SPAC系統中的傳輸水分調控

(揚州大學水利能源與動力工程學院 江蘇 揚州 225000)

引言

土壤一植物一大氣連續體(soil-plant-atmospherecontinuum,SPAC)最早是上世紀六十年代由澳大利亞著名土壤水文物理學家菲利浦提出的研究SPAC中的傳輸水分調控問題，對于優化植物質量，提高水分吸收和利用效率有重要意義。對土壤水的補充和利用有積極的影響，對大氣，相關生態環境中水分變化均有正面影響。隨著這一研究的逐漸深入，成果的不斷豐碩，農業，生態，環境等方面也會隨之取得更大的進步。與此同時，由于我們對SPAC系統的深入了解，植物和農作物的生長狀況和內部環境我們將有全新的認知，由此而發展的新興課題和研究也是值得期待的。關于水分傳輸的研究，我國于上世紀八十年代才開始起步，雖然相對于美，英等國家來說我們的整體水平相差較大，但是近些年來，隨著我國在這方面的科研力度的加大，我們正在邁向一個全新的階段。

一、三個界面之間的傳輸水分調控

SPAC系統中水分傳輸涉及到三個界面：土壤-大氣界面，土壤-根系界面，冠層-大氣界面。針對不同界面的水分傳輸調控有不同的具體方法。

1.土壤一大氣界面調控

土壤-大氣界面水分調控的主要目標是降低上層土壤的無效蒸發。大量實驗數據表明土壤-大氣界面的水分蒸發占SPAC系統中總蒸散量的20%-40%，這部分的蒸發損失通常被認為是無效蒸發。減少該界面的水分損失主要是要減少田間棵間無效蒸發.主要方法有(1)改變土壤表面特性以減少水分上下傳輸：例如通過鋤劃松土，隔斷土壤毛細管聯系，從而減少水分蒸發。也可以通過耱地鎮壓等方法使表層土壤細碎，這部分土壤很快干燥之后會覆蓋在田地表面，減少下層大孔隙水分蒸發。(2)降低土壤表面接受的輻射能量。通常作物不同，地面接受輻射能量程度不同，種植冠層較大的植物或者減小行間距也可減少棵間蒸發。(3)覆蓋措施較小蒸散發。覆蓋措施分為地膜覆蓋和秸稈覆蓋，近些年秸稈覆蓋發展狀況較為良好。秸稈覆蓋不僅可以減少燃燒秸稈帶來的環境污染，在田間覆蓋方面，秸稈更為環保安全，不僅能夠減少土壤表面蒸發，改善土壤物理性質，還可以減小雨水濺蝕，緩解流速和減少坡面徑流。

2.根一土界面調控

這一界面水分調控的主要目的是提高植物根系的吸水能力從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決定。根-土界面水分調控的途徑主要是改善土壤中的根系，使其合理分布；增強根系吸水活力。

影響土壤根系生長與分布的因素是非單一的，除去遺傳因素外，土壤的水分含量，養分種類及含量，土壤的類型和質地，地理環境等都是必須要考慮的因素。根系分布調控主要是通過耕作栽培技術來調整改善根系的生長環境，促使根系朝更適宜的方向生長。長期以來的經驗認為，深耕有利于促進植物根系的深扎，更便于吸收土層深處水分。根長和根系密度是限制根系吸收水分效率的關鍵因素，實驗也表明深耕有利于根系的伸長和延展，由此促進根系對土壤儲水的高效利用。根系的粗壯有利于擴大根-土界面的傳輸通道，普通農業中，合理利用養料有利于根系的生長，更加高效的利用水分，因此植物的生長狀況和水分的利用狀況是相輔相成的狀態。

3.冠層一大氣界面調控

冠層一大氣界面水分調控的主要是要將植物的蒸騰效率提高，一般有兩種途徑，一是在合適范圍內控制水分供應，降低葉片無效蒸騰;二是使蒸騰耗水形成的生物量盡可能高效的轉化為作物經濟產量，在不增加作物耗水量的前提下，提高收獲指數，增加作物經濟產量，從而充分提高植物水分利用效率。農業中東西走向的植物種植比南北走向的植物種植效益更加顯著，這是因為沿東西方向種植的作物吸收的陽光更充足，光合作用效率更高。葉片相比于南北方向種植的總面積更大。

二、影響水分運行的主要因素

1．水流阻力

土壤植物大氣連續體中的水流阻力一般分為土根接觸阻力、土壤阻力、根系傳導阻力、莖葉傳導阻力、根系吸收阻力、氣孔擴散阻力和邊界層擴散阻力等。土壤植物大氣連續體中的水流阻力主要在水分進入植物根系和離開植物葉片這兩個環節中發生。根系吸收阻力、氣孔擴散阻力是影響液態水流和氣態水擴散速率的主要因素，二者的最大速率需要根據植物本身性質決定，在土壤含水量不高時土一根接觸阻力與根系吸收阻力可以達到同一量級，最大時可以達到土一根總阻力的70%以上，土壤阻力和植物內部的傳導阻力相對較小，相對來說影響較小。充分了解各種水流阻力，能夠更好的運用植物自身的特性來調控水分，提高對水的利用效率。

2．水容

一般認為在SPAC中由勢梯度和水流阻力確定水分運行的速率。但是，當SPAC中的水流變為瞬時狀態時，水容則變為主要影響因素。水容作為SPAC中的一種量度，反應的是土壤植物系統中儲水和放水能力在SPAC系統中平均水容為5.2X107m3/MPa-1，在SPAC系統水容的各個分量中，土壤的儲放水能力最大，隨土壤水勢的變化大，因此水容最大。植物體中的水容幾乎與整個土壤一植物系統中的水容相等。在水分調控中，土壤中的水分相對較易調控，效果明顯，而植物體系中的水分調控相對較難，也更難直接看到影響。

3．滯后效應

在SPAC系統中存在著不飽和流，尤其是土壤-植物系統之間存在著不飽和流，其中包括很多的干濕交疊過程，這就必須要考慮到系統中具有水力學特性的滯后效應。因為滯后效應分析的復雜性，一般在研究水分運行時很少考慮滯后效應。但是滯后對入滲，排水過程中的含水量分布還是有顯著影響的，一般認為滯后現象會增加地下水的出流速度，進而增大地表徑流量。

結語

研究SPAC系統中的水分調控，不僅可以高效的利用系統中的水分，更重要的是能夠通過不斷深入的研究將SPAC系統的作用發揮到最大，在SPAC系統的研究中涉及到眾多不同學科的知識，除了水分傳輸這一方面外，還有專家學者研究了SPAC系統中的質能傳輸問題，并且研究出一系列的相關模型，例如SPAC系統的土壤水動力學模型、SPAC系統的作物騰發量模型、若蓋爾濕地SPAC模型等。另外，同位素法在水分運行方面的研究作用也是顯而易見的。在這個科技迅速發展的時代，SPAC提出初期時代在物理、數學、生物以及很多相關領域的問題都會迎刃而解，隨著科技的發展，我們會建立更多更貼切和真實的模型，得到更精確的實驗結果。在SPAC概念提出至今的六十多年里，世界各國的資深學者已經取得了有效的研究成果，雖然我國起步相對更晚，但是在我國學者的不懈努力下，我們也會研究出更適應我的國情和發展的成果和理論。