§7土壤水分移動與循環學習目標

掌握有關“土壤液態水運動”、“土壤氣態水運動”、“土壤水循環”、“土壤溶質運移”等的重要概念、基本原理，以及有關“農田土壤水動態與調控”等的計算方法，了解土壤溶液中的養分濃度和其他元素濃度。2023/10/51§7土壤水分移動與循環學習目標掌握有關“

§7土壤水分移動與循環

§7-1土壤液態水運動一、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土壤氣態水運動一、土壤水分蒸發

二、土壤內部的水汽運動§7-3土壤水循環、平衡及有效性

一、農田土壤水分循環及平衡

二、土壤水分有效性三、土壤水分的空間變異性

§7-4農田土壤水動態與調控一、土壤水分的動態特性二、農田灌溉與灌溉量計算三、農田排水§7-5土壤中的溶質運移一、溶質的對流運移二、分子擴散與溶質彌散

三、土壤溶質的動態特性2023/10/52§7土壤水分移動與循環§7-1土壤§7土壤水分移動與循環“黃河之水天上來，滾滾東流能復回”自然界的水循環“黃河之水天上來，奔騰到海不復回”2023/10/53§7土壤水分移動與循環“黃河之水天上來，滾滾東流能復回”自§7土壤水分移動與循環陸地水文循環地表水2023/10/54§7土壤水分移動與循環陸地水文循環地表水2023/7/27

§7土壤水分移動與循環

自然界的水循環：水循環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節連續運動的過程。類型：

〈1〉海陸間循環

〈2〉內陸間循環

〈3〉海上內循環2023/10/55§7土壤水分移動與循環自然界的水循環：水循環是§7土壤水分移動與循環

海陸間循環：是指海洋水與陸地水之間通過一系列過程所進行的相互轉換運動。這種循環又稱為大循環。2023/10/56§7土壤水分移動與循環海陸間循環：是指海洋水與陸地水

§7土壤水分移動與循環

陸地內循環：降落到大陸上的水，其中一部分或全部(指內流區域)通過陸面、水面蒸發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，這就是內陸循環。發生的領域：陸地及其上空。2023/10/57§7土壤水分移動與循環陸地內循環：降落到大陸§7土壤水分移動與循環海上內循環：就是海洋面上的水蒸發成水汽，進入大氣后在海洋上空凝結，形成降水，又降到海面。發生領域：海洋及其上空2023/10/58§7土壤水分移動與循環海上內循環：就是海洋面上的水蒸發成水

§7土壤水分移動與循環水循環的意義1.水循環運動使自然界的水連續不斷地運動、轉化，使地球上各種水體處于不斷更新狀態。2023/10/59§7土壤水分移動與循環水循環的意義1.

§7土壤水分移動與循環

2.水循環是地球上最活躍的能量交換和物質轉移過程。（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。2023/10/510§7土壤水分移動與循環2.水循環是地球上最活躍的§7土壤水分移動與循環3.水循環是自然界最富動力作用的循環運動，不斷雕塑地表形態。2023/10/511§7土壤水分移動與循環3.水循環是自然界最富動力作用的循§7土壤水分移動與循環§7-1土壤液態水運動一、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，服從飽和狀態下多孔介質的達西定律：土壤水通量(q)-單位時間內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-cm3／h)：Q=q.AA為此土柱的橫截面積(cm2)土壤飽和導水率的特點：①土壤飽和導水率是常數②是土壤導水率的最大值③主要取決于土壤的質地和結構。砂質土>壤質土>粘質土(表7-1)影響飽和導水率的因素:質地--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。有機質含量。粘土礦物種類。2023/10/512§7土壤水分移動與循環§7-1土壤液態水運動飽§7土壤水分移動與循環二、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。土壤非飽和流的推動力主要是基質勢梯度和重力勢梯度。也可用達西定律來描述：

K(Ψm)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學表達式與飽和條件下的類似，二者的區別在于：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，而非飽和導水率是土壤含水量或基質勢的函數。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。2023/10/513§7土壤水分移動與循環二、土壤非飽和流2023/7/27§7土壤水分移動與循環三、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。2023/10/514§7土壤水分移動與循環三、土壤水分入滲與再分布2023/

§7土壤水分移動與循環(二)土壤水再分布在地面水層消失后，入滲過程終止。土內的水分在重力、吸力梯度和溫度梯度的作用下繼續運動和分布，這個過程(在土壤剖面深度沒有地下水出現的情況下)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—“內排水”，而垂直向下的水分運動稱為土壤水的滲漏。2023/10/515§7土壤水分移動與循環(二)土壤水再分布2023/7§7土壤水分移動與循環§7-2土壤氣態水運動土壤中：液態水氣態水一、土面水分蒸發

