2004年10月SHUILI XUEBAO第10期文章编号: 0559-9350(2004)10-0112-07
分根交替灌溉对土壤水分分布和桃树根茎液流动态的影响
龚道枝1，康绍忠2,1，佟玲1，丁日升1
(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；
2.中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083)
摘要：采用管式-时域反射仪(Tube-Time Domain Reflectometry, Tube-TDR)和热脉冲技术，研究了分根交替灌溉对土壤水分分布和桃树根茎液流动态的影响。研究结果表明，根区两侧同时灌溉(Both Partial Irrigation，BPI)时土壤水分向深层运动而远离根系层，不能被根系有效地吸收利用，而半边固定灌溉(Fixed Partial Irrigation，FPI)和两边交替灌溉(Alternate Partial Irrigation,API)时减少了水分向深层运动，有利于根系有效地吸收。
干湿交替和部分根干燥能促进根系补偿效应的发挥，使根系具有更强的吸水能力，但是又由于FPI干燥部分的根系长期处于干旱之中，使根系老化而造成复水后不能恢复其吸水能力。树干液流与ET0呈线性相关，并且其回归方程的系数在BPI、API和FPI处理中依次呈递减的趋势，这说明了在同样的大气潜在蒸发能力条件下，采用不同的根区湿润方式时，桃树蒸腾液流对大气潜在蒸发能力的响应程度存在着明显的差异。根液流与ET0成非线性相关，其相关程度低于树干液流与ET0的相关程度，说明了树干液流比根液流与大气潜在蒸发能力之间的关系更为密切。API 和FPI的平均产量与BPI的相比有所降低，但是其灌溉水量相对减少，说明了API和FPI能明显提高灌溉水利用效率。
关键词：时域反射仪；热脉冲技术；液流；土壤水分分布；补偿效应；桃树
中图分类号：S275.6 文献标识码：A
为了解决全球水资源紧缺和水环境恶化问题，国内外研究者打破常规的工程节水概念(如渠道衬砌、管道输水和微喷灌、滴灌等等)，从考虑作物本身生理特性出发，提出了许多全新而真实的节水灌溉技术，如限水灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉和局部灌溉等等[1～6]。这些方法仍然只考虑在时间上水量如何优化分配，但没有考虑水分在作物根区空间优化分配、根源脱落酸(Abscisic Acid)ABA对叶片气孔开度的调节功能对提高水分利用效率的作用。康绍忠等(1997)依据作物光合作用、蒸腾失水与气孔开度的关系以及根系补偿效应对提高水分利用效率的生理功能，提出了一种新型的生物性节水技术—控制性分根交替灌溉(Controlled Roots-divided Alternate Irrigation, CRAI)[7]。CRAI作为一项新型的生物性节水技术，其坚实的理论基础在于植物生理学和土壤物理学的基本原理[8]。无论是室内试验还是大田试验，该技术均表现出良好的节水效果[9，10]。
控制性分根交替灌溉技术自提出以来已经具有6年的历史，对该项灌水技术的研究主要是集中在控制性分根交替灌溉条件下作物根系对水分吸收功能和补偿效应以及水分利用效率的影响，作物调节气孔开度的驱动力—根源信号，根系对养分吸收等节水机理方面，而且研究的对象大多是农作物，对果树较少涉及。为了探讨分根交替灌溉技术对桃树根区土壤水分分布和根茎液流动态的影响程度而开展了本次试验，采用管式-时域反射仪和热脉冲技术[11]研究分根交替灌溉条件下土壤水分运动规律、灌溉方式与环境因素对根
收稿日期：2002-11-20
基金项目：国家重大基础性研究项目(G1999011708)；国家自然科学基金项目(50279043)；国家自然科学基金重点项目(50339030)
作者简介：龚道枝(1976-)，男，湖南澧县人，博士生，主要从事SPAC系统水热传输理论及其调控技术方面的研究。
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茎液流(蒸腾)变化和产量的影响，力求为有效的果园节水管理提供可靠的理论依据，这将有利于控制性分
根交替灌溉技术在果园灌溉中的实践。
1 材料与方法
试验于2001年4～9月在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室节水灌溉试验站进行。
试验站位于北纬34°20′，东经108°24′，其海拔521m，土壤质地为中壤，2m土层内的田间持水量和平
均干容重分别为23.9%(质量百分含量)和1.52g/cm3。供试材料为具有7年树龄的桃树品种为燕红，其行距和
株距分别为6m×4m，此品种的桃树在该地区一般为8月底收获。
试验设3种不同的根区灌溉方式，即两边同时灌溉、两边交替灌溉、单边
固定灌溉。每个处理自成为1个小区。所有试验小区耕作、施肥、病虫害防治
处理均相同。试验小区随机分布。
如图1所示，在南北侧距桃树各80cm的地方装2根滴灌管，在桃树和滴灌
管之间的中间位置布置1根管式TDR玻璃纤维管。用管式-TDR测定土壤含水率。
管式TDR-土壤水分测定系统通过测量土壤的介电常数来确定土壤含水量。从
图1 试验布置
地表至160cm深度每隔10cm测定1次。然后根据土壤水分状况利用滴灌系统供
水，以满足桃树生长的需要。桃树生育期内灌水6次，每次灌溉水量是由灌溉前土壤含水率和灌溉计划湿
润层深度确定的，灌溉时间和水量如表1所示。
表1 桃树生育期内灌水日期和灌溉水量(单位：mm)
BPI API FPI 日期
北侧南侧北侧南侧北侧南侧5月8日32.5 35.0 34.0 36.0 35.5 36.0 5月28日54.0 55.0 0.0 53.0 52.0 0.0 6月28日 51.0 49.0 52.5 0.0 54.0 0.0
7月22日49.5 53.5 0.0 62.0 56.5 0.0 8月10日 56.5 55.0 68.0 0.0 62.5 0.0
8月26日51.0 49.0 45.0 60.0 46.5 66.0
开始试验前，在靠近树干底部距地面约0.4m的树干和2根
表层根(冠层大小、根和树干的直径如表2所示)上安装经过校
正的监测液流的热脉冲探针。安装方式如图2所示。树干安装
探针的方法简单，只是表层根的安装方法比较烦琐。具体操作
是，与树干对称分布的地面上挖两个小洞，大约在0.25m深度
处露出一条可用于根液流测定的表层根。这些热脉冲探针都用
绝热箔纸包裹，防止由于温度变化所产生的影响。然后将土回
填在探针周围，以最大限度减少对根系的伤害。茎液流和根液
流使用补偿式热脉冲技术测量。分别在干燥和湿润根区的两条图2 液流监测示意
根上安装热脉冲探针，每30min记录一次热脉冲值。在同一地区，根据测量的树茎杆和根直径、树皮厚度、
木质部和伤口尺寸，校正根茎液流数据，用来比较在不同地面湿润方式下的相对差异。
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表2 桃树冠层、树干和根的大小 (单位：mm)
冠层
根直径
处理 直径 高度 树干直径 南侧 北侧
BPI
3,240 2,150 84 39 49 API
3,450 2,080 77 31 30 FPI 3,080 1,970 81 35 41 试验期间的降水量和利用彭曼-蒙特斯模式与试验站气象资料计算的参考作物蒸发蒸腾量变化情况如图3所示，降水总量为323mm 。
图3 试验期间ET 0与降水量(2001.4.14～10.1)(图中第一天为4月15日)
2 结果与分析
2.1 土壤水分动态 在开始试验时根区土壤含水量较高，0～150cm 土层平均初始含水率约为24%～28%(图4所示)。第一次灌溉时，所有处理桃树两侧都灌水使各试验小区土壤含水率相同，灌水以后，所有的处理中桃树不同根区观测得到水分吸收速率相近。第二次灌溉时，BPI 处理的小区桃树两侧都灌水， FPI 处理的仅灌北侧根区，API 处理的灌东侧的根区。3种湿润方式灌水后产生了不同的土壤水分分布状况，FPI 和API 处理与BPI 有明显的差异，桃树根区的土壤水分分布造成了另一半根系一直生长在干燥土壤中。结果表明在API 和FPI 中根区两侧的土壤水分到下一次灌溉一直保持差异，在灌水的一侧具有较高的土壤含水率，并且高含水率一侧的降幅明显高于BPI 两侧的降幅，这说明单侧灌水时，灌水侧根系吸水速率高于BPI 根系吸水速率，这一表现在根液流的测定结果中得到了体现，将在桃树根液流变化规律分析中具体阐述。最后一次灌溉后，FPI 和APl 处理的降幅明显高于 BPI 的降幅，说明前两者的根系吸水速率高于后者。
