1、土壤的物理性质与过程,郭笑彤 ,1,2015-03-20,植物营养与土壤肥料学,土壤水,土壤质地与结构,土壤水,海洋水,大气层水,土壤水,江/河/湖 (雪山),地下水,水是生命之源,2004年 全国总用水量 5547.8亿m3农业 3585 亿m3 64% 2002年农业用水总计占79.2%。,2002、2004年水资源公报,为什么种在花盆里的花比种在园子里的更容易缺水？,水是如何留在土壤中的？ 土壤水与自由水有什么区别？ 土壤水是怎样运动的？ 为什么有的土耐旱，有的土不耐旱？ 土壤水的变化规律是什么？ 土壤水分如何测定？,土壤水,土壤水（soil water）,土壤含水量 土壤水的能态 土壤
2、水分运动 土壤水分平衡 土壤水的有效性,土壤水,土壤水的重要性 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。 土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。,土壤水,土壤水：soil water 土壤水实际上是指在105110温度下从土壤中驱逐出来的水。是指由地面向下至地下水面（潜水面）以上的土壤层次中的水分，亦称为土壤中的非饱和带水分（简称包气带水分）,土壤水,重力：受地球引力而产生。 保持力：土粒和水界面上的吸附力以及土壤孔隙内土壤固体表面、水和空气界面上的毛管力。,水在土壤中的所受的力,吸附力（a
3、dsorption）：主要是指土粒表面分子和水分子之间的分子引力，又称为范德华力或分子间力。 毛管力（capillarity）：实质上是毛管内固、气、水界面上产生的负压力，也叫弯月面力。,土壤水,（1）重力水（Gravitational water),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。,重力水在旱地是临时性的，对作物生长影响不大；在排水不良的渍水土壤或水稻土淹水状态下，重力水有重要的影响。,土壤水,（2）土壤吸湿水 (soil hygroscopic water), 吸湿水（或吸咐水） 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(maximum hygr
4、goscopicity)：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。,土壤水, 膜状水 (soil film water),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。,（2）土壤吸湿水 (soil hygroscopic water),土壤水,（3）土壤毛管水（soil capillary water),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。,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
5、最强 0.001mm 毛管作用消失,土壤水,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。,毛管悬着水 (capillary suspending water),（3）土壤毛管水（soil capillary water),毛管水断裂量: 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。,土壤水,毛管上升水(capillary supporting water) 自地下水面由下向上沿毛管上升而存在于土壤毛管中
6、的水分,毛管持水量:毛管上升水达到最大量的土壤含水量。,（3）土壤毛管水（soil capillary water),土壤水,质量含水量 （mass water content）：即土壤中水分的质量与干土质量的比值，又称为重量含水量，常用符号m表示，质量含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是kg/kg，用公式表示，即：,容积含水量（volumetric water content）：即单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称土壤容积湿度、容积分数，常用符号v表示。容积含水量常见用百分数形式表示，但目前的标准单位是m3/m3，即：,土壤含水量,土壤含水量的表示方法,土壤水,例：土壤烘干前
7、湿重为120g，烘干后重100g，求质量含水量。若土壤容重为1.46g/cm3，求容积含水量。,土壤含水量,水重 = 120 - 100 =20 g 干土重 = 100 g m20/ 100 10020.0 v m20.0 1.460.292,土壤水,田间持水量（field capacity) 在一个地下水埋藏较深、排水条件良好的平地上，充分供水，地表覆盖避免蒸发，待水入渗1-2天后，测得的土壤含水量。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。 萎蔫系数或萎蔫点（wilting coeffic
8、ient） 当植物根系无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，称为萎蔫系数或萎蔫点。,土壤含水量,土壤水,相对含水量（relative water content） 指土壤含水量(m)占田间持水量(f)的百分数。它可以说明土壤水的饱和程度、有效性和水、气的比例等。 土壤相对含水量 m / f 100,土壤含水量,土壤水,土壤贮水量（soil water pondage) 指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量 1）水深(Dw) 指在一定厚度(h)一定面积土壤中所含的水量相当于相同面积水层的厚度，量纲为L。,土壤含水量,Dw与v的关系如下: Dwvh 水层厚度（mm）土层厚度（mm）土壤含水量（容积
