泾惠渠灌区土壤水分动态变化研究综述

徐春燕

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710054)

泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，是一个大型灌区，同时也是陕西省粮食、蔬菜、奶蛋的重要生产基地。灌区位于半干旱地区的渭北平原，降雨时空分布不均，水资源很短缺，因此研究灌区土壤水分动态变化，研究水分有效性，为合理利用土壤水分、保证植物正常生长提供了理论依据。

1 土壤水分测试技术

随着社会的发展，科学的进步，工农业生产和建筑等领域越来越多的情况下要求测量土壤的湿度，许多专家学者因此做了大量的研究工作，于是各种各样的测量方法也随之发展起来。在国外，1907年，Buckingham就提出了利用毛细管原理测量土壤水分，在国内，对于土壤水分测试技术的研究起步比较晚，但随着科技工作者的不断涌现，也取得了很大的进展，已经由最初的烘干法测试土壤水分发展为利用各种传感器或者射线等科学方法实现快速、无损伤的测量土壤含水量。下面介绍几种不同的测试方法。

1.1 烘干法

烘干法是测量土壤水分最原始、最基础、也是最简单的方法。它的有点是精度高、简单易操作，是土壤水分测定的基础方法，是其他测量方法以此为准标定的基础，也是检验其他测量方法优劣性的常用方法。但是烘干法也有它的缺点:

(1)由于需要烘烤，测量时间长，而且不能野外作业，便携性差;

(2)烘烤的温度要严格控制，否则，可能会使土壤中的有机质分解，带来误差;

(3)连续测定土壤水分时，由于不断变动取土点，土壤本身的变异性可使结果发生很大的差异。

1.2 张力法

张力计法是一种广泛应用在在线土壤水分上的方法。张力计的优点是结构简单，可连续测量土壤张力变化，在线实时测量，确定水在土壤内的流动方向和渗透深度，而且价格便宜，制作容易。但它的缺点也很突出:

(1)测量范围受土质的影响大;

(2)测得的张力需要根据土壤特征曲线换算成土壤含水量，由于土壤水分能量关系复杂，且非线性，容易受到土壤理化特性的影响，带来较大误差。

(3)测量反应慢，存在滞后和回环，影响其测量速度。

1.3 中子法

中子法属于射线法中的一种，是将中子源埋入待测土壤中，由于中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质中与各种原子和离子碰撞，因能量损失而慢化成为慢中子。当快中子与氢原子碰撞时能量损失最大，慢化更严重，由此形成的慢中子云密度和氢元素含量成正比。土壤的水分含量越高，氢元素含量也越多，慢中子云的密度越大，根据慢中子云的密度与水分子间的函数关系即可得到土壤的水分含量。

中子法的优点是:

(1)不必取土，不会破坏土壤结构;

(2)可定点连续监测，得到的土壤水分动态运动规律快速准确。

中子法的缺点:

(1)测量时，室内外曲线差异大，不同土壤的物理性质差异也会造成曲线较大的移动;

(2)垂直分别率差，表层测量困难;(3)仪器设备价格昂贵，投入大;

1.4 近红外线法

近红外线法属于遥感法中典型的一种测量土壤水分的方法。该测量方法的优点是可以实现土壤的非接触测量，无破坏性，重现性好，而且可实现远距离测量和实时分析。存在的缺陷是:受土壤表面粗糙度影响大，同时受土壤表面水分孔隙状况的影响;仅能测量土壤表层含水量。

1.5 电容传感器法

电容传感器法是通过测量以固体、水分和空气组成的土壤为介质的电容器的电容进行土壤水分含量测试。由于水的介电常数远大于干土壤和空气的介电常数，土壤水分含量改变，其介电常数发生改变，从而引起电容的变化。根据传感器的电容值和土壤含水量的关系，可以拟合曲线，因此，只要求出土壤电容传感器的电容，就可以得到土壤的水分含量。

电容法的优点:

(1)较高的精度和可靠性;

(2)能够方便地接入自动化采集系统，连续测量土壤水分含量随时间的变化过程;

(3)多次测量重现性好;

(4)安装简单，操作方便，可便携，成本低。存在的缺点是对土壤电导率敏感。

2 泾惠渠灌区土壤水分的动态变化研究

土壤水是指由地面向下至地下水面(潜水面)以上土壤层中的水分，而土壤水的水分物理特性制约着植物对水分的有效利用。由于干旱、半干旱地区降水稀少，且季节分配不均匀，所以土壤水分动态一直是研究区土壤水分研究的重点之一。

