土壤物理學 2

1、土土 壤壤 物物 理理 學學 第二章第二章 土壤水土壤水ContentsWater contentMeasurement of soil waterSummary of methods for measuring of soil waterSoil water constantsThe calculation of soil waterContentsSoil water potentialThe units of soil water potentialMeasurement of soil water potentialSummary of methods for measuring of

2、 soil waterSoil water characteristic curve第一節(jié) 土壤水的測定 土壤水分含量表示方法重量含水率m體積含水率v土壤水深度De相對含水率 重量含水率(m) =土壤水分重量/土壤干重100% =（濕土重-干土重）/干土重100%土壤重量含水率的用途土壤重量含水率的用途用于土壤研究的基礎運算用于土壤研究的基礎運算用于計算土壤體積含水量用于計算土壤體積含水量用于計算土壤水深度用于計算土壤水深度用于計算土壤容重用于計算土壤容重用于計算相對含水量用于計算相對含水量用于計算土壤養(yǎng)分含量、鹽分含量用于計算土壤養(yǎng)分含量、鹽分含量用于計算干土稱樣用于計算干土稱樣土壤體積含水

3、率(v) =土壤水分體積/土壤體積100% =重量含水量（%） 土壤容重土壤容積含水量用途計算土壤水的深度計算土壤的三相比 計算土壤各級孔隙度土壤水的深度DeDe= v 土壤深度 單位：毫米 v 是含水量，非%土壤水的深度計算示例若v =0.12土壤深度=400 mm則De=0.12400=48 mm土壤水的深度用途用于水量平衡計算用于灌溉計算用于蒸騰蒸發(fā)量計算 相對含水量 =自然含水量 田間持水量100%相對含水量用途用于作物需水的指標用于土壤供水的指標 請說明相對含水量與絕對含水量的用途請說明相對含水量與絕對含水量的用途土壤水分測定方法重量法：烘箱烘干法 酒精燃燒法 紅外線法 微波法 中子

4、散射法Gamma射線法時域反射法張力計（負壓計）法石膏塊法烘箱烘干法： 濕土稱重 烘箱105110 26小時烘干至恒重 稱重 計算重量含水量酒精燃燒法：濕土稱重 加酒精 點燃 火熄滅后再加酒精 點燃 反復23次 稱重 計算重量含水率 紅外線法：濕土稱重 在紙上攤勻 紅外線燈下烘烤 56分鐘 稱重 計算重量含水率中子散射法：原理中子散射法：原理中子散射法：原理 快中子源發(fā)射出能量115Mev的快中子且平均速度1600km/sec。 快中子被徑向射向土壤中，與各種原子核發(fā)生彈性碰撞。 經(jīng)過多次反復碰撞后，快中子發(fā)生偏斜，成為散射體，最終失掉功能，其速度與周圍粒子和平均動能一致，相接近。中子散射法：

5、原理 快中子的速度被降低的過程叫做熱化，被熱化的中子叫做慢中子。 慢中子繼續(xù)在土壤中運動，最終被原子核吸收。 慢中子的能量為0.03ev ，速度大約2.7km/sec 中子散射法：原理 土壤中的各種核子對快中子的減速效率不同。 兩個質(zhì)量大體接近的物體相撞時其能量喪失最多 。 快中子的熱化所需要的碰撞次數(shù)與撞擊的原子質(zhì)量成正比相關。中子散射法：原理原子質(zhì)量與對快中子的衰減效率元素名稱質(zhì)量衰減快中子所需碰撞次數(shù)氫1.007919.0硼10.81109.2碳12.011120.6氮14.0067139.5氧15.9994158.5鈉22.98977224.9中子散射法：原理土壤中，氫原子質(zhì)量最小土壤

6、中，氫原子質(zhì)量最小土壤物質(zhì)組成中，水分子中氫占的比例土壤物質(zhì)組成中，水分子中氫占的比例最大最大土壤水的數(shù)量最不穩(wěn)定土壤水的數(shù)量最不穩(wěn)定慢中子的相對密度與土壤中水的含量大慢中子的相對密度與土壤中水的含量大體成正相關體成正相關中子散射法： 土壤中埋入鋁管 探棒落到鋁管中 在需要測定的深度測量 根據(jù)慢中子脈沖速率計算土壤容重含水量中子散射法：結果計算Nw=m v +bNw/Ns= v Nv-慢中子脈沖速率 Ns-標準吸收體的慢中子脈沖速率中子儀中子儀Gamma射線法：儀器構造（1） Gamma射線源（2） 檢測器Gamma射線法：原理 射線源發(fā)射出單能徑向的射線源發(fā)射出單能徑向的Gamma射線射線

