土壤剖面的概念范文篇1

土壤、气候、水文、光照、地貌等都是重要的农业生态环境要素。除各种人为因素外，土壤化学成分是影响农产品品质的重要因素。土壤的主要成分约90%来自基岩风化物或成土母质，营养元素与基岩、成土母质的关系尤为密切。对农作物产区进行生态地球化学调查，可以充分利用土壤的潜在资源，改造和调整不良土壤的地球化学环境，优化种植结构，选择并培育新的优良品种，发展现代化农业。目前，国内已对土壤中化学元素的含量与分布进行了大量研究，其成果在农作物种植的应用中取得了突出的成效［1－3］。乐陵—河口地区是山东省北部重要的粮棉产区和乐陵小枣生产基地，位于山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区。随着工业化、城市化的快速发展，地质与地球化学环境变化对当地影响较大，导致生态环境问题不断出现［4－5］。笔者通过开展山东省乐陵—河口地区多目标区域地球化学调查，根据“全国土壤现状调查及污染防治项目取得的地球化学数据，研究重金属元素分布、分配特征，进行国土资源环境评价与基础地质研究，为山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区等国家战略性规划和发展提供依据。1研究区概况乐陵—河口位于华北地块南部，受断裂活动的影响和控制，形成了众多凹凸相间的构造格局，地表全部为第四系地层，以黄河冲积沉积物为主。区内断裂发育，第四纪火山活动强烈，在无棣大山镇形成一座中心喷发式火山锥，海拔63．4m，是华北平原唯一露头的火山。2重金属元素分布特征土壤是元素在地理环境中循环的一个重要介质，土壤中重金属元素的含量直接控制着研究区的土壤质量和污染程度［6］。多目标区域地球化学调查采用双层网格化土壤测量方法，按照代表性、均匀性与合理性原则系统采集土壤表层样品(0～0．2m)和深层样品(厚覆盖区1．5m以下)。表层样品采样密度为1个点/km2(滩涂区1个点/4km2)，按1个点/4km2组合分析，深层样品采样密度为1个点/4km2，按1个点/16km2组合分析，主要测试54项元素指标［7］。所有测试严格按照国家行业标准进行检验分析，分析质量和精度均符合要求。根据1∶25万多目标区域地球化学调查结果，研究区土壤中重金属元素的背景值均高于基准值，说明重金属元素在表生条件下有相对富集的趋势，尤其是Cd、Hg、Pb的表生富集趋势较明显，受人类活动影响最大，是区内土壤污染的主要因子。通过全国土壤基准值和背景值对比发现，研究区内Cd、Cr、F的基准值相对富集，Cd、Cr、F、Ni、As的背景值相对较高(表1)。3重金属元素分布与地球化学环境的关系3．1深层土壤中重金属元素的相关性利用SPSS软件对土壤重金属元素进行相关性分析(表2)，结果表明，Cd与As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等的相关性显著，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的区域分布也基本一致。Hg与其他元素相关性不显著，其空间分布特征明显不同于其他重金属元素。Hg的高背景区主要分布在德州城区北部的二屯、长庄、东辛店—尚堂一带及无棣县城、信阳、水湾等乡镇。3．2土壤重金属污染评价3．2．1土壤元素污染等级划分土壤元素污染等级划分是多目标区域地球化学调查工作的一部分，是以土壤元素基准值为基础，对土壤含量进行等级划分，确定外来污染物对土壤元素含量的影响程度，为土地质量等级评定、生态地球化学预警、土壤污染治理提供基础资料。土壤重金属污染引用原始地质地球化学背景基础上叠加的人为污染的概念，评价标准采用区域土壤元素基准上限值(即基准值加上2倍标准差)，以基准上限值的1、2、3等整数倍进行分级，具体取值见表3。3．2．2评价方法通过计算污染指数来确定土壤重金属的污染程度，其中，单因子评价通常采用分指数法，多因子评价一般采用污染综合指数。(1)分指数法。分指数法是逐一计算土壤中各主要污染物的污染分指数，以确定污染程度，公式为Pi=Ci/C0i，式中Pi为土壤中i污染物的污染分指数;Ci为土壤中i污染物的实测含量;C0i为i污染物的评价标准。(2)内梅罗综合污染指数。内梅罗综合污染指数是计算土壤中各主要污染物的综合污染指数，以确定土壤环境综合污染程度，公式为式中，P为土壤污染综合指数;Ii为土壤中i污染物的污染指数;n为土壤中参与评价的污染物种类。P＜1为未污染，P＞1为已污染，P值越大，土壤污染程度越严重。根据P值变化幅度，结合作物受害程度和污染物累积状况，进一步划分为轻度污染(1＜P≤2)、中度污染(2＜P≤4)和重度污染(P＞4)。3．2．3单元素污染评价研究区土壤中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分指数评价结果见表4。从表4可见，区内土壤以清洁型为主，As、Cr、Cu、Ni的土壤清洁率在90%以上，只有稍微的轻度污染;Zn的土壤清洁率在88%以上，有少量的轻度污染;Pb的土壤清洁率接近80%，除少量轻度污染外，在河口城区东部的采油区有点状中度污染区和严重污染区;Cd、Hg是区内污染较重的两个指标，土壤清洁率大于55%，接近60%，在德州市德城区、乐陵市、无棣县、河口区的城区及近郊有轻度污染区，在河口城区、孤岛油田、乐陵市城区、无棣县城、信阳县城区等有中度污染区，严重污染区主要在德州城区、无棣县城、信阳县城等地。