1、 第四章第四章 土壤水土壤水 教材：教材：第四章一、二节第四章一、二节第七章第七章4.1 Introduction 土壤水分概述土壤水分概述4.2 Basic properties of soil water 土壤水分基本性质土壤水分基本性质4.3 Soil water potential 土水势土水势4.4 Soil water movement 土壤水的运动与循环土壤水的运动与循环Contents 土壤的最重要组成部分之一；土壤的最重要组成部分之一；土壤形成过程中起着极其重要的作用，很大程度上参土壤形成过程中起着极其重要的作用，很大程度上参与了土壤内进行的许多物质转化过程：矿物质风化、与了
2、土壤内进行的许多物质转化过程：矿物质风化、有机化合物的合成和分解等；有机化合物的合成和分解等；作物吸水的最主要来源；作物吸水的最主要来源；自然界水循环的重要环节；自然界水循环的重要环节；非纯水，而是稀薄的溶液，溶有各种溶质，还有胶体非纯水，而是稀薄的溶液，溶有各种溶质，还有胶体颗粒悬浮或分散其中。颗粒悬浮或分散其中。土土壤壤水水4.1 土壤水分概述土壤水分概述 Introduction&Principal sources of soil waterl Precipitation Rain,snow,hail(雹）雹）;fog,mist(霜霜)l Ground water lateral mov
3、ement from upslope,upward movement from the underlying rock strata.precipitationSurface devoid of vegetationReach directlyVegetated surfaceinterceptedcanopyCanopy throughfall and stemflowatmosphereevaporationinfiltrationRun offSoil waterDrainage and lostEvapotraspiration&The composition of soil wate
4、r Soil water contains a number of dissolved solid and gaseous constituents,many of which exist in mobile ionic form,and a variety of suspended solid components.l Base cationsl H+l Iron and aluminiuml Soluble anionsl Dissolved organic carbon(DOC)l Pollutants(heavy metals et al.)l Suspended constituti
5、onsBase cations Ca2+Mg2+K+Na+NH4+Precipitation Mineral weatheringOrganic matter decompositionLime and fertilizersources H+a measure of acidity(pH)CO2Atmosphere dissolved in precipitationSoil air produced in soil respirationH2O+CO2 H2CO3 H+HCO3-Unpolluted rain water:pH 5.6 Soil water:pH 5.0 l Industr
6、ial and urban emissionl Organic acids derived from decaying organic materiall Released by plants in exchange for nutrient base cationsIron and aluminiumMajor sources mineral weathering acid rainMajor form Fe2+,Al3+ions soluble organic-metallic complexesSoluble anionsNO3-,PO43-Cl-,SO42-HCO3-Mineralis
