包氣帶水文地質(zhì)學-第五章-土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的水流運動課件

SPAC1第五章土壤—植物—大氣系統(tǒng)中的水流運動

Chapter5WaterMovesinSPAC5.1概述5.2植物體中水流5.3騰發(fā)量的估算5.4植物根系吸水規(guī)律25.1概述SPAC系統(tǒng)的概念長期以來，土壤物理學、植物生理學及氣象學等學科，在各自領(lǐng)域里，對水分運動規(guī)律分別進行研究，把一個本來統(tǒng)一的整體，人為地隔裂為一個個孤立的部分進行研究。田間水分循環(huán)中的土壤、植物與大氣是一個物理上統(tǒng)一的動態(tài)系統(tǒng)，各種過程相互關(guān)連，Philip，J.R.(1966)把這個系統(tǒng)稱為土壤—植物—大氣連續(xù)體(Soil-Plant-AtmosphereContinuum)，簡稱SPAC系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，水總是從能量高處向能量低處運動，“水勢”理論在土壤、植物和大氣中普遍通用。SPAC系統(tǒng)的提出是土壤——植物——水分關(guān)系研究方面的一次重要突破，它不僅統(tǒng)一了SPAC中的能量關(guān)系，為分析和研究系統(tǒng)中的水分運輸、能量轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程提供了方便，而且將進一步促進農(nóng)田水利與土壤物理、自然地理、植物生理、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)田生態(tài)、農(nóng)業(yè)水文等邊緣學科的相互滲透。

水勢決定SPAC中水的運動方向SPAC中的水分由水勢高處向水勢低處運動。SPAC中的水流土壤中的水分運動（土面蒸發(fā)與入滲）。根系吸水過程。決定于土壤的特性和根系吸水性能。水在植物體內(nèi)運移、輸送過程。決定于植物體的輸水能力。植物體內(nèi)水分向大氣散發(fā)過程。決定于葉面水汽壓與大氣水汽壓差。4SPAC系統(tǒng)水流運動復雜SPAC系統(tǒng)中水流運動是一個十分復雜的過程。液態(tài)水的運動——土壤和植物體中的水流；氣態(tài)水的擴散——干土層和大氣中的水汽擴散；水的相變——土面蒸發(fā)和葉面蒸騰過程中液態(tài)水到氣態(tài)水的相變。目前，對SPAC系統(tǒng)的水流運動研究尚處于初始階段，許多理論問題沒有解決，有待深入研究。5植物體內(nèi)水勢溶質(zhì)勢（ψs）植物根系吸水的機理是因液泡膜(也稱原生質(zhì)膜)為半透膜，液泡膜內(nèi)的細胞液是含有多種成分溶質(zhì)的復雜溶液。由于溶質(zhì)的存在，與純水相比，降低了自由能，其能量相對差值為溶質(zhì)勢，也稱滲透壓勢。在勢能梯度作用下，就產(chǎn)生吸水或失水的過程，ψs<0。細胞溶質(zhì)勢的高低，主要取決于液泡內(nèi)溶液的濃度，溫帶生長的大多數(shù)作物細胞的溶質(zhì)勢為-10X105～-20X105Pa之間。5.2植物體中水流6壓力勢（ψp）當水進入細胞，細胞因吸水而膨脹，此時，原生質(zhì)體向細胞壁產(chǎn)生壓力，稱為膨壓；相應地，細胞壁也將對內(nèi)產(chǎn)生壓力，稱為壁壓，膨壓和壁壓大小相等，方向相反。原生質(zhì)體所受壁壓為正壓力，該壓力引起的水勢稱為壓力勢，為正值?；|(zhì)勢（ψm）細胞原生質(zhì)體中的細胞質(zhì)，是一種親水膠體，對水分有較強的吸附作用，從而降低了其中水分的自由能，由此引起的水勢叫基質(zhì)勢,ψm<0。植物體內(nèi)細胞的總水勢可用下式表示：7當細胞膠體被水飽和時，基質(zhì)勢趨近于零，僅-0.1X105Pa左右，可忽略不計。此時，植物細胞水勢可表示為：干燥的種子，細胞未形成液泡，則溶質(zhì)勢和壓力勢均為零，僅有基質(zhì)勢。若細胞繼續(xù)吸水，壓力勢等于溶質(zhì)勢時，細胞水勢等于零。則細胞失去吸水能力。上述細胞中水勢的變化是由各分勢變化引起的，而各分勢的變化并非獨立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。植物根系內(nèi)的生理活動使根系從土壤中吸水，并從根部上升的壓力稱為根壓。根壓使植物吸水的現(xiàn)象稱為主動吸水。植物蒸騰作用引起植物根部從土壤中吸水，補充植物體消耗水分的現(xiàn)象稱為被動吸水。8植物體中水流植物由根系從土壤中吸收水分，極少量用于各種代謝作用，主要消耗于蒸騰作用。在充分供水條件下，外界蒸發(fā)條件基本不變，可假定流經(jīng)植物體內(nèi)的水流為穩(wěn)定流。即葉面蒸騰強度等于植物體內(nèi)輸水速度等于植物根部對土壤水分的吸收速度，可用下式表示：臨界葉水勢-30bar9為了便于分析和考慮問題，通常將這個連續(xù)體統(tǒng)用一個等效電路來代替105.3騰發(fā)量的估算騰發(fā)量概述

