王 璐，张恒嘉

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

绿洲降雨量少，气候干旱，生态环境脆弱，对植物的生长不利[1]。长期以来，绿洲地区作物增产主要依赖于水肥的大量投入，这不仅增大了作物增产成本，并且对绿洲地区生态环境不利。近几年国内外专家通过研究田间水分循环与转化规律，探讨SPAC系统之间水分动态和量化关系，以此来有效解决下垫面湿度变化与蒸发问题，以期科学合理地配置有限水资源，对农田进行合理的水肥调控，为农田高效节水节肥的研究机制及具体实践奠定基础和提供理论依据[2]。此外，将单一的土壤根区水热运移及能量转化与水循环、水文因素和生态环境评价有效联系结合，可以充分研究系统中的节水胁迫评估、水热循环与转化、土壤水分及蒸发蒸腾量的变化、覆膜水热动态、农田小气候的调控[3]。目前，已有实践证明SPAC系统水分循环与转化的研究对作物农田水热能进行有效调控，从而提高作物水分利用效率，有利作物优质高产[4- 5]。

1 SPAC系统的概念

SPAC系统是土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)的简称，系统中水分循环与转化是研究农田土壤水分运移、土壤水分对植物生长调控、土壤-植物水分相互转化的基础。目前，研究者把SPAC系统分为三个层次：第一层次为土壤层，第二层次为能量转化与运输最为频繁的植物体，第三层次是位于一定高度的大气层[6]。水分在SPAC系统中作为统一能量的指标，将不同介质和不同界面联系整合形成统一连续体，在系统各个环节中，水势作为主要的驱动力，用以定量研究系统的能量变化，并且计算水流通量。康绍忠等[7]研究表明，SPAC系统中的土壤水、植物水、大气水在水势主导作用下的运移规律是从水势高的地方向水势低的地方运动，且与阻力成正相关。1966年Philip[8]提出比较完善的SPAC概念，即植物根区的土壤水分被植物根系吸收，在植物体内通过物理和化学作用被运至植物茎部，经由木质部运至植物叶片，通过叶片胞间空隙蒸发，由气孔腔和孔洞散发至大气，参与大气的循环与交换。这一概念的提出突破原有土壤-植物-大气水分研究，有效统一水热动态关系，为研究分析系统中水分及能量循环与转化动态过程提供方便，能够为相关学科领域研究提供可行性依据，将多个单一研究整合成连续体，使研究更加完善深入。实践证明，将土壤-植物-大气系统作为整体研究探讨，可避免研究的片面化和理论性不足的情况。

2 SPAC系统水分循环与转化机理

SPAC系统水分运移大致过程主要建立在全球水分循环基础之上，刘昌明等[9]研究表明，大气降水、地下水补给、农业灌溉等构成土壤水的主要来源；而土壤水的散失途径主要有土壤蒸发、植物蒸腾、深层渗漏等。这些环节中的水分在水势驱动下，将土壤、植物、大气联系整合，中间主要有三个过程：①根系吸水过程，即土壤水分向根区运移经由根系被植物吸收利用，这一过程主要影响因素有：土壤水势、土壤结构、土壤输水性、植物根系吸水性[10]。②植物体内水分运移转化过程，这一过程取决于植物自身输水能力大小[11]。③植物体内水向大气传输过程，即将液态水转化成气态水，这一过程主要决定于植物叶面水汽压与大气水汽压差，即当大气水汽压低于植物叶面水汽压时，在水汽压差作用下植物体内水分向大气散发[12]。此外，在蒸发作用下，土壤水汽压高于大气水气压，在两者的水汽压差作用下，促使浅层土壤水经由地表向大气运移。在降雨条件下，在水汽压差作用下雨水经由地表进行入渗。刘苏峡等[13]研究表明基于“五水”理论的SPAC系统水分运移遵循水量平衡原则，且该系统中水分运移具有连续和双向联通的特性。因此，土壤水分在水汽压差作用下经由植物蒸腾和土面蒸发散失至大气中，大气水又因气象等因素影响作用，大气水由气态转化成液态或固态以降雨、雪方式运移到土壤中，形成田间水分循环系统。