7、ation processesFertilizersAtmosphere sourcesMineral weatheringSuspended constitutions p Small particles of mineral and organic materialp Often result in discoloration(变污变污)and increased turbidity(混浊度混浊度)of soil water.Dissolved organic carbon(DOC)Pollutants(heavy metals et al.)土土壤壤水水分分研研究究方方法法能量法能量法数
8、量法数量法从土壤水分受各种力作用后自由能的变化从土壤水分受各种力作用后自由能的变化研究水分的能态和运动、变化规律。研究水分的能态和运动、变化规律。按照土壤水分受不同里的作用而研究水按照土壤水分受不同里的作用而研究水分的形态、数量、变化和有效性。分的形态、数量、变化和有效性。统一标准和尺度统一标准和尺度土壤土壤植物植物大气连续体（大气连续体（SPAC)SPAC)通用通用简单、实用简单、实用Buckingham 19074.2 Basic properties of soil water 土壤水分基本性质土壤水分基本性质 土壤水分形态土壤水分形态土壤水分含量土壤水分含量水分含量的测定水分含量的测定
9、l 土壤水的类土壤水的类型型 吸湿水吸湿水(紧束缚水紧束缚水)吸附水吸附水(束缚水束缚水)毛管水毛管水重力水重力水膜状水膜状水(松束缚水松束缚水)受土壤吸附力作用而保持受土壤吸附力作用而保持受毛管力作用而保持，受毛管力作用而保持，存在于毛管孔隙中。存在于毛管孔隙中。受重力作用，受重力作用，主要存在于土壤通气孔隙中。主要存在于土壤通气孔隙中。土壤水分形态土壤水分形态定义定义土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分.吸附力很强，达吸附力很强，达3110000个大气压，使个大气压，使水水增大，可增大，可达达1.5g/cm3；无溶解能力，不移动，对植物无
10、效。；无溶解能力，不移动，对植物无效。通常在通常在105110条件下烘干除去。条件下烘干除去。特点特点 土壤吸湿水含量受土壤质地和空气湿度的影响。粘质土吸附土壤吸湿水含量受土壤质地和空气湿度的影响。粘质土吸附力强，吸湿水含量高，砂质土则吸湿水含量低；空气相对湿度高，力强，吸湿水含量高，砂质土则吸湿水含量低；空气相对湿度高，吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。风干土重风干土重 烘干土重烘干土重=1+吸湿水吸湿水%风干土风干土 烘干土烘干土 吸湿水吸湿水有无吸湿水吸湿水特点：特点：保持力较吸湿水低，保持力较吸湿水低，6.256.253131大气压，密度较吸湿水小，大
11、气压，密度较吸湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方移动。无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方移动。对植物有效性低，仅部分有效。对植物有效性低，仅部分有效。定义：定义：土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周围形成连续水膜。土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周围形成连续水膜。膜状水膜状水 土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而定，土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。是一个比较固定的数值，故称水分常数。l 土土壤水分常数壤水分常数 Soil water coefficient吸湿系数吸湿系数(最大吸湿量最大吸湿量 maximum ads
12、orbed water content)凋萎系数凋萎系数(wilting coefficient)植物永久凋萎时的土壤含水量。植物永久凋萎时的土壤含水量。田间持水量田间持水量(field moisture capacity)毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。大小的一个指标。饱和含水量饱和含水量 土壤孔隙全部充满水时的含水量。土壤孔隙全部充满水时的含水量。l土壤水分有效性土壤水分有效性 Soil water availability 土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度
