四 土壤水分PPT課件

1、土壤水分,soil water,.,2,水：自然界最奇異的物質(zhì)水：液態(tài)金子,水對人類本身的重要性： 例：人的身體一年大約需要一噸水來維持健康和生命。 水是農(nóng)業(yè)之本： 每生產(chǎn)一噸糧食約需1000噸水，近年來世界糧食產(chǎn)量下降，干旱和水源不足是其中的重要原因之一 民以食為天民以水為天,地球上水分貯量及其嚴(yán)峻性,地球上的總水量“缸”，淡水“瓢”，可利用水“勺” 地球上的淡水總貯量約為0.39億km3，淡水占全球水量的0.014%。其中被冰雪封存和埋藏在地殼深層的水有0.349億km3 可供人類生活和生產(chǎn)的循環(huán)水總貯量只有0.041億km3，僅占總淡水量的10.5%。在0.041億km3的淡水中，除循環(huán)

2、地下水（占95.12%)和湖泊水(占2.95%)超過土壤水(1.59%)外，土壤貯水量明顯大于江河水(0.03%)和大氣水(0.34%)的貯量。,.,5,聯(lián)合國糧農(nóng)組織1995年指出，到2000年全球各大洲人均占有水資源最少的是亞洲，只有3300m3。 我國水資源總量豐富，為2.8萬億m3，居世界第6位。但因人口過多，人均占有量只有2300m3（1998年10月24日的結(jié)束的21世紀(jì)城市水資源國際學(xué)術(shù)研討會：中國年人均用水量為2200m3），在世界上排名121位，是全世界人口平均用水量的1/4； 聯(lián)合國根據(jù)此資料，將我國列為全球13個缺水的國家之一。 我省黃淮海地區(qū)：平均用水量是全國用水量的1

3、/3則是世界平均用水量的1/12,The world is thirsty for fresh water.,植物營養(yǎng)在土壤中的轉(zhuǎn)化、 遷移及功能的發(fā)揮離不開水分。,第一節(jié) 土壤水分的形態(tài)、數(shù)量和能態(tài) The forms, amount and potential of soil water 一、土壤水分的形態(tài) 根據(jù)水分所處的狀態(tài)、所受力的種類及勢值大小進(jìn)行分類?？煞秩N：吸附水，毛管水，重力水。 (一)吸附水（adsorbed moisture） 1、定義：受土粒吸附力作用而保持在土粒表面的水分。 2、吸附力范圍：6.25 105108pa(6.25104bar) 3、吸附水分：吸濕水和膜狀

4、水。,4、吸濕水（hygroscopic water） 干燥土粒藉其表面的分子引力和靜電引力從大氣和土壤空氣中吸收一些水汽分子附著在土粒表面，這部分水分稱 吸力范圍：31 105109pa 特點： 對植物無效；密度大，甚至不導(dǎo)電。 受到土粒的吸力大，水分子呈定向緊密排列，密度1.2-2.4 g/cm3，平均為1.5g/cm3，無溶解能力，不能以液態(tài)水自由移動，也不能被植物吸收，為無效水。,.,10,土壤吸濕水含量的高低主要取決于土粒的比表面積和大氣的相對濕度； 土壤質(zhì)地愈粘重和有機(jī)質(zhì)含量愈高，其比表面積愈大，吸濕水含量愈高； 大氣相對濕度愈大，吸濕水含量愈高，當(dāng)空氣相對濕度為94-98%時，吸

5、濕水達(dá)到最大值，此時的土壤吸濕水量就叫最大吸濕水量。,表 土壤質(zhì)地與土壤吸濕水和最大吸濕量,5、膜狀水（membranous water） 在吸濕水層外，土粒剩余力場還可吸附一部分液態(tài)水形成連續(xù)水膜，稱 吸力范圍：31 105 6.25 105 pa 特點 （1）對植物部分有效：6.25-15巴有效，大于15巴無效； （2）水分移動性仍差：供水能力差，作物易受旱； （3）影響因素：質(zhì)地愈粘，有機(jī)質(zhì)含量愈高，鹽分含量愈少，則膜狀水含量愈高。 6、凋萎系數(shù)（wilting coefficient） 當(dāng)土壤水吸力大于等于15巴，作物根系難于從土壤中吸水而發(fā)生永久性萎焉時的土壤含水量。是土壤有效水下限

