第四章 土壤水l.ppt

3、计算题：某土壤样品，其湿重为500克，体积为320立方厘米，当在烘箱中烘干后，它的干土重为400克，土壤密度为2.65克立方厘米，试计算该土壤样品的容重；该土壤样品的总孔度；该土壤样品的水容；该土壤样品的三相比（固：液：气）土壤容重=土壤烘干重/土壤体积=400g/320cm3=1.25g/cm3总孔度(%)=(1-容重/比重)100=(1-1.25/2.65)100=52.8=31.3 固：液：气=47.2：31.3：21.5,思考题,土壤水分保持与土壤水分有效性,临时有效水,颗粒表面分子引力,毛管力,重力,受力类型,第四章 土壤水,第四章 土壤水,第一节 土壤水的类型划分 及土壤水分含量的测定 第二节 土壤水的能态 第三节 土壤水的运动,我国水资源概况 我国水资源的基本特点：1.水资源空间分布特点 地区间水资源分布不均匀，水土组合极不平衡。我国东部区为多雨带，而西部区为缺水带。2.时间分布特征 水资源年际间变化和年内分配不均，半干旱、半湿润区甚至南方出现季节性缺水。,我国水资源概况 3.水资源与耕地资源组合不协调 我国北方耕地多而水资源量小，南方地区耕地少而水资源丰富。我国农业水资源缺乏且用量大，但利用率低，短缺与浪费是我国农业用水紧张的重要特征。,土壤水在农业生态系统中的重要作用 1.土壤水分状况是农田植物与其环境间进行各种物质交换的媒介。2.土壤水分状况通过影响土壤温度和通气状况，对植物的产量和品质有重要作用。,土壤水在农业生态系统中的重要作用 3.土壤水分移动过程影响生态平衡。土壤水、地表水、地下水、大气水、植物水构成自然界水分循环完整体系的5个方面，并成为五水转换系统的中心环节。土壤在调节自然界水分的正常循环，维持生态环境良性循环方面具有极为重要的作用。重点：掌握土壤水的重要作用。,土壤水,土壤水是土壤的重要组成部分参与土壤内进行的许多物质转化过程土壤水是作物吸水的最主要的来源,土壤水,也是自然界水循环的重要组成部分土壤水并非纯水，是稀薄的溶液通常说的土壤水实际上是指在105从土壤中驱逐出来的水,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分,土壤水分类型的划分,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分1、吸湿水 由干燥土粒吸附力从大气中吸附气态水分子保持在土粒表面的水分称为吸湿水。吸湿系数：在饱和水汽中，干燥土粒吸附的水分子的最大量，叫最大吸湿量或吸湿系数。,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分1、吸湿水,2、膜状水 膜状水是土粒与液态水相接触的情况下，被吸附在吸湿水之外的水分。,膜状水达到最大量时的土壤含水量称为最大分子持水量。,当作物呈现永久萎蔫时的土壤含水量称为凋萎含水量或枯萎系数。,膜状水示意图,水沿着毛管上升,毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分1、吸湿水 2、膜状水,3、毛管水 当土壤含水量超过最大分子持水量后，在毛管力的作用下保持在毛管孔隙中的水，称为毛管水。,毛管水是土壤中最宝贵的水分。因为：a.它是土壤中即能被土壤保持，又能被作物全部利用的有效水；b.它有溶解养分的能力；c.能在毛管力作用下向上下左右方向移动，且速度快；d.具有输送养分到作物根部的作用。,毛管水根据其所处部位和水分来源，可分为毛管上升水和毛管悬着水。毛管上升水：与地下水相连，由地下水补给的毛管水。毛管悬着水：在土壤表层，和地下水无关，由灌溉水或降水补给，借毛管力“悬挂”在土壤中。,田间持水量：由于灌溉或降水使田间毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量，称为田间持水量。