第四章 水环境

第四章水分环境及调控杨再强南京信息工程大学yzq@主要内容水分性质及类型土壤水分运动水分平衡温室水分调节1)表面张力：由物态内部的引力促使液体表面收缩的力。影响因子：

A.温度：温度越高，液体的表面张力越小。

B.液体的纯度：水中溶入酸、酯等物时，其表面张力（系数）相对纯水会减小，并随溶液浓度增加而渐小（20℃下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从72.75×10-3N／m，减至40×10-3N／m）。

1.水的物理性质第一节土壤水分类型液体（Nm-1)水72.5×10-3水银540×10-3甘油65×10-3乙醚17×10-3酒精22×10-3在20ºC时，几种液体的表面张力2)弯曲液面下的附加压强

自然界中的静止的液面，有平面、凹面和凸面。有许多情况下液面是弯曲的，如水滴、肥皂泡。弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强。

在凸面情况下，附加压强是正的，在凹面情况下，附加压强是负的。附加压强与曲面的曲率半径有关：

P=2/R:表面张力系数；R:球形液面的半径。常温下水的表面张力系数

=7310-3Nm-1RrφΔSdf2df1φo3).浸润现象

在液面与固体的接触处，分别作液体表面和固体表面的切面，这两个切面在液体内部的夹角，称为液体与固体的接触角。

接触角为锐角时，表示液体润湿固体，如图(a)所示。若接触角等于零，就称液体完全润湿固体。当接触角为钝角时，表示液体不润湿固体，如图(b)所示。若接触角等于，就称液体完全不润湿固体。

将毛细管插入液体内，管内外液面会产生高度差。如果液体能浸润管壁，管内液面升高；如果液体不能浸润管壁，管内液面反较管外低，这一现象叫毛细现象。毛细管内液体上升高度与毛细管管径的关系：

h:毛细管内液体上升的高度.:表面张力系数.r:毛细管管半径.:液体密度.:接触角.4).毛细现象5)液体的粘滞性

在运动状态下，液体具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性。液体的粘滞性使液体内部出现成对的切力：

F=du/dyF:内摩擦力，:比例系数，称为液体的粘度,:接触面积，du/dy：流速梯度，是液体粘滞性的度量，其值越大，粘滞作用越强。的影响因子主要是温度.温度05101520253040/10-3Pas1.781.521.311.141.000.890.800.652.土壤水的类型吸湿水膜状水毛管水重力水1115432注：1.土粒2.吸湿水3.膜状水

4.毛管水5.空气孔隙234

吸湿水(紧束缚水)：干燥土壤在空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子层或多分子层，称为吸湿水。(分子引力,静电引力).特点：紧靠土粒，引力大，水分子呈紧密定向排列。不同于常态水，无溶解溶质的能力，不能以液态水移动,只能靠气体扩散方式运动.(1)吸湿水质地名称吸湿水(gkg-1)最大吸湿量(gkg-1)砂土5-15>15轻壤土15-3030-50中壤土25-4050-60粉砂质粘土69-8080-100泥炭180-220

土壤质地与吸湿量的关系吸湿量：吸湿水含量占干土重的分数（g.kg-1）。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。(2)膜状水定义：土粒吸附气态水饱和后，其表面与液态水相接触，此时土粒还有剩余分子引力吸附液态水，这种水分称为膜状水(松束缚水).特点：存在于吸湿水层以外,引力（分子引力）较小，分子定向排列差，较松弛。可从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢.作物在干旱条件下可利用部分，但补给困难，仍使作物受旱害。膜状水示意图当膜状水达到最大厚度时的土壤含水量称为最大分子持水量。(3)毛管水定义：当土壤含水量超过膜状水最大量后，其吸引力小于0.625兆帕，可形成移动性较大的自由水。存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。

特点：毛管水所受引力（毛管引力）在0.625-0.01兆帕范围内，它比一般植物根系渗透压要小得多，因此，植物易于吸收利用。它既可保持在毛管孔隙中，又可在土中各个方向上运动。运动速度快，对作物吸水与补给有利。它不但溶有各种养分，而且能使养分输送到植物根系附近。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

