第三章土壤水分2節(jié)

1、主講教師：羅春艷主講教師：羅春艷能源與水利學院二一四年 九月第三章第三章 土壤水分土壤水分第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分能態(tài)土壤水分能態(tài)主要內(nèi)內(nèi)容： 土壤水勢定義及各分勢土壤水勢定義及各分勢 土壤水分特征曲線土壤水分特征曲線 土壤水分能態(tài)測定方法土壤水分能態(tài)測定方法第三章土壤水分第三章土壤水分 通過土壤水分能態(tài)的學習，使學生掌握通過土壤水分能態(tài)的學習，使學生掌握水水勢的概念及土壤水勢的組成；勢的概念及土壤水勢的組成；掌握掌握土壤水分土壤水分特征曲線的含義及影響因素，特征曲線的含義及影響因素，并簡單了解并簡單了解土土壤水分特征曲線的測定方法壤水分特征曲線的測定方法。本節(jié)教學節(jié)教學目的：第三章第三章 土壤

2、水分土壤水分本章的重點、難難點：1) 1) 水勢的概念及各分勢含義水勢的概念及各分勢含義2) 2)土壤水分特征曲線的含義及影響因素土壤水分特征曲線的含義及影響因素第三章第三章 土壤水分土壤水分一、土壤水分能量概念一、土壤水分能量概念水流向何方？水流向何方？第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)土壤土壤B粘土粘土15%土壤土壤A砂土砂土10%以水分本身的能量變化來研究水分在土壤中以水分本身的能量變化來研究水分在土壤中 保持、運動保持、運動以及以及SPAC的循環(huán)過程。的循環(huán)過程。水分能量觀點水分能量觀點: :動能動能第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)勢能勢能可忽略不計可忽略不計土壤水的

3、能量土壤水的能量 Buckingham（白金漢姆）（白金漢姆）（19071907）首先提出應用能）首先提出應用能量理論和方法研究土壤水分問題。經(jīng)過近百年的研究歷程，量理論和方法研究土壤水分問題。經(jīng)過近百年的研究歷程，尤其是近尤其是近20203030年來得到了較大發(fā)展。年來得到了較大發(fā)展。F 國際國際土壤學會學會名詞詞委員會員會定義義：土水勢土水勢( (土土) )：在標準大氣壓下，將單位數(shù)量的等溫可：在標準大氣壓下，將單位數(shù)量的等溫可逆的移動到相應點（標準參照狀態(tài)）時所做的功。水分逆的移動到相應點（標準參照狀態(tài)）時所做的功。水分從土壤移動做功所需要的能量即為該系統(tǒng)的土壤水勢。從土壤移動做功所需要

4、的能量即為該系統(tǒng)的土壤水勢。一、土壤水勢概念一、土壤水勢概念標準參照狀態(tài)標準參照狀態(tài)一定高度處、某一特定溫度（常溫一定高度處、某一特定溫度（常溫或與土壤水相同溫度）下承受標準大氣壓（或者當?shù)鼗蚺c土壤水相同溫度）下承受標準大氣壓（或者當?shù)卮髿鈮海┑募冏杂伤髿鈮海┑募冏杂伤? (不受溶質(zhì)、不受固相介質(zhì)作用不受溶質(zhì)、不受固相介質(zhì)作用) )。水流動方向：水流動方向：土水勢高（負值?。┩了畡莞撸ㄘ撝敌。┑停ㄘ撝荡螅┑停ㄘ撝荡螅┑诙?jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)能量很難獲得它的絕對值，幾乎都是相對而言。能量很難獲得它的絕對值，幾乎都是相對而言。一、土壤水

5、分能量概念一、土壤水分能量概念第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)土壤水勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：土壤水勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：進一步將水分在土壤中狀態(tài)進行分析會得出影響土進一步將水分在土壤中狀態(tài)進行分析會得出影響土壤水分能量水平的因素，就得到了許多分勢。壤水分能量水平的因素，就得到了許多分勢。純水池中的純水作為參照標準，純水池中的純水作為參照標準，并規(guī)定水勢為零并規(guī)定水勢為零?？偹畡菘偹畡萃寥浪目倓菽芡寥浪目倓菽躻=m + s + g+ p+ + t基質(zhì)勢基質(zhì)勢土壤基質(zhì)的吸附力和土壤基質(zhì)的吸附力和毛管力所引起的水勢毛管力所引起的水勢溶質(zhì)勢溶質(zhì)勢土壤水分中的溶質(zhì)所引土壤水分中的溶質(zhì)所引起的水勢

