关中平原区土壤水能量状况研究

关中平原区土壤水能量状况研究

代玉婷1,2，杨龙1,2

1.中陕高标准农田建设集团有限公司，陕西 杨凌712100；  2.中国杨凌耕地保护与质量提升创新中心，陕西 杨凌712100；

摘要：关中平原是中国重要的农业区域之一，其土壤水能量状况对于农作物的生长和农业生产具有重要影响。土壤水能量是指土壤中水分和能量的储存和转移情况，是土壤中水分和能量供给的基础。研究关中平原区的水能量状况对于农业生产直至关重要。

关键词：关中平原区；土壤；水能量；农业生产

依托项目：陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY-YB-2023-57）：陕西省关中渭河平原区耕地质量和耕地产能评价及应用

1  引言

土壤水问题十分复杂，19世纪前，在生产实践过程中，一般采取经验法解决土壤水问题[1]。1907年Buckingham提出了毛管势理论，1931年提出非饱和水分函数解析及Richards 非饱和流方程，他们都将数学物理方法应用到土壤水中，使该领域的发展迈入新时代[2]。1977年第一次全国土壤物理学术会议在杭州召开，会议上第一次提出水能量的概念。自此学者们开始对水能量进行定性、定量分析。土壤水动力学成为了我国水文水资源领域的一个新兴研究方向，目前，土壤水成为了多学科的交叉学科，如水热盐的耦合运移，水热运移等[3]。土壤水运动机理研究也更加深入，学者们结合遥感技术，理论分析对水运动问题进行反演，研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究[4-5]。研究土壤水能量及水运动机理的方法也多种多样，学者们引入大量模型对水运动规律进行探讨，例如：van Genuchten模型[6]，HYDRUS模拟[7]，SPA-GA-SVR模型[8]，EnKS和SWAT模型[9]。

土壤水是土壤中的一种重要组成部分，它具有特定的能量形式，包括动能和势能。根据经典物理学的分类，土壤水的动能可以被忽略不计，因为它的运动速度非常缓慢。相反，土壤水的势能起着决定性的作用，影响着土壤水的状态和运动。土壤水的势能是指由于水分所处的位置和内部状况而产生的能量。这种势能可以在很大范围内变化。例如，当土壤水从高处流向低处时，两点之间的势能差会驱使水分流动，产生一种趋向性。这种势能差也可以通过土壤中的水分含量和压力差来表现。土壤水的流动对于植物生长和土壤生态系统的功能至关重要。它可以供给植物所需的水分和养分，并帮助调节土壤温度和湿度。此外，土壤水的运动还参与了土壤中的物质转移和化学反应过程。因此，了解土壤水的势能变化及其对土壤水分状态和运动的影响，对于研究土壤生态系统、植物生长以及水资源管理具有重要意义。通过深入研究土壤水的势能变化机制，可以更好地理解土壤水循环和水分利用的过程，并为农业生产和环境保护提供科学依据。

2 土壤水能量影响因素

土壤水能量是指土壤中水分对能量的影响。土壤中的水分含量和分布情况对土壤的热量传导、蒸发散失以及植物的生长发育都起着重要的作用。

（1）水分含量：土壤中的水分含量是影响土壤水能量的重要因素之一。水分的存在会改变土壤的热量传导特性，使得土壤的热导率和热容量增大，从而影响土壤的热传导过程。

（2）土壤类型：不同类型的土壤对水的吸附能力和保水能力不同，从而影响土壤水能量的分布和传导。例如，沙质土壤通透性强，水分容易渗透并迅速流失，而粘土质土壤吸水性强，能够较好地保持水分。

（3）土壤结构：土壤的结构对水的渗透、滞留和传导起着重要的作用。良好的土壤结构有利于水分的渗透和储存，从而影响土壤水能量的分布和利用。

（4）温度：土壤的温度对水分的蒸发和渗透有着重要影响。较高的温度会加速水分的蒸发和土壤的干燥，而较低的温度则会减缓水分的蒸发和土壤的干燥速度。

（5）植被覆盖：植被覆盖对土壤水能量的分布和利用具有重要影响。植被能够减少土壤表面的蒸发散失，保持土壤水分的稳定性，并通过植物的蒸腾作用将土壤中的水分输送到大气中。

