第七章土壤水分移動(dòng)與循環(huán)

1、第七章第七章 土壤水分移動(dòng)與循環(huán)土壤水分移動(dòng)與循環(huán) Chapter 7 Soil Water Movement and Cycle 土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng) 土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng) 土壤水循環(huán)、平衡及有效性土壤水循環(huán)、平衡及有效性 農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控 土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移 圖7-1 自然界的水分循環(huán) 第一節(jié)第一節(jié) 土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng) 一、土壤飽和流一、土壤飽和流 （Saturated Flow） 飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度 ，基本上服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律，基本上服從飽和狀態(tài)

2、下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律 (Darcys law) ： 單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量，土壤單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量，土壤 水通量與土水勢(shì)梯度成正比。水通量與土水勢(shì)梯度成正比。 L H Kq s 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(shì)差，一 般用厘米水柱高表示（cm H2O）；L 為水流路徑的直線長(zhǎng)度（cm）；Ks為 土壤飽和導(dǎo)水率（cm/h）；“-”表示 水流方向與總水勢(shì)梯度方向相反。 L 通過土柱的水流通量： Q=qA 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）。 土壤所有的孔隙都充滿

3、了水時(shí)，水分向土壤下土壤所有的孔隙都充滿了水時(shí)，水分向土壤下 層或橫向運(yùn)動(dòng)的速度。層或橫向運(yùn)動(dòng)的速度。 飽和流導(dǎo)水率飽和流導(dǎo)水率 (Saturated hydraulic conductivity) 飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn)飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn) 飽和率是常數(shù)飽和率是常數(shù) 是土壤導(dǎo)水率的是土壤導(dǎo)水率的MAX 主要取決于土壤的質(zhì)地主要取決于土壤的質(zhì)地 和結(jié)構(gòu)。和結(jié)構(gòu)。 沙質(zhì)土沙質(zhì)土 壤質(zhì)土壤質(zhì)土 粘 質(zhì)土 影響飽和導(dǎo)水率的因素影響飽和導(dǎo)水率的因素 質(zhì)地質(zhì)地 水通量與孔隙半徑水通量與孔隙半徑 4次方呈正比。次方呈正比。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 土壤結(jié)皮對(duì)土壤飽和土壤結(jié)皮對(duì)土壤飽和 導(dǎo)水率有顯著的影響。導(dǎo)水率有顯著的影響。 有

4、機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)含量。 粘土礦物種類。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 質(zhì)地類型飽和導(dǎo)水率（cm/h） 砂土1021 砂壤土110-3 壤土10-110-4 黏土10-210-6 表7-1 不同質(zhì)地土壤飽和導(dǎo)水率的大小范圍 二、土壤非飽和流二、土壤非飽和流 （unsaturted flow） 土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度 和重力勢(shì)梯度。它也可用達(dá)西定律來描述，和重力勢(shì)梯度。它也可用達(dá)西定律來描述， 對(duì)一維垂向非飽和流，其表達(dá)式為：對(duì)一維垂向非飽和流，其表達(dá)式為： dx d Kq m )( 為非飽和導(dǎo)水率；為非飽和導(dǎo)水率； 為

5、總水勢(shì)梯度。為總水勢(shì)梯度。 非飽和流導(dǎo)水率非飽和流導(dǎo)水率 (unsaturated hydrolic conductivity) 圖圖7-3 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)非飽和導(dǎo) 水率是土水率是土 壤基質(zhì)勢(shì)壤基質(zhì)勢(shì) 的函數(shù)。的函數(shù)。 飽和條件下的總水勢(shì)梯度可用差分形飽和條件下的總水勢(shì)梯度可用差分形 式，而非飽和條件下則用微分形式：式，而非飽和條件下則用微分形式： 飽和條件下的土壤導(dǎo)水率飽和條件下的土壤導(dǎo)水率Ks對(duì)特定土對(duì)特定土 壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水 量或基質(zhì)勢(shì)（量或

