稻田土壤水分運動規律研究

□聶義泊 □楊 杰

（1河南省水利勘測設計研究有限公司；2河南黃河建設工程有限公司）

0 引言

干旱缺水問題已經成為危機世界糧食安全，人類健康和自然生態系統的重大問題。據估計，按目前人口增長速度，到2025年世界人口將增加到78.50億，糧食產量必須翻一番才能滿足需求，為提高糧食產量，農業用水將增加14%，即需要20000億m3的灌溉用水。如何才能提供足夠的糧食生產用水已成為全球范圍內所面臨的最嚴峻挑戰。因此，無論是發達國家還是發展中國家都把發展農業節水作為解決這一挑戰的首要途徑。

水稻是我國的主要糧食作物之一，全國水稻產量約占糧食作物總產量的40%，同時，它也是主要耗水大戶，占農業用水量的65%以上（茆智，2002；茆智，崔遠來，2003；彭世彰，2011）。我國水稻節水灌溉技術自20世紀90年代以來得到了大面積的推廣應用（彭世彰，徐俊增，2011）。水稻節水灌溉的特點是通過設置較低的灌水上限、下限，使得水稻在生長期間某些時間田面無水層或土壤含水量低于其飽和含水量，總的灌溉用水量明顯低于常規淹灌（彭世彰等，2005；2011）。

對水稻生產來說，研究節水灌溉條件下土壤水分運動規律，對稻田土壤水分狀況進行調控，使之在非充分灌溉與充分灌溉之間合理轉換，進一步提高作物水分利用效率，是一個值得探究的科學問題，其成果可以直接用來確定灌水下限、上限等灌溉要素，是對節水灌溉理論的重大補充。

通過建立稻田土壤水分運動數學模型，分析土壤水分運動規律是進行水分調控的前提，是完善節水灌溉技術的理論基礎。為此，需要解決兩個問題：一是，土壤水分運動基本方程的選取；二是，作物根系吸水模型的建立。

1 土壤水分運動基本方程

從土壤水動力學的角度來看，現行的各種水稻節水灌溉模式，無論其灌水上限、下限有何不同，灌水時間如何確定，其土壤水分運動均可以用統一的數學模型來描述。土壤水分運動基本方程的選取是關鍵。

國內外學者在進行農田灌溉排水，地下水補給等問題的研究中提出了具有不同特點和用途的土壤水分運動方程。常見的有Kostiakov模型，Kostiakov-Leiws模型，Philip模型，Horton模型，Green-Ampt模型等。但是，這些土壤水分入滲模型均未考慮下墊面、土地利用等因素的影響，導致利用起來誤差較大，適用條件和范圍、主要參數的確定、理論的近似解等方面均存在問題。在實際應用時，需要對其進行補充和完善。

以達西定律為基礎的Richards方程在研究作物生長條件下的土壤水分運動中被廣泛應用。Constable等人（1981）利用該方程研究了半濕潤環境中的作物灌溉問題。Belmans等人（1983）建立了作物生長情況下的土壤水分模擬模型。Kiefer EM（1993）提出了一個模擬非均質土不飽和滲流的隨機概念模型。雷志棟，楊詩秀等人（1985）在我國較早地對非飽和均質土壤的水分運動進行了多種條件下的數值模擬研究。申雙和，周英等人（1992，1993）開展了農田土壤水分預測預報的工作。高煥文等人（1996）建立了保護性耕地土壤水分模型。

Richards方程常見形式為：

以含水量為因變量，可寫為：

式中S(z,t)為該方程的源匯項，即作物根系吸水模型。Richards方程計算和應用前，需要確定土壤水力學特性參數。在研究有作物生長影響的土壤水分運動時，還需要確定作物根系吸水模型。

2 作物根系吸水模型

通過研究作物根系吸水機理，建立根系吸水模型，對根系吸水過程進行定量描述，一直是土壤物理學和農業水利學等學科研究的熱點。

Gardner(1960)首先開展了這方面的工作，提出了單根吸水的理論模型，假定單根為無限長、半徑均勻并具有均勻吸水特性的圓柱體，植物根系和土壤水吸力分布都是均勻的，它研究流入典型單根的徑向流。Hainsworth，Aylmore經過研究發現，Gardner假定與事實不符（1989）。Aura提出了單根非均勻吸水模型（1996），該模型是否與田間情況一致還無法驗證。Molz于1970年與Remson提出了吸水速率與蒸騰速率、有效根密度和土壤水分擴散率之積成正比的根系吸水模型；1976年，又將根系吸水在土壤中水分向根表面的流動和水分在根組織內的流動聯系起來，從而考慮了根的水力特性，提出了根系吸水的土壤一維水流運動模型。Nimah和Hanks（1973）考慮溶質的影響和植物根異管傳導水分的內摩阻力，修正了Molz-Remson模型。Hillel（1976）等人在Gardner等人研究的基礎上，考慮到土壤及根系對水流的阻力，利用根系吸水速率與土壤和根系水勢之差關系建立起來的模型。Herklrath（1977）在模型的基礎上加進飽和度作為根土接觸的校正因子，建立吸水模型。Feddes（1978）認為根系吸水率是水勢差函數，首先將根系吸水與作物蒸騰聯系起來，將蒸騰量在根系層土壤剖面上的土水勢建立的根系吸水模型。VanGenuchten在1984年對α(h)進一步修正，提出了非線性的定義。Chandra和Amaresh（1996）改進了前人模型的不足之處，建立了作物蒸騰量參與的非線性根系吸水模型。

我國學者對此也進行了大量的探索（許迪，1997；黃冠華等，1995；趙成義等，1999；郭慶榮等，1999）。邵明安（1987）根據植物根系吸水的物理過程，提出了一個能反映根系吸水機理的宏觀數學模型。康紹忠等（1992）從作物根系吸水機理出發，用動態模擬的方法估算作物根系吸水速率，分別建立了冬小麥、夏玉米的根系吸水模型。龔道枝，康紹忠，張建華等（2004；2010）系統地研究了果樹的二維根系吸水特性，根據根長密度資料建立的根系吸水模型。虎膽·吐馬爾白（1999）以土壤水動力學理論為基礎，綜合考慮作物蒸騰，有效重量根密度分布以及土壤含水率的影響建立了二維根系吸水模型。

經過眾多專家學者對根系吸水的多年研究，其吸水機理逐漸清晰，模型建立方法、途徑逐漸明朗，所建模型的適用性更加廣泛。但是，這些研究多數限于旱作物，在旱田土壤水分環境中，圍繞旱作物根系吸水進行機理分析與理論建模。由于水稻與旱作物生理特性的差異及田間土壤水分狀況的不同，尤其是在節水灌溉形成的稻田土壤水分環境情況下，現有的旱作物根系吸水模型能否直接用來解決水稻根系吸水問題，以及如何建立水稻根系吸水模型，都值得進一步探討。

3 存在的問題

3.1 構建準確描述節水灌溉稻田土壤水分環境中根系吸水特性的吸水模型

水稻根系吸水模型作為Richards方程的源匯項，與水稻根系吸水能力有關。根系吸水能力與土壤水分環境密切相關，尤其是在節水灌溉條件下，土壤水分在飽和非飽和之間變化劇烈，干濕交替頻繁，水稻水分生理活動將對此做出相應的調整，改變根系吸水能力。準確的水稻根系吸水模型對于建立正確的土壤水分運動基本方程，進而描述節水灌溉條件下的土壤水分運動過程至關重要。

3.2 建立節水灌溉稻田土壤水分運動數學模型

研究節水灌溉稻田土壤水分運動的邊界條件及初始條件，通過建立土壤水分運動數學模型，研究節水灌溉土壤水分運動規律，對于夯實節水灌溉理論具有重要意義，可以為建立相應的土壤水分調控模式奠定堅實的理論基礎。

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