图4 不同灌溉条件下0～150cm 土壤平均体积含水率的变化
第三次灌水后，不同处理的土壤剖面的水分分布如图5所示，BPI 处理两侧深层的土壤含水率高于FPI
2004年10月SHUILI XUEBAO第10期和API处理的，这说明两侧灌溉使水分向深层运动而远离根系层，不能被根系有效地利用，而FPI和APl减少水分的向深层运动，有利于根系吸收水分。
图5 根区不同供水方式条件下土壤水分动态
2.2 不同根区供水方式条件下桃树茎液流变化规律
2.2.1 桃树茎液流日变化规律如图6所示，在BPI、APl和FPI三个处理中，桃树茎液流通量(蒸腾强度)在一昼夜内基本上随太阳辐射强度呈同步变化，只是大小上不同，BPI的最大，API的次之，FPI的最小。晴天，液流夜间最低，凌晨最低，随后上升，至中午最高，下午至晚上不断下降。不同的天气类型，其气象因素在昼夜间的变化过程不同，桃树蒸腾强度变化过程也不同，且与当天的气象因素变化过程吻合。
图6 在不同供水处理和天气类型条件下桃树茎液流与太阳辐射强度的对照
2.2.2 桃树茎液流的日际变化规律如图7所示，试验开始后45d内，3个处理的桃树茎液流的通量大小相近。试验进行到第三次灌溉后，BPI处理的茎液流通量最大，API处理的茎液流通量次之，FPI的最小。最后，复水后，API处理的最大，BPI的次之，FPI的最小。从图7还可看出，第45～135d，FPI的茎液流比BPI和API 的小，在第136～170d，当干燥侧复水后其值恢复到与BPI中接近的值。API的茎液流比FPI的大。茎液流的最大值出现在第50～75d，即6月1日到6月28日，此时期，其中FPI的最大值为 50l/d，而BPI的为85l/d，
2004年10月SHUILI XUEBAO第10期API的为68l/d。这是由于第50～75d是桃生长的关键期，耗水量非常大。此外，该期间的气象条件是温度高，太阳辐射强烈，而在第75～170d时，即桃收获后，桃树叶面积逐渐减少。
图7 不同根区供水方式条件下桃树树干液流变化比较(2001.4.14～10.1)
2.2.3 茎液流与ET0之间的关系对逐日茎液流和用Penman-Monteith公式推算的参考作物蒸发蒸腾(ET0)之间进行回归分析，茎液流与ET0成线性相关，不同根区供水方式下处理的回归方程系数成递减的趋势，其中BPI的最大，FPI的最小，如表3所示。这说明在同样的大气条件下，采用不同的灌水方式时，桃树蒸腾液流对大气潜在蒸发的响应程度是存在差异的，BPI由于供水充分，能最大限度地满足大气蒸发能力而使茎液流为三者之中最大。API和FPI都比BPI小，这是由于两种供水方式供水量低于BPI的，而不能满足大气潜在蒸发所致。并且FPI又比API的小，这说明交替供水(API)能充分发挥根系吸水补偿的功能，吸收的水量比FPI的大。
2.3 桃树根液流变化规律
2.3.1 不同根区供水方式条件下桃树根液流变化规律根区不同供水方式直接影响到桃树根系可以吸收的水分。试验开始的第35～45d里，3个处理都采用两边同时灌水的方式，也就是说桃树根系两侧的土壤水分是均匀的，桃树根系液流通量大小相近。如图8(a)所示，3个处理的根系液表3 不同根区供水方式下茎液流与参考作物
蒸发蒸腾量ET0的拟合关系式
处理回归方程相关系数(r2)
BPI FLUX=9.2577ET0+6.1107 0.8608 API FLUX=9.0356ET0+5.8975 0.8900 FPI FLUX=8.7134ET0+4.9575 0.8430
流大小相近，最大值在0.25～0.50l/h之间，并且出现在中午，最小值为0.04l/h左右，一般出现在午夜。经过4次灌水处理后，也就是试验进行到第89～99d时，由于灌水方式的不同，造成桃树根液流通量存在明显的差异，如图8(b)所示，BPI处理两边灌水均匀，而使南北两侧根液流相近，API处理的湿润侧的根液流比干燥侧的根液流大得多，湿润侧的液流比干燥侧大80%，FPI处理的湿润侧的根液流比干燥侧的根液流也大许多，湿润侧的液流比干燥侧大90%。API和FPI处理的湿润侧根液流比BPI两侧的都大，分别大30%和20%，干燥侧的根液流明显地比BPI两侧的小，分别为50%和60%。API湿润侧的根液流比FPI湿润侧的大，主要原因是虽然FPI湿润侧的土壤含水率高于API的，但是API桃树根系生长具有比FPI的补偿效应。最后，3个处理都经过复水处理后，试验的第145～155d，如图8(c)所示，桃树根液流表现出交替湿润和局部根干燥对其造成的影响，API两侧的根液流都比BPI的大20%，FPI湿润侧的根液流比BPI的大30%，而干燥侧却比BPI 的小20%，出现这一现象的原因是，干湿交替和部分根干燥能促进根系的补偿效应，而是处理后的根系具有更强的吸水能力，又由于FPI部分根系长期处于干旱之中，使根系老化而造成复水后不能恢复其吸水能
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力。
图8 不同时间不同处理桃树两侧根液流通量对比
2.3.2 根液流与ET0之间的关系桃树根液流的变化在某种程度上受大气潜在蒸发能力的影响，二者之间存
在密切的关系。同时也能反映土壤的供水能力，不同的根区供水方式造成土壤水分分布的不均匀性，从而
导致根液流出现不同的变化规律。API和FPI根区两侧的根液流存在明显的差异，而BPI的两侧根液流几乎
没有差异。这种差异受ET0的影响较大，ET0越大，差异越明显。对试验在第45～135d期间不同灌水处理条
件下根液流和利用Penman-Monteith公式推算的参考作物需水量(ET0)，根液流与ET0之间的拟合关系式如表
4所示。
表4 不同灌水方式下根液流与参考作物蒸发蒸腾量ET0的拟合关系式
处理回归方程相关系数(r2)
wet side RSF wet=1.6978ET00.6903 0.7161 BIP
dry side RSF dry=1.5896ET00.7159 0.7644
wet side RSF wet=1.7900ET00.7392 0.7207 API
dry side RSF dry=1.6091ET00.6316 0.7305
wet side RSF wet=1.7884ET00.7592 0.7006 FPI
dry side RSF dry=1.6070ET00.6319 0.7217 *RSF i.e.,root sap flow
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2.4 不同灌水方式对桃树产量的影响从表5可以看出，虽然交替部分根供水灌溉和固定部分根灌溉的平均产量和两边同时灌溉比起来都有所降低，但灌溉水量相对减少，因此，灌溉水利用效率明显增加，说明了交替部分根供水灌溉和固定部分根灌溉能提高灌溉水利用效率。表5 不同供水方式下桃树产量和灌溉水利用效率处理
平均产量
/(kg/hm2)
灌溉水量
/(m3/hm2)
灌溉水生产效率
/(kg/m3)
BPI 23475 2995 7.9 API 21600 2053 10.5 FPI 17325 2045 8.5
3 结论
