第4章 第三、四节 土壤水、气、热

沙尘暴塌方近期，降雨量少，江河、水库蓄水位偏低，旱情显现。干涸大田滴灌升降喷头大田喷灌地下滴灌只湿润植物根部，达到节水目的果树滴灌工程番茄树(以色列)荷兰黄瓜甜瓜中国西部节水农业示范区节水农业论坛•近１０年来，我国共投入１０００多亿元进行灌区节水改造和节水灌溉工程技术推广。•截至目前，节水灌溉工程面积已发展到２０００万hm2。第三节土壤水分•一、土壤水分的作用•二、土壤水形态和性质•三、土壤水分含量的表示方法•四、土壤含水量的测定方法•五、土壤水分能态•六、土壤水的有效性•七、土壤水分运动•八、土壤水分平衡一、土壤水分的作用1）是植物生长所必需的2）影响养分的溶解和移动3）影响土壤的氧化还原电位4）影响有机质的分解与积累5）影响土壤热量状况6）影响土壤的耕性孔隙:水和空气矿物质和有机质颗粒二、土壤水形态和性质:(一)固态水:土壤水冻结时形成的冰晶(二)汽态水:存在于土壤空气中(三)束缚水:1、土壤吸湿水(hygroscopicmoisture)•固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层，称为吸湿水,(也称紧束缚水)。••吸湿水的特点：水分子呈定向紧密排列、密度1.2~2.4g/cm3、无溶解能力、不能以液态水自由移动，也不能被植物吸收。•吸湿水达到最大值，此时的土壤吸湿水量就叫做最大吸湿量maximumhygroscopicity。•2、膜状水filmwater•吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态水，在吸湿水的外围形成一层水膜，这种水分称为膜状水。(松束缚水)吸湿水膜状水(四)自由水：1土壤毛管水capillaryhumidity(water)•1.1概念：靠毛管力（弯月面引力）保持在土壤孔隙中的水分称为土壤毛管水。•1.2根据土壤毛管水与地下水有无联系,又可把毛管水分为:①悬着毛管水(capillarysupportingwater)土体中与地下水位无联系的毛管水称毛管悬着水。②支持毛管水（毛管上升水）(capillarysuspendingwater)土体中与地下水位有联系的毛管水称毛管支持水。•1.3影响毛管水数量的因素：土壤质地、有机质含量和土壤结构状况。2重力水:gravitationalwater•土壤重力水是指土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能被毛管吸持，而在重力的作用下沿着大孔隙向下渗漏成为多余的水。•有时因为土壤粘紧,重力水一时不易全部排出,暂时滞留在土壤的大孔隙中,这种水称为上层滞水。•土壤所有孔隙都充满水分时的含水量称为土壤全蓄水量或饱和持水量saturatedwatercontent。3、地下水:地下水地下水土粒•地下水位毛管悬着水示意图水沿着毛管上升毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0.1mm毛管作用较强0.05-0.005mm毛管作用最强〈0.001mm毛管作用消失三、土壤水分含量的表示方法1.土壤质量含水量•土壤质量quantity含水量是指土壤中保持的水分质量占土壤质量的分数,单位g/kg(也有用%表示)。•θm=[(m1-m2)/m2]×1000•式中θm为土壤质量含水量（g/kg）、m1为湿土质量（g）、m2为干土质量（g）。2.土壤容积volume含水量•土壤容积含水量是指土壤水分容积与土壤容积之比，常用θv表示单位为cm3/cm3。•θv（%）=（土壤水分容积/土壤容积）×100•θv（%）=θm×土壤容重3.土壤相对含水量relativemoisture•在生产实际中常以某一时刻土壤含水量占该土壤田间持水量的百分数作为相对含水量来表示。•土壤相对含水量(relativemoisture)=（土壤含水量/土壤田间持水量）×100%4.吸湿系数:又称是大吸湿水量,是指干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最大量,即吸湿水的最大量与烘干土重量的百分率。•5.凋萎系数(wiltingcoefficient)•作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久凋萎，此时的土壤含水量就称为凋萎系数(wiltingcoefficient)。•6.田间持水量fieldcapacity：当降雨或灌溉后,多余的重力水已经排除,渗透水流已降至很低或基本停止时土壤所吸持的水量,以重量百分比表示,称为田间持水量。•也就是毛管悬着水达到最大值•田间持水量的变化范围：•砂土为：160~220g/kg；•壤土为：220~300g/kg；•粘土为：280~350g/kg。•四、土壤含水量的测定方法•1、烘干法（经典烘干法、快速烘干法）•2、中子仪法•3、时域反射仪（TimeDomainReflectometryTDR）•4、张力计、电阻法、石膏法•5、压力膜指针式张力计原理:当土壤变干，与陶瓷头接触的湿度表面张力势趋于将管内的水分吸出.从而在管内顶部形成局部真空，当灌溉或降雨后,水分被吸回管内使真空度减少。通过负压计将真空度转化为直观的土壤水势。利用多孔陶瓷头与植物根系从土壤中吸收水分相似的原理当土壤中的水分减少，水势降低时，埋置在土壤中的张力计管中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管中形成一定的真空度，通过测量张力计管中的真空度，就可以反映出土壤中水势的变化。用途：探针插入张力计管中直接读取被测值，由读数表将负压转变为土壤水势值。由于所有张力计管测量均使用同一读数表，数据可比性高。主要部件：液晶显示手持式数字读数表张力计管基本技术指标：显示：主机M2500S显示测定结果标准张力计管长度：15-210cm（间隔5cm）量程：0-999Hpa精度：2%的满量程显示：液晶数字显示电源：9V电池，低电压报警温度补偿：0-50℃尺寸：145mm×80mm×117mm重量：185g产地:法国产品型号：FS6440原产地：美国产品描述:TDR原理测定土壤含水量。一、原理：时域反射原理。二、范围：0-饱和100%（体积含水量）二、技术参数：显示：主机FS6440数字式显示测定结果范围：0-饱和100%（体积含水量）；分辨率：1%；精度：±3%；探针：200mm长度土壤水份测定仪GMK-770S:测定范围7%~40%准确度±3%测量时间约30秒五、土壤水分能态1907年布金哈门（Buckingham）1.土水势Potential•土水势（水势、势）:相同的温度，相同的大气压，从一定规定高度纯自由水的自由能(势值)规定为零，土壤水的自由能势值与其相比而得到的差值，用势能值表示，就是土水势.•常用（Ψ）来表示。•土水势主要由以下几个分势组成：•(1)基质势（基模势）MatricPotential（Ψm）：负值，当土壤饱和时最大＝0.•土壤含水量越高，基质势也越高。•(2)渗透势（溶质势）（OsmoticPotential）（Ψs）：负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。•溶质势只有对半透膜的水分运动起作用；(3)压力势PressurePotential（Ψp）：正值，只有当土壤水分饱和时才有压力势，在不饱和土壤中压力势为0，饱和土层越深，压力势越高•p=wghV；(4)重力势GravitationalPotential（Ψg）：是指由重力作用而引起的土水势变化。任何时候重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0。2.土壤水吸力soilmoisturesuction（有时简称吸力）：这是（E.W.Russel,1950）•用来表示土壤水的结合强度,表示水的能态，它不是指土壤对水的吸力，而是指土壤水承受一定吸力的情况下所处的能态。•2.1土壤水吸力与土水势区别：•（1）土壤水吸力只包括基质势和渗透势，相当于基模势和渗透势，不包括导致土壤水自由能降低的其它分势，但它通常是指基模吸力。•（2）土壤水吸力在概念上虽不指土壤对水的吸力，但仍可以用土壤对水的吸力来表示。吸力是使用压力为单位。1935,Schofield.R.K提出pF值＝logcm水柱2.2pF值：土水势的厘米水柱高度的对数值称为pF值这是Schofield.R.K于1935年提出的。