《土壤水分》PPT课件.ppt

Chapter 3土壤水分（Soil Water，Soil Moisture）,土壤学与农作学,3.1 土壤水分类型3.1 The form and properties of soil moisture,土壤学与农作学,土壤学与农作学,自由水（free water）,束缚水（bonding water）,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,一、土壤水分类型,1、吸湿水（紧束缚水）hygroscopic/hydroscopic water,吸湿水：干燥土粒从大气和土壤空气中吸附的气态水分Water which is absorbed from atmospheric vapor and held tightly to the soil granule.,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（3.1106Pa）,特 点：密度大；冰点低；厚度小；不能自由移动；无效水,土壤学与农作学,2、膜状水（松束缚水）membrane/film water(loosely bonding water),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。,RA RB,膜状水运动方向,RA RB水运动停止,Water which is absorbed by the remanant molecular attraction when the hygroscopic water reach the maximum limit.,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：3.10.63MPa,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 capillary water,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。Water held in,or moving through,capillary interstices in soil。,土壤学与农作学,特 点：自由水（保存、运动、溶解养分）；有效水（available water）,水吸力：0.630.008MPa,作用力：土壤毛管孔隙（0.060.002mm）的毛管力 capillarity,表面张力,毛管半径,毛管力,土壤学与农作学,悬着毛管水hanging capillary water 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ascending capillary water 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 gravitational water,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。Soil water in excess of capillary and hygroscopic water and moves freely under the effect of gravity.It is found beyond 0.06 millimeters from the surface of soil particles.,作用力：重力,特 点：自由水；多余水；水田为有效水（available water）,水吸力：0.0080MPa,土壤学与农作学,土壤学与农作学,二、土壤水分常数(土壤水分数量指标)Soil water constant/quantitative description of soil water,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。Water quantitative content when certain form of soil water reaches its maximum limit.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（hygroscopic coefficient）：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（wilting coefficient）：植物产生永久凋萎（permanent wilting）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1.52.0倍,3.最大分子持水量（maximum molecular moisture holding capacity）：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24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（field capacity）：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(maximum capillary capacity)：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 Availability of soil water,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。,土壤学与农作学,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,土壤学与农作学,四、土壤含水量及其表示方法 Content of soil water and its description,土壤含水量：soil water content土壤湿度：soil humidity 土壤含水率：percentage of soil water,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：m（mass water content of soil）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（volumetric water content）：v 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（water thickness）：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）m r d,土壤学与农作学,4.土壤贮水量（soil water-storage capacity）：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（relative soil water content）：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/upland field soil）：,水田土壤（paddy/lowland field soil）：,土壤学与农作学,6.土壤水分饱和度（percent saturation of soil water）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105110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 measurement of soil water,土壤学与农作学,2.中子法（Neutron Probe）,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/FDR,FDR：Frequency Domain Reflectometry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:Time Domain Reflectometry,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m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：hwi22.4（mm）,30cm土层中需增加的水层厚度：hw（mm）=9%1.2300=32.4(mm),需增加的土壤质量含水量:m24%-15%9%,相对含水量为80时的土壤质量含水量：m230%80%=24%,解:降雨前土壤质量含水量：m1（）/24.010015%,相当的土壤贮水量：Vwi22.410=224(m3/ha),3.2 土壤水分能态3.2 Potential State of soil moisture,土壤学与农作学,一、土水势（s）及其分势soil water potential and its sub-potential,Reference state:pure free water,defined to be 0.A water molecule adsorbed in soil is less free to move than one without adhesion to a surface which is pure free water.So the soil water potential is equal to or less than 0.,土壤学与农作学,(二)soil water sub-potential,土壤学与农作学,1.基质势（m）Matric Potential,非饱和水土壤：m0 饱和水土壤：m0,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。,高于参照面：g0低于参照面：g0,2.重力势（g）Gravitational Potential,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。,Results from：Hydrostatic pressure（静水压）,饱和水土壤：p0不饱和水土壤：p0,2.压力势（p）Pressure Potential,土壤学与农作学,由土壤水中溶解的溶质而引起的势值。o0,Results from：solutes（inorganic salts and organic compounds）in soil solution The greater the concentration of solutes，the greater the osmotic potential(the more negative the potential）,3.