第六章 土壤水

第六章土壤水第一节土壤水的类型及其有效性第二节土壤水的能态第三节土壤水的运动第四节土壤水分平衡第五节土壤水分管理土壤水分的重要性农谚：有收无收在于水，收多收少在于肥土壤水=土壤溶液1）供作物生长需要2）影响养分的溶解和移动3）土壤的氧化还原电位4）有机质的分解与积累5）土壤热量状况6）土壤的耕性我国水资源的基本特点：1.水资源空间分布特点地区间水资源分布不均匀，水土组合极不平衡。我国东部区为多雨带，而西部区为缺水带。2.时间分布特征水资源年际间变化和年内分配不均，半干旱、半湿润区甚至南方出现季节性缺水。3.水资源与耕地资源组合不协调我国北方耕地多而水资源量小，南方地区耕地少而水资源丰富。我国农业水资源缺乏且用量大，但利用率低，短缺与浪费是我国农业用水紧张的重要特征。第一节土壤水的类型及其有效性一土壤水的形态分类根据土壤水的存在形态可将土壤水分为：固态水solidwater气态水gaseouswater液态水吸湿水（紧束缚水）hygroscopicwater膜状水（松束缚水）membranewater毛管水capillarywater重力水gravitationalwater地下水groundwater1吸湿水hygroscopicmoisture由土壤的吸附力所吸附、保持在土粒表面的水分叫吸湿水。土壤的吸湿性hygroscopicity是由于土粒表面的分子引力molecularattraction和胶体带电离子和表面静电引力作用所引起的。这种力很大，约在3.1~2000MPa，而根细胞的渗透压一般为1.5MPa左右，所以不能利用。粘土的吸湿水大于壤土，壤土大于沙土。空气相对湿度愈大，吸湿水含量愈大。空气相对湿度水分子呈定向紧密排列、密度1.2~2.4g/cm3、具固体水性质，无溶解能力、不能以液态水自由移动。2膜状水membranewater土壤饱吸了吸湿水后，还吸引一部分液态水，在土粒周围的吸湿水层外围形成很薄的水膜watermembrane。膜状水示意图膜状水所受的吸引力比吸湿水小得多，为633.28~3141.00kPa。膜状水具有液态水性质，可以从水膜较厚处往水膜较薄处移动，植物可以利用一部分膜状水。膜状水又称松束缚水。3毛管水capillarywater借助于毛管力capillaryforce，吸持和保存在土壤孔隙系统中的液态水。毛管水所受到的引力为8.11~633.28kPa，低于植物根细胞的渗透压。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毛管力计算（单位为达因/cm2）(达因dyne:质量为1g的物体产生1cm/s的加速度所需要的力)：P（毛管力）=2T（表面张力）/R（毛管半径）植物生长所需水分主要来自毛管水。土壤质地粘，毛管半径radius,semidiameter小，毛管力就大。当孔径0.001mm，因孔径过小被水膜封闭，毛管作用消失。毛管水分为两种：毛管悬着水支持毛管水毛管悬着水soilcapillarysuspendingwater：指由于大气降水或灌溉后土壤所吸持的液态水。毛管悬着水达到最大值maximum时的土壤含水量即为田间持水量fieldcapacity,fieldmoisturecapacity。土粒毛管悬着水示意图田间持水量的变化范围大致是：砂土为：160~220g/kg；壤土为：220~300g/kg；粘土为：280~350g/kg。支持（上升）毛管水soilcapillarysupportingwater：指土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部分水分。毛管支持水达到最大时的含水量称为毛管持水量。土粒毛管上升水示意图地下水位毛管水上升高度：H（上升高度cm）=0.15/r（毛管半径）或H（上升高度mm）=75/d（土粒平均直径）实际上往往达不到理论值，一般最高2-3m。不同质地土壤，毛管水上升高度不同，沙土最低，壤土最高，粘土居中。4重力水gravitationalwater当大气降水precipitation或灌溉irrigation强度超过土壤吸持水分的能力时，多余的水就由于重力作用通过大孔隙向下流失，这种形态的水称为重力水。重力水若长时间存留在土壤中，易引起植物根系respiratory呼吸困难，使土壤呈还原deoxidized状态，并产生毒害性poisonous物质。5地下水groundwater若母质或土壤有不透水层imperviouslayer存在，向下渗漏leak的重力水，就会在不透水层上面的土壤孔隙中聚集起来，形成一定厚度的水分饱和层，其中的水可以自由流动，这种形态的水称为地下水。地下水位：凿井时流出的水会在井中形成自由水层，这一水层的水平面离地表的深度称为地下水位。地下水位高表示离地表近；地下水位低表示离地表远。二土壤含水量的表示方法1质量mass含水量2容积volume含水量3相对relative含水量4土壤水层厚度5绝对水体积（容量）质量含水量：土壤中水分的质量与烘干土质量的比值，又称重量含水量质量含水量(g/kg)=（土壤水质量/烘干土质量）×1000容积含水量：土壤总容积中水所占的容积百分数为容积含水量容积含水量=（土壤水容积/土壤总容积）×100容积含水量=质量含水量×土壤容重（密度）相对含水量：土壤质量含水量占田间持水量的百分数。相对含水量=质量含水量/田间持水量×100%。相对含水量可以指示土壤水的饱和程度，有效性大小和水气比例。土壤水层厚度：一定面积和厚度土壤中含水量相当于此面积下水层的厚度水层厚度（mm）=土层厚度（mm）×容积含水量（%）绝对水体积一定面积和一定厚度土壤中所含水量的体积，主要用于确定灌水量和排水量。三土壤水分常数及土壤有效含水范围1.吸湿系数hygroscopiccoefficient2.凋萎系数wiltingpoint3.