第三章 土壤水分2節(jié)

主講教師：羅春艷能源與水利學(xué)院二〇一四年九月第三章土壤水分第二節(jié)土壤水分能態(tài)主要內(nèi)容：

土壤水勢(shì)定義及各分勢(shì)土壤水分特征曲線土壤水分能態(tài)測(cè)定方法第三章土壤水分通過土壤水分能態(tài)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握水勢(shì)的概念及土壤水勢(shì)的組成；掌握土壤水分特征曲線的含義及影響因素，并簡單了解土壤水分特征曲線的測(cè)定方法。本節(jié)教學(xué)目的：第三章土壤水分本章的重點(diǎn)、難點(diǎn)：1)水勢(shì)的概念及各分勢(shì)含義2)土壤水分特征曲線的含義及影響因素第三章土壤水分一、土壤水分能量概念水流向何方？第二節(jié)土壤水分的能態(tài)土壤B粘土15%土壤A砂土10%以水分本身的能量變化來研究水分在土壤中保持、運(yùn)動(dòng)以及SPAC的循環(huán)過程。水分能量觀點(diǎn):動(dòng)能第二節(jié)土壤水分的能態(tài)勢(shì)能可忽略不計(jì)土壤水的能量Buckingham（白金漢姆）（1907）首先提出應(yīng)用能量理論和方法研究土壤水分問題。經(jīng)過近百年的研究歷程，尤其是近20～30年來得到了較大發(fā)展。

國際土壤學(xué)會(huì)名詞委員會(huì)定義：土水勢(shì)(ψ土)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將單位數(shù)量的等溫可逆的移動(dòng)到相應(yīng)點(diǎn)（標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)）時(shí)所做的功。水分從土壤移動(dòng)做功所需要的能量即為該系統(tǒng)的土壤水勢(shì)。一、土壤水勢(shì)概念標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)——一定高度處、某一特定溫度（常溫或與土壤水相同溫度）下承受標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（或者當(dāng)?shù)卮髿鈮海┑募冏杂伤?不受溶質(zhì)、不受固相介質(zhì)作用)。水流動(dòng)方向：土水勢(shì)高（負(fù)值小）→低（負(fù)值大）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)土壤水分的能態(tài)能量很難獲得它的絕對(duì)值，幾乎都是相對(duì)而言。一、土壤水分能量概念第二節(jié)土壤水分的能態(tài)土壤水勢(shì)概念中強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容：進(jìn)一步將水分在土壤中狀態(tài)進(jìn)行分析會(huì)得出影響土壤水分能量水平的因素，就得到了許多分勢(shì)。純水池中的純水作為參照標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定水勢(shì)為零?？偹畡?shì)土壤水的總勢(shì)能Ψw=ψm+ψs+ψg+ψp+ψt基質(zhì)勢(shì)土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力所引起的水勢(shì)溶質(zhì)勢(shì)土壤水分中的溶質(zhì)所引起的水勢(shì)重力勢(shì)重力引起的土壤水勢(shì)壓力勢(shì)：當(dāng)土壤飽和時(shí),自由水面下土壤由于靜水壓力所產(chǎn)生的水勢(shì)一、土壤水分能量概念第二節(jié)土壤水分的能態(tài)溫度：由溫度場溫差引起的水勢(shì)土壤總水勢(shì)是土壤中各種作用力所產(chǎn)生的分勢(shì)的和產(chǎn)生原因：基質(zhì)勢(shì)由土壤基質(zhì)對(duì)水分的吸持作用引起的。水和土壤骨架之間的吸附力和毛管力將土壤水束縛在土壤中，要使土壤移動(dòng)，必須克服這種吸持作用做功。（一）土壤各分勢(shì)基質(zhì)勢(shì)：將土壤水移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)（自由水、無束縛）時(shí)，對(duì)土壤水所做的功稱為基質(zhì)勢(shì)。1.基質(zhì)勢(shì)（ψm）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)（一）土壤各分勢(shì)基質(zhì)勢(shì)概念中強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)土壤水分的能態(tài)基質(zhì)勢(shì)為負(fù)值。當(dāng)土壤達(dá)到完全飽和狀態(tài)時(shí)，不受基質(zhì)吸持，基質(zhì)勢(shì)為零。含水量越高，基質(zhì)勢(shì)絕對(duì)值越低，基質(zhì)勢(shì)越高在土壤水不飽和的情況下，非鹽堿化土壤的土水勢(shì)以Ψm為主由于溶質(zhì)對(duì)水分子具有吸引力，將水分移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)時(shí)必須對(duì)土壤水做功