6、。 凋萎系數(shù)主要與質(zhì)地，植物種類有關(guān)。（見下表）,不同質(zhì)地土壤的凋萎系數(shù),（二）毛管水（capillary water） 1、定義：土壤毛管孔隙中由毛管引力而保持的水分。 2、作用力：0.15 1056.25 105 pa(6.25-0.1bar) 3、特點：移動速度大，1030mm/hr，補(bǔ)水迅速。全為有效水，易被作物吸收。 4、毛管水含量的影響因素： （1）質(zhì)地：砂壤，輕壤含量多，毛管水多； （2）結(jié)構(gòu)：團(tuán)粒結(jié)構(gòu)多，保水性高； （3）地下水位：地下水位高，則毛管水含量越高； （4）腐殖質(zhì)含量：含量愈高，則毛管水含量愈高。,5、毛管上升水和毛管懸著水 （capillary rising wa

7、ter and capillary hanging water） （1）毛管懸著水 定義：地形部位高，地下水位深的地方，灌水或降水后，借著毛管引力而保持在上層土壤中的水分。 特點：與對下水位一般無關(guān)。 這些土壤稱旱地或雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。,旱作農(nóng)業(yè)（upland farming） 雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)（rainfed agriculture） 采取各種措施增加土壤入滲，并通過耕作，熟化，增強(qiáng)土壤水庫功能，使入滲水分更多地保存于土壤，避免徑流和淋失的發(fā)生，保持較多水分，滿足作物生長需要。,田間持水量（field moisture capacity)：土壤毛管懸著水達(dá)到最大值時的土壤含水量。是自然狀況下土壤所能保持水分

8、的最大數(shù)量。是農(nóng)田灌水的上限。 田間持水量的作用： （1）是旱地作物灌溉水含量的上限： 灌水定額= 田間持水量土壤含水量 （2）計算：土壤中最大有效水分含量 田間持水量凋萎系數(shù),（2）毛管支持水（毛管上升水） 指地下水層籍毛管力支持上升進(jìn)入并保持在土壤中的水分。 影響因素： 地下水位的高低：地下水位上升，則毛管支持水上升； 土壤質(zhì)地：砂土最低，粘土居中，壤土最高。 毛管持水量：當(dāng)毛管支持水達(dá)到最大時土壤的含水量，它實質(zhì)上是吸濕水、膜狀水和毛管上升水的總和。,rainfed farming,upland soil,underground water table,irrigation farmin

9、g,當(dāng)?shù)叵滤贿m當(dāng)時，毛管支持水可達(dá)到植物根系，是作物所需水分的重要來源之一； 當(dāng)?shù)叵滤缓苌顣r，毛管支持水達(dá)不到根系，不能發(fā)揮補(bǔ)水作用； 若地下水位過淺，易發(fā)生漬害，可能引起土壤鹽漬化,（三）自由水（free water） 1、定義：當(dāng)土壤含水量達(dá)田間持水量以后，多余的水分稱為自由水。 土壤重力水(gravitational water)：大孔隙中受重力作用向下滲漏的水分。是地下水的主要來源。當(dāng)重力水達(dá)到飽和，即土壤所有孔隙都充滿水分時的含水量稱為土壤全蓄水量或飽和持水量。 特點：可被作物吸收，由于下滲作用，多為無效，但在水田例外。 在旱地，重力水下滲入下層土壤，轉(zhuǎn)變?yōu)槊芩?，供深層根系吸?/p>

