第三章 土壤水分

Chapter3土壤水分（SoilWater，SoilMoisture）土壤学与农作学§3.1土壤水分类型§3.1

Theformandpropertiesofsoilmoisture土壤学与农作学土壤学与农作学土壤水（soilwater）自由水（freewater）束缚水（bondingwater）

气态水:水汽，易凝结为液态水

固态水：冰，冬季寒冷的中高纬度地区化学束缚水物理束缚水化合水：H2Al2Si2O

∙

8H2O(waterofhydration)结晶水：CaSO4

∙

2H2O(crystallinewater)吸湿水(hydroscopicwater)膜状水(membrane/filmwater)毛管水(capillarywater)重力水(gravitationalwater)毛管悬着水(hangingcapillarywater)毛管上升水(ascendingcapillarywater)物理束缚水吸湿水(hydroscopicwater)毛管水(capillarywater)重力水(gravitationalwater)毛管悬着水(hangingcapillarywater)毛管上升水(ascendingcapillarywater)膜状水(membrane/filmwater)一、土壤水分类型1、吸湿水（紧束缚水）

hygroscopic/hydroscopicwater

吸湿水：干燥土粒从大气和土壤空气中吸附的气态水分Waterwhichisabsorbedfromatmosphericvaporandheldtightlytothesoilgranule.AAAA范德华力watervaporHHHH氢键EEEE库仑力HREHREhygroscopicwaterlayer土壤学与农作学作用力：土粒表面的引力（范德华力、氢键、库仑力）,强力水吸力：>3.1MPa（3.1×106Pa）特点：密度大；冰点低；厚度小；不能自由移动；无效水影响因素：

土壤空气湿度：湿度，吸湿水

土壤质地：质地由砂变粘，，吸湿水

土壤有机质含量：有机质含量，吸湿水

土壤含盐量：含盐量，吸湿水土壤学与农作学2、膜状水（松束缚水）

membrane/filmwater(looselybondingwater)

膜状水：吸湿水达到最大量后，靠土粒剩余的分子引力吸附在吸湿水外面的一层水膜。

membranewaterRARBABRA>RB

膜状水运动方向RA＝RB水运动停止

Waterwhichisabsorbedbytheremanantmolecularattractionwhenthehygroscopicwaterreachthemaximumlimit.土壤学与农作学作用力：土粒表面较弱的分子引力(范德华力)、水分子内聚力、交换性阳离子的水化作用水吸力：3.1~0.63MPa特点：密度较大；冰点较低；移动缓慢；部分有效土壤学与农作学3、毛管水

capillarywater

毛管水：受毛管力的作用在土壤毛管孔隙中保持和运动的水分。

Waterheldin,ormovingthrough,capillaryintersticesinsoil。土壤学与农作学特点：自由水（保存、运动、溶解养分）；有效水（availablewater）水吸力：0.63～0.008MPa作用力：土壤毛管孔隙（0.06～0.002mm）的毛管力

capillarity2TP＝r表面张力毛管半径毛管力土壤学与农作学悬着毛管水hangingcapillarywater地下水位较深时，降雨或灌溉后靠毛管力保持在土壤上层中的水分。旱地悬着毛管水的最大值称为田间持水量上升毛管水ascendingcapillarywater地下水藉毛管力支持上升并保持在上层土壤毛管中的水分。

上升毛管水的最大值称为毛管持水量悬着毛管水上升毛管水地下水土壤学与农作学4、重力水

gravitationalwater

重力水：当土壤含水量超过田间持水量后，过量的水分不能被毛管力所吸持，而在重力作用下沿土壤大孔隙向下移动的水分。

Soilwaterinexcessofcapillaryandhygroscopicwaterandmovesfreelyundertheeffectofgravity.Itisfoundbeyond0.06millimetersfromthesurfaceofsoilparticles.作用力：重力特点：自由水；多余水；水田为有效水（availablewater）水吸力：0.008～0MPa土壤学与农作学土壤学与农作学土壤水（soilwater）自由水（freewater）束缚水（bondingwater）