3．2．4综合指数评价研究区内土壤重金属综合污染评价见图1。土壤重金属综合污染区分布特征表明，轻污染区分布广泛，面积达4476．3km2(表5)，主要分布在德州市德城区、宁津县、乐陵市、庆云县、无棣县等地，在河口区、孤岛油田也有少量分布;中度污染区主要分布在德州市德城区、乐陵市、无棣县、信阳、河口区等城区，面积达53．8km2;严重污染区在河口区有零星分布，面积仅3．0km2;其余均为清洁区土壤，面积达5441．4km2，主要分布在无棣县、沾化县、河口区的滨海区，位于山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区之中。#p#分页标题#e#4土壤重金属元素来源土壤中的重金属污染主要有Hg、Cd、Pb、Cr及类金属As等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的Zn、Cu、Ni等。农田中过量的重金属是作物生长和人类健康的严重威胁。土壤中的重金属含量除受成土母质影响外，主要受人类活动的影响，如化肥、农药的施用，工业、交通和矿业污染等，造成土壤重金属元素的表层富集。为追踪乐陵—河口地区污染土壤中Cd、Hg、Pb等的来源，采集分析了土壤剖面、植物根系土和水等介质，其中水样部分分析结果见表6。参照灌溉水质量标准值(GB5084-2005)［8］和地表水环境质量标准(GB3838-2002)［9］的基本项目标准限值，可以看出，污染区地表水体污浊、腥臭，富营养化严重，有毒有害元素F等严重超标，为劣Ⅴ类水质。F含量最大为52．47mg/L，是灌溉水限量标准(2mg/L)的26倍多，最小为Ⅲ类水标准(1mg/L)的1．34倍，平均值为灌溉水标准的10倍。总N含量除2个水样中低于灌溉水标准外，其余水样均超标，最小值为灌溉水标准的1．4倍，最大为4．6倍。同时，总N含量全部超过Ⅴ类水标准限值(2mg/L)，最大值为Ⅴ类水标准限值的68．4倍，最小值为7．8倍，平均值为36．5倍。由此可见，异常区内地表水体污染严重，尤其是有毒有害元素污染程度严重，是区内元素异常的主要来源。横跨土壤重金属污染区进行土壤横剖面采样，可以看出，土壤横剖面中Cd、Hg、Se、Pb的异常峰值处与污染严重的污灌区吻合度高(图2)，验证了地表污染水体是土壤污染的主要供源体。5农产品重金属元素富集特征研究区污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土、小麦秸杆和籽实中的含量分布见表7。小麦桔杆、小麦籽实与土壤根系土中重金属含量呈正相关关系，且有部分小麦桔杆中Cd、Hg含量相对接近根系土中的含量，D8、D20、D54样品秸杆中Hg含量接近甚至超过了其根系土中的含量，D8样品秸杆中Cd含量超过了其根系土中的含量。Cd、Hg在秸杆中具有明显的生物富集作用和生物放大作用。Zn表现出与其他重金属元素不同的特征，在小麦籽实中Zn含量明显大于秸杆，相对接近其在根系土中的含量。水体和土壤中有毒、有害的重金属，通过迁移、转化、富集或食物链循环，危及生物及人体健康。在自然界中，一种污染物质的毒性能够被另一种物质所抑制，称为拮抗作用。例如，Se能够抑制Hg的毒性，Zn能够抑制Cd的毒性。从污染区小麦体中元素富集特征可见，Se、Zn在小麦籽实中的含量普遍较高，人们食用这些小麦及其加工的食品时，因拮抗作用可以降低Cd、Hg等的毒性，进而缓解这些物质对生物及人体健康的危害。6土壤根系土重金属元素相态分布特征重金属污染物相态分布特征决定了它的活性程度和毒性大小。为研究乐陵—河口地区污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土中的相态分布特征，对土壤污染区的根系土重金属元素进行相态分析，结果见图3。从图中可以看出，Pb主要以铁锰结合态和残渣态等稳定态形式存在，占其总量的96%，水溶态、离子交换态和碳酸结合态占4%。As、Cr多以稳定态为主，活动态平均含量小于3%。Pb、As、Cr相对稳定，对环境危害程度相对较小。Cd、Hg相态分布相似，其活动态含量分别达到8%和10%。Cd、Hg进入土壤溶液后通常以可溶态或悬浮态存在，它们在溶液中的迁移转化及生物可利用性均直接与污染物的存在形态相关。例如，水俣病就是食用了含有甲基汞的鱼所致。重金属对鱼类和其他水生生物的毒性，不是与溶液中重金属总浓度相关，而主要取决于游离(水合)的金属离子，对于Cd则主要取决于游离的Cd2+浓度，对于Cu则取决于游离的Cu2+及其氢氧化物浓度，大部分稳定配合物及其与胶体颗粒结合的形态都是低毒的。有益元素Se的水溶态、离子交换态和碳酸结合态最高达16%，平均达9%，可见在表生环境中Se的活化迁移能力较强，不仅对富硒农产品生产的贡献巨大，也通过拮抗作用有效抑制了Hg的毒性。7结论研究区Cd、Hg、Pb污染严重，工业废水是土壤污染的主要来源。城镇及近郊由于工业废水的排放造成地表水体污染严重，全部为劣Ⅴ类水质，为区内土壤环境污染的主要污染源。大宗农作物小麦的不同部位对重金属元素具有选择性吸收，小麦秸杆中Cd、Hg含量明显富集，接近或超过其土壤中的含量。小麦籽实中Se、Zn含量明显富集。从元素相态分析结果看，Cd、Hg等重金属元素主要以稳定态形式为主，活动态含量很低，活化迁移量少，这与区内碱性环境密切相关。

