《水土保持农业技术》结合高等学校水土保持与荒漠化**专业本科教学特点,较为系统地介绍了水土保持农业技术的研究成果、发展现状和发展趋势,主要内容包括水土保持农业技术原理、耕作技术、保护性耕作技术、作物栽培技术、土壤改良与培肥、补灌农业和生态农业等。其目的是使学生在相关基础课程学习的基础上,通过该课程的学习,能够系统地掌握各种水土保持农业技术措施的特点、布局、技术设计和效益评价等,为水土保持与荒漠化**的生产实践和科学研究奠定良好的基础。
《水土保持农业技术》主要用于水土保持与荒漠化**专业本科教学,也可作为高等学校环境生态类及相关专业本科教学用书,同时,还可供本行业和从事土地利用、国土整治、环境保护等方面的研究、生产与管理人员参考。 水土保持农业技术_吴发启史东梅王丽师江澜朱德兰佘雕郑子成熊友胜_科学出版社_

**章 水土保持农业技术原理
【内容提要】 水土保持农业技术是依据水土保持土壤-植物-大气系统、土地生产力形成与
保持和提高农田水肥利用效率的原理与途径而实施的, 并以蓄水、保土、保肥为基本环节, 协
调并提高水资源、土地资源和生物资源的有效利用率, 以形成持续稳定的农业生产能力。其
中, 水土保持原理在以前��课程中已作过介绍, 这里仅就其余内容加以阐述。
水土保持农业技术遵循的主要理论基础是农地水土保持原理、土壤-植物-大气系统理论、
土地生产力形成与保持理论、提高农田水肥利用效率的原理与途径等。
**节 水分-土壤-植物-大气系统
水分-土壤-植物-大气系统是阐述旱地农业系统中水的功能作用的系统。在该系统中, 水在
吸收、传输和蒸腾过程中, 把土壤、植物、大气联系在一起, 促使植物生长并形成生产量。因
此, 它是水土保持农业技术依据的原理之一。
一、农田水量平衡
降水或灌溉水进入地面后, 一部分可能形成地表径流汇入地表水体; 另一部分则经过下渗
过程, 成为土壤水。土壤水在土水势梯度和水汽压梯度的作用下进行再分布, 一部分可能进一
步渗漏成为地下水; 一部分经土面蒸发散失或被植物吸收利用, 再经植物叶面蒸腾到大气中,
成为大气水; 还有一部分可能在较长时间内保存在土壤中, 并且也始终处在不停的运动之中,
但*终也必然参与自然界的水循环(图1-1) 。
农田土壤水循环由多个阶段或过程构成一个统一的、动态的连续系统, 其中土壤-植物-
大气系统是农田土壤水循环的主要途径, 它不仅在土壤对植物供水和植株蒸腾方面起作用,
还对降水进入土壤和土壤水分的消耗起重要作用。这一过程可用水量的收支、贮存与转化
的基本方法来描述。假设在某一时段( Δ t) 内农田水量的收支差值等于农田内部贮水量的
变化, 则对于作物根系活动层以上的土壤和植物冠层, 可用下列农田水量平衡方程表述:
( I + P + Dec + Des + SG ) - ( ES + T + Fd + RS + RSS + ESID + ECI ) = Δ WS + Δ WP
(1 -1)
同时, 农田内部的水量转化遵循如下关系式:
P = PIC + Pt + PS (1 -2)
S - T = Δ WP (1 -3)
( F + SG ) - ( ES + Fd + S + RSS ) = Δ WS (1 -4)
( I + Pt + PS + Des ) - ( F + RS + ESID ) = 0 (1 -5)
式(1-1) ~ 式(1-5) 中符号意义如图1-1 所示。农田水平衡各分量中植株蒸腾和棵间土壤
蒸发、植物根系吸水是土壤-植物-大气系统中水分迁移和能量转换中*重要的环节。
