1、第五章 土壤水,教學(xué)目標與要求,1.土壤水的類型劃分及土壤水分含量的測定 2.土壤水的能態(tài) 3.土壤水的運動 4.土壤中的溶質(zhì)運移,1.掌握土壤水的各種概念、各種水分常數(shù)； 2.弄清土水勢的定義及其各分勢； 3.重點掌握土壤水分運動規(guī)律; 4.弄清飽和流和非飽和流的區(qū)別。,主要內(nèi)容,第一節(jié) 土壤水的類型劃分 及土壤水分含量的測定 一、土壤水的類型劃分及有效性 （一）土壤水的類型劃分 1. 吸濕水(hydroscopic water) （緊束縛水） 土粒通過吸附力吸附空氣中水汽分子所保持的水分。 吸附力很強，可達31至10000atm，因而水的密度增大，可達1.5g/cm3，無溶解能力，不移動，

2、通常在105110條件下烘干除去。對植物無效。,4,只含有吸濕水的土壤稱為風(fēng)干土； 除去吸濕水的絕對干土稱為烘干土。 風(fēng)干土重 烘干土重= 1+吸濕水% 風(fēng)干土重=烘干土重 （1+吸濕水%） 土壤吸濕水含量受土壤質(zhì)地的影響，粘質(zhì)土吸附力強，保持的吸濕水多，砂質(zhì)土則吸濕水含量低 。 吸濕水含量還受空氣濕度的影響，空氣相對濕度高，吸濕水含量高，反之則吸濕水含量低。,膜 狀 水 示 意 圖,2. 膜狀水 (membraneous water) 土粒吸附力所保持的液態(tài)水，在土粒周圍形成連續(xù)水膜。,6,保持的力較吸濕水低，6.2531atm，密度較吸濕水小，無溶解性；移動緩慢，由水膜厚的地方往水膜薄的地

3、方移動，速度僅0.20.4mm/hr。膜狀水對植物有效性低，僅部分有效。 3. 毛管水 (capillary water) 存在于毛管孔隙(capillary pore)中為彎月面力所保持的水分。,水沿 著毛 管上 升,毛管作用力范圍： 0.11mm 有明顯的毛管作用 0.050.1mm 毛管作用較強 0.050.005mm 毛管作用最強 0.001mm 毛管作用消失,土 粒,毛管 上升 水示 意圖,地下水位,(1) 毛管上升水(capillary supporting water) 與地下水有聯(lián)系，隨毛管上升保持在土壤中的水分。,土 粒,毛管 懸著 水示 意圖,(2) 毛管懸著水(capil

4、lary suspending water) 與地下水無聯(lián)系，由毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水分，好象懸在土壤中一樣。,10,4. 重力水 (gravitational water) 受重力作用可以從土壤中排出的水分，主要存在于土壤通氣孔隙中。,（二）土壤水分常數(shù)(soil moisture constant) 土壤中某種水分類型的最大含量，隨土壤性質(zhì)而定，是一個比較固定的數(shù)值，故稱水分常數(shù)。,1. 吸濕系數(shù) (hygroscopic coefficient) 吸濕水的最大含量，也稱最大吸濕量。,吸濕水的含量受空氣相對濕度影響，測定吸濕系數(shù)是在空氣相對濕度98%(或99%)條件下，讓土壤充分吸

5、濕(通常為一周時間)，達到穩(wěn)定后在105110條件下烘干測定得到吸濕系數(shù)。,13,土壤質(zhì)地愈粘重，吸濕系數(shù)愈大。 土 壤 紫色土 黃 壤 潮 土 砂 土 質(zhì) 地 粘 土 重 壤 中 壤 砂壤 吸濕系數(shù)（%） 7.53 4.11 2.52 0.8,2. 凋萎系數(shù) (wilting coefficient) 植物永久凋萎時的土壤最大含水量。 土壤凋萎系數(shù)的大小，通常用吸濕系數(shù)的1.52.0倍來衡量。質(zhì)地愈粘重，凋萎系數(shù)愈大。 （非活性孔度凋萎系數(shù)容重）,14,3. 田間持水量(field capacity) 毛管懸著水達最大量時的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一個指標。 計算土壤灌溉水量時

