土壤学课件第6章土壤水、气、热状况

第六章土壤水、气、热状况,土壤是由固、液、气三相物质所组成的，固相部分包括矿物质和有机质。液相是稀薄溶液，有少量盐、气体溶于其中，还有各种悬浮物质，本章则当成纯水来讨论。水是四大肥力因素之一，为植物、微生物所必需，许多物理、化学、生物反应都要求有水参加，水、气同存于孔隙中，水是矛盾的主要方面，水也影响热状况，是最活跃的肥力因素，生产上的措施：以水调气，以水调温，以水调肥等，本节讨论：土壤含水量(容量)；水分的能量状态，即以多大的吸力被土壤所吸持；水分对植物的有效性。,第一节土壤含水量,土壤含水量是土壤重要性状之一，在测定许多理化性质如O.M，养分含量，以及农田排灌方面都要用到。土壤许多测定数据，都是以干土为基础的(即在105-1100C下烘干重)，必须先测定含水量，将湿土换算成干土常用含水量表示方法：质量含水量；容积含水量；相对含水量；土壤水贮量,一、重量含水量以水分重量占干土重量百分数表示-重量含水量(%)重量含水量(%)=(水重/干土重)x100=(W湿-W干)/W干x100W湿=W干(1+含水量)W干=W湿/(1+含水量),例：测得耕层重量含水量(%)为20%，土壤容重为1.2，容积含水量(%)=20%x1.2=24%总孔度=（1容重/比重）x100%=（11.2/2.65)x100%=55%可知该土壤三相容积比为：液相24%，气相31%，固相45%，孔隙比=55%/45%=1.2,二、容积含水量以水分容积占整个土壤容积百分数表示-容积含水量（%）,容积含水量(%)=土壤重量含水量(%)x土壤容重,水容积=干土重x土壤重量含水量(%)(水密度=1)土壤容积=干土重/土壤容重,例：某土壤耕层深20cm，含水量(容积%)24%，其田间持水量为36%(容积%)，问灌至田间持水量时每亩需水多少方？667x0.2x(36%-24%)=方,三、以水的容积表示-贮水量容积,一定面积，一定深度土层(土壤容积)内水的容积:土壤贮水量(方)=土壤容积(m3)x容积含水量(%)=土地面积(m2)x土层深度(m)x容积含水量(%),如上例：20cmx24%=4.8cm=48mm灌水深度=20cmx(36%-24%)x10=mm,四、以水层厚度表示(mm,或cm)-贮水量深度,贮水量深度=容积含水量(%)x有关土层深度,指土壤含水量占田间持水量的百分数。它可以说明土壤毛管悬着水的饱和程度，有效性和水、气的比例等，是农业生产上常用的土壤含水量的表示方法：,五、相对含水量,相对含水量(%)=绝对含水量/田间持水量x100%,土壤水:吸湿水(紧束缚水)膜状水(松束缚水)毛管水:悬着毛管水上升毛管水重力水和地下水气态水(水气)固态水(冰),第二节土壤水分类型，水分常数和土壤有效水,一、土壤水分的类型,部分膜状水和全部毛管水对旱田作物是有效的，即由凋萎系数至田间持水量范围内水对旱田作物是有效的,液态水,将干燥的土粒暴露于潮湿的空气中，土粒把空气里的水汽分子吸附在它的表面，这是土壤的吸湿性，这样吸附于土粒表面的水分称吸湿水。吸附力：氢键，范德华力，静电引力，可达几千至上万个大气压（31-1万大气压），密度1，风干土含吸湿水。吸湿系数：当相对湿度达100%时，土壤吸湿量达最大值，这时的含水量称吸湿系数或最大吸湿量。常数,（一)吸湿水(紧束缚水),吸湿水示意图,吸湿水外的一层水膜，以31-6.25大气压的能量保持着，作膜状运动，是在吸附吸湿水后剩余引力，与液态水相接触时所吸附的液态水。水膜厚水膜薄运动,（二)膜状水(束缚水),最大分子持水量：膜状水达最大量时的土壤含水量。,凋萎系数(凋萎含水量)：当土壤对水分的吸持力大约在15个大气压时，植物得不到有效水的供应而发生永久凋萎现象，此时的土壤含水量叫做凋萎含水量或凋萎系数。这是一个很重要的水分常数。,由于植物根系吸水力大约为10-15大气压，常以15大气压划分有效水和无效水的界限，可见膜状水的大部分有效。,膜状水示意图,借毛管力保持在土壤中的水分，当土壤含水量达到最大分子持水量时，如继续增加水分，则形成移动性较大的自由水，首先被保持在土壤毛管中，作毛管运动，由毛管粗处向毛管细处运动。,（三)毛管水,1)、上升毛管水：与地下水相联结的毛管水2)、悬着毛管水：与地下水不相联的毛管水,6.25-1/3大气压数量大，作物有效,土粒,毛管悬着水示意图,土粒,毛管上升水示意图,地下水位,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,毛管水上升高度与毛管半径成反比，其公式为：H=0.15/r（H，r均以cm为单位，r毛管半径）与毛管半径成反比，粗：高度小，快细：高度高，慢,砂土低，粉粘壤土（黄土）比粘土高，可达6-8米海涂咸性夜潮土-粗粉壤土（粗粉砂含量高）,影响：毛管粗细，连通情况。