王 晶,趙文武,張 驍

北京師范大學,資源學院, 北京 100875

地球關(guān)鍵帶水文土壤學與自然資源可持續(xù)利用
——2016年水文土壤學國際會議述評

王 晶,趙文武*,張 驍

北京師范大學,資源學院, 北京 100875

第三屆水文土壤學國際會議于2016年8月16日—19日在北京師范大學舉行,會議吸引了來自18個國家150余名專家學者參加。本屆會議圍繞7個主題展開,分別為：(1)土壤結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢流；(2)地球關(guān)鍵帶科學的觀測及模擬；(3)土壤水文和生態(tài)水文的過程交叉；(4)關(guān)鍵帶科學與觀測站；(5)土壤生物物理學與生物化學復合；(6)水文土壤學與生態(tài)水文學；(7)土壤水分與其它土壤屬性。對我國水文土壤學研究主要有以下啟示：(1)推進水文土壤學理論的發(fā)展和完善；(2)注重新技術(shù)新方法在水文土壤學中的應用；(3)加強學科融合,培養(yǎng)具有多學科背景的人才；(4)拓展水文土壤學研究的國際合作。

水文土壤學；地球關(guān)鍵帶；生態(tài)水文

1 大會概況

水文土壤學(Hydropedology)是一門有關(guān)土壤學和水文學的新興綜合交叉學科[1,2]。它是以土壤結(jié)構(gòu)的自然屬性和水的驅(qū)動特性為基礎(chǔ),綜合研究不同時間和空間尺度上土壤與水相互作用的物理、化學和生物過程及其反饋機制,揭示水分在土壤中的運動規(guī)律及其對土壤發(fā)育和功能內(nèi)在影響機理的學科[3]。地球關(guān)鍵帶(Earth′s Critical Zone)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈物質(zhì)遷移和能量交換的交匯區(qū)域,也是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關(guān)鍵區(qū)域[4]。水和土壤是地球關(guān)鍵帶的主要組成部分,因此對土壤水文的研究可以解決地球關(guān)鍵帶的相關(guān)科學問題[5,6]。水文土壤學自2003年提出以來,受到學者們的積極關(guān)注[7-11],并于2008年、2012年在美國賓夕法尼亞州、德國萊比錫城舉辦了第一屆、第二屆水文土壤學國際會議。為進一步推進水文土壤學的發(fā)展,以地球關(guān)鍵帶水文土壤學與自然資源可持續(xù)利用為主題的第三屆水文土壤學國際會議(The 3rd International Conference on Hydropedology：Hydropedology and Nature Resources in the Earth′s Critical Zone for a Sustainable Utilization)于2016年8月16—19日在北京舉行。來自中國、美國、德國、澳大利亞、加拿大、新西蘭等18個國家的150余名專家學者參加了本屆會議。會議主要圍繞“土壤結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢流”、“地球關(guān)鍵帶科學的觀測及模擬”、“土壤水文和生態(tài)水文的過程交叉”等主題展開,涵蓋了水文土壤學的眾多前沿領(lǐng)域和熱點問題。本文就此次會議中水文土壤學的新進展和熱點問題進行介紹和評述,以期服務于我國水文土壤學的發(fā)展。

2 水文土壤學研究進展

會議期間,參會代表圍繞水文土壤學相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和挑戰(zhàn)展開了熱烈討論,會議分為七個專題：(1)土壤結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢流；(2)地球關(guān)鍵帶科學的觀測及模擬；(3)土壤水文和生態(tài)水文的過程交叉；(4)關(guān)鍵帶科學與觀測站；(5)土壤生物物理學與生物化學復合；(6)水文土壤學與生態(tài)水文學；(7)土壤水分與其它土壤屬性。

2.1 土壤結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢流

土壤結(jié)構(gòu)是由固相土壤顆粒、團聚體和土壤孔隙組成的三維結(jié)構(gòu)[12]。土壤結(jié)構(gòu)是影響關(guān)鍵帶過程和功能的主要因子。近20年來,學者們應用層析技術(shù)等探索土壤三維微觀結(jié)構(gòu)的能力有了顯著提高,尤其是x射線計算機斷層掃描(X-ray Computed Tomography)技術(shù)。但是,要獲得大于10μm土壤孔隙的分布及它們形狀、表面積、密度和連通性的可靠定量信息,土壤結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析已遠遠不夠,亟待進行土壤結(jié)構(gòu)的空間動態(tài)分析。本次會議上,學者們提出了兩個新技術(shù),使得人們對土壤結(jié)構(gòu)動力學的監(jiān)測成為可能。第一,通過分析結(jié)構(gòu)模式的運動來映射土壤樣品在壓縮過程中的形態(tài)變化特征；第二,通過增加砂粒鐵含量追蹤土壤結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)使其能在CT掃描中被局部化,并將土壤結(jié)構(gòu)周轉(zhuǎn)率定為土壤結(jié)構(gòu)的第四個維度。