2.1 灌区土壤含水量的年内变化特征

为了分析泾惠渠灌区土壤水分的年内的动态变化，利用实测资料，作出图1。

图1 土壤含水量的年内变化曲线图

由图可以看出，灌区土壤含水量在年内随时间呈周期性变化的规律基本一致。每年1月份土壤含水量都呈下降趋势，2～5月份期间土壤含水量变化波动幅度较大，最高值达22.8%，最低是14.4%;5月中旬左右是每年土壤含水量最低的月份，最低值只有13%;6月份以后随雨期的来临，土壤含水量呈上升趋势，至8月中旬达到土壤含水量最高的峰值，此后土壤含水量基本保持在20%上下波动，变化幅度较小，在3%以内。但由于年际间降水变率较大，干旱或湿润年型情况会有所改变，而且土壤含水量的年变化特征与自然降水的时间分布及作物的耗水规律有着密切联系。

通过对历年土壤含水量时间变化曲线图的分析得出，土壤含水量在年内变化大致可分为三个阶段。

(1)相对稳定阶段(10月～1月):这一阶段灌区降雨量逐渐减少，气温也逐渐下降，同时蒸发量也相对较小，当气温降至零度以下时，土壤表层冻结，土壤含水量基本处于土壤内部调整阶段，因此这一时期土壤含水量相对比较稳定，变化比较缓慢，土壤含水量最高值与最低值的差距不超过3%，基本保持在20%上下波动。

(2)严重失墒阶段(2月～5月中旬):这一时期气温逐渐回升，作物开始旺盛生长，作物覆盖面积增广，蒸散发量逐渐增大，耗水强度很大，而灌区降雨量这一时期又相对较少，土壤水分迅速减少，因此这一阶段土壤含水量整体呈下降趋势，土壤含水量随时间的变化曲线波动很大很频繁，变幅一般在10%左右，最大不超过14%。

(3)雨季蓄墒阶段(5月下旬～9月):这一阶段是灌区降水比较充沛的时期，土壤水分逐渐升高，但这时期气温较高，蒸散发量大，作物生长需水也多，如遇气候异常降雨较少时，土壤水分下降，降雨后又迅速上升。因此在土壤水分时间变化曲线上，有波动现象，振幅也较大。由图可以看出，土壤含水量的最大变幅一般在13%左右，最低值不小于12%，最高值25%左右，但土壤含水量整体上是呈上升趋势的。

2.2 灌区土壤含水量的垂直变化特征

土壤含水量在各层土壤中的分布，随各层土壤性质、作物根系分布的多少和气象、灌水量等因素而变化，不同季节土壤含水量在同一层次的土壤含水量变化范围不同，同样的，不同层次的土壤含水量在同一季节变化范围也不同。根据2004～2007年泾惠渠灌区土壤水分动态观测资料，分别绘制了每个月0～100 cm深度土层的土壤含水量的变化曲线，见图2。由图可以看出，四年的土壤含水量垂直变化周期基本一致，即表层的土壤含水量变化迅速，波动很大，20～40 cm土壤水含水量稍微低于0～20 cm土层的土壤含水量，以后各层的土壤含水量又开始增加，且土壤水分变化速率较慢，土壤水分相对稳定。总的来说，土壤水分垂直变化差距较小，最大为15%左右。

通过以上的分析，结合图2，土壤含水量垂直变化大致可分为3个层次。

(1)急变层(0～20 cm):该层是土壤与大气水汽交换的媒介，受气象因素和耕作措施的影响最为显著，土壤与大气间的水分交换过程剧烈，特点是在全年不同时期变化范围很大而且变化迅速。在雨季蓄墒时期最大，土壤含水量最高达到25%，在4、5月份含水量一般最小，最高不超过20%。

(2)活跃层(20～60 cm):此层为根系的主要分布层，受天气、气候因素的影响虽比速变层小，但受植被根系活动的影响，土壤水分变化仍比较活跃，土壤含水量的变化范围仍然较大，同时它也是积蓄降水的主要层次。泾惠渠灌区由于春季降水偏少，主要靠灌溉补充土壤水分，在5，6月份由于植物根系大量吸水又使土壤含水量降低，而在随后的8，9，10月份的雨季的降水可以使该层土水分含量最大。

(3)相对稳定层(60～100 cm):由于根系分布愈向下愈少，水分消耗相对减少，降水等气象因子对其影响也不断减小，因此，这一层土壤含水量相对比较稳定，变化小，变化的速率也相对缓慢，由图可以看出，一般该层的土壤水分含量比上层要高，土壤含水量基本保持在20%。该层的主要影响因子是地下水的埋深。地下水埋深较浅的站点，该层的土壤水分含量相对地下水埋深深的站点稍高。