毛管作用消失根据毛管水分为毛管悬着水和毛管上升水。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。

毛管上升水：地下水随毛管孔隙上升而被毛管力保持在土壤中的水份。土粒毛管悬着水示意图土粒毛管上升水示意图地下水位田间持水量

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。（4）重力水定义：土壤含水量达到田间持水量之后，过量的水分不能为土壤毛管引力所保持，受重力支配，沿着土中大孔隙向下迅速移动，此种水分称为重力水。其性质与常态水相同，引力接近零，易被植物吸收利用。通常因水分饱和，空气不足产生渍害，只有在水稻田中可以利用。

土壤水分有效性综合示意图一、土壤含水量的表示方法1.质量含水量（m）2.容积含水量（v）

V=m·

3.相对含水量（%）第二节.土壤含水量表示及测定方法二、测定方法

1.烘干法又称重量测定法m=mw/msmw=m-ms此方法的优点：简单、直观缺点：代表性差干扰田间土壤水的连续性2.中子法（1）原理：将（镅—铍）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。土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢中子云密度就越大。（2）优点：可反复测定而不破坏土壤，受温度的影响小。（3）缺点：价格昂贵，空间分辨率低，不能测定表层土壤的含水量，中子和射线对人体健康有影响。中子土壤水分仪3.射线法(1)原理：与中子仪类似，γ射线透射法利用放射源137Cs放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到，放射性同位素放射的射线穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高。(2)优点：空间分辨率高，可测定表层土壤含水量，并可在瞬时状态下较准确地测定土壤含水量.(3)缺点：两个平行测孔的间距很难严格控制，比起中子仪来，射线仪对人体健康的危害更大。4.TDR法(1)时域反射法原理：即TDR（TimeDomainReflectometry）法，它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。(2)优点：简单易行，直接可读出测定值。(3)缺点：仪器昂贵，分辨率低，只能测定整个剖面土壤含水量的平均值。(一)土水势及其分势土壤A砂土10%土壤B粘土15%标注土水势的优点三.土壤水的能态1.重力势g(gravitationalpotential)重力势（g）是指由重力作用而引起的土水势变化。任何时候重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.g=g×h

g---重力加速度

h----土壤水高于参照水位的高度。2.基质势（matric

potential)m

基质势m(或水势头h)：是由于土壤基质的毛管作用和吸附作用引起的。基质势在任何情况下都小于或等于零。吸附水毛管水3.压力势p(Pressurepotential)

压力势p(或水势头)

：当土壤处在地下水自由水面以下或土壤表面长期积水情况下，土壤水具有压力势。压力势由土壤水静水压力所产生的。p=wghV

压力势在任何情况下都大于或等于零。（该值很小，可忽略不计）。4.溶质势s(或渗透势)(Osmoticpotential)

溶质势s是土壤中所有溶质对土水势综合影响的结果。s=-MRTM---溶液浓度；R---气体常数；T---绝对温度如果以纯自由水的溶质势为0，则在其他相同条件下含有溶质的土壤水的溶质势为负数。必须强调的是，溶质势只有在半透膜存在情况下才起作用。在不存在半透膜的情况下，溶质势为0。

1.概念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。将基质势和溶质势的相反数定义为吸力S，分别称为基质吸力和溶质吸力。(二)土壤水吸力2.pF值

当土壤基质势用cm水柱表示(h)时，由于其值变化幅度太大，使用起来不方便，因而用pF值作为水势头的一种表示方法。

pF=lg(-h)如：h=-1000cm，则pF=3.风干状态接近萎焉点接近田间持水接近饱和PF0.02.04.26.0含水率<10%10-30%30-60%>60%(三)土水势的定量表示方法单位质量土壤水分势能，表示符号为T,单位为J/kg,称为化学势.单位容积土壤水分势能，表示符号为T,单位为牛顿/米2,称为土壤水势.单位重量土壤水分势能，表示符号为hT,单位为米,称为水势头。四.土壤水分特征曲线

1.定义：土壤含水量和土壤基质势或土壤基质吸力之间的关系称为土壤的特征曲线。土壤水分特征曲线实际上反映了土壤水和土壤固体的相互作用关系。2.水分特征曲线的用途：（4）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。（1）可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的换算。（2）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。（3）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。（1）质地：对于同一吸力而言，粘土的含水量最大，壤土居中，砂土最小。（2）结构：土壤压实后，孔隙度减少，特别是土壤团粒之间的大孔隙大为减少，因而饱和含水量明显降低。（3）温度：表现在对粘滞性和表面张力的影响。（4）滞后作用：土壤吸湿过程和脱湿过程中测得的土壤水分特征曲线是不同的，这种现象称为土壤水分特征曲线的滞后现象。3.影响土壤水分特征曲线的因素010203040506070土壤水吸力黏土壤土砂土土壤含水量%产生滞后现象的原因土壤的几何形状：在同样持水情况下，脱湿过程的吸力大于吸湿过程的吸力，这种现象称为“瓶颈效应”土壤水和土壤固体的接触角不同。滞后现象对土壤的保水有利。五.土壤水流(一)土壤水汽运动水汽总是从水汽压高处向低处移动,从温度高处移向温度低处。1“夜潮”现象：多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”。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。

