黄土丘陵枣林非生育期土壤水分.DOC

1、Comment 微微微微1: 请补充。1黄土丘陵枣林非生育期土壤水分损失及其剖面气态水分析靳姗姗 1 汪 星 1 汪有科 1,2 王 智 3,4 佘 檀 2（1.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，陕西杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；3，美国加州大学地球与环境科学系，弗雷斯诺 93740；4.长安大学水与发展研究院，西安 710054） 摘要：针对黄土丘陵半干旱区枣林地土壤干化缺水严重的现象，利用 2012-2015年土壤水分、温度等实测数据，分析枣林土壤水分损失的运动规律及其机理。结果表明：非生育期是枣林地土壤水分损失的十分严重的

2、阶段，0-200cm 土层土壤水分损失量可达到 85.64-92.34mm，大约是同期降雨量的 2倍。蒸发是非生育期土壤水分损失的主体。在垂直剖面上，非生育期土壤水分损失自上而下呈现减少趋势，土壤水分由地下向上运移最终在近地表以气态水形式散失到大气。土壤气态水运动的活跃层在 0-11cm土层间，最大深度为 540cm。受温度、相对湿度等因素的影响，土壤气态水通量随土壤深度增加而减少。关键词：土壤干化 非生育期 土壤水分损失 土壤气态水 中国分类号：S278Mechanism of soil water loss in non-growth period of jujube plantation

3、 in the loess hilly regionJin Shanshan1 Wang Xing1 Wang Youke1,2 Wang Zhi3,4 She Tan2(1.Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment, Chinese Academy of Sciences3. Department of Earth and Environmental Sciences California State University, Fresno 93740, America;4.Institu

4、te of Water and Development, Changan University, Xian 710054, China)Abstract: Based on the soil desiccation and water shortage problems in the semi-arid Loess Plateau in China, the soil water and temperature of 0-1000 cm soil layers in a dense jujube plantation was measured during 2012 to 2015 in or

5、der to investigate the mechanism of soil water loss in jujube plantations in the region. The results of our analysis showed that evaporation is the main reason of the soil water loss in non-growth period: the soil water moved toward the upper soil layer and eventually converted to water vapor when n

6、ear the soil surface, then diffused into the atmosphere. The soil water loss in the non-growth period is serious: the amount of soil water loss in 0-200 cm soil layer was up to 85.64-92.34 mm, which is about twice as much as contemporaneous rainfall. Both the water loss amount and the net flux of so

7、il water vapordecreased with the increase of soil depths in the 0-540 cm soil profile. The most active layer of soil water loss is 0-11 cm. Key words: soil desiccation, non-growth period, soil water loss, soil water vapor红枣作为黄土高原半干旱区山地退耕还林的主要种植树种，对当地经济发展和生态环境起到重要作用 1-2。受该区自然条件、树木耗水特性和人为因素等影响，林地土壤水分损

8、1收稿日期：2016-02-29基金项目： *林业公益性行业科研专项资助项目（20140470） 、 “十二五”国家科技支撑计划资助项目（2011BAD29B04、 2013BAD20B03）和陕西省科技统筹创新工程计划资助项目（2013KTZB02-03-02）第一作者：靳姗姗（1990-） ，女，硕士研究生，主要从事林地耗水研究。E-mail:Comment W微2: 对非生育期概念具体化，对于研究区的这种树种，什么时间段是非生育期？Comment W微3: 这一段的位置应当在前沿！Comment W微4: 属于幼龄树种，还是壮龄树种？失严重，甚至出现永久性土壤干层 3。长期以来为了改善林

9、地土壤水分状况，人们对多种旱作技术进行了持续研究与推广 4-6，但林地土壤水分的研究主要集中在林木生育期 ，非生育期相关研究十分罕见，似乎被忽略 7。虽然生育期是林木生长耗水最主要的时期，具有十分重要的研究意义，但由于北方林木非生育期， （说明：由于林木树种不同，生育期具体时间段不一样，因此这里只说明了是指果实收获至次年萌芽，对于枣树而言，在下文中有具体说明）即果实收获以后至来年萌芽阶段降水较少，蒸腾作用弱，但蒸发持续存在，成为林地全年土壤水分降低严重的阶段。非生育期土壤水分蒸发损失会导致来年春季土壤水分供给不足，造成枣树萌芽、展叶不良甚至减产 8-9，所以 非生育期旱作林地土壤水分研究仍然是

