土壤和水的基本概念

1、土壤水动力学 (Soil Water Dynamics)第2章 土壤和水的基本概念 (Basic conceptions of soil and water)毛 晓 敏 中国农业大学水利与土木工程学院Tel:mail: 第2章 土壤和水的基本概念土壤物理性质和指标土壤水的形态与水分常数土壤水的能态与土水势土壤水分特征曲线2.1土壤物理性质和指标土壤是由矿物质和生物紧密结合的固相、液相和气相三相共存的一个复杂的、多相的、非均匀多孔介质体系。表征土壤物理性质的指标：定性指标质地、结构定量指标 孔隙度、密度、含水率、饱和度等 2.1土壤物理性质和指标各定量指标的意义、计算方

2、法和相互关系： 土壤密度（particle density)（or比重） s 一般约 2.6-2.7 g/cm3土壤干容重/bulk density b湿容重 t孔隙度n含水率（体积v、质量w ）饱和度S相互关系：饱和度与体积含水率的关系 S=v/n （ n为土壤孔隙度）孔隙度和容重的关系 N=1- b /s （ s 为土粒密度）体积含水率和质量含水率的关系 v = g b /w （ b 为土壤干容重）课堂练习题：溶液固体 空气面积ADdabc设土粒密度为s，水密度为w求以下参数的表达式：体积含水率v 质量含水率g 饱和质量含水率g s 孔隙度n 饱和度w 土壤干容重b 设你要安装一个土柱（柱

3、高60cm，内径40cm）做土柱试验，已经过筛土壤的质量含水率3%，要求安装土柱的设定体积含水率是8%，安装土柱干容重1.8g/cm3，求：需要往单位质量土体里加多少水才能达到设定体积含水率？需要装多少克土到土柱内？课堂练习题：土壤含水率的测定方法土壤含水率的表示：体积含水率：v =Vw /V0重量（质量）含水率：g =mw /ms饱和度：w=Vw /Vv贮水深度：h=Hv （量刚为L） 土壤含水率的测定方法主要测定方法称重法（烘干法）核技术测量：中子仪， 射线仪电磁测量：时域反射仪(TDR)核磁共振测量热脉冲测量遥感测量：大面积地表含水率称重法（烘干法，直接法）：测定过程：土钻取土，测定土壤

4、湿重m；在105烘箱中烘68h，测定干土重ms。则土壤质量含水率为 g =(mms) /ms快速烘干方法：酒精燃烧，红外线灯照射优点：原理简单、测量精度高、设备简单缺点：耗时长、破坏土体，代表性差（空间变异性影响）中子仪：原理：快中子、H慢中子，慢中子通量反映H（水）含量快中子源：放射源（Ra/Am）、Be体积含水率与记数R的关系： =a R/Rstd +b优点：原位重复测量缺点：确定率定曲线空间分辨率低价格，辐射时域反射仪(TDR)：原理：土壤介电常数与含水率的关系（介电常数：水80；干土5；空气1）优点：简单缺点：仪器价格，分辨率低2.2 土壤水的形态与水分常数类型形态作用力水分常数吸湿水

5、束缚在土粒表面的水汽吸附力最外层3MPa最大吸湿量（吸湿常数）薄膜水吸湿水外层连续水膜吸着力最外层0.625MPa最大分子持水量（薄膜水不能被植物吸收时）1.5MPa凋萎系数毛管水土壤孔隙（毛管），水气界面为一弯月面。分毛管上升水、毛管悬着水表面张力作用 毛管力1030KPa田间持水量（毛管悬着水达到最大），田持重力水大孔隙中的水重力饱和含水率土壤水分常数（soil water constant）：根据土壤水分形态不同而定义的土壤特征含水量，如上述最大吸湿量、田间持水量等农业生产中常用的水分常数：田间持水量（field (moisture) capacity）：农田土壤某一深度内保持吸湿水、膜

