安師大環(huán)境土壤學(xué)課件05土壤水

第五章

土壤水

Soilwater

5.0Introduction5.1Classifyinganddeterminingofsoilwater

土壤水的類型劃分及土壤水分含量的測定5.2Energystatusofsoilwater

土壤水的能態(tài)5.3Soilwatermovement

土壤水的運動

5.4Solutetransportationinsoils

土壤中的溶質(zhì)運移

Contents土壤水是土壤的最重要組成部分之一；在土壤形成過程中起著極其重要的作用，在很大程度上參與了土壤內(nèi)進(jìn)行的許多物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程：礦物質(zhì)風(fēng)化、有機(jī)化合物的合成和分解等；作物吸水的最主要來源；自然界水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)；非純水，而是稀薄的溶液，溶有各種溶質(zhì)，還有膠體顆粒懸浮或分散其中。SoilwaterPrincipalsourcesofsoilwater

Precipitation——Rain,snow,hail(雹）;fog,mist(霜)

Groundwater——lateralmovementfromupslope,upwardmovementfromtheunderlyingrockstrata.

precipitationSurfacedevoidofvegetationReachdirectlyVegetatedsurfaceinterceptedcanopyCanopythroughfallandstemflowatmosphereevaporationinfiltrationRunoffSoilwaterDrainageandlostEvapotraspiration

ThecompositionofsoilwaterSoilwatercontainsanumberofdissolvedsolidandgaseousconstituents,manyofwhichexistinmobileionicform,andavarietyofsuspendedsolidcomponents.Basecations

(Ca2+,Mg2+,K+,Na+,NH4+)PrecipitationMineralweatheringOrganicmatterdecompositionLimeandfertilizersourcesH+——ameasureofacidity(pH)

CO2Atmosphere——dissolvedinprecipitationSoilair——producedinsoilrespirationH2O+CO2H2CO3H++HCO3-Unpollutedrainwater:pH5.6Soilwater:pH<5.0IndustrialandurbanemissionOrganicacidsderivedfromdecayingorganicmaterialReleasedbyplantsinexchangefornutrientbasecationsmajorsourceIronandaluminiumMajorsources

mineralweatheringacidrainMajorform

Fe2+,Al3+ionssolubleorganic-metalliccomplexesSolubleanionsNO3-,PO43-

Cl-,SO42-HCO3-MineralisationprocessesFertilizersAtmospheresourcesMineralweatheringDissolvedorganiccarbon(DOC)Pollutants(heavymetalsetal.)Suspendedconstitutions

Smallparticlesofmineralandorganicmaterial

Oftenresultindiscoloration(變污)andincreasedturbidity(混濁度)ofsoilwater.

第一節(jié)土壤水的類型劃分及土壤水分含量測定

Classifyinganddeterminingofsoilwater

一、土壤水分類型及有效性

Soilwatertypesandavailability土壤水分研究方法能量法數(shù)量法從土壤水分受各種力作用后自由能的變化研究水分的能態(tài)和運動、變化規(guī)律。按照土壤水分受不同力的作用而研究水分的形態(tài)、數(shù)量、變化和有效性。土壤—植物—大氣連續(xù)體（SPAC)簡單、實用土壤水的類型

吸濕水(緊束縛水)

吸附水(束縛水)毛管水重力水膜狀水(松束縛水)受土壤吸附力作用而保持受毛管力作用而保持受重力作用定義土粒通過吸附力吸附空氣中水汽分子所保持的水分吸附力很強(qiáng)，達(dá)31～10000個大氣壓，使ρ水增大，可達(dá)1.5g/cm3；無溶解能力，不移動，通常在105～110℃條件下烘干除去。特點對植物無效

土壤吸濕水含量受土壤質(zhì)地和空氣濕度的影響。粘質(zhì)土吸附力強(qiáng)，吸濕水含量高，砂質(zhì)土則吸濕水含量低；空氣相對濕度高，吸濕水含量高，反之則吸濕水含量低。

風(fēng)干土重烘干土重=——————1+吸濕水%

風(fēng)干土

烘干土

吸濕水有無吸濕水

特點：保持力較吸濕水低，6.25～31大氣壓，密度較吸濕水小，無溶解性；移動緩慢，由水膜厚往水膜薄的地方移動，速度僅0.2～0.4mm/hr。對植物有效性低，僅部分有效。