9、）,土壤水,土壤贮水量（soil water pondage) 指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量 2）容积水 即一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积数 Vm3/ha2 Dw(mm)*A(ha2)/ A(ha2) =10-3Dw(m) *A*10000m2/A(ha2)=10Dw(m3/ha2) 1ha2=10000平方米,土壤含水量,土壤水,一. 烘干法 (1)经典烘干法(2) 快速烘干法中子法TDR(时域反射仪)法,土壤含水量,土壤含水量的测定方法,土壤水,经典烘干法 经典方法，简便、准确、可靠。 不足：(1)需取出土壤，深层比较费力；(2)且定期连续测定土壤含水量时，不可能在原处再取样
10、，而不同位置上由于土壤的空间变异性，给测定结果带来误差；(3)烘干至恒重需时间较长，不能及时得出结果。,土壤含水量的测定方法,土壤水,快速烘干法 红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等。 虽可缩短烘干和测定的时间，但需要特殊设备或消耗大量药品。 不能避免由于每次取出土样和更换位置等操作所带来的误差。,土壤含水量的测定方法,中子法、TDR(时域反射仪)法,土壤水,土壤水的保持力土壤水势土壤水能态的测定土壤水分特征曲线,土壤水的能态,土壤水,土壤水在各种力如吸附力、毛管力、重力等的作用下，与同样温度、高度和大气压等条件下的自由纯水相比(即以自由水作为参比标准，假定其势值为零)，其自由能必然不同。
11、这个自由能的差用势能来表示，称为土水势 土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。,土壤水势,土壤水,由重力作用而引起的土水势变化。 重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都存在。 大小取决于研究点的相对高度，参照点以上为正，反之为负，参比面处重力势为0.,土壤水势重力势Gravitational Potential (g),2019/2/20,土壤水,压力势是指在土壤水饱和的情况下，由于受静水压力作用而产生土水势变化。,土壤水势压力势Pressure Potential (p),2019/2/20,饱和水层,土壤水,由吸附力和毛管力制约的土水势称为基质势(m)。,土壤水势基质势Matric
12、Potential (m),2019/2/20,土壤水,由溶解于土壤水的溶质引起土水势的变化，也称渗透势。 一般为负值。 土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。,土壤水势溶质势Osmotic Potential (s),土壤水,t = m + p + s+ g,土壤总土水势 Totol Soil Water Potential,土壤水,土壤水势的组成,土壤水,帕斯卡，Pascal。帕（Pa） 水柱高度(mm) 1Pa=0.1020mm水柱 1mm水柱=9.8064Pa (0时),土壤水势单位,土壤水,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-
13、m ,正值,土壤水吸力,一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反。,土壤水,土壤基质势的测定张力计法压力膜法,土壤水,土壤水的基质势随土壤体积含水量变化的关系曲线 soil water characteristic curve,土壤水分特征曲线,土壤水,土壤体积相对含水量 %,0 20 40 60 80 100,106 105 104 103 102 10 1 0.1,土壤水吸力 KPa,粘土,壤土,砂土,-15 bars,不同质地的土壤水分特征曲线,土壤水,土壤水分曲线的滞后现象：对于同一土壤，即使在恒温条件下，由土壤脱湿（由湿变干）过程和土壤吸湿（由干变湿）过程测得的水分特征曲
14、线也是不同的。,滞后作用中“墨水瓶效应”的示意图,土壤水分特征曲线,土壤水,永久萎蔫点 Permanent Wilting Point 土壤基质势为 -1,500 kPa (-15 bars). 土壤可利用水的最低限制,1) 水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,田间持水量 Field Capacity 土壤可利用水的最高量此时基质势为-30KPa,1) 水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,1) 水分有效性的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,15%,12%,砂壤土,?,12%,15%,粉壤土+砂壤土,?,-7.0 bar,-9.0 bar,-12.0
15、bar,-9.0 bar,2)水分运动方向的统一表达,土壤水分能量概念的意义,土壤水,土壤水因受到各种力的束缚, 自由运动能力的改变. 土壤水有效度的统一表达. 土壤水运动方向的统一表达. 土壤水与植物根系吸水/传输/叶片蒸腾的统一比较,土壤水势,土壤水,液态水汽态水SPAC系统,土壤水运动,土壤水,土壤水运动,土壤液态水的运动（the flow of liquid water in soil） （1）饱和流（saturated flow）土壤孔隙全部充满水时的水流。 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，即单位时间内流经单位面积土壤的水量土壤水通