图2 2004～2007年各月份土壤含水量随深度变化曲线图

3 土壤水分的有效性研究

土壤水分有效性的研究是土壤水分研究中的热点问题，作为土壤水分中可直接被植物生长利用的部分，有效水的含量和分布状况直接关系植被类型和植被生长状况。有效水的正确估算是研究区水资源状况估算的核心问题，但由于土壤水分有效性一直未曾有严格的概念予以定义，其研究方法和评价标准也互不相同，同时笔者能力所限，暂时不能对研究区的土壤水分有效性做出正确估算。所以仅简单介绍有效性的研究进展。

关于土壤水分有效性问题，早期形成的观点有等效说和非等效说。等效说认为在永久萎蔫点和田间持水量之间，土壤水分对植物同等有效。非等效说认为，在永久萎蔫点和田间持水量之间土壤水分对植物的有效性随着土壤湿度的降低而呈线性下降。在不同学说中，尚没有一个综合性理论来作为其假说的基础。随着人们对SPAC中的水分状态认识水平的提高和水分子动力学理论的发展与测定技术的进步，对土壤水分有效性的认识发生了改变。刘增文(1990)等将土壤有效水划分为3个等级:难效水(凋萎到生长阻滞持水量，约为田间持水量的60%)、中效水(田间持水量的60%～80%)和易效水。张小泉等(1994)认为比水容(单位水势变化时土壤吸人或释放出的水量)在评价半干旱黄土丘陵区土壤有效水分时有极重要的意义。

总之，研究认为不管用什么标准来评价土壤水分有效性，都应充分考虑影响土壤水分有效性的3个因素(即土壤、植物和气象条件)，都应以SPAC中水分运移理论为基础，同时还必须与作物的生长、反应及产量密切结合起来考虑。

4 研究结论与展望

通过对研究区搜集到的数据做分析，我们得出结论，泾惠渠灌区的的土壤水分的时空动态特征为:在一年内，10～1月份为相对稳定阶段，在2～5月中旬为严重失墒阶段，5月下旬～9月为雨季蓄墒阶段;深度上，0～20 cm、20～60 cm、60～100 cm，依次可分为急变层、活跃层和相对稳定层。

当然，由于受到多种因素的影响，土壤水分通常会出现复杂的变化特征，目前，针对不同气候和不同地形特征，许多学者做出了大量土壤水分动态变化研究，在研究方法上都有了重大的进展。但仍存在许多不足，存在的问题和今后研究的重点主要体现在以下几个方面。

(1)关于土壤水的定义还未统一，土壤水水量计算及资源的评价方面的研究也还存在许多不确定性，研究的内容和方法尚未形成统一的共识。所以，土壤水的定义、土壤水水量计算及资源的评价仍是研究的重点之一，进一步阐述土壤水的资源属性、理论、内涵，建立土壤水资源的评价方法及评价指标体系。

(2)在破环生态系统的修复、重建等的研究中，土壤水的高效利用问题仍是生态恢复的主题;对土壤污染和地下水污染等环境问题的研究，从土壤水来进行分析是一个有效的途径。

(3)我国干旱半干旱和半湿润易旱地区的耕地面积占全国的51%，如何加强半干旱地区农田水分管理和调控，大力发展节水农业，使增产更多的粮食，也是水分工作者的一项艰巨任务。

[1]李佩成.黄土塬灌区三水转化机理及调控研究[M].陕西科学技术出版社.1999.

[2]左忠，尚自烨，王峰，等.模拟补水方式对土壤水分无效蒸发的影响[J].甘肃农业科技.2009(12).

[3]胡伟，邵明安，王全九.黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究[J].水科学进展.2006，17(1).

[4]易亮，李凯荣，张冠华，等.黄土高原人工林地土壤水分亏缺研究[J].西北林学院学报.2009.24(5).

[5]杨建锋.地下水—土壤水—大气水界面水分转化研究综述[J].水科学进展.1999，10(2).

[6]黄肖勇，李生宝.半干旱黄土丘陵区土壤水分动态变化研究综述[J].农业科学研究.2009.30(3).

[7]夏雯，黄代民，崔晨等.西南喀斯特地区土壤水分研究进展[J].中国农学通报.2009.25(23).

[8]雷志栋，胡和平，杨诗秀.土壤水研究进展与评述[J].水科学进展.1999.10(3).