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    大氣系統水分儀運行的界面過程研究
    3劉昌明33(多科學院國家計劃委員會 地理研究所, 北京 100101) (石家莊農業現代化研究所, 石家莊 050021)
    提 要 本文從水文循環的微觀角度出發, 針對大田土壤2植物2大氣系統(SPAC) 中的水分運行與轉化, 研究了SPAC界面上水分與能量的交換過程, 旨在通過界面上水分運行與生態環境因子相互作用關系, 探索界面水分、能量通量的計算與人工調控的可能途徑, 為農業節水提供理論依據。本項研究屬國家自然科學基金重大項目(1993年~1997年), 所述內容主要根據近3年來在河北欒城與山東禹城兩個臺站取得的實測資料進行分析與概括。
    詞 SPAC 水分運行 界面過程 水分測定儀 光澤度儀 水分儀
    1 引論
    華北平原是我國很大的平原之一, 區內光照充足, 熱量資源豐富, 土地平整, 土壤肥沃, 實行一年兩熟的耕作制度, 歷來是我國很主要的糧食產區之一。但水資源不足, 水土資源組合不佳, 正日益成為限制本區農業生產潛力發揮的主要障礙因素。隨著區內人口與經濟的發展, 城鄉及工農業間用水的矛盾日益突出, 從當前與長遠來看, 必須發展節水農業。節水農業有著其豐富的內涵, 涉及多種學科的的理論與技術。在灌區實行節水灌溉和在大田提高作物的水分利用效率(WUE)是諸多農業節水措施中至關重要的兩個方面。節水農業的研究具有系統性, 需要宏微觀的理論結合與技術集成。研究大田水文循環或土壤2植物2大氣連續系統中水分運行以及從界面上控制水分消耗是一個有待深入探討的問題。從上看, 土壤2植物2大氣系統中的水分傳輸屬于前沿的課題之一。80年代后期ICSU提出了地圈生物圈計劃(IGBP), 并于1990年制定了核心項目, 其中的水文循環生物圈方面(BiosphericAspect fHydrological Cycle, 簡稱BAHC) 項目, 突出的反映了地圈與生物圈的交叉研究。水文循環從地下水、土壤水到植物水分與大氣水分, 貫穿它們之間。BAHC成為90年代水文學研究的主要動向之一, 其宗旨之一則是通過生物措施控制水循環[1], 從另一個方面涉及到本文研究的節水調控問題。土壤、植物與大氣系統(SPAC) 中水分運動, 即水文循環, 作為"華北平原節水農業應用基礎研究"的一個子項, 在近年來開展了比較細致的實驗研究, 主要的內容包括以下4個方面: (1) 大型蒸滲儀的土壤水分運行模擬與土壤水分利用的計算; (2) 節水條件下農田蒸散規律的研究; (3) 土壤2植物2大氣界面的水分過程與節水調控; (4) 土壤2植物2大氣水分運行的綜合模型。
    考慮到華北平原地下水位地埋深的不同, 區分水位的深淺選擇了河北欒城(地下水位埋深26m), 河北南皮(地下水位埋深6m) 和山東禹城(地下水位埋深2m) 三個多科學院的農業生態臺站, 進行同步的觀測與實驗。觀測項目按地下水、土壤、作物及大氣系統中水分與能量的過程設置(詳見圖1)。
    2 基本原理
    1991年筆者在紀念黃秉維先生80華誕的文集中曾探討過"五水"系統的相互作用問題[2]。所謂"五水"是指包括大氣、植物、地表、土壤和地下水層中的水, 研究它們相互作用和相互關系(interaction) 即五水轉化。土壤2植物2大氣系統中的水分因自然的和人為的
    作用必然要和地下水與地表水相聯系。從土壤系統來看, 土壤水的來源(inputs) 是大氣降水、地下水的上升和人為輸入地表、地下水(如灌溉) 等等; 土壤水的散失, 則包括直接由土面逸向大氣, 通過根系吸水進入植物體后蒸騰到大氣中去以及由土壤層下滲到地下水
    層之中, 顯然"五水"轉化的研究擴充了1966年由澳大利亞學者菲利浦[3](Philip) 提出的SPAC研究的內涵[4]。
    土壤2植物2大氣系統之間有多個不同性質的界面。如何定義界面來進行研究, 可按命題需要作選擇[2]。華北平原節水農業研究, 是以土壤水研究為中心的設計, 對主要界面過程的分析與土壤水運動基本方程相結合:5H
    5t
    =
    5
    5z
    D(H)
    5H
    5z
    -5K
    5z
    - S(z, t) (221)
    方程(221) 中D與K分別為擴散率和導水率, H為t 時z 深度的土壤含水率, S (z, t) 為植物根系吸水速率, 方程的上、下邊界分別受大氣和地下水交換的控制。方程(221) 與植物(作物) 根系吸水、蒸散發及地下水等界面過程聯系起來研究, 并用數值方法求解, 可以完成土壤2植物2大氣系統的綜合計算與模擬。3 界面過程的研究從1993年秋到1996年秋的3年里, 已在河北欒城、南皮與山東禹城等3個站進行了3年的SPAC系統觀測研究, 觀測的項目如圖1所示, 涉及的種參數80多個。目前, 研究工作已有3年的積累, 從實驗的結果看, 取得了水文界面過程的初步進展, 其主要方面分述如下:311 土2根界面在SPAC系統中, 根土界面是一個其復雜的系統, 界面上的通量即根系吸水, 式(1) 中的S (z, t) 用通量(S) 表示:
    質、水分狀況、植物根系的性質(品種, 種類) 及分布均密切有關。試驗項目包括: (1) 地下室根系剖面的目測; (2) 大田根鉆的根長密度取樣; (3) 土水勢的測定; (4) 根水勢與葉水勢的測定。另外, 從節水的角度布置了根冠比與土壤水分剖面控制的實驗, 結果表明根長密度的分布線型遵循指數函數, 并得出了根土水勢的動態變化規律(如圖2所示)。根據觀測資料, 按照方程(221) 對根系吸水速率進行了很優識別[4]
    。實驗探明, 通過灌水人
    工控制土壤含水量剖面, 可調控根系生長與分布, 以達到控制作物冠部生長與產量。圖2 夏玉米生長期間土壤2植物2大氣系統水勢和蒸騰的日變化規律Fig12 The diurnal variationsof water potential andevapotranspiration in
    SPACduringsummer maize growingstage 
    312 植2氣界面
    植2氣界面也很復雜, 與根2土界面類似, 具有"葉面境界層"與一定的空間層次組合。從植2氣水分、能量交換的角度看, 可劃分單葉、植株、群體等幾個水平的測定: 單葉水平的界面過程由16個50m2水分池作不同水平的土壤水分處理來進行測定, 包括葉片氣孔阻力, 葉水勢及單葉凈光合速率。通過1996年麥期的試驗得出蒸騰速率(El) 與葉水勢(WL) 的定量關系, 相關系數為0181, 以及蒸騰速率(El
    ) 與氣孔阻力(RST) 的關系為:El =25135+ 12108WL(223)El =615- 1109RST(224)在分析中發現, 凈光合速率隨土壤水分(H) 減少變化較小, 表明存在輕度水分脅迫時, 對作物光合作用影響不大, 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時在大田群體上測定, 與此同時, 利用多功能紅外儀(InfraredAGMultimeter) 與波文比觀測相結合得出了葉水勢與葉氣溫差(TL- Ta) 和飽和差(VPD) 的實驗關系:
    WL = 011367(TL - Ta) - 016554(VPD) - 013006 (225)
    相關系數為01907。通過觀測發現葉氣溫差可以反映土壤水分的含量。群體阻抗的測定采用了多種方法, 但以用氣孔計實測分層單葉阻抗來求算整個冠層的阻抗結果較好。在分析資料的過程中還發現土壤水分的急劇變化對冠層阻抗有較大的影響。在確定冠層阻抗的基礎
    圖3 麥田能量通量的日變化過程
    Fig13 The diurnal variationsof energy
    fluxexinwinter wheat field
    上, 建立其與環境因子的關系, 并采用非線性優化方法擬合冠層表面阻力, 用于Penman2Monteith蒸散公式, 得到很好的結
    果。冠層與大氣界面間阻力(Rc) 的模型為:Rc= Rc,min[F(St)F(D)F(T)F(H) ]
    - 1
    (226)式中: Rc, min為很小冠層表面阻力, F(St)、F (D)、F (T)、F (H) 分別為輻射、飽和水汽壓, 溫度與土壤水分等的脅迫函
    數。大田植(作) 物界面上進行水分通量與能量通量的結合測定, 采用了多科學院地理所自制與裝配的波文比2能量平衡儀, 細
    致地測定了冠層能量分配[4]
    , 圖3是1995
    年欒城小麥大田能量通量分配的典型日過程。
    313 土2氣界面
    土壤裸露, 如植株棵間的裸土, 直接與大氣進行水分與能量交換。土2氣界面容易界定, 其界面上的水分通量向上是土面(壤) 的蒸發, 向下則是水分的入滲(降雨或灌溉)。其水分、能量的通量相對比較容易測定。但是棵間裸土比無作物的裸地的條件要復雜得多, 棵間裸土能量分配受外圍作(植) 物的生長的影響, 土壤熱通量不僅與土壤水分有關, 而且與植(作) 物葉面積指數(LAI) 有密切關系。
    棵間裸土蒸發(Es) 還與土壤含水量(H) 的高低密切有關。H高時, Es 大, 反之Es 小,下式(227) 是當葉面積指數等于3時, EsöET 與H的關系:EsöET = 0134774554+ 0110188799lnH (227)
    土壤蒸發與植物蒸散是同時發生, 因此, 常常把這兩者合在一起稱為蒸散(Evapo2tran2spiration, ET),F行的許多蒸發公式都是計算蒸散總量(ET), 往往很難區分ET 中的土壤蒸發和作物蒸騰量是多少。為此, 我們采用一種直徑小的土壤蒸發器(Micro2lysimeter) 直接在棵間測定裸土表面的水分通量(蒸發量)。圖4是1995年~1996年小麥生育期棵間土面蒸發量的實測結果。由圖4可知, 在試驗大田上小麥生育期的棵間土面蒸發因不同生育階段而異, 生育期內約占ET 的30%。由于土2氣界面相對比較簡單和物理屬性相對穩定。因此, 為節制農田水分的無益消耗,對這一界面進行蒸發抑制, 包括覆蓋(秸桿與塑料薄膜等)[4]
