土壤水资源高效利用研究进展

土壤水资源高效利用研究进展1王会肖，蔡燕北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室，北京（100875）E-mail：huixiaowang@摘要：土壤水资源对解决农业用水和水资源短缺的重要现实意义已逐步得到认可。

研究土壤水资源的特征和作物耗水与土壤水的相互关系，可以有效的指导在农业用水中增加土壤水的用水量、减少灌溉水量、提高水分利用效率，从而达到农业节水的目的。

本文主要介绍土壤水资源量的计算、土壤水分的动态规律、土壤水分的有效性和作物的需水耗水规律等农业节水中涉及的利用土壤水资源研究的几个方面。

关键词：土壤水资源；农业节水；土壤水分动态规律；土壤水分有效性土壤水作为资源的理念已逐步得到肯定，高效利用土壤水资源对农业节水的研究和发展有重要现实意义。

我国是个缺水的国家，水资源已经成为我国粮食安全和经济社会的可持续发展制约因素，用水的不合理进一步加剧缺水问题，2004年农业用水量占全国用水量的66.5%。

而农业用水量大与用水浪费并存，尤其是一些渠灌区仍采传统的大水漫灌方式，以至我国的农业用水效率低，仅为43%。

由于水资源紧张，过去常会挤占生态用水牺牲环境为代价满足生产和生活用水，生态环境恶化日趋严重。

为解决生态环境问题，保证生态用水，同时满足工业生产用水和生活用水的增长需求，农业用水比例势必降低。

保障粮食生产安全，解决农业缺水的问题只能靠自身的节水来解决，农业节水是解决水资源危机和和生态环境恶化的重要途径。

农业节水的中心问题是提高水分利用效率。

从农业用水角度来看，其他形式的水资源都是转化为土壤水才能实现其资源价值。

根据Malin·Falkenmark的研究陆地上所有的水资源都来源于降水，其中降水35%转化为蓝水，包括地下水和地表水等可见的水资源，即通常主要研究开发利用的水资源，包括灌溉用水都是从蓝水中提取[1]。

另外的65%转化为绿水，等同于土壤水，通过陆地上的植被耗散利用。

这部分水量十分丰富，如河北省有70%的降水转化为土壤水，据估计每年全省耕地作物可利用的土壤水约为345~420亿立方米。

因而除采取工程、农艺、管理等措施灌溉节水外，合理、高效利用土壤水也是解决农业用水紧缺的出路。

土壤水具有强烈的时空变异性，农业用水主要是根据作物需水耗水的要求，适时补充土壤水的数量；土壤水分状况影响作物水分亏缺，并且作物在不同生育阶段对水分亏缺的反应敏感性不相同。

因此我国农业节水中利用土壤水资源，主要围绕着农田土壤水资源量的计算、土壤水分的动态规律、土壤水的有效性和作物的需水耗水规律开展，以下主要从这几方面说明其研究进展。

1. 土壤水资源量的计算及评价对土壤水范畴的认识及评价内容和方法目前尚不统一。

评价土壤水资源主要从土壤水资源数量和植物可利用量两方面衡量。

评价土壤水数量的指标主要是土壤水蓄水量或土壤水储1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助课题“土壤—作物系统水分过程与节水调控机制研究”（20060027018）和河北省节水农业重点实验室开放基金项目（0508021-HBKLA-03）的资助。

水量，指某一时刻一定深度土层内实际蓄存的水量。

从植物利用角度出发，通常计算深度取植物根系层深度[2，3]；也有学者从陆地水循环的角度，将整个包气带作为计算土壤层[4]。

土壤水资源量的计算依据水量平衡原理和农田水分平衡一般在区域或流域和农田尺度上展开。

土壤水的空间和时间变异显著，对多年平均而言，区域土层蓄水量变化趋向于零。

刘昌明曾提出区域多年平均土壤蓄水量的评价可用公式[5]：0=−−−g s R TE R P （1）土壤水在水分循环中经常得到补给，也不断消耗掉，用它的补给量和消耗量评价土壤水资源是符合水量平衡原理的。