6、起的水勢重力勢重力勢重力引起的土壤水勢重力引起的土壤水勢壓力勢：壓力勢：當土壤飽和時當土壤飽和時,自由水面下土壤由于靜水自由水面下土壤由于靜水壓力所產(chǎn)生的壓力所產(chǎn)生的水勢水勢一、土壤水分能量概念一、土壤水分能量概念第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)溫度：溫度：由溫度場溫差由溫度場溫差引起的引起的水勢水勢土壤總水勢是土壤中各種作用力所產(chǎn)生的分勢的和土壤總水勢是土壤中各種作用力所產(chǎn)生的分勢的和產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：基質(zhì)勢由土壤基質(zhì)對水分的吸持作用引起基質(zhì)勢由土壤基質(zhì)對水分的吸持作用引起的。水和土壤骨架之間的的。水和土壤骨架之間的吸附力和毛管力吸附力和毛管力將土壤水束將土壤水束縛在土壤中，要使

7、土壤移動，必須克服這種吸持作用縛在土壤中，要使土壤移動，必須克服這種吸持作用做功。做功。（一）土壤各分勢（一）土壤各分勢基質(zhì)勢：基質(zhì)勢：將土壤水移動到標準參照狀態(tài)（自由水、無將土壤水移動到標準參照狀態(tài)（自由水、無束縛）時，對土壤水所做的功稱為基質(zhì)勢。束縛）時，對土壤水所做的功稱為基質(zhì)勢。1. 基質(zhì)勢（基質(zhì)勢（m）第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)（一）土壤各分勢（一）土壤各分勢基質(zhì)勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：基質(zhì)勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)基質(zhì)勢為負值?；|(zhì)勢為負值。當土壤達到完全飽和狀態(tài)時，不受基質(zhì)吸持，基質(zhì)勢為零。當土壤達到完全飽和狀態(tài)時，不受基質(zhì)吸持，基

8、質(zhì)勢為零。含水量越高，基質(zhì)勢絕對值越低，基質(zhì)勢越高含水量越高，基質(zhì)勢絕對值越低，基質(zhì)勢越高在土壤水不飽和的情況下，非鹽堿化土壤的土水勢以在土壤水不飽和的情況下，非鹽堿化土壤的土水勢以m為主為主 由于由于溶質(zhì)溶質(zhì)對水分子具有吸引力，將水分對水分子具有吸引力，將水分移動到標準參照狀態(tài)時必須對土壤水做功移動到標準參照狀態(tài)時必須對土壤水做功 C C為溶液濃度，為溶液濃度，mol/Lmol/L；R R為氣體常數(shù)；為氣體常數(shù)；T T為絕對溫度，為絕對溫度，K KcRTs2. 溶質(zhì)勢（溶質(zhì)勢（s ）第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)對于鹽漬化土壤，溶質(zhì)勢是影響水分能量的重要內(nèi)容。對于鹽漬化土壤，溶質(zhì)

9、勢是影響水分能量的重要內(nèi)容。溶質(zhì)勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：溶質(zhì)勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)溶質(zhì)勢為負值溶質(zhì)勢為負值溶質(zhì)勢與滲透壓數(shù)值相同，但符號相反。溶質(zhì)勢與滲透壓數(shù)值相同，但符號相反。溶質(zhì)勢在影響土壤水分移動能力情況下，必須溶質(zhì)勢在影響土壤水分移動能力情況下，必須要有半透膜作用要有半透膜作用 。通常將標準狀態(tài)下的壓力定義為標準大氣壓或當?shù)卮笸ǔ藴薁顟B(tài)下的壓力定義為標準大氣壓或當?shù)卮髿?，相對于大氣壓所存在的勢能差，為壓力勢。氣，相對于大氣壓所存在的勢能差，為壓力勢?.3.壓力勢（壓力勢（pp）土水系統(tǒng)的壓力超過參照狀態(tài)下的壓力而引起的水勢。土水系統(tǒng)的壓力超過參