,土 粒,毛管悬着水示意图,土 粒,毛管上升水示意图,地下水位,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分1、吸湿水 2、膜状水 3、毛管水,4、重力水 当进入土壤中的水分超过毛管力所保持的田间持水量，多余的水分受重力作用沿非毛管孔隙向下移动，这种受重力下移能够从土壤中排除出去的水分称为重力水。,土壤中的孔隙全部都充满水分的土壤含水量称为全蓄水量，或称饱和持水量或最大持水量。,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分二、土壤水分含量的测定,土壤水分含量测定方法,烘干法：经典方法快速烘干法：红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法张力计法中子法TDR法：时域反射仪 Time-Domain-Reflectometry,第一节 土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,一、土壤水分类型的划分二、土壤水分含量的测定三、土壤含水量的表示方法,土壤中水分的质量与干土质量的比值，因在同地区重力加速度相同，所以又称重量含水量。,土壤质量含水量（%）=,土壤水质量,干土质量,100,m=,W1 W2,W2,100,W1：湿土质量 W2：干土质量,质量含水量（m）：,土壤水分含量表示方法,容积含水量（v）：,指土壤水的容积占土壤容积的百分数。,v=,(W1 W2)/D,W2/Db,100,=,m Db,W1：湿土质量 D：水的比重 W2：干土质量 Db：土壤容重,土壤水分含量表示方法,第二节 土壤水的能态,经典物理学中把能量分为动能和势能势能在决定土壤水分状态和运动方面非常重要物质总是有势能高的地方向势能低的地方移动,第二节 土壤水的能态,土壤A砂土10%,土壤B粘土15%,水流向何方？,标注土水势的优点,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势1、土水势（）定义：土壤水在各种力的作用下，与同样条件的纯自由水相比，势（或自由能）的变化，（主要是降低）其差值称土水势。单位：帕（Pa）、巴（bar）、大气压（atm）1Pa=0.0102厘米水柱 1atm=1033厘米水柱=1.0133bar 1bar=0.9896atm=1020厘米水柱,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势1、土水势（）定义：,2、土水势分势：基质势、压力势、溶质势、重力势,（1）基质势(m):Matrix potential,由吸附力和毛管力所制约的土水势称为基质势。,假定纯水的势能为零，则基质势为负值；土壤含水量愈低，基质势也愈低；土壤水饱和时，基质势达最大，为零。,土水势分势,（2）压力势（p）：Pressure Potential,是指土壤水饱和的情况下，由于受压力而产生土水势变化。,土壤水分饱和时，土表土壤水的压力势为零；而土体内部的土壤水因承受大气压和其上部水柱的静水压力，压力势大于参比标准为正值。,土水势分势,（3）溶质势(s):Osmotic potential,是指由土壤水中溶解的溶质而引起土水势的变化，也称渗透势。,土水势分势,（4）重力势（g）：Gravitational Potential,是指由重力作用而引起的土水势变化。,所有土壤水都受重力作用，与参比标准的高度相比，高于参比标准的土壤水，其重力势为正值，高度愈高，重力势愈大，反之亦然。,土水势分势,土壤总水势（t）,土壤水势是以上各分势之和，又称总水势，用数学式表达为：t=m+p+s+g,土水势分势,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势二、土壤水吸力,1.定义：土壤水承受一定吸力情况下所处的能态称为土壤水吸力，简称吸力、张力或负压力。,2.