7、穿過填充材料（土壤）穿過填充材料（土壤） 檢測器接收并檢測器接收并計算輻射通量。計算輻射通量。 因為土壤密度為恒定的，輻射通量僅與因為土壤密度為恒定的，輻射通量僅與土壤水分含量有關土壤水分含量有關時域反射法TDR：原理土壤三相物質(zhì)的介電常數(shù)差異很大固體土粒:5 土壤空氣:1 水:80.36電磁脈沖在波導棒中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)有關。時域反射法TDR：原理 電磁脈沖在土壤中傳播時，介電常數(shù)穩(wěn)定，不受土壤類型、密度影響，與容積含水量有很好的相關性。v=-5.310-2+2.92 10-3a-5.5 10-4 a2 +4.3 10-6 a3張力計法利用張力計測定土壤的水吸力，再根據(jù)土壤水分特征

8、曲線計算土壤的含水量。壓力膜法壓力膜法水分特征曲線水分特征曲線土壤水吸力土壤水吸力S 土壤含水率土壤含水率 Sa石膏塊法石膏塊法土壤水分測定方法比較：重量法經(jīng)典方法結果準確一次可以測定多個樣品耗時間長不能在田間定點連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：酒精燃燒法方法簡便，快速一次只測定一個樣品有機質(zhì)有損失，測定結果受影響不能在田間定點連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：紅外線法方法簡便，快速一次只測定多個樣品測定結果精度差不能在田間定點連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：中子散射法需要預先測定m或v作校正曲線需要在土壤中預設鋁管不能測定復雜土層的土壤含水量不能測定表層土壤量儀器有放射性，操作人員需特殊培訓可以定點

9、連續(xù)測定不能測定盆栽試驗的土壤含水量可以測定極小范圍內(nèi)的土壤含水量有射線危險可以同時測定土壤含水量和容重土壤水分測定方法比較：Gamma射線法土壤水分測定方法比較: TDR法可以定點，連續(xù)測定儀器攜帶方便，可以用于大田或盆栽測定結果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機土壤水分測定方法比較: 張力計法可以定點，連續(xù)測定測定結果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機不適合測定表層土壤土壤水分測定方法比較: 石膏塊法可以定點，連續(xù)測定測定結果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機受環(huán)境因素影響較大土壤水分測定方法選擇測定批量土

10、壤樣品含水量：烘箱烘干法盆栽或大田試驗測土壤含水量：TDR法思考題土壤水分測定方法主要有幾種?各有哪些優(yōu)缺點?從原理及使用兩方面比較中子散射法與時域反射法測定土壤水分的異同.在科研中如何選用土壤水分測定方法?土壤含水量的應用計算灌溉水量計算灌溉水或降雨入滲深度 已知已知v=0.12,計算使計算使80cm的土層的土層v增至增至0.30需加入的水需加入的水量量。 解：解：De= vD 原始原始De=0.1280=9.6cm 結果結果De=0.3080=24.0cm 應加入水量應加入水量=De(結果結果)-De(原始原始) =24.0cm-9.6cm=14.4cm注意計算出的深度為整個地面應覆蓋的水

11、層深度計算應加入的水的體積： 灌溉水量（體積）De灌溉面積 已知土壤田間持水量vfc=0.30,降雨前 v=0.10,如降雨10cm,水分下滲多深? 解：降雨前De= vD 降雨后De= vfcD 兩者之差應等于降雨量10cm,D為入滲深度vfcD- vD=10cm D=10cm/(vfc- v)=10cm/(0.30-0.10) =50cm田間持水量與永久萎蔫系數(shù)永久萎蔫系數(shù)與土壤類型有關，還受作物類型與生長季節(jié)，氣候的影響。田間持水量只受土壤本身物理性質(zhì)影響。田間持水量的差異：持水性好的土壤在相當長的時間內(nèi)保持其穩(wěn)定性持水性差的土壤沒有明顯穩(wěn)定時間不同土壤的田間持水量差異很大同一土壤的不同

12、地點存在差異同一土壤的同一地點不同時間存在差異土壤田間持水量的差異時間含水量真正土壤理想土壤田間持水量廣泛應用的原因田間持水量廣泛應用的原因田間持水量具有相對穩(wěn)定性田間持水量可以用于相對含水量計算相對含水量在歷史和現(xiàn)階段土壤水分研究上的作用: 在作物栽培作物栽培上的用途 在作物育種作物育種上的用途 在土壤研究土壤研究中的用途田間持水量在計算中的用途計算灌溉水量計算雨水入滲深度已知土壤容重1.39g/cm3，田間持水量26（重量），土壤初始m12，使1.0米深土體含水量達田間持水量需加入多少厘米水？ 解：De=D m容重 1.0米100cm De=100(26%-12%) 1.39 =19.5c