气态水:水汽，易凝结为液态水（vaporouswater）固态水：冰，冬季寒冷的中高纬度地区（solidwater）化学束缚水物理束缚水化合水：H2Al2Si2O

∙

8H2O(waterofhydration)结晶水：CaSO4

∙

2H2O(crystallinewater)吸湿水(hydroscopicwater)膜状水(membrane/filmwater)毛管水(capillarywater)重力水(gravitationalwater)毛管悬着水(hangingcapillarywater)毛管上升水(ascendingcapillarywater)物理束缚水吸湿水(hydroscopicwater)毛管水(capillarywater)重力水(gravitationalwater)毛管悬着水(hangingcapillarywater)毛管上升水(ascendingcapillarywater)膜状水(membrane/filmwater)二、土壤水分常数(土壤水分数量指标)

Soilwaterconstant/quantitativedescriptionofsoilwater

土壤水分常数：在一定条件下，土壤各类型水分达到最大量时的土壤含水量。Waterquantitativecontentwhencertainformofsoilwaterreachesitsmaximumlimit.在一定条件下，同一土壤的水分常数保持相对稳定的数值。土壤学与农作学

1、吸湿系数（hygroscopiccoefficient）：干燥土壤从湿度接近饱和（>95%）的空气中吸收水汽而达到的最大含水量。土壤吸湿水的最大值；水吸力3.1MPa

2.凋萎系数（wiltingcoefficient）：植物产生永久凋萎（permanentwilting）时土壤的含水量。植物可利用的土壤水量（有效水）的下限。吸湿水＋部分膜状水；水吸力1.5MPa；吸湿系数的1.5～2.0倍

3.最大分子持水量（maximummolecularmoistureholdingcapacity）：土壤膜状水达到最大值的土壤含水量。吸湿水＋全部膜状水；水吸力0.63MPa；吸湿水的2～4倍土壤学与农作学

4.毛管断裂含水量（作物生长阻滞含水量）：土壤中的悬着毛管水因作物吸收和土表蒸发而发生断裂时的土壤含水量。

吸湿水＋膜状水＋部分毛管水；处于对植物“供不应求”的状态；旱地土壤灌水的下限

5.田间持水量（fieldcapacity）：土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量。是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值。

吸湿水＋膜状水＋悬着毛管水；旱地土壤有效水的上限；确定灌水定额的依据；水吸力0.05MPa土壤学与农作学

6.(最大）毛管持水量(maximumcapillarycapacity)：土壤所有毛管孔隙中都充满水分时的土壤含水量。吸湿水＋膜状水＋上升毛管水；水吸力0.008MPa

7.饱和含水量/全持水量

(Saturation)：土壤所有孔隙中全部充满水分时的土壤含水量。吸湿水＋膜状水＋上升毛管水＋重力水；水吸力0MPa；水田灌水水量的依据土壤学与农作学三、土壤水分的有效性

Availabilityof

soilwater

土壤水分有效性：土壤水分能否被植物利用及其被利用的难易程度。有效水(availablewater)无效水(unavailablewater)易有效水(easilyavailablewater)难有效水(hardlyavailablewater)多余水(redundantwater)无效水(unavailablewater)土壤学与农作学干湿水吸力/MPa土壤水分常数土壤水分形态土壤水分有效性土粒103化学束缚水105℃烘干土3.1吸湿水吸湿系数1.5无效水凋萎系数0.63膜状水最大分子持水量难有效水毛管断裂含水量0.05悬着毛管水田间持水量0.008上升毛管水易有效水毛管持水量0重力水多余水饱和含水量有效水下限旱地灌溉下限旱地有效水上限土壤学与农作学影响土壤有效水量的因素：

