王 晶,趙文武,張 驍

北京師范大學(xué),資源學(xué)院, 北京 100875

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

王 晶,趙文武*,張 驍

北京師范大學(xué),資源學(xué)院, 北京 100875

第三屆水文土壤學(xué)國際會議于2016年8月16日—19日在北京師范大學(xué)舉行,會議吸引了來自18個國家150余名專家學(xué)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(xué)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(xué)與觀測站；(5)土壤生物物理學(xué)與生物化學(xué)復(fù)合；(6)水文土壤學(xué)與生態(tài)水文學(xué)；(7)土壤水分與其它土壤屬性。對我國水文土壤學(xué)研究主要有以下啟示：(1)推進(jìn)水文土壤學(xué)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(xué)中的應(yīng)用；(3)加強(qiáng)學(xué)科融合,培養(yǎng)具有多學(xué)科背景的人才；(4)拓展水文土壤學(xué)研究的國際合作。

水文土壤學(xué)；地球關(guān)鍵帶；生態(tài)水文

1 大會概況

水文土壤學(xué)(Hydropedology)是一門有關(guān)土壤學(xué)和水文學(xué)的新興綜合交叉學(xué)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(xué)和生物過程及其反饋機(jī)制,揭示水分在土壤中的運(yùn)動規(guī)律及其對土壤發(fā)育和功能內(nèi)在影響機(jī)理的學(xué)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(xué)問題[5,6]。水文土壤學(xué)自2003年提出以來,受到學(xué)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(xué)國際會議。為進(jìn)一步推進(jìn)水文土壤學(xué)的發(fā)展,以地球關(guān)鍵帶水文土壤學(xué)與自然資源可持續(xù)利用為主題的第三屆水文土壤學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)的眾多前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)問題。本文就此次會議中水文土壤學(xué)的新進(jìn)展和熱點(diǎn)問題進(jìn)行介紹和評述,以期服務(wù)于我國水文土壤學(xué)的發(fā)展。

2 水文土壤學(xué)研究進(jìn)展

會議期間,參會代表圍繞水文土壤學(xué)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(xué)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(xué)與觀測站；(5)土壤生物物理學(xué)與生物化學(xué)復(fù)合；(6)水文土壤學(xué)與生態(tài)水文學(xué)；(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(tuán)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(xué)者們應(yīng)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(jì)算機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,亟待進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)的空間動態(tài)分析。本次會議上,學(xué)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(xué)的監(jiān)測成為可能。第一,通過分析結(jié)構(gòu)模式的運(yùn)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(shí)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(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移形式[13-14]。優(yōu)勢流的概念和一些模型在20世紀(jì)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(zhǔn)確地預(yù)測水流和溶質(zhì)原狀土的位移。會上學(xué)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(rèn)為這兩者的結(jié)合將提高人們對土壤優(yōu)勢流的認(rèn)識。另外,與會學(xué)者還提出了一些其它新方法的應(yīng)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(xué)的觀測及模擬

與會學(xué)者對地球關(guān)鍵帶科學(xué)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(jìn)行點(diǎn)上監(jiān)測。例如肯尼亞地區(qū)降雨減少,導(dǎo)致當(dāng)?shù)伧{梨樹減產(chǎn),為了使其免于干旱的影響,需提出相應(yīng)改進(jìn)措施來減輕干旱。有學(xué)者提出安裝熱脈沖液流監(jiān)測設(shè)備,監(jiān)測鱷梨樹水分利用變化與分配模式細(xì)節(jié),通過這些測量可獲得詳細(xì)的關(guān)于根對水分吸收及其動力學(xué)模型的空間記錄,進(jìn)而有助于采取相應(yīng)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(xué)者在野外使用辛德勒風(fēng)干燥技術(shù)(Wind-Schindler Drying Technique)和冷鏡式露點(diǎn)儀(Chilled Mirror Hygrometer)來測定土壤體積含水量與土壤水勢,可使野外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(biāo)是降雨量、降雨強(qiáng)度和時間間隔,但是這些指標(biāo)并不能完全表達(dá)降雨信息。對此,有關(guān)學(xué)者提出用雨強(qiáng)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(xué)者也討論了在水文學(xué)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(biāo)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(yīng)機(jī)制等方面的議題。

