生态水文学导论课件

生态水文学导论生态水文学导论生态系统中的水文循环 生态水文学导论生态系统中的水文循环 1第三章 生态系统中的水分运动 3.1 大气中的水与降水 3.2 地表水运动 3.3 地下水及土壤水运动 3.4 植物中的水分运动 3.5 生态系统内水分循环 第三章 生态系统中的水分运动 3.1 大气中的水与降水 23.3 地下水及土壤水运动 3.3.1 地下水的赋存 岩土中的空隙和水分 岩石中的空隙（孔隙、裂隙、溶隙）岩土中水的存在形式（液态、气态、固态/结合水、毛细水）岩土的水理性质(容水性、持水性、给水性、透水性)含水层和隔水层 3.3 地下水及土壤水运动 3.3.1 地下水的赋存 岩土3不同埋藏条件下的地下水 包气带水(含上层滞水)潜水 承压水 3.3.2 地下水运动 渗透与渗流 渗流的运动要素渗流量及渗流速度 渗流压强、水头与水力坡度 不同埋藏条件下的地下水 渗流压强、水头与水力坡度 4地下水运动(渗透)的达西定律 土壤水或包气带水的运动土壤中的毛细现象及基质势 土壤中的毛细现象及基质势 土壤水(包气带水)的达西定律 基准面非饱和土壤水zS负压计地下水运动(渗透)的达西定律 土壤水或包气带水的运动基准面非5=z+m =z+m 63.4 植物中的水分运动 3.4.1 植物对水分的需要植物对水分的需要 植物的含水量 水分含量是控制植物生命活动强弱的决定因素，也是对植物器官代谢水平的反映 通常水分在植物体内是以自由水和束缚水两种状态存在。可把自由水与束缚水二者的比值作为衡量植物代谢强度及抗性的生理指标。3.4 植物中的水分运动 3.4.1 植物对水分的需要 7水分在植物生命活动中的作用 水是原生质的重要组成部分 水是一些代谢过程的反应物质 水是植物吸收和运输物质的溶剂 水能保持植物的固有姿态 水能调节植物的体温 水分在植物生命活动中的作用 83.4.2 植物对水分的吸收及水分在植物体植物对水分的吸收及水分在植物体内的传导内的传导 植物细胞的吸水 未形成液泡的细胞靠吸胀作用吸水液泡形成后的细胞主要靠渗透作用吸水渗透作用吸水还有代谢性吸水植物细胞的渗透性吸水 扩散与渗透溶液的水势（化学势）纯水的水势定为零，其他溶液就与它来比较。溶液中的溶质颗粒降低了水的自由能，所以溶液中的水势要比纯水低，溶液的水势为负值。溶液越浓，水溶液越浓，水势越低。势越低。3.4.2 植物对水分的吸收及水分在植物体内的传导 纯水的9 植物细胞是一个渗透系统一个具有液泡的植物细胞，与周围溶液一起，构成一个渗透系统 把具有液泡的细胞置于某些对细胞无毒害的物质(如蔗糖)的浓溶液中，外界溶液的水势低，细胞液水势高，细胞液的水分就向外流出，液胞体积变小，细胞液对原生质体和细胞壁的压力也减低，因为细胞壁和原生质体都具伸缩性，这时整个细胞的体积便缩减一些。植物细胞是一个渗透系统10细胞的水势 典型细胞水势是由3个势组成的 w=+p+m w为细胞的总水势，为渗透势，p为压力势，m为衬质势 渗透势就是溶液的化学势，是由于溶质颗粒的存在，降低了水的自由能，因而其化学势低于纯水的化学势 压力势是由于细胞壁压力的存在而增加的水势 衬质势(即基质势)是细胞胶体物质亲水性和毛细管对自由水束缚而引起水势降低的值，以负值表示。形成液胞的细胞，其衬质势很小，通常省略不计。