10、。,二、土壤水分的數(shù)量表示 amount expression of soil water (一)土壤含水量（soil water content,%） 1、質(zhì)量含水量：土壤中水分的重量與土壤干重的百分比值，單位：g/kg（也曾用百分率表示）。 土壤水分重量 W，% = 100 土壤干重 注意應(yīng)用干土重為基數(shù)進(jìn)行計算。 測定方法：烘干法 2、容積含水量(volumetric water content)：土壤中水分的容積與土壤總?cè)莘e的百分比值。 土壤水分容積 W，% = 100=重量含水量土壤容重 土壤容積,利用土壤容積含水量可以反映土壤水分在土壤孔隙容積含水量的比例，或水、氣容積的比例。 W

11、，% = 重量含水量土壤容重 如土壤質(zhì)量含水量為200g kg-1，容重為1.2g cm-3，則土壤的容積含水率為24%。若知土壤的總孔隙度，則通過總孔隙度減去容積含水率，則得空氣所占的容積，這樣土壤的固氣液三相比可以求得,3、相對含水量（relative humidity,%）：某一時刻土壤含水量占該土壤田間持水量的百分?jǐn)?shù)來表示土壤水分的多少。 土壤含水量 RH,% = 100 田間持水量 相對含水量可以衡量各種土壤持水性能，能更好地反映土壤水分的有效性和土壤水氣狀況，是評價不同土壤供給作物水分的統(tǒng)一尺度。 通常旱地作物生長適宜的相對含水量是田間持水量的7080，而成熟期則宜保持在60左右。

12、,（二）土壤水層厚度：指一定深度(mm)土層中的水分總量相當(dāng)于若干水層厚度(mm)。它便于將土壤含水量與降雨量、蒸發(fā)散失量和作物耗水量等相比較，以便確定灌溉定額。 土壤面積厚度容重重量含水量% 水層厚度 = 土壤面積 = 厚度容重重量含水量%10 。,二、土壤水分的能態(tài)(potential of soil water) (一)土水勢(soil water potential) w 1、定義：土壤水與同樣條件下純自由水自由能的差值。 純自由水能態(tài)最高，為0，土壤水由于受各種力的作用，能態(tài)降低，為負(fù)值。 為了可逆地等溫地在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下從在指定高度的純水體中移動無窮小量的水到土壤水分中去，每單位數(shù)量

13、的純水所需作功的數(shù)量。 土壤中水分的有效性以及運動的方向受水分的能態(tài)支配，與水分含量無關(guān)。,2、水分運動方向：高勢區(qū)向低勢區(qū)運動。土水勢是判斷土壤水分運動方向和有效性的唯一可靠指標(biāo)。 3、土水勢的分勢 土水勢是土壤中各種力共同作用的結(jié)果，各種力所產(chǎn)生的勢能、具可加和性，彼此獨立，故土水勢可以分為以下分勢。 w = g + p + m + s 土水勢=基質(zhì)勢+壓力勢+溶質(zhì)勢+重力勢,水往低處流,人往高處走,（1）基質(zhì)勢 matric potential m 土壤水分不飽和時，水分受土壤吸附力和毛管引力作用而產(chǎn)生的勢能值，為負(fù)值； 而飽和的土壤水不受基質(zhì)吸持，其基質(zhì)勢為0。 （2）重力勢 grav

14、itational potential g 土壤水受重力作用而產(chǎn)生的勢能 。參照面以上為正，以下為負(fù)。 g=gh: ：水密度； g：重力常數(shù)； h：高度,（3）壓力勢 pressure potential p 指將單位水量從一個土水體系移動另外一個壓力不同，而溫度、基質(zhì)、溶質(zhì)等狀態(tài)完全相同的參比系統(tǒng)時所做的功， 參比系統(tǒng)一般設(shè)定為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?，故土壤水的壓力勢以其受到的壓力與大氣壓力之差計算。 不飽和土壤中，其孔隙與大氣相通，水受到的壓力同大氣壓相等，其壓力勢為0； 飽和土壤中，水柱產(chǎn)生的壓力高于參比大氣壓，故地下水位以下的土壤水壓力勢為正值， p=-gh,（4）滲透勢(溶質(zhì)勢 osmatic

