浅埋条件下地下水-土壤-植物-大气连续体中水分运移研究综述

地下水-土壤-植物-大气连续体系统中水分运移研究对于水资源的有效利用及生态环境问题有着重要的科学研究意义。在地下水浅埋条件下,地下水、土壤水、植物水、大气水是一个连续的水分过程。通过归纳国内外在地下水浅埋条件下土壤水分运移、土壤盐分运移、以及水盐运移对植物生长发育等生物过程作用的机理等方面的研究成果,综述了近年来国内外在地下水浅埋深条件下GSPAC系统水运移在研究方法、试验和模型方面的进展、各种研究方法的原理、优缺点和今后的研究方向,分析指出定量地研究浅埋深地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响是一个复合过程,由单个过程研究向过程的综合分析发展难度较大,目前研究相对比较薄弱,是今后需要重点发展的一个方向,在此基础上阐述了GSPAC系统水运移的研究需要深入发展的几个方面。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究,建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型WheatSPAC模型。模型中,采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟;采用双层模型进行冠层水热运移的模拟;采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型,实现土壤与冠层的耦合;通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟,建立了冬小麦生长的机理性模型;通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟,实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。

土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统中植物根系吸水模型研究进展

土壤植物系统是土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的一个重要子系统。植物根系吸水过程是SPAC系统中水分运移规律研究的重要内容。从影响根系吸收土壤水分的影响因素入手,现有根系吸水模型可分为经验模型、半经验半理论模型和理论模型3类。文章综述了自20世纪60年代初第一个单根吸水模型以来的植物根系吸水模型及其最新研究进展,指出未来研究的重点是注重根系吸水机理同时,修改和完善已有根系吸水模型,简化模型参数,使之更易应用于实际。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料,得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较,表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析,得到结论:对于北京地区的气候条件,返青后作物蒸腾消耗占净辐射的5 0 %以上;如果返青后墒情较好,在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利;如果在拔节之后进行一次灌溉,则灌溉进行得越早对产量越有利;三水以后,随灌溉量的增加,产量的边际效益递减;返青后,降雨与灌溉的总量约2 4

绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热传输模型研究

该文以干旱区绿洲-荒漠交错带为研究对象,以质量守恒原理与能量平衡原理为基础,建立了潜水-土壤-植被-大气系统中水分与热量传输模式,并提出了求解潜水-土壤-植被-大气系统的数值模拟分解-协调新方法,用天山北麓三工河流域绿洲-荒漠交错带的实测资料验证了水热传输模型的可靠性.结果表明,植被冠层蒸腾量模拟值与实测值比较接近,其最大误差为11.3%,土壤含水率的模拟值与实测值的最大误差仅为5.9%,土壤温度模拟值与实测值的最大误差为8.3%,用该模型模拟绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热动态传输过程、植被蒸腾量、地表蒸发量和植被的根系吸水率具有较高的精度.

土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。

苹果-小麦复合系统SPAC水分运移模拟模型

根据土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)水分传输理论原理 ,充分考虑农林复合系统的特殊性和复杂性 ,建立太行山低山丘陵地苹果 -小麦复合系统SPAC水分运移模拟模型 ,该模型具有二维空间属性。采用数值计算法求解模型方程 ,利用土壤水分实测数据对模型进行验证 ,结果表明 :16 8对模拟值与实测值相对误差的平均值为6 89% ,线性相关系数r可达 0 836 7,t=0 197<t3340 .0 1 =2 5 6 8。

土壤水分模拟与墒情预报模型研究进展

土壤墒情预报是在土壤水分模拟模型的基础上对农田耕作层土壤水分的增长和消退程度所进行的预报。墒情预报是灌溉预报的基础 ,对于水资源短缺条件下农田水分的合理调控具有重要意义。墒情预报模型可以分为确定性模型与随机性模型两大类 ,其中确定性模型包括水量平衡模型、土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)水分传输模型、SPAC水热耦合传输模型等 ,随机性模型包括数理统计模型 (包括回归模型、时间序列模型、人工神经网络模型等 )、随机水量平衡模型与随机土壤水动力学模型等。本文对各类墒情预报模型进行比较 。

