土壤水动力学SWDSAC水分传输

土壤水动力学(SoilWaterDynamics)

第7章土壤－植物－大气

连续体水分传输

WaterTransportinSPAC

(Soil-Plant-AtmosphereContinuum)毛晓敏中国农业大学水利与土木工程学院Telmail:maoxiaomin@第7章土壤－植物－大气连续体水分传输SPAC的概念及其中的水分传输过程腾发量的估算方法SPAC水分传输模型及应用SPAC水热传输模型及应用7.1SPAC的概念及其中的水分传输过程水分对植物生长的作用植物生长条件下的主要水分传输过程SPAC的概念7.1.1水分对植物生长的作用植物细胞原生质(细胞膜、细胞质和细胞核)含水量达80%以上时，才能进行活跃的生化反映，保持代谢光合作用

光能

6CO2+6H2O－－→

C6H12O6+6O2

叶绿素营养物质的输送蒸腾：植物吸收水分的绝大部分消耗于蒸腾蒸腾的作用：植物吸收、传输水分、养分的驱动力：通过蒸腾作用，维持植物体内及其与土壤的水势梯度，从而不断地吸收、传输水分、养分调节小气候，降低叶面温度，避免叶片灼伤7.1.2植物生长条件下的主要水分传输过程水分传输过程：土壤→根表面：土壤物理学根表面→根导管：植物生理学根导管→叶面：植物生理学叶面→大气：气象学土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTE水流类型：液体水流：水在土壤、植物体的流动水汽扩散：干土层、大气水的相变：蒸发、蒸腾→腾发7.1.3SPAC的概念早期对各种水分传输过程单独研究，概念不统一后来，用水势的概念综合研究水分传输，将土壤－植物－大气视为连续体，Philip于1966年提出SPAC的概念土壤－植物－大气连续体：Soil-Plant-AtmosphereContinuumSPAC系统的三三个重要要环节：：根系吸水水过程水在植物物体内的的输运过过程植物体内内的水分分向大气气扩散过过程土－根：：q1=-Δψ1/R1根吸收：：q2=-Δψ2/R2根－叶：：q3=-Δψ3/R3叶－气：：q4=-Δψ4/R4土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTE土壤根表面根导管叶面大气R1R2R3R4Δψ1Δψ2Δψ3Δψ47.2腾发量的的估算方方法腾发量及及其影响响因素腾发量的的测定方方法估算腾发发量的理理论方法法估算腾发发量的经经验方法法估算腾发发量的实实用方法法—参考作物物法根据水量量平衡模模型估算算腾发量量7.2.1腾发量及及其影响响因素腾发、蒸蒸散发：：Evapotranpiration蒸发：Evaporation蒸腾(Transpiration)：主要通通过叶片片气孔散散失水分在气气孔腔和和细胞间间隙的叶叶肉表面面蒸发（（水面蒸蒸发），，水汽达达到饱和和水汽由气气孔腔经经气孔向向叶面气气层扩散散水汽从叶叶面气层层向大气气扩散叶片构造造示意图图腾发的影影响因素素能量：辐射，潜潜热消耗耗L=2.5MJ/kg水汽输送送：风速、温温度梯度度、湿度度梯度其它影响响因素：：植物生长长状况、、土壤供供水状况况7.2.2腾发量的的测定方方法直接测定定法：根据实测测水分剖剖面，利利用零(定位)通量法计计算称重式蒸蒸渗仪涡度相关关法间接测定定法：Bowen比法空气动力力学法。。涡度相关关法（直接测测定潜热热、显热热通量））涡度相关关是指某某种物质质的垂直直通量，，即这种种物质的的浓度与与其垂直直速度的的协方差差。涡度度相关法法已经成成为直接接测定大大气与植植物群落落气体交交换通量量的通用用标准方方法。该该试验区区下垫面面平坦均均匀，符符合涡度度相关法法观测要要求。运运用涡度度相关法法开路系系统直接接测定潜潜热通量量和显热热通量，，通过用用实时所所测的垂垂直风速速与水汽汽浓度和和温度的的协方差差所得，，其湍流流通量的的计算式式可表示示为：Bowen比法（测定两两个高度度处的温温、湿度度）测定两个个高度处处的温度度和湿度度。由：：7.2.3估算腾发发量的经经验方法法主要用于于土壤供供水充分分条件下下作物最最大腾发发量（作作物需水水量）或或参考作作物腾发发量的估估算利用蒸发发皿资料料估算腾腾发量ETmi=αiE0利用单一一气象因因素估算算腾发量量辐射：LEm=a1Rs+a2积温：ETmi=HiSti需水系数数积积温气温：Blaney-Criddle公式：ETmi=KiPiTi/100以月为单单位，耗水系数数、月昼昼长占年年比例、、平均气气温Thornthwaite公式：水汽压：：ETmi=β(es-e)=βd利用多个个气象因因素估算算腾发量量Dalton型公式：：ETmi=(es-e)f(u)Christiansen-Hargreaves公式：ETm=0.324RsCTCuChCsCL辐射，修正：温温度、风风速、相相对时度度、日照照百分比比、高度度7.2.4估算腾发发量的理理论方法法紊流扩散散法（空空气动力力学法））能量平衡衡法综合法紊流扩散散法：空空气动力力学法和和质量迁迁移法。。