10、不可忽视的重要环节。以往有关农林地土壤水分蒸发损失规律的报道较多 10-11，但研究重点主要在 蒸发的时间尺度规律和影响因素上，从水汽扩散角度对土壤水分蒸发损失机理的研究较少。另外，过去对蒸发测量方法的假设均在地表，但由于土壤水分蒸发过程复杂、蒸发量测定困难等原因，对蒸发深度的研究罕见 11-12，尤其是当地表长期处于土壤水分胁迫状态下， 土壤气态水运动占据重要地位时的相关研究更少。研究评价枣林非生育期土壤水分运动特征与规律，分析其形成机理，可以为山地枣林土壤水分恢复措施提供更加准确的切入点。本文以陕北黄土丘陵区山地枣林为研究对象，通过分析土壤水分周年变化规律，重点对枣林非生育期土壤水分损失进

11、行分析评价。由于研究区非生育期土壤水分较低，均小于田间持水量的 60%，因此强化了土壤水热特性对土壤水分蒸发的作用。当土壤含水量低于最大吸湿水时，形成干土层，下层土壤水分将逐渐运移到干土层，最终被气化进入大气。从土壤气态水运移角度来深入分析该区土壤水分损失规律和机制，可以为半干旱区旱作枣林发展及建立良性林地土壤水分生态环境提供理论和技术支撑。 （说明：根据专家意见，将2.“结果与分析”和 2.1“生育期与非生育期枣林地土壤水分变化”两部分之间的内容添加到了前言部分的最后一段，并结合之前前言最后一段的内容进行了修改。 ）。1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于中国典型黄土高原丘陵沟壑区陕西

12、省米脂县远志山，山上种植有 3-12年不同林龄重度修剪程度的成片密植矮化山地枣林，枣树株行距为 23m，林地为水平梯田和水平阶。样地海拔 890m，属于中温带半干旱性气候区。年平均降水量为 451.6mm，年内分布不均，主要集中在 79月份，年潜在蒸发量在 1600mm左右。研究区 05.0m土层内土壤质地均一，土质松软颗粒细，粉粒、砂粒和粘粒三种粒级所占百分比分别为7.7%、 47.8%和 44.5%，为典型黄绵土。土壤容重为 1.291.31g/cm3，最大吸湿水为 3.2%，用环刀法测定平均田间持水量为 23.4%。该区黄土层深厚， 地下水位超过 50m。1.2 试验布置与指标测定201

13、1年 10月在 11龄 11a中龄林 枣林地布设 CNC100型中子水分测管，每隔 3个月进行一次标定。测管统一安装在枣树西侧 50cm的位置，安装深度为 5m，监测深度步长为20cm，监测初始时间为 2011年 10月 27日，每隔 10天测定一次土壤水分。每三个月对中子仪进行一次标定。2014 年 5月在试验地开挖一直径 1.0m、深 10m的土柱，土柱上沿露出地面 15cm。土柱被人工开挖后，内壁用约 1mm厚的塑料与周围土壤隔开，防止周围土壤水分和植物根系对土柱内土壤水热特性产生影响。土柱采用分层填埋土壤的方法，逐层人工压实使土壤接近当地容重，大致为 1.21.4g/cm3。考虑到表层

14、土壤水分变化率大，根据上密下疏的原则布设仪器进行定位连续观测。分别在距地表以下 1cm，0.11m 内每隔10cm，13m 内每隔 20cm， 36m内每隔 50cm，610m 内每隔 100cm插入水分探针，监测时间步长为 30min。为防止表层探针的损坏，在井口周围用铁丝网进行保护。用烘干法Comment 微微微微5: 请按本刊网站首页“在线下载（论文模版）”中的要求发来在 word文档中能打开并修改的文中所有的图文件。如保存成 JPG图片格式。对水分探针进行校准，校准方程为： 901.3.xy98.2R探针法监测的土壤体积含水量，x%烘干法测定的土壤体积含水量，y试验期间对枣树不进行任何

