农田土壤水分测定与模拟研究进展

高峰;胡继超;贾红

【摘 要】土壤水分不仅是农业生产中影响产量的重要调控因子,而且还影响环境污染物质的迁移和土壤的持续利用.本文对土壤水分各测定方法的优缺点进行了评述.提高土壤水分监测传感器精确性和观测数据自动采集、区域土壤水分的遥感监测是当前和未来的主要发展方向.对国内外应用较多的土壤水分模型做了概括和总结,其模拟方法主要以土壤水动力学方法、土壤水分平衡方法为主,随机模型受到关注.本文还对土壤水分的未来研究进行了展望. 【期刊名称】《江苏农业科学》 【年(卷),期】2008(000)001 【总页数】5页(P11-15)

【关键词】土壤含水量;模拟;测定;方法 【作 者】高峰;胡继超;贾红

【作者单位】南京信息工程大学,江苏南京,210044;吉林省松原市气象局,吉林松原,138005;南京信息工程大学,江苏南京,210044;南京信息工程大学,江苏南京,210044 【正文语种】中 文 【中图分类】S15-1

“有收无收在于水”,土壤水分不仅是农作物产量的限制因子，而且其含量和形态

会影响到土壤中许多化学、物理和生物学过程。故开展农田土壤水分监测与模拟研究具有重要意义，主要表现在：(1)准确、及时地进行农田土壤水分监测与模拟预测，对于评估干旱、洪涝﹑湿害，优化利用有限的水资源，提高水分利用效率具有重要意义。(2)对环境问题的日益关注也引起了对土壤贮水量和土壤水分运动模拟的兴趣。尤其是因为土壤贮水量和土壤水分运动影响土壤化学物质的运动和转化(如甲烷的排放、土壤养分的转化)，在土壤退化过程中(如有机质的流失、土壤风蚀水蚀、土壤盐碱化等)土壤水分也起着基础的作用。(3)在农业生产管理决策中，土壤水分也扮演重要角色。它影响施肥、治虫、灌水的最佳时机和用量，以及灌排系统的设计。它与耕作、休闲、轮作等耕养土壤保护措施的互作影响土壤的持续利用，从而影响农业的持续发展。为此,本文综述了该方面的研究进展情况。 1 农田土壤水分测定技术研究进展

土壤水分测定方法包括烘干法、中子法、TDR、FDR、电阻法、电容法、遥感方法、地探雷达等。

烘干法是测定土壤水分的基本方法。其测定精度较高，所需的土钻、烘箱均为常规设备，比较容易得到满足。但烘干法野外取样的工作量大，用烘箱烘干测定土壤水分所需的时间比较长，对土壤有一定的破坏性，不便于长期定点连续监测。 中子法克服了烘干法的一些缺点，可以实现对土壤水分的定点连续观测，但中子存在潜在的辐射性，当对表层土壤和干燥土壤进行水分测定时误差较大。

时域反射仪(TDR)避免了中子仪测定具有放射性的缺点[1]，能快速、准确地对土壤水分进行定点连续测定，并能实现对土壤水分监测自动化，目前在野外土壤水分自动监测中使用较为普遍。不足之处是TDR价格较高。

频域反射仪(FDR)测定的精度较高，具有快速、准确、连续测定优点，不扰动土壤，能自动监测土壤水分及其变化，FDR耐用，价格便宜，无放射性。缺点是在野外土壤水分监测应用中因土壤类型不同需要标定。但FDR良好的性能和低廉的价格

