土壤学(第五章)土壤水ppt课件.ppt

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1、第五章 土壤水,教学目标与要求,1.土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定 2.土壤水的能态 3.土壤水的运动 4.土壤中的溶质运移,1.掌握土壤水的各种概念、各种水分常数；2.弄清土水势的定义及其各分势；3.重点掌握土壤水分运动规律;4.弄清饱和流和非饱和流的区别。,主要内容,第一节 土壤水的类型划分 及土壤水分含量的测定 一、土壤水的类型划分及有效性 （一）土壤水的类型划分 1. 吸湿水(hydroscopic water) （紧束缚水） 土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分。吸附力很强，可达31至10000atm，因而水的密度增大，可达1.5g/cm3，无溶解能力，不移动，通常在1

2、05110条件下烘干除去。对植物无效。,4,只含有吸湿水的土壤称为风干土； 除去吸湿水的绝对干土称为烘干土。风干土重 烘干土重= 1+吸湿水% 风干土重=烘干土重 （1+吸湿水%） 土壤吸湿水含量受土壤质地的影响，粘质土吸附力强，保持的吸湿水多，砂质土则吸湿水含量低 。 吸湿水含量还受空气湿度的影响，空气相对湿度高，吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。,膜状水示意图,2. 膜状水 (membraneous water)土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周围形成连续水膜。,6,保持的力较吸湿水低，6.2531atm，密度较吸湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚的地方往水膜薄的地方移动，速度仅0.20

3、.4mm/hr。膜状水对植物有效性低，仅部分有效。 3. 毛管水 (capillary water) 存在于毛管孔隙(capillary pore)中为弯月面力所保持的水分。,水沿着毛管上升,毛管作用力范围： 0.11mm有明显的毛管作用0.050.1mm 毛管作用较强 0.050.005mm 毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失,土 粒,毛管上升水示意图,地下水位,(1) 毛管上升水(capillary supporting water) 与地下水有联系，随毛管上升保持在土壤中的水分。,土 粒,毛管悬着水示意图,(2) 毛管悬着水(capillary suspending water)

4、与地下水无联系，由毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水分，好象悬在土壤中一样。,10,4. 重力水 (gravitational water) 受重力作用可以从土壤中排出的水分，主要存在于土壤通气孔隙中。,（二）土壤水分常数(soil moisture constant) 土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。,1. 吸湿系数 (hygroscopic coefficient) 吸湿水的最大含量，也称最大吸湿量。,吸湿水的含量受空气相对湿度影响，测定吸湿系数是在空气相对湿度98%(或99%)条件下，让土壤充分吸湿(通常为一周时间)，达到稳定后在105110

5、条件下烘干测定得到吸湿系数。,13,土壤质地愈粘重，吸湿系数愈大。 土 壤 紫色土 黄 壤 潮 土 砂 土 质 地 粘 土 重 壤 中 壤 砂壤 吸湿系数（%） 7.53 4.11 2.52 0.8,2. 凋萎系数 (wilting coefficient) 植物永久凋萎时的土壤最大含水量。 土壤凋萎系数的大小，通常用吸湿系数的1.52.0倍来衡量。质地愈粘重，凋萎系数愈大。 （非活性孔度凋萎系数容重）,14,3. 田间持水量(field capacity) 毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。 计算土壤灌溉水量时以田间持水量为指标，既节约用水，又避免超过田间

6、持水量的水分作为重力水下渗后抬高地下水位。,土壤 学,4. 毛管持水量(capillary capacity) 毛管上升水达最大量时的土壤含水量。,15,毛管上升水与地下水有联系，受地下水压的影响，因此毛管持水量通常大于田间持水量。毛管持水量是计算土壤毛管孔隙度的依据。 （毛管孔度毛管持水量 容重）（通气孔度总孔度非活性孔度毛管孔度）,5. 饱和持水量(saturated water content) 土壤孔隙全部充满水时的含水量称为饱和持水量。,16,（三）土壤水的有效性(availability) 土壤水的有效性(availability)是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。 不能被