2.3pF-曲线：是指土壤水吸力和土壤水分含量之间的相关曲线。3.土壤水分特征曲线soilwatercharacteristiccurve：•土壤水的能量指标与土壤含水量（土壤水的数量指标）作成的相关曲线，称土壤水分特征曲线或土壤持水曲线。ABC测得0~90KPa土壤水分特征曲线,测得土壤不同孔径孔隙度的容积含量,获得土壤孔隙分布曲线和孔隙累计曲线。测得土壤容重,总孔隙度,毛管孔隙度,非毛管孔隙度,饱和持水量,田间持水量等参数。测得不同含水量下土壤固、液、气三相比。测试范围:0~90KPa,能一次测试30个土壤样品•4.土壤水文状况•是指土壤剖面中土壤水分在周年内的动态变化，它反映土壤的水分平衡和水分循环的特征。•六、土壤水的有效性•1.土壤水的有效性:可被植物利用的水分称为有效水，不能被植物利用的称为无效水。•2、土壤有效水的范围：•土壤有效水的含量=田间持水量-凋萎系数•3.影响土壤有效含水量范围的因素•(1)土壤质地•(2)土壤结构•(3)土壤有机质•(4)土壤层位•七、土壤水分运动•（一）液态水运动•1、水分饱和状态下的流动：饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，服从达西定律（Darcy’slaw）(液体在多孔介质中流动的定律)：LHKsq•式中：•q表示单位时间单位面积的土壤水通量（cm3/h)；•Ks表示土壤饱和导水率或渗透系数；•ΔH表示总水势差（常用厘米水柱表示，cm）；•L为水流经过的土层厚度（cm）。•负号表示土壤水通量指向水势梯度下降的方向。•（1）影响饱和导水率的因素：•①质地•②结构•③有机质含量•④粘土矿物种类•⑤土壤孔隙•2、水分非饱和流动土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流，其表达式为：•非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱和条件下的类似，二者的区别在于：•a、饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非包和条件下则用微分形式；•b、饱和条件下的土壤导水率Ks对特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势（m）的函数。（二）汽态水运动（扩散运动）（三）地下水上升运动：若地下水矿化度高，导致土壤盐渍化。盐皮八、土壤水分平衡•（一）、土壤水分的来源•1、大气降水•2、灌溉水•3、凝结水•4、地下水•（二）、土壤水分的消耗•1、渗漏、侧向径流和下渗径流•2、蒸发•3、蒸腾第四节土壤空气和热量•一、土壤空气的组成•土壤空气与近地表大气的组成,其差别主要有哪几点:•（1）土壤空气中的CO2含量高于大气•（2）土壤空气中的O2含量低于大气•（3）土壤空气中的水汽含量一般高于大气•（4）土壤空气中含有较多的还原性气体。•二、土壤空气与植物生长及土壤肥力的关系•1、影响种子萌发•2、影响根系的生长发育和吸收性能•3、影响生物活性和养分状况•4、影响土壤的氧化还原状况•三、土壤热容量heatcapacity•1、土壤热容量:单位质量或容积的土壤每升高或降低1˚C所需或放出的热量。单位是J/g.˚C或J/cm3.˚C•2、土壤温度的变化规律•（1）土壤温度的日变化：土温随昼夜发生的周期性变化•（2）土壤温度的年变化：土温随一年四季发生的周期性变化•3、土壤温度与植物生长及土壤肥力的关系•（1）土壤影响植物种子发芽出苗•（2）土温影响植物根系生长•（3）土温影响植物的生理过程•（4）土温对土壤肥力的影响•①矿物岩石风化•②养分有效性•③微生物的活动•④有机质转化过程•（5）土壤水分和气体的扩散运动土壤温度、湿度速测仪测量参数：土壤容积含水量（即土壤湿度）;土壤温度;第四节土壤水、气、热的调节1．土壤水气热之间的相互关系2．土壤水气热的调节措施以色列节水农业•设施农业•复习思考题：•一、名词解释：•1、土壤吸湿水；2、毛管水；3、吸湿系数；4、凋萎系数；5、田间持水量；6、土壤有效含水量；7、土水势；8、土壤水吸力；9、土壤水分特征曲线；10、土壤相对含水量；11、土壤水文状况；12、土壤通气