10、照狀態(tài)下的壓力而引起的水勢。非飽和時非飽和時ghp飽和時壓力勢可用靜水壓強來表示飽和時壓力勢可用靜水壓強來表示第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)Op壓力勢主要是連續(xù)水體的表現(xiàn)，只有在飽和情況下才存在。壓力勢主要是連續(xù)水體的表現(xiàn)，只有在飽和情況下才存在。F壓力勢測定：壓力勢測定：連通管水面到待測點垂直距離就是該連通管水面到待測點垂直距離就是該點水分的壓力勢值。點水分的壓力勢值。壓力勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：壓力勢概念中強調(diào)的內(nèi)容：氣壓勢不是壓力勢的主要成分，它主要體現(xiàn)在土壤孔氣壓勢不是壓力勢的主要成分，它主要體現(xiàn)在土壤孔隙中被封的空氣作用，隨著氣體溶解，其逐漸為零。隙中被封的空氣作用，隨著氣體

11、溶解，其逐漸為零。第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)由重力作用而引起的土壤水勢的變化。由重力作用而引起的土壤水勢的變化。重力勢大小估算重力勢大小估算: : at height Z above Z0: g =mgZ per unit mass: g=mgZ/m=gZ (J/kg) per unit volume: g =mgZ/v=wgZ (N/m2) per unit weight: g=mgZ/mg=Z (m) 重力勢與土壤性質(zhì)無關4. 4. 重力勢（重力勢（ g ）第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)實質(zhì)上是由于位置差所產(chǎn)生的土壤水分的能量差實質(zhì)上是由于位置差所產(chǎn)生的土壤水分

12、的能量差。規(guī)定參考面處為零，它的選擇不影響空間任意兩規(guī)定參考面處為零，它的選擇不影響空間任意兩點間重力勢差值；點間重力勢差值；F重力勢概念需要特別強調(diào)的內(nèi)容：重力勢概念需要特別強調(diào)的內(nèi)容：第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)其值的大小等于待測點到參考面的垂直高度其值的大小等于待測點到參考面的垂直高度與土壤性質(zhì)無關；與土壤性質(zhì)無關；無需特別測量儀器和設備。無需特別測量儀器和設備。由溫度場的溫差引起的。土壤中任一點土壤水分的溫度由溫度場的溫差引起的。土壤中任一點土壤水分的溫度勢由該點的溫度與標準參照狀態(tài)的溫度之差所決定勢由該點的溫度與標準參照狀態(tài)的溫度之差所決定5. 5. 溫度勢（溫度勢（

13、t ）mm =0, =0,s=0, ts=0, t可忽略可忽略h=g+p 總土水勢總土水勢: h=g+s+p+m +t飽和情況下飽和情況下非飽和情況下非飽和情況下p=0p=0，ss，t t可忽略，可忽略，h=g+m 2. 2.單位容積水勢單位容積水勢標準單位為帕標準單位為帕PaPa，KPa, MPaKPa, MPa，也曾用，也曾用Bar Bar 和大氣壓和大氣壓atmatm表示表示1. 1.單位質(zhì)量水勢單位質(zhì)量水勢水的質(zhì)量為克或公斤時水的質(zhì)量為克或公斤時, , 能的單位為能的單位為 J/kgJ/kg或或 爾格爾格/ /克克3. 3.單位重量的水勢單位重量的水勢： cmH2O cmH2O高高 o

14、r cmHgor cmHg高高第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)土水勢表示方法：土水勢表示方法： 單位重量土壤水的勢能值用相當單位重量土壤水的勢能值用相當于一定水柱高度的厘米數(shù)表示于一定水柱高度的厘米數(shù)表示第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)在土壤水分分勢中，基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢為負值，為了使用方便，在土壤水分分勢中，基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢為負值，為了使用方便，習慣上將這兩個分勢的絕對值之和統(tǒng)稱為習慣上將這兩個分勢的絕對值之和統(tǒng)稱為土壤水吸力土壤水吸力。一般。一般簡稱土壤吸力。簡稱土壤吸力。6 6土壤水吸力土壤水吸力( 土壤水吸力是能量尺度的一種表示方法，土壤水吸力是能量尺度的一種表示方法，不

15、要誤以為是土壤對水的吸力不要誤以為是土壤對水的吸力。)(smSSpFlg土壤水吸力土壤水吸力pFpF值值厘米水柱高度變化大厘米水柱高度變化大第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)水分運動總是從土水勢高的地方自發(fā)地流向水勢低的水分運動總是從土水勢高的地方自發(fā)地流向水勢低的地方。而不一定是從含水量高的流向含水量低的地方地方。而不一定是從含水量高的流向含水量低的地方。土壤水分能量學觀點是土壤土壤水分能量學觀點是土壤科學領域一次大的飛躍?？茖W領域一次大的飛躍。第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)土壤土壤B粘土粘土15%土壤土壤A砂土砂土10%10%1