15、 potential s 由于水中的溶質(zhì)所引起的勢能（滲透壓）， 對于具有一定鹽分濃度的土壤，溶質(zhì)分子對水分的吸持，需要環(huán)境對它做功，故為負(fù)值。 若土壤水不含溶質(zhì)，為0。 在土壤中溶質(zhì)隨水流動，滲透勢不起什么作用，但在又半透膜（如根系）時或有蒸發(fā)面時，應(yīng)該考慮。,（二）土壤水分能態(tài)觀點的應(yīng)用意義 1、反映土壤水分能態(tài)水平，與水分?jǐn)?shù)量指標(biāo)結(jié)合，可使不同土壤的水分有效性在同一尺度上進(jìn)行比較。 土壤 凋萎系數(shù)% 能態(tài)（巴） 當(dāng)土壤含水%時 能態(tài)（巴） 有效性 方向 粉砂土 6.6 -15 10 -0.5 有效 粉粘土 17.4 -15 15 -18 無效 2、判斷土壤水分運動的方向 3、可使土壤、植

16、株、大氣之間的水分運動在同一的能態(tài)尺度上進(jìn)行系統(tǒng)研究?？偟脑瓌t：水分從高勢區(qū)向低勢區(qū)流動。 SPAC-soil, plant, atmosphere continum(chain) 土壤植株大氣連續(xù)體中，一般 土壤水分 -0.3-15巴 植株 -20巴左右 大氣 -300巴左右,4、在研究手段上提供了更精確、更科學(xué)、更有效的方法和技術(shù)。 易于用數(shù)學(xué)模擬以及儀器定量反映土壤水分狀況變化，為今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)化、機(jī)械化、自動化開辟了廣闊的前景。 如農(nóng)田水分自動動態(tài)監(jiān)測和自動化灌溉。,（三）土壤水吸力（soil water suction） 1、定義：指土壤水承受一定吸力情況下所處的能態(tài)。是土壤水能態(tài)

17、的又一表達(dá)方式。 2、需要說明的是： （1）不是指土壤對水的吸引力，而是能態(tài)。 （2）意義與土水勢相同，但符號相反。S= w （3）土壤水吸力通常在不飽和土壤中存在，主要包括基質(zhì)吸力和滲透吸力兩部分。 （4） 水流方向是從低吸力區(qū)向高吸力區(qū)流動。 在應(yīng)用上，土壤水吸力更方便一些。,三、土壤水分測定方法 Measurement of soil moisture 1、取土烘干法（經(jīng)典方法） 田間用土鉆取土，室內(nèi)烘箱內(nèi)105110度烘68小時至衡重。測出含水量。 2、酒精燃燒法 3、中子儀法 4、電阻塊法 5、負(fù)壓計法（張力計法） 6、壓力膜法 7、時域反射儀法（TDR， time dimensio

18、n reflection）,四、土壤水分?jǐn)?shù)量與能態(tài)間的關(guān)系 土壤水分特征曲線 soil water characteristic curve (一)定義：土壤水分?jǐn)?shù)量指標(biāo)與能態(tài)指標(biāo)間所作的關(guān)系曲線。也稱持水曲線（soil water retention curve）。,w,%,S,bar,（二）土壤水分特征曲線的用途（意義） 1、進(jìn)行土壤水分?jǐn)?shù)量和能態(tài)間的互算。 W = aS-b 2、研究土壤水儲量與水分的有效性。 土壤有效水貯量 = 0.3巴時含水量 - 15巴時含水量。 土壤有效水含量 = 土壤含水量 - 15巴時含水量。 3、利于說明不同質(zhì)地土壤水分特性的差異。 土壤 15巴時% 0.3

