土壤水水分移动与循环课件.ppt

1、第七章第七章 土壤水分移动与循环土壤水分移动与循环第一节第一节 土壤液态水运动土壤液态水运动一、土壤饱和流一、土壤饱和流 (Soil Saturated Water Flow)饱和流的推动力主要是饱和流的推动力主要是重力势梯度重力势梯度和和压力势梯度压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律(Darcys law)。单位时间内通过单位面积土壤的水量，土壤单位时间内通过单位面积土壤的水量，土壤水通量与土水势梯度成正比。水通量与土水势梯度成正比。qKHLs 土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度

2、。下层或横向运动的速度。饱和流导水率饱和流导水率(Saturated hydraulic conductivity)饱和导水率的特点饱和导水率的特点 饱和率是常数饱和率是常数 是土壤导水率的是土壤导水率的MAX 主要取决于土壤的质地主要取决于土壤的质地 和结构。和结构。沙质土沙质土 壤质土壤质土 粘质土粘质土影响饱和导水率的因素影响饱和导水率的因素 质地质地 水通量与孔隙半径水通量与孔隙半径4次方呈次方呈正比。正比。结构结构 土壤结皮对土壤饱和导水率有土壤结皮对土壤饱和导水率有显著的影响。显著的影响。有机质含量。有机质含量。粘土矿物种类。粘土矿物种类。二、土壤非饱和流（二、土壤非饱和流（uns

3、aturted soil water flow)土壤非饱和流的推动力主要是土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度基质势梯度和和重力势梯度重力势梯度。它也可用达西定律来描述，。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流，其表达式为：对一维垂向非饱和流，其表达式为：qKddxm ()非饱和流导水率非饱和流导水率(unsaturated hydraulic conductivity)土壤水吸力和导水率之间的关系土壤水吸力和导水率之间的关系 K(m)为非饱和导水率，为非饱和导水率，d/dx为总水势梯度为总水势梯度(water potential gradient)非饱和导水率是土壤基非饱和导水率是土壤基

4、质势的函数。质势的函数。饱和条件下的总水势梯度可用差饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非饱和条件下则用微分分形式，而非饱和条件下则用微分形式：形式：饱和条件下的土壤导水率饱和条件下的土壤导水率Ks对对特定土壤为一常数，而非饱和导水特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势（率是土壤含水量或基质势（m）的）的函数。函数。非饱和条件下土壤水流的数学表达非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱和条件下的类似，二者的区式与饱和条件下的类似，二者的区别在于：别在于：三、土壤水分入渗与再分布三、土壤水分入渗与再分布（一）（一）水分入渗（水分入渗（infiltration)一般是指水自土表垂直向下

5、进入土壤的过程，一般是指水自土表垂直向下进入土壤的过程，但也不排斥如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土但也不排斥如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。壤的过程。影响因素：一是供水速率，二是土壤的入渗能力(入渗速率infiltration rate)几种不同质地土壤的最后稳定入渗速率(毫米/小时)土壤砂砂质和粉质土壤壤土粘质土壤碱化黏质土壤最后入渗速率2010-205-101-51最初入渗速率：最初入渗速率：Initial infiltration rate稳定入渗速率：稳定入渗速率：Stable infiltration rate 所以无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使上层土壤

6、先积蓄水，所以无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使上层土壤先积蓄水，以后才下渗。以后才下渗。（二）土壤水再分布（二）土壤水再分布 (soil water redistribution)概念：概念：土壤水 入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。(三三)土壤水的渗漏（土壤水的渗漏（Soil water percolation)Soil water percolation)把通过土壤某一深度处把通过土壤某一深度处,如通常考虑某一植物的最如通常考虑某一植物的最大扎根深度处大扎根深度处,向下的水分运动称为土壤水的渗漏。向下

7、的水分运动称为土壤水的渗漏。第二节 土壤气态水运动土面蒸发过程区分为三个阶段。土面蒸发过程区分为三个阶段。1、大气蒸发力控制阶段大气蒸发力控制阶段 稳定蒸发阶段蒸发强度的大小主要由大气蒸发能力决定，可近似稳定蒸发阶段蒸发强度的大小主要由大气蒸发能力决定，可近似为水面蒸发强度为水面蒸发强度E0。此阶段含水率的下限，一般认为该值相当于田。此阶段含水率的下限，一般认为该值相当于田间持水量的间持水量的50-70%。概念：概念：土壤水汽进入大气的过程。土壤水汽进入大气的过程。当土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强度称为潜当土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强度称为潜在蒸发强度

8、。在蒸发强度。(Soil potential evaporation)一、土面水分蒸发2、表土蒸发强度随含水率变化的阶段表土蒸发强度随含水率变化的阶段蒸发速率急剧降低，有利于土壤墒情的保持蒸发速率急剧降低，有利于土壤墒情的保持 3、水汽扩散阶段、水汽扩散阶段 土壤输水能力极弱，不能补充表土蒸发损失土壤输水能力极弱，不能补充表土蒸发损失的水分，土壤表面形成干土层。在此阶段，蒸的水分，土壤表面形成干土层。在此阶段，蒸发面不是在地表，而是在土壤内部，蒸发强度发面不是在地表，而是在土壤内部，蒸发强度的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制，的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制，并取决于干土层厚度，一般