7、植物吸收利用的水称为无效水,能被植物吸收利用的水称为有效水。 最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。,表5-1 土壤质地与有效水最大含量的关系,17,土壤含水量(soil water content),(hygroscopic coefficient),(wilting coefficient),(field capacity),(saturated water content),18,二、土壤水含量的表示方法1. 重量百分数(weight percent)(水w %) Mw 水w %= 100 Ms 计算土壤含水量时，是以干土重为计算基础，这样才能反映土壤的水分状况。 2. 容积百分数

8、(bulk volume percent)(水v%) 水v%=水w%土壤容重,19,3. 水层厚度（水mm） 即在一定厚度的土层中，水分的厚度毫米数。 水 mm=水v% 土层厚度 优点:与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和互相换算。 例： 容重为1.2g/cm3的土壤，初始含水量为10%，田间持水量为30%，降雨10mm，若全部入渗，可使多深土层达田间持水量？ 解：先将土壤含水量水w%换算为水v% 初始含水量 水v%=10%1.2=12%,20,田间持水量 水v%=30%1.2=36% 因水mm= 水v% 土层厚度 土层厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12)

9、 =41.7（mm）4. 水贮量(方/亩) 1亩地土壤水贮量(方/亩)的计算公式为： 方/亩 =2/3水mm 方/亩=水mm1/100010000/15=2/3水mm 作用：与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容 和灌水量。,21,例：一容重为1g/cm3的土壤，初始含水量为12%，田间持水量为30%，要使30cm土层含水量达田间持水量的80%，需灌水多少（方/亩）？,解：田间持水量的80%为：30%80%=24% 30cm土层含水达田间持水量80%时 水mm=(0.24-0.12)1300 =36(mm) 2/336=24(方/亩),22,5. 相对含水量(relative moisture

10、) 指土壤自然含水量占某种水分常数的百分数。 一般是以田间持水量为基数，土壤自然含水量占田间持水量的百分数为相对含水量。 通常相对含水量的60%至80%，是适宜一般农作物以及微生物活动的水分条件。,三、水分含量的测定1. 经典烘干法,在105110条件下，烘至恒重，为烘干土重，以此为基础计算水分重(蒸发损失量)的百分比(%)。 改进快速法红外线烘干法、微波炉烘干法、 酒精烘干法、酒精烧失法等。,风干土 烘干土 水分= 100% 烘干土,2.中子法 简便、较精确。但只能用于较深土层水分测定，不能用于土表薄层土。有机质中的氢也会影响H2O的测定结果。,3.TDR法（时域反射仪法）,第二节 土壤水的

11、能态 一、土水势及其分势 1. 土水势(soil water potential) 土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。 以标准状态水的自由能为零，土壤水自由能与其比较差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。,水流动方向：土水势高(负值小)低(负值大)。,2. 土水势分势 （1）基模势 (matric potential)m 也称基质势，是由土粒吸附力和毛管力所产生的。在土壤水不饱和的情况下，非盐碱化土壤的土水势以基模势为主。,（2）溶质势（渗透势）(osmotic potential) s 由溶质对水的吸附所产生。土壤水不是纯水，其中有

12、溶质，而水分子是极性分子，与溶质之间可产生静电吸附，产生溶质势。,（3）重力势 (gravitational potential)g 由重力作用产生的水势。如果土壤水在参照面之上，则重力势为正，反之，重力势为负。（4）压力势 (pressure potential)p 标准状态水的压力为1个大气压，但在土壤中的水所受到的压力，在局部地方就不一定为1个大气压。 如果土壤中有水柱或水层，就有一定的静水压；悬浮于水中的物质也会产生一定的荷载压。若存在上述状况则p为正值。,土水势t=m+s+g+p,二、土壤水吸力(soil moisture suction) 土壤水承受一定吸附力情况下的能态。 水吸力

13、只相当于土水势的基膜势和溶质势，数值相等，符号相反。 基膜势和溶质势一般为负值，使用不方便，故将其取为正数，定义为吸力（S），分别称为基质吸力和溶质吸力。 在土壤水分的保持和运动中，不考虑s，故一般所说的水吸力是指基质吸力，其值与m相等，符号相反。溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在)时才表现出来。,三、水分能量的表示方法 土水势或水吸力的表示方法，以使用水柱高度的厘米数来表示最简便，最易理解 。 现在国际计量统一使用的单位为帕(Pa)，与厘米的换算关系为：1 Pa=10-2cm 1cm水=102帕=1hPa pF：水柱高度厘米数的对数。,表52 各种方法的换算关系,四、土水势的测定 张力计法、

14、压力膜法、冰点下降法和水气压法等。 张力计(tensiometer)，又名负压计或湿度计，测定水不饱和土壤的基质势或基质吸力。,张力计适用范围800/850hPa以下，超过此范围，就有空气进入陶土管而失效。 旱地作物可吸水的吸力范围多在1000hPa以下，故张力计有一定实用价值。,压力膜法：根据土壤在不同压力下排水的原理测定，可测水吸力120bar。,五、土壤水分特征曲线 (soil water characteristic curve) 土壤水分特征曲线是土壤水的能量指标（水吸力）与数量指标（含水量）的关系曲线。,随着土壤含水量的减少其水吸力增大，基质势降低，植物根系吸水难度增大，水分有效性

15、降低。土壤水吸力（S）与含水量 的经验公式： S= ab 或 S=a(/s)b S=A（s-）n/m式中： S水吸力（Pa）；含水量（%）； s饱和含水量（%）； a、b、A、n、m为相应的经验常数。,1. 土壤质地 假定土壤水吸力为300cm（水柱高），各种质地的对应土壤的含水量（容积%）约为：细砂土 8%，砂壤土15%，壤土34%，粘土42% 。,soil water characteristic curve,（一）土壤水分特征曲线的影响因素,2. 土壤结构和紧实度（容重） 在同一吸力值下，容重愈大的土壤，含水量愈高。 3. 温度 影响水的粘滞性和表面张力。土温升高，水的基质势增大，有效性

16、提高。 4. 水分滞后现象 土壤吸湿过程中，水吸力随含水量增加而降低的速度较快。土壤脱湿过程中，水吸力随含水量减少而增大的速度较慢。同一土壤的两种水分特征曲线不重合。砂质土的滞后现象比粘质土更明显。,Water sorption curve,soil water hysteresis,（二）土壤水分特征曲线的应用 1. 用于土壤水吸力与含水量之间的换算 不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同，但含水量不同，因而有效水的数量不同。 2.用于各级孔径、孔隙及其容积（V，%）的计算 D=3/T 3.计算水容量（又称比水容） 指水吸力变化1个单位土壤吸入或释出的水量(ml/bar g)，即水分特征曲线的

17、斜率（d/ds），可作为土壤供水能力的指标。,第三节 土壤水的运动 第一阶段：不饱和流动 第二阶段：饱和流动 水分在土壤中的运动可用达西定律(Darcys law)表示： q=-kdh/dx q 水通量：单位时间通过单位断面水的容积 dh/dx 水压梯度 k 导水率，即单位压力梯度下水的流量； 负号表示水流方向。,一、土壤水的饱和流动1. 垂直向下的饱和流 发生在雨后或稻田灌水以后。,2. 水平饱和流发生在灌溉渠道两侧的侧渗；水库的侧渗；不透水层上的水分沿倾斜面的流动等水平饱和流。,3.垂直向上的饱和流。 发生在地下水位较高的地区；因不合理灌溉抬高地下水位，引起垂直向上的饱和流，这是造成土壤返

18、盐的重要原因。 k是单位水压梯度下的流量。k主要受孔径大小的影响。 影响孔径大小的因素：质地、结构、阳离子种类。 生产中要求土壤保持适当饱和导水率。若k值过小，造成透水通气差，还原有害物质易在土壤中积累，造成地表径流。若k值过大则造成漏水漏肥现象。,二、土壤水的不饱和流动 特点 （1） 推动力（h）包括基模势和重力势； （2）k值不是一个常数（非饱和导水率），是一个受含水量影响的变量。 含水量高，水势高则k值大，含水量低，水势低则k值小。 若水分是连续的，则随着土壤含水量减少，k值逐渐降低；若水分是不连续的，则k值随着含水量降低后急剧下降。,（3）流动方向 由水膜厚的地方向水膜薄的地方移动；由

19、曲率半径大的孔隙向曲率半径小的孔隙移动；由温度高处向温度低处移动。,三、土壤中的水汽运动 1. 水汽运动的方式 土壤中水汽运动的主要方式是扩散，即由水汽压高的地方向水汽压低的地方扩散移动。 土壤水汽的扩散系数低于大气。,2. 影响水汽压梯度的因素 水汽压梯度是水汽运动的主要推动力，它受土水势和温度两个因素的影响，而又以温度的影响为主。 温度引起的水汽压变化，使白天水汽由温度较高的表层向底层移动，有利于防止蒸发； 夜晚则由温度较高的底层向表层移动，有利于土壤回润。,四、土面蒸发 1. 土面蒸发的条件 （1）有足够热量达到地面满足水的汽化热； （2）水汽从地面移走； （3）土壤水传导至地面。 2.

20、 土面蒸发的三个阶段 （1）大气蒸发力控制（蒸发率不变）阶段 这一阶段控制土面蒸发的因素是大气蒸发力，包括太阳辐射、温度、空气湿度、风力等。,土面蒸发阶段,（2）土壤导水率控制阶段 控制因素是土壤导水率，发生的条件是土壤水分流向土表的流量小于大气蒸发力。随着蒸发失水使土壤含水量减小，导水率越来越低，蒸发量也随之降低。,土面蒸发阶段,（3）扩散控制阶段 通过以上两个阶段土壤蒸发失水，土壤表层变干，导水率几乎降为零，水分不能以液态运行到地表，而是在干土层下先汽化为水汽，再散发到大气中，这一阶段蒸发量减小。,五、土壤水的入渗和再分布 雨水、灌水进入土壤的两个阶段：入渗和再分布。1.入渗阶段 土壤供水

21、期间的渗吸和渗透过程，一般是地面供水，水自上而下垂直运动。,（1）渗吸土壤吸水，直至毛管孔隙水饱和，入渗速度随含水量增加而降低。 当供水强度小时(喷灌、滴灌、小雨等)，入渗速度主要取决于供水。,当供水强度大时(大水漫灌、大暴雨)，入渗速度主要取决于土壤的入渗能力。 入渗能力又取决于土壤的干湿度和孔隙状况(与质地、结构、紧实度有关)。 干燥的粗质土和结构良好的土壤的入渗能力强，反之则弱。 入渗能力是决定地表径流的土壤因素，以入渗速率表示，mm/h，cm/d。,（2）渗透水分通过大孔隙下渗,地面供水期，土壤入渗水自上而下形成饱和层延伸层湿润层（毛管水）及湿润前锋 2.土壤水的再分布 地面停止供水，

22、入渗终止。土壤入渗水在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动，称为土壤水的再分布。 土壤水的再分布，对研究植物从不同深度土层吸水有较大意义。某一土层水的损失，不完全是植物吸水所致，还与上、下层水的再分布有关。,饱和水流，速度恒定最后入渗速率，反映土壤的渗水能力，称渗透系数。,六、田间土壤水分平衡,土壤-植物-大气连续体（SPAC）,(1)土壤水来源(收入) 降水(P)，灌水(I)，上行水(U)(2)土壤损失(支出) 土面蒸发(E)，叶面蒸腾(T)，冠层截留(In)，地表径流(R)，下渗水(D),以W表示计算时段初、末土体储水量之差，土壤水分平衡表达式如下： W=（P+I+U）（E+T+R+I