(1) 3种湿润方式灌水后产生了不同的土壤水分分布状况，BPI处理两侧深层的土壤含水率高于FPI和API处理的，这说明两侧灌溉使水分向深层运动而远离根系层，不能被根系有效地利用，而FPI和API减少水分的向深层运动，有利于根系吸收水分。(2)试验开始后45d内，由于桃树根系两侧的土壤水分是均匀的故3个处理的桃树茎液流的通量大小相近。试验的45～135d内，在BPI、API和FPI 3个处理中，桃树茎液流通量(蒸腾强度)在一昼夜内基本上随太阳辐射强度呈同步变化，只是大小不同，BPI的最大，API的次之，FPI的最小。晴天，液流夜间最低，凌晨最低，随后上升，至中午最高，下午至晚上不断下降。在日际变化中，BPI处理的茎液流通量最大，API处理的茎液流通量次之，FPI的最小。BPI处理两边灌水均匀，而使南北两侧根液流相近，API处理的湿润侧的根液流比干燥侧的根液流大80%，FPI处理的湿润侧的根液流比干燥侧的根液流大90%。API和FPI处理的湿润侧根液流比BPI两侧的都大，分别大30%和20%。API湿润侧的根液流比FPI湿润侧的小，主要由于FPI湿润侧的土壤含水率高于API的，桃树根系生长具有补偿效应。试验到135d复水后，API处理的最大，BPI的次之，FPI的最小。桃树根液流表现出交替湿润和局部根干燥对其造成的影响，API两侧的根液流都比BPI的大20%，FPI湿润侧的根液流比BPI的大30%，而干燥侧却比BPI 的小20%，出现这一现象的原因是，干湿交替和部分根干燥能促进根系的补偿效应，而是处理后的根系具有更强的吸水能力，又由于部分根系长期处于干旱之中，使根系老化而造成复水后不能恢复其吸水能力。
(3)树干液流与ET0成线形相关，回归方程的系数成递减的趋势，说明在同样的大气条件下，不同的灌水方式下，桃树树干液流对大气潜在蒸发的响应程度存在着差异。根液流与ET0的相关程度低于茎液流与ET0相关程度，说明树干液流变化比根液流与大气潜在蒸发能力更为密切。(4)虽然交替部分根供水灌溉和固定部分根灌溉的平均产量和两边同时灌溉比起来稍微有所降低，但灌溉水量减少的幅度较大，因此，灌溉水利用效率明显增加。这说明了交替部分根供水灌溉和固定部分根灌溉能提高灌溉水利用效率。
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Effects of root-divided alternative irrigation on soil moisture distribution and root-trunk sap
flow dynamics of peach trees
GONG Dao-zhi1, KANG Shao-zhong1,2, TONG Ling1, DING Ri-sheng1
(1. Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry, Yangling 712100, China;
2. China Agricultural University, Beijing 100083, China)
Abstract: Soil moisture distribution, root-trunk sap flow dynamics and yields of peach trees under the condition of different root zone wetting patterns were investigated by means of Tube-TDR (Time Domain Reflectometry) and heat pulse technology. The results show that soil moisture moves deeply apart from root zone and cannot be up-taken high efficiently by root system in Both Partial Irrigation (BPI). But in Fixed Partial Irrigation (FPI) and Alternative Partial Irrigation (API) the movement of soil moisture is relatively slow which is in favor of efficient up-take of the root. The alternation of dry and wet promotes the compensative effect of the root and elevates the uptake capability. The trunk sap flow for different types of irrigation correlates linearly with ET0 and the coefficients in regressive equations are various. It means that the response of trunk sap flow in peach trees to atmospheric potential evaporation is various for different irrigation. Furthermore, the root sap flow nonlinearly correlates with ET0 and the degree of correlation is low. It hints that the trunk sap flow is correlated with atmospheric potential evaporation more closely than root sap fow. The average yield of API and FPI is lower than that of BPI, but the amount of water use for API and FPI is less than that of BPI. It shows API and FPI can enhance the efficiency of irrigation water use.
Key words: time domain reflectometry; heat pulse technology; sap flow; soil moisture distribution; compensative effect; peach
土壤水分综述 摘要 关键词：土壤水分影响因素 1程积民、万惠娥[1]等人通过采用工程与生物措施相结合的方法，对黄土丘陵半干早区柠条灌木林的建设与土壤水分过耗及调控恢复的定位进行试验研究。试验选择出最佳灌草立体配置模式：水平阶整地为柠条-披碱草、柠条-草木樨、柠条-芨芨草类型；水平沟整地为柠条-芨芨草、柠条-草木樨类型；鱼鳞坑整地为柠条-草木樨、柠条-芨芨草、柠条-本氏针茅类型。这种配置模式可以调节和补充土壤水分的不足，促进灌草的生长，控制水土流失，改善生态环境。 2杨建昌、刘立军等人通过大田试验和盆栽试验研究了土壤水分对旱育秧水稻产量形成的影响，旱育秧移栽后有明显的分蘖和生长优势，尤其在节水灌溉或低土壤水分条件下，旱育秧有效穗数多、干物质累积量高、抽穗后的光合势大，较水育秧显著增产。但在土壤水分充足或常规灌溉条件下，旱育秧分蘖成穗率低、有效穗数少，较水育秧增产幅度小。表明旱育秧配合本田期节水灌溉，其增产潜力较大。 3王进鑫、黄宝龙等人采用旱棚人工控水，对侧柏、刺槐不同水量全生长期均衡供水条件下，2-3年生幼树的生长需水规律、蒸腾耗水与土壤水分的关系进行了研究，结果表明，刺槐蒸腾耗水量随土壤供水能力的增大而增加，其中以生长前期和生长盛期耗水为主。侧柏蒸腾耗水量以生长盛期最大，约占年蒸腾量的46.27%，生长后期次之，生长前期较小，并求出了两树种蒸腾耗水的土壤水分应力订正函数及
在非充分供水条件下实际蒸腾耗水的时间-水分函数。 4张爱良、黄桂英等人采用盆栽法，研究了四种不同土壤水分含量条件下小麦旗叶生理特性的变化规律。结果表明，土壤水分含量与小麦经济产量间呈极显著正相关( r = 0.9936 )，提高土壤水分含量能使灌浆中后期小麦旗叶叶绿素含量、可溶性糖含量和硝酸还原酶活性均得到提高。在土壤水分胁迫条件下，旗叶SOD 活性显著降低，质膜透性明显加大，致使植株衰老加速。 5王克勤、王立选用田间7年生和盆栽2年生金矮生苹果，在自然环境条件下进行不同水平土壤水分人为控制。结果表明，林木蒸腾作用与光照强度和土壤水分状况之间存在着密切的联系。林木在苗期时，当土壤水分不足时，应采取措施避免强光照射，以减轻过度蒸腾失水造成的生理伤害，提高成活率和促进苗木生长。 6潘占兵、李生宝等人通过对宁夏盐池干旱退化草场植被恢复与风蚀沙化防治技术示范区内不同种植密度的柠条林土壤水分进行了定位观测，从土壤水分日变化、季节性变化、水分垂直分布等方面进行了分析。结果表明：土壤含水量主要受大气降雨及植物生长节律的影响, 变化较大。 7吴玉光，王美菊等人通过用植物纤维薄膜代替塑料薄膜覆盖农田，研究了植物纤维膜对保持土壤含水量的作用。结果表明，利用植物纤维膜覆盖地面，可以起到保持土壤水分、减少水分蒸发的作用，它可以抑制土壤水分蒸发量的80%- 90%，但从保持土壤水分方面来说，还不能达到覆盖塑料薄膜的水平；从调节土壤空气条件方面看，可以使多余的水分蒸发，提高土壤的通气程度，又比塑料膜具有一定