土壤剖面的概念范文篇2

关键词：土壤学;教学改革;林学专业

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2015）45-0162-02

党的十报告明确提出了“五位一体”的中国特色社会主义总体布局，并把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设和社会建设方面的全过程。“民以食为天，食以土为本”，土壤是人类赖以生存的必要的物质条件，是容纳环境物质和净化的场所。土壤学已经成为关系国民经济健康发展的重要学科。对于高等农林教育来讲，土壤学是一门很重要的专业基础课，亦是一门应用性很强的学科;是林学专业系列课程中关键的纽带，该课程的教学质量直接影响学生实践能力和创新能力的培养[1]。在教学改革不断深化，如何积极开展土壤学的教学改革，提高学生自主学习和动手能力，与生产实际相结合，把土壤学的知识融会到本学科和本专业，解决生产中出现的问题，并且在土地资源日趋紧张的情况下，如何培养学生保护土壤资源的意识是一项紧迫而重要的任务。结合教学过程中存在的问题，介绍土壤学教学中的几点体会。

一、如何在教学过程中调动学生的积极性

1.启发式教学，启发学生能动性。土壤学是林学、农学、环境和园林专业的主要专业基础课。内容涉及概念多，理论比较抽象，学生难以理解和接受。为了增强学生的学习能动性，可以运用照片、图表和动画这些技术运用到教学过程中，阐述抽象的理论问题。理论结合实际，如在讲授矿物岩石、土壤结构和土壤分类与分布这些章节时，可以把常见矿物岩石标本、土壤结构的实物带进教室并结合图片进行讲解。也可把这些章节放在西北农林科技大学博览园的土壤馆进行学习，更好的讲述土壤矿物、中国的“五色土”、土壤的水平地带性分布、土壤剖面特征。

同时课堂上多采用启发式教学，引导学生积极思维，多使用“why”、“how”、“what”这样的语言，同时给学生思考问题的时间和空间，和学生多一些互动，发挥主观能动性。比如在讲述土壤有机质时先提问班上东北的同学，“与杨凌的v土相比，家乡的土壤颜色是深还是浅？”，学生的答案为家乡的土壤颜色比较深，我会紧接着问为什么，让学生带着问题听课，提高学习的兴趣和效率。