(二)、液态水的运动（1）土壤中所有孔隙充满水的原因：A.排水不良的土壤底层;B.质地粘、渗水率低、易产生滞水层;C.地表因降水强度大于土壤入渗率，短时间发生地表积水;D.地下水面以下的土层。1、饱和流(SaturatedSoilWaterFlow)(2)达西定律饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律：单位时间内通过单位面积土壤的水量（q)与土水势梯度成正比。

Ks:饱和导水率（cm/h）,ΔH:土柱和水柱高度和，L：土柱高L饱和导水率：土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度。饱和导水率的特点：(3)饱和流导水率

①饱和导水率是常数。②是土壤导水率的最大值。③主要取决于土壤的质地和结构。沙质土>壤质土>粘质土影响饱和导水率的因素：质地：水通量与孔隙半径4次方呈正比。结构：土壤结皮对土壤饱和导水率有显著的影响。有机质含量。粘土矿物种类。分级很慢慢稍慢中等稍快快过快饱和导水率(cm/h)<0.1250.125-0.50.5-2.02.0-6.256.25-12.512.5-25.0>25.02.土壤非饱和流（unsaturtedsoilwaterflaw)

土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流，其表达式为：K(m)为非饱和导水率，d/dx为总水势梯度，毛管机制是土壤的中等大小孔隙中受土水间水分凹月面力控制与保持的一种水分运动。毛细管内液体上升高度与毛细管管径的关系：

h=4cos/(Dg)h:毛细管内液体上升的高度。表面张力，D:毛细管管径。：液体密度。土壤中毛细管水运动方向如下：由质地粗的土层向质地细的土层方向运动由含水量高处向含水量低处的土中运动向着根系层及表层土壤蒸发面运动。不同质地土壤毛管水上升高度质地高度(m)砂土0.5-1.0砂壤轻壤土1.5粉砂质壤土2.0-3.0中、重壤土1.2-2.0轻粘土0.5-1.0经验公式：K(S)，K()为非饱和导水率；Ks为饱和导水率；a,b,C,m为经验常数非饱和导水率是土壤基质势的函数

3.饱和流与非饱和流差异（1）土壤水流的驱动力不同饱和流的驱动力是压力势和重力势梯度，而的驱动力是基质势和重力势梯度。（2）导水率的差异土壤的非饱和导水率远远低于饱和导水率。（3）土壤孔隙对饱和水流和非饱和水流影响的差别.

一、定义及水势的计算

1.定义大气水分以降水形式到达地面，经分配后进入土壤，大量的水分通过植物根系吸水经植物体运输到叶片，再由叶片中的液态水变为汽态水而输送到空气中。这种贯通土壤—植物—大气连续的水流可以直观的理解，称为土壤—植物—大气水分循环系统。土壤—植物—大气水分循环系统水分循环的动力，是植物的蒸腾作用。第二节土壤-植物-大气水分循环系统

2、水势的计算

（1）液相（如糖液、盐溶液）的水势式中，Vw为水的克分子体积（18.07CM3），R为气体常数，T为气温，Nw用下式表示：水的克分子数

Nw=—————————————

水的克分子数+溶质克分子数（2）气相的水势式中，P为试验小室内空气的水汽压，P0为纯水在该温度下的水汽压，RH为该温度下小室内空气相对湿度，其余各项的意义同前。二、水分平衡

1、自然植被地水分平衡在土壤—植物—大气系统中，自然植被地的土壤水分平衡方程中主要包括输入项、输出项和贮存项。输入项：降水R毛管上升水Sg

植物截留Ir

输出项：植物蒸腾Ep

、土壤蒸发Es、径流与排水q

贮存项：植物体蓄水△Sp、土壤蓄水△Ss水分平衡方程:

