第2章 土壤水的保持和运动1

第2章土壤水的保持和运动“水是生命之命脉”。土壤水分是土壤最为重要的组成部分，它在土壤形成、土壤的演化过程中起到极为重要作用；水是土壤中一系列过程进行的媒介。土壤水是土壤微生物、植物的最主要的水源。土壤水分状况是土壤肥力的最重要的因素之一。农谚说：有收无收在于水，收多收少在于肥。我国是水资源贫乏的国家，北方属于缺水的旱地农业，占52%左右。北方主要主要是发展节水农业（土壤保水）；南方季节性缺水和洪涝灾害频繁发生，主要问题需要进行排水除涝。2.1土壤水分的形态与性质一、土壤水分的概念关于土壤水分的概念需要强调以下几点：（一）土壤水分并非纯水，而是溶解有各种有机无机物质的稀溶液。（二）土壤水是指在105~110℃情况下，从土壤中能够被烘出来的水分总和。土壤水分不包含矿物晶架结构内的结晶水。测定土壤水分含量时，烘箱温度必须控制在这个温度范围，直至烘至恒重。---界定了土壤水分的范围（三）土壤水分均是来自于自然界降水、灌溉、或地下水的上升等，保蓄在土壤当中。土壤水虽然来自于自由水，但又与自由水从许多性质方面有所不同。（四）土壤水与大气水、地表水、植物水、地下水处于平衡与交换状态，（五水转化），成为生态环境的主要影响因素。二、水的几个物理性质•1.水分子的结构•水分子中氢氧原子的不对称排列，造成水分子中静电荷的不平衡，从而形成一个电偶极体或极性分子。也会形成氢键。•2.表面张力•液体表面中每个分子都受到垂直于液体表面并且指向于液体内部的不平衡力的作用，由此造成液体表面分子向内部收缩的趋势。•液体表面张力与温度有关。温度愈高，液体表面张力愈•小。表面张力也与液体纯度有关，在纯净液体中掺进杂质，表面张力就大为减少。表面张力还与液体化学性质有关。但与液面的压力大小无关。•3.弯曲液面下的附加压强•与水平液面所受的压强比较，弯曲液面对液体内部都施以附加压强；在凸面情况下，这一附加压强为正，在凹面情况下，附加压强为负。•4.浸润现象•附着力大于内聚力，液体就能产生润湿固体的现象；附着力小于内聚力，液体就不能产生润湿固体的现象。•在液固接触处，液体表面的切面和固体表面所成的角(在液体内部从液面的切线算起)，称为接触角。对于能润湿面体的液体．接触角是锐角；对于不能润湿固体的液体，接触角是钝角。接触角为0时，叫完全湿润；接触角为π时，叫完全不润湿。水、酒精对玻璃的接触角几乎为零，水银对玻璃的接触角约为1400。•在圆形的管子里，能润湿面体的液体表面呈凹形，不能润湿固体的液体表面呈凸形。这种弯曲的液面称为弯月面。•5.毛细现象•管径很细的管子叫毛细管。将毛细管插入液体内，管内外液面会产生高度差。如果液体能润湿管壁，管内液面升高；如果液体不能润湿管壁，管内液面反较管外低。这一现象叫做毛细现象。毛细管内液体上升高度与毛细管管径成反比，管径愈细，液体上升高度愈大。•6.液体的粘滞性•液体具有易流动性，静止时不能承受切力抵抗剪切变形。但在运动状态下，液体就具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性。在剪切变形过程中，液体粘滞性使液体内部出现成对的切力(也称内摩擦力)，其作用是抵抗液体内部的相对运动，从而影响液体的流动状况。液体的粘滞性也是液体中发土机械能量损失的根源。土壤水固态水冬季土壤结冰时存在液态水气态水存在于土壤空气中受土粒分子引力吸湿水膜状水受毛管力作用毛管悬着水毛管上升水受重力作用重力水地下水三、土壤水分的形态与性质汽态水(Vapor)存在于土壤空隙中的水汽吸着水(Hygroscopicwater):吸湿水和薄膜水吸湿水:紧束在土粒表面，不能自由移动薄膜水：吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面做微小的移动•1.吸湿水•干燥的土粒靠分子引力从土壤空气中吸持的气态水称为吸湿水。干燥的土粒具有吸附空气中气态水分子的能力，这种能力是由于颗粒表面存在自由能并带有电荷，而水分子是偶极分子的缘故。•性质：•①紧靠土粒表面的水分子受到的吸持力范围从109Pa－3.1×106Pa（10000－31大气压）•②密度1.2－2.4g/cm3，平均1.5g/cm3，表现出固态水的性质。