    、松表土與耙耱等等, 對防止土壤水分的消耗和提高水分利用效率, 具有重要的應用意義, 界面調控的水、熱機制(包括對CO2 通量的研究) 已經取得了初步的結果。

    314 土壤水與地下水界面過程
    土壤層下界與地下水的水分交換視地下水位的埋深而變化, 地下水潛水位較高時, 相互作用很good, 反之很弱。在SPAC系統中必須考慮這種情況: 例如山東禹城站地處潛水位高的地區, 潛水位埋深平均2m左右, 澇年雨季可接近地表, 旱年旱季下降到3m~4m。在這樣的條件下, 采用通用的稱重式蒸滲儀(WeightingLysimeter) 很難好測定蒸散發量。為了解決這個問題, 多科學院地理所90年代新設計并制造了可以跟蹤區域地下水位升、降的大型稱重式蒸滲儀, 其面積為3m
    2, 深度為5m, 總重量達34000kg, 稱重
    系統的感量0106kg, 精度達到0102mm。據悉, 在種功能的稱重式蒸滲儀尚屬罕見。由于儀器中可設定潛水位, 這就使其研究的功能大為擴充, 在界面水文過程研究中其優越性是: (1) 系統中水文界面的位置容易測定和設定(用于模擬); (2) 可以獲得地
    下水運動的水文地質參數, 如給水度(SpecificYield) 和水力傳導度等; (3) 可以直接求得
    垂直方向上往返流動的水分通量, 并用于檢驗種通量的計算方法。水分在土壤一地下水間的運動, 即飽氣帶與飽和帶之間流通, 常常出現臨時性界面, 即
    零通量面(ZeroFluxPlane, 簡稱ZFP)。1995年~1996年期間在蒸滲儀中進行研究, 得出ZFP隨土壤水蒸發累積增加而下移等動態規律。
    4 結語農田水系統是一個由多個環節組合成的復雜系統, 其研究內容包括水源、輸水、田間水分動態、作物和大氣中的水分運動等反復的過程, 并且在這些過程中有一系列能量和動1 7 3 4期        劉昌明: 土壤2植物2大氣系統水分運行的界面過程研究
    量驅動因子。因此, 節水農業中的灌溉節水技術, 農藝節水措施和大田的節水管理與調控等的實施都有賴于對土壤2植物2大氣系統水分運動規律的深刻了解。界面水文過程研究的提出, 不僅是對水文學或水文循環理論的一種新的發展, 同時也是把水文學理論應用于生產實踐的一種開。本項研究通過研究水分在土壤2植物2大氣連續系統中運動的主要界面過程, 初步取得了實現農業節水界面調控的基本認識, 這些認識將會作為實施節水農業的科學依據進一步來指導生產實踐, 這對實現農業節水增產和緩解當前用水矛盾具有理論和實踐意義。
    參 考 文 獻
    1 BiosphericAspects of HydrologicalCycle. TheOperational Plan, IGBP: AStudyof GlobalChangeof ICSU. IGBP
    ReportNo. 27, Stokholm∶1993. 1~84.
    2 劉昌明. 自然地理界面過程與水文界面分析. 見∶多科學院地理研究所編. 自然地理綜合研究——黃秉維學術思
    想探討. 北京∶氣象出版社, 1993. 19~28.
    3 PhilipJR. PlantWaerRelations: SomePhysicalAspects. AnnualReview of Plant Physiology, 1966, 17∶245~268.
    4 劉昌明, 于滬寧主編. 土壤2植物2大氣系統水分運行實驗研究. 北京∶氣象出版社, 1997. 1~195.
    作 者 簡 介
    劉昌明, 男, 1934年5月生, 研究員, 多科學院院士。1956年大學畢業, 1960年~1962年留蘇,
    1981~1982年訪美。自1956年至今在多科學院地理研究所工作, 現兼任多科學院石家莊農業現代化
    研究所所長。研究域涉及水文水資源的個方面, 是農業水資源、水文過程及雨水利用的研究。近
    年著重于界面水文學以及球變化對區域水文影響的研究。
    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.

  • 2012-5-12·在線微波水分儀的設計原理(1)
  • 2012-5-12·在線微波水分儀的設計原理(2)
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  • 2012-5-12·在線微波水分儀的設計原理(5)
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  • 2012-6-14·在線微波水分測試儀的設計原理(14)
  • 2012-7-13·在線微波水分測試儀的設計原理(15)
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