土壤学.第七章-土壤水分移动与循环

,土壤学,主讲:黄宝圣联系方式:电话-3191456mail-bzxyhbs授课班级:2011级-生态学专业1班学期:2012-2013学年第一学期开课单位:城市与环境系,上午7时25分,2,7土壤水分移动与循环,学习目标,掌握有关“土壤液态水运动”、“土壤气态水运动”、“土壤水循环”、“土壤溶质运移”等的重要概念、基本原理，以及有关“农田土壤水动态与调控”等的计算方法，了解土壤溶液中的养分浓度和其他元素浓度。,上午7时25分,3,7土壤水分移动与循环,7-1土壤液态水运动一、土壤饱和流二、土壤非饱和流三、土壤水分入渗与再分布7-2土壤气态水运动一、土壤水分蒸发二、土壤内部的水汽运动7-3土壤水循环、平衡及有效性一、农田土壤水分循环及平衡二、土壤水分有效性三、土壤水分的空间变异性,7-4农田土壤水动态与调控一、土壤水分的动态特性二、农田灌溉与灌溉量计算三、农田排水7-5土壤中的溶质运移一、溶质的对流运移二、分子扩散与溶质弥散三、土壤溶质的动态特性,上午7时25分,4,7土壤水分移动与循环,“黄河之水天上来，滚滚东流能复回”,自然界的水循环,“黄河之水天上来，奔腾到海不复回”,上午7时25分,5,7土壤水分移动与循环,陆地水文循环,地表水,上午7时25分,6,7土壤水分移动与循环,自然界的水循环：水循环是指自然界的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈四大圈中通过各个环节连续运动的过程。,类型：1海陆间循环2内陆间循环3海上内循环,上午7时25分,7,7土壤水分移动与循环,海陆间循环：是指海洋水与陆地水之间通过一系列过程所进行的相互转换运动。这种循环又称为大循环。,上午7时25分,8,7土壤水分移动与循环,陆地内循环：降落到大陆上的水，其中一部分或全部(指内流区域)通过陆面、水面蒸发和植物蒸腾形成水汽，被气流带到上空，冷却凝结形成降水，仍降落到大陆上，这就是内陆循环。,发生的领域：陆地及其上空。,上午7时25分,9,7土壤水分移动与循环,海上内循环：就是海洋面上的水蒸发成水汽，进入大气后在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面。,发生领域：海洋及其上空,上午7时25分,10,7土壤水分移动与循环,水循环的意义,1.水循环运动使自然界的水连续不断地运动、转化，使地球上各种水体处于不断更新状态。,上午7时25分,11,7土壤水分移动与循环,2.水循环是地球上最活跃的能量交换和物质转移过程。,（1）缓解了高低纬之间热量收支不平衡；,（2）把陆地的泥沙、有机物和无机盐类输送到海洋。,上午7时25分,12,7土壤水分移动与循环,3.水循环是自然界最富动力作用的循环运动，不断雕塑地表形态。,上午7时25分,13,7土壤水分移动与循环,7-1土壤液态水运动一、土壤饱和流,饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，服从饱和状态下多孔介质的达西定律：土壤水通量(q)-单位时间内通过单位面积土壤的水量(cm/h)，q与土水势梯度(H)成正比。L-水流路径的直线长度(cm)；“”水流方向与土水梯度方向相反；Ks(cm/h)-土壤饱和导水率(土壤所有的孔隙都充满水时，水分向土壤下层或横向运动的速度）。土柱的水通量(Q-cm3h)：Q=q.AA为此土柱的横截面积(cm2),上午7时25分,14,7土壤水分移动与循环,二、土壤非饱和流非饱和土壤中的水流简称为非饱和流或不饱和流，即土壤中只有部分孔隙中有水时的水流，这主要是毛管水和膜状水的运动。土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。也可用达西定律来描述：K(m)为非饱和导水率；为总水势梯度。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，二者的区别在于：A.饱和条件下的总水势可用差分形式，而非饱和条件下则用微分形式；B.