13、。不能被植物吸收利用的水称为不能被植物吸收利用的水称为无效水无效水;能被植物吸收利用的水称为能被植物吸收利用的水称为有效水有效水。最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。土壤质地土壤质地砂土砂土砂壤土砂壤土轻壤土轻壤土中壤土中壤土重壤土重壤土粘土粘土田间持水量田间持水量(%)(%)121218182222242426263030凋萎系数凋萎系数(%)(%)3 35 56 69 911111515有效水最大含量有效水最大含量(%)(%)9 913131616151515151515土壤质地与有效水最大含量的关系土壤质地与有效水最大含量的关系土壤水分
14、形态土壤水分形态土壤水分有效性土壤水分有效性水分与土粒水分与土粒的能量关系的能量关系 105Pa10132 31.415.26.330.40.8 0.050.50.0010.08105烘烘干干重重吸吸湿湿系系数数凋凋萎萎系系数数最最大大分分子子持持水水量量毛毛管管联联系系破破裂裂含含水水量量田田间间持持水水量量毛毛管管持持水水量量饱饱和和持持水水量量吸湿水吸湿水膜状水膜状水毛管悬着水毛管悬着水重力水重力水毛管上升水毛管上升水无效水无效水有效水有效水多余水多余水土壤水分常数土壤水分常数l质量含水量质量含水量 l容积含水量容积含水量l相对含水量相对含水量l土壤储水量土壤储水量 土壤水分含量土壤水分
15、含量l质量含水量质量含水量(m,w%)计算土壤含水量时，以干土重为基础，才能反映土壤的水分状况。计算土壤含水量时，以干土重为基础，才能反映土壤的水分状况。土壤水分质量土壤水分质量(Ww)w%=100 干土质量干土质量(Ws)又称重量含水量，土壤中水分的质量与干土质量的比值。又称重量含水量，土壤中水分的质量与干土质量的比值。l 容积含水量容积含水量(v,v%)土壤所含水分的容积总量占土壤总容积的百分数。土壤所含水分的容积总量占土壤总容积的百分数。土壤水容积土壤水容积(Vw)v%=100 土壤总容积土壤总容积(Vs)水水v%=水水w%土壤容重土壤容重l 相对含水量相对含水量 Relative wa
16、ter content（%）土壤自然含水量占某种水分常数（一般以田间持水量土壤自然含水量占某种水分常数（一般以田间持水量为基数）的百分数。为基数）的百分数。土壤含水量土壤含水量 土壤相对含水量土壤相对含水量=100%田间持水量田间持水量 通常相对含水量为通常相对含水量为60%至至80%，是适宜一般农作物以及，是适宜一般农作物以及微生物活动的水分条件微生物活动的水分条件。l土壤储水量土壤储水量Soil water storage capacity 一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量。一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量。储水量深度储水量深度（mm）一定厚度一定面积土壤中所含水量相当于相同面积水层的
17、厚度。一定厚度一定面积土壤中所含水量相当于相同面积水层的厚度。优点优点:与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和互相换算便于互相比较和互相换算 。Dw(mm)=v%土层厚度土层厚度 优点优点:与灌溉水量表示方法一致，便于计算库容和灌水量。与灌溉水量表示方法一致，便于计算库容和灌水量。V(m3/ha)=Dw(mm)1/100010000=10Dw 储水量容积储水量容积(m3/ha)一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积。一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积。储水量深度储水量深度（mmmm）例：例：容重为容重为1.2g/cm3的土壤，
18、初始含水量为的土壤，初始含水量为10%，田间，田间持水量为持水量为30%，降雨，降雨10mm，若全部入渗，可使多深土层，若全部入渗，可使多深土层达田间持水量？达田间持水量？解解:先将土壤含水量先将土壤含水量w%换算为换算为v%初始含水量初始含水量 v%=10%1.2=12%田间持水量田间持水量 v%=30%1.2=36%因因Dv=v%土层厚度土层厚度 土层厚度土层厚度=Dv/v%=10/(0.36-0.12)=41.7（mm）例：例：一容重为一容重为1g/cm3的土壤，初始含水量为的土壤，初始含水量为12%，田间，田间持水量为持水量为30%，要使，要使30cm土层含水量达田间持水量的土层含水量
