第1章绪论
受气候变化和人类活动的共同影响，我国径流水资源日益匮乏，其中以海河流域、黄河流域及西北内陆河流域最为严重(杨贵羽等，2014)。在水资源供需矛盾十分突出的大背景下，城市工业、生活取用水挤占了农业和生态的正常用水需求，带来生态环境恶化、农业干旱风险加大等问题。
土壤水对农业和生态系统的作用属性在很长一段时间内被水资源研究领域所忽视。传统的狭义水资源只涉及“看得见”的地表水和地下水资源，对易于散失并难以调控的土壤水缺乏足够的重视和研究。为应对当前水资源短缺的形势，结合已有先进的土壤水监测手段和模拟技术，加强土壤水的调控和利用不仅变得可能，而且非常必要。为此，本书以我国水资源最为紧缺的海河流域为例，采取点面结合的方式，运用观测和模拟手段，构建了研究区土壤湿度场，揭示研究区土壤湿度的时空变化规律。从土壤水资源的功能和属性出发，提出了区域土壤水效用理论与评价方法，并在河北省邯郸市进行了应用和验证。本研究在农田水循环全过程模拟解析的基础上，立足于土壤水的全时空调控管理，实现土壤水资源的有效开发和高效利用，这是未来我国北方缺水地区农业和生态发展的重要策略和管理方向。
1.1土壤水的概念及其表征
土壤是地球表面风化的散碎岩石，是一种由大小不同的固体颗粒集合而成的具有孔隙或空隙的散粒体，是自然界极为常见的多孔介质（朱建强，2008）。土壤水是赋存于土壤多孔空隙介质中的液体。地球表面的土壤层是一个巨大的土壤蓄水库，蓄水容量据估计可以达到16 500 km3，是地球上河川径流量的8倍之多(芮孝芳，2004)。在水文循环过程中，土壤起着十分重要的调节和分配水量的作用。因此，土壤水是全球水文循环系统、生态系统及气候系统中的一个关键变量，控制众多地球物理过程和反馈循环回路。对农业系统来说，由于一切形式的水都要转变成土壤水才能被农作物所吸收，农田土壤水循环过程，以及土壤的时空分布、形态、数量与农作物的高产稳产具有十分重要的关系。
根据《辞海》的定义，土壤水是指在水循环过程中存在于地表以下，存储和运移在土壤岩石空隙、裂隙等介质中的水分。由于在生产实践中不同研究领域的侧重点不同，提出的土壤水的概念也不尽相同。在土壤学中，土壤水是指在一个大气压下，在105℃的条件下能从土壤中分离出来的水分。从本质上说，土壤学从土颗粒的水吸力角度定义了不同土壤水类型。土壤水分主要受到土壤颗粒的分子力、土壤孔隙毛管力及地球重力的作用。土壤颗粒表面对水分子的吸引力称为分子力，受到土壤分子力而固持的土壤水称为束缚水。束缚水分为两类：吸湿水和膜状水。吸湿水是被干燥土粒表面分子引力强烈吸附的水分，由于水分子被土粒表面强烈吸引，分子之间的距离小于液态水分子之间的距离，因此吸湿水表现出来的是固态水的性质。吸湿水不能移动，对农作物的生长几乎没有任何作用。膜状水是排列在吸湿水包裹的土体颗粒外围的水膜。由于膜状水是由土体颗粒表面形成吸湿水层后的剩余分子力引起的，因此它受到的分子引力较小，性质与液态水相似，可以部分为农作物所用。土壤孔隙是一条条相互连通的很细的毛管，可以对孔隙中的水产生毛管力，由于毛管力的作用而固持在土壤中的水分称为毛管水。毛管水根据其与地下水之间的互动关系可以分为毛管上升水和毛管悬着水。地下水可以凭借毛管作用上升进入土壤孔隙中，这种沿着毛管上升的水分称为毛管上升水；降雨或灌溉后凭借毛管作用力保持在土壤表层的水分，称为毛管悬着水，它与地下水无直接水力关系。当土壤水分含量超过毛管的持水能力时，土壤水将在重力作用下向下移动，称为重力水。重力水向下移动时，如果中途不遇到任何障碍一直进入地下含水层，这部分水叫做渗透重力水；如果重力水在向下运动过程中遇到不透水层，重力水的下渗会受到阻碍从而形成滞水，这部分水称为支持重力水。
海河流域水循环演变机理与水资源高效利用丛书海河流域土壤水监测数据集成与土壤水效用评价第1章绪论土壤中各种类型的水分都可以用一个典型的土壤湿度来表征，该数值对于特定条件和特定质地的土壤通常保持相对稳定，将其称为土壤水分常数。它一般可分为以下几种。