2.理论联系实际，学生课堂讲授。在讲授过程中理论联系实际，结合教学内容，将平时收集到的生产实践中有关土壤学的实际问题融入课堂，如苗木的立枯病与土壤质地、田间的水肥管理之间的关系，反过来，不同的森林植物对土壤性质的影响，如针叶林和阔叶林对土壤pH值之间的关系，长期种植针叶林的土壤的pH值要低于长期种植阔叶林的土壤pH值[2]。在讲授土壤质量和土壤退化内容时，让学生自己学识土壤质量的概念、目前土壤退化的现状及结合学习的知识如何进行治理。通过这样一个环节，学生很认真的学习掌握。有的学生把学校周边出现的污染拍成VCR，讲述污染的来源、现状及目前的治理情况。结合土壤退化的现实案例和西部生态环境建设的实际进行，如结合黄土丘陵沟壑区的资源条件，进行合理的利用和改良[3]。

二、注重学生综合能力的培养和实践操作技能的提高

1.注重学生实验技能的培养与考核。让学生通过实践获得感性认识，理解掌握课堂学习的理论知识。实践和理论是高等教育的重要环节，是培养学生创新精神和实践能力的根本途径。我们把理论和实验课的安排紧密结合起来。实验课总共是16学时，野外的实验包括：土壤剖面的挖掘观察、土壤样品的采集。室内实验部分则利用野外部分采集的土壤进行处理，同时用于土壤有机质的测定、容重的测定及孔隙度的计算、土壤养分的速测。根据实验结果和野外调查内容让学生以实验报告的形式评价该地区土壤质量的好坏，在此过程中，学生自主完成大部分的内容，老师只是起到辅助的作用。实践教学考核方式以实习报告为主，根据学生在实习实验中的表现，给学生确定成绩。实践教学考核分为两部分，一是实习过程中的规范性，主要考核土壤样品的采集、处理、土壤有机质和土壤速效养分测定的规范性操作;二是理论知识与实际问题结合能力、解决实际问题的能力，最后每个实习小组通过PPT形式介绍实习中主要剖面特征、分析土壤的肥力特征、存在的问题和解决的对策。综合评定其试验成绩。

2.鼓励学生参加野外综合实习。为了更好的掌握植物学、林学、昆虫学、土壤学等内容，安排学生去学校的实习基地“西北农林科技大学火地塘试验林场”进行综合实习。火地塘试验林场地处秦岭南坡宁陕县境内，位于北纬33°25′-33°29′，东径108°25′-108°30′，林场所在区域属北亚热带山地气候，年平均温度8～10℃，年降水量900～1200毫米，年日照时数为1100～1300小时，无霜期170天。土壤主要有山地棕壤、暗棕壤和山地草甸土。森林覆盖率96.8%。全场活立木总蓄积量257113.8立方米。火地塘林区是秦岭山区生物种类的富集地之一，仅种子植物1026种，木本植物83科、206属、500多种，有珍稀濒危保护植物25种。国家Ⅰ级重点保护动物4种：羚牛、川金丝猴、豹和林麝;国家Ⅱ级重点野生保护动物种类8种：豺、黑熊、大灵猫、金猫、青鼬、水獭、鬣羚和斑羚。国家保护的有益的或有科研、经济价值的野生动物名录收录的兽类19种，如草兔、红白鼯鼠、花面狸、野猪、黄鼬等。陕西省重点保护动物6种，如林猬、小麂、毛冠鹿等。同过综合实习把“崇尚科学、亲近自然、生态文明”的理念传输给学生。更好的把所学知识融会贯通的理解掌握。