水吸力与土水势的区别 1）水吸力只包括基质势和溶质势，不包括其它分势；2）水吸力和土水势数值相等，符号相反，是个正值；3）土壤水是从土水势高处流向低处，用吸力说则是从低处向高处。,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势二、土壤水吸力三、土壤水能量的测定,张力计法、压力膜法、冰点下降法、水汽压法,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势二、土壤水吸力三、土壤水能量的测定四、土壤水数量与能量的关系,1、土壤水分特征曲线：土壤水的能量指标与土壤水含量作成相关曲线称为土壤水分特征曲线。表示土壤水的能量和数量的关系,不同质地土壤的有效水分含量图,第二节 土壤水的能态,一、土水势及其分势二、土壤水吸力三、土壤水分特征曲线,2、滞后现象：土壤水分特征曲线的脱水曲线和吸水曲线不重合的现象称为滞后现象。,脱湿过程,吸湿过程,水分特征曲线的用途：,第四，应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数。,首先，可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的换算。,其次，土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。,第三，水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性。,土壤水的有效性:是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度，不能被植物吸收利用的水称为无效水，能被植物吸收利用的水称为有效水。其中因其吸收难易程度不同又可分为速效水(或易效水)和迟效水(或难效水)。,土壤有效水的下限:萎蔫系数土壤有效水的上限:田间持水量田间持水量与萎蔫系数之间的差值即土壤有效水最大含量。土壤有效水最大含量()田间持水量()一萎蔫系数()土壤有效水含量()=土壤含水量()-萎蔫系数(),第三节 土壤水分运动,土壤液态水的运动土壤气态水运动土壤水分蒸发水分入渗水分再分配,一、土壤液态水的运动1、饱和流(Saturated Soil Water Flow),第三节 土壤水分运动,q=土壤水流通量L=水流路径的直线长度Ks=土壤饱和导水率H=总水势差,导水率为常数水势梯度引起，重力势为主流向向下或侧渗灌溉或降雨超过入渗时才有,第三节 土壤水分运动,一、土壤液态水的运动1、饱和流(Saturated Soil Water Flow),2、非饱和流（unsaturated soil water flaw),总水势梯度,非饱和导水率,土壤水流通量,导水率随土壤湿度而变化，不是常数 基质势是水势梯度的主要因素 可以任意方向流动土壤中的普遍现象,一、土壤液态水的运动二、土壤气态水运动,1、水汽扩散2、水汽凝结,第三节 土壤水分运动,一、土壤液态水的运动二、土壤气态水运动三、土壤水分蒸发,1、定义：土壤水汽化后经地表向大气扩散的现象称为土面蒸发。,第三节 土壤水分运动,三、土壤水分蒸发,2、土壤水分持续蒸发应具备的条件：（1）不断有热能到达土壤表面，以满足水的汽化热需要。,（2）土壤表面的水汽压高于大气的水汽压，以驱动水汽不断进入大气。,（3）土体下部能够不断向蒸发面补给水分。,第三节 土壤水分运动,四、水分入渗,1、定义：入渗是指液态水进入土壤的过程。据土壤水饱和与否分为渗吸和渗漏两个过程。,2、入渗决定因素：供水速率、土壤的入渗能力。,3、入渗速率：在土面保持有大气压下薄水层，单位时间通过单位面积土壤的水量，单位mm/s或cm/h。,最初入渗速率、最后入渗速率（透水率渗透系数）、入渗开始后一小时入渗速率。,第三节 土壤水分运动,五、水分再分配,土壤水的再分布过程：由于土壤水入渗而被湿润的土层内的水分在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下即在水势梯度作用下还将继续运动。