海洋、陆地水和大气的水随时随地都通过相变和运动进行着大规模的交换，这种交换过程称为地球水分循环。在太阳辐射的作用下，地球上的水体、土壤和植物叶面的水分通过蒸发和蒸腾作用进入大气，通过气流被输送到其它地方。在一定条件下，水汽遇冷凝结成云致雨，又回到地面。在重力作用下，降落到地面的水经流动汇集到江河湖海，在运动过程中，水又重新产生蒸发、输送、凝结、降水和径流等变化。所谓径流是指降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动形成的水流。

水分循环特征(水分来源 土壤外部的水分循环 土壤内部的水分循环 亚系统间的水分循环 红壤生态系统水分状况)

水分平衡特征

水分循环评价(作物需水规律 供水保证率 水稻水分平衡评价 土壤供水与作物需水平衡的预测)

水分循环特征

水分来源

包括降雨、灌溉水和亚系统间截留水3部分。天然降雨是林草亚系统水分的唯一来源；以天然降雨为主，辅以部分灌溉水和少量截留的雨水是果作亚系统水分的全部来源；在农田亚系统中，天然降雨、截留水和灌溉水二者并重，但是，丘岗起伏限制了灌溉工程的实施，因此，降水对农业生态系统的正常运作至关重要。

土壤外部的水分循环

降雨量：本区年降雨量为1 300～1800mm，相对集中在3～6月(占全年降雨量的67％)，在此期间常发生涝、渍害；每年7月以后降雨量很少，而蒸发、蒸散作用特别强，作物强烈需要水分，因而常发生伏旱、秋旱或伏秋连旱。

林冠截留 林冠截留的水分占年降雨量的3～8％。一般来说，覆盖度大的成林截留量为降雨量的12～15％，5年以下的人工幼林占2～5％，果作间作占4～6％，农作占3％左右。

蒸发蒸腾量：测定结果表明，花生生育期蒸发蒸腾总量为331 mm，早稻为217mm，晚稻为 mm,荞麦为427mm，油菜为398mm。不同土壤、不同品种以及不同栽培方式和管理水平，作物的蒸发蒸腾总量均有差异。

枯叶保蓄：热带雨林凋落叶层厚，保蓄的总水分占年降雨量的16.5％。在红壤丘岗区，覆盖度大的成林 (阔叶林) 枯叶层保蓄量占年降雨量的11.5％，5年以下的人工幼林占1.4～3.0％，而一般草被为1.0％左右，作物没有枯叶层，只能保留很少的水分[4]。

地表径流：动态观测表明，径流量以4～7月最大， 占全年的70％以上；日降雨量为10～15mm 时，才会发生径流；径流量顺序为：自然草被>马尾松林>针阔混交林>阔叶林>农地>果树>荒地；径流携带的泥砂主要集中在5-7月，占全年80％左右。减少径流的主要措施是增加地面覆盖以及适宜的栽培和耕作措施。

土壤内部的水分循环

土壤水动态：实验表明，土壤水动态与降雨动态基本吻合，旱季上部土层吸力值较大，反映水分上移消耗特征，雨季相反，反映水分下移和吸附特征；不同植被以自然荒地吸力值变化最大，林地居中，农果地变化最小。

土壤渗漏水动态：结果表明，垂直渗漏混交林>阔叶林>马尾松>自然荒地；渗漏水季节特征明显，主要集中在4～7月，占总渗漏量的60％；土壤各层渗漏量和渗漏速率随土层加深而降低；渗漏量受植被覆盖度、降雨量和降雨强度的影响：覆盖度大，降雨强度小且时间长，渗漏量多，反之相反；降雨量<10mm时，很少发生渗漏，降雨量为10～15mm 时，一般只有表层发生渗漏，当降雨量>20mm时，40cm土层均有渗漏发生。