6、以田間持水量為指標，既節(jié)約用水，又避免超過田間持水量的水分作為重力水下滲后抬高地下水位。,土壤 學(xué),4. 毛管持水量(capillary capacity) 毛管上升水達最大量時的土壤含水量。,15,毛管上升水與地下水有聯(lián)系，受地下水壓的影響，因此毛管持水量通常大于田間持水量。毛管持水量是計算土壤毛管孔隙度的依據(jù)。 （毛管孔度毛管持水量 容重） （通氣孔度總孔度非活性孔度毛管孔度）,5. 飽和持水量(saturated water content) 土壤孔隙全部充滿水時的含水量稱為飽和持水量。,16,（三）土壤水的有效性(availability) 土壤水的有效性(availability)是

7、指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度。 不能被植物吸收利用的水稱為無效水,能被植物吸收利用的水稱為有效水。 最大有效水含量是凋萎系數(shù)至田間持水量的水分。,表5-1 土壤質(zhì)地與有效水最大含量的關(guān)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. 重量百分數(shù)(weight percent)(水w %) Mw 水w %= 100 Ms 計算土壤含水量時，是以干土重為計算基

8、礎(chǔ)，這樣才能反映土壤的水分狀況。 2. 容積百分數(shù)(bulk volume percent)(水v%) 水v%=水w%土壤容重,19,3. 水層厚度（水mm） 即在一定厚度的土層中，水分的厚度毫米數(shù)。 水 mm=水v% 土層厚度 優(yōu)點:與氣象資料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比較和互相換算。 例： 容重為1.2g/cm3的土壤，初始含水量為10%，田間持水量為30%，降雨10mm，若全部入滲，可使多深土層達田間持水量？ 解：先將土壤含水量水w%換算為水v% 初始含水量 水v%=10%1.2=12%,20,田間持水量 水v%=30%1.2=36% 因水mm= 水v% 土層厚度 土層

9、厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12) =41.7（mm）4. 水貯量(方/畝) 1畝地土壤水貯量(方/畝)的計算公式為： 方/畝 =2/3水mm 方/畝=水mm1/100010000/15=2/3水mm 作用：與灌溉水量的表示方法一致，便于計算庫容 和灌水量。,21,例：一容重為1g/cm3的土壤，初始含水量為12%，田間持水量為30%，要使30cm土層含水量達田間持水量的80%，需灌水多少（方/畝）？,解：田間持水量的80%為：30%80%=24% 30cm土層含水達田間持水量80%時 水mm=(0.24-0.12)1300 =36(mm) 2/336=24(方/畝),22,5

10、. 相對含水量(relative moisture) 指土壤自然含水量占某種水分常數(shù)的百分數(shù)。 一般是以田間持水量為基數(shù)，土壤自然含水量占田間持水量的百分數(shù)為相對含水量。 通常相對含水量的60%至80%，是適宜一般農(nóng)作物以及微生物活動的水分條件。,三、水分含量的測定 1. 經(jīng)典烘干法,在105110條件下，烘至恒重，為烘干土重，以此為基礎(chǔ)計算水分重(蒸發(fā)損失量)的百分比(%)。 改進快速法紅外線烘干法、微波爐烘干法、 酒精烘干法、酒精燒失法等。,風(fēng)干土 烘干土 水分= 100% 烘干土,2.中子法 簡便、較精確。但只能用于較深土層水分測定，不能用于土表薄層土。有機質(zhì)中的氫也會影響H2O的測定結(jié)

11、果。,3.TDR法（時域反射儀法）,第二節(jié) 土壤水的能態(tài) 一、土水勢及其分勢 1. 土水勢(soil water potential) 土壤水的自由能與標準狀態(tài)水自由能的差值。 以標準狀態(tài)水的自由能為零，土壤水自由能與其比較差值一般為負值。差值大，表明水不活躍，能量低；差值小，表明土壤水與自由水接近，活躍，能量高。,水流動方向：土水勢高(負值小)低(負值大)。,2. 土水勢分勢 （1）基模勢 (matric potential)m 也稱基質(zhì)勢，是由土粒吸附力和毛管力所產(chǎn)生的。在土壤水不飽和的情況下，非鹽堿化土壤的土水勢以基模勢為主。,（2）溶質(zhì)勢（滲透勢）(osmotic potential)