13、m 在多層次土壤上的應用題：如降雨5厘米，土壤田間持水量為0.30（容積含水量），雨水將下滲多深？土壤深度 土壤重量含水量 土壤容重05 0.051.25200.101.320800.151.4801000.171.4解:先求出先求出05cm05cm土壤達田間持水量所需要的水量土壤達田間持水量所需要的水量: :D De1e1=D=Di i( ( vfcvfc- - m1m1容重容重) )=5（0.30-0.051.20）=1.20cm再求出再求出520cm土壤達田間持水量所需要的水量土壤達田間持水量所需要的水量: De2=D2(vfc- m2容重容重)=15（0.30-0.101.37）=2.

14、55cm5厘米雨水使這兩層達飽和后，還剩水量：厘米雨水使這兩層達飽和后，還剩水量： 5-1.20-2.55=1.25cm求求1.25cm厘米雨水還可濕潤多深土壤厘米雨水還可濕潤多深土壤 D=1.25/（0.30-0.151.4）=13.9cm總濕潤深度為：總濕潤深度為： 5+15+13.9=33.9cm思考題1水分常數(shù)是常數(shù)嗎?2田間持水量不是常數(shù)值,為什么還被廣泛應用?3田間持水量在土壤水研究中有哪些用途?4多層次土壤怎樣計算灌溉水量?第二節(jié)第二節(jié) 土壤水勢土壤水勢Soil water potentialThe units of Soil water potentialMeasurement

15、 of soil water potentialSummary of methods for measuring of soil waterSoil water characteristic curve土壤水勢Soil water potential ：總土水勢：Total water potential, 土壤中任一點的單位數(shù)量土壤水的吉氏自由能與標準參考狀態(tài)下自由水自由能的差值。國際土壤學會土壤物理委員會給的定義：國際土壤學會土壤物理委員會給的定義： “每單位數(shù)量純水可逆地等溫地無限小量每單位數(shù)量純水可逆地等溫地無限小量從標準大氣壓下規(guī)定水平的水池移至土壤中某從標準大氣壓下規(guī)定水平的水池移

16、至土壤中某一點，所作的有用功。一點，所作的有用功?！蓖寥浪畡荩悍謩萃了畡莸姆謩荩褐亓?、基質(zhì)勢、壓力土水勢的分勢：重力勢、基質(zhì)勢、壓力勢、滲透勢、溫度勢、磁力勢等勢、滲透勢、溫度勢、磁力勢等pressur potential, matric potential, gravitational potential, solute(osmotic) potentialt =p+ m+g+ s土壤水勢：單位與換算單位質(zhì)量土壤水勢 J/g erg/g 單位容積土壤水勢 pa bar atm單位重量土壤水勢 mmHg cmH2O pF pF是cmH2O絕對值的對數(shù) pF=（-h）土壤水勢：單位與換算 1

17、pa=0.0102 cm H2O 1 atm=1033 cm H2O=1.0133 bar 1 bar=0.9896 atm=1020 cm H2O土壤水勢計算與測定：重力勢（1）選擇一基準面，以cm H2O為單位，則基準面的g=0 （2）高于基準面處的g為正值, 數(shù)值等于該點到基準面的垂直距離。 低于基準面處的g, 數(shù)值等于該點到基準面的垂直距離，為負值。ABC15cm12cm基準面 g=0 g=15 cm H2Og= -12 cm H2O土壤水勢的計算與測定：基質(zhì)與壓力勢選擇當?shù)卮髿鈮鹤鳛闃藴蕢寒斔羷莓數(shù)卮髿鈮簳r，標準壓0 m =p=0當土壤水不飽和時，標準壓0,土水勢0，土水勢 0土壤

18、只有p ，沒有m數(shù)值等于該點到自由水面的垂直距離自由水面壓力=當?shù)卮髿鈮簶藴蕢?015cm12cmABC地下水位m =p=0水分不飽和p =0m= -12 cm H2O水分飽和m =0p=15 cm H2O滲透勢（溶質(zhì)勢）的計算：滲透勢（溶質(zhì)勢）的計算：s=- RTc-溶質(zhì)質(zhì)量u-溶質(zhì)摩爾質(zhì)量R-摩爾氣體常數(shù)T-熱力學溫度Cu溫度勢t=-Se TSe:單位數(shù)量土壤水分的熵值T:溫度變化其他分勢其他分勢磁力勢磁力勢空氣壓力勢空氣壓力勢荷載勢荷載勢濕潤勢濕潤勢土壤水分勢的組合：土壤水吸力 m+s suction土壤水勢=m+p+ s water potential土壤水力勢=g+ p+ m hyd

