1、7 土壤水分移動與循環(huán)學習目標 掌握有關“土壤液態(tài)水運動”、“土壤氣態(tài)水運動”、“土壤水循環(huán)” 、“土壤溶質(zhì)運移”等的重要概念、基本原理，以及有關“農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控”等的計算方法，了解土壤溶液中的養(yǎng)分濃度和其他元素濃度。2022/7/261 7 土壤水分移動與循環(huán) 7-1 土壤液態(tài)水運動 一、土壤飽和流 二、土壤非飽和流 三、土壤水分入滲與再分布7-2 土壤氣態(tài)水運動 一、土壤水分蒸發(fā) 二、土壤內(nèi)部的水汽運動 7-3 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 二、土壤水分有效性 三、土壤水分的空間變異性 7-4 農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控 一、土壤水分的動態(tài)特性 二、農(nóng)田灌溉與灌溉量

2、計算 三、農(nóng)田排水7-5 土壤中的溶質(zhì)運移 一、溶質(zhì)的對流運移 二、分子擴散與溶質(zhì)彌散 三、土壤溶質(zhì)的動態(tài)特性2022/7/2627 土壤水分移動與循環(huán)“黃河之水天上來，滾滾東流能復回”自然界的水循環(huán)“黃河之水天上來，奔騰到海不復回”2022/7/2637 土壤水分移動與循環(huán)陸地水文循環(huán)地表水2022/7/264 7 土壤水分移動與循環(huán) 自然界的水循環(huán)：水循環(huán)是指自然界的水在水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈四大圈中通過各個環(huán)節(jié)連續(xù)運動的過程。類型： 1 海陸間循環(huán) 2 內(nèi)陸間循環(huán) 3 海上內(nèi)循環(huán)2022/7/2657 土壤水分移動與循環(huán) 海陸間循環(huán)：是指海洋水與陸地水之間通過一系列過程所進行的相互

3、 轉(zhuǎn)換運動。這種循環(huán)又稱為大循環(huán)。2022/7/266 7 土壤水分移動與循環(huán) 陸地內(nèi)循環(huán)：降落到大陸上的水，其中一部分或全部(指內(nèi)流區(qū)域)通過陸 面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，被氣流帶到上空，冷卻 凝結形成降水，仍降落到大陸上，這就是內(nèi)陸循環(huán)。發(fā)生的領域：陸地及其上空。2022/7/2677 土壤水分移動與循環(huán)海上內(nèi)循環(huán)：就是海洋面上的水蒸發(fā)成水汽，進入大氣后在海洋上空凝結，形成降水，又降到海面。發(fā)生領域：海洋及其上空2022/7/268 7 土壤水分移動與循環(huán)水循環(huán)的意義 1. 水循環(huán)運動使自然界的水連續(xù)不斷地運動、轉(zhuǎn)化，使地球上各種水體處于不斷更新狀態(tài)。2022/7/269 7 土壤水

4、分移動與循環(huán) 2. 水循環(huán)是地球上最活躍的能量交換和物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程。 （1）緩解了高低緯之間熱量收支不平衡； （2）把陸地的泥沙、有機物和無機鹽類輸送到海洋。2022/7/2610 7 土壤水分移動與循環(huán)3.水循環(huán)是自然界最富動力作用的循環(huán) 運動，不斷雕塑地表形態(tài)。2022/7/2611 7 土壤水分移動與循環(huán)7-1 土壤液態(tài)水運動一、土壤飽和流 飽和流的推動力主要是重力勢梯度和壓力勢梯度，服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達西定律： 土壤水通量(q)-單位時間內(nèi)通過單位面積土壤的水量(cm/h)， q與土水勢梯度(H)成正比。 L-水流路徑的直線長度(cm)；“”水流方向與土水梯度方向相反；Ks(cm/

