第四章土壤物理性质2

1、第四节 土壤水 （Soil water） 土壤水并非纯水、而是稀 薄的溶液。 1）土壤中各种物质运移的载体； 2）参与土壤内进行的各种物质转化 过程； 3）是作物吸水的最主要来源。 土壤水分质量占烘干土质量的比例（g/kg)。 土壤水质量 土壤水质量 100%1000（g/kg） 烘干土质量 烘干土质量 水重 m(%) =100 烘干土重 1. 质量含水量质量含水量(mass water content) 一、土壤含水量的表示和测定方法一、土壤含水量的表示和测定方法 例题：有一湿土重例题：有一湿土重140 g ，烘干重为，烘干重为100 g， 求该土壤的重量含水量？（试算）求该土壤的重量含水量

2、？（试算） m = (140-100) / 100 100 = 40 % m （%） = 土样烘干重量土样烘干重量 湿土重量干土重量湿土重量干土重量 100 2. 体积含水量(volumetric water content) 土壤水容积占整个土壤容积的百分数。 土壤水容积 容积% =100% 土壤总容积 =土壤含水量（质量%）土壤容重 v (%) =m(容重) 例题：已知一土壤的重量含水量为例题：已知一土壤的重量含水量为20%，容重为，容重为 1.25 g cm-3 , 求该土壤的容积含水量？（试算）求该土壤的容积含水量？（试算） v = 20 1.25 / 1 = 25 % 3.水层厚(深

3、)度（water depth): 一定厚度土层内所含水层的厚度。 Dw=vh h:土层厚度（mm) v:容积含水量 h Dw v = 50% 容积含水量换算成水深容积含水量换算成水深 Dw=0.5h 4. 相对含水量 土壤含水量占田间持水量的百分数 土壤相对含水量土壤相对含水量 = 田间持水量田间持水量 土壤含水量土壤含水量 100 解解: 土壤含水量土壤含水量(质量质量%) m =200/10=20% 土壤含水量土壤含水量(容积容积%) v =土壤含水量土壤含水量(质量质量%) 容重容重 =20% 1.2=24% 水水(mm) Dw = v h=0.2418 10 = 43.2（ mm） 例

4、：某一亩耕层土壤含水量为例：某一亩耕层土壤含水量为200 g/kg ,该土该土 层平均容重为层平均容重为1.2 g/cm3, 则土壤含水量则土壤含水量(容积容积 %)为多少为多少?若土层厚度为若土层厚度为18 cm , 则每亩此土则每亩此土 壤的贮水量为多少毫米壤的贮水量为多少毫米? 1、烘干法 经典烘干法 快速烘干法 2、中子法 3、时域反射仪法（TDR） 4、频域反射仪（FDR） (二) 土壤含水量的测定 一、土壤水分类型及有效性一、土壤水分类型及有效性 1、土壤水分类型 吸湿水 膜状水 毛管水 重力水 数量法 二、土壤水的类型二、土壤水的类型 （一）吸附水（一）吸附水(adsorbed

5、water) 1.吸湿水吸湿水(hygroscopic water) 干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸 湿水。 最大吸湿量(吸湿系数）：干土在近于水 汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面 凝结成液态水的数量。 2 2. .土壤膜状水土壤膜状水（film water) 土壤颗粒表面上吸附的水分形成土壤颗粒表面上吸附的水分形成 水膜，这部分水称为水膜，这部分水称为土壤膜状水土壤膜状水。 土壤膜状水达到最大值时的土壤含土壤膜状水达到最大值时的土壤含 水量称为水量称为土壤最大分子持水量土壤最大分子持水量。 萎焉系数（萎焉点）（wilting point） 当植物因根无法吸水而发生永久萎焉时的土壤

6、含水量为萎焉（凋萎）系数。-1500kPa以下， 植物根系不能吸收土壤的水分。 表 几种作物的萎焉系数（重量%） 作物作物粗砂土粗砂土细砂土细砂土壤砂土壤砂土壤土壤土粘壤土粘壤土 玉米玉米1.073.16.59.015.5 高粱高粱0.943.65.910.014.4 小麦小麦0.883.36.310.314.5 水稻水稻0.962.75.610.113.0 （二）毛管水（二）毛管水（capillary water)capillary water) 存在于土壤毛管孔 隙中的水分，称为毛管 水。包括毛管悬着水和 毛管上升水。 水水 沿沿 着着 毛毛 管管 上上 升升 毛管作用力范围：毛管作用力范

7、围： 0.1-1mm 有明显的毛管作用有明显的毛管作用 0.05-0.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强毛管作用最强 0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失 capillary supporting water 土土 粒粒 毛管毛管 上升上升 水示水示 意图意图 地下水位地下水位 毛管上升水达到最 大量的土壤含水量。 毛管持水量 借助于毛管力保持在上层土壤的毛管借助于毛管力保持在上层土壤的毛管 孔隙中的水分，它与来自地下水上升的孔隙中的水分，它与来自地下水上升的 毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤 中一样，故称之为毛管悬

8、着水。中一样，故称之为毛管悬着水。 毛管悬着水毛管悬着水 (capillary suspending water) 土土 粒粒 毛管毛管 悬着悬着 水示水示 意图意图 田间持水量田间持水量(field capacity) 毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称 为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的 最高指标最高指标。 在数量上它包括在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛吸湿水、膜状水和毛 管悬着水管悬着水。 田间持水量的大小，主要受质地、有田间持水量的大小，主要受质地、有 机质含量、结构、松紧状况等的影响。机质含量、结构、松紧状况

9、等的影响。 当土壤含水量降低到一定程度时，较当土壤含水量降低到一定程度时，较 粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂， 蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称 为毛管水断裂量。为毛管水断裂量。 大约相当于该土壤田间持水量的大约相当于该土壤田间持水量的7575 左右。左右。 毛管水断裂量毛管水断裂量 （三）重力水（三）重力水 (gravitational water) 临时存在于土壤大孔隙（通气孔 隙）中的水分，与土壤养分的淋失 有关。 土壤所有孔隙都充满水时的含 水量，也称为土壤全持水量。 土壤饱和含水量土壤饱和含水量 (saturat

10、ed water content) （二）土壤水的有效性 （available water） 有效水储量=当前含水量-凋萎系数 最大范围：田间持水量 凋萎系数 砂土、粘土有效水少，壤土有效水多 吸湿水吸湿水毛管水毛管水 重力水重力水 无效水无效水有效水有效水过剩水过剩水 土壤水分能量、水分常数与水分有效性的关系 最大吸湿量 凋萎系数 最大分子持水量 毛管断裂含水量 田间持水量 毛管持水量 饱和含水量 水分常数 水分能量 水分形态 有效性 12万 3116156.25 0.50.080.001 吸湿水 膜状水毛管水重力水 无效水 难效水速效水 多余水 (旱地) 有 效 水 表 土壤质地、有机质与

11、有效性水的关系 土壤土壤田间持水量田间持水量%凋萎系数凋萎系数%有效水有效水% 砂土砂土3-60.2-0.32.8-5.7 砂壤土砂壤土6-120.3-35.7-9 壤土壤土12-233-129-11 粘土粘土21-2312-159-8 泥炭土泥炭土160-20060-80100-120 质地过砂、过粘的土壤，有效水少；有机质含质地过砂、过粘的土壤，有效水少；有机质含 量高的土壤、结构好的土壤、壤质土，有效水较多。量高的土壤、结构好的土壤、壤质土，有效水较多。 水分常数与土壤质地的关系 土壤水分常数与土壤有机质含量的关系 三、土壤水的能量状态 土壤水分在土壤中所受到的作用力有哪些？土壤土壤水分