19、达田间持水量的80%，需灌水多少？，需灌水多少？解：田间持水量的解：田间持水量的80%为：为：30%80%=24%30cm土层含水达田间持水量土层含水达田间持水量80%时时:Dv=(0.24-0.12)1300=36(mm)V(m3/ha)=10Dv=1036=360(m3/ha)储水量容积储水量容积(m3/ha)烘干法烘干法中子仪法中子仪法TDR（时域反射仪）法（时域反射仪）法电阻法电阻法水分含量的测定水分含量的测定在在105110条件下，烘至恒重，为烘条件下，烘至恒重，为烘干土重，以此为基础计算水分重（蒸发干土重，以此为基础计算水分重（蒸发损失量）的百分比损失量）的百分比(%)。红外线烘干
20、法、微波炉烘干法、酒精红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精烘干法、酒精烧失法等。烘干法、酒精烧失法等。烘烘干干法法快速烘干法快速烘干法经典烘干法经典烘干法此法费事，不便定位测定。此法费事，不便定位测定。中子仪法中子仪法TDR法法中子水分测定仪中子水分测定仪包括一个快速中子源和一个包括一个快速中子源和一个慢中子探测器。慢中子探测器。简便、较精确。只能用于较深土层水分测定，简便、较精确。只能用于较深土层水分测定，不能用于土表薄层土。有机质中的氢会影响不能用于土表薄层土。有机质中的氢会影响H2O的测定结果。的测定结果。时域反射仪法时域反射仪法(Time-Domain-Reflectometry),类似一
21、个短波雷达系统，可直接、快速、方便、可靠类似一个短波雷达系统，可直接、快速、方便、可靠地监测土壤水盐状况。地监测土壤水盐状况。测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等无关，测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等无关，独立性很强。独立性很强。电磁脉冲电磁脉冲 介电常数（土壤水介电常数（土壤水80、固相、固相34、气相、气相1）4.3 Soil water potential 土水势土水势potential and sub-potential 土水势及其分势土水势及其分势water potential 土水势的测定土水势的测定Soil water characteristics curve 土壤水分特征
22、曲线土壤水分特征曲线Soil water potential 土水势土水势 土水势及其分势土水势及其分势 把把单位数量纯水可逆地等温地以无穷小量从标单位数量纯水可逆地等温地以无穷小量从标准大气压下规定水平的水池中移至土壤中某一点而成准大气压下规定水平的水池中移至土壤中某一点而成为土壤水所需做功的数量。为土壤水所需做功的数量。Soil water potential 土水势土水势 土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。标准状态水标准状态水与土壤水等温、等压、等高的纯净自与土壤水等温、等压、等高的纯净自由水。假定其自由能为零，作为参比标准，由水。假定其自由
23、能为零，作为参比标准，土壤水自由能土壤水自由能与其比较差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量与其比较差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。水流动方向：土水势高（负值小）水流动方向：土水势高（负值小）低（负值大）低（负值大）土水势及其分势土水势及其分势Sub-potential 分势分势 由于引起土壤水势变化的由于引起土壤水势变化的原因或动力原因或动力不同，土壤水势不同，土壤水势(t t)分为：分为：l基质势基质势(m m)l压力势压力势(p p)l溶质势溶质势(s s)l重力势重力势(g
24、 g)土壤总水势是各分势之和土壤总水势是各分势之和:t=m+s+g+pl Matric potential 基质势基质势 m 也称基模势，是由土粒吸附力和毛管力吸附力和毛管力所产生的。一般为负值；土壤水完全饱和情况下为最大值零。土壤水不饱和情况下，非盐碱化土壤的土水势以m为主。l Solute potential 溶质势溶质势 s 也称渗透势，由土壤水中溶解的溶质溶质所产生。一般为负值。土壤水不是纯水，其中有溶质，而水分子是极性分子，与溶质之土壤水不是纯水，其中有溶质，而水分子是极性分子，与溶质之间可产生静电吸附，产生间可产生静电吸附，产生s。(存在半透膜时对水分运动起作用）存在半透膜时对水分