方程式中有些分量在特定条件下对水量平衡的影响很小, 可忽略不计。植被冠层截留的水
分, 主要消耗于降雨过程中的蒸发以及降雨停止后停留在冠层上的水分蒸发。植被冠层对降水
截留的大小, 主要取决于植被类型、覆盖地表面的程度、降水强度和时间以及降雨时的蒸发速
率等因素。对于较大降水量而言, 植被冠层截留的蒸发量( ECI ) 在农田水量平衡方程中的影
响作用很小。大量研究结果表明, 土壤表面截留降水的蒸发量( ESID ) 相对于ECI 较小, 可忽
略不计。
一般来讲, 水汽凝结仅在空气饱和时才能发生, 凝结形成露水的速率通常比潜在蒸发速率
小得多, 所以对水量平衡很少有明显的作用。
农地土壤表层疏松且有大量根系穿插其中, 降水很容易进入土壤, 当雨水或灌溉水下渗量
超过根系层*大贮水能力时就产生深层渗漏( Fd ) , 地表径流和水平方向壤中流比垂直方向小
得多。水分下渗受许多因素的影响, 如土壤表皮的疏松状况、土壤结构、土壤含水量、降水强
度(或灌溉水层深度) 以及地下水埋深等。地下水补给量在地下水埋深超过3.5m 以下时可以
不考虑; 当地下水埋深不足3.5m 时, 在水量平衡方程中应予以考虑, 其量的大小与土壤结
构、质地、作物种类、地下水埋深和大气蒸发条件有关。因此, 简化后的农田土壤水量平衡方
程为:
( Pe + I + SG ) - ( T + ES ) = Δ WS (1 -6)
式中, Pe 为降水扣除地表径流和深层渗漏后的有效降水。
式(1-6) 是用水量平衡法获取作物不同生育时期蒸散量的基础。对于大型蒸渗仪(有底
测坑) , 地下水补给SG = 0 , 则在某无降水或灌溉的时段, 蒸散量等于其土壤贮水量的变化量。
因此, 只需测定仪器内不同层次的含水量变化, 即可求得蒸散量。
二、土壤-植物-大气连续系统
(一) 土壤-植物-大气连续系统概念
水分经由土壤到达植物根表皮被吸收后, 通过根和茎的木质部输送到叶片, 再由叶片气孔
扩散到叶片表面的空气中, *后参与大气的湍流交换, 形成一个统一的、动态的连续系统, 称
为土壤-植物-大气连续(soil-plant-atmosphere continuum , SPAC) 系统。
在SPAC 系统中, 水分运动的驱动力是水势梯度, 即从水势高处向水势低处流动。水分
从土壤中被根吸收, 到向大气扩散的运动过程中, 都是因为水势梯度在两个交界面起作用: 一
个是在土壤-根系交界面, 由于土水势和根水势之间水势梯度的存在, 使得土壤水分能流进根
部; 另一个是叶片表面与大气界面, 由于叶水势和大气水势之间水势梯度的存在, 使得叶片表
皮细胞间隙中汽化形成的水汽才能扩散到空气中。系统中, 除了两个交界面存在水势梯度外,
水分要能在植物体内输送, 还得有根水势和叶水势之间水势梯度的存在, 同时, 水分在运动过
程中还得克服各段路径的水流阻力, 才能完成由土壤经植物体到大气的运动过程。系统中各段
路径的水流过程犹如链环一样, 互相衔接, 其流动速率与水势梯度成正比, 与水流阻力成反
比, 可用物理学中欧姆定律来进行模拟。
q = Δ φ
r (1 -7)
式中, q 为水流通量; Δ φ 为水势差; r 为水流阻力。
由此, 系统中各段路径的水流通量可表达为:
qsr =
φs - φr
rsr
; qrl =
φr - φl
rrl
; qla =
φl - φa
rla
(1 -8)
式中, qsr 、qrl 、qla 分别表示水流由土壤到根、由根到叶气腔、由叶气腔到周围空气各段路径的