15、灌溉措施，完全依靠天然降水对其进行补给。土柱所使用的土壤水分探针为美国 CAMPBELL公司生产的 CS650，可用于测定土壤体积含水量（ ，cm 3/cm3）和温度（ T，） ，数据采集器为 CR1000。样地附近设有BJJW-4小型气象站。监测指标包括气温（ T，） 、相对湿度（RH，%） 、降雨量（P ，mm ） ，总辐射（R，W/m 2） 、太阳净辐射（R n，W/m 2） 、土壤热通量（G ，W/m 2）和风速（V ，m/s） ，监测时间步长为 30min，与水分探针一致。(a) (b)图 1 试验布设示意图（说明：已按照要求将所有图改成 JPG格式）1.3 数据处理1.3.1 土壤

16、水分损失计算土壤水分损失量计算：（1） HW10式中 土壤体积含水量，cm 3/cm3土壤储水量，mmW土层深度，cmH（2）presntintallos式中 土壤水分损失量，mmlos土壤初始含水量，mminta土壤现有含水量，mmpre1.3.2 土壤气态水通量计算：土壤中损失的水分最终在近地表以气态水形式散失到大气，该扩散过程符合菲克第一定律。该定律表明：通过单位面积的物质流量与其浓度梯度成比例。那么，通过单位面积的水汽通量则是关于水汽压浓度梯度的函数 13：（3）zaDqvv式中 土壤气态水通量，g/cm 2svq水汽增强因子，无量纲土壤孔隙含气率，在大气中认为该项为 1aCommen

17、t 微微微微6: 请文中各处均改为 D。Comment W微7: 这是文章的结论？还是引用其他文献说明这一结论?Comment W微8: 周期？Comment W微9: 语句不通顺！非专业术语!土壤中的水汽扩散系数，cm 2/sD空气的水汽密度，g/cm 3，水汽密度是关于水汽压 （g/cm 3）和土壤温度v vs（K ）的函数 13T水汽扩散的一维垂直方向，cmz（4）sna/37（5）RTghvsexp式中 土壤孔隙度n土壤饱和含水量，cm 3/cm3s通用气体常数， =8.315107 ，J/molKRR重力加速度， =981，cm/s 2gg水势，cm ，h温度 （K）下的标准饱和水汽

18、密度， g/cm3，可由以下方程表示 14:vsT（6）311vs 09.6043.expT是为减少计算值与实际测量值之间误差而引进的参数。本研究使用 Cass et al和Campell提出的经验公式进行计算 15。（7）3.2scfbs式中 水汽增强因子，无量纲土壤粘粒的比重，无量纲cf经验参数。根据该试验区土壤质地的类型，使用经验参数值 14.5进行计算 16。b目前有多种方法可以用来估测土壤中气态水的扩散系数。研究表明，在不同干旱程度的土壤中，水汽扩散系数与孔隙度有着密切的相关关系。在本研究中，使用 Lai等人提出的经验公式 13进行计算：（8）03/5*Dn是空气中水汽的扩散系数，它

19、是关于温度 （K）的单值函数 13：0DT（9）75.1029.2 结果与分析2.1 生育期与非生育期枣林地土壤水分变化0-200cm土层是降雨入渗和枣树根系耗水的主要影响深度 20。 （说明：这是引用参考文献 30中的结论，由于 0-200cm是陕北枣林根系含水的主要深度，因此在该部分论述中，主要以该层深度为对象进行分析。 ）利用中子水分测定仪 2m土壤水分实测数据，绘制2012-2015三个连续枣林生长 周年全年（“周年”是指枣树一个生育期和一个非生育期的全部时期，为了更好的表达，已经“周年”改成“全年” ）土壤平均含水量逐月变化动态图。以每年 4-9月作为生育期，10-次年 3月为非生育

20、期进行分析和讨论。由图 2可知，土壤水分的全年响应规律类似，每年生育期土壤水分均处于加的阶段增加的阶段（说明：根据专家意见，已进行了修改） ，而非生育期处于最低阶段。在 2012-2013年第一个枣林生长周年Comment W微10: “2倍”即可。Comment W微11: 补充枣树蒸腾蒸发量数值，与所测定的降雨和土壤水分数值进行对比，增强这一结论的定量化程度！Comment W微12: 图表的位置应放置在文字引用后面。文字引出图表，而不是先看见图表，再看见文字引用。下同。Comment 微微微微13: 请将横坐标的标目改为日期（年-月-日） ，对应的刻度数据改为 2012-04-01，20

21、13-04-01等形式；另外，请去掉误差棒。完后，请按本刊网站首页“在线下载（论文模版）”中的要求发来在 word文档中能打开并修改的文中所有的图文件。Comment W微14: 这一论断和下面讨论的非生育期土壤水分垂直损失动态 是什么关系？Comment W微15: 注意因果关系表达，是土壤水分垂直变化来揭示蒸发，还是分析蒸发，从而揭示土壤水分变化规律？Comment W微16: 什么是永久性干层？内，生育期和非生育期土壤平均含水量分别为 9.78%和 7.68%，分别在 2012年 10月和2013年 3月达到最大值 11.06%和最小值 6.49%。生育期内，土壤水分呈增加趋势，由 9.

