土壤物理学 2

1、土土 壤壤 物物 理理 学学 第二章第二章 土壤水土壤水ContentsWater contentMeasurement of soil waterSummary of methods for measuring of soil waterSoil water constantsThe calculation of soil waterContentsSoil water potentialThe units of soil water potentialMeasurement of soil water potentialSummary of methods for measuring of

2、 soil waterSoil water characteristic curve第一节 土壤水的测定 土壤水分含量表示方法重量含水率m体积含水率v土壤水深度De相对含水率 重量含水率(m) =土壤水分重量/土壤干重100% =（湿土重-干土重）/干土重100%土壤重量含水率的用途土壤重量含水率的用途用于土壤研究的基础运算用于土壤研究的基础运算用于计算土壤体积含水量用于计算土壤体积含水量用于计算土壤水深度用于计算土壤水深度用于计算土壤容重用于计算土壤容重用于计算相对含水量用于计算相对含水量用于计算土壤养分含量、盐分含量用于计算土壤养分含量、盐分含量用于计算干土称样用于计算干土称样土壤体积含水

3、率(v) =土壤水分体积/土壤体积100% =重量含水量（%） 土壤容重土壤容积含水量用途计算土壤水的深度计算土壤的三相比 计算土壤各级孔隙度土壤水的深度DeDe= v 土壤深度 单位：毫米 v 是含水量，非%土壤水的深度计算示例若v =0.12土壤深度=400 mm则De=0.12400=48 mm土壤水的深度用途用于水量平衡计算用于灌溉计算用于蒸腾蒸发量计算 相对含水量 =自然含水量 田间持水量100%相对含水量用途用于作物需水的指标用于土壤供水的指标 请说明相对含水量与绝对含水量的用途请说明相对含水量与绝对含水量的用途土壤水分测定方法重量法：烘箱烘干法 酒精燃烧法 红外线法 微波法 中子

4、散射法Gamma射线法时域反射法张力计（负压计）法石膏块法烘箱烘干法： 湿土称重 烘箱105110 26小时烘干至恒重 称重 计算重量含水量酒精燃烧法：湿土称重 加酒精 点燃 火熄灭后再加酒精 点燃 反复23次 称重 计算重量含水率 红外线法：湿土称重 在纸上摊匀 红外线灯下烘烤 56分钟 称重 计算重量含水率中子散射法：原理中子散射法：原理中子散射法：原理 快中子源发射出能量115Mev的快中子且平均速度1600km/sec。 快中子被径向射向土壤中，与各种原子核发生弹性碰撞。 经过多次反复碰撞后，快中子发生偏斜，成为散射体，最终失掉功能，其速度与周围粒子和平均动能一致，相接近。中子散射法：

5、原理 快中子的速度被降低的过程叫做热化，被热化的中子叫做慢中子。 慢中子继续在土壤中运动，最终被原子核吸收。 慢中子的能量为0.03ev ，速度大约2.7km/sec 中子散射法：原理 土壤中的各种核子对快中子的减速效率不同。 两个质量大体接近的物体相撞时其能量丧失最多 。 快中子的热化所需要的碰撞次数与撞击的原子质量成正比相关。中子散射法：原理原子质量与对快中子的衰减效率元素名称质量衰减快中子所需碰撞次数氢1.007919.0硼10.81109.2碳12.011120.6氮14.0067139.5氧15.9994158.5钠22.98977224.9中子散射法：原理土壤中，氢原子质量最小土壤

6、中，氢原子质量最小土壤物质组成中，水分子中氢占的比例土壤物质组成中，水分子中氢占的比例最大最大土壤水的数量最不稳定土壤水的数量最不稳定慢中子的相对密度与土壤中水的含量大慢中子的相对密度与土壤中水的含量大体成正相关体成正相关中子散射法： 土壤中埋入铝管 探棒落到铝管中 在需要测定的深度测量 根据慢中子脉冲速率计算土壤容重含水量中子散射法：结果计算Nw=m v +bNw/Ns= v Nv-慢中子脉冲速率 Ns-标准吸收体的慢中子脉冲速率中子仪中子仪Gamma射线法：仪器构造（1） Gamma射线源（2） 检测器Gamma射线法：原理 射线源发射出单能径向的射线源发射出单能径向的Gamma射线射线

