土壤物理學(xué) 2教材

土壤物理學(xué)

第二章土壤水ContentsWatercontentMeasurementofsoilwaterSummaryofmethodsformeasuringofsoilwaterSoilwaterconstantsThecalculationofsoilwaterContentsSoilwaterpotentialTheunitsofsoilwaterpotentialMeasurementofsoilwaterpotentialSummaryofmethodsformeasuringofsoilwaterSoilwatercharacteristiccurve第一節(jié)土壤水的測定

土壤水分含量表示方法重量含水率θm體積含水率θv土壤水深度De相對含水率重量含水率(θm)=土壤水分重量/土壤干重×100%=（濕土重-干土重）/干土重×100%土壤重量含水率的用途用于土壤研究的基礎(chǔ)運(yùn)算用于計算土壤體積含水量用于計算土壤水深度用于計算土壤容重用于計算相對含水量用于計算土壤養(yǎng)分含量、鹽分含量用于計算干土稱樣土壤體積含水率(θv)

=土壤水分體積/土壤體積×100%=重量含水量（%）×土壤容重土壤容積含水量用途計算土壤水的深度計算土壤的三相比計算土壤各級孔隙度土壤水的深度DeDe=θv×土壤深度單位：毫米

θv

是含水量，非%土壤水的深度計算示例若θv=0.12土壤深度=400mm則De=0.12×400=48mm土壤水的深度用途用于水量平衡計算用于灌溉計算用于蒸騰蒸發(fā)量計算

相對含水量

=自然含水量÷田間持水量×100%相對含水量用途用于作物需水的指標(biāo)用于土壤供水的指標(biāo)請說明相對含水量與絕對含水量的用途土壤水分測定方法重量法：烘箱烘干法酒精燃燒法紅外線法微波法

中子散射法Gamma射線法時域反射法張力計（負(fù)壓計）法石膏塊法烘箱烘干法：濕土稱重烘箱105~110℃2~6小時烘干至恒重稱重計算重量含水量酒精燃燒法：濕土稱重加酒精點(diǎn)燃火熄滅后再加酒精點(diǎn)燃反復(fù)2~3次稱重計算重量含水率紅外線法：濕土稱重在紙上攤勻紅外線燈下烘烤5~6分鐘稱重計算重量含水率中子散射法：原理中子散射法：原理中子散射法：原理快中子源發(fā)射出能量1~15Mev的快中子且平均速度1600km/sec。

快中子被徑向射向土壤中，與各種原子核發(fā)生彈性碰撞。經(jīng)過多次反復(fù)碰撞后，快中子發(fā)生偏斜，成為散射體，最終失掉功能，其速度與周圍粒子和平均動能一致，相接近。中子散射法：原理快中子的速度被降低的過程叫做熱化，被熱化的中子叫做慢中子。慢中子繼續(xù)在土壤中運(yùn)動，最終被原子核吸收。慢中子的能量為0.03ev，速度大約2.7km/sec中子散射法：原理土壤中的各種核子對快中子的減速效率不同。兩個質(zhì)量大體接近的物體相撞時其能量喪失最多?？熘凶拥臒峄枰呐鲎泊螖?shù)與撞擊的原子質(zhì)量成正比相關(guān)。中子散射法：原理原子質(zhì)量與對快中子的衰減效率元素名稱質(zhì)量衰減快中子所需碰撞次數(shù)氫1.007919.0硼10.81109.2碳12.011120.6氮14.0067139.5氧15.9994158.5鈉22.98977224.9中子散射法：原理

土壤中，氫原子質(zhì)量最小土壤物質(zhì)組成中，水分子中氫占的比例最大土壤水的數(shù)量最不穩(wěn)定慢中子的相對密度與土壤中水的含量大體成正相關(guān)中子散射法：土壤中埋入鋁管探棒落到鋁管中在需要測定的深度測量根據(jù)慢中子脈沖速率計算土壤容重含水量中子散射法：結(jié)果計算Nw=mθv+bNw/Ns=θv

