第四章 水分环境及调控,杨再强 南京信息工程大学 yzq@,主要内容,水分性质及类型 土壤水分运动 水分平衡 温室水分调节,,,1)表面张力：由物态内部的引力促使液体表面收缩的力影响因子： A.温度：温度越高，液体的表面张力越小 B.液体的纯度：水中溶入酸、酯等物时，其表面张力（系数）相对纯水会减小，并随溶液浓度增加而渐小（20℃下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从72.75× 10-3N／m，减至40×10-3N／m）1. 水的物理性质,第一节 土壤水分类型,在20ºC时，几种液体的表面张力,2)弯曲液面下的附加压强 自然界中的静止的液面，有平面、凹面和凸面有许多情况下液面是弯曲的，如水滴、肥皂泡弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强 在凸面情况下，附加压强是正的，在凹面情况下，附加压强是负的附加压强与曲面的曲率半径有关： P=2/R :表面张力系数； R:球形液面的半径 常温下水的表面张力系数 = 7310-3 Nm-1,3).浸润现象 在液面与固体的接触处，分别作液体表面和固体表面的切面，这两个切面在液体内部的夹角，称为液体与固体的接触角。
接触角为锐角时，表示液体润湿固体，如图(a)所示若接触角等于零，就称液体完全润湿固体 当接触角为钝角时，表示液体不润湿固体，如图(b)所示 若接触角等于，就称液体完全不润湿固体将毛细管插入液体内，管内外液面会产生高度差如果 液体能浸润管壁，管内液面升高；如果液体不能浸润管壁，管内液面反较管外低，这一现象叫毛细现象毛细管内液体上升高度与毛细管管径的关系： h:毛细管内液体上升的高度. :表面张力系数. r:毛细管管半径. :液体密度. :接触角.,4).毛细现象,5) 液体的粘滞性 在运动状态下，液体具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性液体的粘滞性使液体内部出现成对的切力： F=du/dy F:内摩擦力，:比例系数，称为液体的粘度, :接触面积，du/dy：流速梯度，是液体粘滞性的度量，其值越大，粘滞作用越强的影响因子主要是温度.,2. 土壤水的类型,吸湿水 膜状水 毛管水 重力水,,,,,,,,,,1,1,1,,,,5,,,,,,4,3,2,注：1.土粒 2.吸湿水 3. 膜状水 4.毛管水 5.空气孔隙,2,3,4,吸湿水(紧束缚水)：干燥土壤在空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子层或多分子层，称为吸湿水。
分子引力,静电引力).特点： 紧靠土粒，引力大，水分子呈紧密定向排列 不同于常态水，无溶解溶质的能力，不能以液态水移动,只能靠气体扩散方式运动.,(1)吸湿水,,土壤质地与吸湿量的关系,吸湿量：吸湿水含量占干土重的分数（g.kg-1） 最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量2)膜状水,定义：土粒吸附气态水饱和后，其表面与液态水相接触，此时土粒还有剩余分子引力吸附液态水，这种水分称为膜状水(松束缚水). 特点： 存在于吸湿水层以外,引力（分子引力）较小，分子定向排列差，较松弛 可从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢. 作物在干旱条件下可利用部分，但补给困难，仍使作物受旱害膜 状 水 示 意 图,,当膜状水达到最大厚度时的土壤含水量称为最大分子持水量3)毛管水,定义：当土壤含水量超过膜状水最大量后，其吸引力小于0.625兆帕，可形成移动性较大的自由水存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水 特点： 毛管水所受引力（毛管引力）在0.625-0.01兆帕范围内，它比一般植物根系渗透压要小得多，因此，植物易于吸收利用 它既可保持在毛管孔隙中，又可在土中各个方向上运动。
运动速度快，对作物吸水与补给有利 它不但溶有各种养分，而且能使养分输送到植物根系附近水沿 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,根据毛管水分为毛管悬着水和毛管上升水 毛管悬着水：借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分 毛管上升水：地下水随毛管孔隙上升而被毛管力保持在土壤中的水份土 粒,毛管 悬着 水示 意图,,田间持水量 毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的最高指标 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4）重力水,定义：土壤含水量达到田间持水量之后，过量的水分不能为土壤毛管引力所保持，受重力支配，沿着土中大孔隙向下迅速移动，此种水分称为重力水 其性质与常态水相同，引力接近零，易被植物吸收利用通常因水分饱和，空气不足产生渍害，只有在水稻田中可以利用土壤水分有效性综合示意图,一、土壤含水量的表示方法,,1.质量含水量（m）,2.容积含水量（ v） V=m·,,3.相对含水量（%）,第二节. 土壤含水量表示及测定方法,二、测定方法 1.烘干法,又称重量测定法 m=mw/ms mw=m - ms 此方法的优点：简单、直观 缺点：代表性差 干扰田间土壤水的连续性,2.中子法,（1）原理：将（镅—铍）中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。