7、穿过填充材料（土壤）穿过填充材料（土壤） 检测器接收并检测器接收并计算辐射通量。计算辐射通量。 因为土壤密度为恒定的，辐射通量仅与因为土壤密度为恒定的，辐射通量仅与土壤水分含量有关土壤水分含量有关时域反射法TDR：原理土壤三相物质的介电常数差异很大固体土粒:5 土壤空气:1 水:80.36电磁脉冲在波导棒中的传播速度与介质的介电常数有关。时域反射法TDR：原理 电磁脉冲在土壤中传播时，介电常数稳定，不受土壤类型、密度影响，与容积含水量有很好的相关性。v=-5.310-2+2.92 10-3a-5.5 10-4 a2 +4.3 10-6 a3张力计法利用张力计测定土壤的水吸力，再根据土壤水分特征

8、曲线计算土壤的含水量。压力膜法压力膜法水分特征曲线水分特征曲线土壤水吸力土壤水吸力S 土壤含水率土壤含水率 Sa石膏块法石膏块法土壤水分测定方法比较：重量法经典方法结果准确一次可以测定多个样品耗时间长不能在田间定点连续测定土壤水分测定方法比较：酒精燃烧法方法简便，快速一次只测定一个样品有机质有损失，测定结果受影响不能在田间定点连续测定土壤水分测定方法比较：红外线法方法简便，快速一次只测定多个样品测定结果精度差不能在田间定点连续测定土壤水分测定方法比较：中子散射法需要预先测定m或v作校正曲线需要在土壤中预设铝管不能测定复杂土层的土壤含水量不能测定表层土壤量仪器有放射性，操作人员需特殊培训可以定点

9、连续测定不能测定盆栽试验的土壤含水量可以测定极小范围内的土壤含水量有射线危险可以同时测定土壤含水量和容重土壤水分测定方法比较：Gamma射线法土壤水分测定方法比较: TDR法可以定点，连续测定仪器携带方便，可以用于大田或盆栽测定结果重现性好，受环境影响小即时读数，数据可以储存，或直接输入计算机土壤水分测定方法比较: 张力计法可以定点，连续测定测定结果重现性好，受环境影响小即时读数，数据可以储存，或直接输入计算机不适合测定表层土壤土壤水分测定方法比较: 石膏块法可以定点，连续测定测定结果重现性好，受环境影响小即时读数，数据可以储存，或直接输入计算机受环境因素影响较大土壤水分测定方法选择测定批量土

10、壤样品含水量：烘箱烘干法盆栽或大田试验测土壤含水量：TDR法思考题土壤水分测定方法主要有几种?各有哪些优缺点?从原理及使用两方面比较中子散射法与时域反射法测定土壤水分的异同.在科研中如何选用土壤水分测定方法?土壤含水量的应用计算灌溉水量计算灌溉水或降雨入渗深度 已知已知v=0.12,计算使计算使80cm的土层的土层v增至增至0.30需加入的水需加入的水量量。 解：解：De= vD 原始原始De=0.1280=9.6cm 结果结果De=0.3080=24.0cm 应加入水量应加入水量=De(结果结果)-De(原始原始) =24.0cm-9.6cm=14.4cm注意计算出的深度为整个地面应覆盖的水

11、层深度计算应加入的水的体积： 灌溉水量（体积）De灌溉面积 已知土壤田间持水量vfc=0.30,降雨前 v=0.10,如降雨10cm,水分下渗多深? 解：降雨前De= vD 降雨后De= vfcD 两者之差应等于降雨量10cm,D为入渗深度vfcD- vD=10cm D=10cm/(vfc- v)=10cm/(0.30-0.10) =50cm田间持水量与永久萎蔫系数永久萎蔫系数与土壤类型有关，还受作物类型与生长季节，气候的影响。田间持水量只受土壤本身物理性质影响。田间持水量的差异：持水性好的土壤在相当长的时间内保持其稳定性持水性差的土壤没有明显稳定时间不同土壤的田间持水量差异很大同一土壤的不同

