土壤水动力学SWD7SPAC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Tel:13621343912Email:[e-mail]土壤水动力学第7章SPAC水分传输第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土壤水动力学第7章SPAC水分传输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的概念土壤水动力学第7章SPAC水分传输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，保持代谢土壤水动力学第7章SPAC水分传输土壤水动力学第7章SPAC水分传输光合作用光能6CO2+6H2O－－→C6H12O6+6O2叶绿素营养物质的输送土壤水动力学第7章SPAC水分传输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，避免叶片灼伤土壤水动力学第7章SPAC水分传输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土壤水动力学第7章SPAC水分传输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→腾发土壤水动力学第7章SPAC水分传输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-AtmosphereContinuum土壤水动力学第7章SPAC水分传输SPAC系统的三个重要环节：根系吸水过程水在植物体内的输运过程植物体内的水分向大气扩散过程土壤水动力学第7章SPAC水分传输土－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R1R2R3R4Δψ1Δψ2Δψ3Δψ4土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2腾发量的估算方法腾发量及其影响因素腾发量的测定方法估算腾发量的理论方法估算腾发量的经验方法估算腾发量的实用方法—参考作物法根据水量平衡模型估算腾发量土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.1腾发量及其影响因素腾发、蒸散发：Evapotranpiration蒸发：Evaporation蒸腾(Transpiration)：主要通过叶片气孔散失水分在气孔腔和细胞间隙的叶肉表面蒸发（水面蒸发），水汽达到饱和水汽由气孔腔经气孔向叶面气层扩散水汽从叶面气层向大气扩散叶片构造示意图土壤水动力学第7章SPAC水分传输腾发的影响因素能量：辐射，潜热消耗L=2.5MJ/kg水汽输送：风速、温度梯度、湿度梯度其它影响因素：植物生长状况、土壤供水状况土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.2腾发量的测定方法直接测定法：根据实测水分剖面，利用零(定位)通量法计算称重式蒸渗仪涡度相关法间接测定法：Bowen比法空气动力学法。。土壤水动力学第7章SPAC水分传输涡度相关法（直接测定潜热、显热通量）涡度相关是指某种物质的垂直通量，即这种物质的浓度与其垂直速度的协方差。涡度相关法已经成为直接测定大气与植物群落气体交换通量的通用标准方法。该试验区下垫面平坦均匀，符合涡度相关法观测要求。运用涡度相关法开路系统直接测定潜热通量和显热通量，通过用实时所测的垂直风速与水汽浓度和温度的协方差所得，其湍流通量的计算式可表示为：土壤水动力学第7章SPAC水分传输Bowen比法（测定两个高度处的温、湿度）测定两个高度处的温度和湿度。由：2121TTHLEee11nnLERLEHGLEGRGEL土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.3估算腾发量的经验方法主要用于土壤供水充分条件下作物最大腾发量（作物需水量）或参考作物腾发量的估算利用蒸发皿资料估算腾发量ETmi=αiE0土壤水动力学第7章SPAC水分传输利用单一气象因素估算腾发量辐射：LEm=a1Rs+a2积温：ETmi=HiSti需水系数积温气温：Blaney-Criddle公式：ETmi=KiPiTi/100以月为单位，耗水系数、月昼长占年比例、平均气温Thornthwaite公式：水汽压：ETmi=β(es-e)=βd土壤水动力学第7章SPAC水分传输利用多个气象因素估算腾发量Dalton型公式：ETmi=(es-e)f(u)Christiansen-Hargreaves公式：ETm=0.324RsCTCuChCsCL辐射，修正：温度、风速、相对时度、日照百分比、高度土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.4估算腾发量的理论方法紊流扩散法（空气动力学法）能量平衡法综合法土壤水动力学第7章SPAC水分传输紊流扩散法：空气动力学法和质量迁移法。由于近地表的空气处于紊流状态，空气质点的流径相互不平行，且以极不规则的方式相互掺混。由于空气紊流动这种特点，能将其中的微粒及运动属性迅速弥散。其速率远大于分子扩散的速率。