第四章 土壤水分ppt课件

土壤水分,soilwater,.,2,水：自然界最奇异的物质水：液态金子,水对人类本身的重要性：例：人的身体一年大约需要一吨水来维持健康和生命。水是农业之本：每生产一吨粮食约需1000吨水，近年来世界粮食产量下降，干旱和水源不足是其中的重要原因之一民以食为天民以水为天,地球上水分贮量及其严峻性,地球上的总水量“缸”，淡水“瓢”，可利用水“勺”地球上的淡水总贮量约为0.39亿km3，淡水占全球水量的0.014%。其中被冰雪封存和埋藏在地壳深层的水有0.349亿km3可供人类生活和生产的循环水总贮量只有0.041亿km3，仅占总淡水量的10.5%。在0.041亿km3的淡水中，除循环地下水（占95.12%)和湖泊水(占2.95%)超过土壤水(1.59%)外，土壤贮水量明显大于江河水(0.03%)和大气水(0.34%)的贮量。,.,5,联合国粮农组织1995年指出，到2000年全球各大洲人均占有水资源最少的是亚洲，只有3300m3。我国水资源总量丰富，为2.8万亿m3，居世界第6位。但因人口过多，人均占有量只有2300m3（1998年10月24日的结束的21世纪城市水资源国际学术研讨会：中国年人均用水量为2200m3），在世界上排名121位，是全世界人口平均用水量的1/4；联合国根据此资料，将我国列为全球13个缺水的国家之一。我省黄淮海地区：平均用水量是全国用水量的1/3则是世界平均用水量的1/12,Theworldisthirstyforfreshwater.,植物营养在土壤中的转化、迁移及功能的发挥离不开水分。,第一节土壤水分的形态、数量和能态Theforms,amountandpotentialofsoilwater一、土壤水分的形态根据水分所处的状态、所受力的种类及势值大小进行分类。可分三种：吸附水，毛管水，重力水。(一)吸附水（adsorbedmoisture）1、定义：受土粒吸附力作用而保持在土粒表面的水分。2、吸附力范围：6.25105108pa(6.25104bar)3、吸附水分：吸湿水和膜状水。,4、吸湿水（hygroscopicwater）干燥土粒藉其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸收一些水汽分子附着在土粒表面，这部分水分称吸力范围：31105109pa特点：对植物无效；密度大，甚至不导电。受到土粒的吸力大，水分子呈定向紧密排列，密度1.2-2.4g/cm3，平均为1.5g/cm3，无溶解能力，不能以液态水自由移动，也不能被植物吸收，为无效水。,.,10,土壤吸湿水含量的高低主要取决于土粒的比表面积和大气的相对湿度；土壤质地愈粘重和有机质含量愈高，其比表面积愈大，吸湿水含量愈高；大气相对湿度愈大，吸湿水含量愈高，当空气相对湿度为94-98%时，吸湿水达到最大值，此时的土壤吸湿水量就叫最大吸湿水量。,表土壤质地与土壤吸湿水和最大吸湿量,5、膜状水（membranouswater）在吸湿水层外，土粒剩余力场还可吸附一部分液态水形成连续水膜，称吸力范围：311056.25105pa特点（1）对植物部分有效：6.25-15巴有效，大于15巴无效；（2）水分移动性仍差：供水能力差，作物易受旱；（3）影响因素：质地愈粘，有机质含量愈高，盐分含量愈少，则膜状水含量愈高。6、凋萎系数（wiltingcoefficient）当土壤水吸力大于等于15巴，作物根系难于从土壤中吸水而发生永久性萎焉时的土壤含水量。是土壤有效水下限。凋萎系数主要与质地，植物种类有关。（见下表）,不同质地土壤的凋萎系数,（二）毛管水（capillarywater）1、定义：土壤毛管孔隙中由毛管引力而保持的水分。2、作用力：0.151056.25105pa(6.25-0.1bar)3、特点：移动速度大，1030mm/hr，补水迅速。全为有效水，易被作物吸收。4、毛管水含量的影响因素：（1）质地：砂壤，轻壤含量多，毛管水多；（2）结构：团粒结构多，保水性高；（3）地下水位：地下水位高，则毛管水含量越高；（4）腐殖质含量：含量愈高，则毛管水含量愈高。,5、毛管上升水和毛管悬着水（capillaryrisingwaterandcapillaryhangingwater）（1）毛管悬着水定义：地形部位高，地下水位深的地方，灌水或降水后，借着毛管引力而保持在上层土壤中的水分。特点：与对下水位一般无关。这些土壤称旱地或雨养农业。,旱作农业（uplandfarming）雨养农业（rainfedagriculture）采取各种措施增加土壤入渗，并通过耕作，熟化，增强土壤水库功能，使入渗水分更多地保存于土壤，避免径流和淋失的发生，保持较多水分，满足作物生长需要。