土粒吸附力所保持的液態(tài)水，在土粒周圍形成連續(xù)水膜。

存在毛管孔隙中為彎月面力所保持的水分。分為毛管上升水和毛管懸著水

受重力作用可以從土壤中排出的水分，主要存在于土壤通氣孔隙中。膜狀水毛管水重力水

土壤中某種水分類型的最大含量，隨土壤性質(zhì)而定，是一個比較固定的數(shù)值，故稱水分常數(shù)。

土壤水分常數(shù)Soilwatercoefficient

吸濕系數(shù):

吸濕水的最大含量(最大吸濕量maximumadsorbedwatercontent

)。

凋萎系數(shù)(wiltingcoefficient):

植物永久凋萎時的土壤含水量。田間持水量(fieldmoisturecapacity):

毛管懸著水達(dá)最大量時的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一個指標(biāo)。毛管持水量(capillarywatercapacity):

毛管上升水達(dá)最大量時的土壤含水量。飽和持水量:

土壤孔隙全部充滿水時的含水量。

土壤水分有效性Soilwateravailability

土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度。不能被植物吸收利用的水稱為無效水，能被植物吸收利用的水稱為有效水。

最大有效水含量是凋萎系數(shù)至田間持水量的水分。土壤質(zhì)地砂土砂壤土輕壤土中壤土重壤土粘土田間持水量(%)121822242630凋萎系數(shù)(%)35691115有效水最大含量(%)91316151515土壤質(zhì)地與有效水最大含量的關(guān)系土壤水分形態(tài)土壤水分有效性水分與土粒的能量關(guān)系

×105Pa1013231.415.26.330.4~0.80.05~0.50.0010.08105烘干重吸濕系數(shù)凋萎系數(shù)最大分子持水量毛管聯(lián)系破裂含水量田間持水量毛管持水量飽和持水量吸濕水膜狀水毛管懸著水重力水毛管上升水無效水有效水多余水Weightpercent質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

(θm,w%)

計算土壤含水量時，以干土重為基礎(chǔ)，才能反映土壤的水分狀況。

Volumepercent容積百分?jǐn)?shù)(θv,v%)

土壤所含水分的容積總量占土壤總?cè)莘e的百分?jǐn)?shù)二、土壤水分含量的表示方法

Representsofsoilwatercontent土壤水分質(zhì)量(Ww)w%=×100干土質(zhì)量(Ws)土壤水分容積(Vw)w%=×100土壤總?cè)莘e(Vs)水v%=水w%×土壤容重Soilwaterstoragecapacity土壤水貯量

waterdepth水深（mm）

優(yōu)點:

與氣象資料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比較和互相換算。Dw(mm)=v%×土層厚度

作用:與灌溉水量的表示方法一致，便于計算庫容和灌水量。V(m3/ha)

=Dw(mm)×1/1000×10000=10Dw

Storagecapacity

儲水容量

(m3/ha)

Relativewatercontent相對含水量（%）

土壤自然含水量占某種水分常數(shù)（一般是以田間持水量為基數(shù)）的百分?jǐn)?shù)。土壤含水量土壤相對含水量=×100%

田間持水量

通常相對含水量為60%至80%，是適宜一般農(nóng)作物以及微生物活動的水分條件。在105～110℃條件下，烘至恒重，為烘干土重，以此為基礎(chǔ)計算水分重（蒸發(fā)損失量）的百分比（%）。——紅外線烘干法、微波爐烘干法、酒精烘干法、酒精燒失法等。

三、土壤水分含量的測定

Determiningofsoilwatercontent

烘干法中子法TDR法快速烘干法經(jīng)典烘干法此法費事，不便定位測定?！凶铀譁y定儀包括一個快速中子源和一個慢中子探測器。簡便、較精確。只能用于較深土層水分測定，不能用于土表薄層土。有機(jī)質(zhì)中的氫會影響H2O的測定結(jié)果?！獣r域反射儀法(Time-Domain-Reflectometry),類似一個短波雷達(dá)系統(tǒng)，可直接、快速、方便、可靠地監(jiān)測土壤水鹽狀況。測定結(jié)果幾乎與土壤類型、密度、溫度等無關(guān)，獨立性很強(qiáng)。

