土壤学 第05章 土壤物理性质2(水).ppt

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1、主要内容主要内容(重点重点)：教学目标与要求：教学目标与要求：1.1.土壤水的类型土壤水的类型2.2.土壤含水量表示和测定方法土壤含水量表示和测定方法3.3.土壤水分能量土壤水分能量 4.4.土壤水分的运动基本类型土壤水分的运动基本类型 5.5.土壤水分循环土壤水分循环 6.6.土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控掌握土壤水的各种概念掌握土壤水的各种概念弄清土水势的定义及其各分势的计算弄清土水势的定义及其各分势的计算重点掌握土壤水分运动的定量描述重点掌握土壤水分运动的定量描述弄清饱和流和非饱和流的区别弄清饱和流和非饱和流的区别掌握土壤水平衡模型及其应用。掌握土壤水平衡模型及其应用。第三节第三节

2、 土壤水土壤水土壤水的重要性：土壤水的重要性：土壤水的重要性：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；土壤水是土壤形成发育的催化剂；n土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在105105温度下从土壤中驱逐出来的水。温度下从土壤中驱逐出来的水。土壤水的类型土壤水的类型n吸湿水吸湿水n膜状水膜状水n毛管

3、水毛管水n重力水重力水土土土土 壤壤壤壤 吸吸吸吸 湿湿湿湿 水水水水*干土从空气中吸着水汽所保持的水称为干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水吸湿水。土壤水的类型土壤水的类型最大吸湿量：最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并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。在土粒表面凝结成液态水的数量。吸湿系数：吸湿系数：当土壤固相颗粒的表面吸附作用与解吸作用达当土壤固相颗粒的表面吸附作用与解吸作用达到平衡后，土壤的含水量。到平衡后，土壤的含水量。吸湿水主要依靠的是土壤固相颗粒表面的分子引力对土壤吸湿水主要依靠的是土壤固相颗粒表面的分子引力对土壤空气中水汽的空

4、气中水汽的吸附作用。吸附作用。因此吸力大，排列紧密，无溶解因此吸力大，排列紧密，无溶解能力，也不能移动和被植物吸收，能力，也不能移动和被植物吸收，是无效水。是无效水。膜膜状状水水示示意意图图当吸湿水达到最大量后，土当吸湿水达到最大量后，土粒仍有剩余的引力作用于水粒仍有剩余的引力作用于水分子，吸附液态水分子而在分子，吸附液态水分子而在吸湿水的外围形成的水膜，吸湿水的外围形成的水膜，称为称为土壤膜状水土壤膜状水土壤土壤土壤土壤膜状水膜状水膜状水膜状水*土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为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土壤最大分子持水量作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久凋

5、萎时的土壤含水量称为作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久凋萎时的土壤含水量称为凋萎系数。凋萎系数。它是植物可利用土壤水分的下限，也是制定灌溉制度它是植物可利用土壤水分的下限，也是制定灌溉制度的下限。的下限。当吸湿水达到最大量后，土当吸湿水达到最大量后，土粒仍有剩余的引力作用于水粒仍有剩余的引力作用于水分子，吸附液态水分子而在分子，吸附液态水分子而在吸湿水的外围形成的水膜，吸湿水的外围形成的水膜，称为称为土壤膜状水土壤膜状水土壤土壤土壤土壤膜状水膜状水膜状水膜状水*土壤水的类型土壤水的类型土壤水的类型土壤水的类型水水沿沿着着毛毛管管上上升升毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0

6、.1mm 毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失由土壤毛管力所保持在土壤由土壤毛管力所保持在土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管孔隙中的水分，称为毛毛管水。管水。特点：特点：毛管水完全接近于液态水性毛管水完全接近于液态水性质，对植物完全有效，是土质，对植物完全有效，是土壤最宝贵的水分，重力对其壤最宝贵的水分，重力对其没有明显影响。在毛管范围没有明显影响。在毛管范围内，孔径越细，毛管作用越内，孔径越细，毛管作用越强。强。土壤土壤毛管水毛管水毛管水毛管水*土壤水的类型土壤水的类型毛管悬着水达到最大值时的土毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为壤含水量称为田间持水

