土壤肥料學(xué)第4章土壤水

第四章土壤水第一節(jié)土壤水在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要性第二節(jié)土壤水的基礎(chǔ)知識(shí)第三節(jié)土壤水分研究的形態(tài)學(xué)與能態(tài)學(xué)第四節(jié)土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第五節(jié)土壤水狀況及水分平衡

本章通過對(duì)我國目前水資源現(xiàn)狀特點(diǎn)的分析概述，了解水資源在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要性；在此基礎(chǔ)上著重介紹土壤水的形態(tài)學(xué)和能態(tài)學(xué)觀點(diǎn)以及土壤含水量等基礎(chǔ)知識(shí)；闡明土壤水分的分布、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及田間水分的平衡。通過本章教學(xué)，目的讓學(xué)生掌握土壤水的類型、性質(zhì)以及土壤水的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，要求學(xué)生掌握土壤水分運(yùn)移的基本規(guī)律及調(diào)節(jié)措施，以便有效地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

第一節(jié)土壤水在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要性一、我國水資源概況(我國水資源的基本特點(diǎn))

1.水資源空間分布特點(diǎn):地區(qū)間水資源分布不均勻，水土組合極不平衡。我國東部區(qū)為多雨帶，而西部區(qū)為缺水帶。

2.時(shí)間分布特征:水資源年際間變化和年內(nèi)分配不均，是半干旱、半濕潤區(qū)甚至南方出現(xiàn)季節(jié)性缺水的原因。

3.水資源與耕地資源組合不協(xié)調(diào):我國北方耕地多而水資源量小，南方地區(qū)耕地少而水資源豐富。總體上看來，我國農(nóng)業(yè)水資源缺乏且用量大，但利用率低（僅40%左右）。短缺與浪費(fèi)是我國農(nóng)業(yè)用水緊張的重要特征。二、土壤水在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用

1、土壤水分狀況是農(nóng)田植物與其環(huán)境間進(jìn)行各種物質(zhì)交換的媒介。

2、土壤水分狀況通過影響土壤溫度和通氣狀況，對(duì)植物的產(chǎn)量和品質(zhì)有重要作用。

3、土壤水分移動(dòng)過程影響生態(tài)平衡(土壤鹽分)。此外，土壤水、地表水、地下水、大氣水、植物水構(gòu)成自然界水分循環(huán)完整體系的5個(gè)方面，并成為五水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。土壤在調(diào)節(jié)自然界水分的正常循環(huán)，維持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)方面具有極為重要的作用。

重點(diǎn)：掌握土壤水的重要作用。

第二節(jié)土壤水的基礎(chǔ)知識(shí)

一、土壤水分的表示方法和測(cè)定技術(shù)（一）土壤含水量的表示方法

1.質(zhì)量含水量：土壤中水分的質(zhì)量占干土重的百分?jǐn)?shù)。干土重為105℃--110℃下的烘干土重。

2.容積含水量：單位土壤總?cè)莘e中水分所占的容積百分?jǐn)?shù)。容積含水量=質(zhì)量含水量×容重

3.土壤水貯量：一定面積和一定厚度土壤中含水量的絕對(duì)數(shù)量。由水深和絕對(duì)水體積表示。

4.土壤相對(duì)含水量：土壤實(shí)際含水量占該土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)。

二、土壤墑情

1、墑情的種類汪水：土壤含水量在田間持水量以上。黑墑：土壤含水量為田間持水量75%以上。黃墑：土壤含水量為田間持水量的50%~75%。

潮干土：土壤含水量在田間持水量的50%以下。干土：土壤含水量在萎蔫系數(shù)以下。

2、墑情的判斷①墑情在空間上的層次性：表墑；底墑；深墑。②墑情在時(shí)間上的季節(jié)性：與氣候的季節(jié)性以及作物的生長發(fā)育季節(jié)密切相關(guān)。第三節(jié)土壤水分研究的形態(tài)學(xué)與能態(tài)學(xué)