Soilwaterpotential

土水勢

土壤水的自由能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水自由能的差值。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水——與土壤水等溫、等壓、等高的純凈自由水。假定其自由能為零，作為參比標(biāo)準(zhǔn)，土壤水自由能與其比較差值一般為負(fù)值。差值大，表明水不活躍，能量低；差值小，表明土壤水與自由水接近，活躍，能量高。

水流動方向：土水勢高（負(fù)值?。停ㄘ?fù)值大）第二節(jié)土壤水的能態(tài)

Energystatusofsoilwater

一、土水勢及其分勢

Soilwaterpotentialanditssub-potential

為了可逆地等溫地在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下從在指定高度的純水水體中移動無窮小量的水到土壤中去，每單位數(shù)量的純水所需做功的數(shù)量。

Sub-potential

分勢

由于引起土壤水勢變化的原因或動力不同，土壤水勢(Ψt)分為：基質(zhì)勢(Ψm)、壓力勢(Ψp)、溶質(zhì)勢(Ψs)和重力勢(Ψg)等。

土壤水勢是各分勢之和:Ψt=Ψm+Ψs+Ψg+Ψp

Matricpotential

基質(zhì)勢

Ψm

也稱基模勢，是由土粒吸附力和毛管力所產(chǎn)生的。一般情況下為負(fù)值；土壤水完全飽和情況下為最大值——零。在土壤水不飽和的情況下，非鹽堿化土壤的土水勢以Ψm為主。

Solutepotential

溶質(zhì)勢

Ψs

也稱滲透勢，由土壤水中溶解的溶質(zhì)所產(chǎn)生。一般為負(fù)值。

土壤水不是純水，其中有溶質(zhì)，而水分子是極性分子，與溶質(zhì)之間可產(chǎn)生靜電吸附，產(chǎn)生Ψs。(存在半透膜時對水分運動起作用）

Gravitationalpotential重力勢

Ψg

由重力作用產(chǎn)生的水勢。如果土壤水在參照面（地下水位）之上，則重力勢為正，反之，重力勢為負(fù)。

Pressurepotential

壓力勢

Ψp

土壤水飽和情況下，由于受壓力而產(chǎn)生的。一般為正值。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水的壓力為1個大氣壓，但如果土壤中有水柱或水層，土壤水所受到的壓力在局部地方就不一定為1個大氣壓，就有一定的靜水壓。

懸浮于水中的物質(zhì)也會產(chǎn)生一定的荷載壓。

土壤水承受一定吸力情況下的能態(tài)。

水吸力只相當(dāng)于土水勢的基質(zhì)勢和溶質(zhì)勢，數(shù)值相等，符號相反?；|(zhì)勢和溶質(zhì)勢一般為負(fù)值，使用不方便，故將其取為正數(shù)，定義為吸力(S)，分別稱為基質(zhì)吸力(matricsuction)和溶質(zhì)吸力(solutesuction)。在土壤水分的保持和運動中，不考慮ψs，故一般水吸力指基質(zhì)吸力，其值與ψm相等，符號相反。溶質(zhì)吸力只在根系吸水(有半透膜存在)時才表現(xiàn)出來。

二、土壤水吸力

Soilwatersuction

土水勢的定量表示方法是以單位數(shù)量（單位質(zhì)量、單位容量或單位重量）土壤水分的勢能值為準(zhǔn)。

土水勢標(biāo)準(zhǔn)單位：帕(Pa)、千帕(kPa)、兆帕(MPa)

習(xí)慣上使用的單位：大氣壓(atm)、巴(bar)、水柱高度

pF值：水柱高度厘米數(shù)的負(fù)對數(shù)

1MPa=103kPa=106Pa1Pa=1.02×10-2cm水柱

1bar=1020cm水柱=105Pa1atm=1033cm水柱=pF3.0≈1bar=1000mbar

三、土壤水分能態(tài)的定量表示方法

Representsofsoilwaterenergystatus

張力計法(負(fù)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。張力計法，壓力膜法，冰點下降法，水氣壓法四、土水勢的測定