典型林区水分氢氧稳定同位素在土壤-植物-大气连续体中的分布特征

土壤-植物-大气连续体(SPAC)中水循环是水文学和生态学研究的重要内容,氢氧稳定同位素在不同水体中组成特征的差异可以指示水分循环过程。本研究通过分析成都平原区亚热带常绿阔叶林中降水、土壤水、植物水的同位素组成,探讨SPAC系统中水分的氢氧稳定同位素演化特征,揭示区域水循环不同界面过程。结果表明:研究区雨季大气降水线方程为:δD=7.13δ^(18)O+2.35(R^(2)=0.99),土壤蒸发线方程为:δD=6.98δ^(18)O-0.32(R^(2)=0.92)。在降水→土壤水→植物水的界面水输送过程中,氢氧同位素逐渐富集。浅层土壤(0~35 cm)水δ^(18)O受降水的直接影响,响应关系明显,中深层土壤(35~100 cm)水则相对稳定。观测期间,植物木质部水同位素比土壤水略微富集,说明水分在植物体内输送过程中可能通过韧皮部或树皮发生轻微蒸发或蒸腾。采用直接相关法初步估计植物对不同土层土壤水的利用情况,樟树主要利用中层土壤水,构树主要利用浅层土壤水,金星蕨因根系分布浅更倾向于利用浅层土壤水和植物截留的降水。与金星蕨相比,樟树和构树的叶片水分蒸发和同位素动力分馏程度更强。

基于稳定同位素的干旱半干旱区SPAC水分运移过程研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)是生态水文学的重点研究对象,其水分运移过程对于干旱半干旱区生态植被建设和水资源综合管理具有重要意义。氢氧稳定同位素较高的灵敏性和准确度有助于揭示这一过程。介绍了氢氧稳定同位素在土壤-大气界面、土壤-地下水界面、土壤-植物界面和植物-大气界面水分补给传输过程中的应用,包括土壤水分来源和蒸发;水分补给入渗机制和滞留时间;植物水分来源和水力再分配;蒸散发分割和叶片吸水的相关研究,同时明确了氢氧稳定同位素技术在应用过程中存在的一些不确定性以及未来亟需加强的方面,以期为利用稳定同位素技术对生态水文过程的研究提供参考依据。

核磁共振技术在土壤-植物-大气连续体研究中的应用

植物体内的水分状态与传输过程是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输理论的核心内容,也是研究植物水分利用与调控的基础.植物体内水分的传输过程受外界环境影响较大,植物需要通过对体内水分状态的适当调整来适应环境变化和维持自身的生长发育.由于蒸发通量、压力室、高压流速仪、热脉冲等传统检测方法往往会对植株造成破坏和损伤,因此难以准确反映和定量描述植物体内水分传输的真实过程.核磁共振技术(NMR)由于其无损、非侵入的特点,在植物水分分布和传输相关研究中日益得到关注.本文概述了NMR在检测植物体内水分分布、传输以及含量测定等方面的研究进展,还分析了目前NMR技术在SPAC系统研究中存在的问题及可能的解决方法,并指出NMR技术将来可能在植物水分生理、植物与环境互作以及水分代谢等相关研究领域的应用.NMR技术在SPAC系统研究中的应用在我国仍处于初级阶段,开发户外便携式、开放式检测仪器是NMR技术在SPAC研究领域进一步应用和推广的关键所在.

