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)下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律

2、(Darcys law) ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量，土單位時(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。壤水通量與土水勢(shì)梯度成正比。 LHKqs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

3、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

4、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：dxdKqm)( 為非飽和導(dǎo)水率；為非飽和導(dǎo)水率； 為總水勢(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 condu

5、ctivity)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

6、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7-1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

7、-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 redistribution)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

8、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)散水汽擴(kuò)散和和水汽凝結(jié)水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象兩種現(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、土面水分蒸發(fā) Soil surface evaporation概念：概念：土壤水不斷以水汽的形態(tài)由表土向大氣擴(kuò)散而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)

9、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)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）（一）大氣蒸發(fā)力控制階段大氣蒸發(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

10、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

11、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。土壤保墑措施在第一階段進(jìn)行效果最佳；第二階段次之。圖圖7-61、“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

12、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

13、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mmU 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)稱分開，常合在一起，統(tǒng)稱蒸散蒸散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

14、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。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(guó)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

15、，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

16、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-200-800萬帕?xí)r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(rùn)層深度確定（一）土壤灌

17、溉計(jì)劃濕潤(rùn)層深度確定計(jì)劃濕潤(rùn)層深度：計(jì)劃濕潤(rùn)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(rùn)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(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

18、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

19、）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120mm，求最大的，求最大的適宜灌溉量為多少？適宜灌溉量為多少？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：目的：除澇、防漬、防鹽除澇、防漬、防鹽措施：措施：排水溝（明溝）、排水管（暗排水溝（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

20、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)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=qCq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 CL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/dzJ為分子擴(kuò)散通量分子擴(kuò)散通量，D0為溶

21、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)。一般將溶質(zhì)在土壤中的分子擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)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(yàn)公式為：Ds() =D0aeb式中，a和b均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 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(dòng)過程中，溶質(zhì)不斷被分細(xì)后進(jìn)入更為纖細(xì)的通道，每個(gè)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(dòng)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(yùn)移現(xiàn)象稱為機(jī)械彌散機(jī)械彌散。機(jī)械彌散通量機(jī)械彌散通量J Jh ：Jh=-Dh(v).dc/dz式中，式中，Dh(v)為為機(jī)械彌散系數(shù)機(jī)械彌散系數(shù)。Dh(v) =v式中，式中，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)。為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)。（二）機(jī)械彌散（二）機(jī)