三、关注土壤学科前沿随着科技的发展和时代的进步

信息化时代要求我们在讲授的过程中必须与时俱进，结合自己的科研，把新的理论和理念及时的带到课堂上去。这就要求我们必须要不断的改革创新。在“土壤学”课程的教学改革中，一方面主要以构建学生知识结构的主观需要为指导，同时兼顾林业专业其他课程的安排，发挥“土壤学”作为林学专业基础课的核心地位。立足于教学与实践相结合，注重知识的系统性和实用性，并为其他专业课程的学习打下良好的基础。在教学过程中与时俱进，把土壤学的最新理念和思想传授给学生。让学生学习并掌握学科的发展趋势和动态，活跃学生的思想，开阔学生的视野[4]。应把目前土壤学研究的几大问题如土壤发育与土壤信息，土壤资源和土壤质量演变，土壤性质与多界面过程，土壤分子生物学与蛋白组学，土壤利用与全球变化及生态系统，土壤养分、肥力与生产力，土壤污染过程、控制修复和风险管理[5]等融入到教学过程中，把前沿性的研究传播给大家，激起学生的兴趣。特别是有关土壤性质与多界面过程，土地利用与全球变化及生态系统，土壤养分、肥力与生产力这些部分可以做成专题。在讲述养分循环、土壤有机质等章节时，可以结合目前的气候变化，让学生理解并掌握土壤有机质在减缓气候变化中的重要作用。土壤有机碳库是陆地碳库的主要组成部分，也是全球碳循环的重要组成部分。世界土壤（在1m深度内）有机碳库储量约达1500Pg，另含有超过1000Pg的无机碳库[6]，在全球陆地碳循环与气候变化中具有关键影响。通过目前农业生产中的管理，增加土壤有机质，把大气中的二氧化碳最大限度的固定到土壤中。让学生认识到增加土壤有机质不仅对土壤肥力有重要的影响与作用，同时在减缓气候变化这方面也有重要的影响。对于氮肥这一章来说，我国氮肥的消耗量占世界的1/3[7]，过量的氮肥施用和低下的作物利用率造成了氮肥的面源污染，造成水体的富营养化。中国三大作物水稻、小麦、玉米的氮肥利用率平均为30%左右，比发达国家的平均水平低12%[8]。氮素化肥的生产是温室气体，尤其是N2O排放大户[9]。如何提高氮肥的农学效率，减少氮肥的损失是本学科函待解决的重要问题。

“土壤学”是林学专业比较重要的专业基础课，同时通过教学实践对提高学生综合素质、增强动手能力具有重要的作用。因此，在教学过程中必须培养学生学习的积极性，另外，要注重培养学生的综合能力和实验技能，以及把知识转化为生产力方面的能力，并结合科研把本学科发展的最新动态和思想更新到教学内容中，拓宽学生的知识面。

参考文献：

[1]曾曙才，刘辉.华南农业大学林学专业土壤学课程教学改革初探[J].中国林业教育，2008，（2）：62-64.

[2]林伯群.森林土壤学中几个重要问题及其现状[J].土壤通报，1963，（3）：47-49.

[3]王闰平，高志强，苗果园，张国红.黄土丘陵沟壑区实施退耕还林还草战略资源条件与对策[J].中国生态农业学报，2001，9（3）：43-44.

[4]陈立新，朱永林，乔璐.林学专业“土壤学”教学改革与实践[J].中国水土保持科学，2009，7（4）：112-114.

[5]赵其国，滕应.国际土壤科学研究的新进展[J].土壤，2013，45（1）：1-7.

土壤剖面的概念范文篇3

关键词：SPAC水分运动水分与作物生长耦合模型水分平衡渍害地表排水

近年来数值模拟方法在农田土壤水分运动研究中被广泛采用［1，4，］，并逐步从实验室引向田间［5，6］，也考虑了农田作物状况对土壤水分运动的影响［2，3，7，9］.但是，国内大多数水分运动模型没有涉及土壤水分条件对作物生长过程的动态影响，因而不能很好地反映土壤水分运动与作物生长动态之间所具有的强烈的反馈和耦合作用，实际上，不良水分条件限制作物生长，而作物生长状况的改变又对农田水分平衡过程产生重要影响.同时，作物的不同种植方式也将影响农田水分平衡状况.

在作物生长动态模型MACROS(L1D)［8］和田间水分平衡模型的基础上，建立并引进了农田水分平衡与作物生长动态耦合子模型，本文着重讨论水分运动子模型的模拟方法，分析模型模拟结果的可靠性及其对主要参数的敏感性，并应用该模型研究了多雨地区冬小麦生长田间土壤水分动态，讨论多雨地区土壤渍、涝的发生和消退过程.

1土壤水分运动数学模型

以近作物冠层的大气为上边界，土体一米深处为下边界，构成作物生长田间农田水分平衡系统.作物生长模型MACROS(L1D)以1d(24h)为时间步长，在作物出苗后开始模拟，并向土壤水分平衡模型提供所需作物参数.而土壤水分运动模型则以可变时间步长(0.1-0.001d)进行模拟.因此，土壤水分状态经24h循环计算后才取值与作物发生相互作用.当不良土壤水分条件发生时，作物生长受到限制，从而也改变了向土壤水分平衡模型提供的有关作物参数，这样就构成了土壤水分平衡与作物生长动耦合关系.模型中，仅考虑作物特性、土壤水分特性和气象要素，并认为其它条件均满足作物生长要求.

