半干旱黄土丘陵区土壤水分动态变化研究综述_黄肖勇

第30卷第3期 农业科学研究2009年9月 Vol.30No.3 JournalofAgriculturalSciencesSep.2009

文章编号:1673-0747(2009)03-0069-04

半干旱黄土丘陵区土壤水分动态变化研究综述黄肖勇1,李生宝2(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021; 2.宁夏农林科学院,宁夏银川 750002)

摘 要:水分是黄土高原地区植被恢复与重建的重要限制因子,由于半干旱黄土丘陵区的土壤水分供给的有限性,使它成为植物生长和生存的限制性因素.因而,对土壤水分的研究具有十分重要的意义.从土壤水分的测试技术和土壤水分的动态变化研究方面进行综述,并且阐述了水分有效性的研究进展,为进一步研究提供依据.关键词:土壤水分;半干旱黄土丘陵区;动态特征;土壤水分有效性中图分类号:S152.7 文献标志码:A

半干旱黄土高原地区生态环境十分脆弱,制约黄土高原丘陵地区植被恢复与重建的关键性因子是水分.黄土高原大部分地区地下水埋藏较深,植被生长过程中水分的补给主要来自降水.但黄土高原丘陵区大部分地处干旱半干旱地区,气候类型属于温带大陆性季风气候,地貌类型复杂多样,年降水总量较少且多集中在7)9月份,使得在不同立地条件下土壤贮水量与地上群落组成间存在着显著差异.因此,合理有效地利用黄土高原地区有限的水资源是该地区进行林草建设的关键所在[1-3].1 土壤水分测试技术土壤含水量的测定方法中经典的烘干法(恒温烘箱法)是国际上公认的标准方法.烘干法测量的时间比较长,对土壤有一定的破坏性,而且不便于长期定点连续监测.且测试耗时较长,不利于对试样进行连续动态观测.因此,在进行土壤含水量动态测定时受到限制.从1963年起,中子法开始应用于水文领域的土壤水分定量化研究[1,3-5].中子仪克服了烘干法的一些缺点,可以实现野外的定点连续观测,但中子仪存在潜在的辐射性,在对表层土壤和有机质含量高的土壤含水量时土壤水分进行测定时误差较大.时域反射仪(TDR)在1980年由TOPP设计制造的[2,4].TDR克服了中子仪的若干缺点,它测定的精度较高,无放射性且适于长期定点观测.目前TDR价格仍较高,随着科研投入的逐渐增加,TDR在我国科研中的使用将越来越广.频域反射仪(FDR)测定的精度较高,具有快速、准确、连续测定的优点,不扰动土壤,能自动监测土壤水分及其变化.FDR优点是耐用,价格便宜,无放射性;缺点是在野外土壤水分监测应用中因土壤类型不同而需要标定,较为费时费力.但FDR良好的性能和低廉的价格使它在土壤水分测定中越来越受到青睐,有取代TDR的趋势[6].此外,遥感技术也已开始广泛应用于土壤水分研究[7].遥感监测土壤水分的可行性研究在20世纪60年代就已经开始,而应用研究也在20世纪70年代中期开展起来.国内开展土壤水分遥感监测实验是从20世纪80年代中期才开始起步.遥感方法和理论依据就是建立在遥感参数和土壤水分之间的相互关系上,通过记录土壤反射特定波段的发射率或者土壤的发射率来迅速地分析和获取土壤水分数据.遥感手段还能解决传统方法不能很好解决的土壤水分的空间分布和时间变化制图.与传统的土壤水分监测方法相比,飞速发展的遥感技术手段监测土壤水分具有许多不可替代的优势,包括快速、实时、长时期动态大区域监测以及良好的时间空间分辨率.因此利用遥感手段已成为监测大