Determiningofsoilwaterpotential

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1~20bar。

張力計法適用范圍80/85kPa以下，超過此范圍，空氣進(jìn)入陶土管而失效。

旱地作物可吸水的吸力范圍多在100kPa以下，故張力計有一定實用價值。

土壤水的能量指標(biāo)(基質(zhì)勢或水吸力)與數(shù)量指標(biāo)(容積含水量)的關(guān)系曲線。

隨著土壤含水量的減少其水吸力增大，基質(zhì)勢降低，植物根系吸水難度增大，水分有效性降低。五、土壤水分特征曲線

Soilwatercharacteristicscurve

Soilwatercontent(θv)Soilwatersuction(S)土壤水吸力(S)與含水量(θ)關(guān)系的經(jīng)驗公式：Soilwatercontent(θv)Soilwatersuction(S)式中：

S——水吸力（Pa）

θ——含水量（%）

θs——飽和含水量（%）

a、b、A、n、m為相應(yīng)的經(jīng)驗常數(shù)

Influencedfactors

影響因素

土壤質(zhì)地

假定土壤水吸力為300cm，各種質(zhì)地土壤的含水量(v%)約為：細(xì)砂土8%，砂壤土15%，壤土34%，粘土42%。

土壤結(jié)構(gòu)和緊實度(容重)

在同一吸力值下，容重愈大的土壤，含水量愈高。

溫度影響水的粘滯性和表面張力。土溫升高，水的基質(zhì)勢增大，有效性提高。

SoilwaterHystersisphenomenon

水分滯后現(xiàn)象

土壤吸濕(水)過程中，S隨θ增加而降低的速度較快。土壤脫濕(水)過程中，S隨θ減少而增大的速度較慢。同一土壤的兩種水分特征曲線不重合。砂質(zhì)土的滯后現(xiàn)象比粘質(zhì)土更明顯。

Applicationofsoilwatercharacteristicscurve

土壤水分特征曲線的應(yīng)用

土壤水吸力與含水量之間的換算

不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同。但含水量不同，因而有效水的數(shù)量不同。

用于各級孔徑、孔隙及其容積（V，%）的計算

D=3/T

計算水容量（比水容

Specificwatercapacity）

指水吸力變化1個單位土壤吸入或釋出的水量(ml/bar·g)，即水分特征曲線的斜率(dθ/ds)，可作為土壤供水能力的指標(biāo)。第三節(jié)土壤水的運動

Soilwatermovement

液態(tài)水流動氣態(tài)水運動土壤水運動推動力：土層之間的水勢梯度流動方向：高水勢到低水勢飽和流非飽和流土壤孔隙全部充滿水；主要是重力水運動部分土壤孔隙充水；主要是毛管水和膜狀水運動推動力：水汽壓梯度、溫度梯度流動方向：高水汽壓到低水汽壓溫度高處到溫度低處水汽擴(kuò)散水汽凝結(jié)

一維垂直向飽和流動可用達(dá)西定律來表示：

一、飽和土壤中的水流

Waterflowinsaturatedsoils

推動力：土層之間的水勢梯度（soilwaterpotentialgradient),

主要包括重力勢和壓力勢流動方向：高水勢到低水勢q—水通量：單位時間通過單位斷面水的容積

ΔH—總水勢差L—水流路徑長度ΔH/L水壓梯度“-”表示水流方向

Ks—飽和導(dǎo)水率，即單位壓力梯度下水的流量H

反映土壤的飽和滲透性能，任何影響土壤孔隙大小和形狀的因素都會影響Ks。

影響孔徑大小和形狀的主要因素有質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、陽離子種類。生產(chǎn)中要求土壤保持適當(dāng)?shù)娘柡蚄s。若過小，造成透水通氣差，還原有害物質(zhì)易在土壤中積累，造成地表徑流；若過大，造成漏水漏肥現(xiàn)象。土壤飽和導(dǎo)水率（saturatedwaterconductivity)Ks

