1、第三章 土壤水,生物与农业工程学院,土壤水分的重要性,土壤水=土壤溶液 土壤水分是土壤肥力的重要因素之一，它一方面直接供给植物吸收利用；另一方面又影响土壤的其它性状和肥力因素。,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。 土壤水实际上是指在105温度下从土壤中驱逐出来的水。,土壤水的重要性,土壤水分对土壤肥力的影响 土壤水分影响土壤的养分状况 土壤水分影响土壤的通气状况 土壤水分影响土壤的热量状况 土壤水分影响微生物活动 土壤水分影响土壤的物理机械性和耕性,土壤水分的重要性,主要内容,
2、一、土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定二、土壤水的能态三、田间土壤水分平衡,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型及其有效性二、土壤水分含量的表示方法三、土壤水分含量的测定,土壤水,固态水 冬季土壤结冰时存在,液态水,气态水 存在于土壤空气中,受土粒分子引力,吸湿水,膜状水,受毛管力作用,毛管悬着水,毛管上升水,受重力作用,重力水,地下水,一、土壤水的类型及其有效性,土壤水形态类型示意图,一、土壤水的类型及其有效性,-土壤水类型的划分与土壤水的研究方法有关。 -土壤水的研究方法有：能量法和数量法。 这里介绍基于数量法对土壤水类型的划分。,1、土壤水分类型划分 吸湿水
3、膜状水 毛管水 重力水,数量法,一、土壤水分类型及有效性,1.土壤吸湿水,干燥土粒从空气（土壤和大气）中吸附的气态水称为土壤吸湿水。,土壤吸湿水特点,吸湿水受到束缚力很大，31-10000个大气压，植物吸水15-16大气压，不能被植物利用。土壤吸湿水在105下可烘出来。土壤吸湿水受质地、相对湿度等因素影响。,粘土的吸湿水大于壤土，壤土大于沙土。空气相对湿度愈大，吸湿水含量愈大。,空气相对湿度,吸湿水示意图,吸湿系数烘干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最大量与烘干土重的百分比。最大吸湿量 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。吸湿系数大小主要与土壤的比表面积（
4、单位质量土粒的表面积总和）及有机质含量有关。比表面积大（颗粒细）的土壤，含有机质丰富的土壤，吸湿系数大。,土壤水分常数,土壤质地愈粘重，吸湿系数愈大。,2.土壤膜状水,土壤颗粒借助吸附力吸附在吸湿水外围的连续液态水膜称为土壤膜状水。 膜状水对植物生长发育来说属于弱有效水分，又称为松束缚水分。,膜状水示意图,土粒,膜状水,膜状水比吸湿水所受的吸附力小得多，它具有液态水的性质，可以移动，但因粘滞度较大，其移动速率非常慢。一般是由水膜厚处向水膜薄处移动。部分有效膜状水的内层水，植物根无法吸收利用，为无效水。膜状水的外层水，植物可以吸收利用，但数量极为有限。,土壤膜状水特点,膜状水移动示意图,土壤水分
5、常数,由于不同植物的耐旱能力各不相同，所以一般用盆栽向日葵作为直接测定凋萎系数的植物。有时用吸湿系数乘1.34可间接求算。, 影响因素：土壤质地、植物种类、气候等。, 凋萎系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。,不同质地土壤的凋萎系数(%),3.土壤毛管水,依靠毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水称为毛管水。毛管水包括毛管悬着水和毛管上升水。,毛管力计算（单位为达因/cm2）(达因:质量为1g的物体产生1cm/s的加速度所需要的力)：P（毛管力）=2T（表面张力）/R（毛管半径）土壤质地粘，毛管半径小，毛管力大。当孔径粘土沙土,土壤质地对有效水范围的影响,2)土壤结构,团粒结构土壤孔隙度大，含水
6、量高，毛管孔隙发达，因此有效水含量高，如团聚体发育好的东北黑土。,3)土壤有机质,有机质本身的持水量很大，更能促进良好土壤结构的形成，多施有机物质，可以扩大有效水范围。有机质能增强土壤的渗透性，有利于土壤接受降雨，可增加土壤的实际含水量。,有机质对有效水范围的影响,4)土壤层次,由于不同土层的结构，有机质含量和土壤结构等不相同，所以有效水含量范围有较大差异，一般是表层土壤有效水含量高于下层。,东北黑土不同土层的有效含水范围,土壤墒情,在北方，土壤水分状况称为墒情。一般分为汪水，黑墒，黄墒，潮干土和干土。汪水：土壤含水量在田间持水量以上。黑墒：土壤含水量为田间持水量的75%以上。黄墒：土壤含水量