12、地点存在差异同一土壤的同一地点不同时间存在差异土壤田间持水量的差异时间含水量真正土壤理想土壤田间持水量广泛应用的原因田间持水量广泛应用的原因田间持水量具有相对稳定性田间持水量可以用于相对含水量计算相对含水量在历史和现阶段土壤水分研究上的作用: 在作物栽培作物栽培上的用途 在作物育种作物育种上的用途 在土壤研究土壤研究中的用途田间持水量在计算中的用途计算灌溉水量计算雨水入渗深度已知土壤容重1.39g/cm3，田间持水量26（重量），土壤初始m12，使1.0米深土体含水量达田间持水量需加入多少厘米水？ 解：De=D m容重 1.0米100cm De=100(26%-12%) 1.39 =19.5c

13、m 在多层次土壤上的应用题：如降雨5厘米，土壤田间持水量为0.30（容积含水量），雨水将下渗多深？土壤深度 土壤重量含水量 土壤容重05 0.051.25200.101.320800.151.4801000.171.4解:先求出先求出05cm05cm土壤达田间持水量所需要的水量土壤达田间持水量所需要的水量: :D De1e1=D=Di i( ( vfcvfc- - m1m1容重容重) )=5（0.30-0.051.20）=1.20cm再求出再求出520cm土壤达田间持水量所需要的水量土壤达田间持水量所需要的水量: De2=D2(vfc- m2容重容重)=15（0.30-0.101.37）=2.

14、55cm5厘米雨水使这两层达饱和后，还剩水量：厘米雨水使这两层达饱和后，还剩水量： 5-1.20-2.55=1.25cm求求1.25cm厘米雨水还可湿润多深土壤厘米雨水还可湿润多深土壤 D=1.25/（0.30-0.151.4）=13.9cm总湿润深度为：总湿润深度为： 5+15+13.9=33.9cm思考题1水分常数是常数吗?2田间持水量不是常数值,为什么还被广泛应用?3田间持水量在土壤水研究中有哪些用途?4多层次土壤怎样计算灌溉水量?第二节第二节 土壤水势土壤水势Soil water potentialThe units of Soil water potentialMeasurement

15、 of soil water potentialSummary of methods for measuring of soil waterSoil water characteristic curve土壤水势Soil water potential ：总土水势：Total water potential, 土壤中任一点的单位数量土壤水的吉氏自由能与标准参考状态下自由水自由能的差值。国际土壤学会土壤物理委员会给的定义：国际土壤学会土壤物理委员会给的定义： “每单位数量纯水可逆地等温地无限小量每单位数量纯水可逆地等温地无限小量从标准大气压下规定水平的水池移至土壤中某从标准大气压下规定水平的水池移

16、至土壤中某一点，所作的有用功。一点，所作的有用功。”土壤水势：分势土水势的分势：重力势、基质势、压力土水势的分势：重力势、基质势、压力势、渗透势、温度势、磁力势等势、渗透势、温度势、磁力势等pressur potential, matric potential, gravitational potential, solute(osmotic) potentialt =p+ m+g+ s土壤水势：单位与换算单位质量土壤水势 J/g erg/g 单位容积土壤水势 pa bar atm单位重量土壤水势 mmHg cmH2O pF pF是cmH2O绝对值的对数 pF=（-h）土壤水势：单位与换算 1

17、pa=0.0102 cm H2O 1 atm=1033 cm H2O=1.0133 bar 1 bar=0.9896 atm=1020 cm H2O土壤水势计算与测定：重力势（1）选择一基准面，以cm H2O为单位，则基准面的g=0 （2）高于基准面处的g为正值, 数值等于该点到基准面的垂直距离。 低于基准面处的g, 数值等于该点到基准面的垂直距离，为负值。ABC15cm12cm基准面 g=0 g=15 cm H2Og= -12 cm H2O土壤水势的计算与测定：基质与压力势选择当地大气压作为标准压当水土势当地大气压时，标准压0 m =p=0当土壤水不饱和时，标准压0,土水势0，土水势 0土壤

