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水 利 学 报 2016年3月 SHUILI XUEBAO 第47卷 第3期 文章编号：0559-9350（2016）03-0390-08 从土壤水动力学到生态水文学的发展与展望 杨大文，丛振涛，尚松浩，倪广恒 （清华大学 水利水电工程系，北京 100084） 摘要：在20世纪80年代，土壤水动力学成为我国水文水资源领域的一个新兴研究方向。在此后的30多年中，土 壤水动力学得到了巨大发展，并对我国农田水利、水文水资源等领域的科学与技术起到了巨大的推动作用。以土 壤水动力学为基础，逐步认识了非饱和土壤中水分与热量、溶质等耦合运移机理与规律，在20世纪90年代发展 了土壤-作物-大气之间的水热交换和传输理论（即土壤-植物-大气连续体理论，简称SPAC理论）。以SPAC理论 为基础，农田作物模型得到了快速发展，成为本世纪研究气候变化对农业水资源和粮食生产影响的主要工具。与 此同时，从农田到区域的水转化机理与规律、不同尺度的农业用水效率、以及水资源开发利用的生态和环境影响 等基础科学问题和生产实践问题逐渐被重视，从而形成了新的交叉学科——生态水文学。生态水文学以水分-能 量-物质耦合循环的动力学过程为基础，注重区域气候-植被/作物-水文相互作用的基础科学问题，旨在为区域水 资源、生态和环境评价与管理提供科学依据。 关键词：土壤水动力学；土壤-植物-大气连续体；水分-能量-物质循环；生态水文学 中图分类号：TV21 文献标识码：A doi: 10.13243/ki.slxb 土壤是地球表层系统的重要组成部分，是陆地植被生长的重要环境，也是陆地水文循环的重要 通道和水分储存的主要场所。对陆地水文循环而言，土壤对降雨下渗、陆地蒸散发、径流等过程起 着重要的调节作用。对陆地生态（包括农作物和自然植被）过程而言，土壤水分是植被耗水的主要来 源，植被生长所需的营养物质主要来源于土壤，同时土壤呼吸也是陆地生态系统碳收支的重要组 成。因此，土壤-植被-大气系统中的水分-能量-物质耦合循环成为水文水资源研究中的核心科学问 题。本文通过梳理近30余年来土壤水动力学、土壤-植物-大气连续体（SoilPlantAtmosphereContinu⁃ um，SPAC）理论和流域生态水文学的发展过程，展望土壤水、农田水利和生态水文的未来发展趋 势，以此缅怀雷志栋院士对我国土壤水动力学和水文水资源研究的杰出贡献。 1 土壤水及其空间异质性 1.1 土壤水的描述 土壤是由固态土颗粒、水和空气组成的多孔介质。土壤多孔介质是由矿物质和 有机质构成其固相骨架，水（或水溶液）和空气充填其中孔隙的三相体，土壤水包括气、液、固三种 形态。与土壤水分相关的土壤物理性质和基本参数有：（1）孔隙率（）：单位体积土壤中孔隙的体n 积，通常根据饱和土壤烘干前后的质量之差估算；（2）干密度（ ）：单位体积土壤中土壤颗粒的质ρb 量，通常采用烘干后的土壤质量与体积之比估算；（3）体积含水率（）：单位体积含水土壤中水的体θ 3 3 θ 积与总体积之比，单位通常为cm/cm ；（4）饱和含水率（）：土壤所有孔隙都被水分充满时的体积含 s 水率，即孔隙率；（5）田间持水率（ ）：从土壤饱和开始到自由排水可以忽略时，对应的土壤体积含θ fc ［1］ ［2］ 水率 ，相应的土壤基质势约为-1/3bar ；（6）残余含水率（）：当吸力达到一定程度时土壤含水率θ r 收稿日期：2015-11-30 基金项目：国家自然科学基金项目 作者简介：杨大文（1966-），男，四川成都人，教授，主要从事水文水资源研究。E-mail：yangdw@ — 390 —