第七章土壤水分移動與循環(huán)課件

第七章土壤水分移動與循環(huán)Chapter7SoilWaterMovementandCycle土壤液態(tài)水運動土壤氣態(tài)水運動土壤水循環(huán)、平衡及有效性農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控土壤中的溶質(zhì)運移第七章土壤水分移動與循環(huán)土壤液態(tài)水運動第七章土壤水分移動與循環(huán)課件第七章土壤水分移動與循環(huán)課件第七章土壤水分移動與循環(huán)課件圖7-1自然界的水分循環(huán)圖7-1自然界的水分循環(huán)第一節(jié)土壤液態(tài)水運動第一節(jié)土壤液態(tài)水運動一、土壤飽和流（SaturatedFlow）飽和流的推動力主要是重力勢梯度和壓力勢梯度，基本上服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達西定律(Darcy’slaw)

：單位時間內(nèi)通過單位面積土壤的水量，土壤水通量與土水勢梯度成正比。

一、土壤飽和流（SaturatedFlow）飽和流的圖7-2土柱里的一維垂直飽和流式中：q表示單位面積的土壤水流通量（cm/h）；△H表示總水勢差，一般用厘米水柱高表示（cmH2O）；L為水流路徑的直線長度（cm）；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率（cm/h）；“-”表示水流方向與總水勢梯度方向相反。L通過土柱的水流通量：Q=q·A式中：Q為通過該土柱橫截面的水流通量（cm3/h）；A為土柱的橫截面積（cm2）。圖7-2土柱里的一維垂直飽和流式中：q表示單位面積的土壤水土壤所有的孔隙都充滿了水時，水分向土壤下層或橫向運動的速度。飽和流導(dǎo)水率(Saturatedhydraulicconductivity)飽和導(dǎo)水率的特點①飽和率是常數(shù)②是土壤導(dǎo)水率的MAX③主要取決于土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。沙質(zhì)土>壤質(zhì)土>粘質(zhì)土影響飽和導(dǎo)水率的因素

質(zhì)地水通量與孔隙半徑4次方呈正比。結(jié)構(gòu)土壤結(jié)皮對土壤飽和導(dǎo)水率有顯著的影響。有機質(zhì)含量。粘土礦物種類。土壤飽和導(dǎo)水率Ks反映了土壤的飽和滲透性能土壤所有的孔隙都充滿了水時，水分向土壤下層或橫向運動質(zhì)地類型飽和導(dǎo)水率（cm/h）砂土102~1砂壤土1~10-3壤土10-1~10-4黏土10-2~10-6表7-1不同質(zhì)地土壤飽和導(dǎo)水率的大小范圍質(zhì)地類型飽和導(dǎo)水率（cm/h）砂土102~1砂壤土1~10-二、土壤非飽和流（unsaturtedflow）土壤非飽和流的推動力主要是基質(zhì)勢梯度和重力勢梯度。它也可用達西定律來描述，對一維垂向非飽和流，其表達式為：為非飽和導(dǎo)水率；為總水勢梯度。二、土壤非飽和流土壤非飽和流的推動力主要是基質(zhì)勢梯度非飽和流導(dǎo)水率(unsaturatedhydrolicconductivity) 圖7-3砂質(zhì)土和黏質(zhì)土的土壤水吸力和導(dǎo)水率之間的關(guān)系非飽和導(dǎo)水率是土壤基質(zhì)勢的函數(shù)。非飽和流導(dǎo)水率圖7-3砂質(zhì)土和黏質(zhì)土的土壤水吸力和導(dǎo)水率之飽和條件下的總水勢梯度可用差分形式，而非飽和條件下則用微分形式：飽和條件下的土壤導(dǎo)水率Ks對特定土壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水量或基質(zhì)勢（m）的函數(shù)。

非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達式與飽和條件下的類似，二者的區(qū)別在于：飽和條件下的總水勢梯度可用差分形式，而非飽和條件三、土壤水分入滲與再分布（一）水分入滲（soilwaterinfiltration)一般是指水自土表垂直向下進入土壤的過程，但也不排除如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進入土壤的過程。

影響因素：一是供水速率，二是土壤的入滲能力(入滲速率—infiltrationrate)三、土壤水分入滲與再分布（一）水分入滲（soilwat圖7-1圖7-1表7-2幾種不同質(zhì)地土壤的最后穩(wěn)定入滲速率(cm/h)土壤砂砂質(zhì)和粉質(zhì)土壤壤土粘質(zhì)土壤堿化粘質(zhì)土壤最后入滲速率>21-20.55-10.1-0.5<0.1最初入滲速率：Initialinfiltrationrate穩(wěn)定入滲速率：stableinfiltrationrate