6、状水和毛管悬着水的最大水量凋萎系数（wilting coefficient）：土壤中的水分不能被根系吸收、植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点土壤有效含水量（available water content of soil）：土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量 土壤含水率与水分常数的应用：估计水分对植物生长的影响计算灌溉水量根据土壤水分的动态变化估算腾发量（地面蒸发植物蒸腾）课题问题：某农田田间持水量为0.18m3/m3, 作物根系层深度1.2m。请问若土壤根区水分降到40%田间持水量即进行灌溉，若要使得灌溉后根系区达到田间持水量的要求，单

7、位面积需要灌溉多少mm水？2.3 土壤水的能态与土水势土壤水的能态土水势的概念及其热力学基础土水势的分势重力势压力势基质势溶质势温度势2.3.1 土壤水的能态土壤水的能量动能：由于土壤水流速很慢，一般可忽略势能：土水势（对土水系统）土壤水流动方向：高土水势低土水势驱动力：土水势差土水势的标准状态（基准系统）：处在一定高度、一定温度、在大气压下的自由水土水势(Soil water potential)：可逆、等温地从特定高度和大气压下的纯水池转移极少量水到土壤中某一点时单位数量纯水所做的功。土水势的单位系统：土水势符号名称单位能量/质量T化学势J/kg能量/容积T土壤水势Pa, kPa, MPa

8、能量/重量hT土壤水头m, cm相互关系：T=T/w =g hTT= wT=w g hT，hT= T/g =T/(w g )1 m 9.8 J/kg 9.8 kPa2.3.2 土水势概念的热力学基础热力学状态变量：体积V、压力P、温度T热力学第一定律（能量守恒）： dQ = dU + PdV + dW 系统吸收热量=系统内能增量+系统对环境的容积功+非容积功热力学第二定律：自发过程中热只能从高温状态传向低温状态，水只能由高向低流 dQTdS (可逆过程=；不可逆过程0 （0）如果土壤水对环境做功， 0）土水势的数值等于做功值分势：压力势p 、温度势T 、溶质势s 、 基质势m 、重力势g(1)

9、 重力势（Gravity potential）g重力势：地球重力场对土壤水作用的结果大小：取决于土壤水相对于参考面的高度势能：Eg=Mgzz，； z ，重力势表达式单位单位质量g=gzJ/kg单位容积g=wgzPa, kPa, MPa单位重量g=zm, cm(2) 压力势（pressure potential）p压力势：压力场中压力差的存在而引起的大小：取决于水压与大气压之差势能：Ep=Vp饱和地下水：地下水面以下深度h，p0压力势表达式单位单位质量p=ghJ/kg单位容积p=wghPa, kPa, MPa单位重量p=hm, cm非饱和土壤水：气孔连通： p=0封闭未充水孔隙：气压势（目前考虑

10、较少）用压力膜仪测定土壤基质势时，土样置于压力室（压力大于大气压）内， p0(3) 基质势（Matric potential）m基质势：由土壤基质对土壤水的吸持作用（毛管作用、吸附作用）所产生自由水被土壤吸持后，自由能降低，土水势减小(0负值)， m0饱和非饱和水分运动研究中：负压势h土壤基质对土壤水分吸持作用：与土壤含水量有关， m(土壤水分特征曲线)基质势的测定：张力计（负压计）法砂性漏斗法压力仪法 离心机法稳定土壤水分剖面法(4) 溶质势（Solute potential ）s溶质势：土壤溶液中溶质对土壤水分综合作用的结果渗透试验（半透膜试验）：溶质的存在降低了水的势能，s0单位体积土壤