12、 s 由溶質(zhì)對水的吸附所產(chǎn)生。土壤水不是純水，其中有溶質(zhì)，而水分子是極性分子，與溶質(zhì)之間可產(chǎn)生靜電吸附，產(chǎn)生溶質(zhì)勢。,（3）重力勢 (gravitational potential)g 由重力作用產(chǎn)生的水勢。如果土壤水在參照面之上，則重力勢為正，反之，重力勢為負。 （4）壓力勢 (pressure potential)p 標準狀態(tài)水的壓力為1個大氣壓，但在土壤中的水所受到的壓力，在局部地方就不一定為1個大氣壓。 如果土壤中有水柱或水層，就有一定的靜水壓；懸浮于水中的物質(zhì)也會產(chǎn)生一定的荷載壓。若存在上述狀況則p為正值。,土水勢t=m+s+g+p,二、土壤水吸力(soil moisture suc

13、tion) 土壤水承受一定吸附力情況下的能態(tài)。 水吸力只相當于土水勢的基膜勢和溶質(zhì)勢，數(shù)值相等，符號相反。 基膜勢和溶質(zhì)勢一般為負值，使用不方便，故將其取為正數(shù)，定義為吸力（S），分別稱為基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力。 在土壤水分的保持和運動中，不考慮s，故一般所說的水吸力是指基質(zhì)吸力，其值與m相等，符號相反。溶質(zhì)吸力只在根系吸水(有半透膜存在)時才表現(xiàn)出來。,三、水分能量的表示方法 土水勢或水吸力的表示方法，以使用水柱高度的厘米數(shù)來表示最簡便，最易理解 。 現(xiàn)在國際計量統(tǒng)一使用的單位為帕(Pa)，與厘米的換算關(guān)系為：1 Pa=10-2cm 1cm水=102帕=1hPa pF：水柱高度厘米數(shù)的對數(shù)。,表

14、52 各種方法的換算關(guān)系,四、土水勢的測定 張力計法、壓力膜法、冰點下降法和水氣壓法等。 張力計(tensiometer)，又名負壓計或濕度計，測定水不飽和土壤的基質(zhì)勢或基質(zhì)吸力。,張力計適用范圍800/850hPa以下，超過此范圍，就有空氣進入陶土管而失效。 旱地作物可吸水的吸力范圍多在1000hPa以下，故張力計有一定實用價值。,壓力膜法：根據(jù)土壤在不同壓力下排水的原理測定，可測水吸力120bar。,五、土壤水分特征曲線 (soil water characteristic curve) 土壤水分特征曲線是土壤水的能量指標（水吸力）與數(shù)量指標（含水量）的關(guān)系曲線。,隨著土壤含水量的減少其水

15、吸力增大，基質(zhì)勢降低，植物根系吸水難度增大，水分有效性降低。 土壤水吸力（S）與含水量 的經(jīng)驗公式： S= ab 或 S=a(/s)b S=A（s-）n/m 式中： S水吸力（Pa）；含水量（%）； s飽和含水量（%）； a、b、A、n、m為相應(yīng)的經(jīng)驗常數(shù)。,1. 土壤質(zhì)地 假定土壤水吸力為300cm（水柱高），各種質(zhì)地的對應(yīng)土壤的含水量（容積%）約為：細砂土 8%，砂壤土15%，壤土34%，粘土42% 。,soil water characteristic curve,（一）土壤水分特征曲線的影響因素,2. 土壤結(jié)構(gòu)和緊實度（容重） 在同一吸力值下，容重愈大的土壤，含水量愈高。 3. 溫度

16、影響水的粘滯性和表面張力。土溫升高，水的基質(zhì)勢增大，有效性提高。 4. 水分滯后現(xiàn)象 土壤吸濕過程中，水吸力隨含水量增加而降低的速度較快。土壤脫濕過程中，水吸力隨含水量減少而增大的速度較慢。同一土壤的兩種水分特征曲線不重合。砂質(zhì)土的滯后現(xiàn)象比粘質(zhì)土更明顯。,Water sorption curve,soil water hysteresis,（二）土壤水分特征曲線的應(yīng)用 1. 用于土壤水吸力與含水量之間的換算 不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同，但含水量不同，因而有效水的數(shù)量不同。 2.用于各級孔徑、孔隙及其容積（V，%）的計算 D=3/T 3.計算水容量（又稱比水容） 指水吸力變化1個單位