所以無論表土下是砂土層還是細(xì)土層，在不斷入滲中最初能使上層土壤先積蓄水，以后才下滲。表7-2幾種不同質(zhì)地土壤的最后穩(wěn)定入滲速率(cm/h)砂質(zhì)（二）土壤水的再分布

(soilwaterredistribution)概念：土壤水

入滲過程結(jié)束后，水在重力和吸力梯度影響下在土壤中向下移動重新分布的過程。土壤水的再分布是土壤水的不飽和流。

圖7-5（二）土壤水的再分布概念：土壤水入滲過程結(jié)束后，水在重力（三）土壤水的滲漏

(soilwaterpercolation)概念：把通過土壤某一深度處（如植物的最大扎根深度處）向下的水分運動。通常發(fā)生在雨季或大水漫灌的情形下。

（三）土壤水的滲漏概念：把通過土壤某一深度處（如植物的最大第二節(jié)、土壤氣態(tài)水運動土壤氣態(tài)水的運動表現(xiàn)為水汽擴散和水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象水汽擴散運動的推動力是水汽壓梯度第二節(jié)、土壤氣態(tài)水運動土壤氣態(tài)水的運動表現(xiàn)為水汽擴散運動的推一、土面水分蒸發(fā)Soilsurfaceevaporation概念：土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴散而逸失的現(xiàn)象。

土壤蒸發(fā)作用的強弱用蒸發(fā)強度表示，即單位時間內(nèi)單位面積地面上所蒸發(fā)的水量。其取決于兩方面：一是輻射、氣溫、濕度和風(fēng)速等外界條件，綜合起來稱為大氣蒸發(fā)能力；二是受土壤含水率的大小和分布的影響。這是土壤水分向上輸送的條件，即土壤的供水能力。當(dāng)土壤供水充分時，由大氣蒸發(fā)能力決定的最大可能蒸發(fā)強度稱為潛在蒸發(fā)強度。(Soilpotentialevaporation)一、土面水分蒸發(fā)概念：土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴土面蒸發(fā)過程區(qū)分為三個階段。（一）大氣蒸發(fā)力控制階段

穩(wěn)定蒸發(fā)階段蒸發(fā)強度的大小主要由大氣蒸發(fā)能力決定，可近似為水面蒸發(fā)強度E0。此階段含水率的下限，一般認(rèn)為該值相當(dāng)于毛管水?dāng)嗔蚜康暮剩蛱镩g持水量的50-70%

（二）表土蒸發(fā)強度隨含水率變化的階段蒸發(fā)速率急劇降低，有利于土壤墑情的保持（三）水汽擴散階段土壤輸水能力極弱，不能補充表土蒸發(fā)損失的水分，土壤表面形成干土層。在此階段，蒸發(fā)面不是在地表，而是在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)強度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴散的能力控制，并取決于干土層厚度，一般來說，其變化速率十分緩慢而且穩(wěn)定。

土壤保墑措施在第一階段進行效果最佳；第二階段次之。土面蒸發(fā)過程區(qū)分為三個階段。土壤保墑措施在第一階段進行效果圖7-6圖7-61、“夜潮”現(xiàn)象多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的“夜潮地”。二、土壤內(nèi)部的水汽運動1、“夜潮”現(xiàn)象二、土壤內(nèi)部的水汽運動2、“凍后聚墑”現(xiàn)象冬季表土凍結(jié)，水汽壓降低，而凍層以下土層的水汽壓較高，于是下層水汽不斷向凍層集聚、凍結(jié)、使凍層不斷加厚，其含水量有所增加，這就是“凍后聚墑”現(xiàn)象。

“凍后聚墑”的多少，主要決定于該土壤的含水量和凍結(jié)的強度。含水量高凍結(jié)強度大，“凍后聚墑”就比較明顯。一般對土壤上層增水作用為2－4％左右。2、“凍后聚墑”現(xiàn)象“凍后聚墑”的多少，主要決定于該土壤的含第三節(jié)土壤水循環(huán)、平衡及有效性第三節(jié)土壤水循環(huán)、平衡及有效性一、農(nóng)田土壤水分循環(huán)及平衡土壤水分平衡（Soilwaterbalance）：對于一定面積和厚度的土體，在一段時間內(nèi)，其土壤含水量的變化應(yīng)等于其來水項與去水項之差。正值代表土壤儲水增加，負(fù)值表示減少。一、農(nóng)田土壤水分循環(huán)及平衡土壤水分平衡（Soilwate