22、70%变为 11.06%，而非生育期过后，土壤水分损失严重，损失量达到 91.40mm，是同期降水量的2.00倍 2倍（根据专家意见，已进行了修改） 。在 2013-2014年第二个枣林生长周年内，生育期土壤平均含水量为 9.92%，最大值出现在 8月，含水量为 11.56%，经历一个生育期，土壤含水量增加 3.50%，这是因为当年降水补给量大于枣树蒸散量，多余水分被储存在土壤中。而非生育期过后土壤水分仍然降低，损失量高达 92.34mm，相当于同期降水量的2.11倍。在 2014-2015年枣林第三个生长周年中，生育期土壤储水量增加 63.25mm，而非生育期土壤水分损失 85.64mm，是

23、同期降水量的 2.24倍，由此可以看出非生育期是枣林地土壤水分损失十分严重的阶段。魏新光 10在研究不同修剪程度对陕北枣林土壤蒸腾的影响中得出，在重度修剪条件下枣树生育期蒸腾量为 160.7mm，平均降雨量为 407.6mm，根据小型蒸渗仪的实测数据计算生育期枣林地实际蒸发量的平均值为 251.3mm，可以看出尽管生育期枣树生长量大，蒸腾蒸发量高，但此时正逢每年雨期，降雨补给使耗损的土壤水分得到补偿，在长期的自然水文循环过程中，雨水补给量与蒸散量基本持平。 （说明：根据专家意见，已补充了枣树蒸散量和降雨量的数据。 ）图 2 2012年 5月-2015 年 9月 0-200cm土层月平均土壤水分

24、变化动态（说明：根据专家意见，将文章所有图表均放在了文字后面。 ）2.2 非生育期林地土壤水分垂直损失一般认为，土壤水分消耗包括作物蒸腾，土壤蒸发和深层土壤水分渗透，但在非生育期，尽管枣树存在蒸腾，但目前对于冬季（非生育期）蒸腾量的测量计算没有较成熟的方法，大多研究者认为休眠期树木蒸腾量较小 31-33。另外，由于黄土层深厚，大量研究表明土壤水分入渗深度很少超过 4m34-38，因此基本不存在水分的渗漏损失，所以蒸发是非生育期土壤水分损失的主体。 （说明：考虑到本段内容与下文联系不紧密，已将其删除。 ）利用 2014年 10月-2015 年 3月 0-1000cm土层定位自动观测数据，对非生育

25、期土壤水分垂直剖面特征进行分析并绘制图 3。由于定位自动监测试验在布设时用厚膜对周围土壤进行隔离，排除了根系对土壤水分的消耗，因此计算出的土壤水分损失为蒸发损失量。由于蒸发是非生育期土壤水分损失的主体，所以考虑和分析蒸发导致的通过分析土壤水分的垂直变化，可以更好的揭示非生育期蒸发损失规律。 （说明：文章是想表达通过土壤水分的垂直变化来分析蒸发的规律，已对其进行了修改）根据图 3a，按照土壤水分状况的不同，将 0-1000cm垂直剖面分为 3个层次。第一层位于 0-200cm深度范围，该层土壤水分波动大，土壤水分损失严重，损失量占整个 10m土层总损失量的 82.26%。这说明在考虑土壤蒸发损失

26、控制措施时，主要解决 0-200cm土层的技术难题。第二个层次位于 200-500cm土层，由图 3a还可知，观测期内该层土壤水分基本保持不变，损失量较少，只有 0.10mm。另外，因枣林耗水在该土壤深度范围内形成的 永久性土壤干层土壤干层（说明：文献 10中提到了永久性干层这个概念，由于土壤干层具有Comment W微17: 是猜测还是你观测的结果？Comment W微18: 观测的结果？注意分析内容的层次，紧密围绕题目叙述，不能随意扩充概念，否则缺少数据支持！在一定时间段内稳定不变的特征，因此成为永久性干层，考虑到该名字还没有被大多数科学家所认可，已将文中改成“土壤干层” 。 ）是枣树根系

