土壤水资源平衡的主要特征

土壤水资源平衡的主要特征

1土壤水分的垂直变化规律及分析土壤可以储存天然降水，满足作物生长对水的需求，这与水库的蓄水功能非常相似。因此，将耕地的深层土壤视为“土壤水库”。这是人们仿照地面水库而提出的一个新概念,它以土壤为蓄水库容,像地面水库那样蓄存一定的水量供人类利用。土壤像河槽、湖盆、水库和地下含水层一样,对水分具有调节作用,一般可将包气带土层看作一个“土壤水库”,其总库容由有效库容、重力库容和死库容组成。死库容是指植物生长期时,土壤对植物的供水达到凋萎点时的包气带土层所含水量及其分布空间;有效库容是指土壤水资源存贮、调蓄的空间。水分在土壤内存在的形态,一般有固态水、气态水和液态水3种不同的形态。固态水是土壤冻结后,水分在土粒间隙内变为冰晶的一种形态;气态水一般以水汽的形态存在于土壤孔隙之中;液态水主要存在于土粒的周围、接触点及毛管空隙之中。一般对植物根系吸收作用有重要意义的,主要是液态水。根据土粒对水分吸持能力的强弱,一般可将土壤中对作物生长有意义的水分,区分为两大类型:“土壤水库”垂直剖面水量的变化是指旱地农田土壤在自然环境及生产的条件下,由降水入渗、地表蒸发和根系吸收等多种作用力的综合影响,所表现出来的不同层次的水分变化特征。根据土壤水分垂直变化的特征,在旱地农田土体中,一般分为墒情活跃层、墒情缓变层和墒情基本稳定层。墒情活跃层。本层厚度一般自地表开始至地表以下50～60cm深处。这一层由于受大气影响很大,又是作物根系主要分布的层次,所以其水分运动及干湿变化十分活跃。墒情缓变层。本层一般在50～60cm以下至150～160cm之间,称为深墒。在年周期内,其湿度的干湿变化幅度一般仅在5%～10%以内,经常具有凋萎点以上的湿度。在作物生长后期及旱季干旱无雨时,这一层储存的水分是作物需水的重要保证。墒情基本稳定层。本层一般在120～160cm以下,在年周期内土壤水分含量可保持在田间持水量左右,干湿变化幅度在5%以下,它可直接为深根作物供水,也可向上层土壤输送水分,以补充其水分的消耗。因此,采取有效措施增加这一层的储水量,是改善土壤水分状况,稳定农业生产的有效途径。2土壤水资源的概念和特点2.1对最大蓄存量的影响土壤水资源是土壤层内经常参与陆地水分交换的水量,特别是根系带中能被植物利用并可恢复的水量。它表现为土壤水分不断补给与消耗的动态水量,与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,相当于土壤水库的“库容”,其大小取决于土壤类型。饱和含水量反映土壤最大蓄水能力。对于农作物而言,田间持水量可视为正常蓄水能力;凋萎含水量相当于“死库容”;田间持水量与凋萎含水量之差称为有效水分,它是土壤有效蓄水能力,相当于水库的“有效库容”,是植物能够利用的水量。土壤水资源通过“土壤水库”的调节而被植物连续地利用。土壤水的补给来源主要是大气降水、农田灌溉、地下水补给和大气中水汽的凝结,而其消耗主要是植物蒸腾和土壤蒸发。2.2土壤水为植物、土壤吸着水、薄膜水、毛管水、重力水①土壤水普遍存在于陆地表面的土壤中,具有分布的广泛性和连续性以及使其植物得以充分利用的独特特征。②土壤水特别是根系层的土壤水,不断得到降雨入渗和其他形式的水分补给,也经常被植物蒸腾利用和消耗于蒸发,具有更新快而又不断补给及排泄的动态特征。③土壤水包括吸着水、薄膜水、毛管水和重力水。吸着水和薄膜水难以被植物吸收,且数量不大。重力水在土壤中不可能长期滞留,它通过蒸发消耗,或下渗补给地下水,或转化为毛管水等。毛管水是土壤水的主要成分,数量大,是植物吸收利用的主要水源。④土壤水作为非饱和水体,为陆地植被(包括作物)的生长、发育创造了土壤生态环境。土壤水更新周期一般为1年,其变化过程与植物生长过程相适应。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转移。因此,土壤水资源是非重力水,虽然具有“液态”的特性,但尚不能作为开采资源加以利用和管理。⑥通过人工灌溉、排水和各种农业措施,调节和保护土壤水,使其有利于植被生长和农业生产的需要。3土层蓄积变量r在天然水状态下,土壤水分在循环过程中不断得到大气降水和凝结水的补给,又以植物蒸腾和土壤蒸发形式不断消耗;当土壤含水量超过田间持水量时,便以重力水的形式补给地下水;当蒸发使土壤含水量小于田间持水量,并且地下水埋深小于极限埋深时,又会从地下水得到补充。