06 土壤水分.ppt

第1页：土壤水分的重要性

§1 土壤水分的重要性（土壤水＝土壤溶液）

• 1）供作物生长需要
• 2）影响养分的溶解和移动
• 3）影响土壤的氧化还原电位
• 4）影响有机质的分解与积累
• 5）影响土壤热量状况
• 6）影响土壤的耕性

第2页：土壤吸湿水

§2 土壤水分的类型和性质

土壤吸湿水

固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层。

第3页：土壤孔隙与水分分布示意图

本页为土壤孔隙与水分分布示意（Pore Spaces: location of air and water / Soil Particles: Mineral and Organic），示意图土粒表面的束缚水与孔隙中的空气、水分分布。

第4页：土粒表面水膜与孔隙示意图

本页示意土粒表面的水膜（Water on soil particle surface）与孔隙（Pore Space）中水分、空气的分布关系。

第5页：吸湿水的特点与最大吸湿量

吸湿水的特点

• 水分子呈定向紧密排列，密度1.2—2.4 g/cm³
• 无溶解能力，不能以液态水自由移动，也不能被植物吸收
• 吸湿水达到最大值时的土壤吸湿水量称为最大吸湿量

第6页：土壤膜状水

膜状水

吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态水，在吸湿水的外围形成一层水膜，这种水分称为膜状水。

最大分子持水量

膜状水达到最大厚度时的土壤含水量。

第7页：膜状水与孔隙水分布图

本页示意膜状水在土粒表面的分布（Water on soil particle surface）及其与孔隙（Pore Space）的关系。

第8页：膜状水的移动与凋萎系数

膜状水的有效性

• 膜状水能从膜厚的地方向薄的部位移动，这部分能移动的水可被作物吸收利用
• 作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久凋萎，此时的土壤含水量称为凋萎系数

第9页：土壤毛管水

毛管水

靠毛管力保持在土壤孔隙中的水分称为土壤毛管水。

• 特点：可在土壤毛管中上下左右移动，具有溶解养分的能力，作物可以吸收利用
• 数量主要取决于土壤质地、腐殖质含量和土壤结构状况

第10页：毛管水类型与田间持水量

3. 毛管水的类型与田间持水量

• 毛管支持水：与地下水有连接
• 毛管悬着水：与地下水无连接，其达到最大时的土壤含水量称为田间持水量

第11页：土壤重力水

重力水

土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能被毛管吸持，而在重力作用下沿大孔隙向下渗漏的多余的水。

全蓄水量（饱和持水量）

土壤所有孔隙都充满水分时的含水量。

第12页：土壤孔隙充满水示意图

本页示意土壤孔隙全部被水分充满的饱和状态（Pore Spaces are filled with water），即达到全蓄水量时的情形。

第13页：土壤质量含水量

§3 土壤水分含量的表示和测定方法

土壤质量含水量

土壤中保持的水分质量占土壤质量的分数，单位 g/kg（也曾用%表示）。

θm＝[(m1－m2)/m2]×1000

• θm：土壤质量含水量（g/kg）
• m1：湿土质量（g）
• m2：干土质量（g）

第14页：土壤容积含水量

土壤容积含水量

土壤水分容积与土壤容积之比，常用 θv 表示，单位为 cm³/cm³。

• θv（%）＝（土壤水分容积/土壤容积）×100
• θv（%）＝土壤质量含水量×容重/1000×100

第15页：土壤相对含水量

土壤相对含水量

生产实际中常以某一时刻土壤含水量占该土壤田间持水量的百分数，表示土壤水分的多少。

土壤相对含水量＝（土壤含水量/土壤田间持水量）×100%

第16页：水层厚度

水层厚度

指一定深度（mm）土层中水分总量相当于若干水层厚度（mm）。

水层厚度＝（土壤质量含水量×土壤容重×土层深度）/1000

第17页：土壤水分的测定方法

土壤水分测定方法

• 5. 烘干法
• 6. 水分张力计法
• 7. 中子法
• 8. 时域反射仪（TDR）法：time-domain-reflectometry

第18页：土水势的概念

§4 土壤水分能态

土水势（Ψ）

表示土壤水分在土—水平衡体系中所具有的能态，即将单位水量从一个土—水系统移到温度和气压完全相同的纯水池时所做的功。

土水势主要由以下几个分势组成：基质势（Ψm）、压力势（Ψp）、溶质势（Ψs）、重力势（Ψg）。

第19页：基质势

基质势（Ψm）

将单位水量从一个平衡的土—水体系统移到另一个没有土壤基质（纯水）、其他状态完全相同的水池时所做的功，即由吸附力和毛管力所制约的土水势。

基质势随土壤含水量的增加而增加，在非饱和含水量情况下为负值，饱和水时达最大，为0。

第20页：压力势

压力势（Ψp）

将单位水量从一个土—水体系移到另一个压力不同、而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功，即在土壤饱和水情况下由于受压力而产生的土水势变化。

不饱和水土壤条件下，土壤水的压力势一般与参比标准相同，等于0；压力势一般为正值。

第21页：溶质势

溶质势（Ψs）

将单位水量从一个平衡的土—水体系统中移到另一个没有溶质而其它状态均相同的水池时所做的功，即土壤水中溶解的溶质所引起的土水势变化。

土壤中溶解的溶质愈多，溶质势愈低；溶质势一般为负值。

第22页：

第23页：重力势与总水势

重力势（Ψg）

由于重力场位置不同于参比状态水平面而引起的势能变化。

总水势（Ψt）

Ψt＝Ψm＋Ψp＋Ψs＋Ψg

第24页：土壤水吸力

2. 土壤水吸力

土壤水吸力

土壤水承受一定吸力情况下所处的能态，指土壤水的负压力。

由于基质势和溶质势一般为负值，使用中不太方便，故将基质势和溶质势的相反数定义为吸力（S），称为基质吸力和溶质吸力；其值与基质势和溶质势相等，但符号相反。

第25页：土水势的定量表示方法

3. 土壤水能态定量表示方法

• 单位数量可以是单位质量、单位容积或单位重量
• 单位容积土壤水的势能值用压力单位：帕（Pa），也可用千帕（kPa）和兆帕（MPa），习惯上曾用巴（bar）和大气压（atm）表示
• 单位重量土壤水的势能值用相当于一定压力的水柱高厘米数表示