W=P+I+U-ET-D-R-In

W土體儲水量mm收入：P—降水量mm，I—灌水量mm，U—上行毛管水mm支出：E—土面蒸發(fā)mm，T—蒸騰量mm，D—滲漏量mm，R—徑流量mm，In—冠層截流量mmU

田間蒸騰和蒸發(fā)很難截然分開，常合在一起，統(tǒng)稱蒸散ET(evapotranspiration)——一定時間內(nèi)一定面積上土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總和。土壤水分平衡簡化式為：

W=P+I-ET-D

W=P+I+U-ET-D-R-InU田間二、土壤水分有效性（一）土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水分運動土壤—植物—大氣連續(xù)體：由水勢引起水由土壤進入植物體，再向大氣擴散的體系。自1966年澳大利亞著名水文與土壤物理學(xué)家Philip提出土壤-植物-大氣連續(xù)體（Soil-Plant-AtmosphereContinuum，簡稱SPAC）的概念以來，SPAC系統(tǒng)就成為國際學(xué)術(shù)界的研究熱點。二、土壤水分有效性（一）土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水分運動SPAC系統(tǒng)的主要內(nèi)容：水分經(jīng)由土壤到達植物根系，進入根系，通過細(xì)胞傳輸進入木質(zhì)部，由植物的木質(zhì)部到達葉片，再由氣孔擴散到大氣中去，最后參與大氣的湍流交換，形成一個統(tǒng)一、動態(tài)的互反饋連續(xù)系統(tǒng)，即土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)。在這一連續(xù)體中存在物質(zhì)、能量和信息的傳遞和交換，土壤、植物和大氣是我們研究的對象，而水分在土壤、植物和大氣中的傳輸更是研究的核心內(nèi)容。SPAC系統(tǒng)的主要內(nèi)容：水分經(jīng)由土壤到達植物根系，進入根系，土壤水的有效性（availabilityofsoilwater）是指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度。無效水和土壤有效水(plantavailablewater)：在田間持水量（1-2萬帕）到永久萎蔫系數(shù)（150萬帕）之間保留在土壤中的水分。速效水和遲效水。土壤水吸力大于150萬帕的土壤水對植物來說是無效水。（二）土壤水的有效性土壤水的有效性（availabilityofsoilw土壤萎蔫系數(shù)（wiltingpoint)：作物葉片發(fā)生永久萎蔫時的土壤含水量，也叫永久萎蔫點。土壤有效水的下限。田間持水量是土壤有效水的上限。土壤萎蔫系數(shù)（wiltingpoint)：作物葉片發(fā)生永第七章土壤水分移動與循環(huán)課件沙漠植物在-200～-800萬帕?xí)r仍能生存。沙漠植物在-200～-800萬帕?xí)r仍能生存。第四節(jié)農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控第四節(jié)農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控影響土壤水分動態(tài)變化的主要是氣候因子和農(nóng)田管理（如灌溉）措施；不同作物生長時期或不同時間段，每層土壤水分都在發(fā)生變化；土壤表層水分變化劇烈；作物快速生長期或生長旺盛期土壤剖面水分變化劇烈。一、土壤水的動態(tài)特性影響土壤水分動態(tài)變化的主要是氣候因子和農(nóng)田管理（如灌溉）措施（一）土壤灌溉計劃濕潤層深度確定計劃濕潤層深度：實施灌溉時，按計劃調(diào)節(jié)、控制土壤水分狀況的土層深度，一般可取作物的最大扎根深度。深層滲漏：當(dāng)灌溉量（或降雨量）過大時，部分水量將補給計劃濕潤層深度以下的土層，這一現(xiàn)象稱為~。農(nóng)田灌溉應(yīng)盡量減少或消除深層滲漏。不同作物要求不一樣，同種作物不同生長和發(fā)育階段要求不同，要根據(jù)實際情況確定。二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計算（一）土壤灌溉計劃濕潤層深度確定二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計算（二）土壤含水量上、下限確定上限：不產(chǎn)生深層滲漏，滿足作物對土壤空氣的要求，一般為田間持水量。下限：作物生長不受抑制，一般為田間持水量的百分?jǐn)?shù)。（二）土壤含水量上、下限確定第七章土壤水分移動與循環(huán)課件（三）灌溉日期與灌溉量確定確定原理依據(jù)農(nóng)田水分平衡方程。例1：確定灌溉時間t。某地塊根層內(nèi)土壤含水量W2=100mm，無效水W1=60mm；降水P=0.6mm/d（平均值），作物的蒸散量ET=2.6mm/d，當(dāng)作物耗完有效水時，再灌溉還需要多少天？解：

