农田水分状况课件.ppt

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1、第1章 农田水分状况,主讲教师：谭军利 博士宁夏大学土木与水利工程学院2012年8月,农业水资源利用与管理,内容提要,农田水分存在形式及其对作物的影响 作物生长对农田水分状况的要求 土壤水分运动 土壤植物大气连续体的水分传输,农田水分状况系指农田地面水、土壤水和地下水的多少及其在时间上的变化。,第一节 农田水分状况,一切农田水利措施，归根结底都是为了调节和控制农田水分状况，以改善土壤中的气、热和养分状况，并给农田小气候以有利的影响，达到促进农业增产的目的。,农田水分存在的四种基本形式,空气中的水气 地面水 土壤水 地下水,空气中的水气 (主要反映在空气湿度上),空气湿度太低，蒸腾强度大，会造成

2、太多的水分损失，同时，作物根系从土壤中吸取的水量不能满足蒸腾耗水的要求，作物就会枯萎（大气干旱）。,在一定程度上，空气湿度低对作物生长有利。,产生大气干旱的原因是干热风所致。干热风的指标是：日最高气温30、日最小相对湿度30%、风速3m/s。,防止大气干旱的措施： 设置防风护田林 进行喷灌、雾灌,地 面 水,水稻采用淹灌时，不同生育阶段要求田面有一定的水层。同时稻田为了控制田面水层和排干晒田，也必须有排水措施。,地 下 水,地下水靠毛细管作用上升到作物根系活动层中的水量可以为作物所利用。但地下水位太高，距离地面小于1m时，则会造成根系活动层内土壤含水量过高，通气不畅，造成减产，称之为渍害。,在

3、干旱、半干旱地区，浅层地下水消耗于地面蒸发的比重很大，当地下水矿化度高时，地下水通过地表蒸发后造成表土盐分的累积，形成盐渍害。因此必需通过排水措施，降低地下水位，避免渍害和盐渍害。,土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。按其形态不同可分为汽态水、吸着水、毛管水和重力水 。,土 壤 水,固态水 冬季土壤结冰时存在,液态水,气态水 存在于土壤空气中,受土粒分子引力,吸湿水,膜状水,受毛管力作用,毛管悬着水,毛管上升水,受重力作用,重力水,地下水,土壤水,（1）吸湿系数; （2）凋萎系数; （3）田间持水量; （4）毛管持水量;,土壤水分常数,土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度100%）吸持

4、水分子可达到最大量，此时土壤的含水量称为最大吸湿量或吸湿系数（大概有15-20层水分子，厚度4-8nm），不同土壤吸湿系数不一样。,吸 湿 系 数,当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。,凋萎系数 = 吸湿系数1.5（经验公式） 当膜状水达到最大量时土壤的含水量叫土壤最大分子持水量。,毛管悬着水达到最大量时土壤的含水量称为田间持水量。 (Field Capacity),毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量。 当土壤中所有孔隙充满水时

5、的土壤的含水量叫饱和含水量或（全持水量）,悬着毛管水,上升毛管水,田间持水率 是确定灌水定额时，计划湿润土层允许含水率的上限，从薄膜水到田间持水率的土壤含水率的土壤含水量是作物容易利用的有效水。灌水前土壤允许含水率下限，一般取田间持水率的50%70%。,在生产实践中，常将灌水2天后土壤所能保持的含水率叫做田间持水率。,不同质地土壤的几种水分常数,土壤水分有效性是指土壤水分是否能被作物利用及其被利用的难易程度。,土壤最大有效水量（）田间持水量（）凋萎系数（）。,表 2. 不同质地土壤的有效水范围（重量%）,土壤有效水的影响因素有哪些？,土壤水存在的形态、性质和数量,土水之间的吸力,作物根系吸水力

