《精编》土壤水分实用培训教程

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1、 教学目标 一般了解土壤水的类型 形态和水进入土壤后所受到各种力的作用 及水在土壤中的变化过程 包括保持 运动及有效性 土壤水能态1弄清土壤水能态的含义 土水势及分势的物理意义及产生条件 影响因素及应用范围 2了解土水势与土壤水吸力的概念和主要区别 土壤水分特征曲线说明什么问题及影响因素 3熟悉测定水分能态的方法如张力计 中子仪的基础原理 安装 操作程序及所要注意的问题 第7章土壤水分 第7章土壤水分 教学目标 土壤水运动1掌握土壤液态水运动 主要受达西定律的支配 达西定律各参数表达的物理意义 应用范围及K值影响的因素 2着重掌握非饱和流在田间条件下的运动规律 了解土壤水入渗 再分布和渗漏过程

2、特点及影响因素 3掌握气态水运动 如蒸发 夜潮及冻后聚墒产生条件 蒸发损失过程以及如何控制水汽运动 尽力减少水分损失的有效措施 土壤水平衡及有效性1掌握土壤水平衡的表达式 各项所代表的含义以及影响一个地区土壤水分平衡的主要因素 2了解 土壤 植物 大气连续体 的统一体系的意义及其优势性 3了解土壤水分的有效性 有效水 最大有效水的含义及其影响因素 第7章土壤水分 7 1土壤水的类型及性质7 2土壤含水量的表示方法和土壤水分测定7 3土壤水的能态7 4土壤水分运动7 5土壤水分平衡7 6土壤水有效性 7 1土壤水的类型及性质 图7 1土壤水形态类型示意图 7 1土壤水的类型及性质 1吸湿水2膜状

3、水3毛管水4重力水 7 1土壤水的类型及性质 1吸湿水吸湿水是由土粒表面吸附力所保持的水分 其中最靠近土粒表面的由范德华力保持的水称为吸湿水 又称紧束缚水 土壤吸湿量 吸湿水的含量称为土壤吸湿量 影响因素 其大小主要决定于土壤的比表面积和大气的相对湿度 凡是影响比表面积的因素如质地 有机质含量 胶体的种类和数量 盐类组成等 均会影响土壤吸湿水的含量 土壤最大吸湿量或土壤吸湿系数 当大气相对湿度达到饱和时 土壤的吸湿水达到最大量 这时吸湿水占土壤干重的百分数称为土壤最大吸湿量或土壤吸湿系数 7 1土壤水的类型及性质 吸湿水和自由水的区别 1 土壤吸湿水的最内层有几十万到上百万千帕 其外层也有31

4、41 08kPa 具有固态水的性质 不能流动 要在105 110 高温下烘几个小时 使之汽化后才能从土壤中逐出 2 比重很大 约1 5g cm3 无溶解能力 冰点下降 78 并在干土吸湿时放热 3 因为它所受的吸力远大于植物根的吸水力 平均为1520kPa 植物无法吸收利用 属于土壤水中的无效水 对生产的直接意义不大 一般土壤中无效水总量约为最大吸湿量的1 5 2 0倍 图7 2不同相对湿度下土壤粒级的吸湿水量 7 1土壤水的类型及性质 7 1土壤水的类型及性质 2膜状水当土壤水分达到最大吸湿量时 土粒表面还有剩余的吸附力 虽不能再吸收水气 但可以吸附液态水 这部分水被吸附在吸湿水的外层 定向

5、排列为水膜 称为膜状水 最大分子持水量 膜状水达到最大时的土壤含水量特点 吸附力小得多 大约在633 28 3141 00kPa 它具有液态水的性质 可以移动 但因粘滞度较大 其移动速率非常慢 膜状水的内层所受吸力大于根的吸水力 植物根无法吸收利用 为无效水 而它的外层所受吸力小于根的吸水力 植物可以吸收利用 但数量极为有限 7 1土壤水的类型及性质 萎蔫系数或萎蔫点 当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量 称为萎蔫系数或萎蔫点 它因土壤质地 作物和气候等不同而不同 萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限 7 1土壤水的类型及性质 3毛管水当土壤含水量逐渐增大 超过最大分子持水量