1.1水分液态流土壤水分液态流为有根系吸水条件下的垂直一维流，即

θ/t=-q/Z-Sr，其中q为水流通量，q=-K(h)h/Z+K(h)，因此有：

式中h(cmH2O)为压力水头，K(h)为导水率(cmd-1-1)，C=dθ/dh为比水容量，Z为深度座标(cm)，t为时间(d)，Sw为根系吸水函数.

田间条件下，土壤水分运动有多种边界条件，而它们又反复交替变化.本模型有：

初始条件：h=hi，Z＞0，t=0.

上边界条件：(1)表层土壤接近饱和或有极薄积水时，h=0，Z=0，t＞0.(2)土表向土壤供水，供水强底低于入渗率，K(h)(h)/(Z)-K(h)=-i，Z=0，t＞0.(3)土表蒸发而土壤供水充足，K(h)(h)/(Z)-K(h)=E，Z=0，t＞0.(4)土壤蒸发而土体向土表供水速率低于蒸发速率，土表趋于风干状态，h=had，Z=0，t＞0;其中脚标ad表示风干土.

下边界条件：下边界条件主要考虑地下水位埋深ZW(m)的影响

(1)ZW＞3.0;h=hi，Z=Zmax，t＞0.(2)3.0≥ZW≥1.0;h=ZW-Zmax，Z=Zmax，t＞0.(3)ZW＜1.0;h=0，Z=ZW，t＞0.其中，当ZW＜1.0m时，地下水位埋深即为模拟系统下边界，流入地下水位中的水亦即为土壤水渗漏损失.

土壤中发生饱和流时，θ/t=0，有：

q=-Ki(hi+1-hi)/(Zi+1-Zi)i，

(h2-h1)+(h3-h2)+……+(hn+1-hn)=hn+1-h1，(2)

i=n，为土壤层次数，得到n+1个线性方程求解.

对土壤中的非饱和流，考虑到土壤水分运动模型与作物生长动态模型的综合模拟计算量较大，故采用基质流势(Matricflowpotential)［8，9］的概念求解水流方程.定义U为基质流势U-∫hK(h)dh，则水流通量方程可改写为：

q=-(dU)/(dZ)+K(h)，(3)

假设两相邻土层中心的流量随深度的分布不变，微薄土层中心之间的水势变化为线性的，则式(3)可以导出水流通量方程的积分形式为：

(4)

当水流发生在非均质土层之间时，式(4)中的积分项由下式修正.

作物根系吸水函数Sw，先由作物冠层蒸腾量E确定其总量，当土壤供水充足时，各土层中根系吸水量Swi，根据已确定的根系总量和由实验测定的根系在土壤剖面上的分布比例δi计算，即

Swi=δiE.

(6)

不良土壤水分条件发生时，根据旱害、渍害程度对式(6)进行修正，修正参数由实验确定［9］.

1.2水分汽态流土壤蒸发和作物蒸腾由彭曼-蒙特斯公式计算

1.2.1作物蒸腾设Ep为作物潜在蒸腾速率，ESR和Eδ分别为太阳辐射力蒸发项和空气干燥力蒸发项，有：

其中

(8)

式(8)中，SR为辐射吸收量，λ为水的汽化潜热，S为饱和水汽压随温度变化曲线的斜率，δP和γ*分别为空气干燥力和表观温度计常数项，它们又分别为：

式中es和ea分别为饱和水汽压和水汽压实测值，ρCp为空气的体积热容量，γ为湿度计常数，而γh、γb和γs分别为边界层热交换阻力、边界层水汽交换阻力和气孔阻力.

式(8)中，ESR和Eδ受作物冠层叶面积状况的影响，因此作物潜在蒸腾速率Ecp，应由叶面积系数ALV进行校正［8］，则式(8)可改写为：

当叶面积系数大于2-3时，空气干燥力蒸发项对叶面积的变化不敏感.

1.2.2土壤蒸发假设土壤水分在一蒸发峰面上迅速转化为水汽，则当蒸发峰面表露时有：

ES=EPbLbS.(11)

式中ES为土壤蒸发率，bL和bS分别为作物遮阴修正系数和土壤湿度修正系数，即

式中m和n分别经验系数，分别与作物种类和土壤性质有关，ALV″为包括死叶和活叶的总叶面积系数，θa和θf则分别为风干土壤湿度和田间持水量.

考虑到实际土壤蒸发并不都发生在一个峰面上，则应由各土层蒸发贡献率mi将ES值分配到各土层中去：

式中脚标i为土壤层次，d为土层厚度，L为土层深度，K'为经验系数.