一、土壤水分研究的形態(tài)學(xué)特征與性質(zhì)（一）土壤水分的保持土壤水分的保持力主要有兩種，即吸附力和毛管力。

1、吸附力：指土粒表面分子和水分子之間的吸引力（范德華力），以及土壤膠體表面電荷對(duì)水的極性吸引力等兩部分。因此吸附力只產(chǎn)生于土粒與水界面上；范德華力屬于短距離作用力，很強(qiáng)，達(dá)幾十萬千帕以上，因此被范德華力吸附的這部分水屬于固態(tài)水，一般不能流動(dòng)；極性吸附力則較弱，只有幾百或幾千千帕，這部分水仍具有固態(tài)水的性質(zhì)，但有較高的粘滯性。

2、毛管力：產(chǎn)生毛管作用的原因是毛管內(nèi)的水汽界面產(chǎn)生了彎月面力，這種力就叫毛管力（負(fù)壓力）。毛管力存在于土壤孔隙中，水和空氣界面處。毛管力一般只有幾十或幾百千帕。毛管水完全具有液態(tài)水的性質(zhì)，可以在孔隙中自由移動(dòng)，是土壤水中最為活躍的部分，也是人們?cè)谏a(chǎn)中最重視的土壤水分部分。（二）土壤水分類型及性質(zhì)主要依據(jù)水分在土壤中所受力的類型（即吸附力、毛管力、重力等），把土壤水分劃分成三種類型：即吸濕水（束縛水）、毛管水和重力水。并由此確定出幾個(gè)水分常數(shù)。

1、吸濕水由于干燥土粒的吸附力所吸附的氣態(tài)水而保持在土粒表面的水分稱吸濕水（又稱緊束縛水）。

特點(diǎn)：吸濕水的大小主要決定于土壤固相的比表面積和大氣相對(duì)濕度；吸濕水受土粒的吸持力很大，不能移動(dòng)，具有固態(tài)水的性質(zhì)，對(duì)溶質(zhì)無溶解力，為無效水。吸濕系數(shù)（最大吸濕量）概念：當(dāng)大氣相對(duì)濕度達(dá)到飽和時(shí)，土壤吸濕水達(dá)到最大量，這時(shí)吸濕水占土壤干重的百分?jǐn)?shù)。

特點(diǎn)：對(duì)于一定的土壤而言，吸濕系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。土壤最大吸濕量，因質(zhì)地不同而異，質(zhì)地愈粘，最大吸濕量愈大，質(zhì)地愈砂，最大吸濕量愈小。2、膜狀水

把達(dá)到吸濕系數(shù)的土壤，再用液態(tài)水來繼續(xù)濕潤，土壤吸濕水層外可吸附液態(tài)水分子形成水膜，這種由吸附力吸附在吸濕水層外面的液態(tài)水膜叫膜狀水（或薄膜水、松束縛水）。當(dāng)膜狀水達(dá)到最大數(shù)量時(shí)的土壤含水量稱之為最大分子持水量。

特點(diǎn)：性質(zhì)與液態(tài)水相似，但粘滯性較高而溶解能力較小，它能移動(dòng)，但速度非常緩慢，屬有效水，可被作物利用；而吸力大于15atm的內(nèi)層膜狀水，作物不能利用，為無效水。凋萎系數(shù)（萎蔫系數(shù)、萎蔫點(diǎn)）：當(dāng)作物因根系無法吸水而呈現(xiàn)永久萎蔫時(shí)的土壤（最高）含水量。因此萎蔫系數(shù)是植物可以利用的土壤有效水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下限，也是制定灌溉定額的下限。3、毛管水

當(dāng)土壤含水量超過最大分子持水量后，那部分水就在毛管力的作用下，保持在毛管孔隙中，這種靠毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水分。主要特點(diǎn)：

