土壤学基础和水分测定

土壤学基础和水分测定,黄晚华2014年8月6日,内容提要,一、土壤学基础二、土壤水分原理三、土壤水分测定和监测四、土壤水分资料应用五、土壤水分应用一些想法,一、土壤学基础,1、概述（土壤在人类生产中地位）2、土壤的形成3、土壤的有机质和土壤营养4、土壤生物5、土壤质地和结构6、土壤水分,1、概述,（1）土壤的概念话说土壤坏（壞）形声。从土,褱(huai)声。古代建筑物主要以土建造,故从“土”。本义:倒塌(指建筑物遭到破坏)。按:古代“坏”与“壞”是音义都不相同的两个字。“坏”,本读作pei,是个从土、不声的形声字,指“未烧过的砖瓦、陶器”。现在“壞”简化为“坏”)土壤是陆地表面能够生长植物的疏松的风化层。土壤是在地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成能够生长植物的、处于永恒变化中的疏松矿物质与有机质的混合物。,1、概述,（2）太阳是地球的能量源泉，土壤是人类的生存的物质基础。土壤是农业最基本的生产资料土壤是陆地生态系统的重要组成部分土壤是最珍贵的自然资源土壤资源是可持续农业的基础土壤是农业最基本的生产资料在人类赖以生存的物质生活中，人类消耗的约80以上的热量，75以上的蛋白质和大部分的纤维都直接来源自土壤。土地神,1、概述,（3）土壤资源特点和不可替代性土壤是绿色植物生长的基础土壤是供给植物生产营养的基础土壤是储存水源，供给植物生产基础。土壤是环境缓冲器。土壤资源的再生性与质量的可变性土壤资源数量的有限性土壤资源空间分布上的固定性和地带性土壤资源短期内不可逆转的趋势保护每一分土壤，保护土壤环境，实现土地可持续利用。,1、概述,（4）土壤学科的发展和分支：19世纪土壤学科的诞生20世纪土壤学科的迅速发展：土壤学科发展的驱动力前60年:作物生产-独轮驱动60年代后:作物生产和环境质量保护-双轮驱动,土壤物理土壤化学土壤生物学土壤矿物学,土壤肥力学水土保持土壤发生分类和制图土壤技术,2、土壤的形成,土壤来源于地球表面岩石的产物。过程：风化：岩石成土母质后始土壤成然土壤生物改造：一是有机质积累过程；二养分元素的富集过程人类活动：用养结合，生土变熟土，熟土变肥土。,2、土壤的形成,（1）土壤母质：岩石的风化产物，又称成土母质，简称母质。主要岩石类型（地学基础）：岩浆岩、沉积岩、变质岩（2）主要成土矿物的组成和特性土壤中的原生矿物：长石类矿物：正长石，又称钾长石，是土壤中钾元素的重要来源。云母类：白云母，又称钾云母，是土壤中钾元素的来源之一。黑云母也是钾元素的来源，更易分解，风化。角闪石与辉石类矿物：含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解石英矿物：不易风化，是土壤中砂粒的主要来源。氧化铁类矿物：赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）黄铁矿（FeS2）。磷酸盐类矿物：方解石（CaCO3）：褐铁矿（Fe2O33H2O）：,2、土壤的形成,（3）岩石的风化作用及其影响因素风化作用：岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是土壤母质物理风化：指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特点是成分未变。温度、风、植物、其他生物等影响，化学风化：指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。生物风化作用：指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。,由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙,气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图a、b、c、d表示风化过程,【魔鬼城】,2、土壤的形成,生物风化作用指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。a、根系的挤压；b、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；c、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。