Nv-慢中子脈沖速率

Ns-標(biāo)準(zhǔn)吸收體的慢中子脈沖速率中子儀Gamma射線法：儀器構(gòu)造（1）Gamma射線源（2）檢測器Gamma射線法：原理

射線源發(fā)射出單能徑向的Gamma射線穿過填充材料（土壤）檢測器接收并計算輻射通量。因?yàn)橥寥烂芏葹楹愣ǖ?，輻射通量僅與土壤水分含量有關(guān)時域反射法TDR：原理土壤三相物質(zhì)的介電常數(shù)差異很大固體土粒:5土壤空氣:1水:80.36電磁脈沖在波導(dǎo)棒中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。時域反射法TDR：原理

電磁脈沖在土壤中傳播時，介電常數(shù)穩(wěn)定，不受土壤類型、密度影響，與容積含水量有很好的相關(guān)性。v=-5.3×10-2+2.92×10-3εa-5.5×10-4εa2

+4.3×10-6εa3張力計法利用張力計測定土壤的水吸力，再根據(jù)土壤水分特征曲線計算土壤的含水量。張力計法壓力膜法—水分特征曲線土壤水吸力S

土壤含水率Θ

Sa石膏塊法土壤水分測定方法比較：重量法經(jīng)典方法結(jié)果準(zhǔn)確一次可以測定多個樣品耗時間長不能在田間定點(diǎn)連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：酒精燃燒法方法簡便，快速一次只測定一個樣品有機(jī)質(zhì)有損失，測定結(jié)果受影響不能在田間定點(diǎn)連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：紅外線法方法簡便，快速一次只測定多個樣品測定結(jié)果精度差不能在田間定點(diǎn)連續(xù)測定土壤水分測定方法比較：中子散射法需要預(yù)先測定θm或θv作校正曲線需要在土壤中預(yù)設(shè)鋁管不能測定復(fù)雜土層的土壤含水量不能測定表層土壤量儀器有放射性，操作人員需特殊培訓(xùn)可以定點(diǎn)連續(xù)測定不能測定盆栽試驗(yàn)的土壤含水量可以測定極小范圍內(nèi)的土壤含水量有射線危險可以同時測定土壤含水量和容重土壤水分測定方法比較：Gamma射線法土壤水分測定方法比較:TDR法可以定點(diǎn)，連續(xù)測定儀器攜帶方便，可以用于大田或盆栽測定結(jié)果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機(jī)土壤水分測定方法比較:

張力計法可以定點(diǎn)，連續(xù)測定測定結(jié)果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機(jī)不適合測定表層土壤土壤水分測定方法比較:

石膏塊法可以定點(diǎn)，連續(xù)測定測定結(jié)果重現(xiàn)性好，受環(huán)境影響小即時讀數(shù)，數(shù)據(jù)可以儲存，或直接輸入計算機(jī)受環(huán)境因素影響較大土壤水分測定方法選擇測定批量土壤樣品含水量：烘箱烘干法盆栽或大田試驗(yàn)測土壤含水量：TDR法思考題土壤水分測定方法主要有幾種?各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?從原理及使用兩方面比較中子散射法與時域反射法測定土壤水分的異同.在科研中如何選用土壤水分測定方法?土壤含水量的應(yīng)用計算灌溉水量計算灌溉水或降雨入滲深度

已知θv=0.12,計算使80cm的土層θv增至0.30需加入的水量。

解：De=θv×D

原始De=0.12×80=9.6cm

結(jié)果De=0.30×80=24.0cm

應(yīng)加入水量=De(結(jié)果)-De(原始)=24.0cm-9.6cm=14.4cm注意計算出的深度為整個地面應(yīng)覆蓋的水層深度計算應(yīng)加入的水的體積：灌溉水量（體積）＝De×灌溉面積已知土壤田間持水量θvfc=0.30,降雨前

θv=0.10,如降雨10cm,水分下滲多深?