9、来说，其变化速率并取决于干土层厚度，一般来说，其变化速率十分缓慢而且稳定。十分缓慢而且稳定。土壤保墒措施在蒸发的第一阶段进行效果最土壤保墒措施在蒸发的第一阶段进行效果最佳；第二阶段次之。佳；第二阶段次之。二、二、土壤内部的水气运动土壤内部的水气运动土壤气态水的运动表现为：土壤气态水的运动表现为：水汽扩散水汽扩散和和水汽凝结水汽凝结两种现象两种现象水汽扩散运动的推动力是水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度水汽压梯度，这是由于土壤水势梯度或土壤水吸力梯这是由于土壤水势梯度或土壤水吸力梯度和温度梯度所引起的。度和温度梯度所引起的。1、“夜潮夜潮”现象现象多出现于地下水埋深较浅的多出现于地下水埋深较浅的“

10、夜潮地夜潮地”。2、“冻后聚墒”现象*冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于是下层水汽不断地向冻层的水汽压较高，于是下层水汽不断地向冻层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量有所增加，这就是有所增加，这就是“冻后聚墒冻后聚墒”现象。现象。“冻后聚墒冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，“冻后聚墒冻后聚墒”就比较明显。一般对土壤上层就比较明显。一般对土壤上层增水作用为增水作用为24左右左右。第三节第三节

11、 土壤水循环、平衡及有效性土壤水循环、平衡及有效性田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分平衡的数学表达式：田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分平衡的数学表达式：W=P+I+U-ET-R-In-D 田间蒸腾和蒸发很难截然分开，田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散常合在一起，统称蒸散ET。(evapotranspiration)-一定时间内一一定时间内一定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和。土壤水分平衡简化式为土壤水分平衡简化式为 W=P+I-ET-D 一、农田土壤水分循环及平衡一、农田土壤水分循环及平衡（一）土壤（一）土壤植物植物大气连续体大

12、气连续体(Soil-plant-atmosphere continuum)由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。沙漠植物在200800万帕时仍能生存。二、土壤水分有效性二、土壤水分有效性（二）土壤水的有效性（二）土壤水的有效性 土壤水的有效性土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。用及其难易程度。不能被植物吸收利用的水称为不能被植物吸收利用的水称为无效水无效水，能被，能被植物吸收利用的水称为植物吸收利用的水称为有效水有效水。通常把土壤萎蔫系数看作通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限土壤有效

13、水的下限，当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，水量，称为称为萎蔫系数或萎蔫点萎蔫系数或萎蔫点。l一般把田间持水量视为土壤有效水的一般把田间持水量视为土壤有效水的上上限限。所以田间持水量与萎蔫系数之间的。所以田间持水量与萎蔫系数之间的差值即差值即土壤有效水最大含量。土壤有效水最大含量。三、土壤水分的空间变异性三、土壤水分的空间变异性下图为两个不同大小范围内的土壤表层水分变异特征图第四节、农田土壤水动态与调控第四节、农田土壤水动态与调控一、土壤水分的动态特性一、土壤水分的动态特性 对于一具体田块，土壤类型和作物种类一般来讲是相同的，因对于一具体

14、田块，土壤类型和作物种类一般来讲是相同的，因此影响土壤水分动态变化的主要是气候因子和农田管理措施。此影响土壤水分动态变化的主要是气候因子和农田管理措施。二、农田灌溉与灌溉量计算二、农田灌溉与灌溉量计算一、土壤灌溉计划湿润层深度确定一、土壤灌溉计划湿润层深度确定二、土壤含水量上、下限的确定二、土壤含水量上、下限的确定土壤含水量上限应满足以下两个条件：既不产生深层渗漏，又要满足作物对土壤空气含量的要求，故一般取田间持水量。土壤含水量下限一般以占田间持水量的百分数计。（三）灌溉日期与灌溉量的确定（三）灌溉日期与灌溉量的确定 灌溉量与灌溉日期确定的原理，主要是依据农田土壤灌溉量与灌溉日期确定的原理，主

15、要是依据农田土壤水平衡方程式：水平衡方程式：W=P+I+U-ET-R-In-D 和土壤水分平衡简化式：和土壤水分平衡简化式：W=P+I-ET-DW=P+I-ET-D 进行计算。进行计算。三、农田排水三、农田排水 农田排水的目的：农田排水的目的：（1）除涝；（）除涝；（2）防渍；（）防渍；（3）防盐。）防盐。生产实践中生产实践中一般采用排水沟（明沟）、排水管（暗管）或一般采用排水沟（明沟）、排水管（暗管）或“鼠道鼠道”排水洞进行农田排水。排水洞进行农田排水。第五节第五节 土壤中溶质运移土壤中溶质运移一、溶质的对流运移一、溶质的对流运移 土壤溶质随运动着的土壤水而移动的过程称为对流土壤溶质随运动着