17、土壤吸入或釋出的水量(ml/bar g)，即水分特征曲線的斜率（d/ds），可作為土壤供水能力的指標。,第三節(jié) 土壤水的運動 第一階段：不飽和流動 第二階段：飽和流動 水分在土壤中的運動可用達西定律(Darcys law)表示： q=-kdh/dx q 水通量：單位時間通過單位斷面水的容積 dh/dx 水壓梯度 k 導(dǎo)水率，即單位壓力梯度下水的流量； 負號表示水流方向。,一、土壤水的飽和流動 1. 垂直向下的飽和流 發(fā)生在雨后或稻田灌水以后。,2. 水平飽和流 發(fā)生在灌溉渠道兩側(cè)的側(cè)滲；水庫的側(cè)滲；不透水層上的水分沿傾斜面的流動等水平飽和流。,3.垂直向上的飽和流。 發(fā)生在地下水位較高的地區(qū)；

18、因不合理灌溉抬高地下水位，引起垂直向上的飽和流，這是造成土壤返鹽的重要原因。 k是單位水壓梯度下的流量。k主要受孔徑大小的影響。 影響孔徑大小的因素：質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、陽離子種類。 生產(chǎn)中要求土壤保持適當飽和導(dǎo)水率。若k值過小，造成透水通氣差，還原有害物質(zhì)易在土壤中積累，造成地表徑流。若k值過大則造成漏水漏肥現(xiàn)象。,二、土壤水的不飽和流動 特點 （1） 推動力（h）包括基模勢和重力勢； （2）k值不是一個常數(shù)（非飽和導(dǎo)水率），是一個受含水量影響的變量。 含水量高，水勢高則k值大，含水量低，水勢低則k值小。 若水分是連續(xù)的，則隨著土壤含水量減少，k值逐漸降低；若水分是不連續(xù)的，則k值隨著含水量降低后急

19、劇下降。,（3）流動方向 由水膜厚的地方向水膜薄的地方移動；由曲率半徑大的孔隙向曲率半徑小的孔隙移動；由溫度高處向溫度低處移動。,三、土壤中的水汽運動 1. 水汽運動的方式 土壤中水汽運動的主要方式是擴散，即由水汽壓高的地方向水汽壓低的地方擴散移動。 土壤水汽的擴散系數(shù)低于大氣。,2. 影響水汽壓梯度的因素 水汽壓梯度是水汽運動的主要推動力，它受土水勢和溫度兩個因素的影響，而又以溫度的影響為主。 溫度引起的水汽壓變化，使白天水汽由溫度較高的表層向底層移動，有利于防止蒸發(fā)； 夜晚則由溫度較高的底層向表層移動，有利于土壤回潤。,四、土面蒸發(fā) 1. 土面蒸發(fā)的條件 （1）有足夠熱量達到地面 滿足水的

20、汽化熱； （2）水汽從地面移走； （3）土壤水傳導(dǎo)至地面。 2. 土面蒸發(fā)的三個階段 （1）大氣蒸發(fā)力控制（蒸發(fā)率不變）階段 這一階段控制土面蒸發(fā)的因素是大氣蒸發(fā)力，包括太陽輻射、溫度、空氣濕度、風(fēng)力等。,土面蒸發(fā)階段,（2）土壤導(dǎo)水率控制階段 控制因素是土壤導(dǎo)水率，發(fā)生的條件是土壤水分流向土表的流量小于大氣蒸發(fā)力。隨著蒸發(fā)失水使土壤含水量減小，導(dǎo)水率越來越低，蒸發(fā)量也隨之降低。,土面蒸發(fā)階段,（3）擴散控制階段 通過以上兩個階段土壤蒸發(fā)失水，土壤表層變干，導(dǎo)水率幾乎降為零，水分不能以液態(tài)運行到地表，而是在干土層下先汽化為水汽，再散發(fā)到大氣中，這一階段蒸發(fā)量減小。,五、土壤水的入滲和再分布 雨