27、可以到达的范围。在枣树生长季，当降雨不足时往往会造成上层土壤水分无法满足枣树生长需求，所以该层土壤水分被消耗至接近凋萎系数，尽管雨期降雨量大，但很难入渗到 200cm以下深度 7。由于干层土壤含水量通常接近或等于凋萎系数，在这种较干燥的土壤中气态水运动作用大，不能够被忽略，因此土壤干层的形成使土壤中的气态水运动活跃，而液态水运动减弱。 （说明：杨文治老先生 1985年的一篇文献中指出，对于黄绵土来说，当土壤含水量低于田间持水量的 60%时，液态水运动就已经缓慢，而接近凋萎系数时，则应相当活跃。文献出处：杨文治, 韩仕峰. 黄土丘陵区人工林草地的土壤水分生态环境J. 中国科学院西北水土保持研究所

28、集刊 (土壤分水与土壤肥力研究专集), 1985, 2: 001.）第三层位于 500cm深度以下，由于枣树根系难以到达，该层土壤水分基本处于初始状态，在整个非生育期内变化极小，土壤水分蒸发损失量仅有 0.07mm。但受土壤基质势的作用会缓慢向上层水势较低的土层运移，对上部土壤水分有一定的补充作用，土壤水分曲线呈阶梯状。从整体看，非生育期土壤水分损失由上而下呈减少趋势，200cm 深度以上是土壤水分损失的主体。为进一步分析 0-200cm土层土壤水分损失状况，分层计算土壤水分损失量，并绘制成条形图，如图 3b。根据本实验观测期数据非生育期降水入渗深度最大为 20cm，对 20cm以下深度土壤水

29、分基本无影响，所以在采用水量平衡法计算 0-20cm土层土壤水分损失量时需考虑降水影响，而其他土层则不予考虑。根据非生育期前后土壤储水量变化和降水量，得出 0-20cm土层水分减少了 47.47mm，占该层土壤水分总损失量的 58.73%。从图 3a中可以看出，1cm 土层土壤水分变化较小，土壤含水量在 2.96%-3.93%之间，接近研究区土壤最大吸湿水，形成干土层。干土层是土壤水分以水汽扩散形式进入大气的剖面，随着干土层厚度的加深，土壤气态水活跃的深度也在加大。20-30cm、30-40cm 和 40-50cm土层土壤水分损失量分别为 7.84mm、6.64mm 和 5.02mm，比 0-

30、20cm土层小了 40mm左右，而50cm以下土层土壤水分损失量更少，均低于 5mm，这说明地表至 20cm土层土壤水分损失最严重，也是气态水运动最活跃的层次，且随土层深度增加，土壤水分损失由上到下不断减少。但无论是哪个土层，损失的土壤水分最终会逐层由下向上运移至近地表，并以气态水形式散失到大气，因此越靠近地表，气态水所占比重越大，损失量越大。 （说明：考虑到这部分描述缺乏数据支撑，因此已将其删除。 ）(a) (b)图 3 0-10m土层不同深度土壤水分动态2.3 土壤气态水运移Comment W微19: 观测的结果吗？Comment W微20: 什么时间范围？Comment W微21: 这和

31、上述“600cm左右出现了土壤温度的最高点”这一结论是什么联系？之间怎么联系？Comment 微微微微22: 应为正体 kPa(且其中的 P为大写)。土壤中的水分包括固态、液态和气态三种形式，通常液态水占主体，但随着季节变化土壤水分的形态也在转化。其中固态水主要存在于冬季冻层土壤内，而液态水和气态水则全年都存在，并处于不断运动和转换中。非生育期土壤水分损失的主要形式是蒸发，而蒸发是土壤中的液态或气态水向地表运移，最终在近地表层以气态形式散失到大气的过程。这种大气和陆地之间水分和能量交换过程，在地气界面能量平衡和整个水分循环中起着不可替代的作用。由于研究区非生育期气候干燥，土壤质地疏松多孔，通过