騰發(fā)量是單位時間、單位面積上土面蒸發(fā)和作物蒸騰量之和。它是分析計算作物生長條件下土壤水分運動的基本資料。影響騰發(fā)量的因素供給能量（液氣）——外界條件水汽輸送——土壤特性、植物本身特性土壤水分和植物吸水性能則是控制騰發(fā)的第三個因素。土壤含水率越高，輸水能力越高，可向植物根系充分供水。植物不同生長階段，蒸騰量不同。11騰發(fā)量的類型參考作物潛在騰發(fā)量：指地面完全覆蓋，高度均勻一致，充分供水條件下，短的綠草地(如牧草)上騰發(fā)的水量，主要受氣象條件影響。

FAO修改的參照騰發(fā)量的定義為：參照騰發(fā)量為一種假想的參照作物冠層的騰發(fā)速率，假設(shè)作物高度為0.12m，固定的葉面阻力為70s/m，反射率為0.23，非常類似于表面開闊，高度一致，生長旺盛，完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸騰和蒸發(fā)量。實際作物潛在騰發(fā)量：作物在充分供水，生長良好條件下的最大騰發(fā)量。它除受氣象條件影響外，還與作物及生育階段有關(guān)。作物實際騰發(fā)量：在田間實際條件下作物的蒸發(fā)量。它除受氣象條件、作物及其生育階段影響外，還受土壤水分狀況的影響。12作物蒸騰和土壤蒸發(fā)的區(qū)別不同點：作物的蒸騰不僅決定于外界條件、土壤性質(zhì)和土壤含水量，同時也與作物有關(guān)。共同點，在于它也具有兩個階段。在土壤含水率高于臨界含水率時，作物蒸騰也僅與外界條件有關(guān)，而在臨界含水率以下時，蒸騰強度同樣隨水分消耗而不斷下降，其數(shù)值與有效含水率(可被作物利用的含水率)成直線關(guān)系。13潛在騰發(fā)量的估算方法空氣動力學法（根據(jù)紊流擴散理論計算騰發(fā)強度）；能量平衡法（利用能量平衡原理估算騰發(fā)量）；綜合法Penman-Monteith公式（以上兩種方法結(jié)合）；FAO-PPP-17修正式經(jīng)驗公式法。14空氣動力學法空氣動力學法根據(jù)紊流擴散理論計算騰發(fā)強度，又稱紊流擴散法。由于近地表的空氣處于紊流流態(tài)，根據(jù)紊流擴散理論：ET—單位時間，單位面積上的騰發(fā)量[g/(cm2s)]ρ—空氣的密度(g/cm3)[在20oC、1013mbar時為1.2X10-3g/cm3]；—水的分子量與空氣的分子量之比(為0.622)；Pa—大氣壓(mbar)；el，e2—相應于離地面高度為z1和z2處的水汽壓(mbar)；u1,u2—相應于離地面高度為z1和z2處的平均風速，具速度量綱(m/s)；K—是馮.卡曼(VonKarman)常數(shù)(0.41)。15能量平衡法能量平衡方法利用能量平衡原理估算騰發(fā)量。將騰發(fā)看作能量消耗過程，通過平衡計算，求出騰發(fā)所消耗的能量，再將其折算成水量，用以計算作物田間耗水量。計算騰發(fā)強度ET的計算式為L—汽化潛熱(J/g)；β—鮑文比；Rn