優(yōu)勢流(Preferential Flow),又稱優(yōu)先流、非均勻流,是土壤中常見而又重要的水流運動和溶質(zhì)運移形式[13-14]。優(yōu)勢流的概念和一些模型在20世紀90年代就已提出,但目前仍存在一些挑戰(zhàn),例如在更大尺度上準確地預測水流和溶質(zhì)原狀土的位移。會上學者提出他們正嘗試用元分析(Meta-analyses)和非侵入性三維X光成像(Non-invasive 3-D X-ray imaging)來解決這一問題,并認為這兩者的結(jié)合將提高人們對土壤優(yōu)勢流的認識。另外,與會學者還提出了一些其它新方法的應用,例如微波分析可將土壤水分信號分解為具有不同頻率的幾部分,從而分析土壤孔隙幾何特征與水流的關(guān)系。

2.2 地球關(guān)鍵帶科學的觀測及模擬

與會學者對地球關(guān)鍵帶科學觀測及模擬的探討主要集中在微觀尺度上,大多利用一些測量技術(shù)進行點上監(jiān)測。例如肯尼亞地區(qū)降雨減少,導致當?shù)伧{梨樹減產(chǎn),為了使其免于干旱的影響,需提出相應改進措施來減輕干旱。有學者提出安裝熱脈沖液流監(jiān)測設備,監(jiān)測鱷梨樹水分利用變化與分配模式細節(jié),通過這些測量可獲得詳細的關(guān)于根對水分吸收及其動力學模型的空間記錄,進而有助于采取相應措施來使樹木免于干旱的影響；再如將熱力時域反射技術(shù)(Thermal-TDR)用于原位測定土壤容重和體積含水量等。另外,還有學者在野外使用辛德勒風干燥技術(shù)(Wind-Schindler Drying Technique)和冷鏡式露點儀(Chilled Mirror Hygrometer)來測定土壤體積含水量與土壤水勢,可使野外實驗和室內(nèi)實驗實現(xiàn)有機結(jié)合等。

2.3 土壤水文和生態(tài)水文的過程交叉

土壤水文和生態(tài)水文關(guān)系密切,它們既相互影響又相互制約。例如研究不同植被覆蓋類型對土壤侵蝕的影響,影響降雨徑流和土壤侵蝕常用的具有代表性的指標是降雨量、降雨強度和時間間隔,但是這些指標并不能完全表達降雨信息。對此,有關(guān)學者提出用雨強峰值區(qū)域(Peak Zone of Rainfall Intensitty)和降雨時間內(nèi)的間歇性降雨(Intra-event Intermittency of Rainfall)來監(jiān)測中國黃土高原不同覆蓋類型降雨模式對徑流和土壤侵蝕的影響。此外,與會學者也討論了在水文學模型中增加土壤參數(shù)、用絕對含水量和土壤自由水等指標描述土壤水分特征、典型區(qū)域土壤水的空間異質(zhì)性及其對降雨等影響因子的響應機制等方面的議題。

2.4 關(guān)鍵帶科學與觀測站

對于關(guān)鍵帶科學與觀測站專題,與會學者們分別從土壤干層、土壤厚度、土壤模型等方面進行了探討。土壤干層是由氣候干旱和不合理土地利用導致土壤干旱的一個重要現(xiàn)象。因此,土壤干層會限制中國黃土高原以及世界其他干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)恢復的可持續(xù)發(fā)展[15]。有學者提出使用SWCCV模型(Soil Water Carrying Capacity for Vegetation Model),可分析土壤水分消耗過程與植被生長、最優(yōu)植物密度與生物量的關(guān)系,進而來優(yōu)化黃土高原植被結(jié)構(gòu)、控制土壤干層。土壤厚度是土壤表層風化的深度,準確估算其空間分布對水文研究越來越重要,目前建立的模型參數(shù)須進行大量采樣才可獲得,大大限制了對土壤深度的推斷和預測。與會學者通過對高分辨率DEM圖像中地形因子的分析,建立了以地形過程為基礎(chǔ)的模型參數(shù)估測體系,以更好地估算土壤厚度。此外,關(guān)于土壤模型的優(yōu)化與發(fā)展,學者們還建立了國際土壤模型共同體(International Soil Modeling Consortium)網(wǎng)站(https://soil-modeling.org)。

2.5 土壤生物物理學與生物化學復合

土壤生物物理學與生物化學復合研究可以解決實際生活中所面臨的挑戰(zhàn)。隨著世界人口持續(xù)不斷增長,需提高作物產(chǎn)量來滿足人類的需求。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),使用塑料薄膜可提高作物水分利用率,并可盡量減少土壤蒸發(fā)、地表徑流和深層排水等無意義失水。與會學者認為,使用塑料薄膜不僅可以減少失水還可以改變近地表土壤微環(huán)境,如果利用HYDRUS 2D/3D模型協(xié)助指導農(nóng)田覆膜可進一步增強農(nóng)作物用水和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。同時,也可以將非飽和土壤關(guān)鍵帶(包氣帶)中的生物物理和生物化學過程結(jié)合起來評估新興污染物的環(huán)境和生態(tài)影響。