3 SPAC系统界面

3.1 土壤-根系界面

3.1.1土-根界面水流阻力

土壤-根系界面是SPAC系统中重要的子系统，是根系维持植株生长发育吸收水分和养分的门户，界面上的通量为根系吸水。根系吸水的影响因素主要有：土壤阻力、根阻力、土-根界面阻力等。盛钰等[14]研究表明土壤肥力和水分状况可决定土壤阻力对根系吸水的影响大小。刘小芳等[15]研究表明植物根系吸水能力受土壤水分影响显著，植物径向和轴向的导水能力在水分胁迫条件下明显降低，此外，不同品种植物的吸水能力存在显著差异。张富仓等[16]研究表明在水势差驱动作用下，土-根系统水分运移速率被土壤-植物系统水分进、出根，土壤、根和土根界面总的导水性限制。这三个因素对根系吸水速率的影响及作用大小受限于不同土壤水分条件，即在土壤水分充足时，根系的水流导度直接决定根系吸水速率大小；当土壤较为干旱时，根系吸水速率的影响因素为相对较小的土-根界面的水流导度；当土壤严重干旱时，土壤水流有效导度直接限制根系吸水速率大小。此外，邵明安等[17]研究表明随着时间和土壤深度的增加，土-根总阻力增大；土壤阻力随着时间增大，与深度有关的变化规律则取决于根密度的空间变化率与土壤导水率的增减程度；土-根接触阻力随着时间增大，但随着深度的增加则降低；根系吸收阻力随着深度增加缓慢。其中，在土-根界面水流阻力的各个分项中，根系吸收阻力占主导且主要取决于植物本身属性，当土壤含水量接近或等于凋萎湿度时，土壤阻力相对较小，而土-根接触阻力则能达到土-根总阻力的70%左右。

3.1.2土-根界面水分再分配

水分再分配(Hydraulic redistribution，简称HR)是指将土壤湿度高的地方的水分经由植物根系运移而被传递到土壤干旱的地方，一般情况下，较多在夜间蒸腾能力较弱时发生，并在不同土层沿水势梯度下降方向四周移动。HR的发现有效证实SPAC系统中水流小通路的存在，为系统中水分储存和运移的时空动态及机制具体化提供理论依据[18]。在整个SPAC系统中，水势作为主要驱动力，促使水分从水势高的地方向水势低的地方运动。在土壤干燥或干旱时，植物水势大于土壤水势[19]，这时土壤湿度高的地方水分会经由植物根系传导被运送到土壤干燥的地方，发生HR。但发生HR不仅取决于干燥的土壤环境和其产生的水势梯度，还决定于水流通道的阻力大小[20]。此外，研究表明同一时空的不同植物间的水分再分配特点存在着显著差异[21]。因此，HR与土壤含水量和土壤质地有关，且受植物自身的储水性及导水性等生理生态属性影响。

3.2 植物-大气界面

3.2.1叶-气系统的水流阻力、叶水势

叶-气系统的水流阻力是SPAC中水流阻力的主要组成部分，能够在很大程度上影响SPAC系统的水流传输的控制，研究表明整个SPAC系统总水流阻力的97%以上分布在叶-气系统中，该系统的水流阻力为土壤阻力的几千倍左右，并与植物体内水流阻力比值高达50左右，通常叶-气系统中气孔扩散阻力大于边界层阻力，前者是后者的3～5倍，且该比值随着土壤水势降低而增大[22]。在SPAC系统中，土壤基质势、大气水势、外部环境(光照辐射、饱和差等)等因素主要影响叶水势的大小，叶水势对植物物理、化学等生理代谢活动等均有着显著作用，能够具体反映土壤水分及植物水分胁迫。叶水势的整体变化规律为前期高，后期低，日变化规律为早晚高、午时低，且与土壤水分能态的变化有关，研究表明叶水势日变幅随着土壤基质势的增加而降低[23]。