—土壤表面的凈輻射[J/(cm2d)]；G—土壤表面的熱通量[J/(cm2d)]；—濕度計常數(shù)，與氣壓和溫度有關(guān)，可近似取值為0.66mbar/oC；T1，T2—分別為兩個不同高度z1、z2處的絕對溫度；e1，e2—為兩個不同高度zl、z2處的水汽壓(mbar)。16綜合法—彭曼公式彭曼公式是在紊流擴散法與能量平衡法基礎(chǔ)上建立的，它是上述兩種方法綜合結(jié)果。由英國Penman(1948)提出，是目前計算騰發(fā)量中應用較為廣泛的方法。假定：蒸發(fā)面水汽壓力為飽和水汽壓力，該壓力僅是溫度的函數(shù)，求得的騰發(fā)量為潛在騰發(fā)量ET；蒸發(fā)面處的氣溫t與觀測高程z2(=2m)處氣溫相等。17es2—觀測高度z2面上的飽和水汽壓；es0—蒸發(fā)面上的水汽壓；T2,T0—分別為觀測面上和蒸發(fā)面上的絕對溫度；—濕度計常數(shù)(mbar/℃)；Ea—干燥力，蒸發(fā)面上溫度等于氣溫時的蒸發(fā)量(mm/d).u1,u2—z2高度上風速(m／s)；es1,e2—分別表示觀測面上飽和水汽壓和量測時實際水汽壓(一般以mbar計)。上式中，濕度計常數(shù)與氣壓有關(guān)，es,是溫度的函數(shù)，在一個標準大氣壓(1013mbar)時有關(guān)數(shù)值如表所示。18FAO-PPP-17彭曼修正式19經(jīng)驗公式法以太陽輻射Rs為指標的估算騰發(fā)量的公式

LETp＝a1Rs

+a2

a1,a2—經(jīng)驗系數(shù)，隨作物和地點而異，由田間試驗資料確定。式中ETpi—第i個月份的潛在蒸發(fā)量(mm/d)；T—相應月份的日氣溫平均值(℃)；Pdi—該月份日平均白晝小時占全年晝長小時的百分數(shù)；Ci—經(jīng)驗系數(shù)。以氣溫為指標的騰發(fā)量公式可用時段內(nèi)平均氣溫或積溫表示，1977年FAO推薦公式：20以空氣濕度為指標估算騰發(fā)量的公式ETp＝(es-e)式中—經(jīng)驗系數(shù)；es—蒸發(fā)面上飽和水汽壓；e—空氣中實際水汽壓。水面蒸發(fā)量法以水面蒸發(fā)量來反映綜合氣象因素，其一般形式為ETp＝E0式中:E0—水面蒸發(fā)量；—經(jīng)驗常數(shù)，決定于參考作物和蒸發(fā)皿的類型。以上公式經(jīng)驗系數(shù)，均需由試驗資料確定。應根據(jù)當?shù)貤l件選用合適公式，以實測試驗資料確定經(jīng)驗系數(shù)。21作物實際騰發(fā)量的計算作物系數(shù)Kc反映了作物和土壤因素。作物因素:作物種類、作物生理特性、發(fā)育階段、播種日期、生育期長短等。地理位置:不同地區(qū)作物系數(shù)變化規(guī)律不同，除赤道附近Kc基本為常數(shù)外，其他地區(qū)作物系數(shù)都隨作物的生長期而變化。Kc值通常參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織灌溉及排水從書第24卷提出的作物生育四階段標準劃分：初期、發(fā)展期、中期、后期。根據(jù)潛在騰發(fā)量估算作物實際騰發(fā)量計算出的潛在騰發(fā)量，必須根據(jù)作物系數(shù)Kc和土壤供水系數(shù)K加以修正，才能求得實際的騰發(fā)量，計算公式為：ET(t)=ETpKcK22部分作物生長階段天數(shù)（d）23部分作物在生長中期和完熟時的Kc值24華北地區(qū)冬小麥作物系數(shù)Kc地區(qū)播種-分蘗分蘗-返青返青-撥節(jié)撥節(jié)-抽穗抽穗-成熟全期產(chǎn)量水平（kg/畝）河北臨西1.450.880.700.900.650.86300河北望都0.580.580.981.520.960.88350山西0.860.490.851.031.070.86380山東1.050.320.761.151.220.92-0.99河南新鄉(xiāng)1.39-1.210.51-0.920.92-0.690.871.220.97300天津0.88300-350北京彰化0.670.340.471.471.530.9240025華北地區(qū)夏玉米作物系數(shù)Kc地區(qū)播種-撥節(jié)撥節(jié)-抽穗抽穗-收獲全期產(chǎn)量水平(kg/畝)河北臨西0.960.310.740.71472河北藁城0.650.370.950.81367-465河南新鄉(xiāng)0.560.661.32-0.940.7740526華北地區(qū)棉花作物系數(shù)Kc地區(qū)播種-出苗出苗-現(xiàn)蕾現(xiàn)蕾-開花開花-吐絮吐絮-收獲全期產(chǎn)量水平(kg/畝)河北臨西0.320.581.011.160.760.77河北藁城0.500.500.910.950.440.72河南新鄉(xiāng)(夏棉)0.66-0.76河南新鄉(xiāng)0.130.360.891.431.500.96144(皮棉)農(nóng)田騰發(fā)量隨土壤含水率變化，一般可分為兩個階段，當土壤含水率高于臨界含水率時，農(nóng)田騰發(fā)量大小主要取決于氣象條件和作物生長狀況，不隨土壤含水率而變化，稱為穩(wěn)定騰發(fā)階段。此時，作物實際騰發(fā)量與潛在騰發(fā)量的關(guān)系為：ET—土壤充分供水時，t時段內(nèi)平均騰發(fā)量；P—t時段內(nèi)降雨P(guān)；I—t時段內(nèi)灌水總量；Q—t時段內(nèi)根層以下深層滲漏量；W—t時段內(nèi)，計算深層滲漏量所取斷面以上土體所消耗的水量(可用時段始末土壤含水率剖面求得)。此時ET為作物根層平均土壤含水率高于臨界含水率時的農(nóng)田實際騰發(fā)量，可根據(jù)田間試驗資料，用水量平衡方法求得：Kc的確定方法28根據(jù)臨西試驗站實測資料通過平衡計算求得平均作物系數(shù)與相對時間(作物生長歷時與全生育期歷時的比值)關(guān)系曲線。29土壤供水修正系數(shù)K