因而，上式简化为w=+p细胞含水量不同，细胞体积会发生变化(尤其是嫩叶和细胞壁未木质化的细胞)，渗透势和压力势因之也发生改变 细胞的水势 11生态水文学导论课件12细胞间的水分移动 总水势高的细胞中的水分向水势低的细胞方向流动当有多个细胞连在一起时，如果一端的细胞总水势较高，另一端水势较低，顺次下降，就形成一个水势梯度，水分便从水势高的流向水势低的 由于细胞水势高低说明细胞水分充足与否，故可利用水势为指标，诊断作物灌溉适宜的时期 细胞间的水分移动 13细胞的吸涨作用 吸涨作用(imbibition)是亲水胶体吸水膨胀的现象 原生质凝胶的吸涨作用大小与凝胶物质亲水性有关，蛋白质、淀粉和纤维素三者的亲水性依次递减 吸涨作用的大小就是衬质势的大小 吸涨过程的水分移动方向，也是从水势高的流向水势低的。溶液(或水)的水势高，吸涨物的水势低，水分就流向吸涨物。细胞的代谢性吸水 利用细胞呼吸释放出的能量，使水分经过质膜而进入细胞的过程，称为代谢性吸水 细胞的吸涨作用 143.4.3 植物根系对水分的吸收植物根系对水分的吸收 根系吸水的动力根系吸水的动力：根压和蒸腾拉力 根压：植物根系的生理活动使液流从根部上升的压力 伤流：从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象伤流：从受伤或折断的植物组织溢出液体的现象 吐水：从未受伤叶片尖端或边缘向外溢出液滴的现象吐水：从未受伤叶片尖端或边缘向外溢出液滴的现象 蒸腾拉力叶片蒸腾时，气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而水势叶片蒸腾时，气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水而水势下降，所以从旁边细胞取得水分。同理，旁边细胞又从另下降，所以从旁边细胞取得水分。同理，旁边细胞又从另一个细胞取得水分，如此下去，便从导管要水，最后根部一个细胞取得水分，如此下去，便从导管要水，最后根部就从环境吸收水分就从环境吸收水分 根压和蒸腾拉力在根系吸水过程中所占的比重，因植株蒸腾速率而异。通常蒸腾植物的吸水主要是由蒸腾拉力引起的。只有春季叶片未展开时，蒸腾速率很低的植株，根压才成为主要吸水动力。3.4.3 植物根系对水分的吸收 15影响根系吸水的外界条件影响根系吸水的外界条件 土壤中可用水分土壤中可用水分：粗砂、细砂、砂壤、壤土和粘土的可用水分数量依次递减 土壤通气状况：土壤通气状况：试验证明，用CO2处理根部，可使幼苗的吸水量降低；如通以空气，则吸水量增加 土壤温度：土壤温度：低温能降低根系的吸水速率；土壤温度过高，加速根的老化过程，吸收速率也下降土壤溶液浓度：土壤溶液浓度：根系要从土壤中吸水，根部细胞的水势必须低于土壤溶液的水势 影响根系吸水的外界条件 163.4.4 蒸腾作用蒸腾作用指水分以气体状态，通过植物体的表面指水分以气体状态，通过植物体的表面(主要是主要是叶子叶子)，从体内散失到体外的现象。，从体内散失到体外的现象。蒸腾作用的生理意义和部位蒸腾作用的生理意义和部位 蒸腾作用是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力 蒸腾作用对吸收矿物质和有机物，以及这两类物质在植物体内运输都是有帮助的 蒸腾作用能够降低叶片的温度 叶片的蒸腾作用有两种方式角质蒸腾 气孔蒸腾 3.4.4 蒸腾作用17气孔蒸腾气孔蒸腾 经过气孔的蒸腾速率经过气孔的蒸腾速率 在叶片上，水蒸气通过气孔的蒸腾速率要比同面积的在叶片上，水蒸气通过气孔的蒸腾速率要比同面积的自由水面的蒸发速率快得多自由水面的蒸发速率快得多气孔运动气孔运动气孔运动的机理气孔运动的机理 (1)淀粉淀粉糖变化学说；糖变化学说；(2)无机离子吸收学说；无机离子吸收学说；(3)苹果酸生成学说。