32、调查测量和对地表层土壤进行取样并烘干测定其含水量发现，一般在地表形成约 1cm，甚至更大厚度的松散干化层，干化层含水率仅为 3%左右。由下层土壤运移的水分会在干化层底部被气化并损失。因此为进一步揭示土壤水分损失的实质，有必要对土壤气态水运移过程进行分析。（说明：这部分的数据是实际观测到的结果，已在该部分内容中进行了补充说明）2.3.1 土壤气态水垂直运移规律早在 20世纪初期，温度梯度作为土壤气态水运移的主要驱动力已被众多学者所认可 17。图 4a为 2014年 10月-2015 年 3月非生育期 10m土层不同深度月平均土壤温度的时空变异曲线。从图中可以清晰看出曲线大致呈倒三角形，说明上层地

33、温变幅较下层大。1cm 土温变化最剧烈，最大值出现在 2014年 10月，平均土温达到 18.3，最小值为-6.2，出现在 2015年 1月，温度变幅为 24.5，而 500cm和 1000cm深处土温变幅分别为 2.1和0.5，这说明随深度增加，土壤温度逐渐趋于稳定，深层土温基本不存在年际变化。图 4a中黑色实心曲线为各土层非生育期的平均土温，可以看出在 600cm左右出现了土壤温度的最高点，说明该深度是非生育期的一个发散型温度零通量面，零通量面以上，下层土温高于上层土温，为土壤气态水运移提供了方向和动力，零通量面以下虽然土壤温度逐渐减少，但降低幅度小，其中 600-1000cm之间土温仅相

34、差 0.06，可以认为是恒温层，土壤水分运动较弱。为进一步确定土壤气态水运移的活跃深度和最大深度，用变异系数作为衡量指标对其进行定量分析。分层计算 2014年 10月-2015 年 3月整个 10m土层不同深度土壤温度变异系数， （说明：已对时间范围进行了补充，用绿色进行了标注， ）得到土壤温度变异系数与土层深度之间的关系，如图 4b。可以看出两者呈极显著的乘幂关系，相关系数达到0.98，其拟合方程为：xey3269.458 （10）式中 土壤深度，cmy土壤温度变异系数，%x变异系数处于 0-0.1之间，表示较弱的变化程度，而在 0.1-1之间表示中等的变异程度，大于 1为较强的变异程度。从

35、图 4b中可以看出，随着深度增加变异系数逐渐减小并趋于稳定。根据拟合方程计算出变异程度为 0.1和 1时的土层深度，分别为 540cm和 11cm，这说明从温度变异性的角度分析，0-11cm 土层间土壤温度变异大，可以认为是当地土壤气态水运动的活跃层，而 540cm以下土壤温度变异程度极小，是土壤气态水运动的最大深度。（说明：上文 600cm深度只是通过土壤水分数据观测到的大概深度，所以在上文中用600cm左右进行了描述，而该部分中提到的 540cm的深度是根据本部分内容中的公式 10进行计算得到的，更加准确。 ）除温度梯度外，水势梯度对气态水运移也起着重要作用，主要控制着气态水运移通量的大小

36、。图 4(c)为非生育期各土层水势梯度（ ，向上为正）H/随深度的变化曲线。由图 4(c)可知，0-20cm 土层水势梯度为 156.1-198.5 kPa/cm，分别是20-200cm和 200-600cm土层间水势梯度的 13.6-17.4倍和 149.4-189.9倍，而 600cm土层以下水势梯度趋近 0，这与温度变化规律一样，越接近地表，水势梯度越大。利用修正过的水汽扩散模型，计算非生育期不同土层土壤平均气态水通量，并绘制图 4(d)。可以看出土壤气态水通量受温度和水势梯度的共同作用，表现为上大下小的趋势，随深度增加不断减小，这和上文土壤水分损失量的垂直变化规律类似。其中 1-10c

37、m、10-20cm 和 20-30cm土层间土壤气态水通量最大，分别为 4.6310-7 g/cm2.s、 3.2210-7 g/cm2.s 、2.9810 -7 Comment W微23: 前沿中需对这种动力过程有个简要说明。Comment W微24: 什么时间段？g/cm2.s，从数量级上看，大约是 30-200cm土层气态水通量的 10倍，是 200-500cm土层气态水通量的 100倍，是 500-1000cm土层气态水通量的 103-104倍，这与上文得出的 0-11cm和 540cm分别是土壤气态水运移的活跃深度和最大深度的结论基本对应。(a) (b) (c) (d)图 4 201

