农田水分状况与土壤水分运动

或：
∂θ ⎛ ∂qx ∂qz ⎞ + = −⎜ ⎟ ∂z ⎠ ∂t ⎝ ∂x
将达西定律的代入上述方程，则有
达西定律:
∂φ v x=q x = − k (θ ) ∂ x ∂φ ( ) q k θ = − v y= y ∂x ∂φ v z= q z = − k (θ ) ∂ x
∂ ⎡ ∂φ ⎤ ∂ ⎡ ∂φ ⎤ ∂θ = k (θ ) ⎥ + ⎢k (θ ) ⎥ ⎢ ∂t ∂x ⎣ ∂x ⎦ ∂z ⎣ ∂z ⎦
第二章 农田水分状况与土壤水分运动
T E 根区 D P＋M
± ∆W
K
中国农业大学 李光永 黄兴法编
第一节
农田土壤水分状况
• 什么叫农田水分状况： 是指农田地面水、土壤水和地下水数量的多少、 多少 存在的形式及其在时空上的 变化。 形式 变化 • 农田水分状况是农田灌排系统规划、设计和管理 的基础 • 农田水利措施的目的： 通过使用各种手段，调节农田水分适应作物耗水 的要求。
干
旱
• 当植物根部从土壤中吸收的水分来不及 补给叶面蒸腾时，便会使植物体内水分 不断减小，特别是叶片的水分迅速降 低，而影响植物体水分平衡和协调，这 种现象称为干旱
干旱的原因
• 大气干旱：由于大气的温度过高和相对 湿度过低，阳光过强，或遇到干热风造 成植物蒸腾耗水过大, 会使根系吸水速 度不能满足蒸腾需要。 • 土壤干旱：当土壤含水率过低，植物根 系从土壤中所能吸取的水量难于满足叶 面蒸腾的消耗，影响作物的生长
• 目的与用途： 在降雨、灌溉、作物耗水的过程中，土 壤水分是经常变化的，比如降雨或灌溉 后，土壤水分到底增加了多少？入渗深 度是多少？作物耗水时，不同深度的土 壤水分到底还有多少？
土壤水分变化过程确定的方法
• 有两种方法来决定
¾田间实测 ¾用公式来计算:
θ = f (t , x, y, z )
一、达西定律（饱和土壤中）
水稻节水灌溉
• 近几年来，安徽、江苏、山东、湖南、 四川、湖北、广西等省通过试验逐步形 成了 – “浅水灌溉”、“间歇灌溉”、 – “浅、晒、湿”灌溉、 – “浅、晒、深、湿” 等节水型灌溉方式
薄水插秧
浅水育秧
分蘖前期湿润
分蘖后期晒田
四、农田水分状况的调节措施
• 在自然条件下农田水分状况与作物需水 是不相适应的，农田水分会出现过多或 水分不足的现象。
可使地下水位上升，可能使耕层毛管水增加， 也可能造成渍害
二、旱作物对农田水分状况的要求 （续）
¾ 地下水位不允许上升至根系吸水层内 ¾ 农田的地面水和地下水必须适时适量地转化为作物 根系吸水层的土壤水分，才能被作物吸收利用。 ¾ 因此地下水位必须维持在根系吸水层以下一定深度 处，此时地下水可通过毛细管作用上升至根系吸收 层，供作物利用。
三、水稻地区的农田水分状况
¾ 水稻是喜湿好水作物; ¾ 栽培技术和灌溉方法与旱作物不同，因 此稻田水分存在的形式与旱作农田水分 存在的形式也不相同; ¾ 传统上，水稻采用淹灌方法，故田面经 常（除烤田外）有水层存在。
三、水稻地区的农田水分状况
¾保持适宜的浅水层，不仅能对稻田水分及养分的
供应提供良好的条件；而且还能调节和改善水稻生长环 境条件，如温、热及田间小气候等状况。 ¾ 但过深的水层（不合理的灌溉或降雨过多造成的）对水 稻的生长也是不利的，特别是长期的深水淹浸，更会引 起水稻减产，甚至死亡。因此，灌溉水层上下限的 确定，对水稻生产具有重要的实际意义。通常根据作物 品种、生育阶段、自然环境及人为条件由经验来确定。
• 则两个方向进入与流出微小体积的水量差为： ∂v x ∂v z −( dxdz + dxdz ) ∂x ∂z
而单位时间内土壤体积中水量的变化量为：
∂θ dx • dz • 1 ∂t
根据质量守恒定律，上述两式应相等，从而得到 质量守恒定律 土壤水流的连续性方程：
∂θ ⎛ ∂v x ∂v z ⎞ = −⎜ + ⎟ ∂t ∂z ⎠ ⎝ ∂x
• 有效水：介于凋萎系数和田持之间的毛管
水。
从土壤水的能态来分析
水流向何方嗧
土壤 A 砂土 10%
土壤 B 粘土 15%
从土壤水的能态来分析
• 土壤水的能量概念：
¾自然界的物体都具有能量，而且普遍的趋势是自发地 由能量高的状态向能量低的状态运动，最终达到能量 平衡。 ¾任一物体所具有的能量由动能和势能组成，由于水分 在土壤孔隙中的运移速度很慢，其动能一般可忽略不 计。因此，土壤水分所具有的能量即只考虑势能－用 土水势来表示。 土水势决定了土壤水分的能态和运动！！
农田水分过多的原因
• 降雨量过多 • 河流、湖泊水侵入农田（山东、天津） • 典型低洼、地下水位上升（珠江三角洲） • 出流不畅（雁北）