（6）降水量：土壤水能量受到降水量的直接影响。适量的降水可以增加土壤中的水分含量，从而提高土壤的保水能力和热传导特性。

（7）土壤质地：土壤质地对水分的保持和输送起着重要作用。粘土质土壤具有较好的保水能力，能够保持较多的水分，而沙质土壤则较为透水，水分容易渗漏。

（8）土壤盐碱度：土壤盐碱度对土壤水能量的影响主要体现在盐碱土壤的水分保持和利用方面。高盐碱度的土壤会影响水分的渗透和植物的生长，降低土壤的水能量。

综上所述，土壤水能量受到多种因素的影响。了解和掌握这些影响因素，有助于科学合理地管理土壤水分，提高土壤的水能量利用效率，促进农业生产和生态环境的可持续发展。

3 土壤水能量计算方法

朱祖祥[10]从能量守恒的角度推导了土壤水的能量公式，即土壤水分自由能变值的原始微分式。首先水单独作为独立体系，而把土壤和空气作为其环境来对待。从内能变值等于它和环境所交换的热量和功的净值，得到土壤水分自由能变值的原始微分式:

其中，，为体系的熵值，T是绝对温度，W非为非体积功。

将“土壤-水分-空气”三相结构整个当做是一个体系，对土壤水能量各个部分进行分析变换，计算土壤总水能量。

其中，代表每摩尔水所产生的的重力势，M为水的摩尔量，g为重力常数，dh代表地下水位高度为标准的位差高度。

公式中的第一项是代表三相整个体系外压所产生的能量，第二项是因温度不同产生的温度势能，第三项是因为含水量会不断变化而产生的间质势能，第四项是由于水的浓度不同而产生的浓度势能，最后一项代表重力场引起的重力势能，土壤水的总能量为各个能量之和。

4 结论与建议

本文对土壤水能量的状况进行研究，主要总结了土壤水能量的影响因素，并根据影响因素，讨论了土壤水能量的计算方法，之后将对土壤水能量的组成部分进行分开研究。

参考文献

[1]孟春红,夏军. 土壤水研究进展[C]//中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,中国自然资源学会水资源专业委员会,武汉大学水问题联合研究中心.水问题的复杂性与不确定性研究与进展——第二届全国水问题研究学术研讨会论文集.中国水利水电出版社,2004:6.

[2]王印杰,王玉珉.非饱和土壤水分函数解析与Richards方程入渗新解[J].水文,1996(02):1-9+65.DOI:10.19797/j.cnki.1000-0852.1996.02.001.

[3]雷志栋,胡和平,杨诗秀.土壤水研究进展与评述[J].水科学进展,1999(03):311-318.

[4]赵天杰,施建成,徐红新等.闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验[J].遥感学报,2021,25(04):871-887.。

[5]范科科,张强,史培军等.基于卫星遥感和再分析数据的青藏高原土壤湿度数据评估[J].地理学报,2018,73(09):1778-1791.

[6]张露,王益权,韩霁昌等.基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析[J].农业工程学报,2016,32(19):120-126.

[7]王旭东,韩鹏飞,张锁等.基于HYDRUS模拟的ABCD模型变量及参数物理基础研究[J].水文地质工程地质,2023,50(05):20-27.DOI:10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202302015.

[8]朱成杰,汪正权.基于SPA-GA-SVR模型的土壤水分及温度预测[J/OL].中国农村水利水电:1-16[2023-10-31].http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1419.TV.20230914.0109.012.html.

[9]项勇,陈芸芝,唐丽芳等.基于EnKS和SWAT模型的闽江流域径流数据同化[J].水资源与水工程学报,2023,34(04):66-75.

[10]朱祖祥土壤水的能量概念及其意义[J].土壤学进展,1979,7(10):1-21.