土壤有机质含量越高，有效水量越大；

土壤结构、土壤松紧度土壤质地(决定因素)田间持水量凋萎系数重力水有效水无效水2015105有效水含量％细砂土面砂土粉砂土粉土粉壤土粘壤土壤粘土粘土土壤学与农作学四、土壤含水量及其表示方法

Content

of

soilwateranditsdescription土壤含水量：soilwater

content土壤湿度：soilhumidity土壤含水率：percentageofsoilwater一定量土壤中所含水分数量的多少。土壤学与农作学1.土壤重量/质量含水量：θm（masswatercontentofsoil）土壤所含水分的重量占烘干土重的百分数。土壤学与农作学2.容积/体积含水量（volumetricwatercontent）：θv土壤水分体积占土壤体积的百分数。土壤学与农作学3.水层厚度（waterthickness）

：hw土壤所含水分的重量占烘干土重的百分数。与降雨量及腾发量相对应＝hs（mm）×θm×rd土壤学与农作学4.土壤贮水量（soilwater-storagecapacity）

：Vw

一定厚度单位面积土壤中水的体积。与灌、排水定额相对应土壤学与农作学5.相对含水量（relativesoilwatercontent）

：Rw土壤实际含水量与田间持水量（或全持水量）的百分比值。无量纲值。旱地土壤（dryland/uplandfieldsoil）：水田土壤（paddy/lowlandfieldsoil）：土壤学与农作学6.土壤水分饱和度（percentsaturationofsoilwater）土壤水分体积占土壤孔隙体积的百分数。土壤学与农作学特点：准确；费时；不便定位测定。改进快速法：红外线烘干法、微波炉烘干法酒精烘干法、酒精烧失法。1.烘干法（drying）在105～110℃条件下，烘至恒重，为烘干土重(Ws)，以此为基础计算水分重的百分比（%）。四、土壤水分的测定

measurementofsoilwater土壤学与农作学2.中子法（NeutronProbe）特点：简便、较精确;只能用于较深土层水分测定;有机质中的氢影响测定结果。原理：利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出被测物含水量。中子仪土壤学与农作学3.TDR/FDRFDR：FrequencyDomainReflectometry原理：根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的反射频率不同，计算出被测物含水量。

TDR:TimeDomainReflectometry,时域反射仪.原理：TDR发生器产生的电磁脉冲波沿探针在土壤中向下传送，当遇到水分子时，脉冲波会被反射。反射时间与土壤含水量有关。土壤学与农作学某一旱地土壤容重为1.2g/cm3，田间持水量θm为30%。为保证作物正常生长，需使30cm土层的相对含水量达到80％。灌水前取湿土27.60g，105℃下充分烘干后称重，土样质量为24.00g。灌水前适逢降雨10.0mm，问还需灌水多少（m3/ha）才能达到要求？土壤学与农作学土壤学与农作学需灌溉补充的水层厚度：

hwi＝32.4-10.0＝22.4（mm）

30cm土层中需增加的水层厚度：

hw（mm）=9%×1.2×300=32.4(mm)

需增加的土壤质量含水量:

θm＝24%-15%＝9%

相对含水量为80％时的土壤质量含水量：

θm2＝30%×80%=24%

解:降雨前土壤质量含水量：

θm1＝（27.60-24.00）/24.0×100％＝15%

相当的土壤贮水量：

Vwi＝22.4×10=224(m3/ha)

§3.2土壤水分能态§3.2

PotentialStateofsoilmoisture土壤学与农作学一、土水势（ψs）及其分势

soilwaterpotentialanditssub-potential将单位数量土壤水从一个平衡系统中移到与其温度相同的处于参照状态下的纯自由水池时所做的功。Theworkthatsoilwatercandoasitmovesfromitpresentstatetothereferencestate.(一)DefinitionReferencestate:purefreewater,definedtobe0.Awatermoleculeadsorbedinsoilislessfreetomovethanonewithoutadhesiontoasurfacewhichispurefreewater.Sothesoilwaterpotentialisequaltoorlessthan0.土壤学与农作学(二)soilwatersub-potential土水势（ψs

