第五章土壤水

第五章土壤水第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三主要內(nèi)容(重點(diǎn))：教學(xué)目標(biāo)與要求：教學(xué)方式與手段：課時(shí)安排與進(jìn)度：1.土壤水的類型劃分及土壤水分含量的測定2.土壤水的能態(tài)（重點(diǎn)）3.土壤水的運(yùn)動（重點(diǎn)）4.土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移掌握土壤水的各種概念；弄清土水勢的定義及其各分勢的計(jì)算；重點(diǎn)掌握土壤水分運(yùn)動的定量描述，弄清飽和流和非飽和流的區(qū)別，掌握土壤水平衡模型及其應(yīng)用?；脽?，動畫演示；計(jì)算分析；土壤水分實(shí)驗(yàn)；課時(shí)數(shù)：4課時(shí)第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)土壤水的類型劃分及土壤水分含量的測定第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三二、土壤水的重要性：所有的水只有進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)化為土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要來源。土壤水是土壤的最重要組成部分之一。土壤水是土壤形成發(fā)育的催化劑；

土壤水并非純水、而是稀薄的溶液。土壤水實(shí)際上是指在105℃溫度下從土壤中驅(qū)逐出來的水。第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三一、土壤水分類型及有效性

1、土壤水分類型**吸濕水膜狀水毛管水重力水?dāng)?shù)量法第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（1）土壤吸濕水**：干土從空氣中吸著水汽所保持的水稱為吸濕水。最大吸濕量：干土在近于水汽飽和的大氣中吸附水汽，并在土粒表面凝結(jié)成液態(tài)水的數(shù)量。第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（2）土壤膜狀水**：

土壤顆粒表面上吸附的水分形成水膜，這部分水稱為土壤膜狀水。土壤膜狀水達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水量稱為土壤最大分子持水量。第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三膜狀水示意圖第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（3）土壤毛管水***：

存在于土壤毛管孔隙中的水分，稱為毛管水。包括毛管懸著水和毛管上升水。第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三水沿著毛管上升毛管作用力范圍：

0.1-1mm有明顯的毛管作用0.05-0.1mm

毛管作用較強(qiáng)0.05-0.005mm毛管作用最強(qiáng)〈0.001mm

毛管作用消失第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

借助于毛管力保持在上層土壤的毛管孔隙中的水分，它與來自地下水上升的毛管水并不相連，好像懸掛在上層土壤中一樣，故稱之為毛管懸著水。

毛管懸著水**第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)土壤含水量降低到一定程度時(shí)，較粗毛管中懸著水的連續(xù)狀態(tài)出現(xiàn)斷裂，蒸發(fā)速率明顯降低，此時(shí)土壤含水量稱為毛管水?dāng)嗔蚜?。大約相當(dāng)于該土壤田間持水量的75％左右。毛管水?dāng)嗔蚜?*第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土粒毛管懸著水示意圖第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三田間持水量***：

毛管懸著水達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水量稱為田間持水量，通常作為灌溉水量定額的最高指標(biāo)。

在數(shù)量上它包括吸濕水、膜狀水和毛管懸著水。

田間持水量的大小，主要受質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)、松緊狀況等的影響。第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土粒毛管上升水示意圖地下水位第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

毛管上升水達(dá)到最大量的土壤含水量。毛管持水量**第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三***毛管水上升高度從地下水面到毛管上升誰所能達(dá)到的相對高度，叫毛管水上升高度。h水柱高度（cm)，d孔隙直徑（mm）第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土壤所有孔隙都充滿水時(shí)的含水量，也稱為土壤全持水量。土壤飽和含水量**：第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（4）重力水**

臨時(shí)存在于土壤大孔隙（通氣孔隙）中的水分，與土壤養(yǎng)分的淋失有關(guān)。第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三對于不同質(zhì)地的土壤上述各種不同形態(tài)水的數(shù)值是不等的。請認(rèn)真比較它們的大小。注意：

第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三二、土壤水分含量的表示方法（一）質(zhì)量含水量（m）（二）容積含水量（v）

V=m·

（三）相對含水量（%）第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（三）土壤貯水量

2、水方（m3）V方/畝＝2/3Dw1、水深（DW）

DW=V·h或mm第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)土壤水能態(tài)一、土水勢及其分勢土壤A砂土10%土壤B粘土15%水流向何方？標(biāo)注土水勢的優(yōu)點(diǎn)第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（一）基質(zhì)勢（m）***負(fù)值，當(dāng)土壤飽和時(shí)最大＝0.土壤含水量越高，基質(zhì)勢也越高。（二）壓力勢（p）***正值。只有當(dāng)土壤水分飽和時(shí)才有壓力勢在不飽和土壤中壓力勢為0.飽和土層越深，壓力勢越高。

p=wghV第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（三）溶質(zhì)勢（S）***負(fù)值。土壤溶質(zhì)濃度越高，溶質(zhì)勢越低。溶質(zhì)勢只有對半透膜的水分運(yùn)動起作用。（四）重力勢（g）***重力勢（g）是指由重力作用而引起的土水勢變化。任何時(shí)后重力勢都存在。高于參比面時(shí)為正，反之為負(fù)，參比面處重力勢為0.第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三總水勢：t=m+p+s+g