12、在土壤中所受到的作用力有哪些？土壤 水分类型有哪几类？水分类型有哪几类？ 土壤中主要的水分常数有哪几个？土壤中主要的水分常数有哪几个？ 土壤含水量的表达方式有哪些？土壤含水量的表达方式有哪些？ 粘质土粘质土 30% 砂质土砂质土 40% 粘质土粘质土 30% 砂质土砂质土 30% 粘质土粘质土 30% 砂质土砂质土 15% 粘质土粘质土 30% 砂质土砂质土 20% ? 土壤水分能量土壤水分能量 （一）土水势（一）土水势 一、土水势及其分势 Soil water potential and its partial potentials 土水势土水势(Soil water potential )

13、：土壤水从：土壤水从 土壤中移向一参照状态的纯水池中，土土壤中移向一参照状态的纯水池中，土 壤水所作的功，以单位水量表示之。壤水所作的功，以单位水量表示之。 土壤水与参照水池的势能差。土壤水与参照水池的势能差。 （一）重力势Gravitational potential 由重力作用而引起的土水势的变化。 重力势大小与土壤本身无关。 重力势大小决定于研究点与参照点（面）的高 程差。 参照点以上为正参照点以上为正 参照点以下为负参照点以下为负 参照点参照点 .C .B .A 10cm 20cm 参照点参照点 参照点参照点 以质量表示：以质量表示：( erg / g ) 以体积表示：以体积表示： (

14、 dynes / cm2 ) 以重量表示：以重量表示： ( cm ) 参照面参照面 .C .B .A 参照面参照面 .C .B .A 10cm 20cm 重力势的计算： 怎样计算土壤中任意怎样计算土壤中任意 两点间的重力势差？两点间的重力势差？ A 两点间的直线距离两点间的直线距离 B 两点间的垂直距离两点间的垂直距离 C 两点间的高程差两点间的高程差 （二）压力势 （pressure potential） 由静水压力引起的水势变化。 仅当土壤中存在自由水面时，压力势才产生； 水势大小0，取决于距自由水面的距离，水面以 上为零，水面之下为正。 饱和土层越深，压力势越高。不饱和土壤中， 压力势为

15、零。 . A . B . C 10cm 10cm 压力势的计算： 压力势的计算压力势的计算 不存在参照点不存在参照点 怎样得到土壤中任意怎样得到土壤中任意 两点间的压力势差？两点间的压力势差？ 两点间的高程差水面以两点间的高程差水面以 上的高程差（如果存在）上的高程差（如果存在） . A . B . C （三）基质势（Matric potential） 由土壤固体颗粒的由土壤固体颗粒的吸附力吸附力和和 毛管力毛管力引起引起 的水势变化。的水势变化。 仅出现在非饱和的条件下；仅出现在非饱和的条件下； 水势大小水势大小0。与土壤性质关系密切。与土壤性质关系密切。 m （四）溶质势（Osmotic

16、potential） 由土壤溶液中的溶质引起的水势变化。 在盐碱土中意义重大； 水势大小0，取决于土壤溶液的浓度； 仅当存在半透膜时才起作用。 O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H K+ Cl- O H H 水通过半透膜的移动水通过半透膜的移动 花烛（红掌）花烛（红掌） 君子兰君子兰 彩扇彩扇 水培鲜花水培鲜花 施肥：施肥： 分势名称决定分势的因素参照状态大小 基质势 土粒的吸附力 和毛管力 自由水0 溶质势 土壤溶液中 的溶质 纯水0 重力势位置高程参照点、0、 压力势静水压力自由水面0 土水势组成 1、土壤水吸力概念 土壤水在承受一

17、定吸力土壤水在承受一定吸力 的情况下所处的能态。的情况下所处的能态。 二、土壤水吸力二、土壤水吸力 2、土壤水吸力与土水势的比较 土壤水吸力只在非饱和的条件下应用； 土壤水吸力只含土水势的部分分势（基质势基质势、溶 质势）； 在非饱和时二者的绝对值相等，符号相反； 土壤水吸力在数值上可理解为土壤颗粒对水的吸 力； 土壤水总是有从吸力低处向吸力高处流动的趋势。 Unitsofsoilwaterenergy 单位： cm H2ObarskPa 300 -0.3-30 1,000 -1-100 15,000 -15-1500 1 atm = 760 mm Hg = 1020 cm H2O = 1 b

