[精选]土壤水动力学SWD7SPAC水分传输.pptx

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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:13621343912Email:maoxiaomintsinghua.org 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 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7.1.1 水分对植物生长的作用n植物细胞

2、原生质细胞膜、细胞质和细胞核含水量达80%以上时，才能进行活泼的生化反映，保持代谢n光合作用 光 能 6CO2+6H2O C6H12O6+6O2 叶绿素n营养物质的输送n蒸腾：u植物吸收水分的绝大局部消耗于蒸腾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，防止叶片灼伤7.1.2 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 壤根外表：土壤物理学u根外表根导管：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

3、-500 barTEn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土壤植物大气连续体：Soil-Plant-Atmosphere ContinuumnSPAC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

4、 bar叶-15 bar大气-500 barTE土壤土壤根外表根外表根导管根导管叶面叶面 大气大气R1R2R3R412347.2 腾发量的估算方法n腾发量及其影响因素n腾发量的测定方法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外表蒸发水面蒸发，水汽到达饱和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

5、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。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与水汽浓度

6、和温度的协方差所得，其湍流通量的计算式可表示为：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：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 E0n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=dn利用多个气象因素估算腾发量uDalt

7、on型公式：ETmi=es-efuuChristiansen-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

8、气温n能量平衡法：u到达地面的短波辐射：Rs=Raa+bn/Nu净辐射：Rn=Rs1-r-RLu能量平衡：Rn=C+E+GuBowen比：=C/Eu潜热通量：E=Rn-G/1+n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uPenman公式：水面湿润外表t其中Ea常称为枯燥力，反映了空气湿度与饱和湿度差引起的蒸发量。n综合法 2uPenman-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.,Smit

9、h,M.,1998.Crop evapotranspiration-Guidelines for puting crop water requirements.FAO Irrigation and drainage paper 56 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 coefficientuKs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：n参考作物腾发量Reference ETu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

10、.12m，固定的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于外表开阔、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：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7.2.6 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=W

11、2-W1=P+I-ET-Q-R 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，即：初始含水率基质势分布，即：z,t=0z 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。植被资料n气象资料ET0ETm LAI Tm Em 根系层水分状况 地表水分状况 sz,t,Ta Ea Richards方程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

12、：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7.4.1 SPAC水热传输模型n能量分配Rn=Rv+RsRs=Rn exp-k LAIRv=LEv+CvRs=LEs+Cs+GC=Cv+CsLE=LEv+LEs土壤、冠层水热传输水热传输阻力水分胁迫条件下蒸腾量：根区土水势修正系数：根系吸水率根系吸水率S St t：根系吸水分布函数根系吸水分布函数s sz,tz,t：s sz,tz,t=E Evpvp z,tz,t ,

13、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,tz,t：z z,t t=4 4m m-1-1/z zrt t8 8m m-4-4 z z/z zr rt t2 2其它根系密度函数其它根系密度函数结果：SPAC水热传输模型：n地表以上：RsT1,=LEsT1,eb+CsT1,Tb+G RvT1,=LEvTv,eb,+CvTv,Tb CTb=CvTv,Tb+CsT1,Tb LEeb=LEsT1,eb+LEvTv,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：7.4.2 模型求解1)1)冠层温度冠层温度T Tb b：二分法求解：二分法求解2)冠层水汽压冠

14、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 sz,tz,t4)土壤水热迁移方程：土壤水热迁移方程：FDM FDM 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 5.16n土壤温度模拟结果：10cm 50cm 100cm 150cmn腾发过程：模型敏感性分析：n9、静夜四无邻，荒居旧业贫。4月-234月-23Monday,April 17,2023n10、雨中黄叶树，灯下白头人。23:14:362

15、3:14:3623:144/17/2023 11:14:36 PMn11、以我独沈久，愧君相见频。4月-2323:14:3623:14Apr-2317-Apr-23n12、故人江海别，几度隔山川。23:14:3623:14:3623:14Monday,April 17,2023n13、乍见翻疑梦，相悲各问年。4月-234月-2323:14:3623:14:36April 17,2023n14、他乡生白发，旧国见青山。17 四月 202311:14:36 下午23:14:364月-23n15、比不了得就不比，得不到的就不要。四月 2311:14 下午4月-2323:14April 17,2023

16、n16、行动出成果，工作出财富。2023/4/17 23:14:3623:14:3617 April 2023n17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。11:14:36 下午11:14 下午23:14:364月-23n9、没有失败，只有暂时停止成功！。4月-234月-23Monday,April 17,2023n10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。23:14:3623:14:3623:144/17/2023 11:14:36 PMn11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。4月-2323:14:3623:14Apr-2317-Apr-

17、23n12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份缺乏，可得无限完美。23:14:3623:14:3623:14Monday,April 17,2023n13、不知香积寺，数里入云峰。4月-234月-2323:14:3623:14:36April 17,2023n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 四月 202311:14:36 下午23:14:364月-23n15、楚塞三湘接，荆门九派通。四月 2311:14 下午4月-2323:14April 17,2023n16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/4/17 23:14:3623:14:3617 April 202

18、3n17、空山新雨后，天气晚来秋。11:14:36 下午11:14 下午23:14:364月-23n9、杨柳散和风，青山澹吾虑。4月-234月-23Monday,April 17,2023n10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。23:14:3623:14:3623:144/17/2023 11:14:36 PMn11、越是没有本领的就越加自命非凡。4月-2323:14:3623:14Apr-2317-Apr-23n12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。23:14:3623:14:3623:14Monday,April 17,2023n13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。4

19、月-234月-2323:14:3623:14:36April 17,2023n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。17 四月 202311:14:36 下午23:14:364月-23n15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。四月 2311:14 下午4月-2323:14April 17,2023n16、业余生活要有意义，不要越轨。2023/4/17 23:14:3623:14:3617 April 2023n17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。11:14:36 下午11:14 下午23:14:364月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