C為溶液濃度，mol/L；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K2.溶質(zhì)勢(shì)（ψs

）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)對(duì)于鹽漬化土壤，溶質(zhì)勢(shì)是影響水分能量的重要內(nèi)容。溶質(zhì)勢(shì)概念中強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)土壤水分的能態(tài)溶質(zhì)勢(shì)為負(fù)值溶質(zhì)勢(shì)與滲透壓數(shù)值相同，但符號(hào)相反。溶質(zhì)勢(shì)在影響土壤水分移動(dòng)能力情況下，必須要有半透膜作用。通常將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力定義為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓或當(dāng)?shù)卮髿?，相?duì)于大氣壓所存在的勢(shì)能差，為壓力勢(shì)。3.壓力勢(shì)（ψp）土水系統(tǒng)的壓力超過參照狀態(tài)下的壓力而引起的水勢(shì)。非飽和時(shí)飽和時(shí)壓力勢(shì)可用靜水壓強(qiáng)來表示第二節(jié)土壤水分的能態(tài)壓力勢(shì)主要是連續(xù)水體的表現(xiàn)，只有在飽和情況下才存在。壓力勢(shì)測(cè)定：連通管水面到待測(cè)點(diǎn)垂直距離就是該點(diǎn)水分的壓力勢(shì)值。壓力勢(shì)概念中強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容：氣壓勢(shì)不是壓力勢(shì)的主要成分，它主要體現(xiàn)在土壤孔隙中被封的空氣作用，隨著氣體溶解，其逐漸為零。第二節(jié)土壤水分的能態(tài)由重力作用而引起的土壤水勢(shì)的變化。重力勢(shì)大小估算:

atheightZaboveZ0:ψg=mgZ

perunitmass:ψg=mgZ/m=gZ(J/kg)perunitvolume:ψg=mgZ/v=ρwgZ(N/m2)perunitweight:ψg=mgZ/mg=Z(m)∴重力勢(shì)與土壤性質(zhì)無關(guān)4.重力勢(shì)（ψg

）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)實(shí)質(zhì)上是由于位置差所產(chǎn)生的土壤水分的能量差。規(guī)定參考面處為零，它的選擇不影響空間任意兩點(diǎn)間重力勢(shì)差值；重力勢(shì)概念需要特別強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)土壤水分的能態(tài)其值的大小等于待測(cè)點(diǎn)到參考面的垂直高度與土壤性質(zhì)無關(guān)；無需特別測(cè)量儀器和設(shè)備。由溫度場的溫差引起的。土壤中任一點(diǎn)土壤水分的溫度勢(shì)由該點(diǎn)的溫度與標(biāo)準(zhǔn)參照狀態(tài)的溫度之差所決定5.溫度勢(shì)（ψt

）ψm=0,ψs=0,ψt可忽略Ψh=ψg+ψp

總土水勢(shì):

ψh=ψg+ψs+ψp+ψm+ψt飽和情況下非飽和情況下ψp=0，ψs，ψt可忽略，Ψh=ψg+ψm2.單位容積水勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)單位為帕Pa，KPa,MPa，也曾用Bar和大氣壓atm表示1.單位質(zhì)量水勢(shì)水的質(zhì)量為克或公斤時(shí),能的單位為J/kg或爾格/克3.單位重量的水勢(shì)：cmH2O高orcmHg高第二節(jié)土壤水分的能態(tài)土水勢(shì)表示方法：單位重量土壤水的勢(shì)能值用相當(dāng)于一定水柱高度的厘米數(shù)表示第二節(jié)土壤水分的能態(tài)在土壤水分分勢(shì)中，基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)為負(fù)值，為了使用方便，習(xí)慣上將這兩個(gè)分勢(shì)的絕對(duì)值之和統(tǒng)稱為土壤水吸力。一般簡稱土壤吸力。6土壤水吸力(