請注意：在不同的情況下，土壤總水勢的各分勢組成是不同的。見P106下端。切記。第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情況下所處的能態(tài)，簡稱吸力，但并不是指土壤對水的吸力。T＝-m如何用水吸力和水勢判斷水分運(yùn)動的方向？請回答。絕對正值二、土壤水吸力***

一般談及的吸力是指基質(zhì)吸力，其值與m相等，但符號相反。第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三三、土壤水勢的定量測定土水勢的標(biāo)準(zhǔn)單位：帕（Pa）

1Pa=0.0102厘米水柱

1atm=1033厘米水柱=1.0133bar1bar=0.9896atm=1020厘米水柱

1bar=100000Pa第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三一般只能測定8萬帕以下的土壤水吸力。第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三四、土壤水分特征曲線***：指土壤水分含量與土壤水吸力的關(guān)系曲線。目前尚無法從理論上推導(dǎo)出土壤含水率與土壤水吸力或基質(zhì)勢之間小關(guān)系，只能用實(shí)驗(yàn)方法獲得水分特征曲線。

S=abS=a(/s)b

S=A(s-)n/m第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三010203040506070土壤水吸力黏土壤土砂土土壤含水量%影響因素質(zhì)地結(jié)構(gòu)溫度滯后現(xiàn)象第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)理：墨水瓶效應(yīng)沙土比粘土明顯第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三水分特征曲線的用途：第四，應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法對土壤中的水運(yùn)動進(jìn)行定量分析時(shí)，水分特征曲線是必不可少的重要參數(shù)。首先，可利用它進(jìn)行土壤水吸力S和含水率之間的換算(圖3.7)。其次，土壤水分特征曲線可以間接地反映出土壤孔隙大小的分布。第三，水分特征曲線可用來分析不同質(zhì)地土壤的持水性和土壤水分的有效性。第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三課堂速測1.只要多施有機(jī)肥，土壤有機(jī)質(zhì)就會相應(yīng)的不斷提高()2.腐殖質(zhì)是一種高分子的有機(jī)化合物()3.增加有機(jī)肥的投入是提高土壤肥力的重要途徑。()4.秸稈還田時(shí)，配施適量的N肥可促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程(）5.腐殖質(zhì)常與礦物質(zhì)結(jié)合成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體()6.容重和孔隙度只表明土壤的松緊狀況，而不表明孔隙分布()7.砂土松散容重小，粘土緊實(shí)容重大()8.毛管水上升高度一般是粘土＞壤土＞砂土()9.土壤水分特征曲線是一條單值曲線()10.土壤水分運(yùn)動方向是從吸水力小處向吸水力大處流動()第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)土壤水分運(yùn)動土壤水流動水分蒸發(fā)水分入滲水分再分配第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三一、飽和流(SaturatedSoilWaterFlow)飽和流的推動力主要是重力勢梯度和壓力勢梯度，基本上服從飽和狀態(tài)下多孔介質(zhì)的達(dá)西定律(Darcy’slaw)***單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量，土壤水通量與土水勢梯度成正比。

第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

土壤所有的孔隙都充滿了水時(shí)，水分向土壤下層或橫向運(yùn)動的速度。飽和流導(dǎo)水率(Saturatedhydraulicconductivity)飽和導(dǎo)水率的特點(diǎn)①飽和率是常數(shù)②是土壤導(dǎo)水率的MAX③主要取決于土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。沙質(zhì)土>壤質(zhì)土

>粘質(zhì)土影響飽和導(dǎo)水率的因素

質(zhì)地水通量與孔隙半徑4次方呈正比。結(jié)構(gòu)土壤結(jié)皮對土壤飽和導(dǎo)水率有顯著的影響。有機(jī)質(zhì)含量。粘土礦物種類。第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三③結(jié)皮對飽和導(dǎo)水率的影響第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三二、土壤非飽和流***（unsaturtedsoilwaterflaw)

土壤非飽和流的推動力主要是基質(zhì)勢梯度和重力勢梯度。它也可用達(dá)西定律來描述，對一維垂向非飽和流，其表達(dá)式為：第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三非飽和流導(dǎo)水率(unsaturatedhydrolicconductivity) 土壤水吸力和導(dǎo)水率之間的關(guān)系

第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三K(m)為非飽和導(dǎo)水率，d/dx為總水勢梯度

(waterpotentialgradient)

非飽和導(dǎo)水率是土壤基質(zhì)勢的函數(shù)。第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三

飽和條件下的總水勢梯度可用差分形式，而非包和條件下則用微分形式：飽和條件下的土壤導(dǎo)水率Ks對特定土壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水量或基質(zhì)勢（m）的函數(shù)。