38、4年 10月-2015 年 3月 0-1000cm土壤温度、水势梯度、土壤气态水通量及变异系数2.3.2 土壤气态水昼夜运移规律近地表是土壤水分蒸发和能量传输的活跃和关键地带。选取枣林非生育期内 3个典型晴天（2014/10/16 -10/18） ，绘制 3日气温、地表温度和 10cm土层的昼夜变化曲线（图 5） 。根据图 5，地表温度变化最剧烈，温度变化在 4-35.5 之间，显著大于气温和土壤内部温度。这是因为白天随着太阳辐射逐渐增强，气温升高并带动地温由表层向下增加，因表层土壤温度变化速率大，在地气界面和土壤内部分别产生向上和向下两种不同方向的温度梯度，导致气态水向大气和土壤深层扩散，形

39、成一个发散型的水汽零通量面。从图中还可以看出，10cm 深处土壤温度的最大值和最小值分别为 25.2和 8.0，温差比地表小14.3，这说明随着土壤深度增加，温度梯度逐渐减小。地气界面和浅层土壤之间较大的温度梯度为土壤气态水运移提供了强大驱动力。 （说明：由于在 2.3.1部分的第一句话就引用相关文献说明了温度梯度是水汽运移的主要驱动力，所以在该位置直接进行了描述。 ）图 5 气温和土壤温度的昼夜变化动态利用修正过的水汽扩散模型，计算 1-10cm、600-700cm 和 900-1000cm深度范围内土壤气态水通量，绘制土壤气态水通量在 2014年 10月 16日-10 月 18日三个典型晴

40、天的瞬时（说明：已对时间段进行了补充，补充部分用绿色进行了标注）尺度变化曲线，如图6。由图 6可知，不同土层之间土壤气态水运移规律类似，呈高低起伏的波浪动态模式。白天，上层土温高于下层土温，产生向下的温度梯度，土壤气态水运移方向向下，气态水不断向下层土壤聚集；夜晚相反，土壤气态水由下层土壤向上层土壤运移，最终通过近地表干化层进入大气蒸发损失。从运移速率的数量级上看，1-10cm 土层气态水通量是 600-Comment 微微微微25: 本刊为中文期刊，请删去图、表中的翻译或改为中文。如横坐标处的10.16,10.18,10.18Comment W微26: 系数的正负值表示什么含义？最大最小应该

41、指的是系数绝对值？700cm土层的 102-104倍，尽管 600-700cm与 900-1000cm土层土壤气态水通量处于同一个数量级，但前者仍大于后者；从气态水向上运移持续时间上看，1-10cm 土层较长，比其他两土层多出约 6个小时，这说明越接近地表土壤气态水运动越剧烈，这与上文结论一致。另外，虽然 600-700cm和 900-1000cm土层气态水向下运移速率大于向上运移速率，但上移过程持续时间长，在晴天土壤水分仍表现为损失。为验证以上结论，对 10月 16日三个土层土壤气态水通量的速度变化曲线分段求积分，计算土壤气态水日净通量。为提高数据处理的准确性和可靠性，对上述函数进行分段时，

42、要求每一个分段函数变量之间的相关系数达到 0.97以上。通过计算得出 1-10cm、600-700cm 和 900-1000cm土层土壤气态水日净通量分别为 0.422mm、5.7510 -3mm 和 2.6310-5mm。从量上看，气态水日损失并不大，尤其是 10cm以下土层随着深度增加迅速减少，但如果将每个土层日土壤气态水损失量进行累积可以发现，在黄土高原半干旱区长达 6个月的枣林非生育期内，土壤气态水损失不容忽视。假如用 2014年 10月 16日 1-10cm土层气态水日净通量作为平均值，对整个非生育期气态水损失量进行估算，得出气态水总损失量为 70.47mm，这与同年非生育期土壤水分

43、实测损失量相比，估测值偏小，但仍然看出以气态水形式损失的土壤水分不可忽视，可定性评价气态水在非生育期土壤水分损失中具有重要作用。图 6 不同土层土壤气态水通量昼夜变化动态2.4 影响土壤气态水运移的因子分析以土壤气态水通量为因变量，气温、相对湿度，风速、净辐射、总辐射和地表土温 6个因子作为自变量，计算各因子的通径系数，并求解 6个因子对土壤气态水通量关于通径系数的正规矩阵方程组，分析自变量对因变量的直接作用（通径系数）和间接作用，见表2，通径系数为正说明自变量与因变量呈正效应，为负则呈负效应。根据各因子对土壤气态水通量通径系数的显著性检验可知，除了风速以外，总辐射、净辐射、气温、地表土温和相