使它在土壤水分测定中越来越受到青睐，有取代TDR的趋势。

电阻法和电容法产生的时间比较长，在土壤水分的测定中仍广泛使用。电阻法所用的传感器元器件价格低廉，不易腐坏，可以定点埋设，与数据自动采集系统连接可以实现遥测。电阻法测定土壤水分埋设探头时会破坏土壤结构，测定土壤水分时存在滞后现象[2]，测定结果易受温度和土壤溶盐的影响，对各种不同质地的土壤测定时要分别进行标定。电容法与电阻法有相似的优缺点，耐腐蚀，造价低，适宜定点不取样遥测。与电阻法相比，电容法受土壤盐分的影响较小，但埋设探头时会破坏土壤结构。电容法对土壤接触状况敏感，易受土壤物理结构的影响。随着电子技术和材料科学的发展，电阻和电容传感器将向更加精确、价格低廉的方向发展，可满足农田水分快速监测和信息快速采集的需要。

遥感监测土壤水分的可行性研究在20世纪60年代就已经开始了，而应用研究也于70年代中期开展起来。国内开展土壤水分遥感监测试验比国外大约晚10年以上，大体上从20世纪80年代中期才开始起步。利用遥感技术可以实现实时、快速、长时期动态大面积区域监测土壤水分，遥感测定方法中的可见光、近红外遥感技术由于受云层覆盖及太阳照射条件的限制，对土壤水分的研究不能达到很好的效果。微波技术(如雷达)则可以克服上述缺点[3]，但对深层的土壤水分测定遥感技术有待于进一步研究与提高。多种遥感技术的联合应用以及与地面技术的结合是目前遥感技术的主要方向。

土壤水分测定研究中，作为一种新型的土壤水无损探测仪器，探地雷达应用研究日益受到重视。探地雷达(GPR)是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在地面上通过发射天线将电磁波信号送入地下，经过地层界面或目的体反射后返回地面，根据电磁波的传播速度,求得介电常数,然后根据介电常数与含水量关系的理论模型计算出含水量。介质电导率的变化会引起GPR信号衰减，也可以用GPR测定相移时间，然后根据相移时间与含水量的理论模型计算出含水量。探地雷达具有探测效

率高、数据采集到资料处理成像一体化、抗干扰能力强、探测分辨率高、对土壤具有非破坏性等优势。但探地雷达用于土壤水分的测定技术尚不成熟，对黏土和盐碱土水分测定误差较大。探地雷达的某些技术还需要不断完善，设备价格仍然较高，故在未来的发展上将向更加轻便、更强抗干扰、更强分辨率、更加经济实用转变，以满足探测土壤空间分布差异性的需要。 2 农田土壤水分动态变化的模拟研究进展

模拟土壤水分动态变化的方法主要有土壤水动力学方法、土壤水分平衡法、数理统计方法和随机模型等。土壤水动力学方法具有较严格的物理基础，既适于研究农田垂直向一维水分剖面，也可用于研究层状土壤。但需要的土壤物理参数较多，而且要精确模拟土壤水分变化，设定的模拟时间步长要较短。它是几十年来应用最为普遍的模型，国外在这方面的研究和应用很多。土壤水分平衡法思路明确，操作简便，而且各变量和参数较易获得，故在研究层状土壤水分动态变化时，应用也较广泛。该方法的不足在于避开了一些土壤物理参数(特别是导水率)，从而对降水的入渗、入渗后土壤水分的再分布等过程的模拟不准确，而且仅适合地下水位埋藏较深的情况。数理统计方法应用性强，资料容易取得，但参数的物理意义不明确，在时空上外延性差，应用范围有局限性。时间或空间上的随机模型在国外有很多应用，该方法越来越受到国内外学者的关注。 2.1 国外几种土壤水分模型简介

有不少学者建立了土壤水分变化模拟模型，有的把它作为一个子模块，耦合在作物模拟模型中。有的把它作为模型的核心，用于研究土壤水盐运动或土壤溶质运移、作物对水分的利用效率和农田灌溉决策管理。