苹果酸生成学说。引起气孔开闭的原因主要是保卫细胞的吸水膨胀或失水收缩 气孔蒸腾 引起气孔开闭的原因主要是保卫细胞的吸水膨胀或失水收18影响气孔运动的因素影响气孔运动的因素 光照：一般情况下，气孔在光照下张开，在黑暗中关闭光照：一般情况下，气孔在光照下张开，在黑暗中关闭 温度：气孔开度一般随温度的上升而增大温度：气孔开度一般随温度的上升而增大 二氧化碳二氧化碳：低浓度二氧化碳促进气孔张开；高浓度二氧：低浓度二氧化碳促进气孔张开；高浓度二氧化碳能使气孔迅速关闭化碳能使气孔迅速关闭 叶片含水量叶片含水量：当白天蒸腾强烈，保卫细胞失水过多，即：当白天蒸腾强烈，保卫细胞失水过多，即使在光照下气孔还是关闭。使在光照下气孔还是关闭。影响蒸腾作用的内外因条件影响蒸腾作用的内外因条件 外界条件对蒸腾作用的影响外界条件对蒸腾作用的影响 叶内外的蒸汽压差大小：蒸汽压差增大，蒸腾速率更叶内外的蒸汽压差大小：蒸汽压差增大，蒸腾速率更快快 光照：光照促使气孔开放，减少内部阻力，增强蒸腾光照：光照促使气孔开放，减少内部阻力，增强蒸腾空气相对湿度空气相对湿度：当空气相对湿度增大时，空气蒸汽：当空气相对湿度增大时，空气蒸汽压也增大，叶内外蒸汽压差就变小，蒸腾变慢。压也增大，叶内外蒸汽压差就变小，蒸腾变慢。温度：当大气温度增高时温度：当大气温度增高时，蒸腾加强，蒸腾加强 风风：微风促进蒸腾：微风促进蒸腾 影响气孔运动的因素 19内部因素对蒸腾作用的影响内部因素对蒸腾作用的影响 气孔频度：气孔频度大气孔频度：气孔频度大，蒸腾较强，蒸腾较强 气孔下腔气孔下腔：气孔下腔容积大：气孔下腔容积大，蒸腾快，蒸腾快 气孔开度：开度大，蒸腾快气孔开度：开度大，蒸腾快叶片内部面积叶片内部面积：叶片内部面积增大，有利于蒸腾：叶片内部面积增大，有利于蒸腾改变蒸腾速率的途径改变蒸腾速率的途径 一方面促使根系生长健壮，增加吸水能力一方面促使根系生长健壮，增加吸水能力另一方面要减少蒸腾，以免因蒸腾过大另一方面要减少蒸腾，以免因蒸腾过大四、蒸腾指标四、蒸腾指标 蒸腾速率：植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。蒸腾速率：植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。一般用蒸腾水量一般用蒸腾水量(g/cm2h)来表示来表示 蒸腾比率蒸腾比率：植物每消耗：植物每消耗1kg水时所形成的干物质水时所形成的干物质(g)蒸腾系数蒸腾系数：植物制造：植物制造1g干物质所需水分干物质所需水分。蒸腾系数越。蒸腾系数越大，利用水分的效率越低大，利用水分的效率越低 内部因素对蒸腾作用的影响 20植物体内水分的运输植物体内水分的运输 一、水分运输的途径一、水分运输的途径 首先水分从土壤溶液进入根部，通过皮层薄壁细首先水分从土壤溶液进入根部，通过皮层薄壁细胞，进入木质部的导管和管胞中；然后水分沿着胞，进入木质部的导管和管胞中；然后水分沿着木质部向上运输到茎或叶的木质部；接着，水分木质部向上运输到茎或叶的木质部；接着，水分从叶片木质部末端细胞进入气孔下腔附近的叶肉从叶片木质部末端细胞进入气孔下腔附近的叶肉细胞细胞壁的蒸发部位；最后，水蒸气就通过气细胞细胞壁的蒸发部位；最后，水蒸气就通过气孔蒸腾出去。