25、运动起作用）l Gravitational potential 重力势重力势 gg 由重力作用产生的水势。如果土壤水在参照面（地下水位）之上，则重力势为正，反之，重力势为负。l Pressure potential 压压力势力势 pp 土壤水饱和情况下，由于受压力而产生的。一般为正值。标准状态水的压力为标准状态水的压力为1 1个大气压，但如果土壤中有水柱或水层，土个大气压，但如果土壤中有水柱或水层，土壤水所受到的压力在局部就不一定为壤水所受到的压力在局部就不一定为1 1个大气压，就有一定的静水压。个大气压，就有一定的静水压。悬浮于水中的物质也会产生一定的荷载压。悬浮于水中的物质也会产生一定的荷
26、载压。以单位数量以单位数量(单位质量、单位容量或单位重量单位质量、单位容量或单位重量)土壤水分的土壤水分的势能值为准。势能值为准。国际单位制：国际单位制：帕帕(Pa)、千帕、千帕(kPa)、兆帕、兆帕(MPa)1Pa=1N/m2=1J/m3习惯使用单位：习惯使用单位：大气压大气压(atm)、巴、巴(bar)、水柱高度、水柱高度 1MPa=103kPa=106Pa 1 Pa=1.0210-2cm水柱 1bar=1020cm水柱=105Pa 1atm=1033cm水柱1bar 土水势的单位土水势的单位 定义：定义：土壤水承受一定吸力情况下的能态土壤水承受一定吸力情况下的能态。水吸力相当于土水势的水
27、吸力相当于土水势的基质势基质势和和溶质势溶质势，数值相等，符号相反。，数值相等，符号相反。基质势和溶质势一般为负值，使用不方便，故将其取为正数，定基质势和溶质势一般为负值，使用不方便，故将其取为正数，定义为吸力义为吸力(S)，分别称为，分别称为基质吸力基质吸力和和溶质吸力。溶质吸力。土壤水分保持和运动中，不考虑土壤水分保持和运动中，不考虑s s，故一般水吸力指基质吸力，故一般水吸力指基质吸力，其值与其值与m m相等，符号相反。相等，符号相反。溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在)时才表现出来。l Soil water suction 土壤水吸力土壤水吸力土水势的优点土水势的优点 n 可以直接测定
28、，可以根据水分特征曲线差得土壤含可以直接测定，可以根据水分特征曲线差得土壤含水量。水量。n 由土壤各点的土水势可判断水分运动方向和强度。由土壤各点的土水势可判断水分运动方向和强度。n 可实现田间水分自动化管理（如自动灌溉）。可实现田间水分自动化管理（如自动灌溉）。n 使土壤使土壤-植物植物-大气连续体（大气连续体（SPAC)中水分运动研究中水分运动研究得到统一标准。得到统一标准。l张力计法张力计法(负压计或湿度计负压计或湿度计)，测定水不饱和土壤的基质势，测定水不饱和土壤的基质势 或基质吸力。或基质吸力。土水势的测定土水势的测定l压力膜法：压力膜法：根据土壤在不同压力下排水的原理测定，根据土壤
29、在不同压力下排水的原理测定，可测水吸力可测水吸力120bar。l水汽压法水汽压法l冰点下降法冰点下降法 适用范围适用范围80/85kPa以下，否则空气进入陶土管而失效；以下，否则空气进入陶土管而失效；旱地作物可吸水的吸力多在旱地作物可吸水的吸力多在100kPa以下，张力计实用。以下，张力计实用。土壤水的能量指标土壤水的能量指标(基质势或水吸力基质势或水吸力)与数量指标与数量指标(容积容积含水量含水量)的关系曲线。的关系曲线。随着土壤含水量减少随着土壤含水量减少其水吸力增大，基质势降其水吸力增大，基质势降低，植物根系吸水难度增低，植物根系吸水难度增大，水分有效性降低。大，水分有效性降低。Soil
30、 water characteristics curve 土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线Soil water content(v)Soil water suction(S)土壤水吸力土壤水吸力(S)(S)与含水量与含水量()关系的经验公式：关系的经验公式：式中：式中：S水吸力（水吸力（Pa）含水量（含水量（%）s饱和含水量（饱和含水量（%）a、b、A、n、m为相应的为相应的经验常数经验常数mnsbsb/)(S)a(S aS/或比水容量：水分特征曲线的斜率。C =d /dS 单位吸力变化时单位质量土壤可释放或吸入的水量。土壤水分特征曲线的土壤水分特征曲线的影响因素影响因素l土壤质地土壤质地 同
31、一吸力值下，质地愈粘，土壤含水量同一吸力值下，质地愈粘，土壤含水量(v%)(v%)愈高。愈高。l土壤结构和紧实度土壤结构和紧实度(容重容重)同一吸力值下，容重愈大的土同一吸力值下，容重愈大的土壤，含水量愈高。壤，含水量愈高。l温度温度 影响水的粘滞性和表面张力。影响水的粘滞性和表面张力。土温升高，水的基质势增大，有效土温升高，水的基质势增大，有效性提高。性提高。Soil water Hystersis phenomenon 水分滞后现象水分滞后现象 土壤吸湿土壤吸湿(水水)过程中，过程中，S随随增加而降低的速度较快。土壤脱湿增加而降低的速度较快。土壤脱湿(水水)过程中，过程中，S随随减少而增大
32、的速度较慢。同一土壤的两种水分减少而增大的速度较慢。同一土壤的两种水分特征曲线不重合。特征曲线不重合。砂质土的滞后现象比粘质土更明显。砂质土的滞后现象比粘质土更明显。土壤水分特征曲线的应用土壤水分特征曲线的应用 土壤水吸力与含水量之间的换算土壤水吸力与含水量之间的换算 不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同。但含水量不不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同。但含水量不同，因而有效水的数量不同。同，因而有效水的数量不同。用于各级孔径、孔隙及其容积（用于各级孔径、孔隙及其容积（V，%）的计算）的计算 D=3/T 计算水容量（比水容计算水容量（比水容 Specific water capacity）水吸
33、力变化水吸力变化1个单位时土壤吸入或释出水量个单位时土壤吸入或释出水量(ml/bar g)，即水分特征曲线斜率，即水分特征曲线斜率(d/ds)，可作为土壤供水能力的指标，可作为土壤供水能力的指标。4.4 Soil water movement 土壤水的运动与循环土壤水的运动与循环液态水流动液态水流动气态水运动气态水运动土壤水运动土壤水运动推动力推动力：土层之间的水势梯度：土层之间的水势梯度流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势饱和流饱和流非饱和流非饱和流土壤孔隙全部充满水；土壤孔隙全部充满水；主要是主要是重力水重力水运动运动部分土壤孔隙充水；部分土壤孔隙充水；主要是主要是毛管水和膜状
34、毛管水和膜状水水运动运动推动力：推动力：水汽压梯度、温度梯度水汽压梯度、温度梯度流动方向流动方向：高水汽压到低水汽压：高水汽压到低水汽压 温度高处到温度低处温度高处到温度低处水汽扩散水汽扩散水汽凝结水汽凝结 一维垂直向饱和流动可用达西定律来表示：一维垂直向饱和流动可用达西定律来表示：饱和土壤中的水流饱和土壤中的水流推动力推动力：土层之间的水势梯度：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient),主要包括主要包括重力势重力势和和压力势压力势流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势LHKqsq水通量：单位时间通过单位断面水的容积水通量：单位时间通过单位断面
35、水的容积 H总水势差总水势差L水流路径长度水流路径长度H/L水压梯度水压梯度 “-”表示水流方向表示水流方向 Ks 饱和导水率，即单位压力梯度下水的流量饱和导水率，即单位压力梯度下水的流量H 反映土壤的饱和渗透性能，任何影响土壤孔隙大小和形状的因反映土壤的饱和渗透性能，任何影响土壤孔隙大小和形状的因素都会影响素都会影响Ks。影响孔径大小和形状的主要因素有影响孔径大小和形状的主要因素有质地质地、结构结构、阳离子种类阳离子种类。生产中要求土壤保持生产中要求土壤保持适当的饱和适当的饱和Ks。若过小，造成透水通气。若过小，造成透水通气差，还原有害物质易在土壤中积累，造成地表径流；若过大，造成差，还原有
36、害物质易在土壤中积累，造成地表径流；若过大，造成漏水漏肥现象。漏水漏肥现象。l土壤饱和导水率土壤饱和导水率（saturated water conductivity)Ksu 垂直向下的饱和流垂直向下的饱和流 发生在雨后或稻田灌水以后。发生在雨后或稻田灌水以后。u 垂直向上的饱和流垂直向上的饱和流 发生在地下水位较高的地区；因不合理灌溉抬高地下水位，发生在地下水位较高的地区；因不合理灌溉抬高地下水位，引起垂直向上的饱和流，这是造成土壤返盐的重要原因。引起垂直向上的饱和流，这是造成土壤返盐的重要原因。u 水平饱和流水平饱和流 发生在灌溉渠道两侧的侧渗；水库的侧渗；不透水层上的发生在灌溉渠道两侧的侧