）SoilWaterPotential压力势（ψp）PressurePotential基质势（ψm）MatricPotential溶质势/渗透势（ψo）Solute/OsmoticPotential重力势（ψg）GravitationalPotential土壤学与农作学1.基质势（ψm）MatricPotential土水系统中由于土壤固体特性所引起的一种势值。

Resultsfrom：cohesion，adhesion(adsorption)ofsoilparticlecapillaryforceofsoilcapillaryintersticesResultsin：anegativeenergypotentialAffectedby：differencesinadhesionandsoilporosity

非饱和水土壤：ψm<0饱和水土壤：ψm＝0土壤学与农作学土壤水受重力作用所引起的一种势值。与土壤本身的性质无关。g

isaccelerationduetogravityhistheheightofthesoilwateraccordingtoreferenceelevation.ψg＝ρgh高于参照面：ψg>0低于参照面：ψg<02.重力势（ψg）GravitationalPotential土壤学与农作学土水系统中的压力超过参照状态下的压力而引起的势值。

Resultsfrom：Hydrostaticpressure（静水压）

饱和水土壤：ψp>0不饱和水土壤：ψp＝0

ψp＝ρghhisthethicknessofthehydrostaticlayer2.压力势（ψp）PressurePotential土壤学与农作学由土壤水中溶解的溶质而引起的势值。Ψo<0Resultsfrom：solutes（inorganicsaltsandorganiccompounds）insoilsolutionThegreatertheconcentrationofsolutes，thegreatertheosmoticpotential(themorenegativethepotential）3.溶质势/渗透势（ψo）Solute/OsmoticPotential土壤学与农作学渗透压（osmoticpressure）：

π＝cRT

渗透势（Ψo）

：

Ψo

=－cRT土壤学与农作学土壤学与农作学SPACSPAC系统中的半透膜植物根系细胞原生质膜(protoplasmicmembraneofrootcell)水气界面（类半透膜）(interfaceofwaterandatmosphere)土壤学与农作学总土水势

ψs=ψm+ψg+ψp+ψo水力势（HydraulicPotential）

ψh=ψm+ψg+ψp

饱和土壤水时：

ψs=ψg+ψp

非饱和土壤水时：

ψs=ψm+ψg二、土壤水吸力(S)

soilwatersuction土壤水中在承受一定土壤吸力情况下所处的能态。只包括基质吸力和溶质吸力S=Sm+Ss与基质吸力和溶质吸力分别与基质势和溶质势数值相等，符号相反，故水吸力为正值或零可用土壤对水分的吸力来表示（压力单位）土壤学与农作学土壤水分方向：

土壤水吸力：低高土水势：高低水分含量：高低（同一土壤）土壤学与农作学claysandΘ

mc=20%ψhc=-0.3MPaS=0.3MPaΘms=15%ψhs=-0.08MPaS=0.08MPa土壤学与农作学单位质量的土水势：

J/kg单位体积的土水势：bar，atm，Pa单位重量的土水势：cmH2O,cmHg1hPa＝100Pa，1kPa＝1000Pa，1MPa＝106Pa＝10bar1bar=1020cmH2O=75.01cmHg=0.9869atm=100J/kg=105Pa三、土水势的定量表示及单位换算土壤学与农作学土壤学与农作学四、平衡土-水系统的土水势20cm·A·B·CE·F·15cm15cm10cm基准面5cm·D水土HydraulicPotentialinasoil-waterequilibrium：