非飽和條件下土壤水流的數(shù)學(xué)表達(dá)式與飽和條件下的類似，二者的區(qū)別在于：第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三三、土壤水氣運(yùn)動土壤氣態(tài)水的運(yùn)動表現(xiàn)為水汽擴(kuò)散和水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象水汽擴(kuò)散運(yùn)動的推動力是水汽壓梯度，第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三1、“夜潮”現(xiàn)象多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的“夜潮地”。第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三2、“凍后聚墑”現(xiàn)象***冬季表土凍結(jié)，水汽壓降低，而凍層以下土層的水汽壓較高，于是下層水汽不斷向凍層集聚、凍結(jié)、使凍層不斷加厚，其含水量有所增加，這就是“凍后聚墑”現(xiàn)象。

“凍后聚墑”的多少，主要決定于該土壤的含水量和凍結(jié)的強(qiáng)度。含水量高凍結(jié)強(qiáng)度大，“凍后聚墑”就比較明顯。一般對土壤上層增水作用為2－4％左右。第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三四、入滲、土壤水的再分布和土面蒸發(fā)

（一）土壤入滲（soilwaterinfiltration)**

一般是指水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過程，但也不排斥如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過程。

影響因素：一是供水速率，二是土壤的入滲能力

(入滲速率—infiltrationrate)第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三幾種不同質(zhì)地土壤的最后穩(wěn)定入滲速率(毫米/小時(shí))土壤砂砂質(zhì)和粉質(zhì)土壤壤土粘質(zhì)土壤堿化粘質(zhì)土壤最后入滲速率>2010-205-101-5<1最初入滲速率：Initialinfiltrationrate穩(wěn)定入滲速率：stableinfiltrationrate

所以無論表土下是砂土層還是細(xì)土層，在不斷入滲中最初能使上層土壤先積蓄水，以后才下滲。第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（二）土壤水的再分布

(soilwaterredistribution)概念：土壤水

入滲過程結(jié)束后，水在重力和吸力梯度影響下在土壤中向下移動重新分布的過程。土壤水的再分布是土壤水的不飽和流。

第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三(三)土面蒸發(fā)

SoilWaterevaporation土面蒸發(fā)過程區(qū)分為三個(gè)階段。1、表土蒸發(fā)強(qiáng)度保持穩(wěn)定的階段

穩(wěn)定蒸發(fā)階段蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由大氣蒸發(fā)能力決定，可近似為水面蒸發(fā)強(qiáng)度E0。此階段含水率的下限，一般認(rèn)為該值相當(dāng)于毛管水?dāng)嗔蚜康暮?，或田間持水量的50-70%

概念：土壤水汽進(jìn)入大氣的過程。當(dāng)土壤供水充分時(shí)，由大氣蒸發(fā)能力決定的最大可能蒸發(fā)強(qiáng)稱為潛在蒸發(fā)強(qiáng)度。(Soilpotentialevaporation)第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三2、表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段蒸發(fā)速率急劇降低，有利于土壤墑情的保持

3、水汽擴(kuò)散階段土壤輸水能力極弱，不能補(bǔ)充表土蒸發(fā)損失的水分，土壤表面形成干土層。在此階段，蒸發(fā)面不是在地表，而是在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴(kuò)散的能力控制，并取決于干土層厚度，一般來說，其變化速率十分緩慢而且穩(wěn)定。

土壤保墑措施在蒸發(fā)的第一階段進(jìn)行效果最佳；第二階段次之。第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三（四）鹽土的水分蒸發(fā)：夏季積鹽多；蒸發(fā)力弱積鹽少；鹽往高處走，鹽斑的擴(kuò)大。第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三五、田間土壤水分平衡Soilwaterbalance田間土壤水分平衡示意圖，據(jù)此可列出其土壤水分平衡的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

W=P+I+U-E-T-R-In-D

田間蒸騰和蒸發(fā)很難截然分開，常合在一起，統(tǒng)稱蒸散ET。

(evapotranspiration)-一定時(shí)間內(nèi)一定面積上土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總和。土壤水分平衡簡化式為

W=P+I-ET-D

第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)

(Soil-plant-atmospherecontinuum)

由水勢引起水由土壤進(jìn)入植物體，再向大氣擴(kuò)散的體系。沙漠植物在—200～—800萬帕?xí)r仍能生存。第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)、土壤水的調(diào)控土壤有效水(availablesoilwater)：在田間持水量（1-2萬帕）到永久萎蔫系數(shù)（150萬帕）之間保留在土壤中的水分。土壤水吸力大于150萬帕的土壤水對植物來說是無效水。植物吸水：主動吸水和被動吸水。被動吸水為主要方式，其動力是從植物葉面到莖到根到土壤的水勢梯度。主動吸水一般不超過植物只水量的10%。一、土壤水的有效性第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期三土壤萎蔫系數(shù)***：（wiltingpoint)作物葉片發(fā)生永久萎蔫時(shí)的土壤含水量，也叫永久萎蔫點(diǎn)。第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期