•③冰点低至-7.8℃，不能移动，没有溶解能力。••由于植物根系的渗透压一般只有由于植物根系的渗透压一般只有1515个大气压，因个大气压，因此，吸湿水对植物是一种无效水。此，吸湿水对植物是一种无效水。•土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度100%100%）吸持水分子可达到最大量，此时土壤的含）吸持水分子可达到最大量，此时土壤的含水量称为水量称为最大吸湿量或吸湿系数最大吸湿量或吸湿系数（大概有（大概有1515--2020层层水分子，厚度水分子，厚度44--8nm8nm），不同土壤吸湿系数不一），不同土壤吸湿系数不一样。样。••一般粘土一般粘土壤土壤土砂土，砂土，另外吸湿系数大小还与测另外吸湿系数大小还与测定时温度有关，温度高，吸湿系数小。定时温度有关，温度高，吸湿系数小。••影响土壤吸湿水含量的因素影响土壤吸湿水含量的因素::•①土壤空气湿度土壤空气湿度。土壤空气湿度愈大，吸湿水量愈多。当大气相对湿度达到饱和时，土壤的吸湿水达到最大量，这时吸湿水占土壤干重的百分数称为土壤最大吸湿量或土壤吸湿系数。••②②土壤质地和有机质含量。土壤质地和有机质含量。土壤颗粒细、质地粘重、有机质含量高的土壤，因其比表面积大，土壤的最大吸湿量就大，反之，则较低。••③③土壤含盐量及盐类成分。土壤含盐量及盐类成分。土壤含盐量高，其最大吸湿量大，尤其是含氯化钙、氯化镁等吸湿性强的盐类土壤，最大吸湿量更大。••2.2.膜状水膜状水土粒吸持空气中的水汽达到饱和后，土粒表面还有剩余的分子引力，这时如果土粒表面与液态水接触，土粒能够进一步吸附液态水。土粒靠分子引力吸持的液态水，在土粒吸湿水外围形成薄的水膜。称为膜状水。••性质：性质：••①膜状水被土粒吸持的力为①膜状水被土粒吸持的力为0.6250.625--31Mpa31Mpa（（3131--6.256.25大气压）。大气压）。•所受引力大于常态水。由于一般植物根的吸水力平均为1.5×106Pa，所以超过土粒吸持力1.5×106Pa的那部分膜状水就不能被植物利用。••②平均密度为②平均密度为1.25g/cm1.25g/cm33。。••③冰点约为－③冰点约为－44℃℃，微有溶液能力。，微有溶液能力。••④膜状水虽不能在重力作用下移动，但本身可以④膜状水虽不能在重力作用下移动，但本身可以从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢，从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢，一般为一般为0.20.2－－0.4mm/0.4mm/小时。小时。•当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5×106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5×106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。•凋萎系数=吸湿系数×1.5（经验公式）当膜状水达到最大量时土壤的含水量叫土壤最大分子持水量。吸着水的物理解释土粒表面对水分子的吸附力（Adhesion）和水分子之间的粘着力（Cohesion）作用••3.3.毛管水。毛管水。土壤孔隙借弯月面力（即毛管力）而土壤孔隙借弯月面力（即毛管力）而保持的水分，称为毛管水。毛管水实际上包括吸湿保持的水分，称为毛管水。毛管水实际上包括吸湿水、膜状水和毛管水的总和。水、膜状水和毛管水的总和。••性质性质：①毛管水所受力：①毛管水所受力6.256.25××105Pa105Pa－－104Pa104Pa（（6.256.25－－0.1atm0.1atm））在之间，比一般作物根系渗透在之间，比一般作物根系渗透压要低的多，可全部被作物所吸收利用。压要低的多，可全部被作物所吸收利用。••②毛管水的基本上和自由水有相同的移动速度，可②毛管水的基本上和自由水有相同的移动速度，可达达1010－－300mm/300mm/小时，对作物根系吸水补给迅速。