21、水、灌水進入土壤的兩個階段：入滲和再分布。 1.入滲階段 土壤供水期間的滲吸和滲透過程，一般是地面供水，水自上而下垂直運動。,（1）滲吸土壤吸水，直至毛管孔隙水飽和，入滲速度隨含水量增加而降低。 當供水強度小時(噴灌、滴灌、小雨等)，入滲速度主要取決于供水。,當供水強度大時(大水漫灌、大暴雨)，入滲速度主要取決于土壤的入滲能力。 入滲能力又取決于土壤的干濕度和孔隙狀況(與質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、緊實度有關(guān))。 干燥的粗質(zhì)土和結(jié)構(gòu)良好的土壤的入滲能力強，反之則弱。 入滲能力是決定地表徑流的土壤因素，以入滲速率表示，mm/h，cm/d。,（2）滲透水分通過大孔隙下滲,地面供水期，土壤入滲水自上而下形成飽和層延

22、伸層濕潤層（毛管水）及濕潤前鋒 2.土壤水的再分布 地面停止供水，入滲終止。土壤入滲水在重力、吸力梯度和溫度梯度的作用下繼續(xù)運動，稱為土壤水的再分布。 土壤水的再分布，對研究植物從不同深度土層吸水有較大意義。某一土層水的損失，不完全是植物吸水所致，還與上、下層水的再分布有關(guān)。,飽和水流，速度恒定最后入滲速率，反映土壤的滲水能力，稱滲透系數(shù)。,六、田間土壤水分平衡,土壤-植物-大氣連續(xù)體 （SPAC）,(1)土壤水來源(收入) 降水(P)，灌水(I)，上行水(U) (2)土壤損失(支出) 土面蒸發(fā)(E)，葉面蒸騰(T)，冠層截留(In)， 地表徑流(R)，下滲水(D),以W表示計算時段初、末土體

23、儲水量之差，土壤水分平衡表達式如下： W=（P+I+U）（E+T+R+In+D） 蒸發(fā)和蒸騰合稱蒸散（ET）。 地區(qū)水量平衡：收入降水，支出地面徑流和蒸散，即P=R+ET,岷江上游流域年降水量850mm,徑流量(深度)657 mm,蒸散量193mm，徑流系數(shù)R/P=657/850=0.77。 青衣江流域年降水量1667mm，徑流深1326mm，徑流系數(shù)0.80。,七、土壤水的調(diào)節(jié) 1.搞好農(nóng)田水利基本建設(shè) （1）河谷平原壩區(qū) 建立以引水為主和能灌溉能排的農(nóng)田水利系統(tǒng)，旱澇兼治。滲漏過快的“漏水田”，因土種植或創(chuàng)造犁底層，維持適宜的滲漏量1015mm/d（日本1525mm/d）。下濕田，水旱輪作

24、。旱季土壤濕害，結(jié)合區(qū)域排水，搞好田間排水，開“三溝”背溝、十字溝和廂溝，以及環(huán)山排洪溝。,（2）丘陵山區(qū) 建設(shè)集雨蓄水工程，攔洪保土蓄水，旱洪兼治。 沉沙函、蓄水池、積肥池(山茅坑)“三池”配套。 2.開發(fā)土壤蓄水功能，有效攔蓄雨水，開源節(jié)流 （1）截留雨水徑流，蓄水于土，以蓄調(diào)用 工程措施坡改梯（增加入滲量）、薄改厚（增加貯水量），熟化土壤，改良結(jié)構(gòu)（增加田間持水量），增大土壤接納積蓄雨水能力。 農(nóng)耕措施坡地等高耕作，溝、壟間套種植。 冬水田、下濕田半旱式水稻栽培，半旱式（水廂）小麥等。,人工覆蓋（地膜、秸稈），植被覆蓋（根不離土，土不離根），免耕，中耕松土，保水劑應(yīng)用等。 3.發(fā)展節(jié)水灌溉 智能化灌溉灌水期（土壤臨界含水量）、灌水定額（土壤蓄水能力）和灌水周期。 節(jié)水灌溉技術(shù)管道灌、噴灌、滴灌等。 4.增加土壤有效水數(shù)量 提高田間持水量，降低凋萎系數(shù)。改良土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，減少無效孔隙，提高土溫。 治水改土,（2）減少土壤水分蒸發(fā)，提高水分生產(chǎn)效率,第四節(jié) 土壤中的溶質(zhì)運移,一、溶質(zhì)的對流運移 對流：是指土壤溶質(zhì)隨土壤水分運動而運移的過程。 溶質(zhì)通量：單位時間內(nèi)通過土壤單位橫截面積的溶質(zhì)質(zhì)量，通過對流運移的稱溶質(zhì)的對流通量。