18、只有p ，没有m数值等于该点到自由水面的垂直距离自由水面压力=当地大气压标准压=015cm12cmABC地下水位m =p=0水分不饱和p =0m= -12 cm H2O水分饱和m =0p=15 cm H2O渗透势（溶质势）的计算：渗透势（溶质势）的计算：s=- RTc-溶质质量u-溶质摩尔质量R-摩尔气体常数T-热力学温度Cu温度势t=-Se TSe:单位数量土壤水分的熵值T:温度变化其他分势其他分势磁力势磁力势空气压力势空气压力势荷载势荷载势湿润势湿润势土壤水分势的组合：土壤水吸力 m+s suction土壤水势=m+p+ s water potential土壤水力势=g+ p+ m hyd

19、raulic potential组合后的用途不同土壤水分势组合后的用途土壤水吸力：为了计算方便而设，仅用于水分不饱和情况土壤水势：真正意义的土壤水势土壤水力势：与土壤水分运动关系密切 土壤水势的测定方法：压力膜法 pressure membrane 吸力平板法 pressure plate张力计法 tension meters 水汽压法 vapor pressure for measuring of soil potential石膏块法 离心机法压力膜法：方法与原理压力膜法：方法与原理压力膜装置压力膜装置:用于室内测定用于室内测定压力膜法：方法与原理压力膜法：方法与原理 土壤饱和后土壤饱和后

20、放入密闭钢室内放入密闭钢室内 加一加一定压力定压力 土壤中水分流出土壤中水分流出 当土壤停当土壤停止排水时止排水时 土样烘干测含水量土样烘干测含水量 这时：这时： p m 土壤水吸力所施加压力土壤水吸力所施加压力 压力膜法用途测定某土壤水吸力下的土壤水含量测定不同吸力下土壤水的物质组成研究不同吸力下土壤水吸力与土壤含水量的相关性Z张力计法：方法与原理张力计法：方法与原理多孔瓷杯，水多孔瓷杯，水分可以自由出分可以自由出入入张力计构造用于田间试验或盆栽试验定位测定，只能用用于田间试验或盆栽试验定位测定，只能用于低吸力段测定。于低吸力段测定。张力计用途：田间或盆栽试验中测土壤水吸力田间或盆栽试验中测

21、土壤水吸力测土壤水吸力测土壤水吸力00.85大气压下的土壤水大气压下的土壤水吸力和含水量关系吸力和含水量关系当土壤太干旱时，张力计内水分汽化，当土壤太干旱时，张力计内水分汽化，测量不出正确数值测量不出正确数值水汽压法：原理 PF=H = (- Mg ) =6.5+ (2-h) h= 100(相对水气压)P P0RTh100R-摩尔气体常数T-热力学温度水汽压法：原理 20时各类盐类饱和溶液上的空气相对湿度饱和盐溶液K2SO4KCl NH4ClNaNO3空气相对湿度988679.266 PF4.465.315.515.76CaNO3K2CO32H2OCaCl26H2O5545355.926.04

22、6.16土壤水分特征曲线的制作方法030 bar 压力膜法30 bar 水汽压法土壤水分特征曲线的制作方法（1）测定0，0.1，0.3，0.6，1，3，6，10，15，30，60，100， 1000bar时的土壤含水量（2）在半对数纸上，土壤水吸力取对数座标，土壤含水量取正常座标绘相关曲线土壤水分特征曲线的滞后效应土壤水分特征曲线的标定（用最小二乘法原理选配经验公式）v =A+B/nSv =A/(S+B)v =AeasS-土壤水吸力v -土壤含水量A, B-经验常数影响土壤水分特征曲线的因素影响土壤水分特征曲线的因素低吸力段：受结构影响高吸力段：受质地影响温度滞后现象 土壤水分特征曲线土壤水分

23、特征曲线 P46 图23图图：土土壤壤水水分分特特征征曲曲线线图图：土土壤壤水水分分特特征征曲曲线线1000010001010.10.010102030405060黏黏土土黏黏土土壤壤土土壤壤土土砂砂土土砂砂土土土土壤壤水水吸吸力力（土土壤壤水水吸吸力力（barbar）水水分分含含量量（克克水水分分含含量量（克克/100/100克克干干土土）克克干干土土）70返返回回返返回回土壤水分特征曲线的用途用于土壤水分含量与水势之间的换算定点测定土壤水势或土壤含水量用于计算灌溉水量测定实效孔径分布计算比水容量土壤水分含量与水势之间的换算应用实例： 新型张力计的发明新型张力计的发明旧式张力计测量范围00.

