第2章土壤物理性质与过程土壤水

1、土壤的物理性质与过程土壤的物理性质与过程郭笑彤12015-03-20植物营养与土壤肥料学植物营养与土壤肥料学土壤的物土壤的物理性质与理性质与过程过程土壤质土壤质地与结地与结构构土壤颜土壤颜色与电色与电磁特性磁特性土壤土壤气体气体土壤水土壤水土壤力土壤力学及其学及其他性质他性质土壤土壤热量热量 土壤水土壤水土壤质土壤质地与结地与结构构土壤水土壤水海洋水大气层水土壤水江/河/湖(雪山)地下水水是生命之源水是生命之源工业用水22%生活用水12%生态用水2%农业灌溉用水58%农林渔牧6%2004年年 全国总用水量全国总用水量 5547.8亿亿m3 农业农业 3585 亿亿m3 64%2002年农业用水

2、总计占年农业用水总计占79.2%。2002、2004年水资源公报年水资源公报为什么种在花盆里的花比种在园子里的更容易缺水？水是如何留在土壤中的？水是如何留在土壤中的？土壤水与自由水有什么区别？土壤水与自由水有什么区别？土壤水是怎样运动的？土壤水是怎样运动的？为什么有的土耐旱，有的土为什么有的土耐旱，有的土不耐旱？不耐旱？土壤水的变化规律是什么？土壤水的变化规律是什么？土壤水分如何测定？土壤水分如何测定？ 土壤水土壤水土壤水土壤水（soil water） l 土壤含水量l 土壤水的能态l 土壤水分运动l 土壤水分平衡l 土壤水的有效性 土壤水土壤水土壤水的重要性土壤水的重要性u所有的水只有进入土

3、壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主土壤水是作物吸水的最主要来源。要来源。u 土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。u土壤水是土壤形成发育的催化剂。土壤水是土壤形成发育的催化剂。u土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。 土壤水土壤水土壤水：土壤水：soil water 土 壤 水 实 际 上 是 指 在土 壤 水 实 际 上 是 指 在105110温度下从土壤中温度下从土壤中驱逐出来的水。是指由地面驱逐出来的水。是指由地面向下至地下水面（潜水面）向下至地下水面（潜水面）以上的土壤层次中的水分，以上的土壤层次中的水分，

4、亦称为土壤中的非饱和带水亦称为土壤中的非饱和带水分（简称包气带水分）分（简称包气带水分） 土壤水土壤水重力：重力：受地球引力而产生。受地球引力而产生。保持力：保持力：土粒和水界面上的土粒和水界面上的吸附力以及吸附力以及土壤孔隙内土壤固体表土壤孔隙内土壤固体表面、水和空气界面上的面、水和空气界面上的毛管力毛管力。水在土壤中的所受的力水在土壤中的所受的力吸附力吸附力（adsorption）：）：主要是指土粒表面分子和主要是指土粒表面分子和水分子之间的分子引力，水分子之间的分子引力，又称为范德华力或分子间又称为范德华力或分子间力。力。 毛管力毛管力（capillarity）：实）：实质上是毛管内固、

5、气、水质上是毛管内固、气、水界面上产生的负压力，也界面上产生的负压力，也叫弯月面力。叫弯月面力。 土壤水土壤水（1）重力水）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。重力水在旱地是临时性的，对作物生长影响不重力水在旱地是临时性的，对作物生长影响不大；在排水不良的渍水土壤或水稻土淹水状态大；在排水不良的渍水土壤或水稻土淹水状态下，重力水有重要的影响。下，重力水有重要的影响。 土壤水土壤水（2）土壤吸湿水）土壤吸湿水 (soil hygroscopic water) 吸湿水（或吸咐水）干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水。最

6、大吸湿量(maximum hygrgoscopicity)：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。 土壤水土壤水 膜状水 (soil film water)土壤颗粒表面上吸附的水分土壤颗粒表面上吸附的水分形成水膜，这部分水称为形成水膜，这部分水称为土壤土壤膜状水膜状水。土壤膜状水达到最大值时的土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为土壤含水量称为土壤最大分子土壤最大分子持水量。持水量。（2）土壤吸湿水）土壤吸湿水 (soil hygroscopic water) 土壤水土壤水（3）土壤毛管水（）土壤毛管水（soil capillary water)存在于土壤毛管孔隙

7、中的水存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。分，称为毛管水。包括毛管包括毛管悬着水和毛管上升水。悬着水和毛管上升水。毛管作用力范围：毛管作用力范围： 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 土壤水土壤水 借助于毛管力保持在借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中上层土壤的毛管孔隙中的水分，它与来自地下的水分，它与来自地下水上升的毛管水并不相水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称之为壤中一样，故称之

8、为毛毛管悬着水管悬着水。 毛管悬着水毛管悬着水 (capillary suspending water)（3）土壤毛管水）土壤毛管水（soil capillary water)毛管水断裂量毛管水断裂量: : 当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水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，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量的裂量。大约相当于该土壤田间持水量的7575左右。左右。 土壤水土壤水土土 粒粒地下水位地下水位毛管上升水(capillary suppor

9、ting water)自地下水面由下向上沿毛管上升而存在于土壤毛管自地下水面由下向上沿毛管上升而存在于土壤毛管中的水分中的水分毛管持水量:毛管上升水达到最大量的土壤含水量。（3）土壤毛管水）土壤毛管水（soil capillary water) 土壤水土壤水质量含水量质量含水量 （mass water content）：即土壤中水分的质量与干）：即土壤中水分的质量与干土质量的比值，又称为重量含水量，常用符号土质量的比值，又称为重量含水量，常用符号 m表示，质量含表示，质量含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是kg/kg，用公，用公式表示，即：

10、式表示，即： swmmm容积含水量容积含水量（volumetric water content）：即单位土壤总容积）：即单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称土壤容积湿度、容积分数，常用中水分所占的容积分数，又称土壤容积湿度、容积分数，常用符号符号 v表示。容积含水量常见用百分数形式表示，但目前的标表示。容积含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是准单位是m3/m3，即：，即： twvvvbmv土壤含水量土壤含水量的表示方法土壤含水量的表示方法 土壤水土壤水例：土壤烘干前湿重为例：土壤烘干前湿重为120g，烘干后重，烘干后重100g，求质，求质量含水量。若土壤容重为量含水量。若土壤容重

11、为1.46g/cm3，求容积含水量。，求容积含水量。 土壤含水量水重水重 = 120 - 100 =20 g干土重干土重 = 100 gm20/ 100 10020.0v m20.0 1.460.292 土壤水土壤水田间持水量（field capacity) 在一个地下水埋藏较深、排水条件良好的平地上，充分供在一个地下水埋藏较深、排水条件良好的平地上，充分供水，地表覆盖避免蒸发，待水入渗水，地表覆盖避免蒸发，待水入渗1-21-2天后，测得的土壤天后，测得的土壤含水量。含水量。通常作为灌溉水量定额的最高指标通常作为灌溉水量定额的最高指标。 在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。 田间持水量的

12、大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。萎蔫系数或萎蔫点（wilting coefficient） 当植物根系无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，称为萎蔫系数或萎蔫点。 土壤含水量 土壤水土壤水相对含水量（relative water content） 指土壤含水量指土壤含水量(m)占田间持水量占田间持水量(f)的百的百分数。它可以说明土壤水的饱和程度、分数。它可以说明土壤水的饱和程度、有效性和水、气的比例等。有效性和水、气的比例等。 土壤相对含水量土壤相对含水量 m / f 100 土壤含水量 土壤水土壤水土壤贮水量（土壤贮水量（soil water pondage)指一定面

13、积和厚度土壤中含水的绝对数量指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量1）水深）水深(dw)指在一定厚度指在一定厚度(h)一定面积土壤中所含的水量相当一定面积土壤中所含的水量相当于相同面积水层的厚度，量纲为于相同面积水层的厚度，量纲为l。 土壤含水量dw与与v的关系如下的关系如下: dwvh 水层厚度（水层厚度（mm）土层厚度（）土层厚度（mm）土土壤含水量（容积）壤含水量（容积）haadwinivihd1100,w 土壤水土壤水土壤贮水量（土壤贮水量（soil water pondage)指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量2）容积水）容积水即一定面积一定厚度土

14、壤中所含水量的体积即一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积数数vm3/ha2 dw(mm)*a(ha2)/ a(ha2)=10-3dw(m) *a*10000m2/a(ha2)=10dw(m3/ha2)1ha2=10000平方米平方米 土壤含水量 土壤水土壤水一一. 烘干法烘干法 (1)经典烘干法经典烘干法 (2) 快速烘干法快速烘干法二.二.中子法中子法三.三.tdr(时域反射仪时域反射仪)法法土壤含水量土壤含水量的测定方法土壤含水量的测定方法 土壤水土壤水经典烘干法经典烘干法 经典方法，简便、准确、可靠。经典方法，简便、准确、可靠。 不足：不足： (1)(1)需取出土壤，深层比较费力；需取出

15、土壤，深层比较费力； (2)(2)且定期连续测定土壤含水量时，不可能在原且定期连续测定土壤含水量时，不可能在原处再取样，而不同位置上由于土壤的空间变异性，处再取样，而不同位置上由于土壤的空间变异性，给测定结果带来误差；给测定结果带来误差； (3)(3)烘干至恒重需时间较长，不能及时得出结果。烘干至恒重需时间较长，不能及时得出结果。 土壤含水量的测定方法土壤含水量的测定方法 土壤水土壤水快速快速烘干法烘干法红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等。红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等。虽可缩短烘干和测定的时间虽可缩短烘干和测定的时间，但需要特殊设备，但需要特殊设备或消耗大量药品。或消耗大量药

16、品。不能不能避免由于每次取出土样和更换位置等操作避免由于每次取出土样和更换位置等操作所带来的误差。所带来的误差。 土壤含水量的测定方法土壤含水量的测定方法中子法、中子法、tdr(tdr(时域反射仪时域反射仪) )法法 土壤水土壤水土壤水的保持力土壤水的保持力土壤水势土壤水势土壤水能态的测定土壤水能态的测定土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水的能态土壤水的能态 土壤水土壤水 土壤水在各种力如吸附力、毛管力、重力等的作土壤水在各种力如吸附力、毛管力、重力等的作用下，与同样温度、高度和大气压等条件下的自用下，与同样温度、高度和大气压等条件下的自由纯水相比由纯水相比( (即以自由水作为参比标准，假定

17、其势即以自由水作为参比标准，假定其势值为零值为零) )，其自由能必然不同。这个自由能的差用，其自由能必然不同。这个自由能的差用势能来表示，称为土水势势能来表示，称为土水势 土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。 土壤水势土壤水势 土壤水土壤水 由重力作用而引起的土水势变化。由重力作用而引起的土水势变化。 重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都存在。存在。 大小取决于研究点的相对高度，参照点以上为正，反之为负，参比面处重力势为0.土壤水势土壤水势 重力势重力势gravitational potential (

18、g) 2021-11-12 土壤水土壤水压力势是指在土壤水压力势是指在土壤水饱和饱和的情况下，由于的情况下，由于受静水压力作用而产生土水势变化。受静水压力作用而产生土水势变化。土壤水势土壤水势 压力势压力势pressure potential (p) 2021-11-12饱和水层 土壤水土壤水 由吸附力和毛管力制约的土水势称为基质势由吸附力和毛管力制约的土水势称为基质势(m)。 土壤水势土壤水势 基质势基质势matric potential (m) 2021-11-12 土壤水土壤水由溶解于土壤水的溶质引起土水势的变化，也称渗透势。由溶解于土壤水的溶质引起土水势的变化，也称渗透势。 一般为负值

19、。一般为负值。 土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。土壤水势土壤水势 溶质势溶质势osmotic potential (s) 土壤水土壤水 t = m + p + s+ g 土壤总土水势土壤总土水势 totol soil water potential 水分饱和时：t= g+ p水分不饱和时：t= m+ s （土壤水吸力） 土壤水土壤水土壤水势的组成土壤水势的组成 土壤水土壤水 帕斯卡，帕斯卡，pascal。帕（。帕（pa） 水柱高度水柱高度(mm) 1pa=0.1020mm水柱水柱 1mm水柱水柱=9.8064pa (0时时) 土壤水势单位土壤水势单位 土

20、壤水土壤水土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。指土壤对水的吸力。t - m 正值正值土壤水吸力土壤水吸力一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与 m m相等，但符号相反。相等，但符号相反。 土壤水土壤水土壤基质势的测定土壤基质势的测定 张力计法张力计法 压力膜法压力膜法 土壤水土壤水土壤水的土壤水的基质势基质势随土随土壤壤体积含水量体积含水量变化变化的关系曲线的关系曲线 soil water characteristic curve土壤水吸力