,2、土壤的形成,风化作用的产物,沉积体的类型,a、残积体：风化物后未经搬运b、坡积体：风化物在重力或径流作用在坡体上沉积c、洪积体：经洪水的搬运在山前沉积d、冲积体（河床、河漫滩，牛轭湖，三角洲等）e、湖积体：积水沉积f、风积体：风力搬运和沉积g、黄土母质：风成母质h、滨海沉积体：海相沉积体,2、土壤的形成,(4)土壤矿物质的矿物组成和化学组成,2、土壤的形成,(5)原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物的稳定性，如长石和石英。土壤原生矿物是植物养分的重要来源:常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和榄橄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。,3、土壤的有机质和土壤营养,土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。土壤有机质代表肥力的重要标志。,3、土壤的有机质和土壤营养,（1）土壤有机质的来源微生物动物来源植物来源工农业副产品（2）含量及组成有机质含量：一般含量在0-5%之间；泥炭土可高达20%或30%以上，漠境土和砂质土壤不足0.5%。,3、土壤的有机质和土壤营养,（3）化学元素组成：土壤有机质的基本元素组成是C、H、O、N，C/N比大约在1012之间。(4)化合物组成可分为:腐殖物质（HumicSubstance)、非腐殖物质（Non-HumicSubstance)常见的化合物有纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素及脂类。（5）存在形态：动、植物残体、半分解的动、植物残体、腐植物质（6）有机质影响因素：植被、气候、地形、母质、生产措施,3、土壤的有机质和土壤营养,（7）土壤有机质的分解和转化为植物提供矿物质。矿化作用(Mineralization)*土壤有机质在土壤微生物及其酶的作用下，分解成二氧化碳和水，并释放出其中的矿质养分的过程。腐殖化过程:(Humification)*各种有机化合物通过微生物的合成或在原植物组织中的聚合转变为组成和结构比原来有机化合物更为复杂的新的有机化合物，这一过程称为腐殖化过程。,3、土壤的有机质和土壤营养,（8）土壤有机质的作用改善土壤肥力特性a、物理性质：促进良好结构体形成；降低土壤粘性，改善土壤耕性；降低土壤砂性，提高保蓄性；促进土壤升温。b、化学性质：影响土壤的表面性质；影响土壤的电荷性质，影响土壤保肥性；影响土壤的络合性质；影响土壤缓冲性c、生理性质：影响根系的生长；影响植物的抗旱性影响植物的物质合成与运输；药用作用。提高有机质含量的措施合理耕作制度（退化或熟化）合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平。施用有机肥有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、有机、无机肥料配合施用种植绿肥田菁紫云英紫花苜蓿等,4、土壤生物,土壤是生命的摇篮，生命是土壤的发动机！土壤是微生物的大本营被忽视的生物王国！在生态系统中，生物按其功能可分为生产者和分解者。土壤生态系统的特点是生产者占的比例很小：藻类是土壤中唯一能进行光合作用的生物，土壤生态系统中的有机物主要来自于地上部分的植物残体。分解者无论在数量和功能上都是十分重要的,4、土壤生物,分解者可分为第一消费者以植物残体为食，最先对植物残体分解的动物和微生物；第二消费者包括食肉动物和消耗低等植物的食微植物者；第三消费者以第二消费者为食物的食肉动物。土壤生物广义上应包括土壤微生物、土壤动物和高等植物的根系。,5、土壤质地和结构,（1）矿物质土粒分类土粒：矿物质土粒和有机质土粒两种。土壤固体物质大小和形态各异，称为矿物质土粒或矿质土粒，简称土粒。土粒，常指矿质土粒。单粒和复粒按粒径分类：石砾：1mm砂粒：1-0.05mm粉粒：0.05-0.002mm粘粒：0.002mm不同标准分类不同物理性砂粒：粒径0.01mm的土粒。物理性粘粒：粒径2211砂粒2-0.022-0.051-0.051-0.05粉粒0.02-0.0020.05-0.0020.05-0.0010.05-0.002粘粒0.0020.0020.0010.002物理性砂粒：1-0.01mm物理性粘粒：0.01mm,5、土壤质地和结构,（3）中国土壤质地分类,5、土壤质地和结构,（4）土壤结构,夹砂层,夹粘层,5、土壤质地和结构,（5）土壤的密度和容重,常用土壤密度值：2.65g/cm3。,土壤容重:单位容积原状土壤（包括孔隙）的干质量。计算土壤孔隙度根据实测土壤的容重与密度。计算工程土方量估算各种土壤成分储量计算土壤储水量及灌水（或排水）定额影响容重值的因素:质地、结构、有机质含量以及各种自然因素和人工管理措施,5、土壤质地和结构,(6)土壤三相组成,土壤孔隙度(孔度)*：指单位土壤容积内孔隙所占的百分数。孔隙度1固相率液相率气相率一般沙(砂)土孔度30-45%，壤土40-50%，粘（黏）土45-60%气相率=孔隙度容积含水率,6、土壤水分,土壤水：所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水是植物生命动力源泉。土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在105温度下从土壤中驱逐出来的水。,6、土壤水分,土壤水分平衡（小循环）：W=P+I+U-E-T-R-In-D蒸散：田间蒸腾和蒸发很难截然分开，常合在一起，统称蒸散ET(evapotranspiration)-一定时间内一定面积上土壤蒸发和植物蒸腾的总和。土壤水分平衡简化式为W=P+I-ET-D,6、土壤水分,水分大循环：土壤植物大气连续体(SPAC)(Soil-plant-atmospherecontinuum)由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系.,二、土壤水分原理,二、土壤水分原理,二、土壤水分原理,1、土壤水分类型吸湿水膜状水毛管水重力水,二、土壤水分原理,土壤吸湿水*,干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水。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。,土壤颗粒表面上吸附的水分形成水膜，这部分水称为土壤膜状水。土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为土壤最大分子持水量。,存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。包括毛管悬着水和毛管上升水。,土壤膜状水*,土壤毛管水*,1、土壤水分类型,1、土壤水分类型（膜状水）,膜状水示意图,1、土壤水分类型（毛管水）,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,虹吸原理,1、土壤水分类型,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，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称之为毛管悬着水。,当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量的75左右。,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。,毛管水断裂量,田间持水量,1、土壤水分类型（毛管悬着水）,土粒,毛管悬着水示意图,1、土壤水分类型（毛管上升水）,土粒,毛管上升水示意图,地下水位,毛管持水量*,毛管上升水达到最大量的土壤含水量。,从地下水面到毛管上升谁所能达到的相对高度，叫毛管水上升高度。h水柱高度(cm)d孔隙直径(mm),土壤所有孔隙都充满水时的含水量，也称为土壤全持水量。,毛管水上升高度,土壤饱和含水量,土壤水的类型划分及土壤水分含量的测定,重力水*,临时存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中的水分，与土壤养分的淋失有关。,注意：对于不同质地的土壤上述各种不同形态水的数值是不等的。请认真比较它们的大小。,d=0.1h=30d=0.01h=300,二、土壤水分原理,2、土壤水分含量的表示方法（1）质量含水量（m）：土壤中实际所含的水分重量占烘干土重量的百分数（2）容积含水量（v）：指土壤水分容积占单位土壤容积的百分数V=m（3）相对含水量（%）,饱和含水量,2、土壤水分含量的表示方法,（4）土壤贮水量水深（土壤水层厚度）：指一定厚度土层内土壤水分的总贮量，即相当于一定土壤面积中，在一定土层厚度内有多少毫米厚的水层。2、水方（m3）V=m3、相对含水量（%）,DW=Vh或,mm,V方/亩2/3Dw,二、土壤水分原理,3、土水势及其分势,土壤B粘土15%,水流向何方？,标注土水势的优点,土壤A砂土10%,二、土壤水分原理,3、土水势及其分势基质势（m）*负值，当土壤饱和时最大0.