因而,在某一时段(ΔT)内,土壤水量的平衡方程为:ΔWSR=(P+ε+Cm)-(Ep+Rs+Pr+Ps+E+T)(1)因为P-Ep-Rs-Pr-Pe=Ps所以ΔWSR=(Ps+ε+Cm)-(E+T)(2)式中:ΔWSR为某一时段内土层蓄水变量,mm;P为降水量,mm;Ps为降水滞留在土壤中的水量,mm;ε为地下水通过毛细管输送到土壤中的水量,mm;Ep为雨期蒸发量,mm;Cm为大气中或表层土壤颗粒间的水汽,当气温降低时在土壤表层凝结的水量,mm;Pe为植物截流量,mm;Rs为降水产生的地面径流量,mm;Pr为降水入渗补给地下水量,mm;E为土壤蒸发量,mm;T为植物蒸腾量,mm。一般周期为1年,则在1年内土壤水分的总蓄水变量为:ΣΔWSR=Σ(Ps+ε+Cm)-Σ(E+T)(3)或Σ(Ps+ε+Cm)=Σ(E+T)+ΣΔWSR(4)式(4)左边为1年内土壤水总补给量,即土壤水资源量;右边为总消耗量与土层蓄水变量之和。采用分项实测或分析计算的方法,对式(4)左边或右边各项进行定量分析计算,就可求得本地区的土壤水资源量。4计算土壤含水量的函数4.1土壤水分的测定常用的方法有:重量百分率法;体积百分率法;以相对百分数表示土壤水的含量;以每公顷面积内一定土层的深度中土壤水分的体积(m3/hm2)表示土壤水的储量;以水层厚度(mm)表示土壤水分状况;以土壤吸力表示土壤水分的状态。从宏观上分析,土壤水最有意义的储量计算可分为两部分:一部分是以200cm深度为限度的作物根系带层;另一部分是根系带至地下水面之间的厚度层。从微观上分析,根据土壤水分分布规律,可将200cm土层再划分为0～20、20～60、60～100和100～200cm。按不同层次分别计算土壤含水量,计算公式为:Q=dhc(5)式中:Q为某土层储水量,mm;d为土壤容重,g/cm3;h为土层厚度,mm;c为土层含水百分率。根据华北平原沧州地区普查的259702个主剖面资料,按照不同土壤类型、土壤质地、土壤深度分别统计。在同一层次中,各种土壤质地分别取加权平均值,可统计出每种土壤质地的面积和厚度。按照不同土壤层次、质地,分多点次取样来测定田间持水量及饱和持水量。土壤含水百分率是1983～1987年常年定点观测的土壤自然含水量、休闲地和不同作物点次(28～48)的加权平均值。因土壤含水量是随时空动态变化量,所以计算数量时,需限定在某一时段内。一般可将计算时间分为4个阶段:雨量稀缺干旱的春季(5月下旬～6月上旬)、雨量丰富的夏季(8月份)、播种前后的秋季(9月下旬～10月上旬)和水分稳定的冬季(11月下旬～12月上旬)。根据4个阶段的年加权平均值,即可计算出各层不同季节的土壤含水量。按照土壤水分对作物的作用可分为有效水和无效水。有效水是指土壤含水量大于凋萎含水量至田间持水量之间的水量,对作物最有效;无效水是指凋萎湿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,会使作物永久性凋萎。每层土壤达到田间持水量时的状态,即为该土层土壤的最大储水能力。自然含水量与田间持水量之差值即为土壤水库的“空库容”。华北平原沧州地区土壤总面积为1155923.2hm2,其中滨海盐土、潮间盐土和碱土等共计12.3万hm2,这部分盐碱土的土壤水中溶解有大量的盐分,致使作物不能正常生长发育,是农作物不可利用的咸水。因此,在计算过程中把这部分水单独计算,作为不可利用水资源。其余的淡水和微咸水(2～3g/L)均为可利用的土壤水。4.2土壤水总储量计算根据4个季节和4个层次分别计算,其结果见表1。再按照季节把各层次加起来,即为该季全地区土壤水总储量。计算结果表明,4个季节的可利用土壤水储量分别为648740.7万m3、691490.7万m3、676528.2万m3和662247.0万m3(包括无效水)。4.3土层储水量的季节变化0～200cm土层储水能力及储水情况见表2和表3。若200cm以下土层储水能力也按200cm土层一样计算,使地下水位每上升1m可容纳149.6mm(从田间持水量状态上升为饱和持水量)。上述计算结果表明,地表至地表以下200cm土层储水量变化具有明显季节变化特征。根据平衡式(4),左边土壤水总补给量包括降水补给(Ps)、潜水通过毛管作用补给(ε)和大气凝结水(Cm),3种水量中,起决定性作用的是大气降水。一般认为,土壤水在水分循环过程中,主要表现为明显的季节变化,即在1年之内,土壤水不断得到补给(Ps+ε+Cm)和消耗(蒸腾蒸发ET),在年际间也有一定变化,例如,多雨年土壤水储量增加,少雨年减少,但变化较少,对于多年平均而言,ΣΔWsr/n→0。特别是在天然条件下,年内降雨量分布极不均匀,大致在夏季降雨最多,因而对土壤水的补给量就多,故夏季土壤水储量最多;俗话说“春雨贵似油”,说明春季降雨最少,对土壤水的补给量也少,所以土层储水量也少。表现出明显的气候气象变化特征。5地下水形成资源集中分布和整理利用时,能源土壤水是地球水体的重要组成部