6、的那部分水 在毛管力的作用下 保持在土壤的毛管孔隙中 不受重力作用的支配 这种靠毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水就称为毛管水 作用 毛管水是土壤中最宝贵的水 它不受重力支配而流失 所受力为8 11 633 28kPa 比植物根的吸水力小得多 是植物所需水分的主要给源 毛管水移动性大 能较迅速地运动 一般向消耗点移动 如向根系吸水点和表土蒸发面移动 它也是土壤养分的溶剂和输送者 7 1土壤水的类型及性质 毛管水的移动 受毛管力的制约 毛管水运动方向总是由毛管力小的地方向毛管力大的地方运动 一般认为孔径1 0 1mm毛管作用渐显 孔径0 1 0 05mm 毛管作用明显 孔径0 05 0 005mm毛

7、管作用最强烈 孔径 0 001mm 因孔径过细被水膜 堵死 毛管作用消失 根据毛管水在土体中的分布 又可将它分为毛管悬着水和毛管上升水 土 粒 毛管 悬着 水示 意图 7 1土壤水的类型及性质 毛管悬着水在地下水较深的情况下 降水或灌溉水等地面水进入土壤 借助毛管力保持在上层土壤毛管孔隙中的水分 田间持水量 土壤毛管悬着水达到最多时的含水量称为田间持水量 在数量上它包括吸湿水 膜状水和毛管悬着水 田间持水量的大小 主要受质地 有机质含量 结构 松紧状况等的影响 7 1土壤水的类型及性质 毛管水断裂量 当土壤含水量达到田间持水量时 土面蒸发和作物蒸腾损失的速率起初很快 而后逐渐变慢 当土壤含水量

8、降低到一定程度时 较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂 但细毛管中仍充满水 蒸发速率明显降低 此时土壤含水量称为毛管水断裂量 在壤质土壤中它大约相当于该土壤田间持水量的75 左右 土 粒 地下水位 毛管水上升高度毛管水强烈上升高度毛管水封闭层 毛管上升水示意图 7 1土壤水的类型及性质 毛管上升水指借助于毛管力由地下水上升进入上层土体的水 毛管持水量 毛管上升水的最大含量称为毛管持水量 毛管水上升高度 从地下水面到毛管上升水所能到达的绝对高度叫毛管水上升高度 毛管水封闭层 靠近地下水面处土壤孔隙几乎全部充水 称为毛管水封闭层 毛管水强烈上升高度 从封闭层至某一高度处 毛管上升水上升快 含水量高

9、称为毛管水强烈上升高度 毛管水上升的高度和速度与土壤孔隙的粗细有关 毛管水上升高度和强烈上升高度 因质地不同而异 一般的趋势是砂土最低 壤土最高 粘土居中 7 1土壤水的类型及性质 图7 4不同质地土壤自地下水位向上的水分运动 7 1土壤水的类型及性质 临界深度 是指含盐地下水能够上升到达根系活动层并开始危害作物时的埋藏深度 即由地下水面至地表的垂直距离 临界深度 米 毛管水强烈上升高度 安全系数一般土壤的临界深度约为1 5 2 5m 砂土最小 壤土最大 粘土居中 安全系数30 50cm 7 1土壤水的类型及性质 4重力水不被土壤保持而受重力支配向下流动的水 称为重力水 饱和持水量 土壤全部孔

10、隙都充满水时的土壤含水量称为全持水量或饱和持水量 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 土壤水分含量的表示方法又称土壤含水量 土壤含水率 土壤湿度 1质量含水量又称重量含水量2容积含水量又称容积湿度 土壤水的容积分数 V m 3相对含水量4土壤水贮量水深DW V h绝对水体积 容量 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 mm 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 图5 2中子仪工作原理示意图 土壤水分含量的测定1烘干法经典烘干法快速烘干法2中子法 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 3电容法4TDR法 TimeDomainReflectometry 图5 3TDR测定原理示意图 7

11、2含水量的表示方法和土壤水分的测定 TDR 红外水分测定仪和中子仪 土壤墒情和田间验墒 一 墒情的种类汪水 饱和 积水 黑墒 75 田持 黄墒 50 75 田持 潮干土或灰墒 50 田持 干土 萎焉系数以下 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 7 2含水量的表示方法和土壤水分的测定 二 墒情的层次性1表墒 0 20cm 2底墒 20 50cm 3深墒 50 100cm 三 田间验墒应考虑的主要内容1干土层厚度和整地质量2表 底和深墒的含水量及其相互补给作用和对作物的有效性3作物生长情况4近期天气变化情况 7 3土壤水的能态 土壤A砂土10 土壤B粘土