5、h)- 土壤飽和導水率(土壤所有的孔隙都充滿水時，水分向土壤下層或橫向運動的速度）。土柱的水通量(Q-cm3h)：Q= q.A A為此土柱的橫截面積(cm2)土壤飽和導水率的特點： 土壤飽和導水率是常數(shù) 是土壤導水率的最大值 主要取決于土壤的質(zhì)地和結構。 砂質(zhì)土 壤質(zhì)土 粘質(zhì)土 (表7-1)影響飽和導水率的因素: 質(zhì)地-水通量與孔隙半徑4次方呈正比。 結構-土壤結構對土壤飽和導水率有顯著的影響。 有機質(zhì)含量。 粘土礦物種類。2022/7/2612 7 土壤水分移動與循環(huán)二、土壤非飽和流 非飽和土壤中的水流簡稱為非飽和流或不飽和流，即土壤中只有部分孔隙中有水時的水流，這主要是毛管水和膜狀水的運動

6、。 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。也可用達西定律來描述： K(m)為非飽和導水率； 為總水勢梯度。 非飽和條件下土壤水流的數(shù)學表達式與飽和 條件下的類似，二者的區(qū)別在于： A.飽和條件下的總水勢可用差分形式，而非 飽和條件下則用微分形式； B.飽和條件下的土壤導水率(K) 對特定土壤 為一常數(shù)，而非飽和導水率是土壤含水量或基質(zhì) 勢的函數(shù)。 土壤水吸力和導水率之間的關系（如右圖）土壤水吸力為零或接近于零，飽和導水率最大。2022/7/2613 7 土壤水分移動與循環(huán)三、土壤水分入滲與再分布 水進入土壤包括兩個過程： 入滲(滲吸、滲透)和再分布。(一)水分入滲 入滲過程一般是指

7、水自 土表垂直向下進入土壤的過 程，但也不排斥如溝灌中水 分沿側向甚至向上進入土壤 的過程。 水進入土壤的情況是由 兩方面因素決定的： 一是供水速度; 二是土 壤的入滲能力。2022/7/2614 7 土壤水分移動與循環(huán)(二)土壤水再分布 在地面水層消失后，入滲過程終止。土內(nèi)的水分在重力、吸力梯度和溫度梯度的作用下繼續(xù)運動和分布，這個過程(在土壤剖面深度沒有地下水出現(xiàn)的情況下) 稱為土壤水的再分布。(三)土壤水的滲漏 土壤水再分布至地下水，地下水位抬高或隨地下水流側向流動“內(nèi)排水”，而垂直向下的水分運動稱為土壤水的滲漏。2022/7/2615 7 土壤水分移動與循環(huán)7-2 土壤氣態(tài)水運動 土壤

8、中：液態(tài)水 氣態(tài)水一、土面水分蒸發(fā) 土面水分蒸發(fā)：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)象稱為土面水分蒸發(fā)。 大氣蒸發(fā)能力：土面蒸發(fā)的形成及蒸發(fā)強度受到輻射、氣溫、濕度和風速等外界條件的影響，綜合起來稱為大氣蒸發(fā)能力。 土壤的供水能力：土壤水分向上輸送會受到土壤含水率的大小和分布的影響，即土壤的供水能力。 潛在蒸發(fā)強度：當土壤供水充分時，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。 土壤水分蒸發(fā)過程持續(xù)進行的三個前提條件： 不斷有熱能到達土壤表面，以滿足水的汽化熱需要(在15oC時，1g水的汽化熱約為3.47kJ)；土壤表面的水汽壓須高于大氣的水汽壓，以保證水汽不斷進入大氣

9、；表層土壤須能不斷地從下層得到水的補給。2022/7/26167 土壤水分移動與循環(huán)(一)大氣蒸發(fā)力控制階段 在蒸發(fā)的起始階段，當?shù)乇砗屎芨邥r，盡管含水率有所變化，但地表處的水汽壓仍維持或接近于飽和水汽壓。結果含水率的降低并不影響水汽的擴散通量，土壤能向地表充分供水。在這種情況下，表土的蒸發(fā)強度不隨土壤含水率降低而變化，稱為穩(wěn)定蒸發(fā)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Eo。 (二)表土蒸發(fā)強度隨含水率變化的階段 當表土含水率低于臨界含水率k時，土壤導水率隨土壤含水率的降低或土壤水吸力的增高而不斷減小，導致土壤水分流向地表的土壤水通量(即土壤的供水能力

10、)減小, 表層土壤消耗的水分得不到補充，導致地表含水率進一步減小。隨著表土含水率的降低，地表處的水汽壓也降低，蒸發(fā)強度隨之減弱。(三)水汽擴散階段 當表土含水率很低，低于凋萎系數(shù)時，土壤表面形成干土層。土壤水分在干土層下汽化，然后以水汽擴散的方式穿過干土層而進入大氣。大氣蒸發(fā)條件下變時土面蒸發(fā)過程示意圖表土蒸發(fā)強度保持穩(wěn)定的階段表土蒸發(fā)強度隨含水率變化的階段土體內(nèi)水汽擴散階段2022/7/26177 土壤水分移動與循環(huán)二、土壤內(nèi)部的水汽運動 “夜潮”現(xiàn)象-夜晚，水汽由暖處向冷處擴散便可凝結成液態(tài)水。 “凍后聚墑”現(xiàn)象-我國北方冬季土壤凍結后的聚水作用。由于冬季表土凍結，水汽壓降低，而凍層以下土

11、層的水汽壓較高，于是下層水汽不斷向凍層聚集、凍結，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。2022/7/26187 土壤水分移動與循環(huán)7-3 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 田間土壤水分平衡-數(shù)學表達式為：W = P+I+U-E-T-R-In-D W表示計算時段末與時段初土 體儲水量之差(mm)； P表示計算時段 內(nèi)降水量(mm)；I表示計算時段內(nèi)灌 水量(mm)；U表示計算時段內(nèi)上行水 總量(mm)；E表示計算時段內(nèi)土面蒸 發(fā)量(mm)； T表示計算時段內(nèi)植物葉 面蒸騰量(mm)；R表示計算時段內(nèi)地 面徑流損失量(mm)；In表示計算時段 內(nèi)植物冠層截

12、留量(mm)；D表示計算 時段內(nèi)下滲水量(mm)。2022/7/26197 土壤水分移動與循環(huán) 二、土壤水分有效性(一)土壤一植物一大氣連續(xù)體中的水分運動 植物從土壤中吸水然后又經(jīng)葉面蒸騰到大氣中去，可以看做是一個統(tǒng)一物理過程的連續(xù)體系，把這個體系稱為土壤一植物一大氣連續(xù)體(SPAC) SPAC連續(xù)體中水流總是由水勢高處流向水勢低處，其通量與水勢差成正比，與相應的阻力成反比。 當土壤供水充足，能滿足植物蒸騰的需要時，蒸騰強度是由大氣蒸發(fā)力決定的。但在土壤供水不足或土水勢降低，不能滿足植物蒸騰消耗時，葉水勢降低，膨壓下降，葉片氣孔關閉，蒸騰減弱。 土水勢根水勢葉水勢，植物能順利地從土壤中吸水，并

13、滿足蒸騰耗水時，植物就不會萎蔫。 土水勢根水勢葉水勢，水通過植物的阻力加大，植物吸不到水，植物就會發(fā)生萎蔫。(二)土壤水的有效性(表7-3)三、土壤水分的空間變異性(表7-4)造成土壤水分在空間上分布不同的原因： 影響土壤水分運動的各個土壤因子存在空間變異性(土壤水分特征曲線、土壤導水率等存在較大的空間變異性) 影響土壤水分平衡的各個量，在空間上也存在著差異(灌溉水量在空間上分布不均，植物的根系在土體內(nèi)分布也不可能是均一化的,某一類型的植物，其根系有它的空間分布模式) 2022/7/26207 土壤水分移動與循環(huán)2022/7/26217 土壤水分移動與循環(huán)7-4 農(nóng)田土壤水動態(tài)與調(diào)控一、土壤水