收稿日期:2009-02-23基金项目:国家/十一五0科技支撑计划重大项目(2006BAC01A07)作者简介:黄肖勇(1982-),男(回族),河南长葛人,硕士研究生,主要从事草业生态、资源与环境方面的研究.通信作者:李生宝(1958-),男,宁夏石嘴山人,研究员,硕士生导师,主要从事黄土高原生态农业及水土保持方面的研究,E-mail:nxnlkxylsp.hi@163.com区域范围内土壤水分时空分布和变化的主要方法[8].纵观国内外遥感信息预测土壤水分研究进展,其主要方法有:热惯量法,作物缺水指数法,微波遥感法,植被指数法,数据同化法等[8-11].利用遥感技术可以实现实时、快速、长时期大面积区域动态监测土壤水分,但对深层的土壤水分测定遥感技术有待于研究.其次,尽可能地利用多时相遥感资料来表达地表特征信息.多种遥感技术的联合应用以及与地面技术的结合是目前遥感技术的主要方向[6,10-11].2 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[1-3,6],而土壤水的水分物理特性制约着植物对水分的有效利用[12].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该区土壤水分研究的重点之一.2.1 土壤水分时间变化研究据降水情况,可粗略地将1年分为雨季和旱季.据土壤水分研究资料表明,雨季前土壤含水量一般较低,随着雨季的到来,土壤含水量逐步增加并在一段时期内相对稳定在一个较高的水平,接着降水量减少而进入旱季.雨季结束后,土壤水分也随之减少并在一段时期内相对稳定在一个较低的水平.由于不同地区的降水量和降水季节分布情况各异,导致不同干旱半干旱地区土壤水分季节变化不尽相同,且植物的生长具有季节性,随着季节变化,植物对土壤水分的利用率和地表的植被覆盖情况随之变化,进而对土壤含水量也产生一定影响.杨文治等在对黄土高原土壤水分状况的研究后表明,黄土高原旱塬土壤水分季节性可划分为:冬春上层土壤缓慢蒸发期,晚春初夏土壤干湿交替期,雨季水分恢复和下淋期,秋末冬初水分上移蒸发消耗期4个时期[13].在对黄土高原地区土壤水分动态特征进行研究后,韩仕峰等[14-15]认为:高原北部和西部土壤墒情恢复时间接近与农作物生长同步,对提高降水利用率有利;土壤失墒主要分布在2个时期,9)12月份为丰水失水期,3)7月份为亏缺失水期.但由于研究的地点和植被类型不同,时段的划分有所差异,如张学龙,车克钧等[16]将祁连山寺隆林区土壤水分季节动态划分为消耗期(5月初至6月中旬)、积累期(6月中旬至7月底)、消退期(8月初至9月底)、稳定期(10月至翌年4月).而余新晓等将黄土地区防护林下的土壤水分季节动态划分为消耗期(3月中旬至6月底)、积累期(7月初到8月底)、消退期(9月初到10月底)、稳定期(11月初到翌年3月上旬)[17-21].总之,土壤水分季节性变化受该地区降水的强烈影响.从总趋势上看,土壤水分季节性变化与当地气候的季节性变化,尤其是降水的季节性变化规律是基本一致的.2.2 土壤水分垂直变化研究在土壤垂直剖面上,上层土壤受外界环境影响大,随着深度的增加土壤所受的环境影响减弱.一般来讲,随深度的增加,土层平均含水量的变化幅度减少.虽然目前土壤水分垂直分层方法不一致,但对于上层土壤水分变化幅度大于下层的研究结论是一致的.张万儒(1990)的研究表明,黄土高原不同人工植被生态系统土壤水分含量的垂直变化可分为4个层次,即土壤水分含量速变层、土壤水分含量活跃层、土壤水分含量次活跃层和土壤水分含量相对稳定层[22-24].也有根据植物对土壤水分利用情况对土壤进行分层的,张学龙等(1998)对林地土壤水分等利用的程度把林地土壤分为:弱利用层(0~10cm)、利用层(10~60cm)和水分调节层[16].不同降水情况下,土壤水分垂直分布规律的研究有:张兴昌等经过8年长期坡耕地土壤水分研究表明,坡耕地土壤水分的垂直变化规律主要有以下特征:¹在干旱季节,0~200cm土层水分上下差异不明显,土壤湿度剖面比较均一,几乎无水分梯度变化.º在丰水年雨季后,土壤湿度变化一致[25].王军等根据连续2年土壤水分垂直方向相关性研究和动态预报土壤水分的定点观测数据,对黄土丘陵区不同土地利用类型及其结构与土壤水分的时空关系进行了分析.结果表明,在欠水年,土地利用间土壤水分的差异显著,而在丰水年,土地利用间土壤水分的差异不显著.并且表明土壤水分年内季节变化呈现出三峰三谷,垂直梯度变化可归纳为增长型、降低型和波动型[26].胡良军等(2002)的测定结果显示:黄土高原全区天然草被土壤水分在垂直方向上有着相似的分布特征.由于近地表土层是降水、土壤水、热量、生物利用的一个交换面(作用面),受上述因素的直接影响强烈,故其土壤水分的变动较大;而下部土层则主要受上述因素的间接和缓慢影响,同时天然草被的水分利用较弱,使上层的过剩水分能够不断地向下层土体补充,结果表现出递增的现象.据此,以距地表70cm处将黄土高原天然草被土壤水分在垂直方向上的分布划分为2个层次,即速变层(0~70cm)和积累层(70cm)以下[27].

70农业科学研究 第30卷 3 土壤水分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,有效水的含量及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黄土区水资源状况估算的核心问题,是黄土区自然资源可持续发展的前提[28].但由于对土壤水分有效性一直未曾有严格的概念予以定义,其研究方法和评判标准也互不相同,因而土壤水分有效性一直是土壤物理学及相关学科所关注和争论的主要问题之一[29].关于土壤水分对半干旱地区植物的有效性问题,早期形成的观点以Veihmeyer和Hendrickson等为代表的等效说和以Richards,Wedleigh等人为代表的非等效说[30].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形下降[31].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,以便能涉及到可能影响土壤)植物)大气连续体系的水分状况的各种因素.相反的,他们试图从特定的、有时是在不明确的条件下进行的数量有限的实验组合中抽出普遍的结论[32].但是土壤水分和植物生长间究竟是种什么关系,这是一个很复杂的问题,因为植物对水分的反应,除与土壤本身的含水量有关外,还与土壤特性、作物生长习性、生育阶段以及气象条件有关.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.刘增文等(1990)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[33].张小泉等(1994)认为比水容(单位水势变化时土壤吸入或释放出的水量)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[34].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.由于植物根系吸收的水分都是土壤中以液态水形式存在的水分,故土壤水分的有效性在很大程度上决定着作物产量的丰欠程度.根据土壤水分有效性规律,