大气系统水分仪运行的界面过程研究
3刘昌明33(多科学院国家计划委员会 地理研究所, 北京 100101) (石家庄农业现代化研究所, 石家庄 050021)
提 要 本文从水文循环的微观角度出发, 针对大田土壤2植物2大气系统(SPAC) 中的水分运行与转化, 研究了SPAC界面上水分与能量的交换过程, 旨在通过界面上水分运行与生态环境因子相互作用关系, 探索界面水分、能量通量的计算与人工调控的可能途径, 为农业节水提供理论依据。本项研究属国家自然科学基金重大项目(1993年～1997年), 所述内容主要根据近3年来在河北栾城与山东禹城两个台站取得的实测资料进行分析与概括。
词 SPAC 水分运行 界面过程 水分测定仪 光泽度仪 水分仪
1 引论
华北平原是我国很大的平原之一, 区内光照充足, 热量资源丰富, 土地平整, 土壤肥沃, 实行一年两熟的耕作制度, 历来是我国很主要的粮食产区之一。但水资源不足, 水土资源组合不佳, 正日益成为限制本区农业生产潜力发挥的主要障碍因素。随着区内人口与经济的发展, 城乡及工农业间用水的矛盾日益突出, 从当前与长远来看, 必须发展节水农业。节水农业有着其丰富的内涵, 涉及多种学科的的理论与技术。在灌区实行节水灌溉和在大田提高作物的水分利用效率(WUE)是诸多农业节水措施中至关重要的两个方面。节水农业的研究具有系统性, 需要宏微观的理论结合与技术集成。研究大田水文循环或土壤2植物2大气连续系统中水分运行以及从界面上控制水分消耗是一个有待深入探讨的问题。从上看, 土壤2植物2大气系统中的水分传输属于前沿的课题之一。80年代后期ICSU提出了地圈生物圈计划(IGBP), 并于1990年制定了核心项目, 其中的水文循环生物圈方面(BiosphericAspect fHydrological Cycle, 简称BAHC) 项目, 突出的反映了地圈与生物圈的交叉研究。水文循环从地下水、土壤水到植物水分与大气水分, 贯穿它们之间。BAHC成为90年代水文学研究的主要动向之一, 其宗旨之一则是通过生物措施控制水循环[1], 从另一个方面涉及到本文研究的节水调控问题。土壤、植物与大气系统(SPAC) 中水分运动, 即水文循环, 作为"华北平原节水农业应用基础研究"的一个子项, 在近年来开展了比较细致的实验研究, 主要的内容包括以下4个方面: (1) 大型蒸渗仪的土壤水分运行模拟与土壤水分利用的计算; (2) 节水条件下农田蒸散规律的研究; (3) 土壤2植物2大气界面的水分过程与节水调控; (4) 土壤2植物2大气水分运行的综合模型。
考虑到华北平原地下水位地埋深的不同, 区分水位的深浅选择了河北栾城(地下水位埋深26m), 河北南皮(地下水位埋深6m) 和山东禹城(地下水位埋深2m) 三个多科学院的农业生态台站, 进行同步的观测与实验。观测项目按地下水、土壤、作物及大气系统中水分与能量的过程设置(详见图1)。
2 基本原理
1991年笔者在纪念黄秉维先生80华诞的文集中曾探讨过"五水"系统的相互作用问题[2]。所谓"五水"是指包括大气、植物、地表、土壤和地下水层中的水, 研究它们相互作用和相互关系(interaction) 即五水转化。土壤2植物2大气系统中的水分因自然的和人为的
作用必然要和地下水与地表水相联系。从土壤系统来看, 土壤水的来源(inputs) 是大气降水、地下水的上升和人为输入地表、地下水(如灌溉) 等等; 土壤水的散失, 则包括直接由土面逸向大气, 通过根系吸水进入植物体后蒸腾到大气中去以及由土壤层下渗到地下水
层之中, 显然"五水"转化的研究扩充了1966年由澳大利亚学者菲利浦[3](Philip) 提出的SPAC研究的内涵[4]。
土壤2植物2大气系统之间有多个不同性质的界面。如何定义界面来进行研究, 可按命题需要作选择[2]。华北平原节水农业研究, 是以土壤水研究为中心的设计, 对主要界面过程的分析与土壤水运动基本方程相结合:5H
5t
=
5
5z
D(H)
5H
5z
-5K
5z
- S(z, t) (221)