2.1.1 CERES土壤水分平衡子模型 CERES系列模型中的土壤水分平衡子模型为串型模式，考虑了地表径流、降水入渗、地表蒸发、饱和和非饱和土壤水分运移、渗漏、根系吸水、蒸散等过程[4]。该模型在土壤水分层间运移考虑较为简单，对土

壤水分偏湿的情况考虑不周。

2.1.2 VSMB多层次土壤水分平衡模型 该模型由加拿大W.Baier和J.A.Dyer创建于20世纪60年代。其基本特点是将土壤分层，根据多层次土壤水分平衡原理，考虑土壤与作物的相互作用，凭借有关土壤、作物的经验或测定参数，利用作物生育期、逐日气象资料，模拟田间土壤各层次水分动态变化[5]，考虑了蒸散、下渗、径流等过程。

2.1.3 SWAGMAN-Destiny SWAGMAN-Destiny是模拟高地下水位时土壤水分和盐分平衡以及对作物系统的生产力影响的垂直一维流模型。通过模拟最小地下水上升和盐分的变化，进行作物和土地管理决策[6]。土壤水分平衡模块模拟了水分的入渗、排水和向上的水分运动，结合计算潜在蒸散，考虑根吸水来模拟实际蒸腾。模型对地下水位的位置也进行了模拟，并判断该位置是在根区内部还是在根区下部，以及它的影响。模型把土壤分成15层，总土层深度为5 m。

2.1.4 SWATRE SWATRE是把非饱和-饱和系统作为整体处理，考虑根系吸水的一维瞬变有限差分土壤水分模型[7]。土壤剖面分成若干层(每层包括一到多个单元厚度相等的土层)，每层的土壤物理性质(如土壤水分特征和导水率)可不同。模型考虑了因地下水位的存在及变化而引起的土壤水分在饱和层和非饱和层之间的流动。 2.1.5 DRAINMOD DRAINMOD是Skaggs等开发研制的模拟土壤排水的水分管理模型，用于湿润的气候及地下水位较浅的地区[8]。模型采用土壤水分平衡方法模拟土壤水分非饱和运动。在饱和区考虑了侧向的水分运动。

2.1.6 ISAREG ISAREG是一个基于土壤水分平衡方法的灌溉计划模拟模型，它能计算给定作物的灌溉日期和灌溉量、给定灌溉安排的结果评估和计算作物的水分需求[9]。为土壤分层模型，考虑了地下水的贡献、不同的灌溉方式、水分供应的限制。模型输入资料有土壤、作物和气象资料。适用于干旱地区。

2.1.7 ORYZA2000 水稻生产模型ORYZA2000的土壤水平衡模拟包括两个子模型，

PADDY子模型自动模拟田间水壤水分含量和土水势的动态变化。IRRIG模拟每日的灌溉量。逐日蒸发蒸腾用修正的Penman公式计算求得[10]。PADDY是一个通用的多层土壤水分平衡模型,可以用于打破犁底层的土壤和不打破犁底层的土壤,也可以用于排水通畅的土壤和排水不畅的土壤。同时考虑了由地下水引起的毛管水上升进入土壤根区的水分。

2.1.8 HYDRUS HYDRUS是能模拟不饱和、部分饱和、完全饱和条件下土壤水、热与溶质运移的综合模型[11]。在模型中综合考虑了土壤水分运动、热运动、溶质运移和作物根系对土壤水分的吸收作用,模型具有灵活的输入输出功能，适用于恒定或非恒定的边界条件。

2.1.9 WAVES WAVES模型对水、植被、能量和溶质之间的联系进行动态模拟，是研究土壤、植物、大气间能量流动和物质流动规律的一个综合模型[12]。土壤水运动的描述利用Richards方程,该子模型包括降雨入渗、径流、作物根系水分吸收、水分再分配、地下水等问题。模型利用Penman-Monteith公式计算上、下冠层蒸散量和土壤蒸发，动力阻力可根据Monm-Obukhov的相似理论来确定，冠层阻力的计算利用Ball和Leuning模型确定。