7、量田间持水量，通，通常作为灌溉水量定额的最高指常作为灌溉水量定额的最高指标。标。在数量上它包括在数量上它包括吸湿水、膜状吸湿水、膜状水和毛管悬着水。水和毛管悬着水。田间持水量的大小，主要受质田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。状况等的影响。田间持水量田间持水量土壤水的类型土壤水的类型毛管悬着水毛管悬着水毛管悬着水毛管悬着水*当地下水位很深时，由地表进入土当地下水位很深时，由地表进入土壤，借助于毛管力保持在上层土壤壤，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，好像下水上升

8、的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样悬挂在上层土壤中一样毛毛毛毛管管管管悬悬悬悬着着着着水水水水示示示示意意意意图图图图毛管断裂含水量：毛管断裂含水量：毛管水分运行速度很快，当地表蒸发时，下层水分沿毛毛管水分运行速度很快，当地表蒸发时，下层水分沿毛管向上移动，补充地表水分损失，当含水量降低到一定水平，毛管水分就管向上移动，补充地表水分损失，当含水量降低到一定水平，毛管水分就失去了连续性，在一些较大孔隙充有空气阻隔水分移动，这时的土壤含水失去了连续性，在一些较大孔隙充有空气阻隔水分移动，这时的土壤含水量叫毛管断裂含水量。毛管断裂含水量相当于田间持水量的量叫毛管断裂含水量。毛管断裂含水量相当

9、于田间持水量的60-70%左右。左右。也是人们常说的也是人们常说的水分胁迫点。水分胁迫点。土壤水的类型土壤水的类型地下水沿毛管隙上升而被毛管力地下水沿毛管隙上升而被毛管力保持在土壤中的与地下水直接联保持在土壤中的与地下水直接联系的水分，称为系的水分，称为毛管支持水毛管支持水毛管支持水毛管支持水土壤水的类型土壤水的类型地下水位地下水位毛毛毛毛管管管管支支支支持持持持水水水水示示示示意意意意图图图图毛管上升水达到最大量的土壤含毛管上升水达到最大量的土壤含水量，称为水量，称为毛管持水量毛管持水量从地下水面到毛管上升水所能达从地下水面到毛管上升水所能达到的相对高度，称为到的相对高度，称为毛管水上升毛管

10、水上升高度高度h h 水柱高度水柱高度(cm)d(cm)d 孔隙直径孔隙直径(mm)(mm)主要发生在地势低洼的河谷地区及主要发生在地势低洼的河谷地区及泛滥平原地区。泛滥平原地区。土壤发生次生盐渍化的前提条件之一土壤发生次生盐渍化的前提条件之一土壤饱和含水量土壤饱和含水量土壤饱和含水量土壤饱和含水量土壤所有孔隙都充满水时的含水量，也称为土壤全持水量。土壤所有孔隙都充满水时的含水量，也称为土壤全持水量。土壤水的类型土壤水的类型重重重重 力力力力 水水水水*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，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，而在重力作用下沿着大孔隙向

11、下渗漏的多余水分。而在重力作用下沿着大孔隙向下渗漏的多余水分。特点：特点：主要发生在大孔隙中主要发生在大孔隙中 植物的临时有效水植物的临时有效水保存时间短保存时间短容易产生养分淋失，污染地下水容易产生养分淋失，污染地下水有效水最有效水最大含量大含量土壤含水量表示与测定方法土壤含水量表示与测定方法土壤含水量表示方法土壤含水量表示方法土壤含水量表示方法土壤含水量表示方法1、质量含水量、质量含水量（m%）m%2、容积含水量、容积含水量（v%）v%(土壤水容积土壤水容积/土壤总容积土壤总容积)x100 m%x Db3、土壤相对含水量、土壤相对含水量土壤相对含水量土壤相对含水量土壤含水量土壤含水量田间持