第11卷 第6期2013年12月 中国水土保持科学 Science of Soil and Water Conservation Vol.11 No.6Dec.2013 典型黑土区农业小流域不同坡向和 坡位的土壤水分变化特征 苏子龙1,张光辉1,2?,于艳1 (1.北京师范大学地理学与遥感科学学院,100875,北京;2.中国科学院水利部水土保持研究所,712100,陕西杨凌)摘要:土壤水分变化受地形地貌二土壤质地二土地利用方式等多种因素的影响三为了分析东北典型黑土区土壤水分变化规律,以该区农业小流域为研究对象,采用野外实验的方法,从坡向和坡位出发,系统分析土壤水分在不同坡向和坡位的变化特征三结果表明:1)半阴坡平均土壤含水量低于阳坡和半阳坡;各坡向土壤水分剖面变化趋势不同,坡向仅对0~35cm 深度范围内土壤含水量变化有显著影响三2)3坡向(阳坡二半阳坡和半阴坡)土壤含水量均为下坡位>上坡位>中坡位,各坡向不同坡位土壤含水量剖面变化呈现不同趋势,坡位对测量范围内的阳坡和半阴坡,以及25~100cm 范围内的半阳坡土壤水分变化有显著影响,但对半阳坡0~25cm 土壤水分影响不显著三研究结果可对该地区小流域农作物合理配置及农田土壤水分管理提供科学依据三关键词:土壤水分;坡向;坡位;剖面特征;典型黑土区中图分类号:S152.7 文献标志码:A 文章编号:1672?3007(2013)06?0039?06 收稿日期:20130423 修回日期:20130928 项目名称:国家自然科学基金 输沙对坡面侵蚀的影响及其水动力学机理研究”(41271287);中科院 百人计划”择优支持项 目 土壤侵蚀水动力学机制研究”(K318001110) 第一作者简介:苏子龙(1988 ),男,博士研究生三主要研究方向:土壤侵蚀三E?mail:szl0330good@https://www.doczj.com/doc/1c14943113.html, ?通信作者简介:张光辉(1969 ),男,博士,教授三主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持三E?mail:ghzhang@https://www.doczj.com/doc/1c14943113.html, Variation of soil moisture with slope aspect and position in a small agricultural watershed in the typical black soil region Su Zilong 1,Zhang Guanghui 1,2,Yu Yan 1 (1.School of Geography,Beijing Normal University,100875,Beijing,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences &Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China) Abstract :Soil moisture is affected by land use type,topography and geomorphology,soil texture and other factors.A small agricultural watershed in the typical black region was selected as the study area to analyze the variation of soil moisture at different slope aspects and positions by field experiment.The results were as follows.1)In the depth range of 0-100cm,soil moisture content on the semi?shady slopes was lower than that on sunny and semi?sunny slopes;profile variation trends of soil moisture content on the three types of slopes differed,and the effect of slope aspect on soil moisture content was significant only in the depth 0-35cm.2)On each type of slope,the soil moisture content followed the order of lower slope >upper slope >middle slope,the profile variation of soil moisture content presented different trends at different slope positions of each slope aspect,and the effect of slope position on soil moisture content of sunny and semi?shady slopes was significant within the measurement range,and it was also significant on the semi?sunny slope in depth 25-100cm,but not significant in 0-25cm in this slope aspect.Our research results could provide theoretical basis for reasonable allocation of crops and management of farmland soil moisture.
半干旱区土壤水分动态模拟及预测 摘要：对于土壤水分的动态模拟及预测是防旱抗旱、调控植被生长与土壤水分 关系的基础，同时也是解决干旱问题的科学依据。对于这一问题，我们首先对数 据进行了统计学研究，以寻找土壤水分的动态变异特征，重点讨论了土壤的周期 性变异特征。然后用深度学习的Seq2Seq模型对数据进行了模拟和预测。结果表明，基于Seq2Seq模型的土壤水分动态模拟和预测效果较好。 关键词：土壤水分；时间序列；Seq2Seq；统计分析 土壤水分对于整个生态系统的平衡有着重要的影响，土壤水分不足或者是过 多都会影响植物的正常生长。在没有土壤水分的状况下，植物很容易因缺水状况 而死亡；当土壤水分不足的时候，植株会比较的矮小，无法进行正常的生长；当 土壤水分充裕的时候，植株能够健壮地生长，同时可以高产；当土壤水分过多， 也会导致植株的根部无法正常呼吸而死亡。由此可见，土壤水分含量的变化直接 关系到植被的生长与存活。 一、半干旱区土壤水分问题分析概述 由于本文研究的是半干旱地区土壤水分的变化情况，土壤水分的来源仅仅依 靠降雨，一个地区的降雨量具有很强的季节性，因此土壤水分的变化也应该有一 定的季节性。由于降雨具有突发性，因此土壤中的水分在降雨前后可能会发生突变。因此，以月和季度为时间尺度的土壤水分变化可能规律性更强。很明显，土 壤水分的变化是一个时间序列，因此我们可以先对它进行自相关和偏自相关性分析，选择合适的时间序列模型进行模拟和预测。对于土壤水分变化情况的模拟和 预测，我们可以看成是从一个序列到另一个序列的映射问题，即Seq2Seq问题， 且数据足够多。因此可以采用基于循环神经网络（RNN）的Encoder-Decoder框架来解决这一问题。 二、土壤水分动态的变异特征 2.1变异特征的讨论 土壤水分动态的变异特征就是土壤水分的变化情况，而土壤水分的变化情况 可以通过以下几个方面来描述：土壤水分变化的趋势性、土壤水分变化的周期性、土壤水分变化的波动性。 关于土壤水分变化的趋势性，通过所搜集数据分析，四种土壤的含水量都围 绕某一数值上下波动，并无明显的向上或向下的变化趋势。 关于土壤水分变化的周期性，通过所搜集数据可以看出四中类型的土壤均具 有一定的周期性，但在不同时间尺度上的周期性并不相同。 2.2 不同时间尺度上周期变化规律 通过前面的讨论，我们发现四种类型的土壤都具有一定的周期性，但在不同 时间尺度上的周期性并不相同，因此在这里，我们对各类土壤在不同时间尺度上 的周期性做详细的讨论。首先，先利用不同时间尺度的数据，做出各类土壤在不 同时间尺度上的变化图，根据图像的变化情况，做出定性分析。然后利用SPSS软件的季节性分解功能，计算季节性调整因子（SAF），以此来定量的分析各类土 壤的周期性强弱。下面从定性的角度对其变化规律进行阐述。 以日为时间尺度 在这里，我们选取了一个月（30天）的数据进行绘图，如下：
实训四土壤水分含量的测定 一、目的要求 土壤水分是土壤的重要组成部分，也是重要的土壤肥力因素。进行土壤水分捍联的测定有两个目的：一是了解田间土壤的水分状况，为土壤耕作、播种、合理排灌等提供依据；二是在室内分析工作中，测定风干土的水分，把风干土重换算成烘干土重。可作为各项分析结果的计算基础。 本试验要求掌握烘干法和酒精燃烧法测定土壤水分 的原理和方法，能较准确地测定出土壤的水分含量。 二、仪器与试剂 天平（感量0.01g和0.001g）、烘箱、干燥器、称样皿、铝盒、量筒（10ml）、无水酒精、滴管、小刀、木箱等。 三、测定方法 测定土壤中水分含量的方法很多，常用的有烘干法和酒精燃烧法。烘干法是目前测地水分的标准方法，其测定结果比较准确，适合于大批量样品的测定，但这种方法需要时较长。究竟燃烧法测定土壤水分快但精确度较低，只适合田间速测。 (一)烘干法 1. 方法原理在105±2℃的温度下从土壤中全部蒸发，而结构水不会破坏，土壤有机质也不被分解。因此，将土壤样品至于105±2℃下烘至恒重，根据其烘干前后质量之差，就可以计算出土壤水分含量的百分数。 2. 操作步骤 （1）取由盖的铝盒（或称样皿），洗净，放入干燥器中冷却至室温，然后再分析天平上称重（W1），并注意标
好号，以防弄错。 （2）用角匙取过1mm筛孔的风干土样4～5g（精确至0.001g），铺在铝盒中（或称样皿中）进行称重（W2）（3）将铝盒盖打开，放入恒温箱中，在105±2℃的温度下烘6h左右。 （4）盖上铝盒盖子，将铝盒放入干燥器中20～30min，使其冷却至室温，取出称重。 （5）打开铝盒盖子，放入恒温箱中，在105±2℃的温度下再烘2h，冷却，称重至恒重（W3）。 3.结果计算 以烘干土为基数计算土壤水分得百分含量（W%） 土壤水分含量= （风干土重-烘干土重）/烘干土重*100% 水分系数（x）=烘干土重/风干土重 风干土重换算成烘干土重为： 烘干土重=风干土重*水分系数 4．注意事项 （1）测定风干土样中吸湿水含量时，一般用感量0.001g 的分析天平称重，前后两次称重相差不大于0.003g为恒重。 （2）一般土壤样品的烘干温度不超过105±2℃，温度过高，土壤有机质易碳化损失。 (二)酒精燃烧法 1. 方法原理 本方法是利用酒精在土壤样品中燃烧释放出的热量，使土壤水分蒸发干燥，通过燃烧前后的质量之差，计算出土壤含水量的百分数。酒精燃烧在火焰熄灭前几秒钟，即火焰下降时，土温才迅速上升到180~200℃。然后温度很快降至85~90℃，再缓慢冷却。由于高温阶段时间短，样品中有机质及盐类损失很少。故此法测定土壤水分
第17卷第5期2002年10月 地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.17 No.5 Oct.,2002 文章编号:1001-8166(2002)05-0705-09 全球变化条件下的土壤呼吸效应 彭少麟,李跃林,任 海,赵 平 (中国科学院华南植物研究所,广东 广州 510650) 摘 要:土壤呼吸是陆地植物固定CO2尔后又释放CO2返回大气的主要途径,是与全球变化有关的一个重要过程。综述了全球变化下CO2浓度上升、全球增温、耕作方式的改变及氮沉降增加的土壤呼吸效应。大气CO2浓度的上升将增加土壤中CO2的释放通量,同时将促进土壤的碳吸存; 在全球增温的情形下,土壤可能向大气中释放更多的CO2,传统的土地利用方式可能是引发温室气体CO2产生的重要原因,所有这些全球变化对土壤呼吸的作用具有不确定性。认为土壤碳库的碳储量增加并不能减缓21世纪大气CO2浓度的上升。据此讨论了该问题的对策并提出了今后土壤呼吸的一些研究方向。其中强调,尽管森林土壤碳固定能力有限,但植树造林、森林保护是一项缓解大气CO2上升的可行性对策;基于现有田间尺度CO2通量测定在不确定性方面的进展,今后应继续朝大尺度田间和模拟程序方面努力;着重回答全球变化条件下的土壤呼吸过程机理;区分土壤呼吸的不同来源以及弄清土壤呼吸黑箱系统中土壤微生物及土壤动物的功能。当然,土壤呼吸的测定方法尚有待改善。 关 键 词:土壤呼吸;碳循环;全球变化 中图分类号:Q142.3 文献标识码:A 土壤呼吸是植物固定碳后,又以CO2形式返回大气的主要途径。土壤碳库在全球变化研究中的地位已日益突出,而土壤呼吸作为土壤碳库碳平衡的一个重要相关过程不容忽视,研究土壤呼吸有助于揭示土壤碳库动态机理。在大气与土壤界面,土壤CO2释放的驱动因子是多种多样的,在全球变化条件下研究相关因子与土壤呼吸是全球变化研究的一个重要内容。全球变化有不同的定义,1990年美国的《全球变化研究议案》,将全球变化定义为“可能改变地球承载生物能力的全球环境变化(包括气候、土地生产力、海洋和其它水资源、大气化学以及生态系统的改变)”。狭义的全球变化问题主要指大气臭氧层的损耗、大气中氧化作用的减弱和全球气候变暖[1,2]。土壤呼吸研究工作的开展,从研究对象来说,涉及农田、森林、草地等,从研究的地域来说从低纬至高纬均有研究,其中大部分研究集中于中纬度的草地和森林,目前,北极冻原也有研究报道[3]。 本文对在全球CO2浓度升高、气温上升、大气氮沉降等发生变化的背景下,土壤呼吸的响应作一综述,以促进土壤呼吸的研究,加深人们(特别是政策决策层)对土壤呼吸的认识。 1 大气CO2浓度升高的土壤呼吸效应 早期的土壤呼吸的测定基于表土层CO2的释放,开始于80多年前[4]。随着科学研究的发展,时至今日,土壤呼吸因为其全球的CO2总释放量已被 收稿日期:2002-01-04;修回日期:2002-05-31. ＊基金项目:国家自然科学基金重大项目“中国东部样带主要农业生态系统与全球变化相互作用机理研究”(编号:39899370);中国科学院知识创新工程重要方向项目“南方丘陵坡地农林复合生态系统构建机理与可持续性研究”(编号:KZCX2-407);广东省重大基金项目“广东省主要农业生态系统与全球变化相互作用机理研究”(编号:980952)资助. 作者简介:彭少麟(1957-),男,广东人,研究员,主要从事生态学方面的研究工作.E-mail:slpeng@https://www.doczj.com/doc/1c14943113.html,
土壤含水量的测定（烘干法） 进行土壤水分含量的测定有两个目的： 一是为了解田间土壤的实际含水状况，以便及时进行灌溉、保墒或排水，以保证作物的正常生长；或联系作物长相、长势及耕栽培措施，总结丰产的水肥条件；或联系苗情症状，为诊断提供依据。 二是风干土样水分的测定，为各项分析结果计算的基础。前一种田间土壤的实际含水量测定，目前测定的方法很多，所用仪器也不同，在土壤物理分析中有详细介绍，这里指的是风干土样水分的测定。 风干土中水分含量受大气中相对湿度的影响。它不是土壤的一种固定成分，在计算土壤各种成分时不包括水分。因此，一般不用风干土作为计算的基础，而用烘干土作为计算的基础。分析时一般都用风干土，计算时就必须根据水分含量换算成烘干土。 测定时把土样放在105～110℃的烘箱中烘至恒重，则失去的质量为水分质量，即可计算土壤水分百分数。在此温度下土壤吸着水被蒸发，而结构水不致破坏，土壤有机质也不致分解。下面引用国家标准《土壤水分测定法》。 2.3.1适用范围 本标准用于测定除石膏性土壤和有机土（含有机质20%以上的土壤）以外的各类土壤的水分含量。 2.3.2方法原理 土壤样品在105±2℃烘至恒重时的失重，即为土壤样品所含水分的质量。 2.3.3仪器设备 ①土钻；②土壤筛： xx1mm；③铝盒：
小型直径约40mm，高约20mm；大型直径约55mm，高约28mm；④分析天平： 感量为 0.001g和 0.01g；⑤小型电热恒温烘箱；⑥干燥器： xx变色硅胶或无水氯化钙。 2.3.4试样的选取和制备 2.3. 4.1风干土样选取有代表性的风干土壤样品，压碎，通过1mm筛，混合均匀后备用。 2.3. 4.2新鲜土样在田间用土钻取有代表性的新鲜土样，刮去土钻中的上部浮土，将土钻中部所需深度处的土壤约20g，捏碎后迅速装入已知准确质量的大型铝盒内，盖紧，装入木箱或其他容器，带回室内，将铝盒外表擦拭干净，立即称重，尽早测定水分。 2.3.5测定步骤 2.3. 5.1风干土样水分的测定将铝盒在105℃恒温箱中烘烤约2h，移入干燥器内冷却至室温，称重，准确到至 0.001g。用角勺将风干土样拌匀，舀取约5g，均匀地平铺在铝盒中，盖好，称重，准确至 0.001g。将铝盒盖揭开，放在盒底下，置于已预热至105±2℃的烘箱中烘烤6h。取出，盖好，移入干燥器内冷却至室温（约需20min），立即称重。风干土样水分的测定应做两份平行测定。
土壤水分对农业生产的影响讨论 土壤水分是影响农业生产的重要因子之一，掌握土壤水分资料对农业生产实践有重要意义。土壤中水分的变化不仅与水分消耗有关，而且也与水分收入诸如降水、融雪和地下水流以及其它因素有关。在作物地，还与地面特性、作物种类及其发育期、作物地上部和根系状况有关。因此，土壤水分在时间和空间上的变化是很大的。 为了确切地取得土壤水分的可靠数据，近年来研究出不少测定和计算方法，本文不讨论这些具体测定和计算方法，主要目的是讨论有关土壤水分测定中几个共同性问题。 1 试验资料 本文所用数据取自北京农业大学曲周实验站土壤水分试验场，该地属半湿润季风气候区，对黄淮海平原有一定的代表性，测定地段为裸地和冬小麦地，土壤水分用土壤水分仪测定一次，取4次重复，每10cm为一土层，测至1.5m或2.om深度。土壤为盐化潮土，地下水埋深3.5~4.om,测定时间为1981年~1987年。 2 讨论和分析 浏定深度根据河北曲周1982年（属典型年份）裸地各季土壤水分垂直变化资料分析〔功，按土壤垂直剖面的水分变化状况，作出了土壤水分垂直分层，所划分的三个层次为
土壤水分极活跃层，土壤水分活跃层和土壤水分稳定层。各层的特点见表1.另据1986~1987年冬小麦地（施氮肥15kg/亩）于麦收后选100x100cm2五行麦茬地挖土壤剖面，修平剖面后，用水冲去土粒露出根系，统计smm长的根数，其根量随剖面深度的分布“幻如表2所示。 分析表1,2,3中的数据，可以看出：在上述条件下，为了掌握土壤水分不同时间的垂直变化特点，通常在裸地测定深度达lm即可，因为在lm深以下的土层中，土壤水分垂直分布的季节变化和各季水分的垂直梯度均不大。在作物地，从冬小麦根系随深度的分布和不同作物利用水分的有效土层来看，测至lm深度也够了。在一些作物的生育初期和浅根作物的一些生育期，利用水分的有效土层较浅，一般在sm 左右，这主要是由于根系分布状况所决定的。在冬小麦生育后期，0~50cm土层的根系数量占。~100”m土层根般的90%以上，因此侧定深度不能浅于50cm.0~20cm土层内冬小麦根量占。~100cm土层的2邝左右，且该土层土壤水分变化激烈，故。~20cm土层是土壤水分测定的重要土层。 2.2N.J定层次按A.A.罗杰的说法，测定层次的确定要考虑土壤发生层，即一个测定层次不要包括两个上壤发生层，也就是在同一土壤发生层内考虑选取测定层次，因为在不同土壤发生层内土壤水分的差异可能较大，如此才能清晰地看出土壤水分的垂直变化川。通常，在土壤水分垂直梯度大的
土壤水动力学 学院：环境科学与工程学院专业：水土保持与沙漠化防治学号： 姓名：
土壤水分特征曲线的研究与运用 摘要：土壤水的基质势随土壤含水量而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。本文总结并比较分析了前人在土壤水分特征曲线测定方法中的各种模型，其中对Van Genuchten模型的研究较为广泛。但为之在DPS中求解Van Genuchten模型参数和在试验基础上建立的土壤水分特征曲线的单一参数模型结构较为简单，省时省力，可进一步的推广运用。 关键词：土壤水分特征曲线Van Genuchten模型运用 1.土壤水分特征曲线的研究 1.1土壤水分特征曲线的概念 土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力(基质势)之间的关系曲线。它反映了土壤水能量与土壤水含量的函数关系,因此它是表示土壤基本水力特性的重要指标,对研究土壤水滞留与运移有十分重要的作用[1]。 1.2土壤水分特征曲线的意义 土壤水分特征曲线反映的是土壤基质势(或基质吸力)和土壤含水量之间的关系。土壤水分对植物的有效程度最终决定于土水势的高低而不是自身的含水量。如果测得土壤的含水量,可根据土壤水分特征曲线查得基质势值,从而可判断该土壤含水量对植物的有效程度[2]。
1.3土壤水分特征曲线的测定方法 1.3.1直接法 通过实验方法直接测定土壤水分特征曲线的方法称为直接法。直接法中有众多的实验室和田间方法，如力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平汽压法等，而前3种应用最为普遍。①力计法：是土壤通过土杯从力计中吸收水分造成一定的真空度或吸力，当土壤与外界达到平衡时，测出土壤基质势，再测出土杯周围的土壤含水量，不断变更土壤含水量并测相应的吸力，就可完成土壤水分特征曲线的测定。力计法可用于脱水和吸水2个过程，可测定扰动土和原状土的特征曲线，是用于田间监测土壤水分动态变化重要的手段，在实际工作中得到广泛应用。但力计仅能测定低吸力围0～0．08Mpa的特征曲线。②压力膜法：是加压使土壤水分流出，导致土壤基质势降低直到基质势与所加压力平衡为止，测定此时的土壤含水量．通过改变压力逐步获取不同压力下的含水量即可得到水分特征曲线。压力膜法可应用于扰动土和原状土，测定特征曲线的形状与土壤固有的特征曲线相符，可应用于土壤水分动态模拟，但测定周期长，存在着土壤容重变化的问题。③离心机法：测定某吸力下所对应的含水量，原理和实验过程同压力膜法相似，但其压力来源于离心机高速旋转产生的离心力。离心机法可应用于扰动土和原状土，测定周期短。特征曲线的相对形状与土壤固有的特征曲线相符，可用于土壤水分动态模拟。但是离心机仅可测定脱水过程，且在测定过程中土壤容重变化很大，若能对容重的影响进行校正，可望有较高的测定准确度。邵明安(1985)从土壤蒸发试验的预测与实测的含水量的偏离程度初步研究了以上3种方法测定土壤基质势的差别及准确性，结果表明考虑容重变化的离心机法有较高的准确度。④砂芯漏斗法：就是用一个砂芯漏斗和连接悬挂水柱的土板形成
土壤水份和植物组织含水量的测定 实验的目的与要求： 通过对植物和土壤水分的测定来学习和使用烘干法水分测定仪，掌握实验和实习的技巧，了解一定的实习的规则！ 通过对实习数据的比较，以及结合自身的知识来分析土壤和植物组织含水量的关系，了解水分对植物生长的影响，了解土壤中水分对植物生长的影响。 结合生态学的知识来分析土壤和植物含水量受整个生态系统的影响。 实验的主要内容： 记录实验地的周围环境的各种生态环境因素，如温度，风向，湿度。 测量土壤和植物组织含水量值，在不同的环境下测量对比，同一环境下不同物种的值。 记录实验测量的数据值，分析得出结论。 实习的主要工具： 1.烘干法水分测定仪（LSH-100A型）： 最大秤量：100g 实际标尺分度值：1mg 准确度级别：2级 水分测量允许误差：±0.2%（样品≥2克） 水分含量测定可读性：0.01% 测量水分范围：0~100% 加热源：卤素灯（环型400W） 温控精度：±1℃ 加热温度设定：室温～160℃（以1℃调整） 时间设定：0～180min（以1min调整） 测量方法：手动、自动 操作温度范围：10～30℃ 电源及功耗：AC220V±22V 50Hz 420W 秤盘尺寸：￠100mm 外壳尺寸：360mm×250mm×270mm 净重：7kg 实验用剪刀、小袋子 实验原理： 首先对同一环境下的不同生长情况的高山榕进行水分的测定，记录数据并比较，然后对不同环境下的不同株池杉进行水分的测定，在数据中得出结论。用烘干法测定仪进行含水量的测定，使用小塑料袋来装实验品以防止植物叶子和土壤水分的蒸发。 实验的步骤： 首先进行样本的采样，在学校的马路边分别进行不同生长情况高山榕叶子的取样，然后再树下进行土壤的取样。在昭阳湖旁不同地方生长情况相同的池杉的叶子和土壤的进行取样。将取来的样品装入袋中，并做好标签。 预热烘干法测定仪后，将取来的样品放入烘干仪中保持5-8分钟，待屏幕中的数值稳定后进行数据的记录。 对数据进行整理分析和讨论，得出结论。 实验的结果：
农田水分状况系指农田地面水、土壤水和地下水的多少及其在时间上的变化。一切农田水利措施，归根结底都是为了调节和控制农田水分状况，以改善土壤中的气、热和养分状况，并给农田小气候以有利的影响，达到促进农业增产的目的。因此，研究农田水分状况对于农田水利的规划、设计及管理工作都有十分重要的意义。 第一节农田水分状况 一、农田水分存在的形式 农田水分存在三种基本形式，即地面水、土壤水和地下水，而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。 土壤水按其形态不同可分为汽态水、吸着水、毛管水和重力水等。 （1）汽态水系存在于土壤空隙中的水汽，有利于微生物的活动，故对植物根系有利。由于数量很少，在计算时常略而不计。 （2）吸着水包括吸湿水和薄膜水两种形式：吸湿水被紧束于土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下自由移动；吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。薄膜水吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面进行速度极小的移动；薄膜水达到最大时的土壤含水率，称为土壤的最大分子持水率。 （3）毛管水毛管水是在毛管作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。分为上升毛管水及悬着毛管水，上升毛管水系指地下水沿土壤毛细管上升的水分。悬着毛管水系指不受地下水补给时，上层土壤由于毛细管作用所能保持的地面渗入的水分（来自降雨或灌水）。 （4）重力水土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。
在这几种土壤水分形式之间并无严格的分界线，其所占比重视土壤质地、结构、有机质含量和温度等而异。可以假想在地下水面以上有一个很高(无限长)的土柱，如果地下水位长期保持稳定，地表也不发生蒸发入渗，则经过很长的时间以后，地下水面以上将会形成一个稳定的土壤水分分布曲线。这个曲线反映了土壤负压和土壤含水率的关系，亦即是土壤水分特征曲线（见图1-1），这一曲线可通过一定试验设备确定。在土壤吸水和脱水过程中取得的水分特征曲线是不同的，这种现象常称为滞后现象。曲线表示吸力（负压）随着土壤水分的增大而减少的过程。在曲线中并不能反映水分形态的严格的界限。 根据水分对作物的有效性，土壤水也可分为无效水、有效水和过剩水（重力水）。吸着水紧缚于土粒的表面，一般不能为作物所利用。低于土壤吸着水（最大分子持水率）的水分为无效水。当土壤含水率降低至吸湿系数的1.5～2.0倍时，就会使植物发生永久性凋萎现象。这时的含水率称为凋萎系数。不同土质，其永久凋萎点含水率是不相同的。相应的土壤负压变化于7×40×105Pa（105Pa＝l巴＝0.987大气压）之间，一般取为15×105Pa。凋萎系数不仅决定于土壤性质，而且还与土壤溶液浓度、根毛细胞液的渗透压力、作物种类和生育期有关。重力水在无地下水顶托的情况下，很快排出根系层；在地下水位高的地区，重力水停留在根系层内时，会影响土壤正常的通气状况，这部分水分有时称为过剩水。在重力 水和无效水之间的毛管水，容易为作物吸收利用，属于有效水。一般常将田间持水率作 为重力水和毛管水以及有效水分和过剩水分的分界线。在生产实践中，常将灌水两天后 土壤所能保持的含水率叫做田间持水率。相应的土壤负压约为0.1～0.5×105Pa。由于土 质不同，排水的速度不同，因此排除重力水所需要的时间也不同。灌水两天后的土壤含 水率，并不能完全代表停止重力排水时的含水率。特别是随着土壤水分运动理论的发展 和观测设备精度的提高，人们认识到灌水后相当长时间内土壤含水率在重力作用下是不 断减少的。虽然变化速率较小，但在长时间内仍可达到相当数量。因此，田间持水率并 不是一个稳定的数值，而是一个时间的函数，田间持水率在农田水利实践中无疑是一个 十分重要的指标，但以灌水后某一时间的含水率作为田间持水率，只能是一个相对的概 念。 二、旱作地区农田水分状况 旱作地区的各种形式的水分，并非全部能被作物所直接利用。如地面水和地下水必须适时适量地转化成为作物根系吸水层（可供根系吸水的土层，略大于根系集中层）中的土壤水，才能被作物吸收利用。通常地面不允许积聚水量，以免造成淹涝，危害作物。地下水一般不允许上升至根系吸水层以内，以免造成渍害，因此，地下水只应通过毛细管作用上升至根系吸水层，供作物利用。这样，地下水必须维持在根系吸水层以下一定距离处。 在不同条件下，地面水和地下水补给土壤水的过程是不同的，现分别说明如下： 1）当地下水位埋深较大和土壤上层干燥时，如果降雨（或灌水），地面水逐渐向土中入渗，在入渗过程中，土壤水分的动态约如图l-2所示。从图中可以看出，降雨开始时，水自地面进入表层土壤，使其接近饱和，但其下层土壤含水率仍未增加。此时含水率的分布如曲线l；降雨停止时土壤含水率分布如图中曲线2；雨停后，达到土层田间持水率后的多余水量，则将在重力（主要的）及毛管力的作用下，逐渐向下移动，经过一定时期后，各层土壤含水率分布的变化情况如曲线3；再过一定时期，在土层中水分向下移动趋于缓慢，此时水分分布情况如曲线4；上部各土层中的含水率均接近于田间持水率。
黄土高原不同空间尺度土壤水分动态变化影响因素分析与随机 模拟 黄土高原地处西北内陆,是我国乃至全球的典型生态脆弱区, 为 了恢复该地区的生态, 我国实行了一系列的生态工程措施。但是由于黄土高原降雨量有限且分布不均、地下水埋藏较深, 有限水资源很难满足植被生长耗水的需求, 土壤水分成为该区生态恢复的关键限制性因子。因此, 研究黄土高原的土壤水分动态, 在理论上有助于揭示人工林生态系统土壤水分循环机理, 在实践上对于该区有限水资源管理和植被恢复可持续发展具有重要的现实意义。本研究以黄土高原南北样带为研究区, 调查了样带内农田、草地、灌木林地和乔木林地四种植被类型土壤水分特征, 并在样带两端和中间的典型地貌类型区域设置了长武、安塞和神木三个林地坡面土壤含水量的2 年观测试验, 使用了经典统计、地统计学、偏最小二乘回归分析和随机模型模拟等方法, 研究了样带不同植被类型土壤含水量的空间分布特征, 分析了坡面土壤水分的动态变化,探究了不同空间尺度土壤水分的主控因素, 模拟了土壤水分的概率密度特征并讨论了最适宜植被类型及其盖度。主要结论如下:（1）黄土高原南北样带四种土地利用类型的土壤含水量皆呈现南北向地带性变化,自南向北土壤含水量有明显递减趋势, 与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性; 同一地点不同土地利用类型下土壤水分含量具有显著差异（农地> 草地> 灌木和乔木林地）, 不同植被类型的根系分布特征、蒸散耗水量大小是造成含水量差异性的主要原因。（2）根据三个坡面土壤含水量变异系数（CV平均值的剖