2.1.10 DAISY DAISY是一种较好的模拟土壤水分和氮素运移、作物生长动态的模型，后经Hansen等发展，它可以模拟不同条件下物质和能量平衡[13]。在DAISY的水分平衡子模型中模拟了积雪和消融，模型中用潜在土壤水分蒸发蒸腾损失总量作为土壤蒸发的驱动力和蒸发上限。作物蒸腾由根吸水量决定，而根吸水量取决于根系深度和根的密度，模型以大气和地下水作为地表和土壤水平衡系统的边界，在下边界考虑地下毛管水上升和底层渗漏，上边界则考虑了降水、灌溉、入渗、蒸散、植物截流和地表径流。

2.1.11 COUPMODEL COUPMODEL是模拟土壤-植物-大气系统中水分、热量传输的机理性模拟模型[14]，它适用于各种土壤类型和不同的植被覆盖状况。该模型

遵循质量守恒定律，由水势梯度和温度梯度作为土壤水运动的驱动力，依据数学物理方法和概念，利用偏微分方程计算公式来模拟水、热运动过程。剖面土层的深度是模型的基础结构。该模型模拟了饱和与非饱和条件下水分的传导机制，模拟了冻结与解冻过程，模拟了根系发育，模拟了植物对水分吸收的调节机制，模拟了植被覆盖如何影响空气动力学传导和在土壤表面的辐射吸收平衡。

2.1.12 RZWQM RZWQM是由美国农业部农业服务处开发建立的作物根际水质模型[15]。该模型最初用于模拟非饱和或饱和条件下的土壤水分和溶质运移，后来发展成为一个描述农田生态系统物理、生物化学过程的综合性过程模型，可用于模拟作物生长发育、作物根系吸水、土壤中水分运动、土壤中热量、土壤中养分和溶质运移、化学农药在土壤溶液中的转化等过程。该模型能模拟土壤中大孔隙流和地下水位的动态变化。在模型中应用了改进的Shuttleworth-Wallace模型计算潜在的蒸发和蒸腾。

2.1.13 EPIC 土壤侵蚀和生产力影响估算模型EPIC是美国研制的、定量评价气候-土壤-作物-管理综合连续系统的动力学模型，能以天为时间步长模拟农田水土资源和作物生产力的动态变化，能模拟气候变化、径流与蒸散、水蚀与风蚀、养分循环、农药迁移、植物生长等过程[16]。EPIC模型中对土壤水分动力学考虑较为详细，包括考虑降水(包括灌溉水)、入渗、径流、再分布、土壤水分蒸发和作物吸收蒸腾等环节来模拟根层土壤水分变化，从而定量土壤水分动态变化及其对产量的影响。EPIC模型提供了包括彭曼公式在内的4种计算潜在蒸发量的方法。

国外的土壤水分模型中，一般都注重土壤水与作物间的转化关系，从水循环的角度考虑土壤水的动态变化，但对地下水位变化模拟的模型较少。在模型的发展上，从单一的土壤水模型，向土壤水热耦合、土壤水与溶质运移相结合、土壤水与作物模型以及环境生态模型相结合转变。 2.2 国内土壤水分模拟研究进展