ψhA=ψhB=ψhC=ψhD=ψhE=ψhF=15cmψhB=ψmB

+ψ

gB+ψpB=0+(10+5)+0=15

cmGravitationalPotential：

ψgA=5cm；ψgB=15cm；ψgC=30cm

ψgD=45cm；ψgE=45cm；ψgF＝25cmPressurePotential：

ψpA=10cm

ψpB=ψpC=ψpD=ψpE=ψpF=0MatricPotential：

ψm=ψh－ψg－ψpSub-potential各点的势值（cmH20）ABCDEF基质势（ψm）压力势（ψp）重力势（ψg）水力势（ψh）

00-15-30-30-10100000051530454525151515151515

土壤学与农作学表示土壤水分在被吸附或释放过程中土壤含水量（数量）与水吸力（基质势）（能量）相关关系的曲线。Soilwatercharacteristiccurveisthecurvewhichdenotestherelationshipbetweenthesoilwatercontentandthesoilmoisturesuction(soilwaterpotential)intheprocessofwateradsorptionordrainage.

五、土壤水分特征曲线

(Soilwatercharacteristiccurve)吸水曲线：从干燥开始减小吸力使土壤吸水脱水曲线：从饱和开始增大吸力使土壤脱水1.Definition土壤学与农作学土壤质地（soiltexture）2.Affectingfactors粘土：平缓，斜率小（孔隙较小，较均匀）砂土：陡直，斜率大（孔隙少，孔径大）相同含水量时，水吸力：粘土>壤土>砂土相同水吸力时，含水量：粘土>壤土>砂土土壤学与农作学土壤结构（soilstructure）在低吸力（高含水量）时表现明显：破坏土壤结构（压紧）土壤使通气孔隙和毛管孔隙减少，饱和含水量减小土壤温度（soiltemperature）一定水吸力下，温度越高，含水量越低（温度升高，水的粘滞性和表明张力下降，水吸力降低）土壤学与农作学土壤学与农作学张力计法（Tensiometer）3.Mensuration

指针式数字式使用方法压力薄膜法Soilwatercharacterization土壤学与农作学压力薄膜法

Ψs

＝Ψw

Ψmw+Ψpw+Ψgw

=Ψms+Ψps+Ψgs

Ψmw=0,Ψpw=0,Ψgw=Ψgs

Ψms+Ψps

=0Ψms=

-Ψps=

-pAtmosphere

(p)Soil

ΨsFreewater

ΨwdrainingHighpressureatmosphere多孔板压力室土壤学与农作学水吸力与含水量的换算4.ApplyingVisser经验公式：

Ψ=a（f-θ）b/θc

Ψ——水吸力；f——孔隙度；

θ——容积含水量；

a，b，c——常数加德尔经验公式：

Ψ=aθ-b土壤学与农作学土壤水吸力与当量孔径的关系3

D=SD——毛管当量孔径（mm）；s——土壤水吸力（hPa）土壤学与农作学含义：土壤吸湿（水）过程中，土壤水吸力S随土壤含水量θ增加而降低的速度较快；土壤脱湿(水)过程中，S随θ减少而增大的速度较慢。同一土壤的两种水分特征曲线不重合的现象。砂质土的滞后现象比粘质土更明显。可能原因：土壤颗粒的涨缩性、土壤孔隙的分布特点。六、土壤水分滞后作用

(Hysteresisofsoilwater)土壤学与农作学1.Saturation: Thepointatwhichalloftheporesofthesoilarefullofwater.2.Holdingapacity: Theabilityofthesoiltoholdwateragainstthepullofgravity.3.Fieldcapacity Theamountofwaterleftinthesoilaftertheexcesshasdrainedaway.4.Wiltingpoint: Thesoilmoisturecontentatwhichtheplantsloseturgorpressureandwilt.5.Permanentwiltingpoint: Thepointatwhichthesoilmoisturecontentissolowthatplantscannolongerpullanywaterfromitandtheylosesomuchturgorpressurethattheywillnotreviveevenifwateredimmediately.6.Availablewater Thewaterinthesoilwhichisavailabletoplants.7.Hygroscopicwater: Waterwhichisheldsotightlytothesoil,bystaticelectricity,thatitcannotbetakenupbytheplant.土壤学与农作学§3.3土壤水分运动§3.3MovingofSoilWater土壤学与农作学土壤中存在3种类型的水分运动饱和流即土壤孔隙全部充满水时的水流，这主要是重力水的运动非饱和流土壤中只有部分孔隙中有水时的水流，主要是毛管水和膜状

