稻田土壤水分运动规律研究

□聂义泊 □杨 杰

（1河南省水利勘测设计研究有限公司；2河南黄河建设工程有限公司）

0 引言

干旱缺水问题已经成为危机世界粮食安全，人类健康和自然生态系统的重大问题。据估计，按目前人口增长速度，到2025年世界人口将增加到78.50亿，粮食产量必须翻一番才能满足需求，为提高粮食产量，农业用水将增加14%，即需要20000亿m3的灌溉用水。如何才能提供足够的粮食生产用水已成为全球范围内所面临的最严峻挑战。因此，无论是发达国家还是发展中国家都把发展农业节水作为解决这一挑战的首要途径。

水稻是我国的主要粮食作物之一，全国水稻产量约占粮食作物总产量的40%，同时，它也是主要耗水大户，占农业用水量的65%以上（茆智，2002；茆智，崔远来，2003；彭世彰，2011）。我国水稻节水灌溉技术自20世纪90年代以来得到了大面积的推广应用（彭世彰，徐俊增，2011）。水稻节水灌溉的特点是通过设置较低的灌水上限、下限，使得水稻在生长期间某些时间田面无水层或土壤含水量低于其饱和含水量，总的灌溉用水量明显低于常规淹灌（彭世彰等，2005；2011）。

对水稻生产来说，研究节水灌溉条件下土壤水分运动规律，对稻田土壤水分状况进行调控，使之在非充分灌溉与充分灌溉之间合理转换，进一步提高作物水分利用效率，是一个值得探究的科学问题，其成果可以直接用来确定灌水下限、上限等灌溉要素，是对节水灌溉理论的重大补充。

通过建立稻田土壤水分运动数学模型，分析土壤水分运动规律是进行水分调控的前提，是完善节水灌溉技术的理论基础。为此，需要解决两个问题：一是，土壤水分运动基本方程的选取；二是，作物根系吸水模型的建立。

1 土壤水分运动基本方程

从土壤水动力学的角度来看，现行的各种水稻节水灌溉模式，无论其灌水上限、下限有何不同，灌水时间如何确定，其土壤水分运动均可以用统一的数学模型来描述。土壤水分运动基本方程的选取是关键。

国内外学者在进行农田灌溉排水，地下水补给等问题的研究中提出了具有不同特点和用途的土壤水分运动方程。常见的有Kostiakov模型，Kostiakov-Leiws模型，Philip模型，Horton模型，Green-Ampt模型等。但是，这些土壤水分入渗模型均未考虑下垫面、土地利用等因素的影响，导致利用起来误差较大，适用条件和范围、主要参数的确定、理论的近似解等方面均存在问题。在实际应用时，需要对其进行补充和完善。

以达西定律为基础的Richards方程在研究作物生长条件下的土壤水分运动中被广泛应用。Constable等人（1981）利用该方程研究了半湿润环境中的作物灌溉问题。Belmans等人（1983）建立了作物生长情况下的土壤水分模拟模型。Kiefer EM（1993）提出了一个模拟非均质土不饱和渗流的随机概念模型。雷志栋，杨诗秀等人（1985）在我国较早地对非饱和均质土壤的水分运动进行了多种条件下的数值模拟研究。申双和，周英等人（1992，1993）开展了农田土壤水分预测预报的工作。高焕文等人（1996）建立了保护性耕地土壤水分模型。

Richards方程常见形式为：

以含水量为因变量，可写为：

式中S(z,t)为该方程的源汇项，即作物根系吸水模型。Richards方程计算和应用前，需要确定土壤水力学特性参数。在研究有作物生长影响的土壤水分运动时，还需要确定作物根系吸水模型。

2 作物根系吸水模型

通过研究作物根系吸水机理，建立根系吸水模型，对根系吸水过程进行定量描述，一直是土壤物理学和农业水利学等学科研究的热点。

Gardner(1960)首先开展了这方面的工作，提出了单根吸水的理论模型，假定单根为无限长、半径均匀并具有均匀吸水特性的圆柱体，植物根系和土壤水吸力分布都是均匀的，它研究流入典型单根的径向流。Hainsworth，Aylmore经过研究发现，Gardner假定与事实不符（1989）。Aura提出了单根非均匀吸水模型（1996），该模型是否与田间情况一致还无法验证。Molz于1970年与Remson提出了吸水速率与蒸腾速率、有效根密度和土壤水分扩散率之积成正比的根系吸水模型；1976年，又将根系吸水在土壤中水分向根表面的流动和水分在根组织内的流动联系起来，从而考虑了根的水力特性，提出了根系吸水的土壤一维水流运动模型。Nimah和Hanks（1973）考虑溶质的影响和植物根异管传导水分的内摩阻力，修正了Molz-Remson模型。Hillel（1976）等人在Gardner等人研究的基础上，考虑到土壤及根系对水流的阻力，利用根系吸水速率与土壤和根系水势之差关系建立起来的模型。Herklrath（1977）在模型的基础上加进饱和度作为根土接触的校正因子，建立吸水模型。Feddes（1978）认为根系吸水率是水势差函数，首先将根系吸水与作物蒸腾联系起来，将蒸腾量在根系层土壤剖面上的土水势建立的根系吸水模型。VanGenuchten在1984年对α(h)进一步修正，提出了非线性的定义。Chandra和Amaresh（1996）改进了前人模型的不足之处，建立了作物蒸腾量参与的非线性根系吸水模型。