我国在土壤水分模拟研究方面从20世纪80年代以来也取得了较大进展。杨诗秀等建立了匀质土壤一维非饱和流动的数值计算模型[17]。邵明安等提出了反映根系吸水机理的宏观数学模型[18]。康绍忠等在SPAC系统水分传输机理研究的基础上，提出了包括根区土壤水分动态模拟、作物根系吸水模拟和蒸散模拟三个子系统的SPAC水分传输动态模拟模型[19]。刘昌明等对土壤-植物-大气连续体中的蒸散模型进行了研究[20]。龚元石等根据水分平衡模型研究了冬小麦和夏玉米田间的水分变化规律，计算了农田实际蒸散量和土壤分层根系吸水量[21]。申双和等将CERES-小麦的土壤水分平衡子模型进行了应用，提出了一种改进的旱地农田土壤水分平衡模型[22]。尚宗波等利用气温、降水量、日照时数等气象要素，建立了玉米土壤水分动态模型[23]。刘广明等利用室内模拟试验深入研究了地下水埋深、地下水矿化度对土壤蒸发量的综合作用，并建立了相应的模型[24]。徐力刚等从地下水流运动特点和土壤水盐运动的机制出发，提出了一种简化数值模拟方法，用于预报土壤水盐动态[25]。汪丙国等对冬小麦生长条件下土壤水分的动态变化规律进行了模拟，揭示了人工微地形条件下典型时刻土壤水流动系统特征，建立了土壤沟垄微地形条件下土壤剖面二维饱和-非饱和水流运移的数学模型[26]。陆垂裕等提出了可以用来统一计算土壤剖面降雨/灌溉入渗、地表积水、地表径流、蒸发、蒸腾以及当这些现象交替出现时的复杂上表面边界条件的一维土壤水运动数值模型[27]。 我国的土壤水分模拟主要限于非饱和土壤水分运动的研究，在湿润气候下，地下水位过高，非饱和-饱和状态下的土壤水分变化的模拟研究有待加强，如稻田土壤水分的模拟研究不多见，不利于解决稻田节水问题。土壤水分动态模型中，对地下水位高时不同土壤质地下毛管上升水的模拟、农田土壤水分的侧向运移、根吸水空间分布模型还考虑不足。 3 研究展望

在土壤水分研究工作中，国内外科技工作者通过不懈的努力取得了很大进步。在科

技迅猛发展的21世纪，新技术新方法将更多地应用于土壤水分的研究工作中。预计，未来土壤水分测定与模拟研究在以下几个方面会更加深入地开展。(1)土壤水分是土壤学、农业气象学、植物生理学、水力学、环境科学等学科关注的重要内容之一，各学科的交叉融合仍是未来土壤水分研究发展的需要。(2)土壤水分监测传感器的研制会进一步向准确、安全、快速、自动采集、价格低廉方向发展；遥感传感器性能在未来将不断改进，基于3S技术的遥感信息与地面自动遥测点面信息相结合的大面积土壤水分动态监测将是一个重要的研究内容。(3)土壤水分的动态机理模型研究将更加深入，如优先流、大空隙流等在模型中的考虑、地下水位高时不同土壤质地地下毛管上升水的模拟、农田土壤水分的侧向运移等都还有待深入探讨。(4)土壤水分的数值模拟也从均一垂直向的一维流动向复杂边界条件的一维流动模型转变[27-28]，从农田尺度的一维流动模拟向二维、三维流动模拟转变[29-30]，从农田尺度模拟向考虑时空变异的区域尺度模拟转变[31-32]。

【相关文献】

[1]逄春浩. 土壤水分测定方法的新进展——TDR测定仪[J]. 干旱区资源与环境,1994,8(2):69-76. [2]希勒尔 D. 土壤和水——物理原理和过程[M]. 华 孟,叶和才，译.北京:农业出版社,1981. [3]刘 伟,施建成,余 琴，等. 地表土壤水分与雷达后向散射系数及入射角之间关系研究[J]. 国土资源遥感,2004(3):14-17.

[4]曹永华. 美国CERES作物模拟模型及其应用[J]. 世界农业,1991(9):52-55.

[5]Baier W，Robertson G W. Soil moisture modeling-conception and evolution of the VSMB[J]. Can J Soil Sci,1996,76:251-261.

[6]Edraki M,Smith D,Humphreys E,et al. Validation of the SWAGMAN farm and SWAGMAN destiny models[R]. Griffith：CSIRO Land and Water, 2003.

[7]Belmans C, Wesseling J G,Feddes R A. Simulation model of the water balance of a cropped soil: SWATRE[J]. Hydrology,1983,63(4):271-286.

[8]Skaggs R W. DRAINMOD reference report-methods for design and evaluation of drainage-water management systems for soils with high water tables[M]. Raleigh:North

Carolina State University,1990.

[9]Teixeira J L,Pereira L S. ISAREG, an irrigation scheduling simulation model[J]. ICID Bulletin,1992,41(2):29-48.