14、分的動態(tài)特性二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計算 三、農(nóng)田排水(一)土壤灌溉計劃濕潤層深度確定 (二)土壤含水量上下限的確定(三)灌溉日期與灌溉量的確定2022/7/26227 土壤水分移動與循環(huán)7-5 土壤中的溶質(zhì)運移一、溶質(zhì)的對流運移 土壤中溶質(zhì)對流：指土壤溶質(zhì)隨土壤水分運動而運移的過程。單位時間內(nèi)通過土壤單位橫截面積的溶質(zhì)質(zhì)量稱為溶質(zhì)通量，通過對流運移的稱為溶質(zhì)對流通量(Jc)。單位體積土壤水溶液中所含有的溶質(zhì)質(zhì)量，稱為溶質(zhì)的濃度(C)。溶質(zhì)的對流通量(Jc)為溶質(zhì)溶度(c)和土壤水通量(q)的乘積: Jc=qc 土壤水溶液的平均空隙流速 v=q/ q=v Jc=vc 溶質(zhì)穿過土層深度 L 時所需的

15、時間：tb=L/v tb=L/q二、分子擴散與溶質(zhì)彌散 (一)分子擴散 溶質(zhì)由濃度高處向濃度低處運移，以求最后達到濃度的均勻。 自由水溶質(zhì)的分子擴散通量符合Fick第一定律: J-溶質(zhì)在自由水體中的分子擴散通量，Do-溶質(zhì)在自由水體中的擴散系數(shù)， -溶質(zhì)的濃度梯度。2022/7/26237 土壤水分移動與循環(huán) 土壤中的溶質(zhì)分子擴散規(guī)律也符合Fick第一定律： Jd-溶質(zhì)在土壤中的分子擴散通量，Ds()-土壤含水量為時相應的擴散系數(shù)(DsDo) 溶質(zhì)在土壤中的分子擴散系數(shù)為含水率的函數(shù)，與溶質(zhì)濃度無關。經(jīng)驗公式為： a和b均為經(jīng)驗常數(shù) b=10，a值：0.0010.005，土壤黏性愈大，a值愈小

16、。(二)機械彌散 泊肅葉方程(定律)：流體在水平圓管中作層流運動時，Q-體積流量與管子兩端的壓強差P，管子半徑r,管子長度，以及流體的粘滯系數(shù)存在關系： Q=r4P/(8L) 機械彌散:土壤顆粒和孔隙在微觀尺度上不均勻，溶液在流動過程中，溶質(zhì)不斷被分細后進入更為纖細的通道(每個細孔中流速方向、大小不一)，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。 由機械彌散引起的溶質(zhì)通量也是符合Fick第一定律:(三)水動力彌散(分子擴散與機械彌散的綜合) 水動力彌散引起的土壤中溶質(zhì)分子的擴散規(guī)律同樣符合Fick第一定律。2022/7/2624 7 土壤水分移動與循環(huán)三、土壤溶質(zhì)的動態(tài)特性(一)土壤溶液的總濃度 (二)土壤溶液中的養(yǎng)分濃度 (三)土壤溶液中其他元素養(yǎng)分濃度 潮土(發(fā)育于富含碳酸鹽或不含碳酸鹽的河流沖積物土，受地下潛水作用，經(jīng)過耕作熟化而形成的一種半水成土壤)、鹽化潮土(在潮土的基礎上，具有附加的鹽化過程，土壤表層具有鹽積現(xiàn)象的土壤)和鹽土(含水溶性鹽類較多的低產(chǎn)土壤)，其土壤溶液濃度隨土層深度和時間的變化:2022/7/2625精品課件！2022/7/2626精品課件！2022/7/