在土壤剖面深厚，没有地下水出现的情况下，这个土壤水运动过程称之。,第三节 土壤水分运动,土壤水分平衡,土壤植物大气连续体(SPAC)(Soil-plant-atmosphere continum),由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。,土壤植物大气连续体中的水份运动 植物从土壤中吸水然后又经叶面蒸腾到大气中去，可以看做是一个统一物理过程的连续体系。这个体系被称为“土壤植物大气连续体”，英文缩写成SPAC。当土水势根水势叶水势，植物能顺利地从土壤中吸水，并满足蒸腾耗水时，植物就不会萎蔫，否则，植物就会发生萎蔫。,水分高效利用的途径：合理开采、分配和管理；减少输水损失；提高灌溉效率。,土壤水的调控措施 主要包括土壤水的保蓄和调节。1、耕作措施 秋耕 中耕 镇压等 2、地面覆盖 薄膜覆盖 秸秆覆盖 3、灌溉措施：喷灌、滴灌、渗灌 4、生物节水,以色列塑料坝,以色列花农,以色列沙地优质土豆,1.简述土壤水分的类型及性质?2.什么是土水势、水吸力？二者有何区别？3.土壤水分特征曲线的含义和特点。4.饱和流与不饱和流的运动特点是什么？5.如何合理地调节土壤的水分状况？,思考题,第四节 土壤空气,一 土壤空气的组成 二 土壤空气的运动 三 土壤空气与土壤肥力,土壤空气,土壤空气的组成特点（soil air composition),土壤空气组成有以下分方面的特点:1.土壤空气中CO2近地层大气中CO2（Carbon dioxide）原因：1）土壤有机物质的分解释放CO2 2)土壤中根系、微生物、土壤动物的呼吸释放CO2 3）无机碳酸盐的分解CO2研究土壤中co2释放与固定问题成为当今土壤科学发展的前沿领域,土壤空气的组成特点（soil air composition),2.土壤空气中O2近地层大气中O2（oxygen）原因：微生物和根系等土壤中生物呼吸消耗。3.土壤空气中水汽压高于近地层大气中水汽压。土壤空气几乎为水气饱和的。因为土壤湿度均在“最大吸湿量“之上。4.土壤空气中有少量的还原性气体（痕量气体）。特别是土壤通气不良时，含有CH4、H2S、H2、N2O、C2H6、PH3、CS2等还原性气体和温室效应气体。大气中这些还原性气体少。,土壤空气组成显然不是固定不变的。,二.土壤的通气机制(soil aeration),（一）土壤通气性（soil aeration);又称为土壤空气更新。指的是土壤空气于近体层大气的交换过程（二）土壤通气的主要机制：主要有两种方式1.整齐交换：土壤空气交换(soil air exchange)也有人叫质流、对流 主要由于近地层环境因子剧烈变迁所引起的土壤中所有空气成分沿同一个方向的流动。如：风、气压变化、温度梯度变化、降水和灌溉的作用。这是特定条件下的土壤气体更新过程。,二.土壤的通气机制(soil aeration),2.气体扩散（soil air diffusion)土壤中气体分子因浓度梯度或气体分压不同而产生的气体移动。土壤CO2、O2 土壤失出CO2，吸收O2,有人叫“土壤呼吸”(soil respiration),三、土壤通气性(soil aeration),（一）土壤通气性的定义和指标 土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体内部允许气体扩散和通气的能力。,1静态指标（1）容积分数或充气孔隙度（2）土壤的空气组成（CO2和O2等的含量）取样的代表性不十分确定,3土壤氧化还原电位（Eh）,土壤的Eh取决于土壤溶液中氧化态和还原态物质的浓度比，而后者又主要取决于土壤中的氧化压或溶解态氧的浓度，这就直接与土壤通气性相联系。因此Eh可以做为土壤通气性的指标，它指示土壤溶液中氧压的高低，反映土壤通气排水状况。