土壤学第五章土壤水.ppt
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1、第五章第五章 土壤水土壤水1教学目标教学目标与要求与要求1.1.土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定 2.2.土壤水的能态土壤水的能态 3.3.土壤水的运动土壤水的运动 4.4.土壤中的溶质运移土壤中的溶质运移 1.掌握土壤水的各种概念、各种水分常数;掌握土壤水的各种概念、各种水分常数;2.弄清土水势的定义及其各分势;弄清土水势的定义及其各分势;3.重点掌握土壤水分运动规律重点掌握土壤水分运动规律;4.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。主要内容主要内容2 第一节第一节 土壤水的类型划分土壤水的类型划分 及土壤水分含量的测定及土壤水分含量
2、的测定 一、土壤水的类型划分及有效性一、土壤水的类型划分及有效性 (一)土壤水的类型划分(一)土壤水的类型划分 1.吸湿水吸湿水(hydroscopic water)(紧束缚水)(紧束缚水)土粒通过吸附力吸附空气中土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子水汽分子所保持的水分。所保持的水分。吸吸附附力力很很强强,可可达达31至至10000atm,因因而而水水的的密密度度增增大大,可可达达1.5g/cm3,无无溶溶解解能能力力,不不移移动动,通通常常在在105110条件下烘干除去。对植物无效。条件下烘干除去。对植物无效。3 只含有吸湿水的土壤称为只含有吸湿水的土壤称为风干土风干土;除去吸湿水的绝对干土称为
3、除去吸湿水的绝对干土称为烘干土烘干土。风干土重风干土重 烘干土重烘干土重=1+吸湿水吸湿水%风干土重风干土重=烘干土重烘干土重(1+吸湿水吸湿水%)土壤吸湿水含量受土壤质地的影响,粘质土吸附力强,土壤吸湿水含量受土壤质地的影响,粘质土吸附力强,保持的吸湿水多,砂质土则吸湿水含量低保持的吸湿水多,砂质土则吸湿水含量低。吸湿水含量还受空气湿度的影响,空气相对湿度高,吸湿水含量还受空气湿度的影响,空气相对湿度高,吸湿水含量高,反之则吸湿水含量低。吸湿水含量高,反之则吸湿水含量低。4膜膜状状水水示示意意图图2 2.膜状水膜状水 (membraneous water)membraneous water)
4、土粒吸附力所保持的液态水,在土粒周围形成连续水膜。土粒吸附力所保持的液态水,在土粒周围形成连续水膜。5 保持的力较吸湿水低,保持的力较吸湿水低,6.2531atm,密度较,密度较吸湿水小,无溶解性;移动缓慢,由水膜厚的地吸湿水小,无溶解性;移动缓慢,由水膜厚的地方往水膜薄的地方移动,速度仅方往水膜薄的地方移动,速度仅0.20.4mm/hr。膜状水对植物有效性低,仅部分有效。膜状水对植物有效性低,仅部分有效。3.毛管水毛管水(capillary water)存在于毛管孔隙存在于毛管孔隙(capillary pore)中为弯月面力中为弯月面力所保持的水分。所保持的水分。6水水沿沿着着毛毛管管上上升
5、升毛管作用力范围:毛管作用力范围:0.11mm有明显的毛管作用有明显的毛管作用0.050.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.050.005mm 毛管作用最强毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失7土土 粒粒毛管毛管上升上升水示水示意图意图地下水位地下水位(1)毛管上升水毛管上升水(capillary supporting water)与地下水有联系,随毛管上升保持在土壤中的水分。与地下水有联系,随毛管上升保持在土壤中的水分。8土土 粒粒毛管毛管悬着悬着水示水示意图意图(2)毛管悬着水毛管悬着水(capillary suspending water)与地下水无联系,由毛管力保持
6、在土壤毛管孔隙中与地下水无联系,由毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水分,好象悬在土壤中一样。的水分,好象悬在土壤中一样。9l4.重力水重力水(gravitational water)l 受重力作用可以从土壤中排出的水分,主受重力作用可以从土壤中排出的水分,主要存在于土壤通气孔隙中。要存在于土壤通气孔隙中。(二)土壤水分常数(二)土壤水分常数(soil moisture constant)土壤中某种水分类型的最大含量,随土壤性质而定,土壤中某种水分类型的最大含量,随土壤性质而定,是一个比较固定的数值,故称水分常数是一个比较固定的数值,故称水分常数。101.吸湿系数吸湿系数(hygroscopic c