2.6 水文土壤學與生態(tài)水文學

土壤表面蒸發(fā)是干旱地區(qū)水損失的一個重要途徑,但當前缺乏有效的技術(shù)對其進行連續(xù)測量。針對該問題,有學者采用土壤熱平衡法和基于表面溫度的方法,進行干旱環(huán)境下蒸發(fā)量的持續(xù)監(jiān)測。在全球變化研究中,估算蒸散量及其組分蒸發(fā)和蒸騰的準確性非常重要；對此,與會學者提出用雙源變化數(shù)據(jù)同化(TVDA)系統(tǒng)來更好地測定蒸散量。此外,還有學者提出用直接蒸汽平衡法和微波萃取技術(shù)對土壤穩(wěn)定同位素進行獲取與測定。

2.7 土壤水分與其它土壤屬性

在本專題中,與會學者主要對土壤水分運動和土壤表面熱通量進行了探討。在土壤水分的研究中,學者們認為可以使用宇宙射線中子探測器(Cosmic-ray Neutron Rover)識別土壤水分空間分布的主要影響因素,也可以通過多數(shù)據(jù)源的融合創(chuàng)建高分辨率區(qū)域土壤濕度圖,識別潛在的地下水補給。為了揭示不同空間尺度下土壤水分運動對養(yǎng)分流失的影響,與會學者提出用5m(Monitoring, Mechanism, Mapping, Modeling and Management)模式來調(diào)查土壤水分運動的機制,計算相應潛流的數(shù)量,確定潛流在土體和坡面尺度的氮負荷。土壤表面熱通量往往是由表面以下一定深度的土壤總熱通量和一定深度以上的熱存儲率的變化決定。由于獲取這些指標非常困難,相關(guān)學者提出用多針熱脈沖探頭(Multi-needle HPP)來測定水稻田土壤表層熱通量,進而準確地獲得土壤表面熱通量。

3 會議啟示

本屆會議對我國未來水文土壤學發(fā)展啟示如下：

(1)推進水文土壤學理論的發(fā)展和完善

我國在推進水文土壤學的發(fā)展過程中,應該加強理論研究與測量、機理、制圖、建模和管理的緊密結(jié)合,注重多過程機理模型的綜合研究,如地表水-地下水-大氣水轉(zhuǎn)化、生態(tài)-水文等耦合過程,以便更好地定量預測氣候變化和人類活動對土壤結(jié)構(gòu)和功能的影響。

(2)注重新技術(shù)新方法在水文土壤學中的應用

近年來,在水文土壤學研究中涌現(xiàn)了許多的新技術(shù)新方法。但是,相對而言,中國在應用發(fā)展新技術(shù)新方法方面相對滯后。例如,在水文土壤監(jiān)測研究中,進行點上監(jiān)測可用傳感器技術(shù)和測量技術(shù),進行大面積面上監(jiān)測可用遙感技術(shù)。遙感技術(shù)提供了大范圍土壤水文快速監(jiān)測的途徑,如中小范圍的土壤水分反演可以使用主動微波遙感技術(shù),在大范圍的植被狀況、陸面溫度、土壤水分等參數(shù)的估算可以使用被動微波遙感技術(shù)等。由于RS在數(shù)據(jù)獲取方面具有宏觀和快速的特點,今后我國有待加強對RS的運用,以便準確快速地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。此外,我國還應該加強對新技術(shù)設備的運用,例如安裝熱脈沖液流監(jiān)測設備,尤其是在干旱及半干旱地區(qū),有助于獲得樹木水分利用變化與分配模式細節(jié),從而采取相應措施來使樹木免于干旱的影響。

(3)加強學科融合,培養(yǎng)具有多學科背景的人才

水文土壤學不僅涉及水文學與土壤學,而且還涉及地理學、土壤生物學、生態(tài)水文學、自然地理學等相關(guān)學科[16]。在推動水文土壤學的發(fā)展中,亟待加強多學科融合。為了實現(xiàn)多學科融合,需要培養(yǎng)具有多學科知識背景的人才,尤其是既具備土壤和水文知識,又具備數(shù)學、物理和計算機知識的人才。

(4)拓展水文土壤學研究的國際合作

近年來,我國在水文土壤學研究領(lǐng)域取得了很大進步,但和國外相比仍有一定距離。今后應進一步加強國際學術(shù)交流與合作,應用與發(fā)展新的水文土壤學理論與方法,結(jié)合本國實際,積極提升我國水文土壤學的國際影響力。

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國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0501604)

2016- 10- 24

10.5846/stxb201610242164

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhaoww@bnu.edu.cn

王晶,趙文武,張驍.地球關(guān)鍵帶水文土壤學與自然資源可持續(xù)利用——2016年水文土壤學國際會議述評.生態(tài)學報,2016,36(22):7501- 7504.