24、85个大气压.新型张力计新型张力计测量范围0-1500个大气压.目前测量土壤水分含量已经有可靠的方法与仪器目前测量土壤水分含量已经有可靠的方法与仪器,可以准确测定出从饱和含水量可以准确测定出从饱和含水量凋萎系数的土壤含水量凋萎系数的土壤含水量.土壤水分含量与水势之间的关系可以用土壤水分特征曲线表示土壤水分含量与水势之间的关系可以用土壤水分特征曲线表示.用一种测定用一种测定土壤水分含量的仪器测出土壤水分含量土壤水分含量的仪器测出土壤水分含量,然后换算出然后换算出土壤水势土壤水势.如何解决滞后现象如何解决滞后现象?如何解决与土壤的水分平衡如何解决与土壤的水分平衡?EQ15土壤水势仪德国产平衡式土壤

25、水分张力仪由平衡传感器与含水量2部分构成.平衡传感器的材料具备2个特点:1、稳定的含水量与水势关系2、良好的透水性。vS田持水势临界水势灌溉水量用于计算灌溉水量土壤水分含量与水势之间的换算如果不考虑土壤水特征曲线的滞后现象可在已知 情况下可求得 S ，反之亦然。为了换算和分析方便，常将土壤水特征曲线概括为经验公式。如 Gardner 和 Visser 所提出来的：式中： a , b , A , n , m 都是待定经验系数， f 为土壤孔隙度。Genuchten 提出的方程实效孔径分布 在非饱和的土-水系统中，如土壤水吸力主要是由土壤中某一圆形孔径的毛管力作用的结果，参考毛细管上升公式，则基质

26、吸力为： 式中：式中： D 单位为单位为 mm 。根据上式计算的孔径称为相应。根据上式计算的孔径称为相应吸力下的实效（或当量）孔径。吸力下的实效（或当量）孔径。比水容量 Ca比水容量为基质势对含水量的导数，也即土壤水特征曲线的斜率，是土壤含水量或土壤基质势的一个函数。 比水容量 C 可以用以说明在土壤基质势或土壤水吸力某一变化范围内，土壤所能释放或储存以供植物利用的水量。 含水量含水量 随随 s 变化变化的特征曲线和比水容量的特征曲线和比水容量随吸力随吸力 s 变化的曲线变化的曲线 峰值表峰值表明相应的实明相应的实效孔径在该效孔径在该土壤中占优土壤中占优势势处理编号 沙：锯末：蛭石处理编号 沙

27、：锯末：蛭石No. sand：sawdust：vermiculiteNo. sand：sawdust：vermiculite1 0 : 2 : 810 4 : 0 : 62 0 : 4 : 611 4 : 2 : 43 0 : 6 : 412 4 : 4 : 24 0 : 8 :213 4 : 6 : 05 2 : 0 : 814 6 : 0 : 46 2 : 2 : 615 6 : 2 : 27 2 : 4 : 416 6 : 4 : 08 2 : 6 : 217 8 : 0 : 29 2 : 8 : 018 8 : 2 : 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 1

28、7 18020406080100120 水分含量/W%watercontent/W%处理 Tr图图1 原料配比对基质速效水含量的影响原料配比对基质速效水含量的影响Fig.1 The effects of the materials composing on the easily available water 表表2 原料配比对不同吸力下基质水分含量的影响原料配比对不同吸力下基质水分含量的影响 单位：重量单位：重量Table 2 The watercontent of culture media under different suctions unit：weight 从处理从处理1 1至处理至处理4 4锯末的含量比例依次上升，蛭石的含量比例依次下降。锯末的含量比例依次上升，蛭石的含量比例依次下降。 从测定数据及土壤水分特征曲线可以看出：在无沙的情况下，随着锯从测定数据及土壤水分特征曲线可以看出：在无沙的情况下，随着锯末比例的增大，基质的水分特征曲线呈现右移的趋势，基质的持水性有末比例的增大，基质的水分特征曲线呈现右移的趋势，基质的持水性有所提高。所提高。 图为无锯末的图为无锯末的4 4个处理的水分特征曲线图。个处理的水分特征曲线图。4 4个处理分别为处理个处理