第三章 土壤水分2节

1、主讲教师：罗春艳主讲教师：罗春艳能源与水利学院二一四年 九月第三章第三章 土壤水分土壤水分第二节第二节 土壤水分能态土壤水分能态主要内内容： 土壤水势定义及各分势土壤水势定义及各分势 土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水分能态测定方法土壤水分能态测定方法第三章土壤水分第三章土壤水分 通过土壤水分能态的学习，使学生掌握通过土壤水分能态的学习，使学生掌握水水势的概念及土壤水势的组成；势的概念及土壤水势的组成；掌握掌握土壤水分土壤水分特征曲线的含义及影响因素，特征曲线的含义及影响因素，并简单了解并简单了解土土壤水分特征曲线的测定方法壤水分特征曲线的测定方法。本节教学节教学目的：第三章第三章 土壤

2、水分土壤水分本章的重点、难难点：1) 1) 水势的概念及各分势含义水势的概念及各分势含义2) 2)土壤水分特征曲线的含义及影响因素土壤水分特征曲线的含义及影响因素第三章第三章 土壤水分土壤水分一、土壤水分能量概念一、土壤水分能量概念水流向何方？水流向何方？第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态土壤土壤B粘土粘土15%土壤土壤A砂土砂土10%以水分本身的能量变化来研究水分在土壤中以水分本身的能量变化来研究水分在土壤中 保持、运动保持、运动以及以及SPAC的循环过程。的循环过程。水分能量观点水分能量观点: :动能动能第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态势能势能可忽略不计可忽略不计土壤水的

3、能量土壤水的能量 Buckingham（白金汉姆）（白金汉姆）（19071907）首先提出应用能）首先提出应用能量理论和方法研究土壤水分问题。经过近百年的研究历程，量理论和方法研究土壤水分问题。经过近百年的研究历程，尤其是近尤其是近20203030年来得到了较大发展。年来得到了较大发展。F 国际国际土壤学会学会名词词委员会员会定义义：土水势土水势( (土土) )：在标准大气压下，将单位数量的等温可：在标准大气压下，将单位数量的等温可逆的移动到相应点（标准参照状态）时所做的功。水分逆的移动到相应点（标准参照状态）时所做的功。水分从土壤移动做功所需要的能量即为该系统的土壤水势。从土壤移动做功所需要

4、的能量即为该系统的土壤水势。一、土壤水势概念一、土壤水势概念标准参照状态标准参照状态一定高度处、某一特定温度（常温一定高度处、某一特定温度（常温或与土壤水相同温度）下承受标准大气压（或者当地或与土壤水相同温度）下承受标准大气压（或者当地大气压）的纯自由水大气压）的纯自由水( (不受溶质、不受固相介质作用不受溶质、不受固相介质作用) )。水流动方向：水流动方向：土水势高（负值小）土水势高（负值小）低（负值大）低（负值大）第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态能量很难获得它的绝对值，几乎都是相对而言。能量很难获得它的绝对值，几乎都是相对而言。一、土壤水

5、分能量概念一、土壤水分能量概念第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态土壤水势概念中强调的内容：土壤水势概念中强调的内容：进一步将水分在土壤中状态进行分析会得出影响土进一步将水分在土壤中状态进行分析会得出影响土壤水分能量水平的因素，就得到了许多分势。壤水分能量水平的因素，就得到了许多分势。纯水池中的纯水作为参照标准，纯水池中的纯水作为参照标准，并规定水势为零并规定水势为零。总水势总水势土壤水的总势能土壤水的总势能w=m + s + g+ p+ + t基质势基质势土壤基质的吸附力和土壤基质的吸附力和毛管力所引起的水势毛管力所引起的水势溶质势溶质势土壤水分中的溶质所引土壤水分中的溶质所引起的水势

6、起的水势重力势重力势重力引起的土壤水势重力引起的土壤水势压力势：压力势：当土壤饱和时当土壤饱和时,自由水面下土壤由于静水自由水面下土壤由于静水压力所产生的压力所产生的水势水势一、土壤水分能量概念一、土壤水分能量概念第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态温度：温度：由温度场温差由温度场温差引起的引起的水势水势土壤总水势是土壤中各种作用力所产生的分势的和土壤总水势是土壤中各种作用力所产生的分势的和产生原因：产生原因：基质势由土壤基质对水分的吸持作用引起基质势由土壤基质对水分的吸持作用引起的。水和土壤骨架之间的的。水和土壤骨架之间的吸附力和毛管力吸附力和毛管力将土壤水束将土壤水束缚在土壤中，要使

7、土壤移动，必须克服这种吸持作用缚在土壤中，要使土壤移动，必须克服这种吸持作用做功。做功。（一）土壤各分势（一）土壤各分势基质势：基质势：将土壤水移动到标准参照状态（自由水、无将土壤水移动到标准参照状态（自由水、无束缚）时，对土壤水所做的功称为基质势。束缚）时，对土壤水所做的功称为基质势。1. 基质势（基质势（m）第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态（一）土壤各分势（一）土壤各分势基质势概念中强调的内容：基质势概念中强调的内容：第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态基质势为负值。基质势为负值。当土壤达到完全饱和状态时，不受基质吸持，基质势为零。当土壤达到完全饱和状态时，不受基质吸持，基