垂直向下的飽和流

發(fā)生在雨后或稻田灌水以后。

垂直向上的飽和流

發(fā)生在地下水位較高的地區(qū)；因不合理灌溉抬高地下水位，引起垂直向上的飽和流，這是造成土壤返鹽的重要原因。

水平飽和流

發(fā)生在灌溉渠道兩側(cè)的側(cè)滲；水庫的側(cè)滲；不透水層上的水分沿傾斜面的流動等水平飽和流。土壤水飽和流種類

一維非飽和流動可用達(dá)西定律來表示：

二、非飽和土壤中的水流

Waterflowinunsaturatedsoils

推動力：土層之間的水勢梯度（soilwaterpotentialgradient),

主要包括基質(zhì)勢和重力勢流動方向：高水勢到低水勢水膜厚的地方向水膜薄的地方移動；曲率半徑大的孔隙向曲率半徑小的孔隙移動；溫度高處向溫度低處移動。q—水通量：單位時間通過單位斷面水的容積

dψ/dx—總水勢梯度“-”表示水流方向

K（ψm）—非飽和導(dǎo)水率，即單位水勢梯度下水的流量非飽和流與飽和流的區(qū)別推動力

非飽和流：基模勢和重力勢

飽和流：重力勢和壓力勢導(dǎo)水率

飽和流：Ks對某一土壤為常數(shù)

非飽和流：K(ψm)不是一個常數(shù)，是含水量或基質(zhì)勢的函數(shù)。

含水量高，水勢高則k值大，反之，水勢低則k值小。若水分是連續(xù)的，則隨著土壤含水量減少，k值逐漸降低；若是不連續(xù)的，則k值隨著含水量降低后急劇下降。

基質(zhì)勢降低K（ψm）水汽運動的方式

土壤中水汽運動的主要方式是擴(kuò)散，即由水汽壓高的地方向水汽壓低的地方擴(kuò)散移動。同時也有水汽凝結(jié)。擴(kuò)散系數(shù)土壤低于大氣。影響水汽壓梯度的因素

水汽壓梯度是水汽擴(kuò)散運動的主要推動力，它受土水勢和溫度兩個因素的影響，而又以溫度的影響為主。

白天由溫度較高表層底層，利于防止蒸發(fā)；夜晚由溫度較高底層表層，利于土壤回潤。三、土壤中的水汽運動

Vapormovementinsoils

雨水、灌水進(jìn)入土壤的兩個階段：入滲和再分布。入滲階段

滲吸和滲透過程——地面供水，水自上而下垂直運動。

滲吸：土壤吸水，直至毛管孔隙水飽和，入滲速度隨含水量增加而降低。

滲透：水分通過大孔隙下滲，飽和水流，速度恒定——最后入滲速率，反映土壤的滲水能力，稱滲透系數(shù)。四、土壤水入滲、再分布和土面蒸發(fā)

Infiltration,seconddistributionandsurfaceevaporationofsoilwater

入滲能力是決定地表徑流的土壤因素，以入滲速率表示，入滲能力取決于土壤的干濕度和孔隙狀況。供水強(qiáng)度小，入滲速度主要取決于供水供水強(qiáng)度大，入滲速度主要取決于土壤的入滲能力

地面供水期，土壤入滲水自上而下形成飽和層→延伸層→濕潤層（毛管水）及濕潤前鋒。飽和層延伸層濕潤層濕潤鋒含水量土層深度土壤水的再分布

地面停止供水，入滲終止。土壤入滲水在重力、吸力梯度和溫度梯度的作用下繼續(xù)運動，稱為土壤水的再分布。

土壤水的再分布，對研究植物從不同深度土層吸水有較大意義。某一土層水的損失，不完全是植物吸水所致，還與上、下層水的再分布有關(guān)。土面蒸發(fā)條件有足夠熱量達(dá)到地面滿足水的汽化熱；水汽從地面移走；土壤水傳導(dǎo)至地面。三個階段大氣蒸發(fā)力控制（蒸發(fā)率不變）階段控制因素——大氣蒸發(fā)力。土壤導(dǎo)水率控制階段控制因素——土壤導(dǎo)水率。擴(kuò)散控制階段

水分水氣大氣，蒸發(fā)量減小。

土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)土壤水來源(收入)

降水(P)，灌水(I)，上行水(U)土壤損失(支出)

土面蒸發(fā)(E)，葉面蒸騰(T)，冠層截留(In)，地表徑流(R)，下滲水(D)，計算時段初、末土體儲水量之差△W。土壤水分平衡：

△W=（P+I+