6、与土粒吸水力之差,土壤水分特征曲线：反映土壤基质势和土壤含水率关系的曲线,土壤含水率的测定及表示方法,测定方法： 烘干法 负压计法 TDR法 中子法 射线法,质量含水率m g/g体积含水率v cm3/cm3水层厚度h mm 1.0m3/亩=1.5mm水层厚度,表示方法：,水层厚度h（mm）= 土层厚度（mm） 土壤含水量（体积） =土层厚度（mm） 土壤含水量（质量） 土壤干容重,v （%）= m （%）b,第二节 作物生长对农田水分状况的要求,一、水对作物的生态作用,根系的发育； 作物茎叶的生长； 作物生长有一个最高、最适宜和最低的水分含量； 土壤含水量对作物各种生理活动的影响是不一致的:

7、最适含水量 生长蒸腾同化 影响作物的品质,1、以水调气 在一定的土壤中，土壤水分和土壤空气共同占有土壤孔隙，水多气少，水少气多。在水气矛盾中水是矛盾的主要方面，因此，可通过调节土壤水分状况来调节空气。,2、以水调温 水的热容量和导热率均比空气大。为了调节农田 温度或稻田水温常常通过增加或减少农田水量的办法来解决。,二、水分对改善作物生态环境的作用,3、以水调肥 作物吸收养分是有条件的。首先，养分的吸收是以水为媒介的；其次，养分必须转化为作物能够吸收利用的速效养分。养分的吸收和转化，都以一定的水分条件为基础。,4、改善农田小气候 通过合理的灌排措施，不仅可以调节土壤温度，而且也可以调节农田内部一

8、定空气层的气温、空气湿度等因素。农田水分多时，蒸发强烈，空气湿度增高，气温降低。,5、提高耕作质量和效率 影响耕作质量和效率的主要因素之一是田间水分状况。旱田土壤含水率适宜，土壤的物理机械性介于粘结性与可塑性之间时，耕作质量和效率最佳。,6、其他要求 如稻田的适时晒田可调节水稻群体，适时落干可控制水稻贪青晚熟。杀虫也要结合灌排进行。,1)当地下水位埋深较大和土壤上层干燥时，如果降雨(或灌水)，地面水逐渐向土中入渗，土壤水分的动态约如图1-2所示。,二、旱作地区农田水分状况,2) 当地下水位埋深较小，作物根系吸水层上面受地面水补给，而下面又受上升毛管水的影响时,地下水位的高低便直接影响着根系吸水

9、层中的含水率。,干旱：由于根系吸水不足以致破坏植物体水分平衡和协调现象，称之为干旱。,干旱,大气干旱 土壤水不妨碍植物根系的吸收，但由于大气 温度过高和相对湿度过低，阳光过强；或干热风，使根系吸水速度不能满足蒸发需要。,土壤干旱 土壤含水率过低，植物根系从土壤中吸收的水分很少，无法补偿叶面蒸发的消耗。,五、水稻地区的农田水分状况,当地下水位埋藏较浅、又无出流条件时,当地下水位埋藏较深、出流条件较好时，此时，地下水位至地面间土层的土壤空隙不一定达到饱和。,第三节 土壤水分运动,饱和土壤：理论基础为达西定律，并逐步完善形成地下水动力学；,非饱和土壤：在19世纪下半叶至上世纪50年代，代表理论为毛管

10、理论，采用形态学的观点；上世纪初出现了土壤水分能态观点，即势能理论，根据在土壤水势的基础上推导出的扩散方程，研究土壤水分运动。,一、土水势及其分式,土水势：土壤水的势能，简称土水势,定义：可逆地和等温地从特定高度和大气压下的纯水水池转移极少量水到土壤中某一研究点每单位数量纯水所做的功。,根据影响土水势的各种因素，土水势可有若干分势组成。在不同情况下，总水势是由不同分势组成。,1、重力势g 土壤处于重力场中，其势能的大小取决于物体在重力场的位置，土壤水的重力势是由其参照的基准面相对高度决定的。,2、压力势p 当土壤处于地下水自由水面以下或土壤表面长期积水的情况下，土壤水具有压力势，压力势是由土壤