21、 = 基质势土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水土壤水土壤体积相对含水量土壤体积相对含水量 %0 20 40 60 80 1001061051041031021010.1土壤水吸力 kpa粘土粘土壤土壤土砂土砂土-15 bars不同质地的土壤水分特征曲线不同质地的土壤水分特征曲线 土壤水土壤水土壤水分曲线的土壤水分曲线的滞后现象滞后现象：对于同一土壤，即使在恒温条件下，由土壤脱湿（由湿变干）过程和土壤吸湿（由干变湿）过程测得的水分特征曲线也是不同的。滞后作用中“墨水瓶效应”的示意图土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水土壤水 永久萎蔫点永久萎蔫点 permanent wilting po

22、intpermanent wilting point 土壤基质势为土壤基质势为 -1,500 kpa (-15 bars). -1,500 kpa (-15 bars). 土壤可利用水的最低限制土壤可利用水的最低限制1) 水分有效性的统一表达水分有效性的统一表达土壤水分能量概念的意义土壤水分能量概念的意义 土壤水土壤水 田间持水量田间持水量 field capacityfield capacity土壤可利用水的最高量土壤可利用水的最高量此时基质势为此时基质势为-30kpa-30kpa1) 水分有效性的统一表达水分有效性的统一表达土壤水分能量概念的意义土壤水分能量概念的意义 土壤水土壤水土壤类型

23、萎蔫点 (%)田间持水量 (%)砂土518壤土1026粘土15351) 水分有效性的统一表达水分有效性的统一表达土壤水分能量概念的意义土壤水分能量概念的意义 土壤水土壤水15%15%12%12%砂壤土砂壤土? ?12%12%15%15%粉壤土粉壤土+ +砂壤土砂壤土?-7.0 bar-9.0 bar-12.0 bar-9.0 bar2)水分运动方向的统一表达水分运动方向的统一表达土壤水分能量概念的意义土壤水分能量概念的意义 土壤水土壤水 土壤水因受到各种力的束缚土壤水因受到各种力的束缚, , 自由运动能力自由运动能力的改变的改变. .土壤水有效度的统一表达土壤水有效度的统一表达. .土壤水运动

24、方向的统一表达土壤水运动方向的统一表达. .土壤水与植物根系吸水土壤水与植物根系吸水/ /传输传输/ /叶片蒸腾的统叶片蒸腾的统一比较一比较土壤水势土壤水势 土壤水土壤水液态水液态水汽态水汽态水spacspac系统系统土壤水运动土壤水运动 土壤水土壤水土壤水运动土壤水运动土壤液态水的运动土壤液态水的运动（the flow of liquid water in soil） （1）饱和流）饱和流（saturated flow）土壤孔隙全部充满水时的水流。土壤孔隙全部充满水时的水流。饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度重力势梯度和压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律达西定律，即单

25、位时间内流经单位面积土壤的水量土壤水通量与土水势梯度成正比出现饱和流的一些情况出现饱和流的一些情况 ：v大量持续降水和稻田淹灌大量持续降水和稻田淹灌v地下泉水涌出地下泉水涌出v水库库底等水库库底等 土壤水土壤水达西定律达西定律lhkqsq表示单位面积的土壤水流通量（cm3.cm-2.h-1），h表示总水势差（实际当中一般用厘米水柱表示，单位cm），l为水流路径的直线长度(cm)，ks为土壤饱和导水率(cm.h-1)。 土壤水土壤水 q = -ks (ha-hb)/l 达西定律达西定律 饱和导水率 (ks)：反映土壤本身的特性，与土壤松紧度、质地、结构、孔隙状况（数量/大小/形状）密切相关。 k

26、s的空间变异性极大：数量级差异。 土壤水土壤水非饱和流：土壤孔隙未全部充满水非饱和流：土壤孔隙未全部充满水 时的流动。时的流动。发生情形：发生情形：大多数情况大多数情况(旱地旱地)推动力：推动力：基质势梯度和重力势梯度基质势梯度和重力势梯度饱和流与非饱和流饱和流与非饱和流 土壤水土壤水水流的通道水流的通道含水量越高，通道越多土壤水含量与导水率 土壤水土壤水pore size and water movement 土壤水土壤水水分入渗过程水分入渗过程(infiltration)(infiltration)the movement of water into the soil from surfa