饱和条件下的土壤导水率(K)对特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势的函数。土壤水吸力和导水率之间的关系（如右图）土壤水吸力为零或接近于零，饱和导水率最大。,上午7时25分,15,7土壤水分移动与循环,三、土壤水分入渗与再分布水进入土壤包括两个过程：入渗(渗吸、渗透)和再分布。(一)水分入渗入渗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壤的过程。水进入土壤的情况是由两方面因素决定的：一是供水速度;二是土壤的入渗能力。,上午7时25分,16,7土壤水分移动与循环,(二)土壤水再分布在地面水层消失后，入渗过程终止。土内的水分在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动和分布，这个过程(在土壤剖面深度没有地下水出现的情况下)称为土壤水的再分布。(三)土壤水的渗漏土壤水再分布至地下水，地下水位抬高或随地下水流侧向流动“内排水”，而垂直向下的水分运动称为土壤水的渗漏。,上午7时25分,17,7土壤水分移动与循环,7-2土壤气态水运动土壤中：液态水气态水一、土面水分蒸发土面水分蒸发：土壤水不断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸失的现象称为土面水分蒸发。大气蒸发能力：土面蒸发的形成及蒸发强度受到辐射、气温、湿度和风速等外界条件的影响，综合起来称为大气蒸发能力。土壤的供水能力：土壤水分向上输送会受到土壤含水率的大小和分布的影响，即土壤的供水能力。潜在蒸发强度：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。土壤水分蒸发过程持续进行的三个前提条件：不断有热能到达土壤表面，以满足水的汽化热需要(在15oC时，1g水的汽化热约为3.47kJ)；土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压，以保证水汽不断进入大气；表层土壤须能不断地从下层得到水的补给。,上午7时25分,18,7土壤水分移动与循环,(一)大气蒸发力控制阶段在蒸发的起始阶段，当地表含水率很高时，尽管含水率有所变化，但地表处的水汽压仍维持或接近于饱和水汽压。结果含水率的降低并不影响水汽的扩散通量，土壤能向地表充分供水。在这种情况下，表土的蒸发强度不随土壤含水率降低而变化，称为稳定蒸发阶段。稳定蒸发阶段蒸发强度的大小主要由大气蒸发能力决定,可近似为水面蒸发强度Eo。(二)表土蒸发强度随含水率变化的阶段当表土含水率低于临界含水率k时，土壤导水率随土壤含水率的降低或土壤水吸力的增高而不断减小，导致土壤水分流向地表的土壤水通量(即土壤的供水能力)减小,表层土壤消耗的水分得不到补充，导致地表含水率进一步减小。随着表土含水率的降低，地表处的水汽压也降低，蒸发强度随之减弱。(三)水汽扩散阶段当表土含水率很低，低于凋萎系数时，土壤表面形成干土层。土壤水分在干土层下汽化，然后以水汽扩散的方式穿过干土层而进入大气。,大气蒸发条件下变时土面蒸发过程示意图,表土蒸发强度保持稳定的阶段,表土蒸发强度随含水率变化的阶段,土体内水汽扩散阶段,上午7时25分,19,7土壤水分移动与循环,二、土壤内部的水汽运动“夜潮”现象-夜晚，水汽由暖处向冷处扩散便可凝结成液态水。“冻后聚墒”现象-我国北方冬季土壤冻结后的聚水作用。由于冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于是下层水汽不断向冻层聚集、冻结，使冻层不断加厚，其含水量有所增加，这就是“冻后聚墒”现象。,上午7时25分,20,7土壤水分移动与循环,7-3土壤水循环、平衡及有效性一、农田土壤水分循环及平衡,田间土壤水分平衡-数学表达式为：W=P+I+U-E-T-R-In-DW表示计算时段末与时段初土体储水量之差(mm)；P表示计算时段内降水量(mm)；I表示计算时段内灌水量(mm)；U表示计算时段内上行水总量(mm)；E表示计算时段内土面蒸发量(mm)；T表示计算时段内植物叶面蒸腾量(mm)；R表示计算时段内地面径流损失量(mm)；In表示计算时段内植物冠层截留量(mm)；D表示计算时段内下渗水量(mm)。