土壤肥料学第四章.ppt

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1、,第四章 土壤水,第一节 土壤水在农业生态系统中重要性 第二节 土壤水的基础知识 第三节 土壤水分研究的形态学与能态学 第四节 土壤水的运动规律 第五节 土壤水状况及水分平衡,第一节 土壤水在农业生态系统中重要性,一、我国水资源概况 （一）我国水资源基本特点 1.水资源空间分布特点 2.水资源时间分布特征 3.水资源与耕地资源组合不协调,（二）我国农业水资源利用概况 灌溉大国 面临缺水 农业灌溉用水利用率40%左右 农业节水潜力巨大,二、土壤水在农业生态系统中的重要作用 植物主要依靠土壤水 各种物质交换的媒介 影响土壤温度和通气状况 影响生态平衡 水分循环的中心环节,第二节 土壤水的基础知识,

2、一、土壤水分数量的表示方法和测定技术 （一）土壤含水量的表示方法 1.质量含水量m：土壤中水分的质量占干土重的百分数。干土重为105 -110下的烘干土重。,2、容积含水量v ：单位土壤总容积中水分所占的容积百分数。 v容%=质%容重 v = m 土壤容重,3、土壤水贮量 （1）水层厚度（水深）： 指一定面积，深度土层内所含实际含水量换算成水层厚度来表示，单位常用mm。 Dw =质%土层厚度容重/10 =容%土层厚度/10 * 水层厚度可与降雨量和蒸发量之间进行比较。 （2）绝对水体积（容量）：指一定面积一定厚度土壤中所含水的体积。 Dv( 水方/公顷)=2/3Dw,4、土壤相对含水量:土壤实

3、际含水量占该土壤田间持水量的百分数。,（二）土壤含水量的测试技术 1.经典烘干法（标准方法） 2.快速烘干法 3.中子法 4.电阻法 5.TDR法（Time Domain Reflectometry）,土壤含水量的测定方法及原理 1、烘箱烘干法 1）原理：105110烘干68小时 2）质%=(W1-W2)/(W2-W3) W1湿土+盒 W2干土+盒 W3盒 3）国标方法，准确 4）缺点：时间长，需取样，不能定点观测。 2、快速烘干法 1）红外线烘干法 2）微波炉烘干法 3）酒精燃烘法：取土样放入铝盒，加入98%酒精点燃，重复3-5次，燃烧时土壤70-80，将燃尽时180- 200，灭后80-9

4、0，快速但不准确，适用于田间操作。,3、中子仪法 1）快中子源 镭-铍 2）慢中子探测器。 3）快中子遇H变慢 4）不能测土表土壤，有机质多影响结果。 5）可定点长期观测。,4、TDR法： 1）时域反射仪，可测定土壤水，盐状况 2）原理： A、电磁脉冲传播速度与介质介电常数有关。 土壤介电常数a ：土粒介电常数为5，空气为1，水为80.36。 B、将长度L的波导棒插入土壤中，电磁脉冲信号从波导棒始端传到终端，波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。根据返回时间和返回时脉冲衰减可计算土壤水、盐含量。 C、介电常数与容积含水率间的关系， v =-5.310-2+2.9210-2

5、a-5.510-4a2+4.310-6a3 D、根据时间计算a，根据a计算v。,二、土壤墒情 1墒情的种类 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。,2. 墒情的判断 墒情在空间上的层次性： 表墒：0-20cm，变化剧烈 底墒：20-50cm，受作物生长的影响较大 深墒：50-100cm，相对稳定 墒情在时间上的季节性 与气候的季节性以及作物的生长发育季节密切相关。 错位导致严重减产。 提高土壤保墒性能是协调土壤墒情与作物生育季节的

6、有效手段。,一、土壤水分研究的形态学特征与性质 （一）土壤水分的保持 土壤水分的保持力主要有两种， 吸附力: 范德华力和库伦力 毛管力: 弯月面力,第三节 土壤水分研究的形态学与能态学,1.吸湿水（hygroscopic water ） 概念：土壤固体土粒的表面能吸附空气中的水分子，形成薄薄的水膜。 最大吸湿量（maximum hygroscopicity ） ：在水汽饱和的空气中，吸湿水达到最大量时土壤含水量。 吸湿水受到束缚力，10000-31个大气压，植物吸水15-16大气压，不能被植物利用。 密度1.2-2.4，冰点是-78 ，105可烘出来。 影响因素：质地、气温、相对湿度。 对植物

7、无效！,（二）土壤水分类型及性质,土壤质地愈粘重，吸湿系数愈大。,2.膜状水（film water） 概念：土粒在吸附空气中的水汽达到饱和后，还有剩余的分子引力，能吸附液态的水。 最大分子持水量：膜状水达到最大量时土壤含水量。 膜状水受到束缚力31-6.25个大气压，部分可被植物吸收利用，但移动缓慢吸收困难。 凋萎含水量（萎蔫系数）（wilting point ） ：植物由于干旱发生永久萎蔫时土壤含水量。 此时土壤含水量受到吸力15-16个大气压，已为土壤有效水的下限。 *吸湿水和膜状水，又被称为吸附水或束缚水。 对植物有效性低，仅部分有效。,膜状水示意图,3.毛管水（capillary wa