土壤水分研究进展及简要评述

回顾了土壤水分研究的进程及取得的一些成就:从最初的形态学观点到现在的能量观点;从简单研究逐步发展为一门学科,再到多学科交叉;研究方法日趋理论化同时注重应用,理论与实践相结合;研究手段的多样化;研究领域的扩展等等。同时指出了当前土壤水研究存在的一些问题,并对未来土壤水研究进行了展望。

SPAC中油松栓皮栎混交林水分特征与气体交换

20 0 1年 4— 10月 ,通过林内标准地观测的方式 ,对北京西山地区一块 3 1年生的油松栓皮栎混交林的水势 (用压力室测定 )日变化、净光合速率和蒸腾速率 (用Licor 640 0测定 )日变化过程进行测定 .结果表明 ,在土壤 植物 大气连续体 (SPAC)系统中 ,生长季内水势的波动幅度按从大到小的顺序是大气 >植物 >土壤 ,其中大气水势的绝对值要比植物和土壤水势高 1～ 3个数量级 .土壤、植物和大气水势的日变化规律类似 ,并表现出明显的季节差异 .在生长季不同标准日内 ,油松和栓皮栎的净光合速率和蒸腾变化规律差异较大 .通常 ,栓皮栎的净光合速率和蒸腾速率明显高于油松 ,但在水分胁迫时 ,二者的差异会减小 .在生长季中的绝大部分时段 。

用于田间作物—水分关系研究的ThuSPAC模型

田间作物水分关系是土壤植物大气连续体 (SoilPlantAtmosphereContinuum ,简称SPAC)理论的重要研究内容。本研究介绍的ThuSPAC(TsinghuaUniversitySPAC)模型 ,包含土壤水热运移 (Soil)模型、冠层 (Canopy)模型、土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)模型、冬小麦生长模拟 (Wheat)模型、冬小麦生长与SPAC水热运移耦合的WheatSPAC模型 5个独立的模型。利用ThuSPAC模型 ,可以根据土壤条件、冬小麦品种参数、气象条件及灌溉条件等 ,动态模拟土壤、冠层中水分温度的分布规律、冬小麦生长过程及最终产量。模型的开发语言为VisualBasic ,界面友好 ,在相关领域的研究中具有广泛的应用前景。

三峡库区土地单元间农林复合结构对土壤水分分布的影响

通过对三峡库区迎江坡面8种连续经营8年以上的代表性土地单元间农林复合结构模式的土壤水分状况监测,研究土壤水分分布规律。结果表明:由相同土地单元组成的农林复合结构模式,因土地单元的配置结构不同,土壤水分的动态变化存在着显著差异,土壤涵养水源的能力相异。林地-经济林-坡耕地、坡耕地-林地-经济林土壤水分状况优于其他结构类型。对三峡库区经济林生产而言,坡耕地-林地-经济林结构模式最优,林地-经济林-坡耕地次之。林地-经济林-坡耕地模式土壤贮水容量最大,林地-坡耕地-经济林模式次之,坡耕地-经济林-林地模式最小。林地中配置坡耕地会显著降低土壤涵养水源能力,在暴雨后,48h内1m^3表层土壤贮水容量减小2.496t;坡耕地中配置林地能显著增加土壤持水能力,48h内1m^3表层土壤持水量增加2.02t;林地开垦比坡耕地上造林对土壤水分特性的影响更显著。

油松人工林SPAC水势梯度时空变化规律及其对边材液流传输的影响

利用热扩散式边材液流茎流探针 (TDP)和微型自动气象站组成的测定系统于 2 0 0 1年 4月在北京林业大学妙峰山教学实验林场 (39°5 4′N ,116°2 8′E)对低山油松 (Pinustabulaeformis)人工林土壤_植物_大气体 (SPAC)界面水势梯度及油松木质部边材液流传输速率的时空变化规律及其相关因子进行了连续测定。土壤水势随深度下降逐渐升高 ,日周期波动幅度减小 ,灌水后上层土壤水势迅速提高 ,但随着水分扩散和林地持续蒸散 ,土壤湿度迅速下降并逐渐与对照趋同 ;叶片水势连日逐渐降低 ,灌水后水势较对照有一定程度提高 ;林冠不同层次叶片水势在日周期内不同时间差异显著 ,但同一层次之间差异不明显 ;油松人工林土壤、叶片、大气水势梯度比约为 1∶5∶30 ,灌水后SPAC相临界面水势差增大 ,水势梯度提高至 1∶15∶90。大气水分饱和亏缺与土壤水势和叶片水势、以及土壤水势与叶片水势之间均有极显著相关性。干旱春季灌溉对油松木质部边材液流时空波动产生很大影响 ,灌水后连日树干上位边材液流峰值出现时间推迟 1h ,连日平均液流速率提高 4 8.5 9% ,连日平均最大液流速率提高 2 5 .12 %。木质部边材液流速率日变化和连日变化与SPAC水势和气象因子如空气相对湿度、空气温度、太阳辐射强度密切相关。与对照相比 。