（R+Sg+Ir）-（Ep+Es+q）=△Sp+△Ss

SPAC系统中水分运移过程模式图

2、农田土壤水分平衡农田土壤水分平衡方程：

（R+Sg+K）-（Es+Ep+q1+q2）+Wh-Wk=0R为某时期内的降水量，Sg为毛管水上升量，K为该时期内的灌溉量，Es为土壤蒸发量，Ep为植物蒸腾量，q1为地表径流量，q2为地下径流量，Wh、Wk分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+Ep称为植物的蒸腾量。图3-4全球水分循环示意图(据BotkinDB,1998)

图3-18

土壤系统的水分运移模型

3、降水后的分配（1）截留降水落到地面之前，首先被植物冠层截去的那部分降水。主要影响因子：降水时间降水强度植被类型植被覆盖度（2）下渗（渗透）

降水经植物截留后剩余的水透过地表渗入土壤中的过程称为渗透。●渗透系数下渗量（ƒ）

渗透系数（μ）=———————

降水量（R）

●入渗速率式中i为入渗速率；s为吸水率；t为时间；A为常数。三、土壤水分的再分布入渗作用结束后，水分在重力、吸力和温度梯度作用下，继续向较干的下层移动，这个过程称为土壤水分的再分布过程。土壤水分再分布的速率主要取决于再分布开始时土壤上层的湿润程度和下层土壤干燥程度。再分布速率与渗透速率一样，也是随着时间的后延而减小。三、土壤—植物—大气系统水分传输过程

（1）系统水流的各个过程和途径

a.土壤中的水分向根表皮流动；

b.水分被根表皮吸收通过根及茎的木质部输送到叶片的叶肉细胞；

c.从叶肉细胞汽化后进入气孔；

d.水汽经过气孔扩散到大气中。水势的概念通用于水流的各个过程，如土壤水势、根系水势、叶片水势、空气水势等。（2）水分流动的基本规律

水分总是从水势高的地方流向水势低的地方，其流量与水势差成正比，而与水流阻力成反比。如果在整个系统中水的流量保持不变，上述关系可用下式表示：式中，Δφ1、Δφ2、Δφ3分别为土壤与根、根与叶和叶与大气之间的水势差；R1、R2、R3分别为相应的阻力；Q为水通量。四、

土壤水的调控（1）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。（2）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%。1.土壤水的有效性不同质地土壤的有效水分含量图2.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。

3.水分高效利用的途径

合理开采;分配和管理；减少输水损失；提高灌溉效率。4.土壤水的调控措施

主要包括土壤水的保蓄和调节。1)耕作措施秋耕中耕镇压等2)地面覆盖薄膜覆盖秸秆覆盖3)灌溉措施喷灌、滴灌、渗灌4)生物节水第四节设施水分和湿度调节一、设施湿度对作物的影响1.植物体内养分运输必须在水分充足下进行

2.园艺作物器官含水率高，对水分需求量大

3.土壤湿度影响根系生长和对养分吸收，也影响产量与品质。1g干物质需要400-800g水。

4.不同作物对水分需求不同。

耐旱植物、湿生植物、中生植物。

5.空气湿度大、茎叶生长旺盛。同时病害易发生。

二、空气湿度调节1.设施内空气湿度的形成（1）通风除湿（2）加温除湿（3）覆盖地膜（4）控制灌溉（5）使用除湿材料，如氯化锂（6）使用除湿热交换机。2.空气除湿空气湿度调节通风排气降湿除湿用全热交换型通风装置空气换气调湿安装湿帘加湿3.空气加湿（1）喷雾加湿（2）湿帘加湿（3）降温加湿三、土壤和基质水分调节1.灌溉量确定TRAM=(FC-IP)XDX10/CPFC-田间持水量(mm)；IP-生长受阻点(%)；D-限制土层厚度(cm)；CP-限制土层耗水率(%)。主要温室作物灌水指标参考范围作物种类灌水指标pFMPa藕、茭白0—1.80—0.006黄瓜、大白菜、芥菜2.2—2.50.016—0.032葱蒜类2.4—2.60.025—0.040笋瓜、西葫芦、番茄2.5—2.70.032—0.051南瓜、西瓜、甜瓜等3.0—3.20.100—0.160