土壤含水量越高，基质势也越高。压力势（p）*正值。只有当土壤水分饱和时才有压力势在不饱和土壤中压力势为0.饱和土层越深，压力势越高。p=wghV,二、土壤水分原理,3、土水势及其分势溶质势（S）*负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。溶质势只有对半透膜的水分运动起作用。重力势（g）*重力势（g）是指由重力作用而引起的土水势变化。任何时后重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.,二、土壤水分原理,总水势：t=m+p+s+g,请注意：在不同的情况下，土壤总水势的各分势组成是不同的。见P106下端。切记,二、土壤水分原理,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。T-m一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反。,绝对正值,如何用水吸力和水势判断水分运动的方向？请回答。,二、土壤水分原理,4、土壤水势的定量测定土水势的标准单位：帕（Pa）1Pa=0.0102cm水柱1atm=1033cm水柱=1.0133bar1bar=0.9896atm=1020cm水柱1bar=100000Pa,4、土壤水势的定量测定,一般只能测定8万帕以下的土壤水吸力。,4、土壤水势的定量测定,010203040506070,土壤水吸力,黏土,壤土,砂土,土壤含水量%,影响因素质地结构温度滞后现象,5、水分特征曲线,机理：墨水瓶效应沙土比粘土明显,5、水分特征曲线,水分特征曲线的用途：首先，可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的换算(图3.7)。其次，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。第三，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。第四，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。,5、土壤水分运动,概念：土壤水入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。土壤水的再分布是土壤水的不饱和流。,土壤水的再分布(soilwaterredistribution),5、土壤水分运动,土面蒸发概念：土壤水汽进入大气的过程。当土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强称为潜在蒸发强度。(Soilpotentialevaporation)土面蒸发过程区分为三个阶段。表土蒸发强度保持稳定的阶段此阶段含水率的下限，一般认为该值相当于毛管水断裂量的含水率，或田间持水量的50-70%表土蒸发强度随含水率变化的阶段蒸发速率急剧降低，有利于土壤墒情的保持水汽扩散阶段土壤输水能力极弱，不能补充表土蒸发损失的水分，土壤表面形成干土层。在此阶段，蒸发面不是在地表，而是在土壤内部，蒸发强度的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制，并取决于干土层厚度，一般来说，其变化速率十分缓慢而且稳定。,二、土壤水分原理,6、土壤水的有效性土壤有效水(availablesoilwater)：在田间持水量（1-2万帕）到永久萎蔫系数（150万帕）之间保留在土壤中的水分。土壤水吸力大于150万帕的土壤水对植物来说是无效水植物吸水：主动吸水和被动吸水。被动吸水为主要方式，其动力是从植物叶面到茎到根到土壤的水势梯度。主动吸水一般不超过植物只水量的10%。,土壤萎蔫系数*：（wiltingpoint)作物叶片发生永久萎蔫时的土壤含水量，也叫永久萎蔫点。,土壤水的调控,三、土壤水分测定和监测,水分是土壤的一个重要组成部分,它不仅影响土壤的物理性质,制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动,是构成土壤肥力的一个重要因素,而且它本身更是一切植物赖以生存的基本条件土壤水分是研究农业干旱及作物干旱的重要指标,是农田灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参量。