孔蒸腾出去。水分在茎、叶细胞内的运输也有两种途径：水分在茎、叶细胞内的运输也有两种途径：(1)经过死细胞；经过死细胞；(2)经过活细胞经过活细胞 水分沿导管或管胞上升的动力水分沿导管或管胞上升的动力(1)下部的根压下部的根压(2)上部的蒸腾拉力上部的蒸腾拉力 植物体内水分的运输 21三、水分运输的速度三、水分运输的速度 活细胞原生质体对水流移动的阻力很大。据实验活细胞原生质体对水流移动的阻力很大。据实验在在0.1MPa条件下，水流经过原生质的速度只有条件下，水流经过原生质的速度只有103cm/h。水分在木质部中运输的速度比在薄壁细胞中快得水分在木质部中运输的速度比在薄壁细胞中快得多，为多，为345m/h。具环孔材的树木的导管较大而且较长，水流速度具环孔材的树木的导管较大而且较长，水流速度最高为最高为2040m/h，甚至更高，甚至更高 草本植物的水流速度和环孔材树木差不多。草本植物的水流速度和环孔材树木差不多。三、水分运输的速度 22小小 结结 u没有水，便没有生命。水分在植物生命活动中起着极大的作用。一般植物组织的含水量大约占鲜重的四分之三。水分在植物细胞内的存在状态有束缚水与自由水两种，两者的比例影响代谢强度。u细胞吸水有三种方式：吸涨吸水、渗透性吸水和代谢性吸水。渗透性吸水是主要方式。植物细胞是一个渗透系统，它的吸水决定于水势。u水势渗透势+压力势+衬质势u细胞与细胞(或溶液)之间的水分移动方向，决定于两者的水势，水分从水势高处流向水势低处。u水分移动速度，决定于两者的水势差异大小，差异越大，移动越快；反之则慢。u植物的主要吸水器官是根部。根部吸水动力有根压和蒸腾拉力两种。根压与根系生理活动有关，蒸腾拉力与叶片蒸腾有关，所以影响根系活动和蒸腾速率的内外条件，都影响根系吸水。小 结 没有水，便没有生命。水分在植物生命活动中起着极大的作23u植物不仅吸水，而且不断失水，这是一个问题的两个不同方面。植物的水分代谢就是在这样既矛盾又统一的状况下进行的。维持水分平衡是植物正常活动的关键。u植物失水方式有两种：吐水和蒸腾。蒸腾作用在植物生活中具有重要的作用。气孔是植物体与外界交换气体的“大门”，也是蒸腾的主要通道。一切影响保卫细胞水势下降的条件，都促使气孔张开。气孔蒸腾的速率受到内外因素所影响。外界条件中以光照为最主要，内部因素中以气孔调节为主。u水分在植物体内运输是吸收与蒸腾之间不可缺少的环节。水分在根部的运输途径，可分为质外体运输和共质体运输。水分在茎、叶的运输是在细胞内进行的。运输的途径有死细胞和活细胞两者。前者对水分移动的阻力小，适于长距离运输；后者的距离虽短，但阻力大。水分之所以能沿导管或管胞上升，是因下有根压，上有蒸腾拉力，以蒸腾拉力较为重要。水分子内聚力大于水柱张力，水柱连续，保证水分不断上升。内聚学说目前仍是解降水分上升原因的一个较好的学说。植物不仅吸水，而且不断失水，这是一个问题的两个不同方面。植物24本次结束本次结束25包气带饱水带饱水带潜水承压水上层滞水隔水层地面包气带饱水带饱水带潜水承压水上层滞水隔水层地面26