水流通量; φs 、φr 、φl 、φa 分别表示土水势、根水势、叶水势与大气水势; rsr 、rrl 、rla 分别表
示水分通过土壤到达根表皮、越过根部通过木质部上升到叶气腔、通过气孔蒸腾扩散到周围空
气中各段路径的水流阻力。
式(1-8) 中, 如果忽略植株体内贮水量的微小变化, 认为SPAC 系统中的水流是连续的
稳定流时, 即当qsr = qrl = qla = q 时, 则有:
q =
φs - φr
rsr
=
φr - φl
rrl
=
φl - φa
rla
(1 -9)
由于在SPAC 系统中各个部位的水流阻力和水势并非是恒定不变的, 因此严格地说,
SPAC 系统中的水流是非稳定流。
(二) SPAC 各链环的相互作用
土壤-植物-大气系统虽然是一个统一的完整体系, 但是, 在水的吸收和输送过程中, 连续
体各链环之间是互有关联、互有影响的, 使植物的水分状况能够与周围环境保持平衡以适应不
同条件。因此, 在研究植物水分问题时, 一方面要注意土壤-植物-大气的统一性, 另一方面也
要考虑它们之间的相互作用。
在上面提到, 在SPAC 系统中水分运动是因为水势梯度在两个交界面起作用, 德国学者
Herrmann (1976) 把水分通过这两个界面流动的情况描述为两个“泵” , 由于这两个“泵” 的
串联作用, 克服各段路径的水流阻力, 水分才能通过土壤-植物系统, 由下向上运动。水分由
土壤进入根系的界面过程, 取决于土水势与根水势之间的势能梯度。植物要从土壤中吸水, 必
须使根水势低于土水势。根是从与根接触的土壤吸水, 所以这个根土接触区的土水势也随之降
低, 并趋向与根水势相等, 这样就在与根接触区土壤与其周围土壤之间产生了土水势梯度, 推
动土壤水向根流动。在势能梯度驱动之下, 土壤水进入根部, 由根部通过茎传输到叶部。水分
从叶到大气的逸出是通过气孔进行的, 这一界面过程由气孔内部与外部大气(叶水势与大气水
势) 之间的水汽压梯度来驱动, 形成蒸腾。具体地讲, 叶片气孔蒸腾失水, 使叶水势下降, 胀
压降低, 叶肉细胞的溶液浓度增大, 叶面的吸力增强, 不断从下面细胞吸水, 依次传递下去,
使得植物体内水分由下而上输送, 结果导致根水势降低, 与周围土壤之间的水势差扩大, 根系
不断从土壤中吸水。
土水势的高低对SPAC 系统中水势的变化和植物叶片的状态及生长发育影响很大。土壤
供水充分时, 开始阶段植物体内各部位含水也多, 作物的蒸腾率和吸水率保持平衡, 根部和叶
部的水势差也稳定在一定水平上。持续一段时间后, 由于植物蒸腾, 土壤水分不断散失, 其含
水量相应减少, 土水势降低, 从而使土壤对水流的阻力增大, 根的吸水率相应降低, 并低于蒸
腾失水率。结果叶水势又进一步下降, 随着叶水势的下降, 根和叶的水势差复又增大, 根的吸
水率再度上升, 土壤中的水进一步耗失, 土水势进一步降低, 其阻力变得更大, 根的吸水率也
就减少, 叶水势降得更低, 终于导致叶片气孔开始关闭, 大大增加了气孔对水流的阻力, 蒸腾
率降低。虽然这时根、叶之间的水势差加大了, 但吸水率却无法恢复到原有的水平, 只能与蒸
腾率保持较低水平的平衡。因此, 在土壤供水有限、土水势不断降低的情况下, 土壤和根的阻
力增大, *终导致叶片蒸腾阻力增大, 供水不足以补偿蒸腾的消耗, 结果叶水势降低, 胀压降
低, 叶气孔关闭, 蒸腾减弱。
图1-2 中A 、B 两条水势线分别是土水势较高和较低情况下, 各个环节中水势的变化情