此外，为避免地下侧渗流的引入而造成模型过于复杂，地下水埋深按实际观测值输入.

1.3模型软件及其输入和输出整个模型模拟软件用CSMPⅢ语言编制(连续系统模拟程序语言).模型所需输入资料包括作物资料(品种特性和生长特性资料)、气象资料(日最高和最低气温、日照时数、日降雨量、日均湿度、日平均风速)和土壤资料(水分特征曲线，水分常数θS，θF，θW和θa，土壤饱和导水率和非饱和导水率，土壤质地类型，土层深度和厚度，地下水位埋深等).模型输出包括每日作物生长状态变量、各土层土壤含水率剖面分布以及田间水分平衡收入和支出各项.

2模型的验证和灵敏度分析

2.1模型验证田间试验于1994年11月到1995年5月在浙江衢州市十里丰农场农科所冬小麦田进行，面积1.5亩，小麦品种钱江2号，土壤为红壤性水稻土，土壤质地除15-30cm为重粘土外

图1土壤含水量模拟值和实测值的比较

其余均为轻粘土.气象资料由麦田邻近的农科所气象观测站提供，全季总降雨量为1060mm，无地下水位影响.模拟从1994年12月27日苗期开始到1995年5月23日小麦成熟结束，模拟时间总长为148d.田间土壤水分测定采用取样烘干法，每隔10d同时测定0-5cm、5-15cm和30-35cm土层深度的土壤含水量，以多点平均值与模拟值进行比较，其中3月16日到27日隔天取样测定，测定值与模拟值的比较结果如图1.

由于实测值是田间多点平均值，考虑到田间土壤水分分布的空间变异性，本模拟与实测值对比的结果是相当令人满意的.

2.2模型主要参数灵敏度分析

2.2.1对田间水分运动参数的敏感性分别把饱和导水率Ks扩大到10倍，把土表排水系数Wmax(cm，土壤表面最大允许积水深度)从2.0cm增加到5.0cm，模拟了同一小麦生长期内的土壤水分动态，并选取了5月15日土壤水分模拟剖面分布进行比较，结果如图2所示.图2表明，KS值和Wmax值的改变均对土壤水分动态变化影响较大.

图2土壤水分参数的变化对土壤水分剖面分布影响的模拟结果

2.2.2对气象因素的敏感性图3是日平均气温(Tv)、日降雨量(Ra)、日照时数(Rn)和日平均风速(Wv)的改变，对田间水分平衡模拟结果的影响.其中当日平均气温增加50%时，作物生长发育速率大大加快，小麦成熟提早了38d.为了使各次模拟结果具有可比性，统一截取各次模拟第100d时的各项水分耗损值进行比较，而没有选用正常条件下作物成熟时(模拟第138d)的结果.图3表明，模型中水分平衡过程对气象因素非常敏感.

2.2.3对作物生长参数的敏感性在其它条件相同的情况下，把作物叶面积生长速率增加50%，模拟小麦生长期间农田水分平衡状况，结果如图4所示.图4表明，影响最大的是作物遮阴减少了土壤表面的蒸发，而作物叶面蒸腾由于叶面积系数ALV′大于2-3后变化不大(见式(11))，从而影响相对较小，模拟结果还表明，作物高度PHT的变化，对土壤水分平衡过程影响较少.

图3气象因素的变化对小麦田水分平衡影响的模拟结果

图4作物叶面积的改变对田间水分平衡影响的模拟结果

3农田水分平衡的模拟分析

应用本文所提出的作物生长动态与土壤水分运动耦合模型，对南方丘陵红壤地区稻田冬季麦作的农田水分平衡和常见的土壤渍、涝问题进行模拟分析.

图5浙江衢州十里丰农场近十年冬小麦田水分平衡模拟的平均结果

3.1冬小麦田间水分平衡模拟分析浙江省丘陵红壤地区冬小麦一般于11月播种，次年5月收获，播种时常遇旱害，次年入春后迅后，即进入雨季，大量的降雨造成涝害和土壤渍害。图5是浙江衢州十里丰农场1985年至1995年10季冬小麦生长期间农田水分平衡模拟的平均结果.由于气候条件的差异，各年份小麦生育期长短不一，最长时间为179d(出苗算起，下同)，最短为168d，平均为170.8d.生育期内十年平均降雨量为771.4mm；作物蒸腾和土壤蒸发两项总和平均仅为322.5mm.如图所示，进入2月中旬以后(图中模拟时间70d以后)，地表径流迅速增加，而渗漏水量和地表径流水量两项之和始终大于田间蒸腾蒸发量.这一结果表明，降雨过多是该地区冬小麦生长十分普遍和重要问题.