土面水分蒸發：土壤水不斷以水汽的形態由表土向大氣擴散而逸失的現象稱為土面水分蒸發。

大氣蒸發能力：土面蒸發的形成及蒸發強度受到輻射、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。

潛在蒸發強度：當土壤供水充分時，由大氣蒸發能力決定的最大可能蒸發強度稱為潛在蒸發強度。土壤水分蒸發過程持續進行的三個前提條件：①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)；②土壤表面的水汽壓須高于大氣的水汽壓，以保證水汽不斷進入大氣；③表層土壤須能不斷地從下層得到水的補給。2023/10/516§7土壤水分移動與循環§7-2土壤氣態水運動2023/§7土壤水分移動與循環(一)大氣蒸發力控制階段在蒸發的起始階段，當地表含水率很高時，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，表土的蒸發強度不隨土壤含水率降低而變化，稱為穩定蒸發階段。穩定蒸發階段蒸發強度的大小主要由大氣蒸發能力決定,可近似為水面蒸發強度Eo。(二)表土蒸發強度隨含水率變化的階段當表土含水率低于臨界含水率θk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)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。大氣蒸發條件下變時土面蒸發過程示意圖表土蒸發強度保持穩定的階段表土蒸發強度隨含水率變化的階段土體內水汽擴散階段2023/10/517§7土壤水分移動與循環(一)大氣蒸發力控制階段大氣蒸發條件§7土壤水分移動與循環二、土壤內部的水汽運動“夜潮”現象--夜晚，水汽由暖處向冷處擴散便可凝結成液態水。“凍后聚墑”現象--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”現象。2023/10/518§7土壤水分移動與循環二、土壤內部的水汽運動2023/7/§7土壤水分移動與循環§7-3土壤水循環、平衡及有效性

一、農田土壤水分循環及平衡田間土壤水分平衡--數學表達式為：ΔW=P+I+U-E-T-R-In-D

ΔW表示計算時段末與時段初土體儲水量之差(mm)；P表示計算時段內降水量(mm)；I表示計算時段內灌水量(mm)；U表示計算時段內上行水總量(mm)；E表示計算時段內土面蒸發量(mm)；T表示計算時段內植物葉面蒸騰量(mm)；R表示計算時段內地面徑流損失量(mm)；In表示計算時段內植物冠層截留量(mm)；D表示計算時段內下滲水量(mm)。2023/10/519§7土壤水分移動與循環§7-3土壤水循環、平衡及有效性§7土壤水分移動與循環

二、土壤水分有效性(一)土壤一植物一大氣連續體中的水分運動

植物從土壤中吸水然后又經葉面蒸騰到大氣中去，可以看做是一個統一物理過程的連續體系，把這個體系稱為土壤一植物一大氣連續體(SPAC)

SPAC連續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)②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)

2023/10/520§7土壤水分移動與循環二、土壤水分有效性2023/7/2§7土壤水分移動與循環2023/10/521§7土壤水分移動與循環2023/7/2721§7土壤水分移動與循環§7-4農田土壤水動態與調控一、土壤水分的動態特性二、農田灌溉與灌溉量計算三、農田排水(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2023/10/522§7土壤水分移動與循環§7-4農田土壤水動態與調控二、農§7土壤水分移動與循環§7-5土壤中的溶質運移一、溶質的對流運移

土壤中溶質對流：指土壤溶質隨土壤水分運動而運移的過程。單位時間內通過土壤單位橫截面積的溶質質量稱為溶質通量，通過對流運移的稱為溶質對流通量(Jc)。單位體積土壤水溶液中所含有的溶質質量，稱為溶質的濃度(C)。溶質的對流通量(Jc)為溶質溶度(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

溶質穿過土層深度L時所需的時間：tb=L/vtb=Lθ/q二、分子擴散與溶質彌散

(一)分子擴散溶質由濃度高處向濃度低處運移，以求最后達到濃度的均勻。自由水溶質的分子擴散通量符合Fick第一定律:

J-溶質在自由水體中的分子擴散通量，Do-溶質在自由水體中的擴散系數，-溶質的濃度梯度。2023/10/523§7土壤水分移動與循環§7-5土壤中的溶質運移2023/§7土壤水分移動與循環

土壤中的溶質分子擴散規律也符合Fick第一定律：

Jd-溶質在土壤中的分子擴散通量，Ds(θ)-土壤含水量為θ時相應的擴散系數(Ds﹤Do)溶質在土壤中的分子擴散系數為含水率的函數，與溶質濃度無關。經驗公式為：a和b均為經驗常數

b=10，a值：0.001～0.005，土壤黏性愈大，a值愈小。(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η存在關系：

Q=πr4△P/(8ηL)

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)，使溶質在隨水流動過程中逐漸分散并占有越來越大的滲流區域范圍,溶質的這種運移現象稱為機械彌散。由機械彌散引起的溶質通量也是符合Fick第一定律:(三)水動力彌散(分子擴散與機械彌散的綜