6、基質(zhì)勢(shì)（ m）的函數(shù)。）的函數(shù)。 非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達(dá)式與飽和非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達(dá)式與飽和 條件下的類似，二者的區(qū)別在于：條件下的類似，二者的區(qū)別在于： 三、土壤水分入滲與再分布三、土壤水分入滲與再分布 （一）（一） 水分入滲（水分入滲（soil water infiltration) 一般是指水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過程，但也不一般是指水自土表垂直向下進(jìn)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(jìn)入土壤的過程。排除如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)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 infiltration rate) 圖圖

7、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21-20.55-10.1-0.50.1 最初入滲速率：最初入滲速率：Initial infiltration rate 穩(wěn)定入滲速率：穩(wěn)定入滲速率：stable infiltration rate 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。上層土壤先積蓄水，以后才下滲。 （二）土壤水的再分布（二）土壤水的再分布 (soil water redistribut

8、ion) 概念：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(dòng)重新 分布的過程。 土壤水的再分布是 土壤水的不飽和流。 圖圖7-5 （三）土壤水的滲漏（三）土壤水的滲漏 (soil water percolation) 概念：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(yùn)動(dòng)。 通常發(fā)生在雨季或大水漫灌的情形下。 第二節(jié)、土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)第二節(jié)、土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng) 土壤氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為土壤氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為 水汽擴(kuò)散和水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象水汽擴(kuò)散和水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象 水汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力是水汽壓梯度水汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力是水汽壓梯度 一、土面水分蒸發(fā)一、土面

9、水分蒸發(fā) Soil surface evaporation 概念：土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴(kuò)散而概念：土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴(kuò)散而 逸失的現(xiàn)象。逸失的現(xiàn)象。 土壤蒸發(fā)作用的強(qiáng)弱用蒸發(fā)強(qiáng)度蒸發(fā)強(qiáng)度表示，即單位時(shí)間內(nèi)單位面積 地面上所蒸發(fā)的水量。 其取決于兩方面：其取決于兩方面： 一是輻射、氣溫、濕度和風(fēng)速等外界條件，綜合起來稱為大氣大氣 蒸發(fā)能力蒸發(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，即土壤的供水能力土壤的供水能力。 當(dāng)土壤供水充分時(shí)，由大氣蒸發(fā)能力決定的最大可能蒸發(fā)強(qiáng)當(dāng)土壤供水充分時(shí)，由大氣蒸發(fā)能力決定的最大可能蒸發(fā)強(qiáng) 度稱為潛在蒸發(fā)

10、強(qiáng)度。度稱為潛在蒸發(fā)強(qiáng)度。(Soil potential evaporation) 土面蒸發(fā)過程區(qū)分為三個(gè)階段。土面蒸發(fā)過程區(qū)分為三個(gè)階段。 （一）大氣蒸發(fā)力控制階段（一）大氣蒸發(fā)力控制階段 穩(wěn)定蒸發(fā)階段蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由大氣蒸發(fā)能力決定，穩(wěn)定蒸發(fā)階段蒸發(fā)強(qiáng)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(qiáng)度可近似為水面蒸發(fā)強(qiáng)度E0。此階段含水率的下限，一般認(rèn)為該值。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?，或田間持水量的相當(dāng)于毛管水?dāng)嗔蚜康暮?，或田間持水量的50-70% （二）表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段（二）表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段 蒸發(fā)速率急劇降低，有

11、利于土壤墑情的保持蒸發(fā)速率急劇降低，有利于土壤墑情的保持 （三）水汽擴(kuò)散階段（三）水汽擴(kuò)散階段 土壤輸水能力極弱，不能補(bǔ)充表土蒸發(fā)損失的水分，土壤土壤輸水能力極弱，不能補(bǔ)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)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(qiáng)度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴(kuò)散的能力控制，并取部，蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴(kuò)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。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(jìn)行效果最佳；第二階段次之。土壤保墑措施在

12、第一階段進(jìn)行效果最佳；第二階段次之。 圖圖7-6 1、“夜潮夜潮”現(xiàn)象現(xiàn)象 多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的“夜潮地夜潮地”。 二、土壤內(nèi)部的水汽運(yùn)動(dòng)二、土壤內(nèi)部的水汽運(yùn)動(dòng) 2、“凍后聚墑凍后聚墑”現(xiàn)象現(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“凍凍 后聚墑后聚墑”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(qiáng)度。含水量高凍結(jié)強(qiáng)度大，“凍后聚墑” 就比較明顯。一般對(duì)土壤上層增水作用為24左 右 。 第三節(jié)第三節(jié) 土壤水循環(huán)、平衡土壤水循環(huán)、平衡 及有效性及有效性