12、水量田间持水量x1004 4 4 4、土壤贮水量：一定面积和厚度土壤中土壤水的总贮量、土壤贮水量：一定面积和厚度土壤中土壤水的总贮量、土壤贮水量：一定面积和厚度土壤中土壤水的总贮量、土壤贮水量：一定面积和厚度土壤中土壤水的总贮量（1）水深（水深，）水深（水深，mm）（2）绝对水体积（容量）（）绝对水体积（容量）（m3）水水mm=xxh10 v%绝对水体积绝对水体积=10水水mm 土壤含水量表示与测定方法土壤含水量表示与测定方法土土土土壤壤壤壤含含含含水水水水量量量量测测测测定定定定方方方方法法法法土壤含水量表示与测定方法土壤含水量表示与测定方法水分测定仪器水分测定仪器土水势及其分势土水势及其分

13、势土水势及其分势土水势及其分势土壤土壤B B粘土粘土15%15%水水流流向向何何方方？土壤土壤A A砂土砂土10%10%土壤水分能量土壤水分能量土水势及其分势土水势及其分势土水势及其分势土水势及其分势基质势（基质势（m m）*n负值，当土壤饱和时最大负值，当土壤饱和时最大0.0.n土壤含水量越高，基质势也越高。土壤含水量越高，基质势也越高。压力势（压力势（p p）*n正值。只有当土壤水分饱和时才有压力势在不饱正值。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和土壤中压力势为0.0.饱和土层越深，压力势越高。饱和土层越深，压力势越高。n p p=w wghV ghV 土壤水分能量土壤水分

14、能量 溶质势（溶质势（S S）*负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。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溶质势只有对半透膜的水分运动起作用。土壤水分能量土壤水分能量 重力势（重力势（g g）*重力势（重力势（g g）是指由重力作用而引起的）是指由重力作用而引起的土水势变化土水势变化 任何时后重力势都存在。高于参比面时任何时后重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为为正，反之为负，参比面处重力势为0 0总水势：总水势：t t=m m+p p+s s+g g 注意：在不同的情况下，土壤总水势的各分势组成是不同的。注意：在不同的情况下，土壤总水势的

15、各分势组成是不同的。土壤水分能量土壤水分能量 当土壤水分饱和时：当土壤水分饱和时：总水势：总水势：t t=p p+s s+g g m m=0=0总水势：总水势：t t=m m+s s+g g p p=0=0 当土壤水分不饱和时：当土壤水分不饱和时：运动方向：从总水势高（绝对值小）运动方向：从总水势高（绝对值小）总水势低（绝对值大）总水势低（绝对值大）土壤水吸力土壤水吸力土壤水吸力土壤水吸力*土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所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。处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。T Tm m n一般谈及的

16、吸力是指基质吸力，其值与一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与 m m相等，相等，但符号相反。但符号相反。绝对正值绝对正值绝对正值绝对正值土壤水分能量土壤水分能量土壤水势单位及定量测定土壤水势单位及定量测定土壤水势单位及定量测定土壤水势单位及定量测定土水势的标准单位：帕（土水势的标准单位：帕（PaPa）n 1 Pa=0.0102 cm 1 Pa=0.0102 cm 水柱水柱n 1 1 atmatm=1033 cm=1033 cm 水柱水柱=1.0133 bar=1.0133 barn 1 bar=0.9896 1 bar=0.9896 atmatm =1020 cm =1020 cm 水柱水柱n

17、1 bar=100000 Pa1 bar=100000 Pa土壤水分能量土壤水分能量 土水势的测定土水势的测定 张力计法和压力膜法张力计法和压力膜法土壤水分能量土壤水分能量土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线*：指土壤水分含量与土壤基质势或水吸力的关系曲线。指土壤水分含量与土壤基质势或水吸力的关系曲线。目前尚无法从理论上推导出土壤含水率与土壤水吸目前尚无法从理论上推导出土壤含水率与土壤水吸力或基质势之间小关系，只能用实验方法获得水分力或基质势之间小关系，只能用实验方法获得水分特征曲线。特征曲线。土壤水分能量土壤水分能量0 10 20 30 40 50 60 70土壤

18、水吸力土壤水吸力/cm黏土黏土壤土壤土砂土砂土土壤含水量土壤含水量%土壤水分能量土壤水分能量影响因素：影响因素：结构性结构性 质地质地 温度温度土壤水分能量土壤水分能量水分特征曲线的用途：水分特征曲线的用途：水分特征曲线的用途：水分特征曲线的用途：可利用它进行土壤水吸力可利用它进行土壤水吸力S S和含水率和含水率 之间的换算。之间的换算。土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的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。分布。水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持水性和土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。壤水分的有效性。应用数学物理方法对土壤中的水运动

19、进行定量分析时，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。水分特征曲线是必不可少的重要参数。土壤水分能量土壤水分能量土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型饱和水运动饱和水运动饱和水运动饱和水运动 饱和水运动是指土壤水分处于完全饱和状态下的水饱和水运动是指土壤水分处于完全饱和状态下的水分运动。分运动。饱和流的推动力主要是饱和流的推动力主要是重力势梯度重力势梯度和和压力势梯度压力势梯度运动通道是运动通道是通气孔隙通气孔隙饱和流导水率饱和流导水率饱和流导水率饱和流导水率(Saturated hydraulic conductivity)(Saturated

20、hydraulic conductivity)土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度。向运动的速度。影响饱和导水率的因素影响饱和导水率的因素：质地质地质地质地 结构结构结构结构 有机质含量有机质含量有机质含量有机质含量 无机胶体性质无机胶体性质无机胶体性质无机胶体性质土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型KR28非饱和水运动非饱和水运动非饱和水运动非饱和水运动*（unsaturtedunsaturted soil water flaw)soil water flaw)非饱和水运动是指土壤水分处于不饱和状态下的水非饱和水运动是指

21、土壤水分处于不饱和状态下的水分运动。分运动。自然界土壤中的水分运动类型自然界土壤中的水分运动类型推动力主要是推动力主要是基质势梯度基质势梯度和和重力势梯度重力势梯度水分运动的通道主要是水分运动的通道主要是毛管孔隙毛管孔隙同一种土壤的非饱和导水率因土壤含水量不同而异同一种土壤的非饱和导水率因土壤含水量不同而异土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型d/dx为总水势梯度为总水势梯度非饱和导水率是土壤非饱和导水率是土壤基质势的函数。基质势的函数。土壤水汽运动土壤水汽运动土壤水汽运动土壤水汽运动土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型qDsdPdx水汽压梯度水汽

22、压梯度土壤中的水汽总是由温度高、水汽压高处向温度低、水汽土壤中的水汽总是由温度高、水汽压高处向温度低、水汽压低运动。当水汽由暖处向冷处扩散遇冷时便会凝结成液压低运动。当水汽由暖处向冷处扩散遇冷时便会凝结成液态水，这就是态水，这就是水汽凝结水汽凝结水汽扩散水汽扩散水汽凝结水汽凝结土壤水分运动基本类型土壤水分运动基本类型n n“冻后聚墒冻后聚墒冻后聚墒冻后聚墒”现象现象现象现象*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、使冻层不断加厚，其含水量有所下层水汽不断向冻层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其

23、含水量有所增加，这就是增加，这就是“冻后聚墒冻后聚墒”现象。现象。“冻后聚墒冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，含水量高冻结强度大，“冻后聚墒冻后聚墒”就比较明显。一般对土壤上层增就比较明显。一般对土壤上层增水作用为水作用为24左右左右。n “夜潮夜潮”现象现象 多出现于地下水埋深度较浅的多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地夜潮地”。白天土壤表层晒干，夜间降温，底土温度高白天土壤表层晒干，夜间降温，底土温度高于表土，水汽向上运动，遇冷凝结，使表土恢复于表土，水汽向上运动，遇冷凝结，使表土恢复潮湿。潮湿。水分入渗

24、水分入渗水分入渗水分入渗水分再分布水分再分布水分再分布水分再分布水分蒸发水分蒸发水分蒸发水分蒸发土壤向植物供水土壤向植物供水土壤向植物供水土壤向植物供水土壤水分循环土壤水分循环土壤土壤土壤土壤植物植物植物植物大气连续体大气连续体大气连续体大气连续体(SPAC)(SPAC)影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：供水速率供水速率 土壤的入渗能力土壤的入渗能力(入渗速率入渗速率)土壤水分循环土壤水分循环(一一)土壤入渗土壤入渗*指地面供水（降水或灌溉）期间，水分自土表垂指地面供水（降水或灌溉）期间，水分自土表垂直向下渗入土壤的运动过程。但也不排斥如沟灌中水分直向下渗入土壤的运动过程。但也不排斥如沟