8、质势为零。含水量越高，基质势绝对值越低，基质势越高含水量越高，基质势绝对值越低，基质势越高在土壤水不饱和的情况下，非盐碱化土壤的土水势以在土壤水不饱和的情况下，非盐碱化土壤的土水势以m为主为主 由于由于溶质溶质对水分子具有吸引力，将水分对水分子具有吸引力，将水分移动到标准参照状态时必须对土壤水做功移动到标准参照状态时必须对土壤水做功 C C为溶液浓度，为溶液浓度，mol/Lmol/L；R R为气体常数；为气体常数；T T为绝对温度，为绝对温度，K KcRTs2. 溶质势（溶质势（s ）第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态对于盐渍化土壤，溶质势是影响水分能量的重要内容。对于盐渍化土壤，溶质

9、势是影响水分能量的重要内容。溶质势概念中强调的内容：溶质势概念中强调的内容：第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态溶质势为负值溶质势为负值溶质势与渗透压数值相同，但符号相反。溶质势与渗透压数值相同，但符号相反。溶质势在影响土壤水分移动能力情况下，必须溶质势在影响土壤水分移动能力情况下，必须要有半透膜作用要有半透膜作用 。通常将标准状态下的压力定义为标准大气压或当地大通常将标准状态下的压力定义为标准大气压或当地大气，相对于大气压所存在的势能差，为压力势。气，相对于大气压所存在的势能差，为压力势。3.3.压力势（压力势（pp）土水系统的压力超过参照状态下的压力而引起的水势。土水系统的压力超过参

10、照状态下的压力而引起的水势。非饱和时非饱和时ghp饱和时压力势可用静水压强来表示饱和时压力势可用静水压强来表示第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态Op压力势主要是连续水体的表现，只有在饱和情况下才存在。压力势主要是连续水体的表现，只有在饱和情况下才存在。F 压力势测定：压力势测定：连通管水面到待测点垂直距离就是该连通管水面到待测点垂直距离就是该点水分的压力势值。点水分的压力势值。压力势概念中强调的内容：压力势概念中强调的内容：气压势不是压力势的主要成分，它主要体现在土壤孔气压势不是压力势的主要成分，它主要体现在土壤孔隙中被封的空气作用，随着气体溶解，其逐渐为零。隙中被封的空气作用，随着气

11、体溶解，其逐渐为零。第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态由重力作用而引起的土壤水势的变化。由重力作用而引起的土壤水势的变化。 重力势大小估算重力势大小估算: : at height Z above Z0: g =mgZ per unit mass: g=mgZ/m=gZ (J/kg) per unit volume: g =mgZ/v=wgZ (N/m2) per unit weight: g=mgZ/mg=Z (m) 重力势与土壤性质无关4. 4. 重力势（重力势（ g ）第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态实质上是由于位置差所产生的土壤水分的能量差实质上是由于位置差所产生的土壤

12、水分的能量差。规定参考面处为零，它的选择不影响空间任意两规定参考面处为零，它的选择不影响空间任意两点间重力势差值；点间重力势差值；F重力势概念需要特别强调的内容：重力势概念需要特别强调的内容：第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态其值的大小等于待测点到参考面的垂直高度其值的大小等于待测点到参考面的垂直高度与土壤性质无关；与土壤性质无关；无需特别测量仪器和设备。无需特别测量仪器和设备。由温度场的温差引起的。土壤中任一点土壤水分的温度由温度场的温差引起的。土壤中任一点土壤水分的温度势由该点的温度与标准参照状态的温度之差所决定势由该点的温度与标准参照状态的温度之差所决定5. 5. 温度势（温度势

13、（ t ）mm =0, =0,s=0, s=0, t t可忽略可忽略h=g+p 总土水势总土水势: h=g+s+p+m +t饱和情况下饱和情况下非饱和情况下非饱和情况下pp=0=0，ss，t t可忽略，可忽略，h=g+m 2. 2.单位容积水势单位容积水势标准单位为帕标准单位为帕PaPa，KPaKPa, , MPaMPa，也曾用，也曾用Bar Bar 和大气压和大气压atmatm表示表示1. 1.单位质量水势单位质量水势水的质量为克或公斤时水的质量为克或公斤时, , 能的单位为能的单位为 J/kgJ/kg或或 尔格尔格/ /克克3. 3.单位重量的水势单位重量的水势： cmH2O cmH2O高