11、水的溶质势：s=-(c/M)RTc ：溶液浓度(g/cm3)；M :溶质摩尔质量(g/mol)c/M ：溶液摩尔浓度(mol/cm3)R：摩尔气体常数，8.314 MPa cm3/mol KT：热力学温度(K)土壤：不存在半透膜，一般不考虑溶质势需要考虑溶质势的情况：植物根系吸水植物细胞渗流水汽扩散(5) 温度势(temperature potential )T温度势：温差大小： T =SeTSe：单位数量土壤水分的熵，不易定量描述温差对土壤水分运动影响不大，因此一般不考虑温度势温度对土壤水分运动的影响：温度影响水的物理化学性质（粘滞性、表面张力、渗透压等），从而影响基质势、溶质势和土壤水分运

12、动参数温度决定水的相变和热特性参数(6) 其他分势荷载势：土壤承受荷载湿润势：膨胀土在饱和状态下产生的土水势(7) 小结一般情况下：土壤水：=mz地下水：=hz存在半透膜时：考虑溶质势课题问题：负压计读数：3 m水柱 5 m 设A处为标准参考高度，则A、B、C处总土水势各为？ 若设C处为标准参考高度，则A、B、C处总土水势各为？ 试确定水流方向？ABC1.5 m 负压计读数：5 m水柱 LHx水银问A点的基质势是多少，土水势是多少？（水银密度是水的13.6倍， 设地面为参考高度）A课题问题：BC2.4 土壤水分特征曲线及其应用土壤水吸力与pF值土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线的主要影响因素土壤

13、水分特征曲线的滞后现象土壤水分特征曲线的应用2.4.1 土壤水吸力与pF值基质势m、溶质势s均为负值，不便应用，将其相反数定义为吸力：基质吸力：s=-m溶质吸力：s=-s基质势变化范围大：0(饱和)-1.5104cm (凋萎) -2.2105cm (风干)pF=lg(-m)=lg(s) 04.185.342.4.2 土壤水分特征曲线 （S.W.C.C）定义：基质势（土壤水吸力）随土壤含水率而变化，其关系称为土壤水分特征曲线（Soil water characteristic curve）或土壤持水曲线（Soil water retention curve)土壤水分特征曲线反映了土壤水和土壤基质

14、间的相互作用：高吸力：以吸附作用为主低吸力：以毛管作用为主基本形状土壤饱和： s=-m=0对土壤施加一定吸力，吸力较小时无水分排出，含水率维持饱和值当吸力增加至某一临界值sa后，土壤水分开始排出，含水率减小。 sa称为进气值一般地，粗质地的砂性土壤或结构良好的土壤，其Sa较小；相反，细质地的粘性土壤，其Sa较大吸力不断增大，含水率不断减小经验公式：通常由实验测得S关系后，利用最小二乘法进行拟合，Gardner et al., 1970 VG模型（ Genuchten et al.,1980 ）：BC模型：比水容量(Specific water capacity)：单位基质势变化引起的土壤含水率

15、变化（土壤水分特征曲线斜率的倒数） C()=d/ dm=-d/ ds2.4.4 土壤水分特征曲线的主要影响因素土壤质地：相同吸力下，不同土质的含水率差别较大土壤的粘粒含量越高，同一吸力条件下土壤的含水率越大相同含水率对植物的有效性不同土壤结构：土壤压实后孔隙度减小，大孔隙减少饱和含水率减小中等孔隙增加小孔隙变化不大一般的，土壤的粘粒含量越高，同一吸力条件下土壤的含水率越大温度：温度升高：水的粘滞性、表面张力下降，基质势增大（基质吸力减小）土壤水分变化历史：脱湿吸湿2.4.4 土壤水分特征曲线的滞后现象土壤水分特征曲线并非单值曲线主脱湿曲线（土壤从饱和到干燥过程曲线称为主脱湿线）、主吸湿曲线（土壤从干燥到饱和过程曲线称为主吸湿线 ）、扫描曲线（土壤从部分湿润开始排水或从部分干燥到吸湿过程线 ）。相同吸力下脱湿过程的含水率较大砂土滞后现象明显滞后现象形成的原因：瓶颈（墨水瓶）理论：脱湿过程