农田水分不足的原因
• 降雨量不足（西北） • 降雨形成的地表径流大量流失（黄土高原） • 土壤保水能力差，水分大量渗漏 • 蒸发量大（新疆）
调节措施
• 农田水分不足时：灌溉、蓄水保墒
一、农田土壤水分存在的基本形式
从土壤水的形态来分析 • 汽态水：存在于土壤孔隙中的水汽，有利于
微生物的活动，数量少，可以忽略。
•吸着水：束缚于土壤表面，不能自由移动 或干土从空气中吸着水汽所保持的水。 吸湿系数
薄膜水：在吸湿水外部，沿土粒表面作极 小的移动。
最大分子持水率
B C 水膜薄的土粒 A 水膜厚的土粒
永久凋萎点:－15bar 田间持水量：--0.3bar
土壤水的有效状态
15 0.3- 0.5
土壤水分特征与土壤质地的关系
二、旱作物对农田水分状况的要求
• 特点：
9根系层土壤的含水率要保持适当； 9允许的平均最大(不是适宜)含水率，一般 为根系吸水层土壤的田间持水率，最小含 水率不应低于作物适宜的土壤含水率下限 指标； 9通常地面不允许积水。
∂φ v x= q x = − k (θ ) ∂x ∂φ v y= q y = − k (θ ) ∂x ∂φ v z= q z = − k (θ ) ∂x
式中： qx、qy、qz分别为沿x、y、z轴的水流通量； Φ 为土壤的总水势，仅考虑重力势和基质势， 即φ=h+z, 其中h为基质势水头，取决于土壤的干湿状 况； 而位置水头z则取决于参考面的位置。 K（θ）为土壤的非饱和导水率，
水分子可通过，溶质离子不能通过
在盐碱土壤中，即是土壤很湿，作物任会因缺水而枯萎
或位能
负
正 基准线
水分运动达到稳定，所以各点得总势均为0
土壤水的能态与形态的关系
• 或土水势与土壤含水率之间的关系：
用土壤水分特征曲线表示 或称作PF曲线
• 用土壤水吸力表示土壤水分的方便性 （相同含水率，但土壤不同，土壤水分的 有效性不同） • 几个关键含水率相应的土水势值：
因为φ=h+z，代入上式得：
∂θ ∂h ⎤ ∂k (θ ) ∂ ⎡ ∂h ⎤ ∂ ⎡ = k (θ ) ⎥ + ⎢k (θ ) ⎥ + ⎢ ∂t ∂x ⎣ ∂x ⎦ ∂z ⎣ ∂z ⎦ ∂z
饱和土壤中水分的能量（水压）
• 水可从土壤中排 出，说明饱和土 壤中的水势（或 水压）大于大气 压，其水压或土 水势为正值
20cm 10cm
排水
非饱和土壤中水分的能量
• 非饱和土壤中水分不能自由排除，但可将自由 水吸取。说明非饱和土壤中的水压小于大气 压，其能量（土水势）为负值或负压， • 或称为吸力（土水势的绝对值）。 • 土壤含水率越低，吸力越大（土水势越低）
土水势的单位：
• 可用压力的单位表示，即： 巴(bar)，千帕(KPa)，兆帕(MPa) 1巴(bar)＝0.987个大气压=10m＝100KPa 1MPa=1000KPa=10(bar)
土水势的构成
• 总水势＝基质势＋渗透势＋重力势＋压力势
– 基质势：由土壤基质的吸附力和毛管力所引起，为 基质势 负值。饱和土壤中的基质势为零，即只有非饱和土 壤中才存在。 – 重力势：由重力引起的水势，其正负与基准线有 重力势 关。 – 压力势：为静水压力引起，为正值。地下水位以下 压力势 才有压力势 – 渗透势（或溶质势）：由土壤溶液中的溶质所引 渗透势 起。为负值。
• 在z方向进入与流出微小体积的水量差为 ∂v z ∂v z v z • dx • 1 − [ v z + dz ] • dz • 1 = − dxdz ∂z ∂z
z
dz
vx
∂v z ∂ vz z + x dz vv z + ∂ ∂z
dz
∂ vxx v ∂ dx dx ∂ x x ∂
x
vz
dx
+ vv x x+
• 农田水分过多时：排水
名词解释
• 干旱：农田水分不足或蒸腾过大，造成 植物生长受到损害。 • 涝：地面积水 • 渍：地下水位过高 • 洪灾：河流泛滥
五、农田水分循环
根 区 土 壤 水 量 平 衡
T E
P＋MBiblioteka 根区 D± ∆WK
± ∆W =(P+M+K)-(E+T+D)
第二节 农田土壤水分运动
∂φ ∂φ ∂φ , 及 ∂x ∂y ∂z 则分别为x，y，z方向的水势梯度。
三、二维非饱和土壤水分运动方程的推导
z
dz
vx
∂ v z dz vz ∂ + v v z+ dz ∂ ∂ z
x z
vz
dx
∂ vxx v ∂ dx + vv x x+ ∂x dx ∂x
x
设土壤水在垂直平面上发生二维运动， 取微小体积dx、dz（垂直xz平面厚度为1）
• 通过土壤的水流大小与水头梯度和导 水率成比例，其运动方向与水头梯度 的方向一致