,土壤通气性与作物生长,（一）影响根系发育：大多数作物在通气良好的情况下，根系长、颜色浅、根毛多；缺氧的根系则短而粗，根毛大量减少。土壤空气中O2浓度低于910%时，根系发育就受到了抑制；降到5%以下，绝大部分作物的根系就停止发育。对于萝卜和甜菜等块根作物的影响最为显著，已出现畸形根。,土壤通气性与作物生长,（二）影响种子萌发和根系的吸收功能 种子萌发是一个耗氧过程，缺氧会影响种子内物质的转化和代谢活动。在潮湿嫌气条件下，微生物对有机物质的分解产生的醛类和有机酸类物质也会影响种子萌发。通气不良，根系呼吸作用减弱，吸收水分和养分的能力降低，对钾的吸收影响最大，依次为钙、镁、氮、磷等。,土壤通气性与作物生长,（三）影响土壤养分状况,影响土壤氮素的转化和化学形态,有机物质分解与腐殖化速率变化 土壤空气中CO2浓度影响着碳酸盐的溶解度，影响Ca、Mg、P、K等养分的释放或溶解。,几种养分的氧化态和还原态,土壤通气性与作物生长,（四）影响作物抗性 土壤通气不良，土壤中产生的还原气体，如H2S等积累过多，会对作物其毒害作用。土壤溶液中H2S含量达到0.07ppm时，水稻就常表现枯黄，稻根发黑。土壤通气不良，使作物易于患病，其原因是O2不足，CO2过多，土壤酸度增加，适于致病的霉菌发育，同时，还由于作物生长不良，抗病力降低而易于感染病害。注意在野外区别生理病害和由土壤环境诱发的病害以及土壤缺素症状等问题发生。,土壤通气性调节,土壤通气性主要取决于通气孔度，对于一般旱作而言，土壤通气孔度不少于10%。土壤通气性调节措施分为两类：1、排除过多的土壤水分(soil drainage：排水措施：明沟排水(ditch drainage)和暗沟排水(tile drainage),土壤通气性调节,土壤通气性调节措施分为两类：2、土壤结构的改善与保护措施（见结构）对于旱地：中耕松土、深耙勤锄、破除地表板结对于水田：干耕、晒垡、搁田、烤田等 依据土壤选择作物：紫花苜蓿、果树、森林树木及其它深根性植物需要深厚的通气良好的土壤。禾本科牧草、杂三叶草及三叶草等浅根作物可以在心土通气不良条件下生长。,第五节 土壤热量(Soil heat),一、土壤热量的来源,（一）太阳的辐射能 垂直于太阳光下一平方厘米的黑体表面在一分钟内吸收的辐射能常数），称作太阳常数，一般为1.9k/cm2/min。,99的太阳能包含在0.3-4.0微米的波长内，这一范围的波长通常称为短波辐射。当太阳辐射通过大气层时，其热量一部分被大气吸收散射，一部分被云层和地面反射，土壤吸收其中的一少部分。,（二）生物热,据估算，含有机质4的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.281096.99109KJ，相当于2050吨无烟煤的热量。,（三）地球内热,由地球内部的岩浆传导至地表的热。但因地壳导热能力差，因此这部分热量占的比例小，但温泉附近，这一热源不可忽视。,二、土壤表面的辐射平衡及影响因素,(一)地面辐射平衡 太阳的辐射主要是短波辐射，太阳辐射透过大气层时，少部分直接到达地表的太阳能称为太阳直接辐射(I)。被大气散射和云层反射的太阳辐射能，通过多次的散射和反射，又将其中的一部分辐射到地球上，一般称为天空辐射能或大气辐射(H)。太阳直接辐射和大气辐射都是短波辐射。,I+H之和为投入地面的太阳总短波辐射，又称为环球辐射,（二）影响地面辐射平衡的因素,1、太阳的辐射强度,日照角越大，坡度越大，地面接受的太阳辐射越多。,在中纬度地区，南坡坡地每增加一度，约相当于纬度南移100公里所产生的影响。同样，在中纬度地区，南坡比北坡接受的辐射能多，土温也比北坡高。坡度越陡，坡向的温差越大。坡向的这种差异具有巨大的生态意义和农业意义。,2、地面的反射率,太阳的入射角越大，反射率越低，反之越大。土壤的颜色、粗糙程度、含水状况，植被及其他覆盖物等都影响反射率。