方程(221) 中D与K分别为扩散率和导水率, H为t 时z 深度的土壤含水率, S (z, t) 为植物根系吸水速率, 方程的上、下边界分别受大气和地下水交换的控制。方程(221) 与植物(作物) 根系吸水、蒸散发及地下水等界面过程联系起来研究, 并用数值方法求解, 可以完成土壤2植物2大气系统的综合计算与模拟。3 界面过程的研究从1993年秋到1996年秋的3年里, 已在河北栾城、南皮与山东禹城等3个站进行了3年的SPAC系统观测研究, 观测的项目如图1所示, 涉及的种参数80多个。目前, 研究工作已有3年的积累, 从实验的结果看, 取得了水文界面过程的初步进展, 其主要方面分述如下:311 土2根界面在SPAC系统中, 根土界面是一个其复杂的系统, 界面上的通量即根系吸水, 式(1) 中的S (z, t) 用通量(S) 表示:
质、水分状况、植物根系的性质(品种, 种类) 及分布均密切有关。试验项目包括: (1) 地下室根系剖面的目测; (2) 大田根钻的根长密度取样; (3) 土水势的测定; (4) 根水势与叶水势的测定。另外, 从节水的角度布置了根冠比与土壤水分剖面控制的实验, 结果表明根长密度的分布线型遵循指数函数, 并得出了根土水势的动态变化规律(如图2所示)。根据观测资料, 按照方程(221) 对根系吸水速率进行了很优识别[4]
。实验探明, 通过灌水人
工控制土壤含水量剖面, 可调控根系生长与分布, 以达到控制作物冠部生长与产量。图2 夏玉米生长期间土壤2植物2大气系统水势和蒸腾的日变化规律Fig12 The diurnal variationsof water potential andevapotranspiration in
SPACduringsummer maize growingstage
312 植2气界面
植2气界面也很复杂, 与根2土界面类似, 具有"叶面境界层"与一定的空间层次组合。从植2气水分、能量交换的角度看, 可划分单叶、植株、群体等几个水平的测定: 单叶水平的界面过程由16个50m2水分池作不同水平的土壤水分处理来进行测定, 包括叶片气孔阻力, 叶水势及单叶净光合速率。通过1996年麦期的试验得出蒸腾速率(El) 与叶水势(WL) 的定量关系, 相关系数为0181, 以及蒸腾速率(El
) 与气孔阻力(RST) 的关系为:El =25135+ 12108WL(223)El =615- 1109RST(224)在分析中发现, 净光合速率随土壤水分(H) 减少变化较小, 表明存在轻度水分胁迫时, 对作物光合作用影响不大, 因而有利于提高作物水分利用效率。光合作用的表征二氧化碳通量同时在大田群体上测定, 与此同时, 利用多功能红外仪(InfraredAGMultimeter) 与波文比观测相结合得出了叶水势与叶气温差(TL- Ta) 和饱和差(VPD) 的实验关系:
WL = 011367(TL - Ta) - 016554(VPD) - 013006 (225)
相关系数为01907。通过观测发现叶气温差可以反映土壤水分的含量。群体阻抗的测定采用了多种方法, 但以用气孔计实测分层单叶阻抗来求算整个冠层的阻抗结果较好。在分析资料的过程中还发现土壤水分的急剧变化对冠层阻抗有较大的影响。在确定冠层阻抗的基础
图3 麦田能量通量的日变化过程
Fig13 The diurnal variationsof energy
fluxexinwinter wheat field
上, 建立其与环境因子的关系, 并采用非线性优化方法拟合冠层表面阻力, 用于Penman2Monteith蒸散公式, 得到很好的结
果。冠层与大气界面间阻力(Rc) 的模型为:Rc= Rc,min[F(St)F(D)F(T)F(H) ]
- 1
(226)式中: Rc, min为很小冠层表面阻力, F(St)、F (D)、F (T)、F (H) 分别为辐射、饱和水汽压, 温度与土壤水分等的胁迫函
数。大田植(作) 物界面上进行水分通量与能量通量的结合测定, 采用了多科学院地理所自制与装配的波文比2能量平衡仪, 细
致地测定了冠层能量分配[4]
, 图3是1995
年栾城小麦大田能量通量分配的典型日过程。
313 土2气界面