,田间持水量（fieldmoisturecapacity)：土壤毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量。是自然状况下土壤所能保持水分的最大数量。是农田灌水的上限。田间持水量的作用：（1）是旱地作物灌溉水含量的上限：灌水定额=田间持水量土壤含水量（2）计算：土壤中最大有效水分含量田间持水量凋萎系数,（2）毛管支持水（毛管上升水）指地下水层籍毛管力支持上升进入并保持在土壤中的水分。影响因素：地下水位的高低：地下水位上升，则毛管支持水上升；土壤质地：砂土最低，粘土居中，壤土最高。毛管持水量：当毛管支持水达到最大时土壤的含水量，它实质上是吸湿水、膜状水和毛管上升水的总和。,rainfedfarming,uplandsoil,undergroundwatertable,irrigationfarming,当地下水位适当时，毛管支持水可达到植物根系，是作物所需水分的重要来源之一；当地下水位很深时，毛管支持水达不到根系，不能发挥补水作用；若地下水位过浅，易发生渍害，可能引起土壤盐渍化,（三）自由水（freewater）1、定义：当土壤含水量达田间持水量以后，多余的水分称为自由水。土壤重力水(gravitationalwater)：大孔隙中受重力作用向下渗漏的水分。是地下水的主要来源。当重力水达到饱和，即土壤所有孔隙都充满水分时的含水量称为土壤全蓄水量或饱和持水量。特点：可被作物吸收，由于下渗作用，多为无效，但在水田例外。在旱地，重力水下渗入下层土壤，转变为毛管水，供深层根系吸收。,二、土壤水分的数量表示amountexpressionofsoilwater(一)土壤含水量（soilwatercontent,%）1、质量含水量：土壤中水分的重量与土壤干重的百分比值，单位：g/kg（也曾用百分率表示）。土壤水分重量W，%=100土壤干重注意应用干土重为基数进行计算。测定方法：烘干法2、容积含水量(volumetricwatercontent)：土壤中水分的容积与土壤总容积的百分比值。土壤水分容积W，%=100=重量含水量土壤容重土壤容积,利用土壤容积含水量可以反映土壤水分在土壤孔隙容积含水量的比例，或水、气容积的比例。W，%=重量含水量土壤容重如土壤质量含水量为200gkg-1，容重为1.2gcm-3，则土壤的容积含水率为24%。若知土壤的总孔隙度，则通过总孔隙度减去容积含水率，则得空气所占的容积，这样土壤的固气液三相比可以求得,3、相对含水量（relativehumidity,%）：某一时刻土壤含水量占该土壤田间持水量的百分数来表示土壤水分的多少。土壤含水量RH,%=100田间持水量相对含水量可以衡量各种土壤持水性能，能更好地反映土壤水分的有效性和土壤水气状况，是评价不同土壤供给作物水分的统一尺度。通常旱地作物生长适宜的相对含水量是田间持水量的7080，而成熟期则宜保持在60左右。,（二）土壤水层厚度：指一定深度(mm)土层中的水分总量相当于若干水层厚度(mm)。它便于将土壤含水量与降雨量、蒸发散失量和作物耗水量等相比较，以便确定灌溉定额。土壤面积厚度容重重量含水量%水层厚度=土壤面积=厚度容重重量含水量%10。,二、土壤水分的能态(potentialofsoilwater)(一)土水势(soilwaterpotential)w1、定义：土壤水与同样条件下纯自由水自由能的差值。纯自由水能态最高，为0，土壤水由于受各种力的作用，能态降低，为负值。为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高度的纯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。土壤中水分的有效性以及运动的方向受水分的能态支配，与水分含量无关。,2、水分运动方向：高势区向低势区运动。土水势是判断土壤水分运动方向和有效性的唯一可靠指标。3、土水势的分势土水势是土壤中各种力共同作用的结果，各种力所产生的势能、具可加和性，彼此独立，故土水势可以分为以下分势。w=g+p+m+s土水势=基质势+压力势+溶质势+重力势,水往低处流,人往高处走,（1）基质势matricpotentialm土壤水分不饱和时，水分受土壤吸附力和毛管引力作用而产生的势能值，为负值；而饱和的土壤水不受基质吸持，其基质势为0。（2）重力势gravitationalpotentialg土壤水受重力作用而产生的势能。参照面以上为正，以下为负。g=gh:：水密度；g：重力常数；h：高度,（3）压力势pressurepotentialp指将单位水量从一个土水体系移动另外一个压力不同，而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功，参比系统一般设定为当地的大气压，故土壤水的压力势以其受到的压力与大气压力之差计算。