解：降雨前De=θv×D

降雨后De=θvfc×D

兩者之差應(yīng)等于降雨量10cm,D為入滲深度θvfc×D-θv×D=10cm

D=10cm/(θvfc-θv)=10cm/(0.30-0.10)=50cm田間持水量與永久萎蔫系數(shù)永久萎蔫系數(shù)與土壤類型有關(guān)，還受作物類型與生長季節(jié)，氣候的影響。田間持水量只受土壤本身物理性質(zhì)影響。田間持水量的差異：持水性好的土壤在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持其穩(wěn)定性持水性差的土壤沒有明顯穩(wěn)定時間不同土壤的田間持水量差異很大同一土壤的不同地點(diǎn)存在差異同一土壤的同一地點(diǎn)不同時間存在差異土壤田間持水量的差異時間含水量真正土壤理想土壤田間持水量廣泛應(yīng)用的原因田間持水量具有相對穩(wěn)定性田間持水量可以用于相對含水量計算相對含水量在歷史和現(xiàn)階段土壤水分研究上的作用:

在作物栽培上的用途在作物育種上的用途在土壤研究中的用途田間持水量在計算中的用途計算灌溉水量計算雨水入滲深度已知土壤容重＝1.39g/cm3，田間持水量＝26％（重量），土壤初始θm＝12％，使1.0米深土體含水量達(dá)田間持水量需加入多少厘米水？解：De=D×θm×容重

1.0米＝100cm

ΔDe=100×(26%-12%)×1.39=19.5cm

在多層次土壤上的應(yīng)用題：如降雨5厘米，土壤田間持水量為0.30（容積含水量），雨水將下滲多深？土壤深度土壤重量含水量土壤容重0－50.051.25－200.101.320－800.151.480－1000.171.4解:先求出0~5cm土壤達(dá)田間持水量所需要的水量:

△De1=Di(θvfc-θm1×容重)

=5（0.30-0.05×1.20）=1.20cm再求出5~20cm土壤達(dá)田間持水量所需要的水量:

△De2=D2(θvfc-θm2×容重)

=15（0.30-0.10×1.37）=2.55cm5厘米雨水使這兩層達(dá)飽和后，還剩水量：

5-1.20-2.55=1.25cm求1.25cm厘米雨水還可濕潤多深土壤

D=1.25/（0.30-0.15×1.4）=13.9cm總濕潤深度為：5+15+13.9=33.9cm思考題水分常數(shù)是常數(shù)嗎?田間持水量不是常數(shù)值,為什么還被廣泛應(yīng)用?田間持水量在土壤水研究中有哪些用途?多層次土壤怎樣計算灌溉水量?第二節(jié)土壤水勢SoilwaterpotentialTheunitsofSoilwaterpotentialMeasurementofsoilwaterpotentialSummaryofmethodsformeasuringofsoilwaterSoilwatercharacteristiccurve土壤水勢Soilwaterpotential

：

總土水勢：Totalwaterpotential,

土壤中任一點(diǎn)的單位數(shù)量土壤水的吉氏自由能與標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)下自由水自由能的差值。國際土壤學(xué)會土壤物理委員會給的定義：“每單位數(shù)量純水可逆地等溫地?zé)o限小量從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下規(guī)定水平的水池移至土壤中某一點(diǎn)，所作的有用功?！蓖寥浪畡荩悍謩萃了畡莸姆謩荩褐亓?、基質(zhì)勢、壓力勢、滲透勢、溫度勢、磁力勢等pressurpotential,matricpotential,gravitational

potential,solute(osmotic)potentialΨt=Ψp+Ψm+Ψg+Ψs土壤水勢：單位與換算單位質(zhì)量土壤水勢J/gerg/g單位容積土壤水勢

pabaratm單位重量土壤水勢mmHgcmH2OpF

pF是cmH2O絕對值的對數(shù)

pF=㏒（-h）土壤水勢：單位與換算

1pa=0.0102cmH2O1atm=1033cmH2O=1.0133bar1bar=0.9896atm=1020cmH2O土壤水勢計算與測定：重力勢（1）選擇一基準(zhǔn)面，以cmH2O為單位，則基準(zhǔn)面的Ψg=0