16、量与土水势梯度成正比,出现饱和流的一些情况 ： 大量持续降水和稻田淹灌 地下泉水涌出 水库库底等,土壤水,达西定律,q表示单位面积的土壤水流通量（cm3.cm-2.h-1），H表示总水势差（实际当中一般用厘米水柱表示，单位cm），L为水流路径的直线长度(cm)，Ks为土壤饱和导水率(cm.h-1)。,土壤水,q = -Ks (ha-hb)/L,达西定律,饱和导水率 (Ks)：反映土壤本身的特性，与土壤松紧度、质地、结构、孔隙状况（数量/大小/形状）密切相关。 Ks的空间变异性极大：数量级差异。,土壤水,非饱和流：土壤孔隙未全部充满水时的流动。发生情形：大多数情况(旱地)推动力：基质势梯度和重力
17、势梯度,饱和流与非饱和流,土壤水,水流的通道,含水量越高，通道越多,土壤水含量与导水率,土壤水,Pore size and water movement,土壤水,水分入渗过程(infiltration),the movement of water into the soil from surface,土壤水,温润前锋,Soil texture and Infiltration,砂壤土,粘壤土,Soil texture and Infiltration,上砂 + 下粘,上粘 + 下砂,土壤水的再分布 (soil water redistribution),概念：土壤水 入渗过程结束后，水在重力和
18、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,在地下水埋深较浅时，土壤水通过剖面上的再分布可能达到地下水，从而补给地下水，促使地下水位抬高，或者随着地下水流侧向排到它处。这时人们将再分布进一步延续的过程称之为“内排水”。也叫土壤水的渗漏。,土壤水的渗漏（soil water percolation）,土壤水,1. 蒸发(Evaporation)2. “夜潮”现象 3. “冻后聚墒”现象,土壤水运动,土壤气态水的运动(water vapor movement in soil),土壤水,土壤气态水的运动蒸发,土壤水不断以水汽的形态由表土向大气扩散而逸失的
19、现象,土壤水,蒸发条件及影响因素 不断有热量到达土壤表面，以满足水的汽化热需要（15 , 1g水的汽化热约为3.47kJ） 土壤表面的水汽压须高于大气的水汽压，以保证水汽不断进入大气 表层土壤须能不断从下层得到水的补充。 影响因素：空气和水的温度；风速；太阳辐射；空气湿度,土壤气态水的运动蒸发,土壤水,阶段： 稳定蒸发阶段 蒸发率降低阶段 扩散控制阶段意义：A 水循环的环节B (农业) 损失C 动力,时 间,土壤气态水的运动蒸发,土壤水,水同位素的激光测定,65,2010,12 越南,2011,9 北京,土面蒸发/植物蒸腾,土壤水的来源,白天土壤表层在大气蒸发力的作用下，水分因不断蒸发而减少，
20、变干。 夜间降温，使得底土温度高于表土，水汽由底土水气压高处向水气压低处的表土方向移动，遇冷便凝结，使白天晒干的表土又恢复潮湿。 多出现于地下水埋深较浅的“夜潮地”,土壤气态水的运动“夜潮”现象,土壤水,由于冬季表土冻结，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、使冻层含水量不断增加 我国北方冬季土壤冻结后的聚水作用,土壤气态水的运动“冻后聚墒”现象,土壤水,W = P + I + U ET R In - D,P:rainfall (mm)； I:irrigation (mm)； U: 毛管上升水(mm) ET: 蒸散量 (mm)； R: run-off (mm
21、)； In:植物冠层截留量 (mm)； D:下渗水量 (mm)。,农田水分平衡公式,土壤水,Soil-Plant-Air Continuum,土壤-植物-大气连续体 土壤中的水分被植物根系吸收而进入植物体，并在植物体内传导，到达叶片后从气孔蒸腾到大气的统一的、物理的、连续体系。SPAC,土壤水有效性-SPAC,土壤水,在SPAC体系中，水流总是由水势高处流向水势低处，其通量与水势差成正比，与相应的阻力成反比。,Soil-Plant-Air Continuum,土壤水有效性-SPAC,土壤水,土水势根水势叶水势， 植物能顺利地从土壤中吸水，并满足蒸腾耗水时，植物就不会萎蔫。土水势根水势叶水势，
22、水通过植物的阻力加大，植物吸不到水，或入不敷出时，植物就会发生萎蔫。,Soil-Plant-Air Continuum,土壤水有效性-SPAC,土壤水,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（plant available water） 。其中因其吸收难易程度不同又可分为速效水(或易效水)和迟效水(或难效水)。通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限。低于萎蔫系数的水分，作物无法吸收利用，属于无效水。这时的土水势(或土壤水吸力)约相当于根的吸水力(平均为-1.5MPa)或根水势(平均为-1.5MPa)。一般把田间持水量视为土壤有效水的上限。所以田间持水量与萎蔫系数之间的差值即土壤有效水最大含量。土壤有效水最大含量()田间持水量()萎蔫系数(),土壤水有效性,土壤水,土壤水有效性,土壤水,本节重点,基本概念:吸湿系数, 萎蔫点, 毛管水, 田间持水量,饱和含水量. 土壤含水量表示方法 土水势(基质势，压力势，总土水势) 土壤水分特征曲线 有效水量的含义 土壤水分能量概念的意义 蒸发条件与影响因素 农田水分平衡公式,土壤水,