27、ce 土壤水土壤水温润前锋soil texture and infiltrationsoil texture and infiltration砂壤土砂壤土粘壤土粘壤土soil texture and infiltration上砂上砂 + + 下粘下粘上粘上粘 + + 下砂下砂土壤水的再分布土壤水的再分布 (soil water redistribution)(soil water redistribution)概念：概念：土壤水 入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。 土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。 土壤水土壤水在地下水埋深较浅时，土壤水通过剖面上的再分布

28、可能达到地下水，从而补给地下水，促使地下水位抬高，或者随着地下水流侧向排到它处。这时人们将再分布进一步延续的过程称之为“内排水”。也叫土壤水的渗漏。土壤水的渗漏（土壤水的渗漏（soil water percolationsoil water percolation） 土壤水土壤水1. 蒸发蒸发(evaporation)2. “夜潮夜潮”现象现象 3. “冻后聚墒冻后聚墒”现象现象 土壤水运动土壤水运动土壤气态水的运动土壤气态水的运动(water vapor movement in soil) 土壤水土壤水土壤气态水的运动土壤气态水的运动蒸发蒸发土壤水不断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸土壤水不

29、断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸失的现象失的现象 土壤水土壤水蒸发条件及影响因素蒸发条件及影响因素p 不断有热量到达土壤表面，以满不断有热量到达土壤表面，以满足水的汽化热需要（足水的汽化热需要（15 , 1g水的水的汽化热约为汽化热约为3.47kj）p 土壤表面的水汽压须高于大气的土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压，以保证水汽不断进入大水汽压，以保证水汽不断进入大气气p 表层土壤须能不断从下层得到水表层土壤须能不断从下层得到水的补充。的补充。 p 影响因素：空气和水的温度；风影响因素：空气和水的温度；风速；太阳辐射；空气湿度速；太阳辐射；空气湿度土壤气态水的运动土壤气态水的运动蒸发蒸发 土壤

30、水土壤水 阶段：阶段： 稳定蒸发阶段稳定蒸发阶段 蒸发率降低阶段蒸发率降低阶段 扩散控制阶段扩散控制阶段 意义：意义：a a 水循环的环节水循环的环节 b (b (农业农业) ) 损失损失 c c 动力动力 时时 间间土壤气态水的运动土壤气态水的运动蒸发蒸发 土壤水土壤水水同位素的激光测定652010,12 越南2011,9 北京土面蒸发/植物蒸腾土壤水的来源 白天土壤表层在大气蒸发力的作用下，水分因白天土壤表层在大气蒸发力的作用下，水分因不断蒸发而减少，不断蒸发而减少，变干变干。 夜间降温，使得底土温度高于表土，夜间降温，使得底土温度高于表土，水汽水汽由底由底土水气压高处向水气压低处的表土方

31、向移动，土水气压高处向水气压低处的表土方向移动，遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复潮湿潮湿。 多出现于地下水埋深较浅的多出现于地下水埋深较浅的“夜潮地夜潮地” 土壤气态水的运动土壤气态水的运动“夜潮夜潮”现象现象 土壤水土壤水 由于冬季表土冻结，水由于冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于土层的水汽压较高，于是下层是下层水汽水汽不断向冻层不断向冻层集聚、冻结、使冻层含集聚、冻结、使冻层含水量不断增加水量不断增加 我国北方冬季土壤冻结我国北方冬季土壤冻结后的聚水作用后的聚水作用 土壤气态水的运动土壤气态水的运动“冻后聚墒冻后聚墒”现象现象 土壤水土壤水 w = p + i + u et r in - dp:rainfall (mm)；i:irrigation (mm)；u: 毛管上升水(mm)et: 蒸散量 (mm)；r: run-off (mm)；in:植物冠层截留量 (mm)；d:下渗水量 (mm)。农田水分平衡公式 土壤水土壤水soil-plant-air continuum 土壤土壤-植物植物-大气连续体大气连续体 土壤中的水分被植物根系土壤中的水分被植物根系吸收而进入植物体，并在吸收而进入植物体，并在植物体内传导，到达叶片植物体内传导，到达叶片后从气孔蒸腾到大气的