由于近近地表的的空气处处于紊流流状态，，空气质质点的流流径相互互不平行行，且以以极不规规则的方方式相互互掺混。。由于空空气紊流流动这种种特点，，能将其其中的微微粒及运运动属性性迅速弥弥散。其其速率远远大于分分子扩散散的速率率。通过对紊紊流点平平均速度度、脉动动速度、、紊流输输送到分分析，得得到：根据2个高度处处的有关关气象资资料，确确定水汽汽、显热热的垂直直输送通通量风速水汽压气温能量平衡衡法：达到地面面的短波波辐射：：Rs=Ra(a+bn/N)净辐射：：Rn=Rs(1-r)-RL能量平衡衡：Rn=C+E+GBowen比：β=C/(λE)潜热通量量：λE=(Rn-G)/(1+β)综合法（（1）：能量量平衡与与紊流扩扩散理论论结合，，只需一一个高度度的气象象资料Penman公式：水水面→湿湿润表面面其中Ea常称为干干燥力，，反映了了空气湿湿度与饱饱和湿度度差引起起的蒸发发量。综合法（（2）Penman-Monteith公式：引引入冠层层气孔阻阻力，可可用于计计算腾发发其中ra空气边界界层阻力力，rc冠层气孔孔阻力应用中，，气孔阻阻力测定定问题7.2.5估算腾发发量的实实用方法法—参考作物物法Allen,R.G.,Pereira,L.S.,Raes,D.,Smith,M.,1998.Cropevapotranspiration-Guidelinesforcomputingcropwaterrequirements.FAOIrrigationanddrainagepaper56单作物系系数法：：ETm=KcET0,ET=KsETm，ET=KsKcET0ET0——参考作物物腾发量量(ReferenceET)Kc——作物系数数(Cropcoefficient)Ks——土壤供水水系数ETm——土壤供水水充分时时的最大大腾发量量（作物物需水量量）ET———实际腾发发量双作物系系数法：：…参考作物物腾发量量(ReferenceET)概念：参参照作物物腾发量量为一种种假想的的参照作作物冠层层（作物物高度为为0.12m，固定的叶叶面阻力为为70s/m，反射率为为0.23，非常类似似于表面开开阔、高度度一致、生生长旺盛、、完全遮盖盖地面而不不缺水的绿绿色草地））的腾发速速率计算公式：：FAOPenman-Monteith公式作物系数：：与作物种类类、品种、、生长阶段段、生育状状况等因素素有关，综综合反映了了实际作物物与参考作作物的差异异FAO概化的分段段作物系数数曲线：越冬作物非越冬作物物经验曲线：：土壤供水系系数：反映土壤水水分胁迫对对腾发的影影响，与根根系层土壤壤含水率的的大小及分分布、最大大腾发强度度有关FAO方法：经验公式：：如7.2.6根据水量平平衡模型估估算腾发量量以上腾发量量估算中，，计算Ks需要根系层层含水量资资料，可根根据水量平平衡模型来来推算：ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R7.3SPAC水分传输模模型及应用用（恒温条条件下土壤壤水分运动动的模拟））初始条件：：初始含水率率（基质势势）分布已已知，即：：(z,t)=0(z)t=0边界条件:上边界为以以地表土面面蒸发强度度控制的通通量边界下边界视具具体情况而而定。植被资料气象资料→ET0——→ETmLAITmEm根系层水分分状况↓↓↓地表水分状状况s(z,t),TaEaRichards方程7.4SPAC水热传输模模型及应用用SPAC模型中冠层层的处理：：大叶（单源源）模式：：冠层与地地面的温、、湿状况相相同，不能能区分蒸发发、蒸腾，，可用于矮矮草双源模式：：将冠层与与地面分别别考虑，可可区分出蒸蒸发、蒸腾腾，应用较较为方便层状模型、、块状模型型、混合型型模型多源模式：：将冠层分分为多层，，能详细描描述冠层温温、湿垂向向分布，但但参数多、、计算复杂杂大叶模式层状模式块状模式混合模式7.4.1SPAC水热传输模模型能量分配Rn=Rv+RsRs=Rnexp(-kLAI)Rv=LEv+CvRs=LEs+Cs+GC=Cv+CsLE=LEv+LEs土壤、冠层层水热传输输水热传输阻阻力