1）吸湿系数。当空气中的水汽达到饱和时，干燥土壤的吸湿水达到最大数量时的土壤含水量称为最大吸湿量，亦称之为吸湿系数。由于吸湿水不能被植物根系所吸收，被认为是无效水。
2）凋萎系数。当土壤含水量下降到一定程度时，作物根系由于无法吸水而产生永久凋萎，此时的土壤含水量称为凋萎系数。凋萎系数是一个重要的土壤水分常数，它是作物承受干旱的下限，对表征农业干旱具有十分重要的意义。
3）最大分子持水量。膜状水和吸湿水达到最大量时的土壤含水率称为最大分子持水量。由于膜状水受到的分子力远远小于吸湿水，因此一部分的膜状水可以被植物根系吸收。
4）毛管断裂含水量。当土壤中的悬着毛管水减少到一定程度时，其连续程度会遭到破坏而断裂，从而停止悬着毛管水的运动，此时的土壤含水率称为毛管断裂含水量。毛管断裂含水量对作物的生长具有十分重要的意义，它可以作为人工灌水的下限。
5）田间持水量。从数量上来讲，田间持水量是指土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量，它包括全部的吸湿水、膜状水和毛管悬着水。田间持水量是土壤在不受地下水影响的情况下所能保持水分的最大数量，当土壤含水量超过田间持水量时，由于受到重力的作用，水分将向下运动不能固持在土壤孔隙中，因此，田间持水量被认为是田间土壤水有效利用的上限，也是田间灌水量的确定依据。
6）饱和含水量。当土壤中的毛管孔隙都充满水分时，土壤的含水率称为土壤全持水量。土壤全持水量在数量上等于土壤的孔隙度，是衡量土壤水分饱和状态的一个重要标准。
根据以上论述，土壤水分常数与土壤水分类型之间的关系可由图1-1来表示。
图1-1土壤水分常数与土壤水分类型关系示意图
1.2土壤水资源的研究意义与研究重点
土壤水是农业和生态系统中各种生物生长和活动的必需要素，任何形式的水资源只有转化为土壤水才能被作物或植物吸收，土壤水的数量和质量直接影响作物或植物的生长发育。从水循环角度来看，土壤水也是水文过程中最活跃的要素之一，其补给和排泄过程十分频繁，是流域“三水”（大气水、地表水和地下水）转化的纽带，在水资源的形成、转化和消耗过程中具有不可替代的重要作用。因此，土壤水为作物生长提供有效供水的特性是被普遍公认的，土壤水的资源属性也是显而易见的。
“土壤水资源”的概念自首次由苏联水文学家利沃维奇（M. Nputotulu）提出之后，在国内外就一直被广泛地讨论和研究。水文学家施成熙等（1984）认为：土壤水被调蓄到起后备水源的作用，形成可以向根系层补给土壤水分的土壤水库，但还不是浅层潜水的组成部分时，也可以按水资源论；刘昌明院士也对土壤水资源的概念作了详细论述，并提出了区域多年平均土壤水评价的计算公式。然而，该公式仅笼统地将土壤水蓄变量作为土壤水资源（刘昌明，2004）。目前，绝大多数研究者对土壤水资源的研究主要从农业角度出发，认为土壤水资源是指可被作物根系吸收利用的浅层土壤孔隙中的水。但是土壤水到底能否被称为水资源？该问题可以从水资源本身的行为和特性方面进行分析。目前，水资源的本质特征已经在学界基本达成了共识，即有效性、可控性和可再生性。水资源的有效性是指，只有对人类生存和发展及自然生态系统具有效用的水分才可以看做水资源，换句话说，就是对生产、生活和生态提供有效供水的那部分水量。可控性是指，在对自然和社会具有效用的那部分水资源中，人们只有通过工程、管理等措施可以开发利用和调控的那部分水分才能称为水资源；可再生性是指，水资源在流域水循环过程中形成和转化，其数量和质量在一定程度上保持稳定的再生性和持续性（王浩等，2004）。