13、 一、農(nóng)田土壤水分循環(huán)及平衡一、農(nóng)田土壤水分循環(huán)及平衡 土壤水分平衡（土壤水分平衡（Soil water balance）：）： 對(duì)于一定面積和厚度的土體，在一段時(shí)間對(duì)于一定面積和厚度的土體，在一段時(shí)間 內(nèi)，其土壤含水量的變化應(yīng)等于其來水項(xiàng)內(nèi)，其土壤含水量的變化應(yīng)等于其來水項(xiàng) 與去水項(xiàng)之差。正值代表土壤儲(chǔ)水增加，與去水項(xiàng)之差。正值代表土壤儲(chǔ)水增加， 負(fù)值表示減少。負(fù)值表示減少。 W =P+I+U-ET-D-R-In W 土體儲(chǔ)水量土體儲(chǔ)水量mm 收入：收入：P 降水量降水量mm， I灌水量灌水量mm， U上行毛管水上行毛管水mm 支出：支出：E土面蒸發(fā)土面蒸發(fā)mm， T蒸騰量蒸騰量mm， D滲

14、漏量滲漏量mm，R徑流量徑流量 mm，In冠層截流量冠層截流量mm U 田間蒸騰和蒸發(fā)很難截然田間蒸騰和蒸發(fā)很難截然 分開，常合在一起，統(tǒng)稱蒸散分開，常合在一起，統(tǒng)稱蒸散 ET (evapotranspiration) 一定時(shí)間內(nèi)一定面積上土壤蒸一定時(shí)間內(nèi)一定面積上土壤蒸 發(fā)和植物蒸騰的總和。發(fā)和植物蒸騰的總和。 土壤水分平衡簡(jiǎn)化式為：土壤水分平衡簡(jiǎn)化式為： W=P+I-ET-D 二、土壤水分有效性二、土壤水分有效性 （一）土壤（一）土壤- -植物植物- -大氣連續(xù)體中的水分運(yùn)動(dòng)大氣連續(xù)體中的水分運(yùn)動(dòng) 土壤植物大氣連續(xù)體：由水勢(shì)引起水由土壤進(jìn)由水勢(shì)引起水由土壤進(jìn) 入植物體，再向大氣擴(kuò)散的體系。

15、入植物體，再向大氣擴(kuò)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-Atmosphere Continuum，簡(jiǎn)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(diǎn)。 SPAC系統(tǒng)的主要內(nèi)容：水分經(jīng)由土壤到達(dá)植物根系，進(jìn)入根 系，通過細(xì)胞傳輸進(jìn)入木質(zhì)部，由植物的木質(zhì)部到達(dá)葉片，再 由氣孔擴(kuò)散到大氣中去，最后參與大氣的湍流交換，形成一個(gè) 統(tǒng)一、動(dòng)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(duì)象，而水分在土壤、植物和

16、大氣中 的傳輸更是研究的核心內(nèi)容。 土壤水的有效性（availability of soil water）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(plant available water)：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(duì)植物來說是無 效水。 （二）土壤水的有效性（二）土壤水的有效性 土壤萎蔫系數(shù)（wilting point) ：作 物葉片發(fā)生永久萎蔫時(shí)的土壤含水 量，也叫永久萎蔫點(diǎn)。土壤有效水 的下限。 田間持水量是土壤有效水的上限。 沙漠植物 在-200- 8

17、00萬帕 時(shí)仍能生 存。 第四節(jié)第四節(jié) 農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控 影響土壤水分動(dòng)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(zhǎng)時(shí)期或不同時(shí)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(zhǎng)期 或生長(zhǎng)旺盛期土壤剖面水分變化劇烈。 一、土壤水的動(dòng)態(tài)特性一、土壤水的動(dòng)態(tài)特性 （一）土壤灌溉計(jì)劃濕潤層深度確定（一）土壤灌溉計(jì)劃濕潤層深度確定 計(jì)劃濕潤層深度：計(jì)劃濕潤層深度：實(shí)施灌溉時(shí)，按計(jì)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：深層滲漏：當(dāng)灌溉量（或降雨量）過大時(shí)，部分水量將 補(bǔ)給計(jì)劃濕潤層深度以下的土層，這一

