土壤水动力学SWD7SPAC水分传输

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1、土壤水动力学(Soil Water Dynamics)第7章 土壤植物大气 连续体水分传输Water Transport in SPAC(Soil-Plant-Atmosphere Continuum)毛 晓 敏 Tel:Email:1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nSPAC的概念及其中的水分传输过程n腾发量的估算方法nSPAC水分传输模型及应用nSPAC水热传输模型及应用 2土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.1 SPAC的概念及其中的水分传输过程n水分对植物生长的作用n植物生长条件下的主要水分传输过程nSPAC的概念3土壤水动力学 第7章 S

2、PAC水分传输7.1.1 水分对植物生长的作用n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4土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输5土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n光合作用 光 能 6CO2+6H2O C6H12O6+6O2 叶绿素n营养物质的输送6土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n蒸腾：u植物吸收水分的绝大部分消耗于蒸腾u蒸腾的作用：t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t调节小气候，降低叶面温度，避免叶片灼伤7土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7

3、.1.2 植物生长条件下的主要水分传输过程n水分传输过程：u土 壤根表面：土壤物理学u根表面根导管：植物生理学u根导管叶 面：植物生理学u叶 面大 气：气象学土壤-0.3-1.0 bar根-3 bar叶-15 bar大气-500 barTE8土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n水流类型：u液体水流：水在土壤、植物体的流动u水汽扩散：干土层、大气u水的相变：蒸发、蒸腾 腾发9土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.1.3 SPAC的概念n早期对各种水分传输过程单独研究，概念不统一n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n土壤

4、植物大气连续体：Soil-Plant-Atmosphere Continuum10土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输nSPAC系统的三个重要环节：u根系吸水过程u水在植物体内的输运过程u植物体内的水分向大气扩散过程11土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输土根：q1=-1/R1根吸收：q2=-2/R2根叶：q3=-3/R3叶气：q4=-4/R4土壤-0.3-1.0 bar根-3 bar叶-15 bar大气-500 barTE土壤土壤根表面根表面根导管根导管叶面叶面 大气大气R1R2R3R4123412土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.2 腾发量的估算方法n腾发量及其影响因素n腾发量

5、的测定方法n估算腾发量的理论方法n估算腾发量的经验方法n估算腾发量的实用方法参考作物法n根据水量平衡模型估算腾发量13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n腾发、蒸散发：Evapotranpirationu蒸发：Evaporationu蒸腾(Transpiration)：主要通过叶片气孔散失t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t水汽由气孔腔经气孔向叶面气层扩散t水汽从叶面气层向大气扩散叶片构造示意图叶片构造示意图14土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n腾发的影响因素u能量：辐射，潜热消耗 L=2.5 MJ/kgu水汽输送：风速、温

6、度梯度、湿度梯度u其它影响因素：植物生长状况、土壤供水状况15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n直接测定法：u根据实测水分剖面，利用零(定位)通量法计算u称重式蒸渗仪u涡度相关法n间接测定法：uBowen比法u空气动力学法u。16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）n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

7、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：17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）n测定两个高度处的温度和湿度。由：18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n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n利用蒸发皿资料估算腾发量uETmi=i E019土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n利用单一气象因素估算腾发量u辐射：LEm=a1Rs+a2u积温：ETmi=Hi Sti 需水系数 积温u气温：tBlaney-Criddle公式：ETmi=KiPiTi/100 以月

8、为单位，耗水系数、月昼长占年比例、平均气温tThornthwaite公式：u水汽压：ETmi=(es-e)=d20土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n利用多个气象因素估算腾发量uDalton型公式：ETmi=(es-e)f(u)uChristiansen-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21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n紊流扩散法（空气动力学法）n能量平衡法n综合法22土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n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

9、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。n通过对紊流点平均速度、脉动速度、紊流输送到分析，得到：n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u风速u水汽压u气温23土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n能量平衡法：u达到地面的短波辐射：Rs=Ra(a+bn/N)u净辐射：Rn=Rs(1-r)-RLu能量平衡：Rn=C+E+GuBowen比：=C/(E)u潜热通量：E=(Rn-G)/(1+)24土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n综合法（1）：能量平衡与紊流扩散

