《土壤學(xué)》主講:黃寶圣聯(lián)系方式:電話-3191456mail--bzxyhbs@163.com授課班級:2011級--生態(tài)學(xué)專業(yè)1班學(xué)期:2012--2013學(xué)年第一學(xué)期

開課單位:城市與環(huán)境系2023/2/61§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握有關(guān)“土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)”、“土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)”、“土壤水循環(huán)”、“土壤溶質(zhì)運(yùn)移”等的重要概念、基本原理，以及有關(guān)“農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控”等的計(jì)算方法，了解土壤溶液中的養(yǎng)分濃度和其他元素濃度。2023/2/62

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)

§7-1土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)一、土壤水分蒸發(fā)

二、土壤內(nèi)部的水汽運(yùn)動(dòng)§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(dòng)態(tài)與調(diào)控一、土壤水分的動(dòng)態(tài)特性二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計(jì)算

三、農(nóng)田排水§7-5土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移一、溶質(zhì)的對流運(yùn)移

二、分子擴(kuò)散與溶質(zhì)彌散

三、土壤溶質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性2023/2/63§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)“黃河之水天上來，滾滾東流能復(fù)回”自然界的水循環(huán)“黃河之水天上來，奔騰到海不復(fù)回”2023/2/64§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)陸地水文循環(huán)地表水2023/2/65

§7土壤水分移動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)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)2023/2/66§7土壤水分移動(dòng)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(jìn)行的相互轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。這種循環(huán)又稱為大循環(huán)。2023/2/67

§7土壤水分移動(dòng)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(jié)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(lǐng)域：陸地及其上空。2023/2/68§7土壤水分移動(dòng)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(jìn)入大氣后在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面。發(fā)生領(lǐng)域：海洋及其上空2023/2/69

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)水循環(huán)的意義1.水循環(huán)運(yùn)動(dòng)使自然界的水連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化，使地球上各種水體處于不斷更新狀態(tài)。2023/2/610

§7土壤水分移動(dòng)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(jī)物和無機(jī)鹽類輸送到海洋。2023/2/611

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)3.水循環(huán)是自然界最富動(dòng)力作用的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，不斷雕塑地表形態(tài)。2023/2/612

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)§7-1土壤液態(tài)水運(yùn)動(dòng)一、土壤飽和流飽和流的推動(dòng)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(dá)西定律：土壤水通量(q)-單位時(shí)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/h)-

土壤飽和導(dǎo)水率(土壤所有的孔隙都充滿水時(shí)，水分向土壤下層或橫向運(yùn)動(dòng)的速度）。土柱的水通量(Q-cm3／h)：Q=q.A

A為此土柱的橫截面積(cm2)土壤飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn)：①土壤飽和導(dǎo)水率是常數(shù)②是土壤導(dǎo)水率的最大值③主要取決于土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。砂質(zhì)土>壤質(zhì)土>粘質(zhì)土(表7-1)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)構(gòu)對土壤飽和導(dǎo)水率有顯著的影響。有機(jī)質(zhì)含量。粘土礦物種類。2023/2/613

§7土壤水分移動(dòng)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(shí)的水流，這主要是毛管水和膜狀水的運(yùn)動(dòng)。土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢梯度和重力勢梯度。也可用達(dá)西定律來描述：

K(Ψm)為非飽和導(dǎo)水率；為總水勢梯度。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：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(dǎo)水率(K)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)勢的函數(shù)。土壤水吸力和導(dǎo)水率之間的關(guān)系（如右圖）土壤水吸力為零或接近于零，飽和導(dǎo)水率最大。2023/2/614

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)三、土壤水分入滲與再分布

水進(jìn)入土壤包括兩個(gè)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水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過程，但也不排斥如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過程。水進(jìn)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。2023/2/615

§7土壤水分移動(dòng)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(yùn)動(dòng)和分布，這個(gè)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(cè)向流動(dòng)—“內(nèi)排水”，而垂直向下的水分運(yùn)動(dòng)稱為土壤水的滲漏。2023/2/616

