第1 章 绪论
土壤水及土壤水资源研究的意义
土壤水是地表水与地下水相互联系的纽带 在水资源的形成、转化与消耗过
程中 具有不可或缺的作用土壤水的数量、质量及其运动转化状态不仅与水文
水资源密切联系而且与农业气象密不可分 在水文水资源方面: 土壤水作为
“四水” (或“五水”) 转化过程中的中间环节 其数量的多少和运移状况 一方
面 直接关系着大气降水的下渗和径流性水资源的动态转化 影响着区域土壤和
植被的蒸发蒸腾进而全面影响陆域水分的收支另一方面 作为区域/ 流域水
分支出重要构成要素之一的土壤水的蒸发蒸腾消耗又通过积极参与大气与地
表、土壤层的热交换 影响着陆域的能量平衡 进而反作用于水量平衡 从而对
水循环产生间接影响在农业生产方面 土壤水作为土壤的有机构成要素之一ꎬ
不仅影响着土壤的物理性质 制约着土壤中养分和溶质的溶解、转移及微生物
的活动 而且作为陆面生态系统最直接的水分源泉关系着陆域农作物和植被
的长势 影响着区域农作物种植结构和灌溉制度其数量和空间分布与农业干
旱程度与状况密切相关(王浩和杨贵羽 ２００９)由此可见土壤水在水资源
领域、农业生产和生态环境领域均具有极为重要的作用长期以来发挥着极为
重要的资源作用 因此 面对全球气候变化和高强度人类活动影响下径流性水
资源匮乏程度的日益加剧 以及生态环境的恶化 使得从资源角度认识土壤
水 从水量收支角度加强土壤水资源管理将成为更深层水资源管理不容忽视的
重要内容之一
与此同时 随着科学技术的发展 人类开发利用水资源的能力进一步增强ꎬ
水资源的内涵不断丰富 １９８８ 年联合国教科文组织(ＵＮＥＳＣＯ) 和世界气象组织
(ＷＭＯ) 给出水资源的概念是: 人类长期生存、生活和生产活动中所需要的既有
数量要求又有质量要求 并为适应特定地区的水需求而能长期供应的水源 包括
地表水、地下水、土壤水、冰川水和大气水 “从自然资源的观念出发 与人类
生产与生活有关的天然水源” 均可作为水资源(刘昌明 ２００１) 以及水圈中的
任何水对人类都有着直接或者间接的利用价值 都可以视为水资源等有关水概念 Ｆａｌｋｅｎｍａｒｋ (１９９５) 开展的“绿水” 资源研究等 都已从不同角度体现了
土壤水的资源特性和土壤水应属于水资源的范畴
尽管土壤水分自身时空变化的复杂性使得从区域、大尺度角度探讨土壤水的
难度较大 但是 随着遥测遥感空间技术和大型计算机技术“３Ｓ” 技术(即ＲＳ
技术、ＧＩＳ 技术和ＥＳ 技术) 和分布式水文模型等科学技术的发展 均为从区域
大尺度(区域尺度) 开展土壤水资源研究提供了强有力的工具此 从水资
源的概念和土壤水分动态转化的定量化技术工具方面均为开展宏观尺度土壤水资
源研究奠定了基础
总之 面对我国径流性水资源匮乏程度日益严重、生态环境恶化、干旱频发
等现实情势分利用先进的监测计算工具 精确了解土壤水分的动态转化状
况、加强对土壤水资源特性的研究不仅必要而且可能 ２００２ 年８ 月２９ 日第九届
全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过的«中华人民共和国水法»
指出: “水资源包括地表水和地下水” 仍未能全面反映可持续发展不同层面需
求的现实
为此 本书针对迫切的现实需求和土壤水的资源特点 通过总结大量相关研究
成果和有关土壤水在动态转化中的特点 从其对生产、生活和生态中所发挥的作用
三方面 系统梳理土壤水的资源特性、土壤水资源的概念以及相关评价成果后 结
合土壤水分在生产建设和生态保护方面的作用 立足于水资源的“有效性、可控性
和可持续性” 三大属性 在理论上重新定义了土壤水资源 构建了土壤水资源评价
指标体系 并结合土壤水库的补给与消耗特点 提出并推导了土壤水资源数量和消
耗转化的评价准则和界定方法 在此理论基础上 以地面监测数据、ＲＳ/ ＧＩＳ 以及
分布式水文模型等先进技术为工具 对黄河流域、海河流域以及松花江流域的土壤
水资源数量和动态转化特性进行了初步评价 最后 立足于更深层的水资源需求管
理———耗水管理的发展趋势和农业水循环原理 结合我国水土资源特点 探讨了我
国土壤水资源调控的策略和调控方向
１ ２ 土壤水的研究现状和发展趋势
土壤水不仅参与水循环过程 而且是整个大气、植被、地表、地下水等各水
循环环节的重要纽带 同时 作为农作物生长、生态环境健康发展最直接的水分
源泉 土壤水与粮食生产和生态环境保护直接相关 因此 长期以来土壤水一直
在生产和生活中发挥着极为重要的作用 受到农业、生态和水资源等众多领域的
广泛关注 然而 由于土壤水的复杂性 因此相关研究的进展较为缓慢 且直到
１９０７ 年土壤水毛管势提出后 土壤水研究才从早期的定性描述性研究转向定量资源分析研究 而快速发展阶段始于２０ 世纪５０ 年代 纵观土壤水的研究可集中的概
括为以下四方面: 土壤水运动机理的研究 不同时空尺度下土壤水分监测方法和
监测手段的研究 土壤水分动态转化的定量化方法研究 基于水资源特性开展的
土壤水资源研究
１２１ 土壤水运动机理的研究
土壤水运动机理的定量研究主要集中于以土壤水系统为对象的研究、土壤水
与其相关子系统作用关系的研究两方面
以土壤水系统为对象的研究 按照研究进程分为两个阶段 即以形态学观点
占主导的阶段和以能态学观点占主导的阶段 以形态学观点占主导的阶段主要出
现在１８ 世纪３０ 年代之前 是从土壤水存在、运动的表观现象对其进行的定性描
述 之后 由于形态学的观点不能完全从机理的角度说明土壤水的运动转化行
为 一些研究者致力于能态学观点的土壤水运动机理的探讨 对于以能态学为主
导的土壤水运动机理的定量研究是以１９３１ 年Ｒｉｃｈａｒｄｓ 提出的非饱和流基本方程
为基础 是从水分运动的能量驱动角度开展的 Ｒｉｃｈａｒｄｓ 非饱和流基本方程
(Ｒｉｃｈａｒｄｓ １９３１) 为从机理上认识土壤水的运动奠定了坚实的基础 使得土壤水
的研究逐步由静态走向动态 从定性走向定量 特别是２０ 世纪８０ 年代以来 随
着测试手段和计算机应用技术的发展 以及学科间的相互渗透 土壤水分的研究
由经验到理论 由定性到定量发生了质的转变 国内外众多的研究者从能量角度
对土壤水进行了系统的分析 并涌现出大量有关土壤水定量分析的专著 如Ｓｏｉｌ
Ｗａｔｅｒ ( Ｎｉｅｌｓｅｎ ｅｔ ａｌ １９７２)、Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
(Ｈｉｌｌｅｌ １９７１)、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ (Ｈｉｌｌｅｌ １９８０)、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｓｏｉｌ Ｗａｔｅｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ (Ｈｉｌｌｅｌ １９８７)、«土壤水动力学» (雷志栋等 １９８８) 等
这也为相关应用学科的发展奠定了坚实的理论基础
与此同时 土壤水与各相关子系统间的作用关系研究也得到了发展 Ｐｈｉｌｉｐ
于１９６６ 年提出了较为完整的土壤－ 植被－ 大气系统( ｓｏｉｌ￣ｐｌａｎｔ￣ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＳＰＡＣ) 概念 将土壤水运动的研究范围由非饱和土壤水子系统扩展
到土壤－植被以及大气系统 他认为尽管介质不同 界面不一 但在物理上都是
一个统一的连续体 水在该系统中的流动过程就像连环一样 相互衔接 而且完
全可以应用统一的能量指标加以表述 这使土壤水的研究空间得以扩展 由对单
一的土壤系统的研究转向土壤、植被和大气等相关水循环子系统间相互作用关系
探讨的基础(Ｐｈｉｌｉｐ １９６６) 在这些方面 我国也得到迅速发展 １９８３ 年谭孝
元首次在国内提出了ＳＰＡＣ 水分传输的电模拟方程式以及流经ＳＰＡＣ 系统的水分
通量数学模型 邵明安等(１９８６) 利用此原理 定量分析了ＳＰＡＣ 系统中水流的阻力 １９９６ 年张蔚榛在总结土壤水和地下水相互作用关系研究成果的基础上ꎬ
出版了«地下水与土壤水动力学» 康绍忠等(１９９２) 在对ＳＰＡＣ 系统水分传输
机理研究的基础上 提出了包括作物根区土壤水动态模拟、作物根系吸水模拟和
蒸发蒸腾模拟３ 个子系统组成的ＳＰＡＣ 系统水分传输的动态模拟模型 荆恩春等
(１９９４) 通过试验分析了土壤水的运动行为 但是 由于水分在ＳＰＡＣ 系统中各
环节运动和变化的物理机制还存在许多不清楚的地方 如干土层和大气中的水分
扩散 液态水到气态水的相变 土面蒸发和叶面蒸腾等原理并不十分清楚 因
而 目前有关ＳＰＡＣ 系统中不同环节更细的研究尚处于半经验半理论阶段 仍有
较长的路需要探索
在此期间 为进一步认识土壤水在系统间的相互转化机理 还有一些研究
者 立足于土壤水运移理论 从土壤水作为影响因素和土壤水作为被影响因素两
方面开展了大量的研究 相继提出了土壤水溶质运移(史海滨和陈亚新 １９９３ꎻ
杨金忠和叶自桐 １９９４ 李韵珠和李保国 １９９８)、土壤水与作物关系(邵明安ꎬ
１９８７ 邵明安和Ｓｉｎｍｏｎｄｓ １９９２ 尚松浩等 １９９７ 郭群善等 １９９７)、土壤水
热运动(胡和平等 １９９２ 杨邦杰和隋红建 １９９７)、土壤水分运动参数的确定
(Ｂｕｉｄｉｎｅ １９５３ Ｇａｒｄｅｎ １９５６ １９７０ Ｗｉｎｄ １９６８ Ｍｕａｌｅｍ １９７６ 邵明安ꎬ
１９９１ 许迪 １９９６) 等理论 尽管这些方面的研究日臻完善 以上众多有关土壤
水运动的研究为从机理上认识土壤水的动态转化特性奠定了坚实的基础 也为宏
观尺度上开展相关研究和应用提供了支撑 但是由于研究区域的扩大以及土壤水
空间变异性较大等特点 因此有关土壤水的研究仍有较多的方向需要探索 为合
理实施水土保持 改善流域/ 区域的水土流失状况 目前针对特定土壤、特定区
域和用水结构条件下的ＳＰＡＣ 系统中土壤水运动机理成为又一重要研究方面(邵
明安 等 １９９９ 陈洪松和邵明安 ２００３)
１ ２ ２ 不同时空尺度下土壤水监测方法和监测手段研究
土壤水监测是开展土壤水运动机理研究和定量分析的前提 随着土壤水研究
范围、研究深度的逐渐扩大 不同空间尺度上土壤水监测的研究相继问世 目前
相关的研究集中于以下两大方面 即田间和实验室等中小尺度的研究 结合遥感
遥测反演方法及技术的宏观大尺度研究
１) 田间和实验室尺度土壤水监测方法研究
田间和实验室尺度土壤水监测方法绝大多数采用的仍是传统方法 主要包
括: 经典的土钻法、张力计法、中子仪法和时域反射仪 以及与此相关联的几种
监测技术相结合的联合监测法土钻法 也称烘干法(朱祖祥 １９８３) 是一种公认的简单易行且有足够精
度(最经典和最准确) 的测定土壤含水量的方法 且是目前广泛用于探讨田间
和实验室尺度的直接测量土壤水变化行为的方法 尽管该方法为土壤水的定量研
究提供了坚实的试验基础 然而 该方法也存在一些不足 主要体现为三方面:
①利用此方法只能测定土壤含水量 且必须在已知土壤容重的条件下获得 ②在
取样和测定过程中常造成土壤结构的破坏 ③在进行连续土壤水监测时 必须不
断地变动取土点 由于土壤的空间变异性使所测得土壤含水量往往存在很大的差
异 造成所测定的土壤含水量不能代表真实情况
张力计法 也称负压计法 是利用土壤负压来显示土壤水状况的方法 张力
计发明于１９３１ 年(Ｒｉｃｈａｒｄｓ １９３１) 之后为实现记录的自动化 一些研究者对
张力计进行了数据记录和传输方面的改进(Ｌｏｎｇ １９８４) 但其基本原理不变ꎬ
即是利用张力计测得土壤水基质势 结合土壤水分特征曲线 推出土壤含水量
尽管张力计的使用非常广泛 但是主要体现在测量过程中易受环境温度的影响
(高照阳等 ２００４) 不适宜用于极端干旱土壤水的测量 在一定程度上影响
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