温室主要蔬菜的灌水量和间隔日数蔬菜种类灌水量(mm)间隔日数（d）每次每天番茄2.717.59.0黄瓜4.424.042.0甜椒10.025.235.0茄子4.8__19.43.0__6.01.6__2.9芹菜4.57.37.01.02.44.5式中：SWS——土壤水分胁迫指标（mm）;

wo——某时段土壤的初始贮水量（mm）;

wj——植物正常生长发育所允许的最小土壤贮水量界限值（mm）;△woj——时段初土壤贮水量与植物正常生长发育所允许的最小贮水量界限值之差（mm）。土壤水分胁迫指标2.灌溉技术淹灌喷灌滴灌地下灌溉四.温室湿度动态模拟2.冷凝损失的水汽量第五节节水农业研究现状与发展趋势一、节水农业研究现状二、节水农业研究成果三、节水农业的发展趋势

“十五”期间，农田受旱面积年均达3.85亿亩，平均每年因旱减产粮食350亿kg。我国的淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%我国用水增长情况单位：亿m3

一、节水农业研究现状（一）几个概念

1、农业与水资源

——可耕地1.33亿km3

(20亿亩)——水地、水浇地0.53亿km2

[7.6(8.2)亿亩]——灌溉用水量6600m3/km2(440方/亩)世界13个贫水国之一（2.81×104亿m3

、6位；人均2220m3

、<1/4、121位一、节水农业研究现状2、节水农业(Water-savingAgricultureorWater-savingFarming)的概念充分利用降水和高效利用灌溉水的农业，提高作物用水有效性。水利措施与农业措施相结合，提高管理水平，实现既定作物产量与品质目标的农业。3.水的利用率：渠系水利用系数=[水源-(蒸发+渗漏)]/总输水量田间耗水量=[(作物蒸腾+土面蒸发)或渗入根层]/降水或灌溉量4.水的利用效率：作物消耗单位水所获得的产量Kg/m3

单位灌溉水量所能增加的产量

4、节水农业与旱地农业

——节水农业=充分利用降水+可利用水资源

——旱地农业=充分利用降水

——节水农业=灌溉农业+旱地农业没有不用水的农业一、节水农业研究现状（一）几个概念6、节水农业与精准农业

——节水农业=作物+

农田水分环境

——精准农业=作物×水肥控制区别：目标、内容、途径、方法、模式一、节水农业研究现状节水灌溉节水农业生态农业高效模式一、节水农业研究现状（二）国内外比较1、年代国外——20世纪40年代初国内——20世纪80年代末2、发展阶段国外——10年一个阶段国内——5年一个阶段一、节水农业研究现状（二）国内外比较3、规模与范围国外——大，果蔬、花卉、农作物国内——小，农作物、果蔬、花卉4、质量与水平国外——质量高、品种全、自动化控制，国内——人工控制为主，辅以计算机控制“八五”设立国家重大科技专项“九五”设立国家科技重点攻关项目国家自然科学基金重大项目“十五”设立“863”国家重大科技产业工程项目“十一五”继续设立“863”节水农业重大课题（三）我国节水农业的兴起与发展气候、土壤、水资源状况，生产力水平、社会经济发展水平（三）我国节水农业的兴起与发展二、节水农业研究的重要成就1、大中型灌区节水改造与管道续建

——农业用水量占全国年总用水量73%——灌溉用水3598亿m3

，农业用水占90%——全国各灌区各类渠道总长度达到300多万Km，土渠占80%二、节水农业研究的重要成就1、大中型灌区节水改造与管道续建（1）渠系防渗技术

——土料

——水泥土

——砌石

——混凝土

——膜料

——沥青混凝土

——填淤与化学生物法

30%得到改造年代灌溉水利用系数20世纪70年代末20世纪80年代末20世纪90年代末21世纪前5年0.30.350.4—0.450.5国外0.7—0.9二、节水农业研究的重要成就1、大中型灌区节水改造与管道续建（2）管道输水技术

——材料塑料硬管（硬聚氯乙烯管、聚乙烯管材）混凝土管（预制管、现场浇注混凝土管）其他类

——附属设备

给水栓（出水口）安全保护装置（调压管、进排气阀、安全阀）计量设备（堰、电磁流量计、孔板差压量水计）二、节水农业研究的重要成就2、节水农业前沿与关键技术研究——SPAC系统水分、养分迁移规律和调控理论农田水分转化规律、根冠信息传递与信号振荡、水分养分传输动态模拟、作物需水规律与计算模型、抗旱节水机理——作物非充分灌溉理论与模式二、节水农业研究的重要成就2、节水农业前沿与关键技术研究——水资源合理开发利用技术——高效输配水技术——田间节水灌溉技术——灌溉用水管理技术二、节水农业研究的重要成就2、节水农业前沿