第26页：土水势单位换算与pF

土水势单位换算

由于土水势范围很宽（由零到上万个大气压），常用土水势水柱高度厘米数（负）的对数表示，称为 pF。例如土水势为－1000 厘米水柱，则 pF＝3。

第27页：土壤水分特征曲线

4. 土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线（土壤持水曲线）

指土壤水的基质势或土壤水吸力与含水量之间的关系曲线。

第28页：影响水分特征曲线的因素

影响土壤水分特征曲线的因素

• A 土壤质地
• B 土壤结构
• C 温度
• D 土壤中水分变化的过程（滞后现象）

第29页：土壤水分特征曲线示意图（一）

本页为土壤水分特征曲线示意图，展示土壤水吸力（或基质势）与含水量的关系曲线形态，具体坐标轴与曲线见图中标注。

第30页：土壤水分特征曲线示意图（二）

本页为土壤水分特征曲线示意图，用于比较不同质地土壤的持水特性与水分变化过程，曲线对比见图中标注。

第31页：水分特征曲线的用途

土壤水分特征曲线的用途

• A 可利用它进行土壤水吸力和含水率之间的换算
• B 可间接反映出土壤孔隙大小的分布
• C 可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性
• D 应用数学物理方法对土壤水运动定量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数

第32页：土壤水运动的类型

§5 土壤水运动

土壤中存在三种类型的水分运动：饱和水流、非饱和水流和水汽运动。

饱和流

土壤孔隙全部充满水时的水流，主要是重力水的运动，可分为垂直向下流、垂直向上流和水平流。

第33页：饱和流与达西定律

1. 饱和土壤中的水流

• 推动力：主要是重力势梯度和压力势梯度
• 服从达西定律：单位时间内通过单位面积土壤的水通量与土水势梯度成正比
• q 为土壤水流通量；ΔH 为总水势差；L 为水流路径的直线长度；K 为土壤饱和导水率

第34页：土壤饱和导水率

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。

第35页：非饱和土壤中的水流

2. 非饱和土壤中的水流

非饱和流（不饱和流）

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。

推动力主要是基质势梯度和重力势梯度，也可用达西定律描述。

第36页：非饱和导水率

式中 K（Ψm）为非饱和导水率。非饱和与饱和条件下土壤水流的数学表达式类似，区别在于：

• A 饱和条件下的总水势可用差分形式，非饱和条件下则用微分形式
• B 饱和条件下的土壤导水率（K）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的函数
• 土壤水吸力为零或接近于零时，饱和导水率最大

第37页：

第38页：土壤中的水汽运动

3. 土壤中的水汽运动

• 表现为水汽扩散和水汽凝结两种现象
• 水汽扩散的推动力是水汽压梯度，由土壤水势梯度或水吸力梯度和温度梯度引起
• 土壤水不断以水汽形式由表土向大气扩散而逸失的现象称为土面蒸发

第39页：水汽凝结的夜潮与冻后聚墒

水汽凝结的两种现象

• 一是「夜潮」现象
• 二是「冻后聚墒」现象

第40页：水分入渗过程

4. 入渗、土壤水的再分布和土面蒸发

入渗（渗吸、渗透）

水自土表垂直向下进入土壤的过程，也包括沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。

水进入土壤由两方面因素决定：一是供水速度；二是土壤的入渗能力。

第41页：入渗过程示意图

本页为水分入渗过程示意图，展示水自土表进入土壤后湿润层的推进与湿润锋位置，剖面形态见图中标注。

第42页：均质土壤入渗后的水分分布

本页示意入渗后水在均一质地土壤剖面上的分布情况，各层含水量与湿润深度见图中标注。

第43页：土壤水的再分布

（二）土壤水的再分布

在地面水层消失后，入渗过程终止。土内水分在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动；在土壤剖面深厚、没有地下水出现的情况下，这一过程称为土壤水的再分布。

第44页：再分布属于不饱和流

土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。

第45页：土面蒸发及其影响因素

（三）土面蒸发：即单位时间内单位面积地面上所蒸发的水量。

• 取决于气象因素：辐射、气温、湿度、风速
• 取决于土壤含水率的大小和分布
• 土面蒸发过程可区分为3个阶段

第46页：土面蒸发的三个阶段

土面蒸发的三个阶段

• 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
• 水汽扩散阶段

第47页：田间土壤水分平衡

5. 田间土壤水分平衡

ΔW ＝ P ＋ I ＋ U － E － T － R － In － D

第48页：田间土壤水分平衡示意图

本页为田间土壤水分平衡示意图，展示降水量、灌水量、蒸发蒸腾、径流与下渗等水分收支项，各分量流向见图中标注。

第49页：土壤水分状况与作物生产

§6 土壤水分状况与作物生产

需水临界期

某一生育期土壤缺水对作物产量影响最为严重，这一时期称为需水临界期。

• 有机养分的分解矿化离不开水分
• 施入的化学肥料只有在水中才能溶解
• 养分离子向根系表面迁移及根系吸收养分都必须通过水分介质实现