8、ter） 概念：靠毛管力作用而保持和运动的土壤液态水。 毛管水受到吸力6.25-0.1个大气压，可被植物吸收利用。,毛管水的类型 1）毛管悬着水（capillary suspending water） ：在地形部位高，地下水位深的地方，降雨或灌水后，借毛管力保持的水分，与地下水无直接联系，同下面的干土层有明显的湿润线分界，好象悬着在上层土壤毛管孔隙中的水。 *田间持水量（field capacity） ：土壤毛管悬着水达到最多时土壤含水量。 *毛管断裂含水量（capillary disrupting moisture） 当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率

9、明显降低，此时土壤含水量称为毛管断裂含水量。大约相当于该土壤田间持水量的75左右。,土 粒,毛管 悬着 水示 意图,毛管水的类型 2）毛管上升水（capillary supporting water ）：地形低洼，地下水位浅，地下水沿毛管上升地表，使土壤保持湿润。 *毛管持水量：毛管上升水达到最大量时土壤含水量。毛管持水量略大于田间持水量。,土 粒,毛管 上升 水示 意图,地下水位,4.重力水（gravitational water ） 概念：不被土壤保持而受重力支配向下流动的水。 饱和含水量（saturated water content）：土壤孔隙都充满水时的含水量 水田可被作物利用 旱地

10、，短时间存在土体；过多，土壤空气不足，内涝，对作物生长不利。,二、土壤水分的能量概念 土水势（soil water potential） ：土壤在各种力（吸附力、毛管力、重力和静水压力等）的作用下，势（或自由能）的变化（主要是降低），称为土水势。,1、基质势（m）：土壤水受到吸附力和毛管力的束缚，自由能的降低。 负，水分不饱和下起主要作用。 2、溶质势（渗透势s）：土壤水溶解溶质而引起自由能的降低。 负，蒸馏水干的快，盐水干得慢。 3、压力势（p）：由于土壤水本身静水压力而引起土水势变化。 正值，土壤水分饱和时起主导作用。 4、重力势（g）：土壤中的水处于高度不同而具有不同的重力势能。 0水势

11、面确定，可以以地表或地下水作为0水势面。 t=m+s+p+g,(二)土壤水吸力 1、土壤水吸力：指土壤水在承受一定吸力情况下所处的能态。 用吸力表示其能态大小，但并不是指土壤对水的吸力，物理意义上不严格，但应用较方便。 2、包括基质吸力和溶质吸力， 基质吸力产生原因与m相同，大小相同，符号相反。 溶质吸力，产生原因与s相同，大小相同，符号相反。 3、水由吸力小向吸力大的方向运动。,(三)土壤水能态的定量表示和测定方法 1、土壤水能态的定量表示方法 以单位数量土壤水的势能值表示。 单位容积：用Pa，hPa，kPa，MPa 单位质量：水柱高度 1 Pa=1.0210-2cm水 1mm水柱=9.80

12、64Pa（0） 1atm=1033cm水柱=1.0133bar 1bar=0.9896atm=1020cm水柱 pF：水柱高度厘米数的对数,2、土水势的测定方法,张力计法，压力膜法，冰点下降法，水气压法,张力计法（负压计或湿度计），测定水不饱和土壤的基质势或基质吸力。田间、盆栽、室内,一般只能测定8万帕以下的土壤水吸力。,(四）土壤水分特征曲线 概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为。 土壤水分特征曲线把土壤水分数量和能量及其相互间关系表示出来，能够清楚说明不同土壤的水分性状。,随着土壤含水量的减少其水吸力增大，基质势降低，植物根系吸水难度增大，水分有效性降低。

13、,2、影响土壤水分特征曲线的因素 1）质地：不同质地土壤，孔隙状况差异较大，水分特征曲线不同。 2）结构：低吸力范围，土壤越紧实，同一吸力下，含水率越大。 3）温度：温度升高，水表面张力和粘滞性下降，水吸力减少，土水势升高，低含水量时显著。 4）滞后现象：土壤水分由干到湿和由湿到干，土壤水分曲线不重合的现象。,滞后现象,三、土壤水分有效性：植物利用土壤水的难易程度 有效水下限为：凋萎含水量 有效水上限为：田间持水量（毛管持水量） 土壤最大有效贮水量%=田%-凋萎% 土壤有效持水量%=土壤含水量%-凋萎% 速效水毛管断裂含水量至田间持水量之间水。 迟效水凋萎含水量到毛管断裂含水量之间水。,土壤质

14、地与有效水最大含量的关系,土壤含水量,第四节 土壤水的运动规律,土壤水分运动由高能态低能态运动，即由水势高向水势低方向运动，由吸力小向吸力大的地方运动。 土壤水分运动包括：液态水运动，气态水运动。 液态水运动又分饱和水运动，不饱和水运动。 饱和水运动，水分大于田间持水量时水运动， 不饱和水运动，水分小于田间持水量时水运动。,一、液态水运动 （一）饱和流 1、土壤含水量大于田间持水量时重力水的运动。 2、运动动力是重力势和压力势。 3、水分运动符合达西定律，在水势梯度方向上，单位时间水的流量与水势梯度成正比。 4、K为饱和导水率：主要决定于粗孔隙的孔径与数量，水在孔隙中总的流量与孔径的4次方成正

15、比。 5、K受质地、结构、有机质、胀缩性等影响。,（二）非饱和流 1、土壤含水量小于田间持水量时，水分运动。 2、动力是基质势梯度和重力势梯度。 例如，膜状水运动，毛管水运动，上升高度与重力势相当。 3、可将达西定律用于不饱流动。 k(m)为不饱和导水率，随含水量或m而改变。 4、饱和导水率远大于不饱和导水率，吸力为0时饱和导水率比吸力0.1大气压以上不饱和导水率大几个数量级。 5、粘土不饱和导水率大于砂土。,（三）土壤水分入渗和再分布 1、入渗：灌水或降雨，水分自土表向下垂直进入土壤的过程。 影响因素： 1）土壤入渗能力 2）供水速度 供水速度大于入渗能力，土壤水入渗能力决定。 供水速度小于

16、入渗能力，土壤供水速度决定。 入渗过程 1）渗吸阶段:初期，入渗速度由大逐渐减小达到平衡。水分运动既有饱和流动，又有不饱和流动。 2）渗漏阶段:水分入渗速度稳定，饱和流动,2、土壤水分的再分布 （1）降雨或灌水后，土壤水分入渗停止，但土壤内部水继续向比较干的下层或侧层运动。湿润锋不断向下延伸，下层含水率不断增加。 （2）时间长，一次灌水或降雨，水分再分布过程可达1-2年。 （3）水分再分布属不饱和流动。,二、气态水的运动规律 包括：水分的蒸发和凝结、水汽扩散 （一）水分的蒸发与凝结 1、不饱和时蒸发，过饱和时凝结 2、由于土壤表层水汽向大气中扩散，处于不饱状态，水分蒸发情况较多。 3、水分蒸发

17、受影响因素 a.温度 b.水吸力 c.毛管作用强度、连续（结构） d.水汽饱和度,（二）水汽扩散 1、水汽总是由水汽压高向水气压低处扩散，即水汽浓度高向浓度低处扩散。 2、影响因素 1）温度 温度高饱和水气压大 2）饱和度 同样温度下 3）土壤溶液浓度 浓度大饱和水汽压低。,“夜潮”现象a 多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地”。,“冻后聚墒”现象b 冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层的水汽压较高，于是下层水汽不断向冻层集聚、冻结、使冻层不断加厚，其含水量有所增加，这就是“冻后聚墒”现象。,“冻后聚墒”的多少，主要决定于该土壤的含水量和冻结的强度。含水量高冻结强度大，“冻后聚墒”就比较明显

18、。一般对土壤上层增水作用为24左右 。,三、土壤-植物-大气水分循环体系 SPAC：soil-plant-air-continuum,由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。,沙漠植物在-200-800万帕时仍能生存。,第五节 土壤水分状况及水分平衡 一、田间水分平衡 田间水分平衡：在一定容积土壤内水的收入与支出，在农田，主要是指根层土壤水的平衡，根层深度一般多指1-2m深度以内，在一定时期内，根层土壤水分含量的变化。 有收入、有支出，收入支出差，土壤水量变化。,W =P+I+U-E-T-D-R-In W 土体储水量mm 收入：P- 降水量mm， I-灌水量mm， U-上行毛管水mm

19、 支出：E-土面蒸发mm， T-蒸腾量mm， D-渗漏量mm，R- 径流量 mm，In-冠层截流量mm,U,二、土壤水分状况 土壤水分状况通常是指周年中土壤剖面上下土层的含水量或土水势的情况及变化（也称为墒情）。 我国北方在周年内土壤水分状况可分为四个时期： 1. 土壤湿度相对稳定期 2. 春夏之交土壤失水期 3. 夏季土壤水分聚集期 4. 晚秋至冬初的土壤失水期,三、土壤水分状况调节 科学合理地灌水 搞好农田基本建设和流域综合治理 3. 采用合理的农艺措施，进行耕作保墒 4. 地面覆盖技术 5. 化学保墒增温剂的应用 6. 排水,名词解释： 土水势 吸湿水 吸湿量 膜状水 毛管水毛管断裂持水量 田间持水量 土壤水吸力 土壤水分特征曲线 夜潮作用 冻后聚墒 土壤蒸发 萎蔫系数 土壤水入渗 土壤水再分布 研究土壤水有何重大意义?土壤水在土壤中有何重要作用? 用土水势研究土壤水的优点是什么?土壤水总是从含水多的地方向含水少地方运动，这种说法正确否?为什么 ? 阐明土壤水的类型及其有效性。,复习思考题,