（2）高于基準(zhǔn)面處的Ψg為正值,數(shù)值等于該點(diǎn)到基準(zhǔn)面的垂直距離。低于基準(zhǔn)面處的Ψg,數(shù)值等于該點(diǎn)到基準(zhǔn)面的垂直距離，為負(fù)值。ABC15cm12cm基準(zhǔn)面Ψg=0

Ψg=15cmH2OΨg=-12cmH2O土壤水勢的計算與測定：基質(zhì)與壓力勢選擇當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛闃?biāo)準(zhǔn)壓當(dāng)水土勢＝當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r，標(biāo)準(zhǔn)壓＝0Ψm=Ψp=0當(dāng)土壤水不飽和時，標(biāo)準(zhǔn)壓<0,土水勢<0土壤只有Ψm

，沒有Ψp當(dāng)土壤水飽和時，標(biāo)準(zhǔn)壓>0，土水勢>0土壤只有Ψp

，沒有Ψm數(shù)值等于該點(diǎn)到自由水面的垂直距離自由水面壓力=當(dāng)?shù)卮髿鈮簶?biāo)準(zhǔn)壓=015cm12cmABC地下水位Ψm=Ψp=0水分不飽和Ψp=0Ψm=-12cmH2O水分飽和Ψm=0Ψp=15cmH2O滲透勢（溶質(zhì)勢）的計算：Ψs=-—RTc-溶質(zhì)質(zhì)量u-溶質(zhì)摩爾質(zhì)量R-摩爾氣體常數(shù)T-熱力學(xué)溫度Cu溫度勢Ψt=-SeΔTSe:單位數(shù)量土壤水分的熵值ΔT:溫度變化其他分勢磁力勢空氣壓力勢荷載勢濕潤勢土壤水分勢的組合：土壤水吸力＝

Ψm+Ψssuction土壤水勢=Ψm+Ψp+Ψs

waterpotential土壤水力勢=Ψg+Ψp+Ψm

hydraulicpotential組合后的用途不同土壤水分勢組合后的用途土壤水吸力：為了計算方便而設(shè)，僅用于水分不飽和情況土壤水勢：真正意義的土壤水勢土壤水力勢：與土壤水分運(yùn)動關(guān)系密切

土壤水勢的測定方法：壓力膜法pressuremembrane吸力平板法pressureplate張力計法

tensionmeters水汽壓法vaporpressureformeasuringofsoilpotential石膏塊法離心機(jī)法壓力膜法：方法與原理壓力膜裝置:用于室內(nèi)測定壓力膜法：方法與原理

土壤飽和后放入密閉鋼室內(nèi)加一定壓力土壤中水分流出當(dāng)土壤停止排水時土樣烘干測含水量這時：

Ψp＝Ψm

土壤水吸力＝所施加壓力

壓力膜法用途測定某土壤水吸力下的土壤水含量測定不同吸力下土壤水的物質(zhì)組成研究不同吸力下土壤水吸力與土壤含水量的相關(guān)性Z張力計法：方法與原理多孔瓷杯，水分可以自由出入張力計構(gòu)造用于田間試驗(yàn)或盆栽試驗(yàn)定位測定，只能用于低吸力段測定。張力計用途：田間或盆栽試驗(yàn)中測土壤水吸力測土壤水吸力0～0.85大氣壓下的土壤水吸力和含水量關(guān)系當(dāng)土壤太干旱時，張力計內(nèi)水分汽化，測量不出正確數(shù)值水汽壓法：原理

PF=㏒H=㏒(-Mg×㏑)=6.5+㏒(2-㏒h)h=×100(相對水氣壓％)PP0RTh100R-摩爾氣體常數(shù)T-熱力學(xué)溫度水汽壓法：原理