,田间持水量：当悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量。这时土壤水吸力大约为1/3大气压(0.050.35大气压)。灌水或淹水后，允许充分下渗，同时防止蒸发，土壤所能保持的水量。粘土壤土砂土从1/3-15大气压，保持的水分均称有效水，但不是同等有效的。吸力越大，越难利用，中间有一转折点，可供灌溉参考，即毛管水联系破裂含水量：大约在0.8大气压，约相当于田间持水量的70%左右，含水量大于此时，水分作连续整体运动，为易效水，低于此值时，毛管水被束缚水隔断，缺乏整体运动，为难效水。-灌溉点的选择。,不受土壤吸附力和毛管力所吸持，受重力支配的那部分水。旱作的多余水。,四)重力水,饱和含水量：当土壤大小孔隙全部被水充满时的含水量，或称全蓄水量。,二、土壤水的有效性,如吸湿系数，凋萎系数，田间持水量和饱和持水量等，表示能量、数量以及被作物利用的有效性等。,土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。不能被植物吸收利用的水称为无效水能被植物吸收利用的水称为有效水。土壤水的有效性实际上是用生物学的观点来划分土壤水的类型。,从图中可见，土壤凋萎含水量与田间持水量之间的水分，都是对旱作植物有效的，对旱作，即土壤最大有效水量=田间持水量(有效水上限)-凋萎含水量(有效水下限)某一含水量下土壤有效水含量=含水量-凋萎含水量,1、土壤质地与土壤有效水量的关系(重量%),2、大多数旱地作物对水分要求的适宜水平多在田间持水量的6080%，不同作物吸水力各异，同一作物不同生育期对水分要求亦不同。,水流向何方？,第三节土水势,土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值称为土水势。一般用西腊字母来表示。,标准状态水是指：纯水，即无溶质；自由水，即无束缚；105Pa；一定高度和温度。以标准状态水的自由能为零，土壤水的自由能与其比较的差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。,一、土水势的概念,基质吸力：-基质势m吸附力：电场力范德华力氢键弯月面力重力-重力势g渗透力(盐土，干旱条件下)-溶质势s静水压力(地面渍水)-压力势p,研究土壤水的能量状态,土壤水受力：,总土水势=基质势+重力势+溶质势+压力势t=m+g+s+p,基质势m：由土粒吸附力和毛管力所产生。溶质势s：又称渗透势，是由溶质对水的吸附所产生的。重力势g：由重力作用产生的水势。压力势p：土壤中水分还要承受土壤水体的静水压力，其水势与参比标准之差，称为压力势。,一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反。,(1)、土水势：指土壤水在各种力作用下势能的变化；(2)、土壤水吸力：指土壤水承受一定吸力情况下所处的能态。但并不是指土壤对水的吸力。上面讨论的基质势和溶质势一般为负值，在使用中不太方便，所以将m和s的相反数（正数）定义为吸力，分别称为基质吸力和溶质吸力。,定义：土壤水吸力与土壤含水量之间的相关曲线,二、土壤持水曲线(土壤水分特征曲线),影响因素质地结构温度滞后现象,滞后现象,A、可利用它进行土壤水吸力和含水率之间的换算；B、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；C、土壤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；D、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,土壤水分特征曲线的用途：,田间出现的土壤水饱和流有以下三种情况：,第四节土壤水运动,一、饱和水运动,q为土壤水通量：单位时间通过单位面积土壤的水量H表示水流两端的水势差，以水柱高度表示L水流路径的直线长度“-”表示水流方向,Ks(cm/h)-土壤饱和导水率，即土壤所有的孔隙都充满水时，水分向土壤下层或横向运动的速度,饱和流（saturatedflow）的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，即单位时间内通过单位面积土壤的水量或水通量与土水势梯度成正比。