7、为田间持水量的50%75%。潮干土：土壤含水量在田间持水量的50%以下。干土：土壤含水量在萎蔫系数以下。,四、 土壤含水量的测定方法,1 烘干法2 电阻法3 中子法4 TDR法,1. 烘干法,标准方法：使用最普遍将田间采回的土样放到烘箱中，在105条件下烘干至恒重（6-8小时）；也可用红外线烘干法，微波炉烘干法，酒精燃烧法。测定结果为土壤质量含水量。,2. 电阻法,电极放在石膏、尼龙或玻璃纤维制成的传感器中，然后将传感器埋入土壤，传感器的多孔体吸水达到平衡，读取电阻数。利用已校订的土壤含水量与所测电阻关系，求算土壤含水量。,3. 中子法,将快中子源和慢中子探测器放在埋入土壤的封闭套管中。快中子
8、源放射出快中子，这些中子与土壤水中的氢核碰撞后，失去部分能量而变成慢中子。通过慢中子探测器测出慢中子数量，并经标定公式求出土壤水含量。方法比较精确，但只能测定深层土壤水分，并且在有机质含量变化大的土壤中精度会受到影响。,4. TDR法,TDR是time-domain-reflectometry 的缩写，中文叫时域反射仪。上个世纪80年代发展起来的，可测定土壤的容积含水量和土壤含盐量。,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势,土壤A砂土10%,土壤B粘土15%,水流向何方？,土水势是土壤中不同部位水的能量相对水平比较，是一种衡量土壤水能量的指标。 土水势是在标准大气压下从在指定高度的纯水水体中
9、移动无穷小量的水到土壤水分中去，每单位数量的纯水所需做功的数量。,一、土水势概念,土,作功,水,二 土壤水势组成,基质势溶质势压力势重力势,1）基质势,在水分不饱和情况下，土壤水吸力和毛管力对水作用产生的水势，基质势为负值。土壤含水量越高，基质势越高（绝对值越小），土壤水达到完全饱和时，基质势接近0。,2）溶质势,由于土壤水中溶解的溶质而引起土水势的变化，也称为渗透势，一般溶质势为负值 。土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。溶质势只有在土壤水运动或传输过程中存在半透膜时才起作用，一般土壤中不存在半透膜，可忽略不计。,3）压力势,土壤水饱和的情况下，由于受压力而产生土水势的变化。愈深土层中的水，
10、所受的压力愈大，压力势为正值。在土壤水分不饱和时，压力势为零。,4）重力势,由于重力作用而引起的土水势的变化。所有土壤水都受到重力作用，重力势一般为正值。重力势相当于使一定数量的水，由一个参照点的水位抬高到一定高度所作的功。高度愈高则重力势的正值愈大，反之亦然。,土壤(总)水势=基质势+溶质势+压力势+重力势 t=m +s +p +g,在不同的情况下，土壤总水势的各分势组成是不同的。土壤水饱和状态下 （不考虑半透膜的存在）t = p + g土壤水不饱和情况下 t = m + g,三 土壤总水势,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。,绝对正值
11、,四、 土壤水吸力,一般，土壤水吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反。,基质势和溶质势一般为负值，将基质势和溶质势的相反数（正数）定义为土壤水吸力（S），也可分别称为基质吸力和溶质吸力。,如何用水吸力和水势判断水分运动的方向？,土壤水吸力可用于判明土壤水的流向，土壤水总是从土壤水吸力低处向土壤水吸力高处流动。对一定土壤而言，土壤水吸力越大，表明含水量越低；水吸力越小，含水量越高；土壤水达到饱和时，水吸力接近0。,五、 土水势的测定,土水势的标准单位：帕（Pa） 1 Pa=0.0102厘米水柱 1 atm=1033厘米水柱=1.0133bar 1 bar=0.9896atm=1020厘米水
12、柱 1 bar=100000 Pa,一般只能测定8万帕以下的土壤水吸力。,张力计结构示意图,张力计的底部是一个细孔陶瓷杯，孔径约在1.01.5m之间，其上连接一塑料管或抗腐蚀的金属管，管上连一水银压力计或真空压力表。,张力计法,使用时把瓷杯和管内都装满水，整个仪器封闭，插入土中，使瓷杯与土壤紧密接触，这样杯内通过细孔与土壤水相连并逐渐达到平衡。仪器内的水承受与土壤水相同的吸力，其数值可由真空压力表或水银压力表显示出来。田间植物可吸收的土壤水大部分在张力计可测范围内。,张力计法,T系列土壤水势张力计,六、土壤水分特征曲线,土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分特
13、征曲线或土壤持水曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。,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）之间的关系，只能用实验方法获得土壤水分特征曲线。S=ab S=a(/s)b S=A(s-)n/m 式中，吸力S的单位常用Pa表示；s为饱和含水率；a、b、A、m、n为相应的经验常数。,土壤水分特征曲线受土壤质地、结构、容重等因素影响。,在土壤含水率相同的情况下，不同质地土壤水吸力不同:沙土壤土粘土。,水分特征曲线的滞后现象,土壤水分特征曲线与土壤中水分变化的过程有关。对于同一土壤，即使在恒温条件下，由土
14、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。这种现象称为滞后现象。,滞后现象的产生与土壤颗粒的胀缩性以及土壤孔隙的分布特点(如封闭孔隙、大小孔隙的分布等)有关。,土壤水分特征曲线的用途,第四，应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，土壤水分特征曲线是必不可少的重要参数。,首先，可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的换算。,其次，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。,第三，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。,第三节 田间土壤水分平衡,一、土壤水的来源,土壤水分,大气降水,灌溉水,地下水上升和大气中水汽的凝结
15、,地下水,大气凝结水,渗漏、侧向径流和下渗径流,地下水,河流,第三节 田间土壤水分平衡,二、 土壤水的消耗,土壤蒸发 土壤水汽进入大气的过程。 植物蒸腾,第三节 田间土壤水分平衡,土壤水分循环图, 植被 蒸腾作用与土壤水分平衡关系密切，植被组成和覆盖度对土壤水分状况都有较大影响。 气候 降雨量和蒸发是重要因素。 土壤物理性质 土壤质地、结构和有机质含量等因素对土壤水的渗透、流动和蒸发有重要影响。 地形 地形影响水分的再分配。,影响土壤水分状况的因素, 水文地质 在不透水层接近地面、地下水位高的地方，或者有承压地下水来源的地方，地下水通过毛管上升水上行，构成土壤水的一部分。 人为影响 灌溉、排水
16、以及耕作等土壤管理措施对土壤水分状况产生影响。,三、 土壤水分管理,1. 选择适宜的植物不同植物的蒸腾系数不同（植物每形成1g干物质所需要蒸腾水分的克数叫蒸腾系数）。同一植物的需水量受许多条件影响，例如植物密度、叶面积指数、生物量、土壤养分供应状况。,2 .采用合理的灌溉方式,畦灌和沟灌喷灌滴灌 :最节约水分，可控性强渗灌,3. 采取控制蒸发的措施,纸垫和塑料覆盖物：可透水，防止水分蒸发，但价格昂贵，造成一定污染。免耕覆盖中耕和控制杂草：通过使用除草剂效果好。应用保水剂：高吸水性树脂，吸水量可达自身质量的几十至几百倍。采用蒸腾抑制剂：有的为腐殖酸类物质，可缩小气孔开度；有的为无色塑料等，喷到叶
17、面上形成CO2可以通过而水分不易通过的薄膜。,四、土壤植物大气连续体(SPAC),水分在土壤、 植物、 大气三者之间不断迁移，形成了水分迁移系统。这一系统于1966年被澳大利亚学者J.R.菲利普命名为土壤-植物-大气连续体，简称为SPAC系统。 SPAC系统中的水分迁移，首先是液态水自土壤向植物的根表皮运移，然后穿过根的表皮、皮层、内皮层到达木质部的导管，再沿茎、叶的导管而达叶细胞，接着在叶细胞间隙和气孔腔的壁面上发生液态水转化为汽态水的散发，再经空气扩散作用散失到大气中。,四、土壤植物大气连续体(SPAC),由水势引起，水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。,沙漠植物在200800万帕时仍
18、能生存。,土壤中的水汽总是从温度高、水汽压高处向温度低、水汽压低处运动，当水汽由暖处向冷处扩散遇冷时便可凝结成液态水，这就是水汽凝结。 水汽凝结有两种现象值得注意，一是“液潮”现象，二是“冻后聚墒”现象。,五、土壤水汽凝结,多出现于地下水埋藏深度较浅的“夜潮地”。,“夜潮”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，其含水量有所增加，这就是“冻后聚墒”现象。,“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。含水量高、冻结强度大，“冻后聚墒”就比较明显。一般对土壤上层增水作用为24左右 。,“冻后聚墒”现象,一、名词解释
19、土水势 吸湿水 吸湿量 膜状水 毛管水 毛管断裂持水量 田间持水量 土壤水吸力 土壤水分特征曲线 夜潮作用 冻后聚墒 萎蔫系数,本章小结,二、 问答题1、土壤水在土壤中有何重要作用? 2、影响吸湿水含量的因素主要有哪些? 3、分析土壤水分的有效性。4、土壤水总是从含水多的地方向含水少地方运动，这种说法正确否?为什么 ?5、冻后聚墒和夜潮作用的机理是什么?6、土水势与土壤水吸力有何异同点？,课堂速测,1.风干土中含有吸湿水，烘干土中没有( )2.土壤水总是从含水多的地方向含水少地方运动( )3.土壤水总是从土壤水吸力低处向土壤水吸力高处流动( ) 4.土壤水总是从土水势高处向土水势低处流动( ) 5.同一吸力值下，容重愈大的土壤，相应的含水率也要大( ) 6.毛管水上升高度一般是粘土壤土砂土( ) 7.土壤黏粒愈高，同一吸力条件下土壤的含水率愈大( )8.温度升高，土壤水吸力减小( ),