18、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(zhǎng)和發(fā)育階段要 求不同，要根據(jù)實(shí)際情況確定。 二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計(jì)算二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計(jì)算 （二）土壤含水量上、下限確定（二）土壤含水量上、下限確定 上限：上限：不產(chǎn)生深層滲漏，滿足作物對(duì)土壤空氣的要求， 一般為田間持水量。 下限：下限：作物生長(zhǎng)不受抑制，一般為田間持水量的百分?jǐn)?shù) 。 （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。確定原理依據(jù)農(nóng)田水分平衡方程。 例例1：確定灌溉時(shí)間：確定灌溉時(shí)間t。 某地塊根層內(nèi)土壤含水量某地塊根層內(nèi)土壤含水量W2=100mm，無效水，無

19、效水 W1=60mm；降水；降水P=0.6mm/d（平均值），作物的蒸散（平均值），作物的蒸散 量量ET=2.6mm/d，當(dāng)作物耗完有效水時(shí)，再灌溉還需要，當(dāng)作物耗完有效水時(shí)，再灌溉還需要 多少天？多少天？ 解：解： W=P+I-ET-D ，忽略U、D。 W=W2-W1=-(P-ET).t t=-(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。確定原理依據(jù)農(nóng)田水分平衡方程。 例例2：確定灌溉量：確定灌溉量I。 上述地塊根層內(nèi)土壤田間持水量為上述地塊根層內(nèi)土壤田間持水量為120

20、mm，求最大的適，求最大的適 宜灌溉量為多少？宜灌溉量為多少？ 解：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） 以色列塑料壩 以色列花農(nóng) 三、農(nóng)田排水三、農(nóng)田排水 目的：除澇、防漬、防鹽目的：除澇、防漬、防鹽 措施：排水溝（明溝）、排水管（暗措施：排水溝（明溝）、排水管（暗 管）、管）、“鼠道鼠道”排水洞。排水洞。 第五節(jié)第五節(jié) 土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移 溶質(zhì)濃度（溶質(zhì)濃度（C C）：）：?jiǎn)挝惑w積土壤水溶液中所含有的溶質(zhì) 質(zhì)量。 溶質(zhì)通量：溶質(zhì)通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過土壤單位橫截面積的溶質(zhì)質(zhì) 量。 對(duì)流：對(duì)

21、流：土壤溶質(zhì)隨土壤水分運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移的過程，通過對(duì) 流運(yùn)移的稱為對(duì)流通量（Jc）： Jc=qC q為土壤水通量；若v=q/表示土壤水溶液的平均孔隙 流速；則： Jc=v C L表示土層深度，則溶質(zhì)穿過該土層所需要的時(shí)間tb為： tb=L/v=L /q 一、溶質(zhì)的對(duì)流運(yùn)移一、溶質(zhì)的對(duì)流運(yùn)移 溶質(zhì)的分子擴(kuò)散由分子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)即布朗運(yùn)動(dòng)引 起，由濃度高向濃度低處運(yùn)動(dòng)。 自由水溶質(zhì)的分子擴(kuò)散通量符合Fick第一定律： J=-D0 dc/dz J為分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散通量，D0為溶質(zhì)在自由水中的擴(kuò)散系數(shù)； dc/dz為溶質(zhì)的濃度梯度。 二、分子擴(kuò)散與溶質(zhì)彌散二、分子擴(kuò)散與溶質(zhì)彌散 （一）分子擴(kuò)散（一）分子擴(kuò)散 土壤中，溶質(zhì)的分子擴(kuò)散通量同樣符合Fick第一定律： Jd=-Ds()dc/dz 式中，Jd為溶質(zhì)在土壤中的分子擴(kuò)散通量；Ds()土壤 含水量為是相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)。 一般將