11、水静水压力所产生的。压力势为正值。,3、基质势（m或h） 土壤颗粒对水分有吸附力，毛管现象产生毛管力，这两种力吸引和束缚着水保持在土壤孔隙中，降低了土壤水的势能，就形成了吸附势和毛管势，合称基质势。非饱和土壤中基质势为负值，饱和土壤中基质势为零。,4、溶质势（s或s） 土壤水溶液中存在各种溶质，溶质离子和水分子之间存在吸引力，降低了水分的自由能并低于纯水，降低的自由能即溶质势，所以溶质势也是负值。其大小和溶质的数量有关。,非饱和土壤:,饱和土壤：,在盐碱土研究土壤与植物水分关系时，,由于基质势和溶质势一般取负值，使用起来不方便。为此，将基质势和溶质势的相反数定义为吸力S，分别称为基质吸力和溶质

12、吸力。,二、土壤水运动的基本方程,一般情况下，达西定律同样适用于非饱和土壤水分运动。,在dt时间内从x方向流入和流出单元体的水量为,在dt时间内从z方向流入和流出单元体的水量为,则在dt时间内从x、z方向流入和流出单元体的水量差值为,在dt时间内土壤单元体中贮水量的变化率为,根据质量守恒原理，式（2-13）、式（2-14）应相等，整理可得到土壤水流连续方程,将Vx，Vz代入水流连续方程式（2-15）后，可得,考虑到=h-z（z坐标取向下为正时），则有,代入式（2-16），得,令,代入（1-10）中得,式中，D()称为扩散度，表示单位含水率梯度下通过单位面积的土壤水流量，其值为土壤含水率函数。,

13、由于土壤含水率与压力水头h之间存在着函数关系，渗透系数K也可写成压力水头h的函数，因此，土壤水运动基本方程也可写成另一种以h为变量的形式。,式中，C(h)称为土壤的容水度，表示压力水头减小一个单位时，自单位体积土壤中所能释放出来的水体积。,土壤水运动方程的作用,在初始条件和边界条件已知的情况下，可根据这些定解条件求解式（2-20）或式（2-24），求得各点土壤含水率或土壤负压和土壤水流量的计算公式，或用数值计算方法直接计算各点土壤含水率和土壤水流量。,三、入渗条件下土壤水分运动,当入渗前土壤的初始含水率0很小时，地面维持有薄水层的初始入渗速度i1很大，地面处的土壤含水率在很短的时间内就接近于土

14、壤的饱和含水率s。随着入渗时间的延长，由于入渗路径加长，从地面到入渗锋面的水势梯度逐渐减小，所以入渗速度it也不断地减小，最后趋于一稳定值if。,通常以入渗速度it及累积入渗水量I与时间t的关系曲线描述入渗规律, it-t和I-t关系曲线随土壤性质与初始含水率的不同而不同。,一般情况下，it-t和I-t关系曲线可由田间双环入渗实验或实验室土柱入渗实验测定。生产实践中，常采用经验公式计算入渗速度it和入渗量I。,1）考斯加可夫(AHKOCTKOB)公式： iti1t-a,it 任一时间的入渗速度，以单位时间渗入土壤的水 层厚度(mm/min或cm/h)计；i1 第一单位时间末的入渗速度；t为入渗

15、时间(min或h)； a 经验指数，决定于土壤性质和初始含水率，=0.30.8。轻质土壤值小，重质土壤值大；初始含水率愈高，值愈小，一般土壤可取=0.5。,累积入渗量与入渗时间的关系可用下式计算：,2）菲利普入渗公式,入渗速度,累积入渗量,式中，S，if均为土壤特性常数，S称为吸水率，其大小与土壤初始含水量有关；if为稳定渗吸速度，相当于土壤饱和时的导水率Ks。,采用畦灌或漫灌时，灌溉水向土壤入渗属于有水层的一维入渗问题；,在降雨或利用喷灌进行灌水时，在田面没有形成水层之前属于自由入渗，形成水层之后属于有压入渗；,在采用沟灌和渗灌进行灌水的条件下，水自沟槽和渗水管向土壤沿x、z两个方向入渗，属