土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢中子云密度就越大 （2）优点：可反复测定而不破坏土壤，受温度的影响小 （3）缺点：价格昂贵，空间分辨率低，不能测定表层土壤的含水量，中子和射线对人体健康有影响中子土壤水分仪,3.射线法,(1)原理：与中子仪类似，γ射线透射法利用放射源137Cs放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到，放射性同位素放射的射线穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高 (2)优点：空间分辨率高，可测定表层土壤含水量，并可在瞬时状态下较准确地测定土壤含水量. (3)缺点：两个平行测孔的间距很难严格控制，比起中子仪来， 射线仪对人体健康的危害更大4.TDR法,(1)时域反射法原理：即TDR（Time Domain Reflectometry）法，它是依据电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率 (2)优点：简单易行，直接可读出测定值 (3)缺点：仪器昂贵，分辨率低， 只能测定整个剖面土壤含水量 的平均值一) 土水势及其分势,土壤 A 砂土 10%,土壤 B 粘土 15%,,标注土水势的优点,三. 土壤水的能态,1. 重力势g (gravitational potential) 重力势（g）是指由重力作用而引起的土水势变化。
任何时候重力势都存在高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0. g=g×h g---重力加速度 h----土壤水高于参照水位的高度2.基质势（matric potential)m 基质势m(或水势头h)：是由于土壤基质的毛管作用和吸附作用引起的 基质势在任何情况下都小于或等于零吸附水,,毛管水,3.压力势p(Pressure potential) 压力势p(或水势头) ：当土壤处在地下水自由水面以下或土壤表面长期积水情况下，土壤水具有压力势压力势由土壤水静水压力所产生的 p=wghV 压力势在任何情况下都大于或等于零该值很小，可忽略不计）4.溶质势s(或渗透势) (Osmotic potential) 溶质势s是土壤中所有溶质对土水势综合影响的结果 s=-MRT M---溶液浓度；R---气体常数；T---绝对温度 如果以纯自由水的溶质势为0，则在其他相同条件下含有溶质的土壤水的溶质势为负数 必须强调的是，溶质势只有在半透膜存在情况下才起作用在不存在半透膜的情况下，溶质势为01.概念 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。
将基质势和溶质势的相反数定义为吸力S，分别称为基质吸力和溶质吸力二) 土壤水吸力,2. pF值 当土壤基质势用cm水柱表示(h)时，由于其值变化幅度太大，使用起来不方便，因而用pF值作为水势头的一种表示方法 pF=lg(-h) 如：h=-1000cm，则pF=3.,风干状态,,接近萎焉点,接近田间持水,接近饱和,PF,0.0,2.0,4.2,6.0,含水率,10%,10-30%,30-60%,60%,(三)土水势的定量表示方法,单位质量土壤水分势能，表示符号为T,单位为J /kg,称为化学势. 单位容积土壤水分势能，表示符号为T,单位为牛顿/米2,称为土壤水势. 单位重量土壤水分势能，表示符号为hT,单位为米,称为水势头四.土壤水分特征曲线,1. 定义：土壤含水量和土壤基质势或土壤基质吸力之间的关系称为土壤的特征曲线 土 壤水分特征曲线实际上反映了土壤水和土壤固体的相互作用关系2.水分特征曲线的用途：,（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1）质地：对于同一吸力而言，粘土的含水量最大，壤土居中，砂土最小 （2）结构：土壤压实后，孔隙度减少，特别是土壤团粒之间的大孔隙大为减少，因而饱和含水量明显降低 （3）温度：表现在对粘滞性和表面张力的影响 （4）滞后作用：土壤吸湿过程和脱湿过程中测得的土壤水分特征曲线是不同的，这种现象称为土壤水分特征曲线的滞后现象3.影响土壤水分特征曲线的因素,,,,,,0 10 20 30 40 50 60 70,,土 壤 水 吸 力,黏土,壤土,砂土,土壤含水量%,产生滞后现象的原因,土壤的几何形状： 在同样持水情况下，脱湿过程的吸力大于吸湿过程的吸力，这种现象称为“瓶颈效应” 土壤水和土壤固体的接触角不同 滞后现象对土壤的保水有利五. 土壤水流,(一) 土壤水汽运动,水汽总是从水汽压高处向低处移动, 从温度高处移向温度低处1“夜潮”现象：多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”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。
二)、液态水的运动,（1）土壤中所有孔隙充满水的原因： A.排水不良的土壤底层; B.质地粘、渗水率低、易产生滞水层; C.地表因降水强度大于土壤入渗率，短时间发生地表积水; D.地下水面以下的土层1、饱和流 (Saturated Soil Water Flow),(2)达西定律 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：单位时间内通过单位面积土壤的水量（q)与土水势梯度成正比Ks:饱和导水率（cm/h）,ΔH:土柱和水柱高度和，L：土柱高,,,,L,饱和导水率：土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度饱和导水率的特点：,(3)饱和流导水率,① 饱和导水率是常数 ② 是土壤导水率的最大值 ③ 主要取决于土壤的质地和结构 沙质土 壤质土 粘质土,影响饱和导水率的因素： 质地：水通量与孔隙半径4次方呈正比 结构：土壤结皮对土壤饱和导水率有显著的影响 有机质含量 粘土矿物种类2.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。