,上午7时25分,21,7土壤水分移动与循环,二、土壤水分有效性(一)土壤一植物一大气连续体中的水分运动植物从土壤中吸水然后又经叶面蒸腾到大气中去，可以看做是一个统一物理过程的连续体系，把这个体系称为土壤一植物一大气连续体(SPAC)SPAC连续体中水流总是由水势高处流向水势低处，其通量与水势差成正比，与相应的阻力成反比。当土壤供水充足，能满足植物蒸腾的需要时，蒸腾强度是由大气蒸发力决定的。但在土壤供水不足或土水势降低，不能满足植物蒸腾消耗时，叶水势降低，膨压下降，叶片气孔关闭，蒸腾减弱。土水势根水势叶水势，植物能顺利地从土壤中吸水，并满足蒸腾耗水时，植物就不会萎蔫。土水势根水势叶水势，水通过植物的阻力加大，植物吸不到水，植物就会发生萎蔫。(二)土壤水的有效性(表7-3)三、土壤水分的空间变异性(表7-4)造成土壤水分在空间上分布不同的原因：影响土壤水分运动的各个土壤因子存在空间变异性(土壤水分特征曲线、土壤导水率等存在较大的空间变异性)影响土壤水分平衡的各个量，在空间上也存在着差异(灌溉水量在空间上分布不均，植物的根系在土体内分布也不可能是均一化的,某一类型的植物，其根系有它的空间分布模式),上午7时25分,22,7土壤水分移动与循环,上午7时25分,23,7土壤水分移动与循环,7-4农田土壤水动态与调控一、土壤水分的动态特性,二、农田灌溉与灌溉量计算三、农田排水(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(三)灌溉日期与灌溉量的确定,上午7时25分,24,7土壤水分移动与循环,7-5土壤中的溶质运移一、溶质的对流运移土壤中溶质对流：指土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。单位时间内通过土壤单位横截面积的溶质质量称为溶质通量，通过对流运移的称为溶质对流通量(Jc)。单位体积土壤水溶液中所含有的溶质质量，称为溶质的浓度(C)。溶质的对流通量(Jc)为溶质溶度(c)和土壤水通量(q)的乘积:Jc=qc土壤水溶液的平均空隙流速v=q/q=vJc=vc溶质穿过土层深度L时所需的时间：tb=L/vtb=L/q二、分子扩散与溶质弥散(一)分子扩散溶质由浓度高处向浓度低处运移，以求最后达到浓度的均匀。自由水溶质的分子扩散通量符合Fick第一定律:J-溶质在自由水体中的分子扩散通量，Do-溶质在自由水体中的扩散系数，-溶质的浓度梯度。,上午7时25分,25,7土壤水分移动与循环,土壤中的溶质分子扩散规律也符合Fick第一定律：Jd-溶质在土壤中的分子扩散通量，Ds()-土壤含水量为时相应的扩散系数(DsDo)溶质在土壤中的分子扩散系数为含水率的函数，与溶质浓度无关。经验公式为：a和b均为经验常数b=10，a值：0.0010.005，土壤黏性愈大，a值愈小。(二)机械弥散泊肃叶方程(定律)：流体在水平圆管中作层流运动时，Q-体积流量与管子两端的压强差P，管子半径r,管子长度，以及流体的粘滞系数存在关系：Q=r4P/(8L)机械弥散:土壤颗粒和孔隙在微观尺度上不均匀，溶液在流动过程中，溶质不断被分细后进入更为纤细的通道(每个细孔中流速方向、大小不一)，使溶质在随水流动过程中逐渐分散并占有越来越大的渗流区域范围,溶质的这种运移现象称为机械弥散。由机械弥散引起的溶质通量也是符合Fick第一定律:(三)水动力弥散(分子扩散与机械弥散的综合)水动力弥散引起的土壤中溶质分子的扩散规律同样符合Fick第一定律。,上午7时25分,26,7土壤水分移动与循环,三、土壤溶质的动态特性(一)土壤溶液的总浓度(二)土壤溶液中的养分浓度(三)土壤溶液中其他元素养分浓度潮土(发育于富含碳酸盐或不含碳酸盐的河流冲积物土，受地下潜水作用，经过耕作熟化而形成的一种半水成土壤)、盐化潮土(在潮土的基础上，具有附加的盐化过程，土壤表层具有盐积现象的土壤)和盐土(含水溶性盐类较多的低产土壤)，其土壤溶液浓度随土层深度和时间的变化:,上午7时