土壤水資源平衡的主要特征

土壤水資源平衡的主要特征

1土壤水分的垂直變化規(guī)律及分析土壤可以儲存天然降水，滿足作物生長對水的需求，這與水庫的蓄水功能非常相似。因此，將耕地的深層土壤視為“土壤水庫”。這是人們仿照地面水庫而提出的一個新概念,它以土壤為蓄水庫容,像地面水庫那樣蓄存一定的水量供人類利用。土壤像河槽、湖盆、水庫和地下含水層一樣,對水分具有調節(jié)作用,一般可將包氣帶土層看作一個“土壤水庫”,其總庫容由有效庫容、重力庫容和死庫容組成。死庫容是指植物生長期時,土壤對植物的供水達到凋萎點時的包氣帶土層所含水量及其分布空間;有效庫容是指土壤水資源存貯、調蓄的空間。水分在土壤內存在的形態(tài),一般有固態(tài)水、氣態(tài)水和液態(tài)水3種不同的形態(tài)。固態(tài)水是土壤凍結后,水分在土粒間隙內變?yōu)楸У囊环N形態(tài);氣態(tài)水一般以水汽的形態(tài)存在于土壤孔隙之中;液態(tài)水主要存在于土粒的周圍、接觸點及毛管空隙之中。一般對植物根系吸收作用有重要意義的,主要是液態(tài)水。根據土粒對水分吸持能力的強弱,一般可將土壤中對作物生長有意義的水分,區(qū)分為兩大類型:“土壤水庫”垂直剖面水量的變化是指旱地農田土壤在自然環(huán)境及生產的條件下,由降水入滲、地表蒸發(fā)和根系吸收等多種作用力的綜合影響,所表現(xiàn)出來的不同層次的水分變化特征。根據土壤水分垂直變化的特征,在旱地農田土體中,一般分為墑情活躍層、墑情緩變層和墑情基本穩(wěn)定層。墑情活躍層。本層厚度一般自地表開始至地表以下50～60cm深處。這一層由于受大氣影響很大,又是作物根系主要分布的層次,所以其水分運動及干濕變化十分活躍。墑情緩變層。本層一般在50～60cm以下至150～160cm之間,稱為深墑。在年周期內,其濕度的干濕變化幅度一般僅在5%～10%以內,經常具有凋萎點以上的濕度。在作物生長后期及旱季干旱無雨時,這一層儲存的水分是作物需水的重要保證。墑情基本穩(wěn)定層。本層一般在120～160cm以下,在年周期內土壤水分含量可保持在田間持水量左右,干濕變化幅度在5%以下,它可直接為深根作物供水,也可向上層土壤輸送水分,以補充其水分的消耗。因此,采取有效措施增加這一層的儲水量,是改善土壤水分狀況,穩(wěn)定農業(yè)生產的有效途徑。2土壤水資源的概念和特點2.1對最大蓄存量的影響土壤水資源是土壤層內經常參與陸地水分交換的水量,特別是根系帶中能被植物利用并可恢復的水量。它表現(xiàn)為土壤水分不斷補給與消耗的動態(tài)水量,與常用的土壤蓄水能力、土壤蓄水量以及土壤有效水分等有所不同。土壤蓄水能力是指土壤所能蓄存的水量,相當于土壤水庫的“庫容”,其大小取決于土壤類型。飽和含水量反映土壤最大蓄水能力。對于農作物而言,田間持水量可視為正常蓄水能力;凋萎含水量相當于“死庫容”;田間持水量與凋萎含水量之差稱為有效水分,它是土壤有效蓄水能力,相當于水庫的“有效庫容”,是植物能夠利用的水量。土壤水資源通過“土壤水庫”的調節(jié)而被植物連續(xù)地利用。土壤水的補給來源主要是大氣降水、農田灌溉、地下水補給和大氣中水汽的凝結,而其消耗主要是植物蒸騰和土壤蒸發(fā)。2.2土壤水為植物、土壤吸著水、薄膜水、毛管水、重力水①土壤水普遍存在于陸地表面的土壤中,具有分布的廣泛性和連續(xù)性以及使其植物得以充分利用的獨特特征。