亚系统间的水分循环

截留水分：就农业生态系统而言，林草亚系统的径流和侧渗水流入果作亚系统后，部分被土壤吸收，部分以径流和侧渗形式流入农田亚系统，农田亚系统很少发生侧渗，在容纳不下的情况下流出农田进入池塘、水库或河流。实验表明，果作亚系统能接纳林草亚系统径流和侧渗水分的20％左右，农田亚系统可接纳果作亚系统径流和侧渗水的20～25％，大约占年降雨量30％的水分流出农田进入池塘、水库或河流。

灌溉水：在部分果作亚系统中，每年灌溉补充的水分占降雨量的15％左右；农田亚系统中，每年约补充占降雨量75％的水分。

红壤生态系统水分状况

综上所述，红壤生态系统水分状况具有以下基本特征：

(1) 水分流失量大

降雨到达地面及进入土壤过程中，除蒸发以外，主要是地表径流和深层渗漏损失，二者占降雨量的39～63％，而实际保留在土壤中的水分只占20～40％。

(2) 水分供需不平衡

降雨时空分布不均造成春天涝渍害，秋天伏旱、秋旱或伏秋连旱，使土壤表面形成坚硬结壳，易发生水土流失。

(3) 水分有效性低

红壤持水量一般在30/100左右，但其有效水含量却在5～10/100之间，出现土壤持水量高而又显干旱的不协调现象。然而研究表明，红壤干旱主要发生在表层，30cm以下土层水分较丰富，这种水分特征对浅根性作物造成严重影响，而对林木和农林间作影响较小，因为林草吸收深层土壤水并与农作分层利用土壤水分；农田可适时灌溉，以满足其生理需水。

水分平衡特征

优化模式各亚系统比传统模式各亚系统节省水分，但在自然状况下优化模式各仍出现水分亏损，其大小以农田亚系统>林草亚系统>果作亚系统；如果要达到水分收支平衡，果作亚系统每年需灌水148～1573 t/hm2，农田亚系统需8983～9183 t/hm2，而林草亚系统则主要靠吸收深层土壤水以满足其需求(表6－3)。

优化立体农业生态模式在自然状态下也表现水分亏损，以模式3>模式4>模式1>模式2，如果要达到水分收支平衡，每年需灌水3500 t/hm2 左右(表6－4)。

从传统模式与优化模式比较可以得出以下结论：优化模式流失量较小，因而水分利用率较高；优化模式基本上能适应作物需水和天然降水这种供需不平衡的水分特征，达到持续稳产的目的；优化模式能充分利用深层土壤水分和分层利用土壤水分，从而延缓干旱时期，减少干旱程度。

水分循环评价

作物需水规律

花生：在120天的生育期中共蒸腾蒸发337mm水，各生育期需水量占总需水量的比例分别为：播种～出苗期为3.2～6.5%，出苗～开花期为16.3～19.5％，开花～结荚期为52.1～61.4%。与同期降雨量相比，花生耗水量只占降雨量的33.6％，但前期水分过多(烂果)，后期出现干旱(秕果)，伏、秋旱是影响花生产量最重要因素。

水稻：生育期为78天的早稻共需耗水217mm用于蒸腾蒸发，各生育期耗水量占总耗水量的比例分别为：苗期占8～10％，分蘖拔节期占13～16％，孕穗抽穗期占50％，成熟期占23～25％。在水稻生育期内，早稻蒸腾蒸发总量是同期降雨量的26.6%。尽管降雨总量有余，但降雨不均时仍需适时灌溉。

荞麦：生育期为103天的荞麦共消耗427mm水分用于蒸腾蒸发作用，荞麦花期可持续40天左右，因而有较高耗水需求。荞麦耗水量是同期降雨量的175.8％，应适时适量灌溉。