16、于二维的入渗问题；,采用滴灌时水分向x、y、z三个方向扩散，入渗过程属于三维的入渗问题。,(1) 无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发。当地下水位埋深很大时，上层土壤的含水率可以看作不受地下水补给的影响。降雨和灌水后土壤含水率增加，在蒸发作用下土壤的含水率逐渐减小。,4、蒸发条件下土壤水分运动,蒸发过程中一般可分为三个阶段： 1）稳定蒸发阶段：土壤水分的蒸发强度 (单位时间单位地面蒸发的水量)主要取决于大气的蒸发力；当土壤含水率降至某一临界值(临界土壤含水率k，即蒸发强度与毛管输水能力保持平衡时的土壤含水率)时，稳定蒸发阶段结束，该阶段又称为大气蒸发力控制阶段。,2）当k 时，土壤向上输送水分的

17、能力减弱，土壤水分的蒸发强度取决于大气蒸发力与土壤向上输送水分能力二者的制约关系。该阶段的土壤水蒸发强度随含水率减小而逐渐减小，所以称为蒸发强度递减阶段。,该阶段土壤蒸发强度可由下式计算： =（a+b）E0 式中：a、b是与土壤性质有关的两个系数，可根据实测资料确定，E0为水面蒸发强度。,3）当地表土壤含水率很低时表土输水能力较弱，地表形成一干土层。干土层下的水分向上运移至干土层底部时，以水汽扩散的形式穿过干土层进入大气，此时蒸发强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽扩散的能力。,（2）地下水补给条件下的蒸发当地下水位埋藏深度较浅时，表土蒸发消耗掉的水分在毛管力作用下由地下水得到补给

18、。当外界蒸发力不随时间而变时，土壤水分蒸发强度与潜水向上补给的通量处于相对平衡状态，形成稳定蒸发。,第四节 土壤植物大气连续体(SPAC)的水分传输,一、SPAC系统的定义1966年澳大利亚学者Philip起名SPAC系统，它指水分经由土壤达到植物根表层、进入根系后，通过植物茎，达到叶片，再由叶片气孔扩散到大气层中，形成一个统一的、动态的相互反馈的连续系统。,土壤（Soils）,土壤（Soils）,土壤（Soils）,植物（Plant）,大气（Atmosphere）,土壤中水分向根系运动，并通过根膜吸入植物体内，这一过程称为根系吸水过程。,水在植物体内运移、输送过程。,植物体内水分向大气散发过

19、程,因此，在土壤充分供水条件下，如外界蒸发条件基本保持不变，忽略植株体内储水量的微小变化，则可假定流经植物体内的水流为稳定流。叶面的蒸腾强度= 植物体内输水速度 = 植物根部对土壤水分的吸收速度,整个系统中不同部位的水势差将与水流阻力成正比，并可近似地用下式表示：,从土壤到大气总水势差可达数百个105Pa，在干燥的条件下甚至可达到1000 105Pa。总水势差中从叶片至大气的水势差最大。,土水势一般为0-0.2MPa，低至-1.5MPa时，根系吸水困难；根水势一般最高为-0.2MPa，最低可降至-1.5MPa。,当空气相对湿度为50%左右时，其水势约为-100MPa.,茎高每增加1m，茎水势降

20、低0.030.04MPa。 一般农作物的茎水势约为-0.2-0.4MPa；正常生长情况下的叶水势一般在-0.6MPa,这种由上下水势差所产生的蒸腾拉力，可使水分沿树木上升到100m以上的高大乔木的顶端，是水分向上输导的主要动力。,另外，水分子的巨大内聚力（一般为2030MPa以上），可使上升水柱不被拉断和脱离管壁，从而保持水柱的连续性，这对保证蒸腾拉力使水分有很重要的作用。,从SPAC系统中看到，植物能否得到足够的水分供应取决于下列因素： 土壤含水量及相应的土壤水势 土壤的导水性能 植物根系的吸水能力和植物体的输水性能 大气状况,根系吸水速率低于植物蒸腾速率时，由于植物体损失一定的水分，影响正常生长，久之将导致植物枯萎。因此，引起植物枯萎的含水率并不是固定不变的土壤特性常数，而应是在SPAC系统中植物自土壤所吸取的水分不足以平衡大气所需求的蒸腾速率时所需求的土壤含水量。,Thank you!,