况。在土水势较高的情况下, 根水势也较高, 叶水势比根水势稍低, 但不超过细胞维持膨压、
保持正常状态的临界值( - 2.0 ~ - 1.5 MPa) , 水分易被吸收, 植物蒸腾作用正常进行, 植物
叶片不发生萎蔫。在土水势较低和蒸腾率较高的情况下, 根土间的水势差要大得多, 叶水势与
根水势间的差值也更大, 叶水势远远低于临界值, 叶片不能维持正常膨压, 发生萎蔫。
三、SPAC 系统中水分和能量的传输
在SPAC 系统中, 土壤与大气、土壤与植物及植物与大气诸介质之间存在物质(主要是
水分) 和能量的传输。SPAC 系统良性的水分和能量循环是维持植物本身正常生理活动的必
要条件。由于植物蒸腾既表现为水分传输(水分从叶到大气的传输) , 又是能量传输(潜热
输送中的蒸腾) 的一种形式, 因此SPAC 系统的水分传输与能量传输总是相伴相随, 互为
耦合。
(一) 辐射及能量传输
地表上几乎所有的热能都来自太阳辐射, 太阳辐射经过大气输送, 其中一部分以短波辐射
形式直接照射到植物冠层表面, 而另一部分被大气吸收或反射回天空, 或以漫散射的形式到达
作物冠层表面。被大气吸收的太阳辐射将使大气增温, 一部分以长波形式再输送到植物冠层。
到达植物冠层的短波辐射一部分被反射回天空, 另一部分透过植物冠层到达土壤表面, 继续被
土壤表面反射。冠层所接收的净辐射主要用于蒸腾耗热、大气感热、光合作用耗能和植物冠层
热贮量等, 而土壤表面所接收的净辐射主要用于土壤蒸发耗热、大气感热和土壤热通量等。由
此可见, SPAC 系统中的能量输送与转换涉及许多复杂过程, 一般包括辐射传输、显热传输、
潜热传输、土壤热传输等。
1.辐射传输 直接照射到植物冠层表面的短波辐射, 用冠层截获短波辐射通量Isc (J/s)
表示, 计算公式为:
Isc = η(1 - αc ) Qt + (1 - η)αg (1 - αc ) Qt (1 -10)
式中, Qt 为太阳总辐射(J/s) ; η 为冠层覆盖度( % ) ; αc 为冠层反照率( % ) ; αg 为地表反照
率( % ) 。
2.显热传输 植物冠层的显热传输, 用冠层的显热通量Hc (W/m2 ) 表示, 其计算公式
为:
Hc = ρCp
Tl - T0
rac
(1 -11)
式中, ρ为空气密度(kg/m3 ) ; Cp 为空气定压比热[1004J/(kg ? K)] ; T0 为土壤-植物-大气系
统的空气平均温度(K) ; Tl 为冠层叶面温度(K) ; rac 为冠层叶面空气动力学阻力(s/m) 。
3.潜热传输 植物冠层的潜热传输, 用冠层的潜热通量LEc ( W/m2 ) 表示, 其计算公
式为:
LEc =
ρCp
γ
× es ( Tl ) - e0
rac + rc
(1 -12)
式中, γ 为干湿球温度表常数(6.2 × 10 - 4 Pa/K) ; rc 为冠层阻力(s/m) ; e0 为土壤-植物-大气
系统的空气平均水汽压(Pa) ; es ( Tl ) 为叶片蒸发面饱和水汽压(Pa) 。
其中, 冠层的潜热通量除以汽化潜热( L) , 便得到冠层的水汽通量。
4.土壤热传输 土壤的热传输, 用土壤热通量G(W/m2 ) 表示, 其计算公式为:
G = - λ 抄Ts
抄z (1 -13)
式中, Ts 为土壤温度(K) ; z 为地表以下垂直距离(m) ; λ 为土壤热传导率[W/(m ? K)] 。
辐射和能量传输还包括太阳辐射透过植物冠层到达土壤表面的短波辐射(地表截获短波辐