油菜：一个生育期为200天的油菜共消耗398.4mm水分用于蒸腾蒸发作用，其中棵间地面蒸发量为116.3mm，蒸腾量为282.1mm。耗水总量以苗期最多，苔期最少，花期和荚果成熟期居中。其中苔花期对水分要求最为敏感，以田间持水量的70～85％最为适宜，过多过少则影响产量。油菜耗水量是同期降雨量的71.4%，春夏雨多是限制油菜产量的关键因素。

此外，果作需水要求得到满足后，将获得最好的产量和品质，但若仅得到部分满足，其产量和品质差异很大。实验表明：7月下旬～8月上旬和9月中下旬～10月上旬是柑桔果实膨大的两个高峰期，如此期间水分供应不足，将直接影响柑桔的产量和品质。

供水保证率

天然降雨降雨的季节性差异形成渍害或干旱。使天然降雨对作物需水的保证率尚不足50％。

土壤供水红壤无效水库容较高，在0～20cm，0～50cm，0～100cm土层内无效水库容分别达38.4、111.1和230.3mm，有效水库容则分别为21.5、48.1和104.2mm，约占贮水库容的1/3。不同植被对不同深度土壤水分利用有明显的差异，在1m土层有效水利用中，以深根性林木最高，桔、茶、杉树居中，达31.9～36.3%，旱地则低于28％。

水稻水分平衡评价

综上所述，作物水分平衡不只是降雨与作物需水间的简单平衡，必须考虑降雨性质、作物需水特性和各生育期对水分的敏感性和忍耐性以及不同土壤、土层的供水能力等综合因子，以得出符合实际的水分补给量。

田间水量平衡方程为[5]：

h1 ＋p＋m－E－c＝h2

式中h1：时段初田间水面深度；h2：时段末田间水面深度；p：时段内降雨量；c：时段内排水量；m：时段内灌水量；E：时段内田间耗水量。

利用平衡方程计算了余江县典型年份(1974年)双季稻田水量平衡(表6－5)。结果表明：早稻生育期内利用降水768mm，占年降雨量的50.3％，排水量占26.4％；晚稻生育期内利用降水125mm，占全年降雨量的8.2%，排水量占1.2%；稻田总耗水量1383mm,其中早稻耗水616mm，晚稻耗水767mm；在保证水稻正常生长的条件下，不同生育期共需灌水1154mm，其中早稻灌水358mm，晚稻795mm。

土壤供水与作物需水平衡的预测

土壤水分平衡方程可写为：

R＋I－P－F－C－Et－△W＝0

式中：R为降雨量；I为灌溉量；P为下界面渗漏量；F为径流量；Et为农田实际蒸散量；△W为土体内储水量变化量；C为植被截留量。

在土壤水量平衡模型中，一般而言，C仅占降雨量3～5％，可以忽略不计。南方丘陵地下水位较深，如果选择一个较厚的土体，就可以假定土体下边界的水分交换为0，如果计算土壤水量平衡时段内灌溉量为0，那么土壤水量平衡模型可以简化为：

IF－Et=△W

式中IF为入渗量，即R－F。

红壤地区的降水入渗和再分配较复杂，具有较强的时间变异性。入渗系数除4－6月份为1/3外，其余均为2/3。

有了上述假设，我们可以建立利用气象资料模拟土壤水分动态模型：

W＝R×a－E

式中R为降雨量；a为入渗系数；E为蒸发量。

模拟结果（图6－1）表明[6]，花生生育期内土壤水分基本可以满足花生生长发育的需要；而在花生的生育后期，降雨量不断减少，潜在蒸散量持续增加，7月1日以后，土壤储水量均低于凋萎系数，如不及时灌溉，土壤水分亏缺将成为花生生长发育和产量形成的重要胁迫因子。

低丘红壤区的花生生育期一般为120天，若4月10日播种，8月10收获，这期间最小灌溉量为239mm，如果采用地膜覆盖，3月20日播种，7月20日收获，最小灌溉量为141mm。另一方面，在雨季末期，在花生行间中耕，促进水分入渗，增加底墒，也是缓解旱情的有效措施。