16、0%15%15%cmpBmBgBB15cmFEDCAB15027454530156pFpEpDpCpBgFgEgDgCgBgAcmcmcmcmcmcm各各點點的的重重力力勢勢：cmcmcmcmcmcmmAmFmEmDmCmBpgm01230301507.7.平衡系統(tǒng)中的土水勢平衡系統(tǒng)中的土水勢第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)（一）概念（一）概念土壤水分特征曲線：土壤水分特征曲線：表示土壤含水量（數(shù)表示土壤含水量（數(shù)量）與土壤基質(zhì)勢量）與土壤基質(zhì)勢（土壤水吸力）（能（土壤水吸力）（能量）的關系曲線量）的關系曲線。二、土壤水分特征曲線二、土壤水分特征曲線第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水

17、分的能態(tài)土壤水吸力土壤含水量增加而降低。土壤水吸力土壤含水量增加而降低。1.1.土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地( (二）影響土壤水分特征曲線的因素二）影響土壤水分特征曲線的因素相同含水量，相同含水量，水吸力水吸力 黏土黏土 壤土壤土 砂土砂土相同水吸力，相同水吸力，含水量黏土含水量黏土 壤土壤土 砂土砂土第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)2.2.土壤結構土壤結構( (二）影響土壤水分特征曲線的因素二）影響土壤水分特征曲線的因素在低吸力（高含水量時在低吸力（高含水量時表現(xiàn)明顯：破壞土壤構表現(xiàn)明顯：破壞土壤構（壓緊）土壤使通氣隙（壓緊）土壤使通氣隙和毛管孔隙減少，飽含和毛管孔隙減少，飽含水量小水量小第二

18、節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)3.3.溫度溫度4.4.土壤水分變化過程土壤水分變化過程一定水吸力下，溫度越高，含水量一定水吸力下，溫度越高，含水量越低（溫度升高，水的粘滯性和表越低（溫度升高，水的粘滯性和表面張力下降，土水勢升高，水吸力面張力下降，土水勢升高，水吸力降低）降低）第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài) 1、張力計法（負壓計或濕度計），測定水不飽和、張力計法（負壓計或濕度計），測定水不飽和土壤的基質(zhì)勢或基質(zhì)吸力。土壤的基質(zhì)勢或基質(zhì)吸力。（三）土壤水分特征曲線的測定（三）土壤水分特征曲線的測定第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的

19、能態(tài)w=m + s + g+ p+ + t第二節(jié)第二節(jié) 土壤水分的能態(tài)土壤水分的能態(tài)ws（土壤）（土壤）= wDwD（張力計中的水勢）（張力計中的水勢）g =0，s =0，t=0，ws（土壤）（土壤）= ps ps + + msms wDwD（張力計）（張力計）= = pDpD + + mDmDps ps =0=0 mD mD =0=0ws（土壤）（土壤）= wDwD（張力計）（張力計） 2、壓力膜法：根據(jù)土壤在不同壓力下排水的、壓力膜法：根據(jù)土壤在不同壓力下排水的原理測定，可測水吸力原理測定，可測水吸力120bar。張力計法適用范圍張力計法適用范圍800/850hPa800/850hPa以下

20、，超過此范圍，就以下，超過此范圍，就有空氣進入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范有空氣進入陶土管而失效。旱地作物可吸水的吸力范圍多在圍多在1000hPa1000hPa以下，故張力計有一定實用價值。以下，故張力計有一定實用價值。壓壓力力膜膜（板）（板）儀儀Pressure plate apparatus出水孔壓力調(diào)控壓力室優(yōu)點：優(yōu)點：測量范圍大（測量范圍大（0 02020個大氣壓）個大氣壓）缺點：平衡時間長，需要恒溫條件缺點：平衡時間長，需要恒溫條件S.J Richards,1931S.J Richards,1931設計設計注意：不同注意：不同吸力范圍選吸力范圍選用不同壓力用不同壓力室和膜或板室和膜或板所有的壓力膜儀都要求在一個可以提供調(diào)節(jié)的壓力源下所有的壓力膜儀都要求在一個可以提供調(diào)節(jié)的壓力源下進行操作。壓縮機或者高壓氮瓶提供系統(tǒng)壓力。進行操作。壓縮