14、高 or or cmHgcmHg高高第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态土水势表示方法：土水势表示方法： 单位重量土壤水的势能值用相当单位重量土壤水的势能值用相当于一定水柱高度的厘米数表示于一定水柱高度的厘米数表示第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态在土壤水分分势中，基质势和溶质势为负值，为了使用方便，在土壤水分分势中，基质势和溶质势为负值，为了使用方便，习惯上将这两个分势的绝对值之和统称为习惯上将这两个分势的绝对值之和统称为土壤水吸力土壤水吸力。一般。一般简称土壤吸力。简称土壤吸力。6 6土壤水吸力土壤水吸力( 土壤水吸力是能量尺度的一种表示方法，土壤水吸力是能量尺度的一种表示方

15、法，不要误以为是土壤对水的吸力不要误以为是土壤对水的吸力。)(smSSpFlg土壤水吸力土壤水吸力pFpF值值厘米水柱高度变化大厘米水柱高度变化大第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态水分运动总是从土水势高的地方自发地流向水势低的水分运动总是从土水势高的地方自发地流向水势低的地方。而不一定是从含水量高的流向含水量低的地方地方。而不一定是从含水量高的流向含水量低的地方。土壤水分能量学观点是土壤土壤水分能量学观点是土壤科学领域一次大的飞跃。科学领域一次大的飞跃。第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态土壤土壤B粘土粘土15%土壤土壤A砂土砂土10%1

16、0%10%15%15%cmpBmBgBB15cmFEDCAB15027454530156pFpEpDpCpBgFgEgDgCgBgAcmcmcmcmcmcm各各点点的的重重力力势势：cmcmcmcmcmcmmAmFmEmDmCmBpgm01230301507.7.平衡系统中的土水势平衡系统中的土水势第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态（一）概念（一）概念土壤水分特征曲线：土壤水分特征曲线：表示土壤含水量（数表示土壤含水量（数量）与土壤基质势量）与土壤基质势（土壤水吸力）（能（土壤水吸力）（能量）的关系曲线量）的关系曲线。二、土壤水分特征曲线二、土壤水分特征曲线第二节第二节 土壤水分的能态

17、土壤水分的能态土壤水吸力土壤含水量增加而降低。土壤水吸力土壤含水量增加而降低。1.1.土壤质地土壤质地( (二）影响土壤水分特征曲线的因素二）影响土壤水分特征曲线的因素相同含水量，相同含水量，水吸力水吸力 黏土黏土 壤土壤土 砂土砂土相同水吸力，相同水吸力，含水量黏土含水量黏土 壤土壤土 砂土砂土第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态2.2.土壤结构土壤结构( (二）影响土壤水分特征曲线的因素二）影响土壤水分特征曲线的因素在低吸力（高含水量时在低吸力（高含水量时表现明显：破坏土壤构表现明显：破坏土壤构（压紧）土壤使通气隙（压紧）土壤使通气隙和毛管孔隙减少，饱含和毛管孔隙减少，饱含水量小水量

18、小第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态3.3.温度温度4.4.土壤水分变化过程土壤水分变化过程一定水吸力下，温度越高，含水量一定水吸力下，温度越高，含水量越低（温度升高，水的粘滞性和表越低（温度升高，水的粘滞性和表面张力下降，土水势升高，水吸力面张力下降，土水势升高，水吸力降低）降低）第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态 1、张力计法（负压计或湿度计），测定水不饱和、张力计法（负压计或湿度计），测定水不饱和土壤的基质势或基质吸力。土壤的基质势或基质吸力。（三）土壤水分特征曲线的测定（三）土壤水分特征曲线的测定第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态第二节第二节 土壤水分的能态土壤

19、水分的能态w=m + s + g+ p+ + t第二节第二节 土壤水分的能态土壤水分的能态ws（土壤）（土壤）= wDwD（张力计中的水势）（张力计中的水势）g =0，s =0，t=0，ws（土壤）（土壤）= psps + + msms wDwD（张力计）（张力计）= = pDpD + + mDmDpsps =0=0 mDmD =0=0ws（土壤）（土壤）= wDwD（张力计）（张力计） 2、压力膜法：根据土壤在不同压力下排水的、压力膜法：根据土壤在不同压力下排水的原理测定，可测水吸力原理测定，可测水吸力120bar。张力计法适用范围张力计法适用范围800/850hPa800/850hPa以下

20、，超过此范围，就以下，超过此范围，就有空气进入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范有空气进入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范围多在围多在1000hPa1000hPa以下，故张力计有一定实用价值。以下，故张力计有一定实用价值。压压力力膜膜（板）（板）仪仪土样Pressure plate apparatus出水孔压力调控压力室优点：优点：测量范围大（测量范围大（0 02020个大气压）个大气压）缺点：平衡时间长，需要恒温条件缺点：平衡时间长，需要恒温条件S.J Richards,1931S.J Richards,1931设计设计注意：不同注意：不同吸力范围选吸力范围选用不同压力用不同压力室和膜或板室和膜或板所有的压力膜仪都要求在一个可以提供调节的压力源下所有的压力膜仪都要求在一个可以提供调节的压力源下进行操作。压缩机或者高压氮瓶提供系统压力。进行操作。