不饱和土壤中，其孔隙与大气相通，水受到的压力同大气压相等，其压力势为0；饱和土壤中，水柱产生的压力高于参比大气压，故地下水位以下的土壤水压力势为正值，p=-gh,（4）渗透势(溶质势osmaticpotentials由于水中的溶质所引起的势能（渗透压），对于具有一定盐分浓度的土壤，溶质分子对水分的吸持，需要环境对它做功，故为负值。若土壤水不含溶质，为0。在土壤中溶质随水流动，渗透势不起什么作用，但在又半透膜（如根系）时或有蒸发面时，应该考虑。,（二）土壤水分能态观点的应用意义1、反映土壤水分能态水平，与水分数量指标结合，可使不同土壤的水分有效性在同一尺度上进行比较。土壤凋萎系数%能态（巴）当土壤含水%时能态（巴）有效性方向粉砂土6.6-1510-0.5有效粉粘土17.4-1515-18无效2、判断土壤水分运动的方向3、可使土壤、植株、大气之间的水分运动在同一的能态尺度上进行系统研究。总的原则：水分从高势区向低势区流动。SPAC-soil,plant,atmospherecontinum(chain)土壤植株大气连续体中，一般土壤水分-0.3-15巴植株-20巴左右大气-300巴左右,4、在研究手段上提供了更精确、更科学、更有效的方法和技术。易于用数学模拟以及仪器定量反映土壤水分状况变化，为今后农业生产科学化、机械化、自动化开辟了广阔的前景。如农田水分自动动态监测和自动化灌溉。,（三）土壤水吸力（soilwatersuction）1、定义：指土壤水承受一定吸力情况下所处的能态。是土壤水能态的又一表达方式。2、需要说明的是：（1）不是指土壤对水的吸引力，而是能态。（2）意义与土水势相同，但符号相反。S=w（3）土壤水吸力通常在不饱和土壤中存在，主要包括基质吸力和渗透吸力两部分。（4）水流方向是从低吸力区向高吸力区流动。在应用上，土壤水吸力更方便一些。,三、土壤水分测定方法Measurementofsoilmoisture1、取土烘干法（经典方法）田间用土钻取土，室内烘箱内105110度烘68小时至衡重。测出含水量。2、酒精燃烧法3、中子仪法4、电阻块法5、负压计法（张力计法）6、压力膜法7、时域反射仪法（TDR，timedimensionreflection）,四、土壤水分数量与能态间的关系土壤水分特征曲线soilwatercharacteristiccurve(一)定义：土壤水分数量指标与能态指标间所作的关系曲线。也称持水曲线（soilwaterretentioncurve）。,w,%,S,bar,（二）土壤水分特征曲线的用途（意义）1、进行土壤水分数量和能态间的互算。W=aS-b2、研究土壤水储量与水分的有效性。土壤有效水贮量=0.3巴时含水量-15巴时含水量。土壤有效水含量=土壤含水量-15巴时含水量。3、利于说明不同质地土壤水分特性的差异。土壤15巴时%0.3巴时%有效贮量%砂土4106壤土102717粘土173518所以，9%含水量时，壤土和粘土都干旱，砂土正常；15%含水量时，壤土正常，粘土干旱，砂土渍水；30%含水量时，粘土正常，壤土、砂土过饱和而渍水。,sandysoil,loamysoil,clayeysoil,w,%,S,bar,waterretentioncurvesofdifferenttexturesoils,丨,同一含水量的能态（水吸力），粘土壤土砂土；土水势：砂土壤土粘土。同一能态的含水量：粘土壤土砂土。,4、了解土壤当量孔径的分布情况。D=3/T=3/S.S0=0cmH2O,=74%S1=5cm,1=60%S2=10cm.2=37%0-1=14%,是从大于D1=3/5=0.6mm的孔隙中流出的。2-1=23%，是从0.60.3mm孔隙中流出的。,五、土壤水分状况与作用生长（一）、作物对水分的需求1、水分是作物的重要组成部分一般作物体内含水约6080，蔬菜瓜果的含水量高达90以上；光合作用，光合产物的运移需要水分的参与新陈代谢；叶面蒸腾散热，维持体温等2、土壤水分是影响作用出苗率的重要因素,3、作物不同生育期对土壤水分的要求不同总体来说，苗期需水较少，随生长发育需水量加大，成熟期减少。需水临界期：若某一生育期土壤缺水，对作物产量影响最为严重的时期。麦类：抽穗期灌浆期；玉米：抽雄期；高梁：花序形成至灌浆期；棉花：花铃期豆类、花生：开花期；水稻：孕穗期抽穗期；马铃薯：开花至块茎形成期；向日葵：花盘形成到开花期,（二）、土壤水分影响作物对养分的吸收1、有机养分的分解矿化；2、化学肥料的溶解；3、养分离子的迁移；4、作物根系对养分的吸收,第二节土壤水分的运动和田间循环Transportationandcirculationofwaterinsoil一、液态水的运动是土壤水运动的主要形式。