25、灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。沿侧向甚至向上进入土壤的过程。最初入渗速率：最初入渗速率：最初入渗速率：最初入渗速率：Initial infiltration rateInitial infiltration rate稳定入渗速率：稳定入渗速率：稳定入渗速率：稳定入渗速率：stable infiltration ratestable infiltration rate几种不同质地土壤的稳定入渗速率几种不同质地土壤的稳定入渗速率(毫米毫米/小时小时)土壤质地砂土砂质和粉质土壤壤土粘质土壤碱化粘质土壤稳定入渗速率2010-205-101-51 所以无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最

26、初能使上层土所以无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使上层土壤先积蓄水，以后才下渗。壤先积蓄水，以后才下渗。土壤水分循环土壤水分循环 概念：概念：概念：概念：土壤水入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度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。影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。特点：特点：土壤水的再分布土壤水的再分布土壤水的再分布土壤水的再分布(soil water redistribution)(soil water redistribution)土壤水分循环土壤水分循环 是一个无休止的过程是一个无休止的过程 是非饱和水的运动是非饱和水的运动

27、随时间延长，水分再分布过程逐渐减弱随时间延长，水分再分布过程逐渐减弱土面蒸发土面蒸发土面蒸发土面蒸发(Soil potential evaporation)(Soil potential evaporation)概念：概念：概念：概念：土壤水分经过土表以水汽扩散方式进入大气的土壤水分经过土表以水汽扩散方式进入大气的 过程。过程。衡衡衡衡量指标：量指标：量指标：量指标：蒸发强度蒸发强度土壤水分循环土壤水分循环土面蒸发过程区分为三个阶段：土面蒸发过程区分为三个阶段：土面蒸发过程区分为三个阶段：土面蒸发过程区分为三个阶段：1 1、表土蒸发强度保持稳定的阶段、表土蒸发强度保持稳定的阶段、表土蒸发强度保

28、持稳定的阶段、表土蒸发强度保持稳定的阶段 2 2、表土蒸发强度随含水率变化的阶段、表土蒸发强度随含水率变化的阶段、表土蒸发强度随含水率变化的阶段、表土蒸发强度随含水率变化的阶段3 3、水汽扩散阶段水汽扩散阶段水汽扩散阶段水汽扩散阶段土壤水分循环土壤水分循环雨水或灌水后及时中雨水或灌水后及时中耕或地面覆盖耕或地面覆盖地面覆盖，中地面覆盖，中耕结合镇压耕结合镇压镇压镇压 土壤向植物供水：土壤向植物供水：主动吸水和被动吸水。被动吸水为主要方式，主动吸水和被动吸水。被动吸水为主要方式，其动力是从植物叶面到茎到根到土壤的水势其动力是从植物叶面到茎到根到土壤的水势梯度。主动吸水一般不超过植物只水量的梯度。

29、主动吸水一般不超过植物只水量的10%10%。土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控田间土壤水分平衡田间土壤水分平衡田间土壤水分平衡田间土壤水分平衡 （Soil water balanceSoil water balance）田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分平衡的数学表达式：平衡的数学表达式：W=P+I+U-E-T-R-In-D W=P+I+U-E-T-R-In-D 田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散，是一定时间内一在一起，统称蒸散，是一定时间内一定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和。定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和。土壤水分平衡简化式为土壤水分平衡简化式为 W=P+I-ET-DW=P+I-ET-D 土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控U 土壤水的调控措施土壤水的调控措施 主要包括土壤水的保蓄和调节。主要包括土壤水的保蓄和调节。耕作措施耕作措施 秋耕秋耕 中耕中耕 镇压等镇压等地面覆盖地面覆盖 薄膜覆盖薄膜覆盖 秸秆覆盖秸秆覆盖灌溉措施灌溉措施 喷灌、滴灌、渗灌喷灌、滴灌、渗灌生物节水生物节水 土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控土壤水分平衡与调控以色列沙地优质土豆以色列沙地优质土豆以色列沙地优质土豆以色列沙地优质土豆以色列塑料坝以色列塑料坝