1）能自由移動(dòng)，且速度快；

2）有溶解養(yǎng)分的能力，也有輸送養(yǎng)分到作物根部的能力；3）既能被土壤保持又能被植物吸收利用。根據(jù)土層中地下水面與毛管水相連與否可分為：毛管懸著水和毛管上升水。

①毛管懸著水

借毛管力保持在土壤上層不與地下水相連的水分。象這種懸著在上層土壤中的毛管水就稱為毛管懸著水。田間持水量：土壤毛管懸著水達(dá)到最大時(shí)的土壤含水量。在數(shù)量上它包括吸濕水、膜狀水和毛管懸著水。這是確定灌水量的重要參數(shù)，也是土壤水分有效性的上限。不同質(zhì)地，土壤田間持水量有很大不同。

毛管斷裂含水量暫時(shí)萎蔫②毛管上升水

指地下水借助毛管力而上升并保持在上層土壤中的水分。土壤中毛管上升水達(dá)到最大數(shù)量時(shí)的含水量稱為毛管持水量，它是吸濕水、膜狀水和毛管上升水的總和。毛管水上升高度（從地下水面到毛管上升水所能達(dá)到的絕對(duì)高度）與土壤質(zhì)地相關(guān)。

4、重力水當(dāng)土壤水分超過田間持水量，多余的水分就會(huì)受重力的作用沿土壤中大孔隙向下移動(dòng)，這種不被土壤保持而受重力支配的水叫重力水。重力水不受土壤吸附力和毛管力的作用。它是植物根系能夠吸收利用的水分。

土壤最大持水量（全蓄水量）：當(dāng)土壤中的大小孔隙全部被水分充滿時(shí)的土壤含水量。

吸濕水、膜狀水、毛管水、重力水都存在于土壤中，彼此相互聯(lián)系，相互轉(zhuǎn)化。如毛管水過量可變?yōu)橹亓λ亓λ幻芪湛勺優(yōu)槊芩?。二、土壤水分的能量概?/p>

土壤水分能態(tài)學(xué)是根據(jù)水分在土壤中受各種力的作用后其自由能的變化來研究土壤水的能態(tài)和運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律。能態(tài)的觀念來研究土壤水最早始于1907年。

（一）土壤水勢(shì)及其分勢(shì)

土壤在各種力（吸附力、毛管力、重力和靜水壓力等）的作用下，與同樣溫度、高度和大氣壓等條件下純自由水相比（即以純水作為參比標(biāo)準(zhǔn)，假定其勢(shì)值為零），勢(shì)能（或自由能）的變化（主要是降低），稱為土水勢(shì)。

土壤水由土水勢(shì)高處流向低處。同一質(zhì)地的土壤，其濕度愈大，土水勢(shì)也愈高；不同質(zhì)地的土壤：10%砂土15%粘土

土水勢(shì)研究土壤水的優(yōu)點(diǎn)：

1、可以作為判斷各種土壤水分能態(tài)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和尺度；

2、水勢(shì)的數(shù)值可以在土壤—植物—大氣之間統(tǒng)一使用，把土水勢(shì)、根水勢(shì)、葉水勢(shì)等統(tǒng)一比較，判斷它們之間的水流方向、速度和土壤水的有效性；

3、對(duì)土壤水勢(shì)的研究還能提供一些更為精確的測(cè)定手段。

土水勢(shì)包括基質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、重力勢(shì)等分勢(shì)。

1、基質(zhì)勢(shì)在不飽和情況下，由于土壤基質(zhì)（固相顆粒）吸附力和毛管力產(chǎn)生的土水勢(shì)變化值稱為基質(zhì)勢(shì)。

土壤含水量愈低，基質(zhì)勢(shì)也愈低。反之，基質(zhì)勢(shì)愈高。土壤水完全飽和時(shí)，基質(zhì)勢(shì)達(dá)到最大值，與參比標(biāo)準(zhǔn)相等，即等于零。2、壓力勢(shì)