W=P+I-ET-D，忽略U、D。W=W2-W1=-(P-ET).tt=-(W2-W1)/(P-ET)=-(100-60)/(2.6-0.6)=20(d)（三）灌溉日期與灌溉量確定（三）灌溉日期與灌溉量確定確定原理依據(jù)農(nóng)田水分平衡方程。例2：確定灌溉量I。上述地塊根層內(nèi)土壤田間持水量為120mm，求最大的適宜灌溉量為多少？解：

I

=W2-W1=120-60=60（mm）1hm2農(nóng)田需要灌溉水量為60*0.001*10000=600（m3）（三）灌溉日期與灌溉量確定以色列塑料壩以色列花農(nóng)以色列塑料壩以色列花農(nóng)三、農(nóng)田排水目的：除澇、防漬、防鹽措施：排水溝（明溝）、排水管（暗管）、“鼠道”排水洞。三、農(nóng)田排水目的：除澇、防漬、防鹽措施：排水溝（明溝）、排水第五節(jié)土壤中的溶質(zhì)運移第五節(jié)土壤中的溶質(zhì)運移溶質(zhì)濃度（C）：單位體積土壤水溶液中所含有的溶質(zhì)質(zhì)量。溶質(zhì)通量：單位時間內(nèi)通過土壤單位橫截面積的溶質(zhì)質(zhì)量。對流：土壤溶質(zhì)隨土壤水分運動而運移的過程，通過對流運移的稱為對流通量（Jc）：Jc=qCq為土壤水通量；若v=q/θ表示土壤水溶液的平均孔隙流速；則：Jc=vθCL表示土層深度，則溶質(zhì)穿過該土層所需要的時間tb為：tb=L/v=Lθ/q一、溶質(zhì)的對流運移溶質(zhì)濃度（C）：單位體積土壤水溶液中所含有的溶質(zhì)質(zhì)量。一、溶溶質(zhì)的分子擴散由分子的不規(guī)則熱運動即布朗運動引起，由濃度高向濃度低處運動。自由水溶質(zhì)的分子擴散通量符合Fick第一定律：J=-D0dc/dzJ為分子擴散通量，D0為溶質(zhì)在自由水中的擴散系數(shù)；dc/dz為溶質(zhì)的濃度梯度。二、分子擴散與溶質(zhì)彌散（一）分子擴散溶質(zhì)的分子擴散由分子的不規(guī)則熱運動即布朗運動引起，由濃度高向土壤中，溶質(zhì)的分子擴散通量同樣符合Fick第一定律：Jd=-Ds(θ)dc/dz式中，Jd為溶質(zhì)在土壤中的分子擴散通量；Ds(θ)土壤含水量為是相應(yīng)的擴散系數(shù)。一般將溶質(zhì)在土壤中的分子擴散系數(shù)僅表示為含水率的函數(shù)，而與溶質(zhì)的濃度無關(guān)。常用的經(jīng)驗公式為：Ds(θ)=D0aebθ式中，a和b均為經(jīng)驗常數(shù)。土壤中，溶質(zhì)的分子擴散通量同樣符合Fick第一定律：土壤中存在大小不一、形狀各異而又互相連通的孔隙通道系統(tǒng)。由于土壤顆粒和孔隙在微觀尺度上的不均勻性，溶液在流動過程中，溶質(zhì)不斷被分細(xì)后進入更為纖細(xì)的通道，每個細(xì)孔中流速的方向、大小不一樣，這種原因使溶質(zhì)在隨水流動過程中逐漸分散并占有越來越大的滲流區(qū)域范圍。溶質(zhì)的這種運移現(xiàn)象稱為機械彌散。機械彌散通量Jh：Jh=-Dh(v).dc/dz式中，Dh(v)為機械彌散系數(shù)。Dh(v)=λ︱v︳式中，λ為經(jīng)驗系數(shù)，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)。（二）機械彌散