè)定的因素，如水流阻力、根透性、根長(zhǎng)密度等，因此在實(shí)際中應(yīng)用也受到了一定限制。

將微觀模型和宏觀模型進(jìn)行對(duì)比可以看出，由于微觀模型研究對(duì)象為單根，故其在嚴(yán)格的模擬條件下對(duì)根區(qū)小范圍內(nèi)的土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著較好的模擬效果。根據(jù)這一特點(diǎn)，常借助微觀模型來研究根系的吸水機(jī)制以及相關(guān)的水勢(shì)變化關(guān)系。但是由于微觀模型的均一性假設(shè)與實(shí)際情況的不相符，所以，微觀模型所模擬的單根吸水特點(diǎn)是不能夠代表整個(gè)根系的吸水規(guī)律的。宏觀模型將整個(gè)根系看做整體，可以忽略掉水勢(shì)梯度的影響，并且模型假設(shè)也更符合田間實(shí)際情況，但是針對(duì)不同的水分條件和作物類型，模型的邊界條件又會(huì)難以控制。因此，宏觀模型在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究。

3.3 其他吸水模型

(1)多維度根系吸水模型。Gardner模型是從簡(jiǎn)單的一維形式開始，近年來模型的發(fā)展也來越涉及復(fù)雜的根結(jié)構(gòu)以及土壤和植物的相關(guān)過程，研究形式也從一維變向二維和三維。目前來看，三維模型最能反映根系在土壤中吸收水分的實(shí)際情況，因此也成為未來的根系吸水模型的發(fā)展趨勢(shì)，目前應(yīng)用較廣泛的有Hydrus-3D，R-SMWS模型等[48-49]。

(2)水鹽脅迫下的根系吸水模型。在干旱和半干旱地區(qū)，尤其是鹽漬化地區(qū)，水鹽脅迫對(duì)作物根系吸水的影響較為顯著，雙重脅迫下作物吸水需要消耗更多的能量。然而宏觀模型很少涉及水鹽共同脅迫下的根系吸水機(jī)制。因此，對(duì)其定量研究也越來越重要[50-54]。

根系吸水模型旨在模擬根系吸水機(jī)理，進(jìn)而調(diào)節(jié)作物根系發(fā)育以及植株生長(zhǎng)。李凱等[55]、徐滿厚等[56]針對(duì)植物根系和增溫條件對(duì)青藏高原地區(qū)水熱過程以及生物量影響進(jìn)行了模擬；李玉慶等[57]2015年通過蒸滲儀法提出了基于彭曼公式而構(gòu)建的青稞根系吸水模型。然而針對(duì)高寒區(qū)獨(dú)特條件下的根系吸水模型研究目前尚待完善，結(jié)合高寒區(qū)的自然條件，提出符合當(dāng)?shù)貙?shí)際條件的根系吸水模型，是明確高寒區(qū)作物根系生長(zhǎng)機(jī)理、探求根系水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的必要條件。

4 西藏地區(qū)考慮水熱耦合因素的根系吸水模型研究展望

4.1 面臨的科學(xué)問題

隨著數(shù)學(xué)模型研究的出現(xiàn)，越來越多的復(fù)雜物理問題都可以通過模型模擬來展開進(jìn)一步機(jī)理性研究。通過問題的簡(jiǎn)化，提出相應(yīng)假設(shè)，構(gòu)建數(shù)學(xué)方程，確立邊界條件以及模型最后的適用性驗(yàn)證，完整的建模過程就完成了。通過建模求解自然科學(xué)問題是一種十分高效，實(shí)用的方法。隨著生產(chǎn)實(shí)際的需求不斷加大，對(duì)于復(fù)雜的土壤內(nèi)部能量的交換，水分鹽分的運(yùn)移規(guī)律的描述也在逐步深入，旨在揭示土壤水分與熱量交換運(yùn)移規(guī)律的土壤水熱耦合模型的研究需要也在逐步提升。而根系吸水是根系生長(zhǎng)過程中最基本的生命活動(dòng)，土壤與根系之間的物質(zhì)能量交換與土壤水熱環(huán)境又是互相聯(lián)系，互相作用的關(guān)系。這就對(duì)根系吸水模型的進(jìn)一步研究提出了相應(yīng)要求。