在土壤水飽和的情況下，土水勢(shì)不同于參比標(biāo)準(zhǔn)的是土壤水所承收的壓力，這個(gè)分勢(shì)就叫壓力勢(shì)。

土表的水，壓力勢(shì)為零；

土體內(nèi)水，壓力勢(shì)大于參比標(biāo)準(zhǔn)為正值。3、溶質(zhì)勢(shì)

指由土壤水中溶解的溶質(zhì)而引起土水勢(shì)的變化，也稱滲透勢(shì)。溶質(zhì)勢(shì)一般為負(fù)值。土壤水中溶解的溶質(zhì)愈多，溶質(zhì)勢(shì)愈低。需考慮溶質(zhì)勢(shì)的兩種情況：1）研究土壤水對(duì)植物的關(guān)系時(shí)；2）研究土壤水分蒸發(fā)和大氣水汽在土表凝結(jié)時(shí)。

4、重力勢(shì)由重力作用而引起的土水勢(shì)變化，稱為重力勢(shì)。

土壤水的重力勢(shì)可正可負(fù)，主要看與參比標(biāo)準(zhǔn)的高度比較，高與參比標(biāo)準(zhǔn)的土壤水的重力勢(shì)為正值，且高度愈高則重力勢(shì)的正值愈大。（二）土壤水吸力

土壤水吸力簡稱吸力，是指土壤水在承受一定吸力的情況下所處的能態(tài)，并非指土壤對(duì)水的吸力。實(shí)踐應(yīng)用中，由于基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)一般為負(fù)值，很不方便，因此將基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)的相反數(shù)定義為吸力。吸力也可以用來判斷土壤水的運(yùn)動(dòng)方向：土壤水總是由吸力低處向吸力高處流動(dòng)。水分特征曲線土壤水的能量指標(biāo)（在非鹽堿土即基質(zhì)吸力或基質(zhì)勢(shì)，與土壤水的容量指標(biāo)（即土壤含水量）作成相關(guān)曲線稱土壤水分特征曲線。

滯后現(xiàn)象：從干到濕與從濕到干所得到的土壤水分特征曲線不重合的現(xiàn)象。三、土壤水分的有效性土壤水分的有效性：是指水分被植物利用的程度。

有效水：可被植物吸收利用的那一部分水分稱有效水。無效水：另一部分不能被植物吸收利用的水稱為無效水。土壤水分常數(shù)（吸濕系數(shù)、凋萎系數(shù)、最大分子持水量、田間持水量、毛管持水量、飽和持水量等）對(duì)于作物的生長有一定意義。

土壤有效水的范圍=田間持水量（%）-凋萎系數(shù)（%）速效水：田間持水量至毛管斷裂含水量。遲效水：毛管斷裂含水量至凋萎系數(shù)。

土壤水是否有效及其有效程度如何，在很大程度上決定于土壤水吸力和根吸力的對(duì)比。一般土壤水吸力大于根吸力則為無效水，反之為有效水。土壤中各種類型水分有效性第四節(jié)土壤水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律土壤水分的運(yùn)動(dòng)主要指液態(tài)水和氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的方向一定是從水勢(shì)高處向水勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)。

一、液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)（重力水）

1、飽和流土壤所有的大小孔隙都充滿水時(shí)的水流叫飽和流。飽和流的推動(dòng)力是重力勢(shì)和壓力勢(shì)梯度，在飽和流中土壤導(dǎo)水率稱飽和導(dǎo)水率（K飽），影響飽和導(dǎo)水率的因素主要取決于土壤中粗孔的孔徑和數(shù)量，孔徑愈大，粗孔數(shù)量愈多，飽和導(dǎo)水率就愈高，水愈容易通過。一般來說：對(duì)K值而言，砂土大于壤土大于粘土。

2、不飽和流（毛管水和膜狀水）

土壤中部分孔隙充滿水時(shí)的水流叫不飽和流。它是大部分土壤中水分流動(dòng)的形式。不飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度（或土壤水吸力梯度）和重力勢(shì)梯度。在吸水力較高時(shí)，導(dǎo)水率極低，水分運(yùn)動(dòng)速度非常緩慢。