溶质势/渗透势（o）Solute/Osmotic Potential,土壤学与农作学,渗透压（osmotic pressure）：cRT,渗透势（o）：o=cRT,土壤学与农作学,土壤学与农作学,SPAC,土壤学与农作学,总土水势 s=m+g+p+o,水力势（Hydraulic Potential）h=m+g+p,饱和土壤水时：s=g+p 非饱和土壤水时：s=m+g,二、土壤水吸力(S)soil water suction,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：,水分含量：高 低（同一土壤）,土壤学与农作学,mc=20%hc=-0.3MPa S=0.3MPa,ms=15%hs=-0.08MPa S=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,cmHg,1hPa100Pa，1kPa1000Pa，1MPa106Pa 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,Hydraulic Potential in a soil-water equilibrium：hA=hB=hC=hD=hE=hF=15cm,hB=mB+gB+pB=0+(10+5)+0=15 cm,Gravitational Potential：gA=5cm；gB=15cm；gC=30cm gD=45cm；gE=45cm；gF25cm,Pressure Potential：pA=10cm pB=pC=pD=pE=pF=0,Matric Potential：m=hgp,0 0-15-30-30-1010 0 0 0 0 0 5 15 30 45 45 2515 15 15 15 15 15,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。,Soil water characteristic curve is the curve which denotes the relationship between the soil water content and the soil moisture suction(soil water potential)in the process of water adsorption or drainage.,五、土壤水分特征曲线(Soil water characteristic curve),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（soil texture）,2.Affecting factors,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（soil structure）,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（soil temperature）,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,Soil water characterization,土壤学与农作学,压力薄膜法,s w mw+pw+gw=ms+ps+gs mw=0,pw=0,gw=gs ms+ps=0,ms=-ps=-p,Atmosphere(p),Soil s,Free water w,draining,High pressure atmosphere,多孔板,压力室,土壤学与农作学,水吸力与含水量的换算,4.Applying,Visser 经验公式：=a（f-）b/c 水吸力；f 孔隙度；容积含水量；a，b，c常数,加德尔 经验公式：=a-b,土壤学与农作学,土壤水吸力与当量孔径的关系,D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随土壤含水量增加而降低的速度较快；土壤脱湿(水)过程中，S随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(Hysteresis of soil water),土壤学与农作学,1.Saturation:The point at which all of the pores of the soil are full of water.2.Holding apacity:The ability of the soil to hold water against the pull of gravity.3.Field capacityThe amount of water left in the soil after the excess has drained away.4.Wilting point:The soil moisture content at which the plants lose turgor pressure and wilt.5.Permanent wilting point:The point at which the soil moisture content is so low that plants can no longer pull any water from it and they lose so much turgor pressure that they will not revive even if watered immediately.6.Available waterThe water in the soil which is available to plants.7.Hygroscopic water:Water which is held so tightly to the soil,by static electricity,that it can not be taken up by the plant.,土壤学与农作学,3.3土壤水分运动3.3 Moving of Soil Water,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(Saturated Soil Water Flow),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；H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(Saturated hydraulic conductivity),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*（unsaturted soil water flaw),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(unsaturated hydrolic conductivity),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(water potential gradient),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24左右。,土壤学与农作学,四、入渗、土壤水的再分布,土壤入渗（soil water infiltration)*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infiltration rate),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),最初入渗速率：Initial infiltration rate稳定入渗速率：stable infiltration rate,无论表土下是砂土层还是细土层，在不断入渗中最初能使上层土壤先积蓄水，以后才下渗。,土壤学与农作学,（二）土壤水的再分布(soil water redistribution),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。,土壤学与农作学,土壤学与农作学,五、田间土壤水分平衡Soil water balance,田间土壤水分平衡示意图，据此可列出其土壤水分平衡的数学表达式：W=P+I+U-E-T-R-In-D,田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散ET。(evapotranspiration)-一定时间内一定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和。,旱地土壤水分平衡 W=P+I-ET-D,1、土壤水的来源与消耗,土壤水的来源是大气降水、凝结水、地下水和人工灌溉。其中大气降水是主要的来源，凝结水在干旱地区以及粗质土壤上也有一定意义。而地下水和人工灌溉水，实际上主要也是从大气降水和部分地从凝结水转变而来。,大气降水除了植被（特别是林冠）截流和地面径流外，其余部分便进入土壤中成为土壤水。土壤水的消耗有以下途径：（1）向下渗漏、侧向径流和地下径流；（2）蒸发；（3）蒸腾。所以，土壤的含水量就是这些水分收入和支出的差额。,土壤学与农作学,2、土壤水分平衡,降雨P,径流R,下渗水D,上行水U,蒸散ET,灌溉I,截留蒸发In,W=P+I+U-ET-R-In-D,土壤学与农作学,3.土壤蒸发Soil Water evaporation,概念：土壤水汽进入大气的过程。当土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强称为潜在蒸发强度。(Soil potential evaporation),土壤蒸发：即单位时间内单位面积地面上所蒸发的水量。,土壤蒸发的形成及蒸发强度的大小主要取决于两方面：一是受辐射、气温、湿度和风速等气象因素的影响。二是受土壤含水率的大小和分布的影响。,土壤学与农作学,2、表土蒸发强度随含水率变化的阶段蒸发速率急剧降低，土壤向表土层供水不足,3、水汽扩散阶段土壤输水能力极弱，不能补充表土蒸发损失的水分，土壤表面形成干土层。在此阶段，蒸发面不是在地表，而是在土壤内部，蒸发强度的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制，并取决于干土层厚度，一般来说，其变化速率十分缓慢而且稳定。,土面蒸发过程区分为三个阶段。1、表土蒸发强度保持稳定的阶段 稳定蒸发阶段蒸发强度的大小主要由大气蒸发能力决定，可近似为水面蒸发强度E0。此阶段含水率的下限，一般认为该值相当于毛管水断裂量的含水率，或田间持水量的50-70%,土壤学与农作学,蒸发的三个阶段,表土蒸发强度保持稳定的阶段,表土蒸发强度随含水率变化的阶段,土壤学与农作学,土壤保墒措施在蒸发的第一阶段进行效果最佳；第二阶段次之。,土体内水汽扩散阶段,影响土壤水分状况的因素,土壤学与农作学,1.植被 蒸腾作用、植被组成和覆盖度对土壤水分影响较大。2.气候 降雨量和蒸发是重要因素。3.土壤物理性质 土壤质地、结构和有机质含量等因素的影响。4.地形 地形影响水分的再分配。5.水文地质 在不透水层接近地面、地下水位高的地方，支持毛管水上行活跃。6.人为的影响 如灌溉、排水以及耕作等土壤管理措施。,土壤学与农作学,土壤植物大气连续体(SPAC)(Soil-plant-atmosphere continuum),由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。,沙漠植物在-200-800万帕时仍能生存,