第五章土壤水

第五章土壤水本章教学要求本章教学要求1、理解土壤水分类型及其与水分性质的关系2、理解土壤水运动原理3、掌握土壤水分常数和土壤水分能态概念4、掌握土壤水份管理基本原理第一节土壤水分类型及其有效性第二节土壤水的能态第三节水的运动与管理第一节土壤水分类型及其有效性一、土壤水分含量的表示方法（一）质量含水量(masswatercontent)指土壤中水分的质量与干土质量的比值。土壤含水量(%)=（土壤水质量/干土质量）×100干土：105℃条件下烘干的土壤。风干土：含有吸湿水的土壤。(二)容积含水量(volumetricwatercontent)指土壤总容积中水所占的容积分数。土壤容积含水量（%）=（土壤水容积/土壤总容积）×100θv=θm.ρρ=土壤容重第一节土壤水分类型及其有效性第一节土壤水分类型及其有效性(三)相对含水量(relativewatercontent)指土壤含水量占田间持水量的百分数土壤相对含水量（%）=（土壤含水量/田间持水量）×100在农业生产和科学研究中常用。例：盆栽试验，每盆装干土5kg，已知某土壤含水量为14%，应称取风干土多少kg？若土壤田间持水量为35%，维持盆中土壤相对含水量80%，应灌水多少kg？二、土壤水含量测定方法烘干法张力计、压力膜法法中子法(neutronprobe)时域反射仪（TDR，time-domain-reflectometry）法电阻法红外线法第一节土壤水分类型及其有效性中子土壤水分测定仪(neutronprobe)第一节土壤水分类型及其有效性TDR高精度土壤水份监测系统图片一：应用现场的外观第一节土壤水分类型及其有效性TDR高精度土壤水份监测系统该系统监测土壤不同深度的水分含量和张力，用于蒸发量的测量，地下水的水资源评估，分析土壤的渗透特性。第一节土壤水分类型及其有效性TDR高精度土壤水份监测系统现场快速测定土壤含水量(15cm~70cm)第一节土壤水分类型及其有效性第一节土壤水分类型及其有效性射线法测定土壤水分压力膜（板）仪土样Pressureplateapparatus出水孔压力室优点：测量范围大（0~20个大气压）缺点：平衡时间长，需要恒温条件S.JRichards,1931设计注意：不同吸力范围选用不同压力室和膜或板TDR仪器探头张力计的基本类型：主要依据压力测定设备有许多类型：张力计类型与使用真空表头式真空表头式空气膨胀式（测水笔）汞压计式（有机溶剂）示差式张力计土壤水分离心机MoistureEquivalentCentrifugeMaxSpeed____14,000rpmMaxR.C.F____25,220×gMaxCapacity____3,000mlControl____Microcomputer&InverterPowerSource____AC200V20A7KVANo.ofMemories____3MemoriesPowerSource____AC200V3Φ30A10KVADimensions____W700×D686×H1190(980)mmWeight____300kgPrice____￥2,460,000顶盖出水孔底盒环刀离心盒转子结构技术参数原理：pF=2logn+logh+log(r1-h/2)-4.95N:转速；h：土壤样品高度的一半；r1：离心机转子半径由Schofield（1935）年设计提出优点：快速、量程大缺点：土壤容重变化大。使用时先要探索离心平衡时间离心过程中水土分为两个室)(1018.1215hrhHn张力计测定土水势第一节土壤水分类型及其有效性三、土壤水分类型1、吸湿水(hygroscopicwater)干燥土粒从空气中吸附气态水分子保持在土粒表面水分。吸湿水受土粒的吸引力很大，最内层可达109pa，具有固态水的性质，不能移动，最外层约3×106pa，移动性很差。吸湿水的密度为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。吸湿水只能在105～110℃条件下烘干6～8小时才能将其从土粒表面分离。吸湿水达到最大量时的土壤含水量叫做最大吸湿量或吸湿系数。土壤吸湿系数主要受土壤质地影响。第一节土壤水分类型及其有效性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。当膜状水达到最大量时的土壤含水量称为最大分子持水量。膜状水能从膜厚的地方向薄的部位移动，这部分能移动的水可被作物吸收利用，但移动慢，只有植物根毛与其接触时才能被吸收。膜状水中吸力大于1.5×106pa的那部分水，作物不能利用，为无效水。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。土壤的凋萎系数：砂土5%、壤土10%、粘土15%。第一节土壤水分类型及其有效性2、膜状水(filmwater)其自身可从水膜较厚处向水膜较薄处移动，植物可以利用此水。第一节土壤水分类型及其有效性3、毛管水(capillarywater)靠土壤毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为土壤毛管水。毛管水可以在土壤毛管中上下左右移动、具有溶解养分的能力、作物可以吸收利用。毛管水的数量主要取决于土壤质地、腐殖质含量和土壤结构状况。根据土层中毛管水与地下水有无连接，通常将毛管水分为：毛管上升水和毛管悬着水毛管水上升高度（cm）=0.15/r毛管悬着水达到最大时的土壤含水量称为田间持水量土壤田间持水量一般为：砂土15%、壤土25%、粘土35%。影响土壤田间持水量的因素：①土壤质地，粘土＞壤土＞砂土；②土壤结构，团粒结构田间持水量最大；③土层垒结，存在粘土夹层时，田间持水量最大；④合理耕作，如深松耕可增加田间持水量。3、毛管水(capillarywater)第一节土壤水分类型及其有效性第一节土壤水分类型及其有效性4、重力水(gravitationalwater)土壤重力水是指土壤水分含量超过田间持水量(fieldcapacity)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。