国内外的土壤水分测定方法主要有以下几种：滴定法、KarlFischer法、称重法、电容法、电阻法、射线法、微波法中子法、核磁共振法、时域反射法（TDR）土壤张力法、土壤水分传感器法、石膏法、红外遥感法,三、土壤水分测定和监测,1、烘干法(土钻法)：（1）测定方法:经典的方法是烘箱烘干法:即取土样放入烘箱,在105-110条件下,烘至恒重,为烘干土重,以此为基础计算水分重(蒸发损失量)的百分比(%),从而获得土壤水分含量。烘干法通常还有所谓的快速测定法,其程序与常规法相同,实质仍是采用一些手段使土样烘至恒重的时间尽可能缩短,如酒精燃烧法、红外线法、炉烤法（微波炉）等。,三、土壤水分测定和监测,2电阻法：电阻法是利用某些多孔性物质如石膏、尼龙、玻璃纤维等的电阻和它们的含水量有关系这一事实而采用的一种方法。当这些嵌有电极的块状组件放置在潮湿的土壤中时,它们吸收土壤水分一直达到平衡状态。块状组件的电阻由它们的含水量决定的,并依次由附近土壤水分张力或吸力所决定。电阻读数和土壤水分百分数之间的关系可以用标定方法来确定。这些块状组件在一段时间内用来测定田间选定位置的含水量。,三、土壤水分测定和监测,3、中子仪法中子仪测定土壤水分的基本原理是:将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。当快中子与氢原子碰撞时,损失能量最大,更易于慢化,土壤中水分含量越高,氢就越多,从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。,三、土壤水分测定和监测,4、射线(透射)法射线(透射)法与中子仪类似,射线(透射)法利用放射源137Cs放射出线,用探头接收射线透过土体后的能量,与土壤水分含量换算得到测定值。,三、土壤水分测定和监测,5、时域反射仪(TDR)法TDR法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。与土壤中的固体颗粒和空气相比,水的介电常数在土壤中处于支配地位,因此土壤水分含量越高,介电常数值就越大,沿波导棒的电磁波传播时间就越长,通过测定土壤中高频电磁脉冲沿波导棒的传播时间后再计算出传播速度,进而就可以确定出土壤容积含水量。即用一对平行棒或金属线作为导体,土壤作为电介质,一对棒起波导管的作用,电磁波信号在土壤中以平面波传导,经传输线一端返到TDR接收器,分析传导速度和振幅变化,根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水量之间的函数关系而得出土壤含水量。,三、土壤水分测定和监测,6、便携式土壤水分测定仪：仪器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。,三、土壤水分测定和监测,7、土壤水分自动站（FDR）DZN1工作原理是：采用FDR原理测量土壤介电常数。土壤内水分变化导致介电常数变化，土壤的体积含水率与介电常数存在函数关系。采用世界先进技术的频域反射（FDR）土壤湿度传感器，精密、可靠，耐用，无放射性污染源。探针采用防腐蚀性能强的316型奥氏体不锈钢。传感器壳体高强度工程塑料，进行密封处理，保证其具有良好的防水性能。全密封，可长期埋设在地下任意深度连续测量。,三、土壤水分测定和监测,三、土壤水分测定和监测,三、土壤水分测定和监测,怀化（坡顶）,2010年第一批,第二批,三、土壤水分测定和监测,邵阳县（山顶）,常德（平地、大院）,三、土壤水分测定和监测,四、土壤水分资料应用,湖南在80年代初期，依靠人工观测，开展部分土壤水分观测；后观测中断。2005年，在衡阳建立第一套自动站。2009年开始，湖南开展大规模建立自动土壤水分站。目前已建立并运营的有60多个。,四、土壤水分资料应用,1、自动土壤水分观测数据文件格式自动土壤水分观测站数据文件是指自动土壤水分观测站业务终端计算机内生成的数据文件。包括正点土壤水分测量数据文件、实时土壤水分测量数据文件（1）S文件：正点土壤水分测量数据文件为SIIiii-YYYYMM.TXT，简称S文件，文件名中，S为指示符；IIiii为区站号；YYYY为年份，MM为月份，不足两位时，前面补“0”；TXT为文件扩展名，表示该文件为文本文件。（2）上传报文文件格式：自动土壤水分观测站上传数据文件是指自动土壤水分观测站上传至省级气象通信部门或国家气象信息中心的数据文件。单站：Z_AGME_I_IIiii_yyyymmddhhMMss_O_ASM-FTM-CCx.txt多站：Z_AGME_C_CCCC_yyyymmddhhMMss_O_ASM-FTM.txt,四、土壤水分资料应用,2、数据格式：单条记录包括区站号、纬度、经度、