對(duì)于飽和流而言，導(dǎo)水性最好的是粗孔多的土壤，而在不飽和流中，細(xì)孔多的粘土和壤土，比砂土的導(dǎo)水性好。因?yàn)樵谙嗤耐寥牢ο?，土壤水的連續(xù)程度好，因此，在不飽和流中，導(dǎo)水率隨土壤吸力的增加而降低，或土壤含水量的減少而降低，這種情況在砂土較為急劇，在粘土中較為緩和，壤土居中。3、土壤水分的入滲

入滲是指液態(tài)水自地表進(jìn)入土壤的過程。入滲速率隨入滲時(shí)間的延長而延緩，最后達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值（如圖所示）。常使用的指標(biāo)為最初入滲速率、最后入滲速率、入滲開始1h后的入滲速率。入滲過程中土壤水剖面水分分布，在質(zhì)地均一的土壤剖面上如圖所示。無論表土下是砂層還是細(xì)土層，在不斷入滲中最初都能使上層土壤先積蓄水，以后才下滲。

土壤入滲速率隨時(shí)間的變化入滲中土壤水剖面二、氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)

土壤氣相水在孔隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是水氣分子從一個(gè)地方向另一個(gè)地方擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)。它服從于一般氣體擴(kuò)散定律。土壤氣態(tài)水運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為水汽擴(kuò)散和水汽凝結(jié)。水氣運(yùn)動(dòng)的梯度是由土壤水吸力梯度和溫度梯度所引起的，其中溫度梯度作用力大。

“夜潮”現(xiàn)象和“凍后聚墑”現(xiàn)象是土壤水汽凝結(jié)的結(jié)果。在干旱期間，土壤水不斷以水氣形態(tài)由表土向大氣擴(kuò)散稱土面蒸發(fā)。土壤蒸發(fā)的三個(gè)階段：

1）大氣蒸發(fā)力控制階段（蒸發(fā)率不變階段）特點(diǎn)：土壤水較多，向土面的導(dǎo)水率高，足以補(bǔ)償土面蒸發(fā)消耗水量，所以蒸發(fā)率不變，一般可持續(xù)幾天，丟水量也大。雨水或灌水后及時(shí)中耕或地面覆蓋是減少土壤水損失的重要措施2）土壤導(dǎo)水力控制階段（蒸發(fā)率降低階段）特點(diǎn)：土壤蒸發(fā)的強(qiáng)度取決于土壤的導(dǎo)水性質(zhì)，即導(dǎo)水率的大小。該階段維持的時(shí)間不長。3）擴(kuò)散控制階段特點(diǎn)：土面形成干土后，土壤水向干土層的導(dǎo)水率降至近于零時(shí)，液態(tài)水已不能運(yùn)行至地表，在干土層下稍微濕潤土層的水分汽化，形成水氣分子通過干土層擴(kuò)散到大氣中去。這一階段，通過鎮(zhèn)壓以防止蒸發(fā)，抑制水氣向大氣擴(kuò)散。從以上三個(gè)階段可以看出：保墑重點(diǎn)應(yīng)該在第一階段末和第二階段初。第五節(jié)

土壤水分狀況及水分平衡一、田間水分平衡田間水分平衡：在一定容積土壤內(nèi)水的收入與支出，在農(nóng)田，主要是指根層土壤水的平衡，根層深度一般多指1-2m深度以內(nèi)，在一定時(shí)期內(nèi)，根層土壤水分含量的變化。△水=水收-水支土壤水的收入有降水、灌溉水（是主要土壤水的收入）以及其它來源的水（如四周流入的地表水、地表徑流、借毛管上升的地下水。土壤水分支出：地表徑流（水徑）、深層滲漏（水漏）、土面蒸發(fā)（水蒸）和植物蒸騰（水騰），因此△