半干旱黄土地区幼龄侧柏叶蒸腾的数学模型

通过人工控制水分,形成单株幼龄侧柏的不同土壤水分梯度环境。在自然环境下对侧柏叶片定时、定位进行蒸腾速率及林冠层的光照、空气温度、空气湿度、叶水势和土壤水分等因子的同步观测。蒸腾速率与各个因子的相关分析表明:黄土半干旱地区侧柏蒸腾速率η_t/(μg·cm^(-2)·s^(-1))与光照强度E/(μmol·m^(-2)·s^(-1))、空气饱和差p_v/kPa、叶水势Ψ/kPa、气温t/℃的关系可以分别表示为:η_t=αE^b,η_t=αp_v^b,η_t=αψ~b,η_t=αt^2+bt+c;侧柏的蒸腾速率η_t与气孔阻力Rs/(s·cm^(-1))和土壤含水量W/％有密切关系,可以分别表示为:η_t=α+bW+cW^2+dW^3,Rs=α+bW+cW^2+dW^3。用气温、空气饱和差、叶水势3个因素建立了半干旱黄土地区幼龄单株侧柏蒸腾速率的非线性指数预测模型:η_t=0.695 0exp(0.031 58t-14.249 2/Pv+0.760 6/Ψ),经检验获得了满意的数值模拟结果。

沙地濒危植物长柄扁桃生物学特性与抗逆性及应用综述

揭示长柄扁桃生物学特性与抗逆性机理并提高其在荒漠化治理中的生态效益和经济效益,是实现西北旱区荒漠化治理可持续发展和提升生态脆弱区生态系统服务功能面临的重要科学问题。本文回顾了长柄扁桃研究所取得的进展,包括建立了长柄扁桃快速育苗和无灌溉水栽培技术,揭示了不同地区长柄扁桃生长规律及其对逆境的适应性,推进了长柄扁桃在荒漠化治理中的应用及其产品开发等;在此基础上,提出了长柄扁桃研究面临的机遇和挑战,包括长柄扁桃的适生土壤类型与耗水量,不同地区长柄扁桃的合理种植密度及其调控和管理措施,长柄扁桃抗逆性机理及其产品开发与高值综合利用等,以期为我国在西北地区推广和建设长柄扁桃林、优化水土资源管理和提高脆弱生态系统的服务功能提供科学依据。

南方地区非充分灌溉稻田水稻根系吸水模型研究

作物根系吸水是土壤 -植物 -大气连续体水分传输问题研究中的一个重要部分 ,同时又是根区土壤水分动态模拟必不可少的资料。本试验对非充分灌溉稻田水稻根系分布特征进行研究 ,对水稻分蘖期根系吸水进行动态模拟 ,得到非充分灌溉水稻的根系吸水模型 ,并用实测资料对模型进行验证。结果表明 。

植物水分来源稳定氢氧同位素偏移研究进展

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量,确定植物水分来源贡献,评估植物水分利用策略,是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ^(2)H和δ^(18)O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差,引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象,其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架,系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ^(2)H与δ^(18)O偏移的自然效应,同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ^(2)H与δ^(18)O偏差的人为效应。最后,根据现有研究进展提出主要问题,从获取同位素时空数据,微尺度同位素偏移原因,提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。