土壤裸露, 如植株棵间的裸土, 直接与大气进行水分与能量交换。土2气界面容易界定, 其界面上的水分通量向上是土面(壤) 的蒸发, 向下则是水分的入渗(降雨或灌溉)。其水分、能量的通量相对比较容易测定。但是棵间裸土比无作物的裸地的条件要复杂得多, 棵间裸土能量分配受外围作(植) 物的生长的影响, 土壤热通量不仅与土壤水分有关, 而且与植(作) 物叶面积指数(LAI) 有密切关系。
棵间裸土蒸发(Es) 还与土壤含水量(H) 的高低密切有关。H高时, Es 大, 反之Es 小,下式(227) 是当叶面积指数等于3时, EsöET 与H的关系:EsöET = 0134774554+ 0110188799lnH (227)
土壤蒸发与植物蒸散是同时发生, 因此, 常常把这两者合在一起称为蒸散(Evapo2tran2spiration, ET)。现行的许多蒸发公式都是计算蒸散总量(ET), 往往很难区分ET 中的土壤蒸发和作物蒸腾量是多少。为此, 我们采用一种直径小的土壤蒸发器(Micro2lysimeter) 直接在棵间测定裸土表面的水分通量(蒸发量)。图4是1995年～1996年小麦生育期棵间土面蒸发量的实测结果。由图4可知, 在试验大田上小麦生育期的棵间土面蒸发因不同生育阶段而异, 生育期内约占ET 的30%。由于土2气界面相对比较简单和物理属性相对稳定。因此, 为节制农田水分的无益消耗,对这一界面进行蒸发抑制, 包括覆盖(秸杆与塑料薄膜等)[4]
、松表土与耙耱等等, 对防止土壤水分的消耗和提高水分利用效率, 具有重要的应用意义, 界面调控的水、热机制(包括对CO2 通量的研究) 已经取得了初步的结果。
314 土壤水与地下水界面过程
土壤层下界与地下水的水分交换视地下水位的埋深而变化, 地下水潜水位较高时, 相互作用很good, 反之很弱。在SPAC系统中必须考虑这种情况: 例如山东禹城站地处潜水位高的地区, 潜水位埋深平均2m左右, 涝年雨季可接近地表, 旱年旱季下降到3m～4m。在这样的条件下, 采用通用的称重式蒸渗仪(WeightingLysimeter) 很难好测定蒸散发量。为了解决这个问题, 多科学院地理所90年代新设计并制造了可以跟踪区域地下水位升、降的大型称重式蒸渗仪, 其面积为3m
2, 深度为5m, 总重量达34000kg, 称重
系统的感量0106kg, 精度达到0102mm。据悉, 在种功能的称重式蒸渗仪尚属罕见。由于仪器中可设定潜水位, 这就使其研究的功能大为扩充, 在界面水文过程研究中其优越性是: (1) 系统中水文界面的位置容易测定和设定(用于模拟); (2) 可以获得地
下水运动的水文地质参数, 如给水度(SpecificYield) 和水力传导度等; (3) 可以直接求得
垂直方向上往返流动的水分通量, 并用于检验种通量的计算方法。水分在土壤一地下水间的运动, 即饱气带与饱和带之间流通, 常常出现临时性界面, 即
零通量面(ZeroFluxPlane, 简称ZFP)。1995年～1996年期间在蒸渗仪中进行研究, 得出ZFP随土壤水蒸发累积增加而下移等动态规律。
4 结语农田水系统是一个由多个环节组合成的复杂系统, 其研究内容包括水源、输水、田间水分动态、作物和大气中的水分运动等反复的过程, 并且在这些过程中有一系列能量和动1 7 3 4期 刘昌明: 土壤2植物2大气系统水分运行的界面过程研究
量驱动因子。因此, 节水农业中的灌溉节水技术, 农艺节水措施和大田的节水管理与调控等的实施都有赖于对土壤2植物2大气系统水分运动规律的深刻了解。界面水文过程研究的提出, 不仅是对水文学或水文循环理论的一种新的发展, 同时也是把水文学理论应用于生产实践的一种开。本项研究通过研究水分在土壤2植物2大气连续系统中运动的主要界面过程, 初步取得了实现农业节水界面调控的基本认识, 这些认识将会作为实施节水农业的科学依据进一步来指导生产实践, 这对实现农业节水增产和缓解当前用水矛盾具有理论和实践意义。
参 考 文 献
1 BiosphericAspects of HydrologicalCycle. TheOperational Plan, IGBP: AStudyof GlobalChangeof ICSU. IGBP
ReportNo. 27, Stokholm∶1993. 1～84.