16、的土壤水而移动的过程称为对流。对流引起的溶质通量与土壤水通量和水的浓度有关。对流引起的溶质通量与土壤水通量和水的浓度有关，可用下式表示：可用下式表示：J Jc c=q =q C C 式中式中:J:Jc c为溶质的对流通量为溶质的对流通量(密度密度),mol),mol mm-2-2 s s-1-1;q;q为水通量为水通量(密度密度),),m m s s-1-1;C;C为浓度为浓度,mol,mol mm-3-3或或kg kg mm-3-3(也常用也常用mmol mmol L L-1-1,g,g L L-1-1)二、分子扩散与溶质弥散二、分子扩散与溶质弥散（一）分子扩散（一）分子扩散 扩散扩散是指由

17、于分子的不规则热运动即布朗运动是指由于分子的不规则热运动即布朗运动引起的运动引起的运动,是一个不可逆过程。是一个不可逆过程。扩散作用常用费克第一定律来表示扩散作用常用费克第一定律来表示:式中式中Js为溶质的扩散通量为溶质的扩散通量,molm-2s-1或或kgm-2s-1；D0为溶质的有为溶质的有效扩散系数效扩散系数m2s-1；dC/dx为浓度梯度。为浓度梯度。dxdCDJs0（二）机械弥散（二）机械弥散 溶质的机械弥散作用溶质的机械弥散作用是由于土壤孔隙中水的微观是由于土壤孔隙中水的微观流速的变化而引起的：流速的变化而引起的：机械弥散虽然在机制上与分子扩散不同，但可以用机械弥散虽然在机制上与分

18、子扩散不同，但可以用相似的表达式：相似的表达式：（三）水动力弥散（三）水动力弥散 机械弥散和扩散在土壤中都引起了溶质浓度的混机械弥散和扩散在土壤中都引起了溶质浓度的混合和分散，而且微观流速不易测定，弥散与扩散结果合和分散，而且微观流速不易测定，弥散与扩散结果也不易区分，所以在实际应用中常将两者联合起来，也不易区分，所以在实际应用中常将两者联合起来，称为称为水动力弥散水动力弥散，dzdCvDJhh)(dzdCvDJshD),(三、土壤溶质的动态特性三、土壤溶质的动态特性（一）土壤溶液的总浓度（二）（二）土壤溶液中的养分浓度土壤溶液中的养分浓度（三）土壤溶液中其它元素浓度（三）土壤溶液中其它元素浓

19、度一般情况下，主要元素的浓度为一般情况下，主要元素的浓度为1010-2-21010-4-4mol/Lmol/L，微量元素浓度则在，微量元素浓度则在1010-6 6mol/Lmol/L以下。以下。一、水分高效利用的途径：一、水分高效利用的途径：合理开采、分配和管理；合理开采、分配和管理；减少输水损失；减少输水损失；提高灌溉效率。提高灌溉效率。第六节、土壤水的调控第六节、土壤水的调控二、土壤水的 主要包括土壤水的保蓄和调节。1、耕作措施 秋耕 中耕 镇压等 2、地面覆盖 薄膜覆盖 秸秆覆盖 3、灌溉措施 喷灌、滴灌、渗灌 4、生物节水 以色列塑料坝以色列花农以色列沙地优质土豆本章小结本章小结(一一

20、)名词解释名词解释土水势 吸湿水 吸湿量 膜状水 毛管水 毛管断裂持水量 田间持水量 土壤水吸力 土壤水分特征曲线 夜潮作用 进气值 冻后聚墒 土壤蒸发 萎蔫系数 土壤水入渗 土壤水再分布问答题：问答题：1、研究土壤水有何重大意义研究土壤水有何重大意义?土壤水在土壤中有何重要作用土壤水在土壤中有何重要作用?2、影响吸湿水含量的因素主要有哪些、影响吸湿水含量的因素主要有哪些?在实际土壤分析工在实际土壤分析工作中，测定土壤吸湿水含量的用途是什么作中，测定土壤吸湿水含量的用途是什么?若某土壤风若某土壤风干土重为干土重为50克，吸湿水含量为克，吸湿水含量为2.5%，则干土重量为多少克，则干土重量为多少克?3、用土水势研究土壤水的优点是什么用土水势研究土壤水的优点是什么?土壤水总是从含水土壤水总是从含水多的地方向含水少地方运动，这种说法正确否多的地方向含水少地方运动，这种说法正确否?为什么为什么?4、冻后聚墒和夜潮作用的机理是什么、冻后聚墒和夜潮作用的机理是什么?5、在农业生产上，一次灌足比分次灌好，为什么、在农业生产上，一次灌足比分次灌好，为什么?