土壤水分研究进展

ForestResearch

　　文章编号:100121498(2004)增刊20105204

土壤水分研究进展

张　强1,孙向阳3,张广才2

(11北京林业大学水土保持学院,教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室,北京　100083;21宁夏林业研究所,宁夏银川　750004)摘要:论述了国内外在土壤水分入渗方程模拟、土壤水分运动参数和SPAC理论等方面的研究进展。文中指出沙地水分研究所采用的主要观点由形态学观点转到了能态学观点;土壤水分运动参数的测定方面做了大量的工作,取得了较好的成绩;随着计算机的迅速发展,数值模拟得以广泛的发展。关键词:土壤水分运动参数;SPAC;数值模拟中图分类号:S15217　　　文献标识码:A

我国沙漠面积广大,约有100万km2,而干旱缺水的沙漠生态环境对多数植物的生长造成威胁,也是形成沙区植被稀疏、种类单纯的根本原因。沙地作为一种裸露的生态系统,特别是干旱地区沙地,其制约因素中最重要的因素是沙地的水分分布状况及其量值,沙地水分状况及其平衡也是沙区开发利用最重要的依据。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、由定性到定量发生了质的转变。

1　土壤水分研究观点的转变

长期以来形态学观点是沙地水分研究所采用的主要观点。这种观点指导人们研究分析了沙土的水分物理常数;确定了沙地水分运动的简单过程,加深了对于沙地水分的认识。然而,形态学观点过分的偏重于静态地看待沙地水分运动,研究多停留在水分总量的平衡上面,将连续动态变化进行人为地分割,缺乏与动力环境的有机结合,故难于从本质机理上揭示沙地水分动力学规律,致使沙地水分研究难有较大的突破。

20世纪出现了土壤水分研究的能态观点,30年代以来,特别是50年代以后,土壤水能态

研究以及在此基础上用数学物理方法定量研究水分运动取得了一系列进展,并形成相对独立的学科———土壤水动力学[1]。80年代末期,中国科学院沙坡头开放试验研究站分别与清华大学水利水电科学系、瑞典Lund大学水资源工程系进行合作,开展了沙地水分动力学的基础性研究[2,3],从而将我国的沙地水分研究推向新的阶段。

收稿日期:2004205230

基金项目:教育部优秀青年教师资助项目、人事部留学回国人员科技择优项目重点类课题和国家“十五”西部攻关专项(2001BA901A34)及北京林业大学研究生院2003年度研究生培养基金项目联合资助

),男,辽宁人,硕士,主要研究方向:土壤水.作者简介:张强(1979—

),男,山东人,博士,教授,主要研究方向:土壤生态.3责任作者:孙向阳(1965—

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2　国外土壤水分研究现状

Green2Ampt模型的修正和Philip和Parlange入渗方程的求解是国外当前土壤水分入渗研

究的两大主要方面[4]。经过修正的Green2Ampt模型能较好地说明非均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。土壤水分运动方程的求解问题,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。但是利用数值计算法所需要处理的数据和运算量相当大,因此,应用计算机来进行模拟势在必行。

土壤水分运动参数,包括水分特征曲线、导水率和扩散率。它表征了土壤本身的性质和特征,是应用数学物理方法定量分析研究土壤水运动的必不可少的资料,也是进行土壤水分运动数学模拟必不可少的依据。推求和测定非饱和导水参数的方法一般分为稳态法和瞬态法两类。由于非饱和导水率田间的广泛变异、测定技术的复杂、耗时和庞大的费用,限制了田间水分运动的数值模拟研究。因此,很多研究者采用比较容易获得的土壤水分特征曲线建立模型,求解土壤非饱和导水率。Marshall根据ChildsCollis2Georg建立的方程式发展了仅用水分特征曲线即可求出非饱和导水率的模型。此后,Millington和Quirk对该模型进行了修正,并得到了广泛的应用[5]。Brooks和Corey及Jeppson以Burdine的模型为基础,建立了预测非饱和导水率的简单解析式。后来,Mualem从对土壤水分特征曲线和土壤饱和导水率的认识出发,对上述模型进行扩展,得出一预测导水率的新的积分模型,只要为土壤水分特征曲线找到合适的表达式,代入Mualem模型就可获得简单的解析式。

3　国内土壤水分研究现状

20世纪50年代中期至60年代中期,以原苏联A1A1Pone为代表的形态水分研究观点和方

法全面、系统地介绍到中国,为我国土壤水分研究的发展起到了积极的推动作用。1977年在杭州举行的第一次全国土壤物理学术讨论会上,土壤水分的能量概念首次被介绍到国内,标志着我国的土壤水分研究已步入一个崭新的阶段[6]。

