浅地下水埋深区潜水对SPAC系统作用初步研究

杨建锋 李宝庆 李运生 马瑞

(中国科学院地理研究所)

洪宝鑫

(江苏省通州市农水科研站)

摘 要 在地下水埋深较浅的地区，潜水参与和影响了SPAC系统的水分、生物、化学等过程。禹城综合试验站和南通农水科研站试验结果表明，潜水对土壤－植物－大气连续体的水分过程和生物过程都有着显著的作用。禹城试区1998年玉米灌浆期腾发量的15.69%是由地下水蒸发“贡献”的；南通农水站试验表明，潜水通过控制土壤水分分布影响冬小麦根系发育和冬小麦产量，统计结果显示：对于冬小麦，在没有灌溉的条件下，存在着一个最优地下水位埋深，约在1.5m左右。研究成果对于深入分析水系统水分运移规律和充分利用地下水、制定合理的节水灌溉方案以及通过控制地下水对农作物生长进行调控等有着一定的理论价值和生产意义。

关键词 地下水，土壤－植物－大气连续体，水分过程，生物过程。

本文于1998年12月7日收到，系国家自然科学基金（49671013）和基金重大项目（49890330-4-2）资助.

　　Philip于1966年提出了完整的土壤－植物－大气连续体(Soil Plant Atmosphere Continuum, SPAC)的概念[1]，它的提出奠定了现代农田水分研究的理论基础。现代农田水分研究以连续的、系统的、动态的观点把土壤、植物、大气作为一个物理上的连续体，探讨以土壤水和作物关系为中心的农田水分运移转化机理。从国际上看，土壤－植物－大气系统中的水分、能量和盐分传输属于国际前沿的课题之一。小尺度的研究越来越深入，有人专门针对小麦将SPAC系统具体为土壤－小麦－大气连续体(Soil Wheat Atmosphere Continuum,SWAC)[2]，界面水分过程的研究方兴未艾；大尺度的研究已不再单纯的从农业方面，而是从更广泛的水文循环着手研究大气与地表各种源汇之间的物质和能量传输，国际地圈生物圈计划(IGBP)核心项目之一水文循环生物圈方面(BAHC)将其归结为土壤－植被－大气传输过程(Soil Vegetation Atmosphere Transfer,SVAT)[3]。

　　在地下水埋深较浅的地区，土壤－植物－大气连续体中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水发生联系[4]，不同埋深地下水对土壤水分分布和农作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响[5～8]。但是，目前上述研究都没有明确地给地下水以足够重视。从界面过程看，人们更多的侧重于土－气界面和植－气界面过程的研究，而对地下水－土壤水界面过程，尤其是地下水对土壤、作物的直接作用和对土－气界面和植－气界面水分过程间接作用研究较少。定量地研究地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响，对于深入分析水系统水分运移规律和充分利用地下水、制定合理的节水灌溉方案以及通过控制地下水对农作物生长进行调控等有着一定的理论价值和生产意义。为此，我们在中国科学院禹城综合试验站和江苏南通农水科研站进行了初步试验。

1 潜水对土壤－植物－大气连续体水分过程的作用

　　中国科学院禹城综合试验站位于山东省禹城市境内黄河冲积平原上。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均温度14℃，降水量600mm，6～9月降水占全年降水量的70%，蒸发量1100mm.土壤母质为河道冲积物，质地以粉砂和轻壤为主，土壤性状、容重与粒径级配如表1.地下水埋深较浅，常年在0.2m(1990年8月9日)到4.2m(1985年5月31日)之间变动。试验主要利用新型称重式蒸渗仪获取数据。新型蒸渗仪与传统的蒸渗仪相比有如下特征：(1)蒸渗仪精度达0.02mm，可同时准确测量小时蒸腾蒸发量和地下水蒸发量与入渗量；(2)蒸渗仪土柱面积为3.14m2，深度为5m，充分允许农作物根系发育与吸水、土壤水和地下水水分转化等过程的进行，可以较好的代表大田的情形；(3)蒸渗仪的供排水系统能够在蒸渗仪内模拟实际地下水位变化。另外，试验还配备了负压计、中子水分仪、地温计等仪器。

表1 土壤分层，干容重与机械组成分析表