面变化，土壤0-500 cm土壤剖面可以划分为速变层（0-40 cm）、活跃层（40-100 cm）、次活跃层（100-200 cm）和相对稳定层（200-500 cm）; 除安塞坡面0-40 cm 和100-200 cm 土层外, 其它土层土壤含水量均具有较好的空间结构特征, 理论半方差函数模型可对其进行较好的模拟,拟合模型结果一般表层土壤含水量为球状模型, 深层土壤含水量为高斯模型; 三个坡面由于地形、土壤和植被等因子空间分布的差异性, 长武坡面土壤含水量的空间变化与容重、海拔高度和叶面积指数有显著相关关系（P<0.01 ）, 而安塞和神木坡面土壤含水量的空间变化分别只与最大叶面积指数和土壤质地有显著相关关系 （P<0.05 ）。（3）使用偏最小二乘回归模型（PLSR 分析了三个空间尺度（小区、坡面和区域）土壤含水量（SMC的主控因素,发现:PLSR 模型可以准确地分析不同空间尺度不同土层的土壤含水量的影响因素；上层含水量（USMC和下层含水量（DSMC在三个尺度上是影响不同土层SMC勺最重要的两个因素；累计7天降水 （A7P和累计7天潜在蒸散量（A7E只对0-40cm 土层SM（有显著影响；土壤性质对SMC勺影响随空间尺度增大而显著增加，特别是砂粒含量（SAC 和粉粒含量（SIC 的影响; 年平均降水量（MAP 和年平均潜在蒸散量（MAE 在区域尺度上也显著影响土壤含水量。总体而言, 本研究表明黄土高原三个空间尺度土壤含水量的主要控制因素存在显著差异, 其影响因子重要性（VIP 是空间尺度和土壤深度的函数。（4 基于Laio 土壤水分动态随机模型（Laio 模型, 模拟分析了黄土高原长武地区白羊草地（BOI 、沙棘林地（SEB 和油松林地
土壤含水量测定方法小结 1，烘干称重； 这个不多说了。准确度最高，但测定得到的是质量含 水量，与其他方法所得数据进行比较是注意换算。 2，中子仪； 技术比较成熟，准确性极高，是烘干法以外的第二标 准方法。 但是中子仪测定需要安装套管，理论上可达任何深度，设备昂贵，投入很大。中子射线对操作者身体有损害，严格来说需要相关证件才可以操作。无法测定表层土 壤。 3，电阻法； 一般使用石膏块作为介质埋设地下，石膏块中埋设两根导线，导线之间的石膏成分组成电阻，石膏块电阻与土壤含水量相关。石膏块制作简单，哪怕进口的成品成本也是非常低廉，可以作很多重复，可以不破坏土壤在田间连续自动监测。存在问题，石膏块滞后时间较长，所以不可能用来做移动式测定和自动灌溉系统。石膏块只适合用于非盐碱土壤中，同时石膏块不适合使用直流电（文献查得，表示怀疑，因为所有的石膏块读书表都是用干电池作为电源），测定受土壤类型影响很大，标定结果会随时间改变，达到一定年 限后，石膏会逐渐溶解到土壤中。 4，TDR（Time Domain Reflectometry） TDR有两种时域反射仪和时域延迟，两者均简称TDR。TDR技术是当前土壤水分测定装置的主流原理，可以连续、快速、准确测量。可以测量土壤表层含
水量。一般的TDR原理的设备响应时间约10-20秒，适合移动测量和定点监测。测定结果受盐度影响很小，TDR缺点是电路比较复杂，设备较昂贵。 5，FDR（Frequency Domain Reflectometry）几乎具有TDR的所有优点，探头形状非常灵活。比较夸张的甚至可以放在做成犁状放在拖拉机后面运动中 测量。FDR相对TDR需要更少的校正工作。 TDR和FDR同样有一个缺点，当探头附近的土壤有空洞或者水分含量非常不均匀时，会影响测定结果。 非常奇怪的是，基于FDR原理的往往是低端的仪器设备，根据笔者实际使用经验，FDR技术可能在精度上存在瓶颈，经常在5%的误差左右，写文章时候数据基本上不好用。
几个重要的土壤水分常数和土壤含水量的表示方法 一、田间蓄水量= 666."7×土层深度（m）×容重×含水量（…%）/.067 二、生育期耗水量=播前土壤水分储量+生育期（阶段）降水量—收获期各处理土壤水分储量 三、生产年度耗水量=播前土壤水分储量+前茬作物收获后降水量—收获期各处理土壤水分储量 四、水分生产效率（Kg/mm）=处理产量/耗水量 五、提高水分转化效率（%）=（处理水分生产效率—ck水分生产效率）/ ck 水分生产效率 六、1㎜降雨相当于 666."7㎡土壤中增加了 0."67方水，即， 666."7㎡土壤中每增加1方水，相当于降雨增加 1."5㎜ 七、土壤蓄水量（立方米/亩）=每亩面积（平方米）×土层深度×土壤容重×土壤重量含水量 八、W= h×p×b%×10 式中: W为土壤贮水量(mm);h为土层深度(cm);p为土壤容重(g/cm3);b%为土壤水分重量百分数。 九、常用的土壤水分常数有以下几种：
①最大分子持水量： 当膜状水达到最大数量时的土壤含水量称为最大分子持水量。 ②田间持水量： 当毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量称为田间持水量。③毛管持水量： 当毛管上升水达到最大数量时的土壤含水量称为毛管持水量。 ④饱和含水量： 当土壤全部孔隙被水分所充满时，土壤便处于水分饱和状态，这时土壤的含水量称为饱和含水量或全持水量。 ⑤凋萎系数： 当土壤含水量降至一定程度时，由于植物的吸水力小于土壤的持水力，植物便因水分亏缺而发生永久性凋萎，此时的土壤含水量称做凋萎系数，也叫永久凋萎含水量。 十、土壤含水量表示方法 土壤含水量表示方法有以下几种，为了描述的方便，我们以汉字的形式表示它的计算公式 ①以重量百分数表示土壤含水量 土壤含水量以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分数表示，计算公式如下： 土壤含水量（重量％）＝（原土重-烘干土重）/烘干土重×100％＝水重/烘干土重×100％ ②以容积百分数表示土壤含水量
土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响 土壤呼吸是指土壤释放CO 2的过程, 主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生, 另有极少的部分来 自于土壤动物的呼吸和化学氧化 土壤生物 活性和土壤肥力乃至透气性的指标受到重视[ 通量（flux）是物理学的用语，是指单位时间内通过一定面积输送的能量和物质等物理量的数量。 二氧化碳通量就是一定时间通过一定面积的二氧化碳的量。 土壤作为 一个巨大的碳库(11394×1018gC[12]), 是大气CO 2的重要的源或汇, 其通量(约68±4×1015gC?a[13])如此巨 大(燃料燃烧每年释放约512×1015gC[14]), 使得即使轻微的变化也会引起大气中CO 2浓度的明显改变。因 此, 在土壤呼吸的研究中, CO 2通量的精确测定已成为十分迫切的问题。 土壤呼吸影响因素：土壤温度，湿度，透气性，有机质含量，生物，植被及地表覆盖，土地利用，施肥，PH，风速，其他因素。诸如单宁酸 [25]、可溶性有机物(DOM)中的 低分子化合物(LMW )[62]等都对土壤CO2释放速率有显著 的影响.,,,采伐，火烧， 有关生物过程的影响 绝大部 分的CO 2是由于土壤中的生物过程产生的。土壤呼吸的实质是土壤微生物、土壤无脊椎动物和植物根系呼 吸的总和 地表凋落物作为土壤有 机质的主要来源以及作为影响地表环境条件——如温度、湿度等因子对土壤呼吸也产生显著作用
土壤呼吸与土壤温度、水分含量之间的关系 在土壤水分含量充 足、不成为限制因素的条件下土壤呼吸与土壤温度 呈正相关(表1)[4, 15, 19, 21, 25～32]。而在水分含量成为限 制因子的干旱、半干旱地区, 水分含量和温度共同 起作用[18, 3 抑制作用的影响 目前已有文献表明对根系和微生物呼吸的抑制作用在土壤空气CO 2浓度较高时会发生 这也就意味着在大气CO 2浓度升高 时, 土壤呼吸也会受到抑制。 土壤呼吸随纬度的变化 从图3可知, 土壤呼吸量随着纬度的增加而逐渐降低, 可得到一拟合方程: y = 1586e- 010237x(R2= 0147) (1) 其中, y 为土壤呼吸量, x 为纬度 温度与土壤呼吸的关系 最终得到全球尺度下温度对土壤呼吸的影响大小的尺度——Q 10值。Q10值表示温度每升高10度,土壤呼吸速率增加的 倍数 [45 - 46 ] 得到了全球森林植被的土壤呼吸速率与年均温的关系, 即: y = 349166e010449x(R3= 0147) (3) 其中, y 为呼吸速率, x 为年均温。 得到了全球范围的Q 10值= 1157。与已报道的各样点的Q 10值相比全球尺度下的Q 10 值较低, 也就是就, 随温度的上升, 呼吸速率的增加较慢一些 土壤呼吸的测量方法问题及其影响 。测量方法可以分为直接测量和间接测量法[51]。直接测量法中又包括静态法和动态法[52]。其中, 由于实 际工作中具体条件的限制, 目前采用较为广泛的是静态法。CO 2的具体测量技术又有碱吸收法和红外吸收