水的运动水汽移动土壤学与农作学一、饱和流(SaturatedSoilWaterFlow)

在土壤中，有些情况下会出现饱和流，如大量持续降水和稻田淹灌时会出现垂直向下的饱和流；地下泉水涌出属于垂直向上的饱和流；平原水库库底周围则可以出现水平方向的饱和流。一维垂直向饱和流土壤学与农作学饱和流的推动力主要是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。即单位时间内通过单位面积土壤的水量，土壤水通量与土水势梯度成正比。式中：q——表示土壤水流通量；ΔH——表示总水势差；L——水流路径的直线长度；Ks——土壤饱和导水率。土壤学与农作学饱和流导水率(Saturatedhydraulicconductivity)土壤确定条件下饱和流导水率是一个常数；饱和流导水率是土壤导水率中的最大值；饱和流导水率的大小受土壤的质地、结构、有机质含量和无机胶体类型等因素的影响。

土壤饱和导水率反映了土壤的饱和渗透性能，任何影响土壤孔隙大小和形状的因素都会影响饱和导水率。通过半径为1mm的孔隙的流量相当于通过10000个半径0.1mm的孔隙的流量。土壤学与农作学二、土壤非饱和流***（unsaturtedsoilwaterflaw)土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流，其表达式为：非饱和土壤中的水流简称为非饱和流或不饱和流，即土壤中只有部分孔隙中有水时的水流，这主要是毛管水和膜状水的运动。式中：—非饱和导水率；—总水势梯度。土壤学与农作学非饱和流导水率(unsaturatedhydrolicconductivity) 土壤水吸力和导水率之间的关系

土壤水吸力为零或接近于零，饱和导水率最大。土壤学与农作学饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非包和条件下则用微分形式：饱和条件下的土壤导水率Ks对特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势（m）的函数。

非饱和条件下土壤水流的数学表达式与饱和条件下的类似，二者的区别在于：K(m)为非饱和导水率，d/dx为总水势梯度

(waterpotentialgradient)土壤学与农作学三、土壤水汽运动土壤气态水的运动表现为水汽扩散和水汽凝结两种现象水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度，这是由土壤水势梯度或由土壤水吸力梯度和温度梯度所引起的。土壤学与农作学当水汽由暖处向冷处扩散遇冷时便可凝结成液态水，这就是水汽凝结。水汽凝结有两种现象值得注意，一是“夜潮”现象，二是“冻后聚墒”现象。水汽凝结1、“夜潮”现象多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”。土壤学与农作学“夜潮”现象多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”。白天土壤表层被晒干，夜间降温，底土土温度高于表土，所以水汽由底土向表土移动，遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复潮湿。2、“冻后聚墒”现象***冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于是下层水汽不断向冻层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量有所增加，这就是“冻后聚墒”现象。

“冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，“冻后聚墒”就比较明显。一般对土壤上层增水作用为2－4％左右。土壤学与农作学四、入渗、土壤水的再分布土壤入渗（soilwaterinfiltration)**一般是指水自土表垂直向下进入土壤的过程，但也不排斥如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。

土壤学与农作学土壤学与农作学土壤学与农作学影响因素：一是供水速率，二是土壤的入渗能力(入渗速率—infiltrationrate)土壤学与农作学土壤学与农作学入渗后，水在均一质地的土壤剖面上的分布情况土壤学与农作学几种不同质地土壤的最后稳定入渗速率(毫米/小时)土壤砂砂质和粉质土壤壤土粘质土壤碱化粘质土壤最后入渗速率>2010-205-101-5<1最初入渗速率：Initialinfiltrationrate稳定入渗速率：stableinfiltration