服从饱和状态下多孔介质的达西定律：,影响饱和导水率的因素:土壤质地水通量与孔隙半径4次方呈正比土壤结构土壤结构对土壤饱和导水率有显著的影响土壤有机质含量黏土矿物种类,土壤饱和导水率的特点：土壤饱和导水率是常数是土壤导水率的最大值主要取决于土壤的质地和结构砂质土壤质土黏质土,二、非饱和水运动,非饱和流（unsaturatedflow）的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度，这主要是毛管水和膜状水的运动，也可用达西定律来描述：K：非饱和导水率；：总水势梯度,土壤水吸力与导水率K关系：土壤水吸力为零或接近于零，饱和导水率最大。在低吸力水平时，砂质土中的导水率比黏土导水率高；在高吸力水平时，则与之相反。,三、土壤水分入渗与再分布,水进入土壤包括两个过程：入渗(渗吸、渗透)和再分布。(一)水分入渗,入渗（infiltration）是指地面供水期间，水进入土壤的运动和分布的过程。,水进入土壤的情况由两方面因素决定：供水速度土壤的入渗能力,表8-2几种不同质地土壤的最后稳定入渗速率(cm/h),最初入渗速率：Initialinfiltrationrate稳定入渗速率：stableinfiltrationrate,所以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。,土壤水的再分布(soilwaterredistribution)：土壤水入渗过程结束后，土层内的水在水势梯度的作用下还将继续进一步运动和分布的过程。土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。,（二）土壤水再分布,（三）土壤水的渗漏,土壤水的渗漏(soilwaterpercolation)：通过土壤某一深度处（如植物的最大扎根深度处）向下的水分运动。通常发生在雨季或大水漫灌的情形下。,干旱地区意义，上升至根部扩散运动水汽压大-水汽压小湿-干热-冷。,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。,四、水汽运动,1、“夜潮”现象多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”。,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,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,含量：空气孔隙容积，旱作要求10-15%以上组成：与大气比较1土壤空气中的CO2含量高于大气2土壤空气中的O2含量低于大气3土壤空气中的水汽含量一般高于大气4土壤空气中含有较高量的还原性气体（CH4等）,第五节土壤空气状况,一、土壤空气的组成与含量,土壤空气组成显然不是固定不变的。,土壤空气的变化规律：,随着土层深度的增加，土壤空气中CO2含量增大，O2含量减少，无论在膜地或露地均是如此；,气温和土温升高，根系呼吸加强，微生物活动加快，土壤空气中CO2含量增加，夏季CO2含量最高；,覆膜田块的CO2含量明显高于未覆稻草原露地，而O2则反之,土壤空气中的CO2和O2的含量是相互消长的，二者的总和维持在1922%之间，,二、土壤通气性,土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以及土体内部允许气体扩散和通气的能力。,1）土壤空气与大气间气体整体交流。,在土壤空气与大气之间总压力梯度引起：气象因素：温度；降雨及灌溉，挤出，进入；风，机械搅动，无复盖影响大；大气气压改变。,、作用：不断更新组成，使土体内各部分组成趋向均一。、机制,2）气体扩散是土壤通气的主要机制，由个别气体分压梯度引起。涉及个别气体的交换，如CO2，O2等。,通气性调节：改善孔性：耕作，轮作，排水，促进团粒结构形成。,第六节土壤热量状况,一、土温重要性,1、主要来自太阳辐射能。地球获太阳总辐射的1/20亿。,2、生物热微生物分解有机质放热过程，堆肥，厩肥温床中发热。,二、土壤热量来源,太阳辐射热量是主要来源，生物热和地热仅在某特定条件下发挥作用。,3、地热地壳导热能力差。,影响地表辐射平衡的因素纬度和海拔高度；坡向和坡度；地面复盖情况,辐射平衡所获得的热量，能否以热通量传至下层升高土温，以及升高多少（反之冷却，冷却多少），受到土壤热学性质的影响。,三、土壤热学性质,（一）土壤热容量:指单位容积或单位质量的土壤在温度升高或降低1时所吸收或放出的热量。,可见，把水的热容量看成1，土壤容积热容量CV=0.46Vm+0.60Vo+VwVm:矿物质容积;Vo有机质容积；Vw: