土壤物理性质与过程-土壤水

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土壤的物理性质与过程,郭笑彤,1,2015-03-20,植物营养与土壤肥料学,土壤水,海洋水,大气层水,土壤水,江,/,河,/,湖,(,雪山,),地下水,水是生命之源,2004,年 全国总用水量,5547.8,亿,m,3,农业,3585,亿,m,3,64%,2002,年农业用水总计占,79.2%,。,2002,、,2004,年水资源公报,为什么种在花盆里的花比种在园子里的更容易缺水？,水是如何留在土壤中的？,土壤水与自由水有什么区别？,土壤水是怎样运动的？,为什么有的土耐旱，有的土不耐旱？,土壤水的变化规律是什么？,土壤水分如何测定？,土壤水,土壤水,（,soil water,）,土壤含水量,土壤水的能态,土壤水分运动,土壤水分平衡,土壤水的有效性,土壤水,土壤水的重要性,所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。,土壤水是作物吸水的最主要来源。,土壤水是土壤的最重要组成部分之一。,土壤水是土壤形成发育的催化剂。,土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。,土壤水,土壤水：,soil water,土壤水实际上是指在,105110,温度下从土壤中驱逐出来的水。是指由地面向下至地下水面（潜水面）以上的土壤层次中的水分，亦称为土壤中的非饱和带水分（简称包气带水分）,土壤水,重力：,受地球引力而产生。,保持力：,土粒和水界面上的,吸附力以及,土壤孔隙内土壤固体表面、水和空气界面上的,毛管力,。,水在土壤中的所受的力,吸附力,（,adsorption,）：主要是指土粒表面分子和水分子之间的分子引力，又称为范德华力或分子间力。,毛管力,（,capillarity,）：实质上是毛管内固、气、水界面上产生的负压力，也叫弯月面力。,土壤水,（,1,）重力水,（,Gravitational water),临时存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中的水分，与土壤养分的淋失有关。,重力水在旱地是临时性的，对作物生长影响不大；在排水不良的渍水土壤或水稻土淹水状态下，重力水有重要的影响。,土壤水,（,2,）土壤吸湿水,(soil hygroscopic water),吸湿水（或吸咐水）,干土从空气中吸着水汽所保持的水称为,吸湿水,。,最大吸湿量,(maximum hygrgoscopicity),：,干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量。,土壤水,膜状水,(soil film water),土壤颗粒表面上吸附的水分形成水膜，这部分水称为,土壤膜状水,。,土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为,土壤最大分子持水量。,（,2,）土壤吸湿水,(soil hygroscopic water),土壤水,（,3,）土壤毛管水（,soil capillary water),存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。,包括毛管悬着水和毛管上升水。,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,capillary,土壤水,借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称之为,毛管悬着水,。,毛管悬着水,(capillary suspending water),（,3,）土壤毛管水,（,soil capillary water),毛管水断裂量,:,当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量的,75,左右。,土壤水,土 粒,地下水位,毛管上升水,(capillary supporting water),自地下水面由下向上沿毛管上升而存在于土壤毛管中的水分,毛管持水量,:,毛管上升水达到最大量的土壤含水量,。,（,3,）土壤毛管水,（,soil capillary water),土壤水,质量含水量,（,mass water content,）：即土壤中水分的质量与干土质量的比值，又称为重量含水量，常用符号,m,表示，质量含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是,kg/kg,，用公式表示，即：,容积含水量,（,volumetric water content,）：即单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称土壤容积湿度、容积分数，常用符号,v,表示。容积含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是,m,3,/m,3,，即：,土壤含水量,土壤含水量的表示方法,土壤水,例：土壤烘干前湿重为,120g,，烘干后重,100g,，求质量含水量。若土壤容重为,1.46g/cm,3,，求容积含水量。,土壤含水量,水重,= 120 - 100 =20 g,干土重,= 100 g,m,20/ 100 100,20.0,v,m,20.0,1.46,0.292,土壤水,田间持水量（,field capacity),在一个地下水埋藏较深、排水条件良好的平地上，充分供水，地表覆盖避免蒸发，待水入渗,1-2,天后，测得的土壤含水量。,通常作为灌溉水量定额的最高指标,。,在数量上它包括,吸湿水、膜状水和毛管悬着水。,田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。,萎蔫系数或萎蔫点（,wilting coefficient,）,当植物根系无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，称为萎蔫系数或萎蔫点。,土壤含水量,土壤水,相对含水量,（,relative water content,）,指土壤含水量,(,m,),占田间持水量,(,f,),的百分数。它可以说明土壤水的饱和程度、有效性和水、气的比例等。,土壤相对含水量,m,/ ,f,100,土壤含水量,土壤水,土壤贮水量（,soil water,pondage),指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量,1,）水深,(D,w,),指在一定厚度,(h),一定面积土壤中所含的水量相当于相同面积水层的厚度，量纲为,L,。,土壤含水量,Dw,与,v,的关系如下,: Dw,vh,水层厚度（,mm,）土层厚度（,mm,）,土壤含水量（容积）,h,A,A,D,w,土壤水,土壤贮水量（,soil water,pondage),指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量,2,）容积水,即一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积数,Vm,3,/ha,2,Dw(mm),*,A(ha,2,)/ A(ha,2,),=10,-3,Dw(m),*,A*10000m,2,/A(ha,2,)=10Dw(m,3,/ha,2,),1ha,2,=10000,平方米,土壤含水量,土壤水,一,.,烘干法,(1),经典烘干法,(2),快速烘干法,中子法,TDR(,时域反射仪,),法,土壤含水量,土壤含水量的测定方法,土壤水,经典烘干法,经典方法，简便、准确、可靠。,不足：,(1),需取出土壤，深层比较费力；,(2),且定期连续测定土壤含水量时，不可能在原处再取样，而不同位置上由于土壤的空间变异性，给测定结果带来误差；,(3),烘干至恒重需时间较长，不能及时得出结果。,土壤含水量的测定方法,土壤水,快速烘干法,红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等。,虽可缩短烘干和测定的时间,，但需要特殊设备或消耗大量药品。,不能,避免由于每次取出土样和更换位置等操作所带来的误差。,土壤含水量的测定方法,中子法、,TDR(,时域反射仪,),法,土壤水,土壤水的保持力,土壤水势,土壤水能态的测定,土壤水分特征曲线,土壤水的能态,土壤水,土壤水在各种力如吸附力、毛管力、重力等的作用下，与同样温度、高度和大气压等条件下的自由纯水相比,(,即以自由水作为参比标准，假定其势值为零,),，其自由能必然不同。这个自由能的差用势能来表示，称为土水势,土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。,土壤水势,土壤水,由重力作用而引起的土水势变化。,重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都存在。,大小取决于研究点的相对高度，参照点以上为正，反之为负，参比面处重力势为,0.,土壤水势,重力势,Gravitational Potential (,g,),2024/10/7,土壤水,压力势是指在土壤水,饱和,的情况下，由于受静水压力作用而产生土水势变化。,土壤水势,压力势,Pressure Potential (,p,),2024/10/7,饱和水层,土壤水,由吸附力和毛管力制约的土水势称为基质势,(m),。,土壤水势,基质势,Matric Potential (,m,),2024/10/7,土壤水,由溶解于土壤水的溶质引起土水势的变化，也称渗透势。,一般为负值。,土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。,土壤水势,溶质势,Osmotic Potential (,s,),土壤水,t,= ,m,+ ,p,+ ,s,+ ,g,土壤总土水势,Totol Soil Water,Potential,水分饱和时：,t,=,g,+ ,p,水分不饱和时：,t,=,m,+ ,s,（土壤水吸力）,土壤水,土壤水势的组成,土壤水,帕斯卡，,Pascal,。帕（,Pa,）,水柱高度,(mm),1Pa=0.1020mm,水柱,1mm,水柱,=9.8064Pa (0,时,),土壤水势单位,土壤水,土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。,T,-,m,正值,土壤水吸力,一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与,m,相等，但符号相反。,土壤水,土壤基质势的测定,张力计法,压力膜法,土壤水,土壤水的,基质势,随土壤,体积含水量,变化的关系曲线,soil water characteristic curve,土壤水吸力,=,基质势,土壤水分特征曲线,土壤水,土壤体积相对含水量,%,0 20 40 60 80 100,10,6,10,5,10,4,10,3,10,2,10,1,0.1,土壤水吸力,KPa,粘土,壤土,砂土,-15 bars,不同质地的土壤水分特征曲线,土壤水,土壤水分曲线的,滞后现象,：,对于同一土壤，即使在恒温条件下，由土壤脱湿（由湿变干）过程和土壤吸湿（由干变湿）过程测得的水分特征曲线也是不同的。,滞后作用中,“,墨水瓶效应,”,的示意图,土壤水分特征曲线,土壤水,永久萎蔫点,Permanent Wilting Point,土壤基质势为,-1,500 kPa (-15 bars).,土壤可利用水的最低限制,1),水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,田间持水量,Field Capacity,土壤可利用水的最高量,此时基质势为,-30KPa,1),水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,土壤类型,萎蔫点,(%),田间持水量,(%),砂土,5,18,壤土,10,26,粘土,15,35,1),水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,15%,12%,砂壤土,?,12%,15%,粉壤土,+,砂壤土,?,-7.0 bar,-9.0 bar,-12.0 bar,-9.0 bar,2),水分运动方向的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,土壤水因受到各种力的束缚,自由运动能力的改变,.,土壤水有效度的统一表达,.,土壤水运动方向的统一表达,.,土壤水与植物根系吸水,/,传输,/,叶片蒸腾的统一比较,土壤水势,土壤水,液态水,汽态水,SPAC,系统,土壤水运动,土壤水,土壤水运动,土壤液态水的运动,（,the flow of liquid water in soil,）,（,1,）饱和流,（,saturated flow,）,土壤孔隙全部充满水时的水流。,饱和流的推动力主要是,重力势梯度和压力势梯度,，基本上服从饱和状态下多孔介质的,达西定律,，即单位时间内流经单位面积土壤的水量,土壤水通量,与土水势梯度成正比,出现饱和流的一些情况 ：,大量持续降水和稻田淹灌,地下泉水涌出,水库库底等,土壤水,达西定律,q,表示单位面积的土壤水流通量（,cm,3,.cm,-2,.h,-1,），,H,表示总水势差（实际当中一般用厘米水柱表示，单位,cm,），,L,为水流路径的直线长度,(cm),，,K,s,为土壤饱和导水率,(cm.h,-1,),。,土壤水,q,= -K,s,(h,a,-h,b,)/L,达西定律,饱和导水率,(K,s),：反映土壤本身的特性，与土壤松紧度、质地、结构、孔隙状况（数量,/,大小,/,形状）密切相关。,K,s,的空间变异性极大：数量级差异。,土壤水,非饱和流：土壤孔隙未全部充满水,时的流动。,发生情形：,大多数情况,(,旱地,),推动力：,基质势梯度和重力势梯度,饱和流与非饱和流,土壤水,水流的通道,含水量越高，通道越多,土壤水含量与导水率,土壤水,Pore size and water movement,土壤水,水分入渗过程,(infiltration),the movement of water into the soil from surface,土壤水,温润前锋,Soil texture and Infiltration,砂壤土,粘壤土,Soil texture and Infiltration,上砂,+,下粘,上粘,+,下砂,土壤水的再分布,(soil water redistribution),概念：,土壤水,入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。