2 刘昌明. 自然地理界面过程与水文界面分析. 见∶多科学院地理研究所编. 自然地理综合研究——黄秉维学术思
想探讨. 北京∶气象出版社, 1993. 19～28.
3 PhilipJR. PlantWaerRelations: SomePhysicalAspects. AnnualReview of Plant Physiology, 1966, 17∶245～268.
4 刘昌明, 于沪宁主编. 土壤2植物2大气系统水分运行实验研究. 北京∶气象出版社, 1997. 1～195.
作 者 简 介
刘昌明, 男, 1934年5月生, 研究员, 多科学院院士。1956年大学毕业, 1960年～1962年留苏,
1981～1982年访美。自1956年至今在多科学院地理研究所工作, 现兼任多科学院石家庄农业现代化
研究所所长。研究域涉及水文水资源的个方面, 是农业水资源、水文过程及雨水利用的研究。近
年着重于界面水文学以及球变化对区域水文影响的研究。
STUDYONINTERFACEPROCESSESOFWATERCYCLEIN
SOIL-PLANT-ATMOSPHERECONTINUUM
LiuChangming
(
Instituteof Geography, ChineseAcademy of Sciences and theStatePlanning
Commissionof P. R. China, Beijing 100101)
(
Instituteof AgriculturalModernization, ChineseAcademy of Sciences, Shijiazhuang, 050021)
Keywords Soil2Plant2AtmosphereContinuumøWater fluxes Interfaceprocesses
Abstract
The descriptions of this paper is based on field experimental research of water transfer
mechanismin soil2plant2atmosphere continuum (SPAC), whichwas involved in a keyproject
under the titleof"ScientificBaseofAppliedResearchonWater2savingAgriculturein theNorth
China Plain"supported byNational Natural Science Foundation of China (NNSFC). Water
movement in soil2plant2atmosphere regarding hydrological cycle includes the interactions be2
tween surfacewater, groundwater, soil water, plant water and atmosphericwater. Some de2
tailedexperimentats haveconducted in recent years. These issues include following four parts:
(1)
simulationof soilwatermovement andcalculationof soilwater byusing large2sizedlysime2
ters; (2)
studiesonfieldevapotranspiration regulations underwater2savingconditions; (3)
the
interfaceprocessesofwater fluxesandwater2savingregulationinSPAC; (4) development of in2
tegratedmodel ofwatermovement inSPAC. Threerepresentativeexperimental stationsofCAS
at Luancheng (Hebei province), Nanpi
(Hebei Province) and Yucheng (Shandong Province)
with different conditionsof buriedgroundwater tables 26, 6and2m, respectivelywereselected
to conduct the experiments andobservations onwater and energy processes of groundwater,
soil, crop andatmosphere system, which carefully scheduled toobserveat same time. Several
interfaceprocessesofwater fluxedinSPACincludinginterfacesbetweensoil androot, plant and
atmosphere, soil andatmosphere, soilwater andgroundwaterwithdifferent physiological ande2
cological conditions involved in this study. Finally the author draws brief remarks as follows:
fieldwater systems consist of several links of hydrological states beingof complexity, and the
preliminaryoutcomesof this study illustrated theapplicability inwater2savingagriculture. The
development of interfacehydrologystudycouldbeveryhelpful tobetter understandingof hydro2
logical cyclemechanism. Thiswouldcreateanewaspect of hydrological science.