19、raulic potential組合后的用途不同土壤水分勢組合后的用途土壤水吸力：為了計算方便而設，僅用于水分不飽和情況土壤水勢：真正意義的土壤水勢土壤水力勢：與土壤水分運動關系密切 土壤水勢的測定方法：壓力膜法 pressure membrane 吸力平板法 pressure plate張力計法 tension meters 水汽壓法 vapor pressure for measuring of soil potential石膏塊法 離心機法壓力膜法：方法與原理壓力膜法：方法與原理壓力膜裝置壓力膜裝置:用于室內(nèi)測定用于室內(nèi)測定壓力膜法：方法與原理壓力膜法：方法與原理 土壤飽和后土壤飽和后

20、放入密閉鋼室內(nèi)放入密閉鋼室內(nèi) 加一加一定壓力定壓力 土壤中水分流出土壤中水分流出 當土壤停當土壤停止排水時止排水時 土樣烘干測含水量土樣烘干測含水量 這時：這時： p m 土壤水吸力所施加壓力土壤水吸力所施加壓力 壓力膜法用途測定某土壤水吸力下的土壤水含量測定不同吸力下土壤水的物質(zhì)組成研究不同吸力下土壤水吸力與土壤含水量的相關性Z張力計法：方法與原理張力計法：方法與原理多孔瓷杯，水多孔瓷杯，水分可以自由出分可以自由出入入張力計構造用于田間試驗或盆栽試驗定位測定，只能用用于田間試驗或盆栽試驗定位測定，只能用于低吸力段測定。于低吸力段測定。張力計用途：田間或盆栽試驗中測土壤水吸力田間或盆栽試驗中測

21、土壤水吸力測土壤水吸力測土壤水吸力00.85大氣壓下的土壤水大氣壓下的土壤水吸力和含水量關系吸力和含水量關系當土壤太干旱時，張力計內(nèi)水分汽化，當土壤太干旱時，張力計內(nèi)水分汽化，測量不出正確數(shù)值測量不出正確數(shù)值水汽壓法：原理 PF=H = (- Mg ) =6.5+ (2-h) h= 100(相對水氣壓)P P0RTh100R-摩爾氣體常數(shù)T-熱力學溫度水汽壓法：原理 20時各類鹽類飽和溶液上的空氣相對濕度飽和鹽溶液K2SO4KCl NH4ClNaNO3空氣相對濕度988679.266 PF4.465.315.515.76CaNO3K2CO32H2OCaCl26H2O5545355.926.04

22、6.16土壤水分特征曲線的制作方法030 bar 壓力膜法30 bar 水汽壓法土壤水分特征曲線的制作方法（1）測定0，0.1，0.3，0.6，1，3，6，10，15，30，60，100， 1000bar時的土壤含水量（2）在半對數(shù)紙上，土壤水吸力取對數(shù)座標，土壤含水量取正常座標繪相關曲線土壤水分特征曲線的滯后效應土壤水分特征曲線的標定（用最小二乘法原理選配經(jīng)驗公式）v =A+B/nSv =A/(S+B)v =AeasS-土壤水吸力v -土壤含水量A, B-經(jīng)驗常數(shù)影響土壤水分特征曲線的因素影響土壤水分特征曲線的因素低吸力段：受結構影響高吸力段：受質(zhì)地影響溫度滯后現(xiàn)象 土壤水分特征曲線土壤水分

23、特征曲線 P46 圖23圖圖：土土壤壤水水分分特特征征曲曲線線圖圖：土土壤壤水水分分特特征征曲曲線線1000010001010.10.010102030405060黏黏土土黏黏土土壤壤土土壤壤土土砂砂土土砂砂土土土土壤壤水水吸吸力力（土土壤壤水水吸吸力力（barbar）水水分分含含量量（克克水水分分含含量量（克克/100/100克克干干土土）克克干干土土）70返返回回返返回回土壤水分特征曲線的用途用于土壤水分含量與水勢之間的換算定點測定土壤水勢或土壤含水量用于計算灌溉水量測定實效孔徑分布計算比水容量土壤水分含量與水勢之間的換算應用實例： 新型張力計的發(fā)明新型張力計的發(fā)明舊式張力計測量范圍00.