[10]Bouman B A M,Kropff M J,Tuong T P,et al. ORYZA2000:modeling lowland rice[R]. Manila,Philippines：International Rice Research Institute,2001.

[11]Schlegel P,Huwe B,Teixeira W G. Modelling species and spacing effects on root zone water dynamics using Hydrus-2D in an amazonian agroforestry system[J]. Agroforestry Systems,2004,60(3):277-289.

[12]Slavich P G,Hatton T J,Dawes W R. The canopy growth and transpiration model of waves:technical，description and evaluation[R]. Griffith:CSIRO Land and Water,1998. [13]Abrahamsen P, Hansen S. Daisy: an open soil-crop-atmosphere system model[J]. Environmental Modelling and Software,2000,15(3):313-330.

[14]Jansson P E,Moon D S.A coupled model of water,heat and mass transfer using object orientation to improve flexibility and functionality[J]. Environmental Modeling and Software,2001,16:37-46.

[15]Agricultural Research Services. Root zone water quality model (RZWQM) 1. 0. technical documentation[R]. Great Plain Systems Research Uint, USDA-ARC,Fort Collins CO, 1992.

[16]Sharpley A N, Williams J R. EPIC:erosion productivity impact calculator[R]. USDA ARS Technical Bulletin,1990:235.

[17]杨诗秀,雷志栋,谢森传. 均质土壤一维非饱和流动通用程序[J]. 土壤学报,1985,22(1):24-35. [18]邵明安,杨文治,李玉山. 植物根系吸收土壤水分的数学模型[J]. 土壤学报,1987,24(4):295-305. [19]康绍忠,刘晓明,高新科，等. 土壤-植物-大气连续体水分传输的计算机模拟[J]. 水利学报,1992，23(3):1-12.

[20]刘昌明,窦清晨. 土壤-植物-大气连续体模型中的蒸散发计算[J]. 水科学进展,1992,3(4):255-263. [21]龚元石，李保国. 应用农田水量平衡模型估算土壤水渗漏量[J]. 水科学进展,1995,6(1):16-21. [22]申双和,李胜利. 一种改进的土壤水分平衡模式[J]. 气象,1998,24(6):17-21.

[23]尚宗波,杨继武,殷 红，等. 玉米生育综合动力模拟模式研究 Ⅰ. 土壤水分影响子模式[J]. 中国农业气象,1999,20(1):1-5.

[24]刘广明,杨劲松. 土壤蒸发量与地下水作用条件的关系[J]. 土壤,2002(3):141-144.

[25]徐力刚,杨劲松,张妙仙. 土壤水盐运移的简化数学模型在水盐动态预报上的应用研究[J]. 土壤通报,2004,35(1):8-11.

[26]汪丙国,靳孟贵,方连育，等. 沟播冬小麦田土壤水流动系统模拟[J]. 中国农村水利水电,2006(2):35-37,40.

[27]陆垂裕,裴源生. 适应复杂上表面边界条件的一维土壤水运动数值模拟[J]. 水利学报,2007,38(2):136-142.

[28]李 毅,王全九,王文焰，等. 入渗、再分布和蒸发条件下一维土壤水运动的数值模拟[J]. 灌溉排水

学报,2007,26(1):5-8.

[29]池宝亮,黄学芳,张冬梅，等. 点源地下滴灌土壤水分运动数值模拟及验证[J]. 农业工程学报,2005,21(3):56-59.

[30]李久生,张建君,饶敏杰. 滴灌施肥灌溉的水氮运移数学模拟及试验验证[J]. 水利学报,2005,36(8):932-938.

[31]张圣微,雷玉平,郑 力，等. 基于GIS的土壤水分运动模型[J]. 土壤通报 ,2006,37(6):1066-1070. [32]徐 英,陈亚新,史海滨，等. 协方差矩阵上-下三角分解法在区域土壤水盐条件模拟的应用[J]. 水利学报,2004，35(11):33-38.