2.4 關(guān)鍵帶科學(xué)與觀測站

對于關(guān)鍵帶科學(xué)與觀測站專題,與會學(xué)者們分別從土壤干層、土壤厚度、土壤模型等方面進(jìn)行了探討。土壤干層是由氣候干旱和不合理土地利用導(dǎo)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(fù)的可持續(xù)發(fā)展[15]。有學(xué)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(jìn)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(fēng)化的深度,準(zhǔn)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(jìn)行大量采樣才可獲得,大大限制了對土壤深度的推斷和預(yù)測。與會學(xué)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(xué)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(xué)與生物化學(xué)復(fù)合

土壤生物物理學(xué)與生物化學(xué)復(fù)合研究可以解決實(shí)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(xué)者認(rèn)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(dǎo)農(nóng)田覆膜可進(jìn)一步增強(qiáng)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(xué)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(xué)與生態(tài)水文學(xué)

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(dāng)前缺乏有效的技術(shù)對其進(jìn)行連續(xù)測量。針對該問題,有學(xué)者采用土壤熱平衡法和基于表面溫度的方法,進(jìn)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(zhǔn)確性非常重要；對此,與會學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)者主要對土壤水分運(yùn)動和土壤表面熱通量進(jìn)行了探討。在土壤水分的研究中,學(xué)者們認(rèn)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(bǔ)給。為了揭示不同空間尺度下土壤水分運(yùn)動對養(yǎng)分流失的影響,與會學(xué)者提出用5m(Monitoring, Mechanism, Mapping, Modeling and Management)模式來調(diào)查土壤水分運(yùn)動的機(jī)制,計(jì)算相應(yīng)潛流的數(shù)量,確定潛流在土體和坡面尺度的氮負(fù)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(biāo)非常困難,相關(guān)學(xué)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(jìn)而準(zhǔn)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(xué)發(fā)展啟示如下：

(1)推進(jìn)水文土壤學(xué)理論的發(fā)展和完善

我國在推進(jìn)水文土壤學(xué)的發(fā)展過程中,應(yīng)該加強(qiáng)理論研究與測量、機(jī)理、制圖、建模和管理的緊密結(jié)合,注重多過程機(jī)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(yù)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(xué)中的應(yīng)用

近年來,在水文土壤學(xué)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(yīng)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(jìn)行點(diǎn)上監(jiān)測可用傳感器技術(shù)和測量技術(shù),進(jìn)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(diǎn),今后我國有待加強(qiáng)對RS的運(yùn)用,以便準(zhǔn)確快速地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。此外,我國還應(yīng)該加強(qiáng)對新技術(shù)設(shè)備的運(yùn)用,例如安裝熱脈沖液流監(jiān)測設(shè)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(xì)節(jié),從而采取相應(yīng)措施來使樹木免于干旱的影響。

(3)加強(qiáng)學(xué)科融合,培養(yǎng)具有多學(xué)科背景的人才

水文土壤學(xué)不僅涉及水文學(xué)與土壤學(xué),而且還涉及地理學(xué)、土壤生物學(xué)、生態(tài)水文學(xué)、自然地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科[16]。在推動水文土壤學(xué)的發(fā)展中,亟待加強(qiáng)多學(xué)科融合。為了實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合,需要培養(yǎng)具有多學(xué)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(xué)、物理和計(jì)算機(jī)知識的人才。

(4)拓展水文土壤學(xué)研究的國際合作

近年來,我國在水文土壤學(xué)研究領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步,但和國外相比仍有一定距離。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)國際學(xué)術(shù)交流與合作,應(yīng)用與發(fā)展新的水文土壤學(xué)理論與方法,結(jié)合本國實(shí)際,積極提升我國水文土壤學(xué)的國際影響力。

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國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(xué)與自然資源可持續(xù)利用——2016年水文土壤學(xué)國際會議述評.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7501- 7504.