20℃時各類鹽類飽和溶液上的空氣相對濕度飽和鹽溶液K2SO4KClNH4ClNaNO3空氣相對濕度988679.266PF4.465.315.515.76CaNO3K2CO3·2H2OCaCl2·6H2O5545355.926.046.16土壤水分特征曲線的制作方法0－30bar壓力膜法>30bar水汽壓法土壤水分特征曲線的制作方法

（1）測定0，0.1，0.3，0.6，1，3，6，10，15，30，60，100，1000bar時的土壤含水量（2）在半對數(shù)紙上，土壤水吸力取對數(shù)座標(biāo)，土壤含水量取正常座標(biāo)繪相關(guān)曲線土壤水分特征曲線的滯后效應(yīng)θν土壤水分特征曲線的標(biāo)定（用最小二乘法原理選配經(jīng)驗(yàn)公式）θv=A+B/nSθv=A/(S+B)θv=AeasS-土壤水吸力θv-土壤含水量A,B-經(jīng)驗(yàn)常數(shù)影響土壤水分特征曲線的因素低吸力段：受結(jié)構(gòu)影響高吸力段：受質(zhì)地影響溫度滯后現(xiàn)象土壤水分特征曲線P46圖2－3土壤水分特征曲線的用途用于土壤水分含量與水勢之間的換算定點(diǎn)測定土壤水勢或土壤含水量用于計算灌溉水量測定實(shí)效孔徑分布計算比水容量土壤水分含量與水勢之間的換算應(yīng)用實(shí)例：新型張力計的發(fā)明舊式張力計測量范圍0—0.85個大氣壓.新型張力計測量范圍0—-1500個大氣壓.目前測量土壤水分含量已經(jīng)有可靠的方法與儀器,可以準(zhǔn)確測定出從飽和含水量—凋萎系數(shù)的土壤含水量.土壤水分含量與水勢之間的關(guān)系可以用土壤水分特征曲線表示.用一種測定土壤水分含量的儀器測出土壤水分含量,然后換算出土壤水勢.如何解決滯后現(xiàn)象?如何解決與土壤的水分平衡?EQ15土壤水勢儀

德國產(chǎn)平衡式土壤水分張力儀由平衡傳感器與含水量2部分構(gòu)成.平衡傳感器的材料具備2個特點(diǎn):1、穩(wěn)定的含水量與水勢關(guān)系2、良好的透水性。θvS田持水勢臨界水勢灌溉水量用于計算灌溉水量土壤水分含量與水勢之間的換算如果不考慮土壤水特征曲線的滯后現(xiàn)象可在已知θ情況下可求得S，反之亦然。為了換算和分析方便，常將土壤水特征曲線概括為經(jīng)驗(yàn)公式。如Gardner和Visser

所提出來的：式中：a,b,A,n,m都是待定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，

f

為土壤孔隙度。Genuchten

提出的方程實(shí)效孔徑分布

在非飽和的土-水系統(tǒng)中，如土壤水吸力主要是由土壤中某一圓形孔徑的毛管力作用的結(jié)果，參考毛細(xì)管上升公式，則基質(zhì)吸力為：

式中：D單位為mm。根據(jù)上式計算的孔徑稱為相應(yīng)吸力下的實(shí)效（或當(dāng)量）孔徑。比水容量Ca比水容量為基質(zhì)勢對含水量的導(dǎo)數(shù)，也即土壤水特征曲線的斜率，是土壤含水量或土壤基質(zhì)勢的一個函數(shù)。比水容量C可以用以說明在土壤基質(zhì)勢或土壤水吸力某一變化范圍內(nèi)，土壤所能釋放或儲存以供植物利用的水量。含水量

隨s變化的特征曲線和比水容量隨吸力s變化的曲線

峰值表明相應(yīng)的實(shí)效孔徑在該土壤中占優(yōu)勢處理編號

沙：鋸末：蛭石處理編號

沙：鋸末：蛭石No.sand：sawdust：vermiculiteNo.sand：sawdust：vermiculite10:2:8104:0:620:4:6114:2:430:6:4124:4:240:8:2134:6:052:0:8146:0:462:2:6156:2:272:4:4166:4:08