通过对紊流点平均速度、脉动速度、紊流输送到分析，得到：根据2个高度处的有关气象资料，确定水汽、显热的垂直输送通量风速水汽压气温22121221atakuueeEzplnz22121221packuuTTHzlnz土壤水动力学第7章SPAC水分传输能量平衡法：达到地面的短波辐射：Rs=Ra(a+bn/N)净辐射：Rn=Rs(1-r)-RL能量平衡：Rn=C+E+GBowen比：β=C/(λE)潜热通量：λE=(Rn-G)/(1+β)土壤水动力学第7章SPAC水分传输综合法（1）：能量平衡与紊流扩散理论结合，只需一个高度的气象资料Penman公式：水面→湿润表面其中Ea常称为干燥力，反映了空气湿度与饱和湿度差引起的蒸发量。1natpRGLELE2222221asaakueeEzplnz土壤水动力学第7章SPAC水分传输综合法（2）Penman-Monteith公式：引入冠层气孔阻力，可用于计算腾发其中ra空气边界层阻力，rc冠层气孔阻力应用中，气孔阻力测定问题rarcraeeCpGRLETdan/1/10土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.5估算腾发量的实用方法—参考作物法Allen,R.G.,Pereira,L.S.,Raes,D.,Smith,M.,1998.Cropevapotranspiration-Guidelinesforcomputingcropwaterrequirements.FAOIrrigationanddrainagepaper56土壤水动力学第7章SPAC水分传输单作物系数法：ETm=KcET0,ET=KsETm，ET=KsKcET0ET0——参考作物腾发量(ReferenceET)Kc——作物系数(Cropcoefficient)Ks——土壤供水系数ETm——土壤供水充分时的最大腾发量（作物需水量）ET——实际腾发量双作物系数法：…土壤水动力学第7章SPAC水分传输参考作物腾发量(ReferenceET)概念：参照作物腾发量为一种假想的参照作物冠层（作物高度为0.12m，固定的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地）的腾发速率计算公式：FAOPenman-Monteith公式22034.01273900408.0UeeUTGRETETETdanaerorad土壤水动力学第7章SPAC水分传输作物系数：与作物种类、品种、生长阶段、生育状况等因素有关，综合反映了实际作物与参考作物的差异FAO概化的分段作物系数曲线：越冬作物非越冬作物经验曲线：22mcmc)(expc/ttKK土壤水动力学第7章SPAC水分传输土壤供水系数：反映土壤水分胁迫对腾发的影响，与根系层土壤含水率的大小及分布、最大腾发强度有关FAO方法：经验公式：如jjPnP)]()[(0pjps土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.2.6根据水量平衡模型估算腾发量以上腾发量估算中，计算Ks需要根系层含水量资料，可根据水量平衡模型来推算：ΔW=W2-W1=P+I-ET-Q-R土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.3SPAC水分传输模型及应用（恒温条件下土壤水分运动的模拟）初始条件：初始含水率（基质势）分布已知，即：(z,t)=0(z)t=0边界条件:上边界为以地表土面蒸发强度控制的通量边界下边界视具体情况而定。土壤水动力学第7章SPAC水分传输植被资料气象资料→ET0——→ETmLAITmEm根系层水分状况↓↓地表水分状况s(z,t),TaEaRichards方程土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.4SPAC水热传输模型及应用SPAC模型中冠层的处理：大叶（单源）模式：冠层与地面的温、湿状况相同，不能区分蒸发、蒸腾，可用于矮草双源模式：将冠层与地面分别考虑，可区分出蒸发、蒸腾，应用较为方便层状模型、块状模型、混合型模型多源模式：将冠层分为多层，能详细描述冠层温、湿垂向分布，但参数多、计算复杂土壤水动力学第7章SPAC水分传输大叶模式层状模式块状模式混合模式土壤水动力学第7章SPAC水分传输7.4.1SPAC水热传输模型能量分配Rn=Rv+RsRs=Rnexp(-kLAI)Rv=LEv+CvRs=LEs+Cs+GC=Cv+CsLE=LEv+LEsRn=Rs+RvGRv=LEv+CvRs=LEs+Cs+GCsLEsLEvCvLEC土壤水动力学第7章SPAC水分传输土壤、冠层水热传输水分传输阻力热量传输阻力rvrvbrsbrsrvbrbarbarsb水热传输阻力)()(*krreeCLEovvbbvpv水分胁迫条件下蒸腾量：土壤水动力学第7章SPAC水分传输根区土水势修正系数：dztzstSrz),()(0根系吸水率S(t)：根系吸水分布函数s(z,t)：s(z,t)=Evp·’(z,t)·σ(,)土水势应力函数σ(,)：Pzz50)()(11,根系密度分布(z,t)：(z,t)=(4m-1)/zr(t)－(8m-4)·z/zr(t)2(其它根系密度函数)结果：PrrvpzzztzmtzmtEtzs502)()(11)(48)(14)(),(rzrpdzztzmzzk02r50)(48(t)z1-4m)()(11)(土壤水动力学第7章SPAC水分传输SPAC水热传输模型：地表以上：Rs(T1,θ)=LEs(T1,θ,eb)+Cs(T1,Tb)+GRv(T1,θ)=LEv(Tv,eb,θ)+Cv