24、85個大氣壓.新型張力計新型張力計測量范圍0-1500個大氣壓.目前測量土壤水分含量已經(jīng)有可靠的方法與儀器目前測量土壤水分含量已經(jīng)有可靠的方法與儀器,可以準確測定出從飽和含水量可以準確測定出從飽和含水量凋萎系數(shù)的土壤含水量凋萎系數(shù)的土壤含水量.土壤水分含量與水勢之間的關系可以用土壤水分特征曲線表示土壤水分含量與水勢之間的關系可以用土壤水分特征曲線表示.用一種測定用一種測定土壤水分含量的儀器測出土壤水分含量土壤水分含量的儀器測出土壤水分含量,然后換算出然后換算出土壤水勢土壤水勢.如何解決滯后現(xiàn)象如何解決滯后現(xiàn)象?如何解決與土壤的水分平衡如何解決與土壤的水分平衡?EQ15土壤水勢儀德國產(chǎn)平衡式土壤

25、水分張力儀由平衡傳感器與含水量2部分構成.平衡傳感器的材料具備2個特點:1、穩(wěn)定的含水量與水勢關系2、良好的透水性。vS田持水勢臨界水勢灌溉水量用于計算灌溉水量土壤水分含量與水勢之間的換算如果不考慮土壤水特征曲線的滯后現(xiàn)象可在已知 情況下可求得 S ，反之亦然。為了換算和分析方便，常將土壤水特征曲線概括為經(jīng)驗公式。如 Gardner 和 Visser 所提出來的：式中： a , b , A , n , m 都是待定經(jīng)驗系數(shù)， f 為土壤孔隙度。Genuchten 提出的方程實效孔徑分布 在非飽和的土-水系統(tǒng)中，如土壤水吸力主要是由土壤中某一圓形孔徑的毛管力作用的結果，參考毛細管上升公式，則基質(zhì)

26、吸力為： 式中：式中： D 單位為單位為 mm 。根據(jù)上式計算的孔徑稱為相應。根據(jù)上式計算的孔徑稱為相應吸力下的實效（或當量）孔徑。吸力下的實效（或當量）孔徑。比水容量 Ca比水容量為基質(zhì)勢對含水量的導數(shù)，也即土壤水特征曲線的斜率，是土壤含水量或土壤基質(zhì)勢的一個函數(shù)。 比水容量 C 可以用以說明在土壤基質(zhì)勢或土壤水吸力某一變化范圍內(nèi)，土壤所能釋放或儲存以供植物利用的水量。 含水量含水量 隨隨 s 變化變化的特征曲線和比水容量的特征曲線和比水容量隨吸力隨吸力 s 變化的曲線變化的曲線 峰值表峰值表明相應的實明相應的實效孔徑在該效孔徑在該土壤中占優(yōu)土壤中占優(yōu)勢勢處理編號 沙：鋸末：蛭石處理編號 沙

27、：鋸末：蛭石No. sand：sawdust：vermiculiteNo. sand：sawdust：vermiculite1 0 : 2 : 810 4 : 0 : 62 0 : 4 : 611 4 : 2 : 43 0 : 6 : 412 4 : 4 : 24 0 : 8 :213 4 : 6 : 05 2 : 0 : 814 6 : 0 : 46 2 : 2 : 615 6 : 2 : 27 2 : 4 : 416 6 : 4 : 08 2 : 6 : 217 8 : 0 : 29 2 : 8 : 018 8 : 2 : 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 1

28、7 18020406080100120 水分含量/W%watercontent/W%處理 Tr圖圖1 原料配比對基質(zhì)速效水含量的影響原料配比對基質(zhì)速效水含量的影響Fig.1 The effects of the materials composing on the easily available water 表表2 原料配比對不同吸力下基質(zhì)水分含量的影響原料配比對不同吸力下基質(zhì)水分含量的影響 單位：重量單位：重量Table 2 The watercontent of culture media under different suctions unit：weight 從處理從處理1 1至處理至處理4 4鋸末的含量比例依次上升，蛭石的含量比例依次下降。鋸末的含量比例依次上升，蛭石的含量比例依次下降。 從測定數(shù)據(jù)及土壤水分特征曲線可以看出：在無沙的情況下，隨著鋸從測定數(shù)據(jù)及土壤水分特征曲線可以看出：在無沙的情況下，隨著鋸末比例的增大，基質(zhì)的水分特征曲線呈現(xiàn)右移的趨勢，基質(zhì)的持水性有末比例的增大，基質(zhì)的水分特征曲線呈現(xiàn)右移的趨勢，基質(zhì)的持水性有所提高。所提高。 圖為無鋸末的圖為無鋸末的4 4個處理的水分特征曲線圖。個處理的水分特征曲線圖。4 4個處理分別為處理個處理