,土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。,土壤水,在,地下水埋深较浅,时，土壤水通过剖面上的再分布可能达到地下水，从而补给地下水，促使地下水位抬高，或者随着地下水流侧向排到它处。这时人们将再分布进一步延续的过程称之为,“内排水”。也叫土壤水的渗漏。,土壤水的渗漏（,soil water percolation,）,土壤水,1.,蒸发,(Evaporation),2. “,夜潮”现象,3.,“冻后聚墒”现象,土壤水运动,土壤气态水的运动,(water vapor movement in soil),土壤水,土壤气态水的运动,蒸发,土壤水不断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸失的现象,土壤水,蒸发条件及影响因素,不断有热量到达土壤表面，以满足水的汽化热需要（,15 , 1g,水的汽化热约为,3.47kJ,）,土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压，以保证水汽不断进入大气,表层土壤须能不断从下层得到水的补充。,影响因素：空气和水的温度；风速；太阳辐射；空气湿度,土壤气态水的运动,蒸发,土壤水,阶段：, 稳定蒸发阶段, 蒸发率降低阶段, 扩散控制阶段,意义：,A,水循环的环节,B (,农业,),损失,C,动力,时 间,土壤气态水的运动,蒸发,土壤水,水同位素的激光测定,65,2010,12,越南,2011,9,北京,土面蒸发,/,植物蒸腾,土壤水的来源,白天土壤表层在大气蒸发力的作用下，水分因不断蒸发而减少，,变干,。,夜间降温，使得底土温度高于表土，,水汽,由底土水气压高处向水气压低处的表土方向移动，遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复,潮湿,。,多出现于地下水埋深较浅的“夜潮地”,土壤气态水的运动,“,夜潮”现象,土壤水,由于冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于是下层,水汽,不断向冻层集聚、冻结、使冻层含水量不断增加,我国北方冬季土壤冻结后的聚水作用,土壤气态水的运动,“,冻后聚墒”现象,土壤水,W =,P + I + U, ET R In - D,P:rainfall,(mm),；,I:irrigation,(mm),；,U:,毛管上升水,(mm),ET:,蒸散量,(mm),；,R,: run-off (mm),；,I,n,:,植物冠层截留量,(mm),；,D:,下渗水量,(mm),。,农田水分平衡公式,土壤水,Soil-Plant-Air Continuum,土壤,-,植物,-,大气连续体,土壤中的水分被植物根系吸收而进入植物体，并在植物体内传导，到达叶片后从气孔蒸腾到大气的统一的、物理的、连续体系。,SPAC,土壤水有效性,-,SPAC,土壤水,在,SPAC,体系中，水流总是由水势高处流向水势低处，其通量与水势差成正比，与相应的阻力成反比。,Soil-Plant-Air Continuum,土壤水有效性,-SPAC,土壤水,土水势根水势叶水势，,植物能顺利地从土壤中吸水，并满足蒸腾耗水时，植物就不会萎蔫。,土水势根水势叶水势，,水通过植物的阻力加大，植物吸不到水，或入不敷出时，植物就会发生萎蔫。,Soil-Plant-Air Continuum,土壤水有效性,-,SPAC,土壤水,土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。,不能被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,（,plant available water,）,。其中因其吸收难易程度不同又可分为,速效水,(,或易效水,),和迟效水,(,或难效水,),。,通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的,下限,。低于萎蔫系数的水分，作物无法吸收利用，属于无效水。这时的土水势,(,或土壤水吸力,),约相当于根的吸水力,(,平均为,-1.5MPa),或根水势,(,平均为,-1.5MPa),。,一般把田间持水量视为土壤有效水的,上限,。所以田间持水量与萎蔫系数之间的差值即土壤有效水最大含量。,土壤有效水最大含量,(,),田间持水量,(,),萎蔫系数,(,),土壤水有效性,土壤水,土壤水有效性,土壤水,本节重点,基本概念,:,吸湿系数,萎蔫点,毛管水,田间持水量,饱和含水量,.,土壤含水量表示方法,土水势,(,基质势，压力势，总土水势,),土壤水分特征曲线,有效水量的含义,土壤水分能量概念的意义,蒸发条件与影响因素,农田水分平衡公式,土壤水,