，與土壤質(zhì)地及土壤含水量有關(guān)。當土壤含水率低于某一臨界值時，由于土壤供水能力有限，騰發(fā)量受到抑制，農(nóng)田騰發(fā)量將隨土壤含水率而變化，此階段為非穩(wěn)定騰發(fā)階段。M.Jenson公式：Thornthwaite公式：經(jīng)驗公式30根據(jù)水面蒸發(fā)量估算作物實際蒸騰量水面蒸發(fā)量是氣象因素中最容易獲得的第一手資料，而潛在騰發(fā)量則需要通過試驗或計算求得。根據(jù)水面蒸發(fā)量估算騰發(fā)量可采用下式：

ET/E0＝a+b式中：a,b—經(jīng)驗常數(shù)，視作物種類、生長階段和土壤條件而定。不同階段采用的常數(shù)a,b應根據(jù)試驗資料分別測定。若在各生長階段采用相同常數(shù)，則需根據(jù)作物系數(shù)加以修正。3132根系吸水研究有微觀和宏觀兩種途徑。微觀模型采取單根徑向流模型描述根系吸水過程。宏觀模型是忽略水分向單根的流動，將整個土——根系統(tǒng)看作一個連續(xù)體，在土壤水分運動中引入一個以一定模式分布的根系吸水速率項（源匯項）加以體現(xiàn)。在目前開展土壤植物大氣連續(xù)體的模擬研究中，根系吸水在水流連續(xù)方程中常作為一個吸水項處理，即廣泛采用根系吸水的宏觀模型。根據(jù)建立模型時經(jīng)驗和理論側(cè)重的不同,可以將根系吸水模型分為3類:經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗半理論模型和理論模型。根系吸水模型5.4植物根系吸水規(guī)律33經(jīng)驗模型（微觀模型）經(jīng)驗模型是以假定植物根系分布均勻,土壤水勢均一為基礎(chǔ)的,物理學與生物學意義正確,但是參數(shù)難于測定,不便于實際應用。Gardner提出的單根吸水模型Molz等人將根系吸水過程分為土壤中水分向根表面流動和水分在根組織內(nèi)的流動兩個過程,從而考慮根的水力特性,提出的單根吸水土-根系統(tǒng)水流運動模型。r為土壤中某點到根中心的徑向距離;rr為根半徑;θ為土壤含水量,Ψ為土壤水勢;θ0、Ψ0為初始值;ｋ(Ψ)、Ｄ(θ)為土壤導水率和擴散率;ｑ為單位根長的吸水速率。Ψm為土壤基質(zhì)勢;c為比水容量;rs為相鄰2條根間距的中點到根軸線的距離;Ψt為作物根組織水勢;Dt為根組織水分擴散系數(shù);re為根內(nèi)皮層半徑。34經(jīng)驗模型（微觀模型）特點微觀模型對定量描述根系區(qū)的微觀區(qū)域土壤水分運動規(guī)律、分析根吸水的機理、根水勢和土水勢的關(guān)系以及蒸騰時土壤和根水勢變化特征有一定的作用；沒有考慮根層不同位置上根系密度不同所帶來根系吸水速率的差異,也沒有考慮根系吸水分布隨根系生長的變化;將建立在單根吸水層次上模型應用于宏觀整個根系系統(tǒng)的吸水卻是不可行的，所以其應用和研究受到一定的限制。35Selim和Iskandar(1978)提出蒸騰量在根系層內(nèi)按各層單位