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(saturationmoisturecapacity)。四、土壤水分有效性土壤水分有效性是指土壤水分被植物的利用程度。土壤有效水一般是指凋萎系数(wiltingcoefficient)至田间持水量(fieldcapacity)范围的水。影响土壤有效水含量的因素：土壤质地、土壤有机质含量、土壤结构。第一节土壤水分类型及其有效性第一节土壤水分类型及其有效性不同质地土壤有效水含量TextureClassFieldCapacityWiltingPointAvailableCapacitySand0.120.040.08LoamySand0.140.060.08SandyLoam0.230.100.13Loam0.260.120.15SiltLoam0.300.150.15Silt0.320.150.17SiltyClayLoam0.340.190.15SiltyClay0.360.210.15Clay0.360.210.15第一节土壤水分类型及其有效性土壤水分保持与土壤水分有效性土水势表示土壤水分在土—水平衡体系中所具有的能态。土壤水在各种力（吸附力、毛管力、重力、静水压力等）作用下，与同样条件（温度、高度、压力）的纯水相比（假定其势值为零），自由能不同，其自由能的差值用势能表示，称为土水势。常用Ψ表示。土水势非绝对值。土水势主要由以下几个分势组成：基质势（Ψm）、压力势（Ψg）、溶质势（Ψs）、重力势（Ψg）。第二节土壤水的能态一、土水势(soilwaterpotential)1、基质势（Ψm）(matricpotential)：它是指将单位水量从一个平衡的土-水体系统移到另一个没有土壤基质(纯水)，而其它状态完全相同的水池时所做的功。或由吸附力和毛管力所制约的土水势。基质势随土壤含水量的增加而增加，在非饱和含水量情况下为负值，饱和水时达最大，为0。第二节土壤水的能态2、压力势（Ψg）(pressurepotential)：它是指将单位水量从一个土-水体系移到另一个压力不同，而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功。或在土壤饱和水的情况下，由于受压力而产生土水势变化。不饱和水土壤条件下，土壤水的压力势一般与参比标准相同，等于0。压力势一般为正值。第二节土壤水的能态3、溶质势（Ψs）(solutepotential)：它是指将单位水量从一个平衡的土-水体系统中移到另一个没有溶质而其它状态均相同的水池时所做的功。或指土壤水中溶解的溶质而引起的土水势的变化。土壤中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。溶质势一般为负值。第二节土壤水的能态4、重力势（Ψg）(gravitationalpotentional)：它是指由于重力场位置不同于参比状态水平面而引起的势能变化。总水势（ψt）：ψt=ψm+ψp+ψs+ψg第二节土壤水的能态土壤水吸力是指土壤水承受一定吸力的情况下所处的能态，是指土壤水的负压力。由于基质势(matricpotential)和溶质势(solutepotential)一般为负值，在使用中不太方便，所以将基质势和溶质势的相反数定义为吸力（S），称之为基质吸力(matricsuction)和溶质吸力(solutesuction)。其值与基质势和溶质势相等，但符号相反。第二节土壤水的能态二、土壤水吸力(soilwatersuction)第二节土壤水的能态二、土壤水吸力(soilwatersuction)第二节土壤水的能态三、土壤水能态的定量表示方法土水势的定量表示：单位数量土壤水的势能值。单位数量可以是单位质量、单位容积或单位重量。单位容积土壤水的势能值用压力单位，标准单位：帕（Pa）也可用千帕（kPa）和兆帕（MPa），习惯上曾用巴（bar）和大气压（atm）表示；单位重量土壤水的势能值用相当于一定压力的水柱高厘米数表示。1Pa=0.0102厘米水柱1atm=1033厘米水柱=1.0133bar1bar=0.9896atm=1020厘米水柱由于土水势的范围很宽，由零到上万个大气压，故有人建议使用土水势的水柱高度厘米数（负）的对数表示，称为pF。例如土水势为-1000厘米水柱则pF=3。第二节土壤水的能态四、土水势(soilwaterpotential)的测定1、张力计(tesiometer)2、水势仪(waterpotentiometer)第二节土壤水的能态四、土水势(soilwaterpotential)的测定第二节土壤水的能态五、土壤水分特征曲线(soilwatercharacteristiccurve)土壤水分特征曲线又称土壤持水曲线。它是指土壤水的基质势或土壤水吸力与含量水量的关系曲线。影响土壤水分特征曲线的因素：土壤质地、土壤结构、温度、土壤中水分变化的过程（滞后现象）土壤水分特征曲线的用途：1、可利用它进行土壤水吸力和含水率之间的换算；2、土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布；3、土壤水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性；4、应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时,水分特征曲线是必不可少的重要参数。五、土壤水分特征曲线(soilwatercharacteristiccurve)第二节土壤水的能态第二节土壤水的能态五、土壤水分特征曲线(soilwatercharacteristiccurve)第二节土壤水的能态土壤水分特征曲线滞后现象(soilwaterhysteresis)Y(cm)q(cm3/cm3)FirstdryingcurveDryingcurveWettingcurveFFe不同土壤的水分特征曲线(soilwatercharacteristiccurve)(低吸力脱湿过程)(dehydrationcurve)第二节土壤水的能态第二节土壤水的能态五、土壤水分特征曲线(soilwaterchara