SPAC系统中的传输水分调控

(扬州大学水利能源与动力工程学院 江苏 扬州 225000)

引言

土壤一植物一大气连续体(soil-plant-atmospherecontinuum,SPAC)最早是上世纪六十年代由澳大利亚著名土壤水文物理学家菲利浦提出的研究SPAC中的传输水分调控问题，对于优化植物质量，提高水分吸收和利用效率有重要意义。对土壤水的补充和利用有积极的影响，对大气，相关生态环境中水分变化均有正面影响。随着这一研究的逐渐深入，成果的不断丰硕，农业，生态，环境等方面也会随之取得更大的进步。与此同时，由于我们对SPAC系统的深入了解，植物和农作物的生长状况和内部环境我们将有全新的认知，由此而发展的新兴课题和研究也是值得期待的。关于水分传输的研究，我国于上世纪八十年代才开始起步，虽然相对于美，英等国家来说我们的整体水平相差较大，但是近些年来，随着我国在这方面的科研力度的加大，我们正在迈向一个全新的阶段。

一、三个界面之间的传输水分调控

SPAC系统中水分传输涉及到三个界面：土壤-大气界面，土壤-根系界面，冠层-大气界面。针对不同界面的水分传输调控有不同的具体方法。

1.土壤一大气界面调控

土壤-大气界面水分调控的主要目标是降低上层土壤的无效蒸发。大量实验数据表明土壤-大气界面的水分蒸发占SPAC系统中总蒸散量的20%-40%，这部分的蒸发损失通常被认为是无效蒸发。减少该界面的水分损失主要是要减少田间棵间无效蒸发.主要方法有(1)改变土壤表面特性以减少水分上下传输：例如通过锄划松土，隔断土壤毛细管联系，从而减少水分蒸发。也可以通过耱地镇压等方法使表层土壤细碎，这部分土壤很快干燥之后会覆盖在田地表面，减少下层大孔隙水分蒸发。(2)降低土壤表面接受的辐射能量。通常作物不同，地面接受辐射能量程度不同，种植冠层较大的植物或者减小行间距也可减少棵间蒸发。(3)覆盖措施较小蒸散发。覆盖措施分为地膜覆盖和秸秆覆盖，近些年秸秆覆盖发展状况较为良好。秸秆覆盖不仅可以减少燃烧秸秆带来的环境污染，在田间覆盖方面，秸秆更为环保安全，不仅能够减少土壤表面蒸发，改善土壤物理性质，还可以减小雨水溅蚀，缓解流速和减少坡面径流。

2.根一土界面调控

这一界面水分调控的主要目的是提高植物根系的吸水能力从而充分的利用土壤水根系吸水能力主要由植物根系分布和吸水活力决定。根-土界面水分调控的途径主要是改善土壤中的根系，使其合理分布；增强根系吸水活力。

影响土壤根系生长与分布的因素是非单一的，除去遗传因素外，土壤的水分含量，养分种类及含量，土壤的类型和质地，地理环境等都是必须要考虑的因素。根系分布调控主要是通过耕作栽培技术来调整改善根系的生长环境，促使根系朝更适宜的方向生长。长期以来的经验认为，深耕有利于促进植物根系的深扎，更便于吸收土层深处水分。根长和根系密度是限制根系吸收水分效率的关键因素，实验也表明深耕有利于根系的伸长和延展，由此促进根系对土壤储水的高效利用。根系的粗壮有利于扩大根-土界面的传输通道，普通农业中，合理利用养料有利于根系的生长，更加高效的利用水分，因此植物的生长状况和水分的利用状况是相辅相成的状态。

3.冠层一大气界面调控

冠层一大气界面水分调控的主要是要将植物的蒸腾效率提高，一般有两种途径，一是在合适范围内控制水分供应，降低叶片无效蒸腾;二是使蒸腾耗水形成的生物量尽可能高效的转化为作物经济产量，在不增加作物耗水量的前提下，提高收获指数，增加作物经济产量，从而充分提高植物水分利用效率。农业中东西走向的植物种植比南北走向的植物种植效益更加显著，这是因为沿东西方向种植的作物吸收的阳光更充足，光合作用效率更高。叶片相比于南北方向种植的总面积更大。

二、影响水分运行的主要因素

1．水流阻力

土壤植物大气连续体中的水流阻力一般分为土根接触阻力、土壤阻力、根系传导阻力、茎叶传导阻力、根系吸收阻力、气孔扩散阻力和边界层扩散阻力等。土壤植物大气连续体中的水流阻力主要在水分进入植物根系和离开植物叶片这两个环节中发生。根系吸收阻力、气孔扩散阻力是影响液态水流和气态水扩散速率的主要因素，二者的最大速率需要根据植物本身性质决定，在土壤含水量不高时土一根接触阻力与根系吸收阻力可以达到同一量级，最大时可以达到土一根总阻力的70%以上，土壤阻力和植物内部的传导阻力相对较小，相对来说影响较小。充分了解各种水流阻力，能够更好的运用植物自身的特性来调控水分，提高对水的利用效率。

2．水容

一般认为在SPAC中由势梯度和水流阻力确定水分运行的速率。但是，当SPAC中的水流变为瞬时状态时，水容则变为主要影响因素。水容作为SPAC中的一种量度，反应的是土壤植物系统中储水和放水能力在SPAC系统中平均水容为5.2X107m3/MPa-1，在SPAC系统水容的各个分量中，土壤的储放水能力最大，随土壤水势的变化大，因此水容最大。植物体中的水容几乎与整个土壤一植物系统中的水容相等。在水分调控中，土壤中的水分相对较易调控，效果明显，而植物体系中的水分调控相对较难，也更难直接看到影响。

3．滞后效应

在SPAC系统中存在着不饱和流，尤其是土壤-植物系统之间存在着不饱和流，其中包括很多的干湿交叠过程，这就必须要考虑到系统中具有水力学特性的滞后效应。因为滞后效应分析的复杂性，一般在研究水分运行时很少考虑滞后效应。但是滞后对入渗，排水过程中的含水量分布还是有显著影响的，一般认为滞后现象会增加地下水的出流速度，进而增大地表径流量。

结语

研究SPAC系统中的水分调控，不仅可以高效的利用系统中的水分，更重要的是能够通过不断深入的研究将SPAC系统的作用发挥到最大，在SPAC系统的研究中涉及到众多不同学科的知识，除了水分传输这一方面外，还有专家学者研究了SPAC系统中的质能传输问题，并且研究出一系列的相关模型，例如SPAC系统的土壤水动力学模型、SPAC系统的作物腾发量模型、若盖尔湿地SPAC模型等。另外，同位素法在水分运行方面的研究作用也是显而易见的。在这个科技迅速发展的时代，SPAC提出初期时代在物理、数学、生物以及很多相关领域的问题都会迎刃而解，随着科技的发展，我们会建立更多更贴切和真实的模型，得到更精确的实验结果。在SPAC概念提出至今的六十多年里，世界各国的资深学者已经取得了有效的研究成果，虽然我国起步相对更晚，但是在我国学者的不懈努力下，我们也会研究出更适应我的国情和发展的成果和理论。