§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)§7-2土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)土壤中：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(kuò)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(qiáng)度受到輻射、氣溫、濕度和風(fēng)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(huì)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(qiáng)度：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。土壤水分蒸發(fā)過程持續(xù)進(jìn)行的三個(gè)前提條件：①不斷有熱能到達(dá)土壤表面，以滿足水的汽化熱需要(在15oC時(shí)，1g水的汽化熱約為3.47kJ)；②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(jìn)入大氣；③表層土壤須能不斷地從下層得到水的補(bǔ)給。2023/2/617§7土壤水分移動(dòng)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(dāng)?shù)乇砗屎芨邥r(shí)，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(jié)果含水率的降低并不影響水汽的擴(kuò)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(qiáng)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(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Eo。(二)表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段當(dāng)表土含水率低于臨界含水率θk時(shí)，土壤導(dǎo)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(dǎo)致土壤水分流向地表的土壤水通量(即土壤的供水能力)減小,表層土壤消耗的水分得不到補(bǔ)充，導(dǎo)致地表含水率進(jìn)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(qiáng)度隨之減弱。(三)水汽擴(kuò)散階段當(dāng)表土含水率很低，低于凋萎系數(shù)時(shí)，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(kuò)散的方式穿過干土層而進(jìn)入大氣。大氣蒸發(fā)條件下變時(shí)土面蒸發(fā)過程示意圖表土蒸發(fā)強(qiáng)度保持穩(wěn)定的階段表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段土體內(nèi)水汽擴(kuò)散階段2023/2/618§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)二、土壤內(nèi)部的水汽運(yùn)動(dòng)“夜潮”現(xiàn)象--夜晚，水汽由暖處向冷處擴(kuò)散便可凝結(jié)成液態(tài)水?！皟龊缶蹓劇爆F(xiàn)象--我國北方冬季土壤凍結(jié)后的聚水作用。由于冬季表土凍結(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聚集、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。2023/2/619§7土壤水分移動(dòng)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(xué)表達(dá)式為：ΔW=P+I+U-E-T-R-In-D

ΔW表示計(jì)算時(shí)段末與時(shí)段初土體儲(chǔ)水量之差(mm)；P表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)降水量(mm)；I表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)灌水量(mm)；U表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)上行水總量(mm)；E表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)土面蒸發(fā)量(mm)；T表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)植物葉面蒸騰量(mm)；R表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)地面徑流損失量(mm)；In表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)植物冠層截留量(mm)；D表示計(jì)算時(shí)段內(nèi)下滲水量(mm)。2023/2/620§7土壤水分移動(dòng)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(yùn)動(dòng)

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(gè)統(tǒng)一物理過程的連續(xù)體系，把這個(gè)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(yīng)的阻力成反比。當(dāng)土壤供水充足，能滿足植物蒸騰的需要時(shí)，蒸騰強(qiáng)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(shí)，葉水勢降低，膨壓下降，葉片氣孔關(guān)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，并滿足蒸騰耗水時(shí)，植物就不會(huì)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(huì)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：①影響土壤水分運(yùn)動(dòng)的各個(gè)土壤因子存在空間變異性(土壤水分特征曲線、土壤導(dǎo)水率等存在較大的空間變異性)②影響土壤水分平衡的各個(gè)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)

2023/2/621§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)2023/2/622§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)§7-4農(nóng)田土壤水動(dòng)態(tài)與調(diào)控一、土壤水分的動(dòng)態(tài)特性二、農(nóng)田灌溉與灌溉量計(jì)算三、農(nóng)田排水(一)土壤灌溉計(jì)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2023/2/623§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)§7-5土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移一、溶質(zhì)的對流運(yùn)移

土壤中溶質(zhì)對流：指土壤溶質(zhì)隨土壤水分運(yùn)動(dòng)而運(yùn)移的過程。單位時(shí)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(yùn)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/θ

q=vθ

Jc=vθc

溶質(zhì)穿過土層深度L時(shí)所需的時(shí)間：tb=L/vtb=Lθ/q二、分子擴(kuò)散與溶質(zhì)彌散

(一)分子擴(kuò)散溶質(zhì)由濃度高處向濃度低處運(yùn)移，以求最后達(dá)到濃度的均勻。自由水溶質(zhì)的分子擴(kuò)散通量符合Fick第一定律:

J-溶質(zhì)在自由水體中的分子擴(kuò)散通量，Do-溶質(zhì)在自由水體中的擴(kuò)散系數(shù)，-溶質(zhì)的濃度梯度。2023/2/624§7土壤水分移動(dòng)與循環(huán)

土壤中的溶質(zhì)分子擴(kuò)散規(guī)律也符合Fick第一定律：

Jd-溶質(zhì)在土壤中的分子擴(kuò)散通量，Ds(θ)-土壤含水量為θ時(shí)相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)(Ds﹤Do)溶質(zhì)在土壤中的分子擴(kuò)散系數(shù)為含水率的函數(shù)，與溶質(zhì)濃度無關(guān)。經(jīng)驗(yàn)公式為：a和b均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

b=10，a值：0.001～0.005，土壤黏性愈大，a值愈小。(二)機(jī)械彌散

泊肅葉方程(定律)：流體在水平圓管中作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，Q-體積流量與管子兩端的壓強(qiáng)差△P，管子半徑r,管子長度，以及流體的粘滯系數(shù)η存在關(guān)系：

Q=πr4△P/(8ηL)

機(jī)械彌散:土壤顆粒和孔隙在微觀尺度上不均勻，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)孔中流速方向、大小不一)，