1999年靳孟贵考虑流域不同地貌单元、岩性、土地利用情况下的土壤水资源量的差异，进一步提出土壤水资源年补给量的概念，表示特定土壤水条件和特定土地利用条件下的土壤水资源。

地下水位埋深很大的条件下土壤水资源年补给量按下式计算[6]：g s r R R P I C P W −−−++=int （2）根据水量平衡原理，土壤水最终消耗于植物蒸腾和土壤蒸发，也可用陆面蒸散量评价土壤水资源数量。

由懋正根据水分循环和水量平衡原理，提出可用蒸散量计算区域水资源的数量，并以海滦河流域为例，求得土壤水资源平均为432mm ，占降水量的77.7%[7]。

另外，土壤水资源量资源价值在于作物有效利用。

因此，作物的土壤水资源评价具有重要实际意义。

作物的生育期一般为一年的某一时段，它与以年为时间单位的土壤水分循环周期不一致，作物土壤水资源由生育期土壤水的补给量和利用量组成。

2. 土壤水分的有效性土壤含水量中只有一部分能被植物吸收，土壤水分的有效性是对作物而言，反映土壤对植物可供水分储量的大小和能被植物利用的难易程度。

土壤水分的有效性受土壤质地、含水量、植物根系密度和吸水能力及气象条件等因素的影响。

一般认为作物可以利用的土壤水分含量范围介于永久凋萎点和田间持水量之间。

在这个范围之内的土壤水分对作物的生长是否等效，一直是国内外旱作农业和土壤物理学等学科较为活跃的研究领域，早期研究形成的观念可概括为等效学说和非等效学说。

关于不等效的形式也有两种观点，一种认为土壤水分有效性随土壤湿度的减少呈线性减少；另一种观点认为在凋萎湿度和田间持水量之间存在着一个土壤含水量的临界点K ，从田间持水量到该点，土壤水分是对植物生长是等效的，而土壤含水量在该点之下时，土壤水分有效性随土壤湿度减少而降低。

由于研究方法和评判标准互不相同及试验作物、土壤和气象因素不同，研究结论并不一致。

据李玉山等对西北干旱区的土壤水分有效性及其动态模式的研究，表明土壤水分对植物的有效性在田间持水量附近迅速下降而此后下降非常缓慢[8，9]。

杨文治等对黄土高原南部土壤水分有效性动态规律的研究表明，在田间持水量95%到55%的土壤湿度范围内，随着土壤湿度的不断减小，土壤水分有效性按抛物线规律递减，土壤水分有效性下降的速率随土壤湿度减小而增大加快[10]。

在这些研究的基础，以土壤含水量达到田间持水量的百分比、田间水分常数（田间持水量、毛管断裂量和凋萎湿度）或者土壤水势[11]将土壤水分的有效性划分为三个等级，易效水、中效水、难效水[12]或四个等级，极易效、易效、中效、难效—无效水[10]。

近年来， SPAC 理论的发展以及水分运动测定技术的进步，开始利用植物根系吸水函数及作物产量—水分关系函数和生理参数等观念和方法来研究土壤水分有效性。

考虑根系吸水速率，由不同含水量下小麦根系吸收土壤水分的相对速率给出土壤水分有效性的动态曲线。

但该根系吸水模型中含有某些难以测定的土坡和根系参数如土壤导水率、根水势、根系吸水阻力等，因而限制了该模型的田间应用[13]。

干旱半干旱地区土壤水分构成作物用水的重要来源，土壤水分有效性是作物产量的主要限制因素。

郭庆荣等由模拟土柱的方法，以作物产量为指标，直接由土壤湿度—作物产量关系给出有效性按抛物线规律变化的结论[14]。

但是以产量作为指标得出的土壤水分有效性是整个生育期的平均值，难以用来评价特定生育阶段的土壤水分有效性。

对于用生理参数划分土壤水分有效性标准，Ritchie的研究建立了土壤含水与蒸腾的一般关系，认为当超出土壤可吸收水分范围的70%，蒸腾很少受到水分亏缺的影响[15]，低于此水分条件，蒸腾随土壤含水呈比例下降，直到阈值30%。