7、oefficient)吸湿水的最大含量,也称最大吸湿量。吸湿水的最大含量,也称最大吸湿量。吸湿水的含量受空气相对湿度影响,测定吸湿系数是吸湿水的含量受空气相对湿度影响,测定吸湿系数是在空气相对湿度在空气相对湿度98%(或或99%)条件下,让土壤充分吸湿条件下,让土壤充分吸湿(通通常为一周时间常为一周时间),达到稳定后在,达到稳定后在105110条件下烘干条件下烘干测定得到吸湿系数。测定得到吸湿系数。1112 土壤质地愈粘重,吸湿系数愈大。土壤质地愈粘重,吸湿系数愈大。土土 壤壤 紫色土紫色土 黄黄 壤壤 潮潮 土土 砂砂 土土 质质 地地 粘粘 土土 重重 壤壤 中中 壤壤 砂壤砂壤 吸湿系数
8、(吸湿系数(%)7.53 4.11 2.52 0.8 2.凋萎系数凋萎系数(wilting coefficient)植物永久凋萎时的土壤最大含水量。植物永久凋萎时的土壤最大含水量。土壤凋萎系数的大小,通常用吸湿系数的土壤凋萎系数的大小,通常用吸湿系数的1.52.0倍倍来衡量。质地愈粘重,凋萎系数愈大。来衡量。质地愈粘重,凋萎系数愈大。(非活性孔度凋萎系数(非活性孔度凋萎系数容重)容重)13 3.田间持水量田间持水量(field capacity)毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。保水能力大小的一个指标。计算土壤灌
9、溉水量时以田间持水量为指标,既节约用计算土壤灌溉水量时以田间持水量为指标,既节约用水,又避免超过田间持水量的水分作为重力水下渗后抬高水,又避免超过田间持水量的水分作为重力水下渗后抬高地下水位。地下水位。土壤土壤 学学4.毛管持水量毛管持水量(capillary capacity)毛管上升水达最大量时的土壤含水量。毛管上升水达最大量时的土壤含水量。14 毛管上升水与地下水有联系,受地下水压的影响,毛管上升水与地下水有联系,受地下水压的影响,因此毛管持水量通常大于田间持水量。毛管持水量是计因此毛管持水量通常大于田间持水量。毛管持水量是计算土壤毛管孔隙度的依据。算土壤毛管孔隙度的依据。(毛管孔度毛管
10、持水量(毛管孔度毛管持水量 容重)容重)(通气孔度总孔度非活性孔度毛管孔度)(通气孔度总孔度非活性孔度毛管孔度)5.饱和持水量饱和持水量(saturated water content)土壤孔隙全部充满水时的含水量称为饱和持水量。土壤孔隙全部充满水时的含水量称为饱和持水量。15(三)土壤水的有效性(三)土壤水的有效性(availability)土壤水的有效性土壤水的有效性(availability)是指土壤水能否被是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。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不能被植物吸收利用的水称为无效水,能被植物吸收能被植物吸收利用的水称为有效水利用的
11、水称为有效水。最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。土壤质地土壤质地砂土砂土 砂壤土砂壤土 轻壤土轻壤土 中壤土中壤土重壤土重壤土粘土粘土田间持水量田间持水量(%)121822242630凋萎系数凋萎系数(%)35691115有效水最大含量有效水最大含量(%)91316151515表表5-1 土壤质地与有效水最大含量的关系土壤质地与有效水最大含量的关系16土壤含水量土壤含水量(soil water content)(hygroscopic coefficient)(wilting coefficient)(field capacity)(sat
12、urated water content)17 二、土壤水含量的表示方法二、土壤水含量的表示方法1.重量百分数重量百分数(weight percent)(水水w%)Mw 水水w%=100 Ms 计算土壤含水量时,是以干土重为计算基础,这样才计算土壤含水量时,是以干土重为计算基础,这样才能反映土壤的水分状况。能反映土壤的水分状况。2.容积百分数容积百分数(bulk volume percent)(水水v%)水水v%=水水w%土壤容重土壤容重183.水层厚度(水水层厚度(水mm)即在一定厚度的土层中,水分的厚度毫米数。即在一定厚度的土层中,水分的厚度毫米数。水水 mm=水水v%土层厚度土层厚度 优
13、优点点:与与气气象象资资料料和和作作物物耗耗水水量量所所用用的的水水分分表表示示方方法法一致,便于互相比较和互相换算。一致,便于互相比较和互相换算。例:例:容重为容重为1.2g/cm3的土壤,初始含水量为的土壤,初始含水量为10%,田间持水量为田间持水量为30%,降雨,降雨10mm,若全部入渗,可使多若全部入渗,可使多深土层达田间持水量?深土层达田间持水量?解:先将土壤含水量水解:先将土壤含水量水w%换算为水换算为水v%初始含水量初始含水量 水水v%=10%1.2=12%19 田间持水量田间持水量 水水v%=30%1.2=36%因水因水mm=水水v%土层厚度土层厚度 土层厚度土层厚度=水水mm
14、/水水v%=10/(0.36-0.12)=41.7(mm)4.水贮量水贮量(方方/亩亩)1亩地土壤水贮量亩地土壤水贮量(方方/亩亩)的计算公式为:的计算公式为:方方/亩亩=2/3水水mm 方方/亩亩=水水mm1/100010000/15=2/3水水mm 作用作用:与灌溉水量的表示方法一致,便于计算库容与灌溉水量的表示方法一致,便于计算库容 和灌水量。和灌水量。20 例:例:一容重为一容重为1g/cm3的土壤,初始含水量为的土壤,初始含水量为12%,田间,田间持水量为持水量为30%,要使,要使30cm土层含水量达田间持水量的土层含水量达田间持水量的80%,需灌水多少(方,需灌水多少(方/亩)?亩
15、)?解:田间持水量的解:田间持水量的80%为:为:30%80%=24%30cm土层含水达田间持水量土层含水达田间持水量80%时时 水水mm=(0.24-0.12)1300=36(mm)2/336=24(方方/亩亩)215.相对含水量相对含水量(relative moisture)指土壤自然含水量占某种水分常数的百分数。指土壤自然含水量占某种水分常数的百分数。一般是以田间持水量为基数,土壤自然含水量占一般是以田间持水量为基数,土壤自然含水量占田间持水量的百分数为相对含水量。田间持水量的百分数为相对含水量。通常相对含水量的通常相对含水量的60%至至80%,是适宜一般农作,是适宜一般农作物以及微生物
16、活动的水分条件。物以及微生物活动的水分条件。三、水分含量的测定三、水分含量的测定1.经典烘干法经典烘干法22 在在105110条件下,烘至恒重,为烘干土重,以条件下,烘至恒重,为烘干土重,以此为此为基础计算水分重基础计算水分重(蒸发损失量蒸发损失量)的百分比的百分比(%)。改进快速法改进快速法红外线烘干法、微波炉烘干法、红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精烘干法、酒精烧失法等。酒精烘干法、酒精烧失法等。风干土风干土 烘干土烘干土 水分水分=100%烘干土烘干土2 2.中子法中子法 简便、较精确。但只能用于较深土层水分测定,不能用简便、较精确。但只能用于较深土层水分测定,不能用于土表薄层土。有机质中
17、的氢也会影响于土表薄层土。有机质中的氢也会影响H H2 2O O的测定结果。的测定结果。233.3.TDRTDR法(时域反射仪法)法(时域反射仪法)24 第二节第二节 土壤水的能态土壤水的能态 一、土水势及其分势一、土水势及其分势 1.土水势土水势(soil water potential)土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。以标准状态水的自由能为零,土壤水自由能与其比以标准状态水的自由能为零,土壤水自由能与其比较差值一般为负值。差值大,表明水不活跃,能量低;较差值一般为负值。差值大,表明水不活跃,能量低;差值小,表明土壤水与自由水接近,活跃,能量高
18、。差值小,表明土壤水与自由水接近,活跃,能量高。水流动方向:土水势高水流动方向:土水势高(负值小负值小)低低(负值大负值大)。252.土水势分势土水势分势(1)基模势基模势(matric potential)m 也称基质势,是由土粒吸附力和毛管力所产生的。也称基质势,是由土粒吸附力和毛管力所产生的。在土壤水不饱和的情况下,非盐碱化土壤的土水势以基在土壤水不饱和的情况下,非盐碱化土壤的土水势以基模势为主。模势为主。(2)溶质势(渗透势)溶质势(渗透势)(osmotic potential)s 由溶质对水的吸附所产生。土壤水不是纯水,其中由溶质对水的吸附所产生。土壤水不是纯水,其中有溶质,而水分子
19、是极性分子,与溶质之间可产生静电有溶质,而水分子是极性分子,与溶质之间可产生静电吸附,产生溶质势。吸附,产生溶质势。26(3)重力势重力势(gravitational potential)g 由由重重力力作作用用产产生生的的水水势势。如如果果土土壤壤水水在在参参照照面面之之上上,则重力势为正,反之,重力势为负。则重力势为正,反之,重力势为负。(4)压力势压力势(pressure potential)p 标标准准状状态态水水的的压压力力为为1个个大大气气压压,但但在在土土壤壤中中的的水水所所受到的压力,在局部地方就不一定为受到的压力,在局部地方就不一定为1个大气压。个大气压。如如果果土土壤壤中中
20、有有水水柱柱或或水水层层,就就有有一一定定的的静静水水压压;悬悬浮浮于于水水中中的的物物质质也也会会产产生生一一定定的的荷荷载载压压。若若存存在在上上述述状状况则况则p为正值。为正值。土水势土水势t=m+s+g+p27二、土壤水吸力二、土壤水吸力(soil moisture suction)土壤水承受一定吸附力情况下的能态土壤水承受一定吸附力情况下的能态。水吸力只相当于土水势的基膜势和溶质势,数值相水吸力只相当于土水势的基膜势和溶质势,数值相等,符号相反。等,符号相反。基基膜膜势势和和溶溶质质势势一一般般为为负负值值,使使用用不不方方便便,故故将将其其取取为为正正数数,定定义义为为吸吸力力(S
21、),分分别别称称为为基基质质吸吸力力和和溶溶质吸力。质吸力。在在土土壤壤水水分分的的保保持持和和运运动动中中,不不考考虑虑s,故故一一般般所所说说的的水水吸吸力力是是指指基基质质吸吸力力,其其值值与与m相相等等,符符号号相相反反。溶质吸力只在根系吸水溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在有半透膜存在)时才表现出来。时才表现出来。28 三、水分能量的表示方法三、水分能量的表示方法 土水势或水吸力的表示方法,以使用水柱高度的厘土水势或水吸力的表示方法,以使用水柱高度的厘米数来表示最简便,最易理解米数来表示最简便,最易理解。现在国际计量统一使用的单位为帕现在国际计量统一使用的单位为帕(Pa),与厘米的与
22、厘米的换算关系为:换算关系为:1 Pa=10-2cm 1cm水水=102帕帕=1hPa pF:水柱高度厘米数的对数。水柱高度厘米数的对数。29kPa kPa 水柱高度水柱高度(cmcm)pFpF值值 kPa kPa 水柱高度水柱高度(cmcm)pFpF值值 0.10.11 10 01520152015849158494.24.21 110101 13141314121623216234.54.510101001002 210133101331000001000005 551515015012.72.7101325101325100000010000006 6101101100010003 31
23、013250101325010000000100000007 71013101310000100004 4表表表表5 52 2 各种方法的换算关系各种方法的换算关系各种方法的换算关系各种方法的换算关系30四、土水势的测定四、土水势的测定 张力计法、压力膜法、冰点下降法和水气压法等。张力计法、压力膜法、冰点下降法和水气压法等。张张力力计计(tensiometer),又又名名负负压压计计或或湿湿度度计计,测测定定水水不饱和土壤的基质势或基质吸力。不饱和土壤的基质势或基质吸力。31 张力计适用范围张力计适用范围800/850hPa以下,超过此范围,以下,超过此范围,就有空气进入陶土管而失效。就有空气
24、进入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范围多在旱地作物可吸水的吸力范围多在1000hPa以下,以下,故张力计有一定实用价值。故张力计有一定实用价值。压力膜法:压力膜法:根据土壤在不同压力下排水的原理测定,根据土壤在不同压力下排水的原理测定,可测水吸力可测水吸力120bar。32五、土壤水分特征曲线五、土壤水分特征曲线(soil water characteristic curve)土壤水分特征曲线是土壤水的能量指标(水吸力)与土壤水分特征曲线是土壤水的能量指标(水吸力)与数量指标(含水量)的关系曲线。数量指标(含水量)的关系曲线。随着土壤含水量的减少其水吸力增大,基质势降低,随着土壤含水量的减
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- 土壤学 第五 土壤水
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