田间持水量fieldcapacity4.全容水量totalvolumemoisture5.有效含水范围availablewatervolume1.吸湿系数hygroscopiccoefficient烘干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最大量与烘干土重的百分比。其大小主要与土壤的比表面积（单位质量土粒的表面积总和）及有机质含量有关。比表面积大（颗粒细）的土壤，含有机质丰富的土壤，吸湿系数大。2.凋萎系数wiltingpoint土壤供水不足，使植物产生永久萎蔫时的土壤含水量。由于不同植物的耐旱能力各不相同，所以一般用盆栽向日葵作为直接测定凋萎系数的植物。有时用吸湿系数乘1.34间接求算不同质地土壤的萎蔫系数(%)土壤质地粗沙土细沙土沙壤土壤土粘壤土萎蔫系数0.96~1.112.7~3.65.6~6.99.0~12.413.0~16.63.田间持水量fieldcapacity降雨或人工灌溉大量水后，在无蒸发的条件下，土壤非毛管孔隙系统中的水已由于重力作用而基本被排除时（通常规定为48小时）的土壤持水量。田间持水量包含了吸湿水，膜状水和毛管悬着水的全部。相当于凋萎系数的2.5倍不同质地土壤的田间持水量（%）土壤质地沙土沙壤土轻壤土中壤土重壤土粘土田间持水量10~1416~2020~2422~2624~2828~32田间持水量的测定方法：田间实测；环刀取土，室内测定4.全容水量土壤所有孔隙完全充满水时的土壤含水量，叫全容水量。全容水量包括了吸湿水，膜状水，毛管水和重力水。土壤只有在大量降雨或灌溉时才能达到全容水量。5土壤有效含水范围土壤有效含水范围指土壤所含的植物可以利用的水量土壤水的有效范围(A)=田间持水量(F)-凋萎系数(W)一般=2.5×吸湿系数有效含水范围与下列因素有关•土壤质地soiltexture•土壤结构soilstructure•土壤有机质soilO.M.•土壤层次soillayer1)土壤质地壤土粘土沙土2)土壤结构一般具有团粒结构的土壤，田间持水量大，有效含水范围也大。3)土壤有机质有机质持水能力强，导致凋萎系数增大，故对有效含水范围影响不大。但有机质能增强土壤的渗透性，有利于土壤接受降雨，可增加土壤的实际含水量。4)土壤层次由于不同土层的结构，有机质含量等均不相同，所以有效含水范围也有较大差异。一般是表层高于下层。东北黑土不同土层的有效含水范围层次深度(cm)田间持水量（%）凋萎系数（%）有效含水范围（%）0-1048.014.233.840-5029.512.317.2200-21020.39.211.1四土壤含水量的测定方法1烘干法2电阻法3中子散射法4TDR法1烘干法dryingmethod：标准方法：使用最普遍将田间采回的土样在105-110℃条件下烘干至恒重（6-8小时）；或用红外线infrared烘干法，微波炉micro-waveoven烘干法，酒精燃烧法。测定结果为土壤质量含水量。2电阻法resistancemethod电极放在石膏gypsum、尼龙nylon或玻璃纤维fiberglass制成的传感器sensor中，然后将传感器埋入土壤。传感器的多孔体吸水达到平衡，读取电阻读数。利用已校订的土壤含水量与所测电阻关系，求算土壤含水量。3中子散射neutronscattering将快中子源和慢中子探测器放在埋入土壤的封闭套管中。快中子源放射出快中子，这些中子与土壤水中的氢核碰撞collide后，失去部分能量而变成慢中子。通过慢中子探测器量测出慢中子数量，并经标定公式求出土壤水含量。方法比较精确，但只能测定深层土壤水分，并且在有机质含量变化大的土壤中精度会受到影响。4TDR法TDR是time-domain-reflectometry的缩写，中文叫时域反射仪上个世纪80年代发展起来的，可测定土壤的容积含水量和土壤含盐量土壤墒情moisturecontent在北方，土壤水分状况称为墒情。一般分为汪水，黑墒，黄墒，潮干土和干土。☺汪水：土壤含水量在田间持水量以上。☺黑墒：土壤含水量为田间持水量75%以上。☺黄墒：土壤含水量为田间持水量的50%~75%。☺潮干土：土壤含水量在田间持水量的50%以下。☺干土：土壤含水量在萎蔫系数以下。第二节土壤水的能态一势的概念（略）二土壤水势组成（略）三土壤总水势（略）四土壤水吸力五土壤水能态的定量表示方法（略）六土水势的测定（略）七土壤水分特征曲线一势的概念：假定自由水面的势（自由能）为零，土壤水的自由能与它的差值就是土水势。“在标准大气压下，可逆并且等温的将无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中所必须做的功work”。“将单位数量的水，由力场中一已知点移到一相应点所必须作的功。”二土壤水势组成1.重力势gravitationalpotential2.基质势matrixpotential3.渗透势osmoticpotential4.压力势pressurepotential1）重力势gravitationpotential由于重力作用所产生的水势，为正值。相当于使一定数量的水，由一个参照点的水位抬高到一定高度所作的功。2）基质势matrixpotential在水分不饱和情况下，土壤水吸力和毛管力对水作用产生的水势，为负值。土壤含水量越高，基质势越高（绝对值越小），土壤水达到饱和出现重力水时，基质势接近0。3）渗透势solutepotential由于溶液中可溶性盐分所产生的水势，也称为溶质势solutepotential，为负值。渗透势相当于从土壤溶液中，透过半透膜semi-permeablemembrane抽吸单位数量的水所作的功，一般土壤中忽略不计negligible。4）压力势pressurepotential土壤积水(饱和）时，上层水对下层水会产