以水资源的定义和标准来衡量土壤水，其行为和特征基本满足水资源的一切特性。首先，土壤水对国民经济和生态系统的效用是显而易见的。土壤水对农业生产的作用非常重要，它是维系作物生长发育的最主要的水分源泉，一切形式的水资源只有转化为土壤水才能被作物吸收和利用，土壤水的数量和质量直接影响到作物的生长发育。土壤水同时又是流域生态水文过程中的关键因子，是整个生态系统持续稳定的核心要素之一。其次，虽然土壤水不像地表水和地下水那样可以通过修建工程来进行有效的调控和调度，但是可以通过调整种植结构、提高区域耕作工艺水平、采用合理的灌溉和栽培技术等措施优化土壤水的时空分布规律，提高土壤水的利用效率。再次，土壤水的循环再生性是显而易见的。土壤水是区域水文过程中最为活跃的要素之一，直接参与区域水循环。观测资料表明，土壤水的补给、稳定和排泄过程呈现出大大小小的多周期单位，这种现象受到大尺度气候因子、年尺度气象因子、次降雨过程及作物耕作等管理行为的影响。从一个水文年份来看，汛期一般是土壤水的补给阶段，汛期末到第二年春季是土壤水的稳定平衡阶段，从第二年春季开始到汛期到来之前正值作物生长旺盛的高需水阶段，也是土壤水高强度排泄阶段。通过上述补给和排泄过程的循环往复，土壤水资源可以得到永续利用，为国民经济和生态系统健康发展服务。
当前，全球气候变化和高强度人类活动对地表径流性水资源的时空格局影响十分明显，传统的狭义水资源衰减趋势显著，保障自然、社会多用户的用水需求，保持经济增长，提高粮食安全等都是摆在水资源管理人员面前的难题。因此，拓展传统水资源管理的视野和路径，开展广义水资源的开发和高效利用研究，评估全口径水资源的利用效率，是应对当前水资源供需矛盾的重要措施。
毋庸置疑，土壤水资源在保障农业生产和维持生态系统平衡中地位突出，不仅可以支撑国民经济命脉——农业的生产，还为自然生态系统健康持续提供充足的水源保障。尽管人们对土壤水资源的认识已经逐渐加深，但在土壤水资源的储量计算、土壤水的利用效率评价及土壤水高效利用调控手段等方面还存在很多不足。概括起来，当前土壤水资源领域的主要研究热点如下。
1）区域土壤水特性与土壤水资源数量评价。由于长期以来土壤水资源并没有像径流性水资源那样得到充分的重视，开展土壤水数量评价的相关研究还不多，还未形成相对成熟的土壤水资源数量评价理论与方法体系。开展土壤水资源的数量评价的首要前提是要对研究区的土壤湿度进行较长时期的连续观测，同时要对农田土壤根系活动层的土壤属性和关键参数进行有效采集和分析。然而，不同于雨情和水情的监测站网体系，目前我国的土壤墒情监测站网建设还不完善，尚缺乏大尺度区域土壤湿度时空变化的连续观测成果。受到资金和技术的限制，农田土壤层特征参数的获取和分析也存在困难，很大程度上阻滞了土壤水资源评价理论和技术的发展进步。今后，应大力开发新的土壤水监测技术，结合遥感技术、计算机模拟技术、数据同化技术等高新技术，开展全国土壤墒情监测站网的业务化运行，建立区域土壤属性数据库，为土壤水资源的评价和计算提供基础数据支持。
2）土壤水利用效率与效用评价。追求水资源的高效利用是水资源管理者的永恒目标。对传统的径流性水资源来说，一般使用投入单位水量产生的效益和价值来衡量水资源的使用效率。由于径流性水资源的可调控性好，该计算方法一般可以得出确定的结果。但是，土壤水运动特性十分复杂，大气降水、地下水潜水蒸发补给及人工灌溉均会影响土壤水循环，其补给和排泄过程受到多个自然和人工要素的叠加影响。因此，在土壤水资源效率评价中，准确计算评价期内参与生产的土壤水数量具有一定的难度，也是关键所在。今后应加强农田土壤水运移过程的观测和实验研究，开发土壤水循环模拟模型，开展细时间尺度土壤湿度的模拟与监测。
3）土壤水高效利用的调控方法与措施研究。土壤水广泛存在于土壤介质当中，不可集中提取又很难人工运输，同时又极易发生耗散，这些特征为土壤水的调控带来很大的难度。土壤水虽然不能像传统的径流性水资源那样通过修建工程措施进行优化配置和合理调度，但是可以通过改进农艺措施，制定合理的灌溉制度，促使土壤水的时空分布与农田作物需水的时空规律相吻合，实现供需相抵，提高土壤水的有效利用程度。近些年，学界围绕农田土壤水高效调控做了大量研究和实践，其中靳孟贵等（2006）提出农田土壤水全时空调控的理论和技术方法是实现土壤水高效利用的重要手段。今后应继续拓展应用范围，在不同区域开展农田土
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