水分胁迫条条件下蒸腾腾量：根区土水势势修正系数数：根系吸水率率S(t)：根系吸水分分布函数s(z,t)：s(z,t)=Evp·’(z,t)·σ(,)土水势应力力函数σ(,)：根系密度分分布(z,t)：(z,t)=(4m-1)/zr(t)－(8m-4)··z/zr(t)2(其它根系密密度函数)结果：SPAC水热传输模模型：地表以上：：Rs(T1,θ)=LEs(T1,θ,eb)+Cs(T1,Tb)+GRv(T1,θ)=LEv(Tv,eb,θ)+Cv(Tv,Tb)C(Tb)=Cv(Tv,Tb)+Cs(T1,Tb)LE(eb)=LEs(T1,θ,eb)+LEv(Tv,eb,θ)未知量：冠冠层Tb、eb；叶片Tv、地表热热通量G地表以下土土壤层：7.4.2模型求解冠层温度Tb：二分法求求解冠层水汽压压eb、叶面温度度Tv、地表热通通量G地表蒸发速速率Es、蒸腾速率率Ev、根系吸水水速率s(z,t)土壤水热迁迁移方程：：FDM7.4.3模拟结果北京永乐店店试验站1994.3.15~6.12，B5小区土壤水分模模拟结果：：6土壤温度模模拟结果：：10cm50cm100cm150cm腾发过程：：模型敏感性性分析：9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。20:42:3620:42:3620:4212/28/20228:42:36PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2220:42:3620:42Dec-2228-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。20:42:3620:42:3620:42Wednesday,December28,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2220:42:3620:42:36December28,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。28十十二二月20228:42:36下下午20:42:3612月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月228:42下午午12月-2220:42December28,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2820:42:3620:42:3628December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。8:42:36下下午8:42下下午20:42:3612月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。20:42:3620:42:3620:4212/28/20228:42:36PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2220:42:3620:42Dec-2228-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。20:42:3620:42:3620:42Wednesday,December28,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2220:42:3620:42:36December28,202214、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。28十二月月20228:42:36下午20:42:3612月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月228:42下下午午12月月-2220:42December28,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/2820:42:3620:42:3628December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。8:42:36下下午8:42下下午20:42:3612月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210