②土壤水特別是根系層的土壤水,不斷得到降雨入滲和其他形式的水分補給,也經常被植物蒸騰利用和消耗于蒸發(fā),具有更新快而又不斷補給及排泄的動態(tài)特征。③土壤水包括吸著水、薄膜水、毛管水和重力水。吸著水和薄膜水難以被植物吸收,且數量不大。重力水在土壤中不可能長期滯留,它通過蒸發(fā)消耗,或下滲補給地下水,或轉化為毛管水等。毛管水是土壤水的主要成分,數量大,是植物吸收利用的主要水源。④土壤水作為非飽和水體,為陸地植被(包括作物)的生長、發(fā)育創(chuàng)造了土壤生態(tài)環(huán)境。土壤水更新周期一般為1年,其變化過程與植物生長過程相適應。⑤土壤水只能被植被(包括作物)就地利用,不能用人工方法抽取和轉移。因此,土壤水資源是非重力水,雖然具有“液態(tài)”的特性,但尚不能作為開采資源加以利用和管理。⑥通過人工灌溉、排水和各種農業(yè)措施,調節(jié)和保護土壤水,使其有利于植被生長和農業(yè)生產的需要。3土層蓄積變量r在天然水狀態(tài)下,土壤水分在循環(huán)過程中不斷得到大氣降水和凝結水的補給,又以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)形式不斷消耗;當土壤含水量超過田間持水量時,便以重力水的形式補給地下水;當蒸發(fā)使土壤含水量小于田間持水量,并且地下水埋深小于極限埋深時,又會從地下水得到補充。因而,在某一時段(ΔT)內,土壤水量的平衡方程為:ΔWSR=(P+ε+Cm)-(Ep+Rs+Pr+Ps+E+T)(1)因為P-Ep-Rs-Pr-Pe=Ps所以ΔWSR=(Ps+ε+Cm)-(E+T)(2)式中:ΔWSR為某一時段內土層蓄水變量,mm;P為降水量,mm;Ps為降水滯留在土壤中的水量,mm;ε為地下水通過毛細管輸送到土壤中的水量,mm;Ep為雨期蒸發(fā)量,mm;Cm為大氣中或表層土壤顆粒間的水汽,當氣溫降低時在土壤表層凝結的水量,mm;Pe為植物截流量,mm;Rs為降水產生的地面徑流量,mm;Pr為降水入滲補給地下水量,mm;E為土壤蒸發(fā)量,mm;T為植物蒸騰量,mm。一般周期為1年,則在1年內土壤水分的總蓄水變量為:ΣΔWSR=Σ(Ps+ε+Cm)-Σ(E+T)(3)或Σ(Ps+ε+Cm)=Σ(E+T)+ΣΔWSR(4)式(4)左邊為1年內土壤水總補給量,即土壤水資源量;右邊為總消耗量與土層蓄水變量之和。采用分項實測或分析計算的方法,對式(4)左邊或右邊各項進行定量分析計算,就可求得本地區(qū)的土壤水資源量。4計算土壤含水量的函數4.1土壤水分的測定常用的方法有:重量百分率法;體積百分率法;以相對百分數表示土壤水的含量;以每公頃面積內一定土層的深度中土壤水分的體積(m3/hm2)表示土壤水的儲量;以水層厚度(mm)表示土壤水分狀況;以土壤吸力表示土壤水分的狀態(tài)。從宏觀上分析,土壤水最有意義的儲量計算可分為兩部分:一部分是以200cm深度為限度的作物根系帶層;另一部分是根系帶至地下水面之間的厚度層。從微觀上分析,根據土壤水分分布規(guī)律,可將200cm土層再劃分為0～20、20～60、60～100和100～200cm。