19、巴時% 有效貯量% 砂土 4 10 6 壤土 10 27 17 粘土 17 35 18 所以，9%含水量時，壤土和粘土都干旱，砂土正常； 15%含水量時，壤土正常，粘土干旱，砂土漬水； 30%含水量時，粘土正常，壤土、砂土過飽和而漬水。,sandy soil,loamy soil,clayey soil,w,%,S,bar,water retention curves of different texture soils,丨,同一含水量的能態(tài)（水吸力），粘土壤土 砂土； 土水勢：砂土壤土 粘土。 同一能態(tài)的含水量：粘土 壤土 砂土。,4、了解土壤當(dāng)量孔徑的分布情況。 D= 3/T= 3/S.

20、S0=0cmH2O, = 74% S1=5cm, 1= 60% S2=10cm. 2= 37% 0 -1=14%, 是從 大于 D1=3/5=0.6mm的孔隙中流出的。 2-1=23%，是從0.60.3mm 孔隙中流出的。,五、土壤水分狀況與作用生長 （一）、作物對水分的需求 1、水分是作物的重要組成部分 一般作物體內(nèi)含水約6080，蔬菜瓜果的含水量高達(dá)90以上； 光合作用，光合產(chǎn)物的運移需要水分的參與新陳代謝； 葉面蒸騰散熱，維持體溫等 2、土壤水分是影響作用出苗率的重要因素,3、作物不同生育期對土壤水分的要求不同 總體來說，苗期需水較少，隨生長發(fā)育需水量加大，成熟期減少。 需水臨界期：若某

21、一生育期土壤缺水，對作物產(chǎn)量影響最為嚴(yán)重的時期。 麥類：抽穗期灌漿期； 玉米：抽雄期； 高梁：花序形成至灌漿期； 棉花：花鈴期 豆類、花生：開花期； 水稻：孕穗期抽穗期； 馬鈴薯：開花至塊莖形成期； 向日葵：花盤形成到開花期,（二）、土壤水分影響作物對養(yǎng)分的吸收 1、有機(jī)養(yǎng)分的分解礦化； 2、化學(xué)肥料的溶解； 3、養(yǎng)分離子的遷移； 4、作物根系對養(yǎng)分的吸收,第二節(jié) 土壤水分的運動和田間循環(huán) Transportation and circulation of water in soil 一、液態(tài)水的運動 是土壤水運動的主要形式。包括飽和流和不飽和流，共同點： 符合達(dá)西定律（Darcys law）

22、, 即在水勢梯度方向上，單位時間內(nèi)通過單位橫截面積的水量。 水流驅(qū)動力：土水勢梯度 水流運動方向：高勢區(qū)向低勢區(qū)運動，即又低吸力區(qū)向高吸力區(qū)運動。 達(dá)西公式： Q= -K d/dx = q/T.S d/dx: water potential gradient K: conductivity of soil water “-” shows the direction of water flow.,( 一)飽和流(saturated flow) 定義：所有孔隙都充滿水時所發(fā)生的水流。 驅(qū)動力：重力勢+壓力勢（g+p） K(s)飽和導(dǎo)水率，對某 種土壤來說，是一個常數(shù)(constant)，主要取決于

23、土壤導(dǎo)水的難易。涉及土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性、孔隙數(shù)量與質(zhì)量、松緊度、裂隙等。其次是水分自身的性質(zhì)：如粘滯性、密度等（隨溫度變化）。 水流方向：高勢區(qū)向低勢區(qū)運動。 三種飽和流。 wat7-1.tif,（1）垂直向下水流(vertical downward flow) 在水田、灌渠及在降雨、灌溉時常見。 am=o q=-Ks.d/dx H ag=L = -Ks(H+L)/L ap=H L ref.level Darcys model bg=0 bp=bm=0,A,B,（2）垂直向上水流(vertical upward flow) 主要在地下泉水流出的田塊（冷浸田），或土體下部有不透水層并且有坡降的地方