随后,SPAC理论也在80年代初被介绍到国内,它把土壤2植物2大气看作是一个连续体,水在该系统中运转传输,就像链环一样互相衔接,并可用统一的能量指标———水势来表示各个部位甚至不同介质之间能量水平的变化和相互关系[7]。陈建耀等[8]利用中国科学院禹城综合试验站内的大型蒸渗仪、波文比、水力蒸发器等仪器,获得了大量水平衡因子的试验数据和SPAC模型中的有关参数,以大型蒸渗仪实测值为基准,验证了农田土壤2植物2大气连续体模型的模拟值,并主要就蒸散和潜水蒸发量,对实测与模拟值作了比较分析,探讨了两者差异的原因。邵明安等[9]以植物根系吸水的人工模拟试验所测得的资料为依据,运用水流的电模拟原理,定量分析了SPAC中水流阻力各分量的大小、变化规律及其相对重要性。康绍忠等[10]在对SPAC水分传输机理研究的基础上,提出了包括根区土壤水分动态模拟、作物根系吸水模拟和蒸发蒸腾模拟3个子系统的SPAC水分传输动态模拟模型,设计了SPAC水分传输模拟的计算机软件。

土壤水分运动参数,包括水分特征曲线、导水率和扩散率。现在国内已普遍利用水分特征曲线来研究115MPa以下不同吸力的土壤持水性能,而特征曲线的斜率即比水容量,可表示吸力变化时吸入或释出的水量。目前我国主要土类大都已具有小于115MPa的持水曲线和土壤

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基本性质对持水性影响的资料[11～13]。最近人们对小于011MPa的低吸力段研究较多,因为它所吸持的水分活动性最强,且大部分是易效水。如庄季屏、王伟[14]对东北5种耕作土壤小于011MPa的低吸力段持水性能进行了研究,还对影响低吸力段持水量的因素、所吸持水分对植物的有效程度、比水容量及脱水速度进行了研究。数理建模是研究土壤水分运动的重要手段。杨诗秀等[15]用FORTRAN语言建立了一个被饱和水一维流动的数值计算模型,并作了实验室验证。该模型用以模拟均质土壤、地下水埋藏很深,且在不同的初始条件与边界条件下的水分运动,可用来计算土壤剖面入渗、蒸发、蒸腾和再分配以及当这些现象交替出现时的水分运动过程。周择福、洪玲霞[16]由达西定理和能量守恒原理推导了土壤水分入渗的数学模型,水平

),推求了土壤水分非饱和导水率土柱法实测了模型中的基本运动参数:土壤水分扩散率D(θ),经过计算机用有限差分法模拟了6块不同林地的土壤水分入渗过程,实地试验检验了K(θ

模拟结果,得到了很好的效果。吴长文、王礼先[17]采用4种常见的入渗模型对北京密云水库库区的8种主要林分的坡面土壤进行了入渗模拟,结果Horton入渗模型可方便地计算出林地土壤的有效贮水量,Smith2P模型能较好地描述在降雨条件下的入渗过程。周维博[18]通过野外试验,求得了计算裸露土壤蒸发条件下土壤水分运动的上边界条件,并用数值模拟的方法,通过实例,分析了降雨蒸发条件下层状土壤剖面土壤水分运移和相互转化关系。邵明安等[19]使用积分方法求解了一维水平非饱和土壤水分运动问题,根据其解建立了推求非饱和土壤水

α和n是分运动参数的简单入渗法,用以推求VanGenuchten特征曲线模型中的参数α和n。

根据湿润区的特征长度、吸渗率和土壤的饱和导水率(ks)来确定的,而非饱和导水率可由α、n和ks确定。这一新的简单入渗法是基于Richards方程和土壤导水特征的闭合型方程。简单入渗法提供了利用瞬态水流方法来确定土壤水分特征曲线而替代通常的平衡法。目前测定非饱和导水率应用较广的实验室方法是“稳定流”法,在田间原位测定时则用“内排水”法;至于扩散率的测定,通常是在实验室内用水平土柱法测得。

由于缺乏对沙地水文过程,尤其对于土2气界面、土2根界面的深入理解,还难以对沙地水分动态给以全面的认识。沙地凝结水是土2气相互作用的产物,在干旱或极端干旱区有重要的研究价值,它对植物生存和局部地区短历时生态环境有重要意义[20]。我国也开展了沙地凝结水的研究,但仍有待于进一步研究。参考文献:

[1]雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988

[2]杨诗秀,雷志栋,段新杰,等.应用土壤水动力学原理研究沙区土壤水分动态特征[A].见:刘家琼:中国科学院沙坡头沙

漠试验研究站年报1991—1992[R].兰州:甘肃科学技术出版社,1993

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AdvanceinSoilWaterResearch

ZHANGQiang,SUNXiang2yang,ZHANGGuang2cai

(11BeijingForestryUniversity,Beijing　100083,China;21NingxiaForestryInstitute,Yinchuan　750004,Ningxia,China)

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Abstract:Theresearchathomeandabroadonthesimulationofsoilwaterinfiltrationequationsoilwatermove2mentparametersandthetheoryofSPACwerereviewed.Theauthorsindicatedthatthemainstandpointhadbeenmovedtoenergyfrommorphology,andmucheffecthadbeenmadeonthemeasurementofsoilwatermovementparametersandgreatachievementshadbeengained.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnique,exten2siveprogressinquantitativesimulationhadbeenmade.

Keywords:soilwatermovementparameter;SPAC;quantitativesimulation