射) 、以长波形式输送到植物冠层或透过植物冠层到达土壤表面的长波辐射(地表和冠层截获
的长波辐射) , 以及大气感热、地表潜热等, 这里不作详细阐述。
(二) 水分传输
1.SPAC 系统水分传输 水分的传输不仅意味着此介质到彼介质或是在介质内部间的位
移, 而且意味着从此介质到彼介质的相变。SPAC 系统中水分传输动力是水势梯度, 传输环节
包括根系吸水(土壤到根的水传输) 、大气水分输送、植物表面和内部水分输送(液流、茎流
和植物内水流) 、土壤表面和内部水分输送(地表径流和坡中流) 等形式。系统内各段路径的
水分传输可用式(1-8) 表示。
其中大气水分输送是相对SPAC 系统, 属于紧邻地表层, 气压恒定, SPAC 系统周围大气
输入和输出的水量差可视为0 , 所以大气水分输送为0 。考虑系统的大气水分输入时, 用降水
强度(mm/s) 表示。由于植物表面水分传输通量远小于其他通量, 故常忽略不计。冠层截留
的那一部分水用冠层截留量来表示。
2.地表和土壤水分输送 SPAC 系统中地表径流很小或者即使有(灌溉) , 地表径流过
程也非常短, 可视为0 。土壤水分传输可分为水平方向和垂直方向, 垂直方向上的水分输送
(土壤水分通量Qswv ) 服从达西定理:
Qswv = - kw
抄( φs + z)
抄z (1 -14)
式中, kw 为水力传导度(m/s) 。
水平方向上的水分输送(水平上的水分通量Qswh ) , 即壤中流, 其计算常用经验公式(孙
菽芬, 1989) , 即:
Qswh =
(θ - θf )2
33600(θs - θf )
θ ≥ θf
Qswh = 0 θ < θf
(1 -15)
式中, θ 、θf 分别为土壤含水量( % ) 、田间持水量( % ) ; θs 为土壤饱和含水量( % ) 。
事实上水平的土壤水分通量( Qswh ) 也可用达西定理求出, 即:
Qswh = - kw
抄φs
抄x (1 -16)
3.水分传输阻力 由式(1-8) 可知, 水流从土壤到根、从根到叶和从叶到大气传输的
阻力rsr 、rrl 和rla 应分别为:
rsr =
φs - φr
qsr
, rrl =
φr - φl
qrl
, rla =
φl - φa
qla
(1 -17)
土壤-植物-大气系统中水分从叶到大气的传输通量直观表现为蒸腾。若��蒸腾速率
E(mm/s) 来表示水流通量, 为简单起见, 假设qsr = qrl = qla = E , 即假设水流速率处处相等,
则:
rsr =
φs - φr
E , rrl =
φr - φl
E , rla =
φl - φa
E (1 -18)
由此, 可以通过田间试验计算出水流从土壤到根, 从根到叶和从叶到大气传输的阻力。表
1-1 是由中国科学院栾城农业生态系统试验站的田间试验计算出的SPAC 系统各段路径水分传
输阻力。

序
前言
绪论
一、水土保持农业技术的概念
二、水土保持农业技术的分类
三、水土保持农业技术的研究对象、内容与方法
四、水土保持农业技术的历史沿革
思考题
**章 水土保持农业技术原理
**节 水分-土壤-植物-大气系统
一、农田水量平衡
二、土壤-植物-大气连续系统
三、SPAC系统中水分和能量的传输
四、SPAC系统中的水分转化
第二节 土地生产力的形成与保持
一、土地生产力的形成原理
二、土地生产潜力计算及评价模型
第三节 提高农田水肥利用效率的原理与途径
一、土壤水分有效性