44、对湿度 5个因子均是极显著的，其中地表土温的通径系数（说明：对通径系数的描述进行了补充，已用绿色进行了标注）最大，为-0.88，其次为 气温，通径系数为 0.79，说明温度是影响土壤气态水运移的主要因素，这与上文结论和前人研究结果一致。相对湿度对气态水运移的作用仅次于气温，通径系数为 0.68，其作用主要表现在相对湿度越高，水汽越接近饱和，土壤蒸发速度越慢，当相对湿度较低时，大气水汽压低于表层土壤水汽压，形成向上的水汽压梯度，易使表层土壤水分减少，进而引起下层土壤水分的运动，使下层相邻土层间产生一定的水汽压梯度，造成水汽的上下运动。另外，在相对湿度较大的季节，当温度达到露点温度及其以下时会在地

45、表面产生露水 18，露水的形成对土壤气态水运移起到一定的抑制作用。总辐射和净辐射的通径系数分别为 0.56和-0.59，但从两者与其他各因子的间接作用可以看出，辐射主要是通过影响气温、地表土温和相对湿度三个因素间接影响气态水运移。风速对土壤水分运动影响相对较小，通径系数只有 0.05，但风速对气温和相对湿度的通径系数分别为 0.30和-0.37，为显著通径系数，说明风速可以通过影响地表小环境对气态水运动起到一定作用。表 2 气象等影响因子对土壤气态水通量的通径分析间接作用气象因子 通径系数 风速 总辐射 净辐射 气温 地表土温 相对湿度 间接作用和风速 0.05 0.43 -0.68 0.30

46、 -0.02 -0.37 -0.33总辐射 0.56* 0.04 -0.88 0.37 0.03 -0.31 -0.76净辐射 -0.59* 0.04 0.54 0.36 0.08 -0.29 0.54气温 0.79* 0.03 0.36 -0.57 -0.60 -0.55 -1.34地表土温 -0.88* 0.00 -0.02 0.08 0.39 -0.46 -0.01相对湿度 0.68* -0.03 -0.34 0.52 -0.55 0.60 0.21理论上讲除气象因素外，地形、土壤含盐量、土壤质地等也能够对土壤气态水运动产生一定影响。阳坡受光照强，气温和地温昼夜温差大，与阴坡比更容易造成

47、水汽的损失。土壤含盐量较高时，地表水分蒸发后留下的盐膜会抑制下层土壤气态水的损失。由于研究区土壤含盐量较低，基本不存在盐膜的阻碍作用。地下水位埋深较深，低于最大毛细管上升高度时，对上层土壤水分运动影响小。影响土壤气态水运移的因子较多，各因子之间并非相互独立，而是有着千丝万缕的关系，但在不同环境下各因子作用强弱不同，需要今后深入研究。3 讨论以往研究大多注重作物生育期土壤含水量的空间变异，这是因为土壤含水量的变化与作物经济效益和生态效益直接相关。从 2012-2015 四年土壤水分实测资料来看，非生育期土壤水分处于降低阶段，而相关研究却较少。本研究得出枣林非生育期是土壤水分损失主要阶段的结论，并

48、通过计算表明非生育期土壤损失量约占同期降雨量的 2 倍，这与汪星、周玉红等 30人在研究黄土高原山地密植枣林土壤水分特性时强调防止非生育期冬季土壤水分损失重要性的结论基本一致。在非生育期做好保墒措施不仅能够节水保水，也对枣树来年生长具有十分重要的作用，尤其在干旱半干旱区，更需引起关注和重视。本研究通过分层计算 10m 土柱不同土壤深度土壤水分损失量，得出越接近地表土壤水分损失量越大的结论，并从土壤气态水角度分析了土壤水分损失的实质。通常认为土壤蒸发主要发生在表层，但对表层深度的定量研究仍较少。表层土壤水分以气态形式蒸发后会牵动下部土壤水分向上运移，这种牵动深度也需要研究确定。著名土壤水文生态学家李玉山 19先生明确指出，米脂地区土壤物理蒸发作用层超过 2m，也就