24、，在低平地常有向上浸水現(xiàn)象，稱“上浸田”。屬低產(chǎn)土壤，需改良。 （3）水平飽和流（horizontal saturated flow） 在河流、水渠側(cè)向水流（側(cè)滲side seepage） 發(fā)生。剖面中下部有不透水層時，下滲水發(fā)生滯留形成滯水層，其水分側(cè)向流動，產(chǎn)生上層土壤“白漿化”，鐵錳還原淋洗，土壤白化、粉沙化。,side seepage,輸水過程中水分主要損失途徑,water,leaching loss,side seepage,profile of a ditch,（二）不飽和流 （ unsaturated water flow in soil） 定義：土壤中部分孔隙充滿水時發(fā)生的水流

25、，即土壤水分不飽和時的水流。在土壤水分運動的主要形式，旱地中水流多為不飽和流。 驅(qū)動力：土壤基質(zhì)勢為主， m+ g 不飽和導(dǎo)水率K，是一個變量（variable）,是土壤含水量和土水勢的函數(shù)，同時又受土壤質(zhì)地及其層次性的影響。,隨著土壤水由飽和變?yōu)椴伙柡?，K值急劇下降，下降速度沙土 壤土 粘土。原因：部分孔隙充水，使導(dǎo)水面積減少；充水孔隙均較細(xì)，含水量和土水勢越低，導(dǎo)水孔隙越細(xì)，依普氏原理u R2, 導(dǎo)水速率變慢；由通氣孔隙產(chǎn)生的阻隔作用。 當(dāng)m=0，即土壤水分飽和時，K=Ks m=-1/3bar , K 1/100Ks 1/1000Ks m=-1.0bar, K 1/10000Ks 4、不飽

26、和流仍然服從達(dá)西定理，水流方向仍是高勢區(qū)向低勢區(qū)流動。 Q=-K(w,)d/dX =-K(w,)d(m+ g)/dX,8,二、水汽運動( water vapor movement ) 1、氣態(tài)水在土壤中的運動實質(zhì)上是水分漬的擴(kuò)散運動。服從一般氣體的擴(kuò)散定律，既費克定律： Ficks law qv = - Dv dP/dx Dv_diffusion coefficient dP/dx _gradient of vapor pressure 2、Dv 比空氣中D值小的多，只有中等濕度土壤中才具有較高的D值（考慮水汽量和擴(kuò)散空間） 3、 dP/dx 主要由土水勢梯度和溫度梯度決定，且溫度的影響要比土

27、水勢的影響大得多。 4、方向：高溫區(qū)向低溫區(qū)；高勢區(qū)向低勢區(qū)運動。 5、影響因素：土壤因素：含水量，土水勢，土溫，質(zhì)地，孔隙，結(jié)構(gòu)，容重，積鹽，裂隙； 大氣因素：氣溫、RH%、風(fēng)速、太陽輻射等。,三、水分向土壤中入滲及其再分布 Water infiltration and redistribution in soils （一）入滲過程 1、定義：指水分自地表垂直向下進(jìn)入土壤的過程。 漫灌、滴灌、滲灌、降雨過程中都發(fā)生有這一過程。 入滲情況決定著水分進(jìn)入土壤的數(shù)量，生產(chǎn)中我們常采取許多措施增加入滲，減少徑流（runoff），以有效蓄積、利用水分?！笆諌?、蓄墑”water harvesting. 2 、入滲速率（infiltration rate）：當(dāng)土壤表面有水層時，單位時間內(nèi)通過單位面積土壤的水量。L3/L2.T=L/T, mm/min 3、入滲特點： 入滲速率隨時間延長由高變低，最后降到一個穩(wěn)定的水平。,5、影響因素： （1）土壤水分含量和基質(zhì)吸力：入滲時驅(qū)動力有基質(zhì)勢、重力勢和壓力勢，初始階段主要取決于基質(zhì)勢。以后與重力勢和壓力勢有關(guān)。 I 土壤越干燥，基質(zhì)勢越低， dm/dX 越大，入滲越快。 T,initially dry,initially wet