3.2降雨量与土壤渍害发生关系的模拟图6是较长时间干旱后，进入雨季开始连续降雨的典型条件下，不同日降雨量的连续降雨后土壤渍害发生过程的模拟结果.图6所示，曲线末端数字表示日降雨量，若以田间持水量为渍害发生最小土壤含水量，当雨前土壤含水量为0.24cm/cm时，日降雨3mm和5mm连续5d和3d，土壤含水量即超过田间持水量而将产生渍害，日降雨量为7.5mm和10mm时，连续两天后产生渍害，大于10mm时，降雨当日就使土壤含水量达到渍害水平.

3.3地表排水能力与渍、涝消退关系模拟南方红壤稻田土壤普遍较为粘重，内排水困难.因而地表排水就显得特别重要.模拟结果表明，在当地土壤条件下，日降雨量若达到100mm而不发生地表排水和径流，则田间最大可能积水深度可达7-8cm(视雨前土壤湿度状况而略有不同).显然，地表排水越差，田间平均积水深度就越大，涝害和渍害时间也就越长.图7是日降雨量100mm时，不同地表排水能力条件下，麦田土壤涝害和渍害的发生和消退过程模拟结果.图中曲线末端数字为田间土表平均最大渍水深度，超过该深度时的水分由地表排水排出.

图6冬小麦田土壤渍害发生过程的模拟结果

图7冬小麦田土壤涝害和渍害的发生与消退过程的模拟结果

图7表明，地表排水良好的情况下，例如当田间允许积水平均深度＜1cm时，100mm降雨量造成的涝害和渍害分别在2d和6d之内可以消退；而如果田间允许积水平均深度达5cm时，涝害可能持续8d，渍害和涝害完全消退则需要11d.在当地条件下，4-5月份中日降雨量达100mm的情况几乎每年均有出现，而此时正是小麦籽粒灌浆时期，涝害和渍害对产量影响极大［7，8］.

4结论

(1)本文建立了作物生长动态与土壤水分运动耦合模型.模拟验证表明，该模型较好地反映了土壤水分条件与作物生长之间的动态耦合关系，提高了土壤水分运动模拟的可靠性和适用性，增强了处理多雨地区作物生长田间土壤水分平衡问题的能力.

(2)对浙江省红壤地区近10年的农田土壤水分平衡模拟结果表明，冬小麦生产期间平均降水量为771.4mm，而农田蒸腾蒸发量仅为332.5mm，自然降水量是作物需水量的二倍以上；因此，水分过多是该地区冬小麦生产的主要障碍.

(3)对田间渍、涝发生与消退过程的模拟分析表明，浙江省红壤地区一般土壤条件下，日降雨量大于10mm时，一日降雨就可能发生土壤渍害；而良好的地面排水，是排除渍、涝灾害至关重要的一环.当田间地表允许积水平均深度＜1cm时，100mm的日降雨量所造成的涝害和渍害，分别可在2d和6d之后完全消退；而田间地表允许积水深度达5cm时，同样日降雨量所造成的涝害和渍害的完全消退，则需11d以上.

参考文献

1康绍忠，刘晓明，高新科等.土壤-植物-大气连续体水分转输的计算机模拟.水利学报，1992，(3).

2康绍忠，刘晓明，熊运章.土壤-植物-大气传体水分传输理论及其应用.水利电力出版社，1994.

3雷志栋，杨诗秀，谢传森.土壤水动力学.北京：清华大学出版社，1981.

4杨诗秀，雷志栋，谢传森.均质土壤-维非饱和流动整理程序.土壤学报，1985，(1).

5周维博.降雨入渗和蒸发条件下野外层状土壤水分运动的数值模拟.水利学报，1991，(1).

6吕军.土壤水分平衡与作物生长动态耦合模型研究.见：生命科学研究与应用.浙江大学出版社，1996.

7吕军.浅埋地下水对冬小麦田生产影响的模拟研究.见：土壤物理与农业持续发展.科学出版社，1996.

8PenningdeVriesFWT，JansenDM，tenBergeHFM，andBakemaA.Simulationofecophysiologicalprocessesofgrowthinseveralannualcvops.PudocPublisher，TheNetherlands，1989.

9KeuenHvan，SeligmanNG.Simulationofwateruse，nitrogennutritionandgrowthofspringwheatcrop.PudocPublisher，TheNetherlands，1987.