二、土壤水分与植物生长及土壤肥力的关系
三、作物的水分利用
四、农田水肥利用效率调控
思考题
第二章 耕作技术
**节 主要耕作技术特征
一、等高耕作
二、等高沟垄耕作
三、坑田耕作
四、半旱式耕作
五、深翻耕
六、旋耕
七、保墒技术
第二节 土壤耕作制
一、土壤耕作制的概念
二、拟订土壤耕作制的原则
三、土壤耕作制的改革
第三节 耕作措施特征描述
一、地表糙度的测量
二、地表糙度计算
第四节 耕作技术的功能
一、耕作技术的蓄水保土作用
二、提高作物产量
思考题
第三章 保护性耕作技术
**节 覆盖耕作技术
一、覆盖技术
二、深松耕技术
三、少免耕
四、保护性耕作技术模式
第二节 保护性耕作中的机械配置
一、保护性耕作中的机械配置
二、耕作机械对耕作层的影响
第三节 保护性耕作中的病虫害**
一、保护性耕作农田杂草发生特点
二、保护性耕作农田病虫害发生特点
三、保护性耕作农田杂草**
四、保护性耕作农田病虫害**技术
第四节 保护性耕作技术的功能
一、保护性耕作的水土保持效应
二、微生态环境效应
三、保护性耕作的生物学效应
四、节本增收效果
五、保护性耕作的水分利用效率
思考题
第四章 作物栽培技术
**节 作物布局
一、作物类型与生育期
二、作物布局
第二节 抗旱品种筛选与保苗技术
一、抗旱品种特征
二、抗旱能力鉴定的方法
三、抗旱播种保苗技术
第三节 间作、套种与混播
一、基本概念
二、间混套作技术
三、间作主要类型和方式
四、套作主要类型和方式
第四节 复种与轮作
一、复种
二、轮作
思考题
第五章 土壤改良与培肥
**节 土地复垦技术
一、土地复垦的概念及现状
二、土地复垦对象与标准
三、土地复垦技术体系
四、土地复垦规划
第二节 土壤盐渍化**技术
一、盐渍土的分布
二、盐渍土的形成条件
三、盐渍土的特征
四、盐渍土的改良措施
第三节 土壤污染**技术
一、土壤污染
二、土壤污染的途径
三、土壤污染的治理
第四节 土壤培肥技术
一、高产肥沃土壤的特征
二、新修梯田改土培肥措施
三、低产田土壤培肥的基本措施
四、坡耕地平衡施肥效应
思考题
第六章 补灌农业
**节 作物需水与补灌制度
一、作物需水量及其影响因素
二、作物需水量计算
三、几种主要作物的集雨补灌灌溉制度
第二节 集水技术
一、集水材料
二、集流场地表处理技术
三、集水效率
四、集水量确定
第三节 补灌技术
一、膜下滴灌技术
二、抗旱坐水种补灌技术
三、喷灌带灌溉技术
四、微喷灌技术
五、补灌技术适应性分析
第四节 集雨补灌实例
一、基本情况
二、集雨工程
三、补灌系统布设
四、材料与设备投资
五、效益分析
思考题
第七章 生态农业
**节 概述
一、生态农业
二、生态农业的基本模式
三、中国生态农业的成就与问题
第二节 生态农业的基本原理
一、生态学原理
二、经济学原理
三、系统科学原理
四、生态农业建设
第三节 水土保持型生态农业模式与技术
一、水土保持型生态农业模式的含义
二、水土保持型生态农业的建设技术
三、黄土高原的农果复合型生态农业
思考题
参考文献

《水土保持农业技术》由吴发启、史东梅主编,本书在梳理已有成果和分析现代农业发展趋势的基础上,明确了水土保持农业技术的概念、分类和功能,并按照其原理、措施类型与设计、作用与评价,以及措施组合后形成的农业生产模式的特征等为主线编写而成的,本书主要用于水土保持与荒漠化**专业本科教学,也可作为高等学校环境生态类及相关专业本科教学用书,同时,还可供本行业和从事土地利用、国土整治、环境保护等方面的研究、生产与管理人员参考。