小时，对作物根系吸水补给迅速。••③毛管水溶有各种养分，是土壤中最有效的水分③毛管水溶有各种养分，是土壤中最有效的水分。毛管水（CapillaryWater)受毛管力的作用保持在土壤中的水分毛管水的物理解释表面张力作用水分子相互间的粘着力（Cohesion）与毛管（土粒）表面对水的吸附力（Adhesion）的共同作用毛管水的上升高度：毛管力与重力的作用结果πr2hdg=2πrTcosαTαrh毛管现象的演示•根据毛管水与地下水是否相连接，可将毛管水分成：•1、毛管悬着水：地下水位较深，土壤上层的毛管水与地下水不直接相连，因而不受地下水源补给的毛管水，好像悬着在上层土壤的毛管孔隙中称为毛管悬着水。•毛管悬着水达到最大量时土壤的含水量称为田间持水量。•2、毛管上升水：土壤中受地下水源补给并上升到一定高度的毛管水。当表层土壤水分被蒸发、蒸腾而消耗后，地下水可沿毛管上升，使地表水不断得到补充。•毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量。•4.重力水（gravitationalwater）。•受重力明显作用而移动的水分，叫重力水。•特点：所受的吸力为0.1（0.3）~0bar。主要发生在大孔隙中。重力水对作物的有效性为临时有效水。它在土壤中保存的非常短暂，向下流动补充到了地下水中，它容易产生养分淋失，污染地下水的质量。•饱和含水量（saturatedwatercontent):也叫全蓄水量，全持水量：土壤所有孔隙充水时土壤的含水量。•问题：饱和含水量（容积）与土壤孔度关系？（条件；非胀缩性土壤）2.2土壤水分常数及土壤含水量•一、土壤水分常数•水分常数（soilwaterconstant）：在一定条件下（状态下）土壤的特征含水量。完全依赖于土壤本身特性的含水量。•水分常数，并非是一个点，而是一个极小的含水量范围。•1.吸湿系数（吸湿水含量）hygroscopiccoefficient：当土壤固相颗粒的表面吸附作用与解吸作用达到平衡后，土壤含水量。•最大吸湿量(maximumhygroscopicity):在空气相对湿度饱和的情况下，土壤颗粒表面对水汽分子吸附与解吸达到平衡后，土壤含水量。•最大吸湿量测定：用剩有10%H2SO4干燥器进行，相对湿度96~98%（25℃）•2.凋萎系数(permanentwiltingpercentage,permanentwiltingcoefficient)•概念：植物产生永久凋萎（permanentwilting，ultimatewilting）时的土壤（最大)含水量较萎蔫系数，也叫凋萎含水量。•意义：（1）表明植物可利用土壤水分的下限，土壤含水量低于此值，植物将枯萎死亡。也就是土壤水分有效性的下限值。•（2）制定灌溉制度的下限•测定方法:•(1)幼苗法：农业上常用向日葵作为直接测定凋萎系数的植物。•(2)测定15bar含水量：•3.最大分子持水量（maximummolecularmoisture)：当膜状水达到最大数量时的土壤含水量。它一般相当于最大吸湿量的2-4倍。•4.毛管断裂含水量：毛管水分运行速度很快，当地表蒸发时，下层水分沿毛管向上移动，补充地表水分损失，当含水量降低到一定水平，毛管水分就失去了连续性，在一些较大孔隙充有空气阻隔水分移动，这时土壤含水量叫毛管断裂含水量。•毛管断裂含水量相当于田间持水量的60-70%左右。也是人们常说的水分胁迫点。•5.田间持水量（fieldcapacity):•概念：毛管悬着水达到最大数量时，土壤的含水量叫田间持水量，也有人叫田间稳定湿度。•给土壤充分灌水后，及时覆盖地表，防止蒸发，让其平衡2~3天，到土壤湿度基本稳定后测得的土壤含水量。•特点：降雨或灌溉后，大孔隙中的重力水已经排除，渗透水流已降至很低或基本停止时土壤所吸持的水量，也是以重量百分率表示。所吸持的水相当于吸湿水、膜状水和悬着水的全部。此时的土壤含水量约为吸湿系数的2.5倍，水吸力在0.3大气压之间。也有人叫1/3bar含水量。6.毛管持水量：毛管上升水达到最大数量时，土壤含水量称之。也有人叫1/10bar含水量