土壤水吸力是能量尺度的一種表示方法，不要誤以為是土壤對(duì)水的吸力。土壤水吸力pF值厘米水柱高度變化大第二節(jié)土壤水分的能態(tài)水分運(yùn)動(dòng)總是從土水勢(shì)高的地方自發(fā)地流向水勢(shì)低的地方。而不一定是從含水量高的流向含水量低的地方。土壤水分能量學(xué)觀點(diǎn)是土壤科學(xué)領(lǐng)域一次大的飛躍。第二節(jié)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)土壤水分的能態(tài)土壤B粘土15%土壤A砂土10%10%15%7.平衡系統(tǒng)中的土水勢(shì)第二節(jié)土壤水分的能態(tài)（一）概念土壤水分特征曲線：表示土壤含水量（數(shù)量）與土壤基質(zhì)勢(shì)（土壤水吸力）（能量）的關(guān)系曲線。二、土壤水分特征曲線第二節(jié)土壤水分的能態(tài)土壤水吸力土壤含水量增加而降低。1.土壤質(zhì)地(二）影響土壤水分特征曲線的因素相同含水量，水吸力黏土>壤土>砂土相同水吸力，含水量黏土>壤土>砂土第二節(jié)土壤水分的能態(tài)2.土壤結(jié)構(gòu)(二）影響土壤水分特征曲線的因素在低吸力（高含水量時(shí)表現(xiàn)明顯：破壞土壤構(gòu)（壓緊）土壤使通氣隙和毛管孔隙減少，飽含水量小第二節(jié)土壤水分的能態(tài)3.溫度4.土壤水分變化過程一定水吸力下，溫度越高，含水量越低（溫度升高，水的粘滯性和表面張力下降，土水勢(shì)升高，水吸力降低）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)

1、張力計(jì)法（負(fù)壓計(jì)或濕度計(jì)），測(cè)定水不飽和土壤的基質(zhì)勢(shì)或基質(zhì)吸力。（三）土壤水分特征曲線的測(cè)定第二節(jié)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)土壤水分的能態(tài)Ψw=ψm+ψs+ψg+ψp+ψt第二節(jié)土壤水分的能態(tài)Ψws（土壤）=ΨwD（張力計(jì)中的水勢(shì)）ψg=0，ψs=0，ψt=0，Ψws（土壤）=Ψps

+ΨmsΨwD（張力計(jì)）=ΨpD

+ΨmDΨps

=0ΨmD

=0Ψws（土壤）=ΨwD（張力計(jì)）

2、壓力膜法：根據(jù)土壤在不同壓力下排水的原理測(cè)定，可測(cè)水吸力1~20bar。張力計(jì)法適用范圍800/850hPa以下，超過此范圍，就有空氣進(jìn)入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范圍多在1000hPa以下，故張力計(jì)有一定實(shí)用價(jià)值。壓力膜（板）儀土樣Pressureplateapparatus出水孔壓力調(diào)控壓力室優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大（0～20個(gè)大氣壓）缺點(diǎn)：平衡時(shí)間長，需要恒溫條件S.JRichards,1931設(shè)計(jì)注意：不同吸力范圍選用不同壓力室和膜或板所有的壓力膜儀都要求在一個(gè)可以提供調(diào)節(jié)的壓力源下進(jìn)行操作。壓縮機(jī)或者高壓氮瓶提供系統(tǒng)壓力。Ψs總=ψw

（自由水）第二節(jié)土壤水分的能態(tài)ψg=0，ψs=0，ψt=0，Ψs總（土壤）=Ψps

+ΨmsΨw（自由水）=Ψm（自由水）

+Ψp（自由水）Ψp（自由水）=

0，Ψm（自由水）

=0Ψw=ψm+ψs+ψg+ψp+ψtΨs總（土壤）=Ψps

+Ψms=0Ψms=-Ψps可利用它進(jìn)行土壤水吸力S和含水率之