包括饱和流和不饱和流，共同点：符合达西定律（Darcyslaw）,即在水势梯度方向上，单位时间内通过单位横截面积的水量。水流驱动力：土水势梯度水流运动方向：高势区向低势区运动，即又低吸力区向高吸力区运动。达西公式：Q=-Kd/dx=q/T.Sd/dx:waterpotentialgradientK:conductivityofsoilwater“-”showsthedirectionofwaterflow.,(一)饱和流(saturatedflow)定义：所有孔隙都充满水时所发生的水流。驱动力：重力势+压力势（g+p）K(s)饱和导水率，对某种土壤来说，是一个常数(constant)，主要取决于土壤导水的难易。涉及土壤质地、结构性、孔隙数量与质量、松紧度、裂隙等。其次是水分自身的性质：如粘滞性、密度等（随温度变化）。水流方向：高势区向低势区运动。三种饱和流。wat7-1.tif,（1）垂直向下水流(verticaldownwardflow)在水田、灌渠及在降雨、灌溉时常见。am=oq=-Ks.d/dxHag=L=-Ks(H+L)/Lap=HLref.levelDarcysmodelbg=0bp=bm=0,A,B,（2）垂直向上水流(verticalupwardflow)主要在地下泉水流出的田块（冷浸田），或土体下部有不透水层并且有坡降的地方，在低平地常有向上浸水现象，称“上浸田”。属低产土壤，需改良。（3）水平饱和流（horizontalsaturatedflow）在河流、水渠侧向水流（侧渗sideseepage）发生。剖面中下部有不透水层时，下渗水发生滞留形成滞水层，其水分侧向流动，产生上层土壤“白浆化”，铁锰还原淋洗，土壤白化、粉沙化。,sideseepage,输水过程中水分主要损失途径,water,leachingloss,sideseepage,profileofaditch,（二）不饱和流（unsaturatedwaterflowinsoil）定义：土壤中部分孔隙充满水时发生的水流，即土壤水分不饱和时的水流。在土壤水分运动的主要形式，旱地中水流多为不饱和流。驱动力：土壤基质势为主，m+g不饱和导水率K，是一个变量（variable）,是土壤含水量和土水势的函数，同时又受土壤质地及其层次性的影响。,随着土壤水由饱和变为不饱和，K值急剧下降，下降速度沙土壤土粘土。原因：部分孔隙充水，使导水面积减少；充水孔隙均较细，含水量和土水势越低，导水孔隙越细，依普氏原理uR2,导水速率变慢；由通气孔隙产生的阻隔作用。当m=0，即土壤水分饱和时，K=Ksm=-1/3bar,K1/100Ks1/1000Ksm=-1.0bar,K1/10000Ks4、不饱和流仍然服从达西定理，水流方向仍是高势区向低势区流动。Q=-K(w,)d/dX=-K(w,)d(m+g)/dX,8,二、水汽运动(watervapormovement)1、气态水在土壤中的运动实质上是水分渍的扩散运动。服从一般气体的扩散定律，既费克定律：Fickslawqv=-DvdP/dxDv_diffusioncoefficientdP/dx_gradientofvaporpressure2、Dv比空气中D值小的多，只有中等湿度土壤中才具有较高的D值（考虑水汽量和扩散空间）3、dP/dx主要由土水势梯度和温度梯度决定，且温度的影响要比土水势的影响大得多。4、方向：高温区向低温区；高势区向低势区运动。5、影响因素：土壤因素：含水量，土水势，土温，质地，孔隙，结构，容重，积盐，裂隙；大气因素：气温、RH%、风速、太阳辐射等。,三、水分向土壤中入渗及其再分布Waterinfiltrationandredistributioninsoils（一）入渗过程1、定义：指水分自地表垂直向下进入土壤的过程。漫灌、滴灌、渗灌、降雨过程中都发生有这一过程。入渗情况决定着水分进入土壤的数量，生产中我们常采取许多措施增加入渗，减少径流（runoff），以有效蓄积、利用水分。“收墒、蓄墒”waterharvesting.2、入渗速率（infiltrationrate）：当土壤表面有水层时，单位时间内通过单位面积土壤的水量。L3/L2.T=L/T,mm/min3、入渗特点：入渗速率随时间延长由高变低，最后降到一个稳定的水平。,5、影响因素：（1）土壤水分含量和基质吸力：入渗时驱动力有基质势、重力势和压力势，初始阶段主要取决于基质势。以后与重力势和压力势有关。I土壤越干燥，基质势越低，dm/dX越大，入渗越快。T,initiallydry,initiallywet,（2）土壤质地（