,3、地面有效辐射,影响地面有效辐射的因子有：（1）云雾、水汽和风：它们能强烈吸收和反射地面发出的长波辐射，使大气逆辐射增大，因而使地面有效辐射减少；（2）海拔高度：空气密度、水汽、尘埃随海拔高度增加而减少，大气逆辐射相应减少，有效辐射增大；（3）地表特征：起伏、粗糙的地表比平滑表面辐射面大，有效辐射也大；（4）地面覆盖：导热性差的物体如秸杆、草皮、残枝落叶等覆盖地面时，可减少地面的有效辐射。,三、土壤的热量平衡,土壤热量收支平衡可用下式表示：S=Q P LE+R,S为土壤在单位时间内实际获得或失掉的热量；Q为辐射平衡；L为水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加;P为土壤与大气层之间的湍流交换量；R为土面与土壤下层之间的热交换量。,第五节 土壤热性质一、土壤热容量(soil heat capacity,soil thermal capacity)土壤热容量是指单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）1所需要（或放出的）热量。,二、土壤导热率导热性:土壤具有对所吸热量传导到邻近土层性质，称为导热性。导热性大小用导热率表示。导热率:heat conductivity,thermal conductivity 在单位厚度（1厘米）土层，温差为1时，每秒钟经单位断面（1厘米2）通过的热量焦耳数（）。其单位是J.cm-2.s-1.-1。,第五节 土壤热性质,当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领，导热率就小。当土壤湿润时，土粒间的孔隙被水分占领，导热率增大。,三、地形地貌和土壤性质对土温的影响1、海拔高度对土壤温度的影响 在山区随着高度的增加，土温还是比平地的土温低。2、坡向与坡度对土壤温度的影响 坡地接受的太阳辐射因坡向和坡度而不同；不同的坡向和坡度上，土壤蒸发强度不一样，土壤 水和植物覆盖度有差异，土温高低及变幅也就迥然不同。南坡的土壤温度和水分状况可以促进早发、早熟。,三、地形地貌和土壤性质对土温的影响3、土壤的组成和性质对土壤温度的影响 土壤颜色深的，吸收的辐射热量多，红色、黄色的次之，浅色的土壤吸收的辐射热量小而反射率较高。在极端情况下，土壤颜色的差异可以使不同土壤在同一时间的土表温度相差24，园艺栽培中或农作物的苗床中，有的在表面覆盖一层炉碴、草木灰或土杂肥等深色物质以提高土温。,土壤温度与肥力,种子发芽出苗要求适宜的土温条件。土温对作物根最生长的关系很密切。一般根系在24时开始微弱生长，10以上根生长比较活跃，土温超过：3035 时根系生长便受到阻碍。夏季土温过高，常使根系组织加速成熟，甚至发生“烧根”现象或幼茎“烧伤”现象。冬季土温过低易产生冻害，并影响作物根系对水肥的吸收。,土壤温度与肥力,适宜的土温能够促进作物的营养生长和生殖生长。各种作物营养生长最旺盛时期所要求的土温：小麦为1620，冬小麦为1216，玉米为2428，棉花为2535。大多数土壤微生物在1540范围内最活跃。土温过高或过低，其活动均受到抑制，并且影响土壤中有机质的矿质化和腐殖化过程。硝化细菌和氮化细菌在土温2830时最活跃。,四、土壤温度对植物生长的影响 1.影响植物根系的生长发育 2影响种子的发芽出苗 3影响的植物的营养生长与生殖生长 4对其他肥力因素影响，间接影响植物的生长 此外，土温影响土壤的化学、物理变化过程，影响有效养分的释放。,2土壤热量状况的调节 垄作 以水调温 覆盖是调节土壤温度最常用的手段之一。包括透明覆盖和非透明覆盖。如秸秆、化学覆盖剂等，此外还有铺砂盖草等，可以起到保墒增温的效果，塑料薄膜进行地表覆盖不仅有明显的增温作用，也有一定的保墒效果。设置风障 寒冷多风地区设置风障能降低风速，减少地面乱流和蒸发耗热的作用，可以有效地提高地温。,本章小结：一、概念 土壤呼吸 气体扩散 土壤通气性 土壤热容量 土壤导热率二问答题 1、土壤空气的组成有何缺特点?2、土壤通气 性对土壤肥力有何影响?3、如何调节土壤的通气性和热状况?,