同时光合速率的红外测定技术的发展，用光合速率作为土壤水的有效性的评判指标具有可操作性。

李秧秧用光合速率研究土壤水分有效性认为，在95%概率保证下，玉米拔节期和灌浆期分别在田间持水量的83%和73%上，水分均是同等有效的；而在此以下，水分按抛物线规律递减[16]。

相关的林木的研究表明光合速率对土壤含水量的响应过程符合二次方程式，根据拟合方程可确定出土壤水分对光合速率有效性的两个临界值，即维持最高净光合速率的土壤含水量临界值和光合作用的水合补偿点(净光合速率为零时的土壤含水量临界值)。

林木的蒸腾速率和水分利用效率对土壤含水量的响应过程符合三次方程，并可确定出林木蒸腾速率最高时的土壤含水量的临界值和水分利用效率最高时的土壤含水量的临界值[17]。

3. 土壤水分动态分布规律我国土壤水分动态研究主要集中在土壤水分垂直动态和季节动态两个方面。

土壤水分的变化主要影响因子有气象因素（降水、风速和气温等）、土壤的作用和植被等。

土壤水分的季节变化的决定于气象因素的时间变化[18]，尽管年际存在差异，但是基本遵循着共同的变化规律。

对于裸地的季节动态可以直接根据气象因素的变化划分为四个阶段[19，20]。

有植被覆盖的土地类型，土壤水分的季节变化还受到植物蒸腾的影响。

韩仕峰最早提出黄土区农田土壤水分的年内动态变化可分为4个时段进行研究，即土壤水分消耗期、土壤水分积累期、土壤水分消退期、土壤水分相对稳定期[19]。

随后，国内的学者一般沿用这一结论，只是研究的地点和植被类型不同,各个时段的分布时间有所差异[21，22]。

关于土壤水分的年际变化，有研究认为土壤水分年际间的变化主要是由年际间的降雨补充差异造成的，基本上与年雨量的变化一致[23]。

但是，在降水量大或分布不均的年份，年际变化差异明显，而在降水量少而分布均匀的年份，土壤水分的季节变化不大，干湿季难以划分[24]。

土壤水分的垂直变化一般根据土壤水分的利用状况，以土壤水分的变化程度(以变异系数Cv来表示或标准差S x作为指标划分为层次；Cv或S x越大，土壤水分变化越剧烈；反之，土壤水分变化越小。

一般分为三层或四层，第一层为土壤水分活跃层（弱利用层），土壤水分变化十分剧烈，土壤水分在降雨时迅速增加；干旱时易于蒸散消耗，对植物生长的作用不大。

第二层为土壤水分利用层，是植被根系分布和植被补充水分的主要层次。

第三层为土壤水分调节层，这一层在植被强烈蒸腾期和枯水期可向植被供水，丰水年和雨季可以起到储水的作用，故对植被根系的吸收有一定的调节作用。

不同的研究地区和植被类型，选取的分层标准的大小和划分的土壤层的深度有所不同[21，25]。

4. 作物耗水规律作物需水量（ET C）即作物潜在蒸散量，是指在最适宜的土壤水分和肥力条件下，在田间正常生长发育、无病虫害、达到高产水平的特定作物的农田蒸散量，受气象条件和作物条件的影响。

通常采用FAO Penman-Monteith公式计算，先计算出参考作物的蒸散量（ET0），作物的需水量为参考作物蒸散量(ET0)乘以作物系数K C。

有研究人员根据作物、土壤和1950-1980年多年平均气候资料，按上式计算我国北方地区几种主要作物全生育期需水量的多年平均状况如下：冬小麦为450～525mm，春小麦为380～435mm，小麦返青和抽穗期前后需水量较大，分蘖和抽穗期对水分敏感；春玉米为435～600mm, 夏玉米为360～450mm，玉米拔节到抽雄期和灌浆期占整个生育期需水量的55%，抽雄期前后对水分十分敏感；谷子为340～390mm，拔节到灌浆期需水量占整个生育期需水量的50%，抽穗和灌浆期对水分敏感[26]。