12、15 水流向何方 7 3土壤水的能态 土壤水的保持力保持土壤水的力主要包括两种 一种是土粒和水界面上的吸附力 范德华力和极性引力 另一种是在土壤孔隙中 土壤固体表面 水和空气界面上的毛管力 20世纪初白金汉 E Buckimgham 1907 提出用能态的方法来研究土壤水的问题 土壤水能态 主要是指土壤水在受各种力的作用后其自由能的变化 用来表示土壤水能态的主要方法有土水势和土壤水吸力 7 3土壤水的能态 土水势及其分势土水势 为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高度的纯水水体中移动无穷小量的水到土壤水分中去 每单位数量的纯水所需作功的数量 7 3土壤水的能态 用土水势研究土壤水有许多优点

13、首先可以作为判断各种土壤水能态的统一标准和尺度 其次水势的数值可以在土壤 植物 大气之间统一使用 把土水势 根水势 叶水势等统一比较 判断它们之间的水流方向 速度和土壤水有效性 三是对土水势的研究能提供一些更为精确的测定手段 7 3土壤水的能态 分势 1基质势 m 由吸附力和毛管力制约的土水势称为基质势 m 土壤含水量愈低 基质势也就愈低 反之 土壤含水量愈高 基质势愈高 至土壤水达到饱和时 基质势增到最大值 同参比标准相等 即等于零 2压力势 p 指在土壤水饱和的情况下 由于受静水压力作用而产生土水势变化 在非饱和土壤中的土壤水的压力势一般与参比标准自由水面相同 即等于零 7 3土壤水的能态

14、 3溶质势 S 溶质势是指由溶解于土壤水的溶质引起土水势的变化 也称渗透势 一般为负值 土壤水中溶解的溶质愈多 溶质势愈低 溶质势只有在土壤水运动或传输过程中存在半透膜时才起作用 在一般土壤中不存在半透膜 所以溶质势对土壤水运动影响不大 图5 4渗透作用和渗透压示意图 7 3土壤水的能态 7 3土壤水的能态 4重力势 g 重力势是指由重力作用而引起的土水势变化 5总水势 t t m p s g 7 3土壤水的能态 土壤水吸力土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态 简称吸力 但并不是指土壤对水的吸力 上面讨论的基质势 m和溶质势 s一般为负值 在使用中不太方便 所以将 m和 s的相

15、反数 正数 定义为吸力 S 也可分别称之为基质吸力和溶质吸力 由于在土壤水的保持和运动中 不考虑 s 所以一般谈及的吸力是指基质吸力 其值与 m相等 但符号相反 7 3土壤水的能态 土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线 土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的 其关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线 土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系 图7 5土壤水分特征曲线示意图 7 3土壤水的能态 图5 8不同土壤的水分特征曲线 7 3土壤水的能态 010203040506070 土 壤 水 吸 力 黏土 壤土 砂土 土壤含水量 土壤水分特征曲线的影响因素 质地 结构 温度 图7

16、6土壤水分曲线的滞后现象 土壤水分曲线的滞后现象 对于同一土壤 即使在恒温条件下 由土壤脱湿 由湿变干 过程和土壤吸湿 由干变湿 过程测得的水分特征曲线也是不同的 7 3土壤水的能态 土壤水分曲线的应用1可利用它进行土壤水吸力S和含水率 之间的换算 2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 3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 4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 7 3土壤水的能态 土壤水能态的定量表示和测定方法土壤水能态的定量表示方法土水势的定量表示是以单位数量土壤水的势能值为准 单位数量可以是单位质量 单位容积或单位重量 最常用的是单位容积和单位重量 单位容积土壤水的势能值用压力单位 标准单位帕 Pa 也可用千帕 KPa 和兆帕 MPa 习惯上也曾用巴 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 7 3土壤水的能态 它们之间的换算关系是 1Pa 0 0102厘米水柱1atm 1033厘米水柱 1 0133bar1bar 0 9896atm 1020厘米