按不同層次分別計算土壤含水量,計算公式為:Q=dhc(5)式中:Q為某土層儲水量,mm;d為土壤容重,g/cm3;h為土層厚度,mm;c為土層含水百分率。根據華北平原滄州地區(qū)普查的259702個主剖面資料,按照不同土壤類型、土壤質地、土壤深度分別統(tǒng)計。在同一層次中,各種土壤質地分別取加權平均值,可統(tǒng)計出每種土壤質地的面積和厚度。按照不同土壤層次、質地,分多點次取樣來測定田間持水量及飽和持水量。土壤含水百分率是1983～1987年常年定點觀測的土壤自然含水量、休閑地和不同作物點次(28～48)的加權平均值。因土壤含水量是隨時空動態(tài)變化量,所以計算數量時,需限定在某一時段內。一般可將計算時間分為4個階段:雨量稀缺干旱的春季(5月下旬～6月上旬)、雨量豐富的夏季(8月份)、播種前后的秋季(9月下旬～10月上旬)和水分穩(wěn)定的冬季(11月下旬～12月上旬)。根據4個階段的年加權平均值,即可計算出各層不同季節(jié)的土壤含水量。按照土壤水分對作物的作用可分為有效水和無效水。有效水是指土壤含水量大于凋萎含水量至田間持水量之間的水量,對作物最有效;無效水是指凋萎濕度以下的土壤含水量,即薄膜水中吸力大于150kPa的那部分水分,作物不能吸收利用,會使作物永久性凋萎。每層土壤達到田間持水量時的狀態(tài),即為該土層土壤的最大儲水能力。自然含水量與田間持水量之差值即為土壤水庫的“空庫容”。華北平原滄州地區(qū)土壤總面積為1155923.2hm2,其中濱海鹽土、潮間鹽土和堿土等共計12.3萬hm2,這部分鹽堿土的土壤水中溶解有大量的鹽分,致使作物不能正常生長發(fā)育,是農作物不可利用的咸水。因此,在計算過程中把這部分水單獨計算,作為不可利用水資源。其余的淡水和微咸水(2～3g/L)均為可利用的土壤水。4.2土壤水總儲量計算根據4個季節(jié)和4個層次分別計算,其結果見表1。再按照季節(jié)把各層次加起來,即為該季全地區(qū)土壤水總儲量。計算結果表明,4個季節(jié)的可利用土壤水儲量分別為648740.7萬m3、691490.7萬m3、676528.2萬m3和662247.0萬m3(包括無效水)。4.3土層儲水量的季節(jié)變化0～200cm土層儲水能力及儲水情況見表2和表3。若200cm以下土層儲水能力也按200cm土層一樣計算,使地下水位每上升1m可容納149.6mm(從田間持水量狀態(tài)上升為飽和持水量)。上述計算結果表明,地表至地表以下200cm土層儲水量變化具有明顯季節(jié)變化特征。根據平衡式(4),左邊土壤水總補給量包括降水補給(Ps)、潛水通過毛管作用補給(ε)和大氣凝結水(Cm),3種水量中,起決定性作用的是大氣降水。一般認為,土壤水在水分循環(huán)過程中,主要表現(xiàn)為明顯的季節(jié)變化,即在1年之內,土壤水不斷得到補給(Ps+ε+Cm)和消耗(蒸騰蒸發(fā)ET),在年際間也有一定變化,例如,多雨年土壤水儲量增加,少雨年減少,但變化較少,對于多年平均而言,ΣΔWsr/n→0。特別是在天然條件下,年內降雨量分布極不均勻,大致在夏季降雨最多,因而對土壤水的補給量就多,故夏季土壤水儲量最多;俗話說“春雨貴似油”,說明春季降雨最少,對土壤水的補給量也少,所以土層儲水量也少。表現(xiàn)出明顯的氣候氣象變化特征。5地下水形成資源集中分布和整理利用時,能源土壤水是地球水體的重要組成部