我国学者对此也进行了大量的探索（许迪，1997；黄冠华等，1995；赵成义等，1999；郭庆荣等，1999）。邵明安（1987）根据植物根系吸水的物理过程，提出了一个能反映根系吸水机理的宏观数学模型。康绍忠等（1992）从作物根系吸水机理出发，用动态模拟的方法估算作物根系吸水速率，分别建立了冬小麦、夏玉米的根系吸水模型。龚道枝，康绍忠，张建华等（2004；2010）系统地研究了果树的二维根系吸水特性，根据根长密度资料建立的根系吸水模型。虎胆·吐马尔白（1999）以土壤水动力学理论为基础，综合考虑作物蒸腾，有效重量根密度分布以及土壤含水率的影响建立了二维根系吸水模型。

经过众多专家学者对根系吸水的多年研究，其吸水机理逐渐清晰，模型建立方法、途径逐渐明朗，所建模型的适用性更加广泛。但是，这些研究多数限于旱作物，在旱田土壤水分环境中，围绕旱作物根系吸水进行机理分析与理论建模。由于水稻与旱作物生理特性的差异及田间土壤水分状况的不同，尤其是在节水灌溉形成的稻田土壤水分环境情况下，现有的旱作物根系吸水模型能否直接用来解决水稻根系吸水问题，以及如何建立水稻根系吸水模型，都值得进一步探讨。

3 存在的问题

3.1 构建准确描述节水灌溉稻田土壤水分环境中根系吸水特性的吸水模型

水稻根系吸水模型作为Richards方程的源汇项，与水稻根系吸水能力有关。根系吸水能力与土壤水分环境密切相关，尤其是在节水灌溉条件下，土壤水分在饱和非饱和之间变化剧烈，干湿交替频繁，水稻水分生理活动将对此做出相应的调整，改变根系吸水能力。准确的水稻根系吸水模型对于建立正确的土壤水分运动基本方程，进而描述节水灌溉条件下的土壤水分运动过程至关重要。

3.2 建立节水灌溉稻田土壤水分运动数学模型

研究节水灌溉稻田土壤水分运动的边界条件及初始条件，通过建立土壤水分运动数学模型，研究节水灌溉土壤水分运动规律，对于夯实节水灌溉理论具有重要意义，可以为建立相应的土壤水分调控模式奠定坚实的理论基础。

[1]彭世彰,徐俊增.水稻控制灌溉理论与技术[M].南京:河海大学出版社,2011:8-13.

[2]Sun H Y,Shen Y J,Yu Q,Flerchinger G N,Zhang Y Q,Liu C M,Zhang X Y.Effect of precipitation change on water balance and WUE of the winter wheat-summer maize rotation in the Nor th China Plain.Agricul tural Water Management,2010,97:1139-1145.

[3]郭相平,袁静,郭枫,陈治平.水稻蓄水-控灌技术初探[J].农业工程学报,2009,4:70-73.

[4]陈朱叶,郭相平,姚俊琪.水稻蓄水控灌的节水效应[J].河海大学学报(自然科学版),2011,4:426-430.

[5]郭以明,郭相平,樊峻江,张晓柳.蓄水控灌模式对水稻产量和水分生产效率的影响[J].灌溉排水学报,2010,3:61-63+73.

[6]解河海,冯杰,冯青,等.考虑大孔隙的土壤入渗模型[J].水利水电科技进展,2011,31(5):35-38.

[7]彭振阳,黄介生,伍靖伟,等.基于分层假设的Green-Ampt模型改进[J].水科学进展,2012,23(1):59-66.

[8]郭向红,孙西欢,马娟娟,等.不同入渗水头条件下的Green-Ampt模型[J].农业工程学报,2010,26(3):64-68.

[9]毛丽丽,雷廷武.用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法[J].农业工程学报,2010，26(12):53-57.

[10]史晓楠,王全九,巨龙.微咸水入渗条件下Phil ip模型与Green-Ampt模型参数的对比分析[J].土壤学报,2007,44(2):360-363.