23、n+D） 蒸发和蒸腾合称蒸散（ET）。 地区水量平衡：收入降水，支出地面径流和蒸散，即P=R+ET,岷江上游流域年降水量850mm,径流量(深度)657 mm,蒸散量193mm，径流系数R/P=657/850=0.77。 青衣江流域年降水量1667mm，径流深1326mm，径流系数0.80。,七、土壤水的调节1.搞好农田水利基本建设 （1）河谷平原坝区 建立以引水为主和能灌溉能排的农田水利系统，旱涝兼治。渗漏过快的“漏水田”，因土种植或创造犁底层，维持适宜的渗漏量1015mm/d（日本1525mm/d）。下湿田，水旱轮作。旱季土壤湿害，结合区域排水，搞好田间排水，开“三沟”背沟、十字沟和厢沟，

24、以及环山排洪沟。,（2）丘陵山区 建设集雨蓄水工程，拦洪保土蓄水，旱洪兼治。 沉沙函、蓄水池、积肥池(山茅坑)“三池”配套。2.开发土壤蓄水功能，有效拦蓄雨水，开源节流 （1）截留雨水径流，蓄水于土，以蓄调用 工程措施坡改梯（增加入渗量）、薄改厚（增加贮水量），熟化土壤，改良结构（增加田间持水量），增大土壤接纳积蓄雨水能力。 农耕措施坡地等高耕作，沟、垄间套种植。 冬水田、下湿田半旱式水稻栽培，半旱式（水厢）小麦等。,人工覆盖（地膜、秸秆），植被覆盖（根不离土，土不离根），免耕，中耕松土，保水剂应用等。3.发展节水灌溉 智能化灌溉灌水期（土壤临界含水量）、灌水定额（土壤蓄水能力）和灌水周期。

25、节水灌溉技术管道灌、喷灌、滴灌等。4.增加土壤有效水数量 提高田间持水量，降低凋萎系数。改良土壤质地、结构，增加孔隙度，减少无效孔隙，提高土温。 治水改土,（2）减少土壤水分蒸发，提高水分生产效率,第四节 土壤中的溶质运移,一、溶质的对流运移 对流：是指土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。 溶质通量：单位时间内通过土壤单位横截面积的溶质质量，通过对流运移的称溶质的对流通量。二、溶质的扩散 溶质的分子扩散是由于分子的不规则热运动即布朗运动引起的，其趋势是溶质由浓度高处向浓度低处运移，以求最后达到浓度的均匀。,三、溶质的机械弥散 机械弥散：溶质在随水流动过程中逐渐分散并占有越来越大的渗流区域范围的

26、运移现象。四、溶质的水动力弥散 分子扩散与机械弥散综合，称为水动力弥散。 当土壤中的水流速度相当大时，机械弥散的作用会大大超过分子扩散作用，以致水动力弥散中只需考虑机械弥散作用；反之，当土壤溶液静止时，则机械弥散完全不起作用而只须考虑溶质的分子扩散了。,复习思考题,一、名词解释1. 吸湿水 2. 膜状水3. 风干土 4. 烘干土5. 毛管水 6. 毛管上升水7. 毛管悬着水 8. 重力水9. 吸湿系数 10. 凋萎系数11. 田间持水量 12. 毛管持水量13. 饱和持水量 14. 有效水15. 相对含水量 16. 土水势,17. 水吸力 18. pF19. 比水容 20. 土壤水分特征曲线2

27、1. 机械弥散二、思考题1. 吸湿水主要受哪些因素影响？吸湿系数主要受哪些因素影响？2. 土壤水含量表示方法有哪些？3. 计算土壤含水量时为什么要以烘干土为标准？4. 土水势由哪些分势构成？5. 土壤水分特征曲线受哪些因素影响？可以在哪些方面加以利用？,6. 农业生产中为什么要求土壤保持适当的导水率？7. 试述农业生产中“中耕保水”的理论依据。8. 土面蒸发可划分为哪些阶段？各个阶段的控制因素是什么？9. 现有一容重为1.2g/cm3的紫色土，初始含水量为10%，田间持水量为30%，要使30厘米土层含水量达田间持水量的80%，需灌水多少（方/亩）？10.容重为1.2g/cm3的紫色土，初始含水量为10%，田间持水量为30%，降雨10mm，若全部入渗，可使多深土层达田间持水量？ 11. 土壤容重为1.2g/cm3，计算其含水量为25%时的固、液、气三相比。（比重2.65）,