18、ar = 100 kpa = 0.1 Mpa bar巴巴pa帕帕 四、土水势的测定 张力计法 压力膜法 冰点下降法 水气压法 石膏块法 张力计 石膏块 压力膜 SOILWATERCHARACTERISTICCURVE 1、概念： 利用土壤的含水量指标和土壤水能 量指标（土壤水吸力）做成的相关 曲线土壤水分特征曲线。 砂质土砂质土 粘质土粘质土 含水量含水量 (%)(%) 土壤水吸力土壤水吸力 (bars) 0 20 土壤水分特征曲线图 2、土壤水分特征曲线的特点 土壤含水量与土壤水吸力呈反相关； 在吸力相同时，粘质土的含水量大于砂质土的； 在含水量相同时，粘质土的吸力大于砂质土的； 砂质土的土

19、壤水分主要保持在低吸力段，而粘 质土的主要在较高的吸力段。 3、影响土壤水分特征曲线的因素 土壤质地； 土壤有机质含量； 土壤结构。 疏松的土壤疏松的土壤 含水量含水量 (%) 吸力吸力 (bars) 0 100 紧实的土壤紧实的土壤 4、滞后现象 Hysteresis 定义：同一土壤的水分特征曲线的脱水曲线和吸水曲 线不重合的现象。 原因：闭蓄空气；胀缩、接触角的作用、墨水瓶效应。 滞后现象滞后现象 脱水脱水 吸水吸水 土壤含水量土壤含水量 土土 壤壤 水水 吸吸 力力 2r 2R 脱水脱水 吸水吸水 0 接触角的作用接触角的作用 吸水时吸水时 脱水时脱水时 五、土壤水分特征曲线的作用 土壤

20、含水量和土壤水吸力间的互查； 计算土壤孔隙大小和分布； 分析不同质地土壤的持水性和水分的有效性； 分析和计算土壤水运动时的重要参数。 第三节 土壤水运动 一、饱和土壤中的水流 Saturated flow through soils H1 L 进水端进水端 参照面参照面 出水端出水端 H1 =压力势压力势+重力势重力势 = H1 + L Ho = 0 + 0 饱和流饱和流 垂直土柱垂直土柱 D DH = H1 + L 2、影响土壤饱和导水率（saturated hydraulic conductivity）的因素： 2、影响土壤饱和导水率（saturated hydraulic conduct

21、ivity）的因素： 土壤质地、容重、孔隙度与Ks的关系 3、饱和导水率的特点： 4、土壤饱和导水率的分级 二、非饱和土壤中的水流 Unsaturated flow through soils Water Movement by Capillary Action 三、土壤中的水汽运动 Vapor movement in soils 水汽扩散量水汽扩散量 水汽扩散系数水汽扩散系数 水汽压梯度水汽压梯度 影响水汽压的因素 n土壤温度 温度是主要因素温度是主要因素 夜晚夜晚白天白天 四、入渗、土壤水的再分布 和土面蒸发 76min . 280min . 1020min. 土壤含水量土壤含水量 初始含

22、水量初始含水量饱和含水量饱和含水量 土壤深度土壤深度 饱和层饱和层 延伸层延伸层 湿润层湿润层 湿润锋湿润锋 砂土砂土 粘土粘土 入渗速率入渗速率 时间时间 最最 初初 是是 干干 土土 最最 初初 是是 湿湿 土土 （二）土壤水的再分布 （water redistribution in the soils） 1.定义：当地面供水停止后，进入土壤中 的水在各种作用力的作用下的进一步移 动现象。 2.特点： 地面无水层； 属于非饱和流； 水分流动的速度不断降低； 湿润锋不明显。 （三）土面蒸发 （Evaporation from the soil surface） 蒸发率蒸发率 时间时间 2、土面蒸发阶段