通過回顧兩類模型的研究進(jìn)展，不難發(fā)現(xiàn)，雖然我國(guó)在該方面的研究起步較晚，但是在探索和研究中也出現(xiàn)了許多豐碩的研究成果。然而在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)研究都相對(duì)較落后的西藏地區(qū)，相關(guān)研究仍處于起步狀態(tài)。由于西藏地處高原，氣象條件和地理?xiàng)l件都具有特殊性，農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育以及農(nóng)藝手段上所面臨的條件都與內(nèi)地有所不同，比如晝夜溫差較大、氧氣稀薄以及早春時(shí)節(jié)利用融雪水進(jìn)行田間灌溉等實(shí)際問題。當(dāng)?shù)刈魑镌诘蜏厝谘┧喔葪l件下，根區(qū)土壤潛熱交換頻繁，凍融情況較平原地區(qū)更為復(fù)雜?，F(xiàn)有的根系吸水模型并不能很好地描述這種條件，進(jìn)而反映高寒區(qū)牧草根系的吸水狀況。以往研究中也未將高海拔、低溫水等特殊地理、生產(chǎn)條件考慮在內(nèi)。即使是凍融條件下的水熱耦合模型研究也并未考慮高寒區(qū)土層稀薄、潛熱交換頻繁的土壤條件。

與其他地區(qū)相比，西藏高寒區(qū)灌溉飼草地除受土壤質(zhì)地、氣象條件、田間管理等綜合技術(shù)應(yīng)用不足的影響外，由于表層壤土淺薄，壤土層下的砂礫石層對(duì)作物根系自下而上的水分補(bǔ)充過程也有顯著影響。同時(shí)，砂礫石層切斷土壤毛管后，由于灌溉帶來的水分滲漏對(duì)作物根系生長(zhǎng)的影響尚不明確。

低溫融雪水灌溉加劇了根區(qū)土壤水熱條件改變，是導(dǎo)致牧草增產(chǎn)率低甚至減產(chǎn)、死苗的原因之一，但是針對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理尚沒有合理的解釋[58-60]。與水庫(kù)等常溫水灌溉相比，低溫融雪水灌溉所帶來的影響中，影響程度和作用機(jī)理都尚待明確。

微觀上，就作物本身而言，針對(duì)高寒區(qū)特殊自然條件，適宜當(dāng)?shù)氐牡湫透滴Ｐ陀写M(jìn)一步建立，根系吸水過程相較于低海拔地區(qū)有哪些特殊性需要進(jìn)一步研究。

4.2 研究展望

為了進(jìn)一步明確西藏高寒區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及水熱運(yùn)移機(jī)理，下一步研究應(yīng)側(cè)重如下幾點(diǎn)：

(1)高寒區(qū)植被覆蓋條件下土壤水熱耦合的量化表征。基于田間試驗(yàn)，通過水量平衡計(jì)算，借助稱重式蒸滲儀，開展西藏高寒地區(qū)以青稞為典型作物的需耗水規(guī)律研究。在薄土層條件下，揭示集中降雨和灌溉所產(chǎn)生的深層滲漏機(jī)制，摸清強(qiáng)輻射條件下表層土壤及作物的蒸散發(fā)規(guī)律。在土壤含水率、土壤容重等基礎(chǔ)物理指標(biāo)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析不同溫度下土壤水分特征曲線變化規(guī)律，結(jié)合田間實(shí)測(cè)土壤含水率變化數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有水分運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行修正。

(2)高寒區(qū)典型作物根系吸水模型建立。以西藏高寒地區(qū)廣泛種植的青稞為例，通過對(duì)作物全生育期內(nèi)根系密度及根系分布的定期觀測(cè)，開展充分灌溉條件下作物根系吸水能力及吸水規(guī)律的研究。結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔攘?xí)慣，模擬融雪水灌溉，與常溫水灌溉進(jìn)行比對(duì)，采用氫氧同位素法確定根系吸水來源，進(jìn)一步分析融雪水灌溉對(duì)作物根系生長(zhǎng)的影響。通過對(duì)作物根系吸水深度以及作物根系主要發(fā)育深度的觀測(cè)，揭示根系發(fā)育深度隨時(shí)間變化的規(guī)律。結(jié)合水熱耦合模型，針對(duì)高寒區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律特點(diǎn)和水分運(yùn)移機(jī)理特性，將水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的溫度變量作為函數(shù)耦合到根系吸水模型之中，進(jìn)而建立考慮水熱耦合因素的根系吸水模型。

在以上具體研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，探索低溫水對(duì)土壤水分特性、作物根系生長(zhǎng)及水分生理特性的影響機(jī)理，進(jìn)一步深化草地灌溉基礎(chǔ)理論，充分結(jié)合發(fā)揮土壤學(xué)、作物生理學(xué)、土壤水動(dòng)力學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)等學(xué)科的交叉優(yōu)勢(shì)。針對(duì)當(dāng)?shù)刈匀坏乩怼庀髼l件的特殊性，在水熱條件變化較為繁復(fù)的情況下，為進(jìn)一步摸清西藏高寒區(qū)土壤水熱運(yùn)移規(guī)律以及根區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供基礎(chǔ)。