10、理论结合，只需一个高度的气象资料uPenman公式：水面湿润表面t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。25土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n综合法（2）uPenman-Monteith公式：引入冠层气孔阻力，可用于计算腾发t其中ra空气边界层阻力，rc冠层气孔阻力t应用中，气孔阻力测定问题26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nAllen,R.G.,Pereira,L.S.,Raes,D.,Smith,M.,1998.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing c

11、rop water requirements.FAO Irrigation and drainage paper 56 27土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n单作物系数法：uETm=KcET0,ET=KsETm，ET=Ks KcET0 uET0参考作物腾发量(Reference ET)uKc作物系数(Crop coefficient)uKs土壤供水系数uETm土壤供水充分时的最大腾发量（作物需水量）uET实际腾发量n双作物系数法：28土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n参考作物腾发量(Reference ET)u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

12、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 u计算公式：FAO Penman-Monteith公式29土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n作物系数：u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uFAO概化的分段作物系数曲线：t越冬作物t非越冬作物u经验曲线：30土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n土壤供水系数：u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uFAO方法：u经验公式：如31土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.2.

13、6 根据水量平衡模型估算腾发量n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：nW=W2-W1=P+I-ET-Q-R 32土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.3 SPAC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：初始条件：初始含水率（基质势）分布已知，即：初始含水率（基质势）分布已知，即：(z,t)=0(z)t=0 边界条件边界条件:上边界为以地表土面蒸发强度控制的通量边界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。下边界视具体情况而定。33土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输 植被资料n气象资料ET0ETm LAI Tm

14、 Em 根系层水分状况 地表水分状况 s(z,t),Ta Ea Richards方程34土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.4 SPAC水热传输模型及应用nSPAC模型中冠层的处理：u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u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t层状模型、块状模型、混合型模型u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35土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输大叶模式大叶模式层状模式层状模式块状模式块状模式混合模式混合模式36土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.4.1

15、SPAC水热传输模型n能量分配Rn=Rv+RsRs=Rn exp(-k LAI)Rv=LEv+CvRs=LEs+Cs+GC=Cv+CsLE=LEv+LEs37土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输土壤、冠层水热传输水热传输阻力水分胁迫条件下蒸腾量：38土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输根区土水势修正系数：根系吸水率根系吸水率S S(t t)：根系吸水分布函数根系吸水分布函数s s(z,tz,t)：s s(z,tz,t)=E Evpvp (z,tz,t)(,)土水势应力函数土水势应力函数 (,)：根系密度分布根系密度分布(z,t)(z,t)：(z z,t t)=(4)=(4m m-1)/-1

16、)/z zr(t t)(8(8m m-4)-4)z z/z zr r(t t)2 2(其它根系密度函数其它根系密度函数)结果：39土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输SPAC水热传输模型：n地表以上：Rs(T1,)=LEs(T1,eb)+Cs(T1,Tb)+G Rv(T1,)=LEv(Tv,eb,)+Cv(Tv,Tb)C(Tb)=Cv(Tv,Tb)+Cs(T1,Tb)LE(eb)=LEs(T1,eb)+LEv(Tv,eb,)未知量：冠层 Tb、eb；叶片Tv、地表热通量G n地表以下土壤层：40土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.4.2 模型求解1)1)冠层温度冠层温度T Tb b：二

17、分法求解：二分法求解2)冠层水汽压冠层水汽压e eb b、叶面温度、叶面温度T Tv v、地表热通量、地表热通量G G3)地表蒸发速率地表蒸发速率E Es s、蒸腾速率、蒸腾速率E Ev v、根系吸水速率、根系吸水速率s(z,t)s(z,t)4)土壤水热迁移方程：土壤水热迁移方程：FDM FDM 41土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输7.4.3 模拟结果北京永乐店试验站1994.3.156.12，B5小区土壤水分模拟结果：3.205.3 5.1642土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n土壤温度模拟结果：10cm 50cm 100cm 150cm43土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输n腾发过程：44土壤水动力学 第7章 SPAC水分传输模型敏感性分析：45