3.2.2植物-大气界面的光合、蒸腾作用

植物-大气界面涉及的物质与能量交换主要有三大作用，即：光合作用、呼吸作用、蒸腾作用。实践证明对植物光合和蒸腾过程的研究可以探讨提高植物叶片水平和植物高效利用水分的方法和途径，以期实现农业上的优质高产，节能环保。孙景生等[24]研究表明，在充分灌溉条件下，光合生产过程效率是有限的，造成水分利用效率降低。在水分亏缺条件下，植株叶面积减小，气孔开度随之减小，水流阻力则反之增大，导致光合速率降低[25]。山仑等[26]研究表明，轻度水分亏缺与充分灌溉相比，前者的叶片光合作用高。植物气孔蒸腾的影响因素是：叶片气孔阻力、叶片与周围环境的水势梯度、空气层阻力、土壤水分能态、气象因素等[27]。李百凤等[28]研究表明在水分亏缺条件下，产量与蒸腾失水相比，降低幅度较为显著，因此，对节水农业的土壤水分指标进行有效分析时，应充分考虑以提高蒸腾水分利用效率的光合指标为主。

3.3 土壤-大气界面

3.3.1水分的入渗

土壤-大气界面的水分传输主要包括裸露土壤和颗间裸地，研究表明因颗间蒸发受周围环境的影响，土壤水分和植物叶面积指数都会影响土壤热通量，颗间蒸发随着土壤含水率的上升而增大。该界面上的水分通量有两个，即入渗和蒸发。在SPAC系统中，土壤入渗是水分循环与转化的重要组成部分，是根系吸水、植物蒸腾的水分来源，其中土壤入渗性能受土壤性状、土壤初始含水率等的影响，时空差异大[29]。魏恒等[30]研究表明，土壤入渗总体趋势是初期最大，中期逐渐减小，后期趋于稳定值。因此，利用有效的农业措施降低初始入渗率，减缓水分流失，达到高效节水、优质高产的目的。

3.3.2土面蒸发

土面蒸发的最终研究目标是区分作物蒸腾与棵间蒸发，为简化蒸腾与产量分析，且采用合理的农艺措施降低棵间无效水损耗，从而提高土壤水分利用效率。土壤质地、结构、含水率等对土面蒸发具有影响作用，其中土壤含水率能够显著影响土壤蒸发速率。李开元等[31]研究表明蒸发速率的显著降低有两个阶段分别是当土壤含水量等于田间持水量时和土壤含水量等于毛管联系破裂含水量时。李玉山等[32]研究表明，土壤干旱到一定程度时，10或20cm以下的土层湿度会达到田间稳定湿度，出现持稳均衡状态。在这种状态下，土壤的无效蒸发会显著降低，有利于节约用水，此外，土面蒸发的日变化规律与地表温度和日辐射相一致，地表温度能够有效反映土壤-大气界面的物质与能量交换。

4 结语

本文是在界面水文过程提出基础上进行探讨研究的，可以使水分循环与转化更加清晰化，也可以实现对农业节水进行界面调控的认识，并将这些认识作为农业节水实施的理论依据，使其更加贴合绿洲农业节水发展。目前，通过分析SPAC系统中水流运移模拟作物根区土壤水分动态、作物根系吸水、作物的蒸发蒸腾量，可充分了解系统对田间水热传输的抑制及加速作用，预测土壤水分状况和作物需水量，从而有效提高水分利用效率，这对实现绿洲农业的节水增产及缓解当前用水矛盾具有一定的指导意义。此外，与生态水文模拟系统相结合，进行跨时空的生态水文模拟，可实现水资源的持续利用，从而保护生态环境。