37、渗；水库的侧渗；不透水层上的水分沿倾斜面的流动等水平饱和流。水分沿倾斜面的流动等水平饱和流。饱和流种类饱和流种类 一维非饱和流动可用达西定律来表示：一维非饱和流动可用达西定律来表示：非饱和土壤中的水流非饱和土壤中的水流推动力推动力：土层之间的水势梯度：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient),主要包括主要包括基质势基质势和和重力势重力势流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势 水膜厚的地方向水膜薄的地方移动；水膜厚的地方向水膜薄的地方移动；曲率半径大的孔隙向曲率半径小的孔隙移动；曲率半径大的孔隙向曲率半径小的孔隙移动；温度高处向温度低处移动。温度
38、高处向温度低处移动。dxdKqm)(q水通量：单位时间通过单位断面水的容积水通量：单位时间通过单位断面水的容积 d/dx总水势梯度总水势梯度 “-”表示水流方向表示水流方向 K（m）非饱和导水率，即单位水势梯度下水非饱和导水率，即单位水势梯度下水的流量的流量非饱和流与饱和流的区别非饱和流与饱和流的区别u推动力推动力 非饱和流：基模势和重力势非饱和流：基模势和重力势 饱和流：重力势和压力势饱和流：重力势和压力势u导水率导水率 饱和流：饱和流：Ks对某一土壤为常数对某一土壤为常数 非饱和流：非饱和流：K(m)不是常数，是含水量或基质势的函数。不是常数，是含水量或基质势的函数。含水量高，水势高则含水
39、量高，水势高则k值大，反之，水势低则值大，反之，水势低则k值小。值小。若水分是连续的，则随着土壤含水量减少，若水分是连续的，则随着土壤含水量减少，k值逐渐降低；值逐渐降低；若是不连续的，则若是不连续的，则k值随着含水量降低后急剧下降。值随着含水量降低后急剧下降。基质势降低基质势降低K（m）u水汽运动的方式水汽运动的方式 土壤中水汽运动的主要方式是土壤中水汽运动的主要方式是，即由水汽压高的地方向，即由水汽压高的地方向水汽压低的地方扩散移动。同时也有水汽压低的地方扩散移动。同时也有水汽凝结水汽凝结。扩散系数土壤低于大气。扩散系数土壤低于大气。u影响水汽压梯度的因素影响水汽压梯度的因素 水汽压梯度是
40、水汽扩散运动的主要推动力，它受水汽压梯度是水汽扩散运动的主要推动力，它受和和两个因素的影响，而又以温度的影响为主。两个因素的影响，而又以温度的影响为主。白天白天由温度较高表层由温度较高表层 底层，利于防止蒸发；底层，利于防止蒸发；夜晚夜晚由温度较高底层由温度较高底层 表层，利于土壤回润。表层，利于土壤回润。土壤中的水汽运动土壤中的水汽运动 雨水、灌水进入土壤的两个阶段：雨水、灌水进入土壤的两个阶段：入渗入渗和和再分布再分布。l入渗阶段入渗阶段 渗吸渗吸和和渗透渗透过程过程地面供水，水自上而下垂直运动。地面供水，水自上而下垂直运动。渗吸渗吸：土壤吸水，直至毛管孔隙水饱和，入渗速度随含水量：土壤吸
41、水，直至毛管孔隙水饱和，入渗速度随含水量增加而降低。增加而降低。渗透渗透：水分通过大孔隙下渗，饱和水流，速度恒定：水分通过大孔隙下渗，饱和水流，速度恒定最后最后入渗速率，反映土壤的渗水能力，称渗透系数。入渗速率，反映土壤的渗水能力，称渗透系数。土壤水入渗、再分布和土面蒸发土壤水入渗、再分布和土面蒸发 入渗能力入渗能力是决定地表径流的土壤因素，以入渗速率表示，是决定地表径流的土壤因素，以入渗速率表示，入渗能力取决于土壤的干湿度和孔隙状况。入渗能力取决于土壤的干湿度和孔隙状况。供水强度小，入渗速度主要取决于供水强度小，入渗速度主要取决于供水供水 供水强度大，入渗速度主要取决于土壤的供水强度大，入渗
42、速度主要取决于土壤的入渗能力入渗能力地面供水期，土壤入地面供水期，土壤入渗水自上而下形成饱渗水自上而下形成饱和层和层延伸层延伸层湿润湿润层（毛管水）及湿润层（毛管水）及湿润前锋。前锋。饱和层饱和层延伸层延伸层湿润层湿润层湿润锋湿润锋含水量含水量土土层层深深度度l土壤水的再分布土壤水的再分布 地面停止供水，入渗终止。土壤入渗水在重力、地面停止供水，入渗终止。土壤入渗水在重力、吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动，称为吸力梯度和温度梯度的作用下继续运动，称为土壤水土壤水的再分布的再分布。l 土面蒸发土面蒸发条件条件 有足够热量达到地面满足水的汽化热；有足够热量达到地面满足水的汽化热；水汽从地面移走；
43、水汽从地面移走；土壤水传导至地面。土壤水传导至地面。三个阶段三个阶段大气蒸发力控制（蒸发率不变）阶段大气蒸发力控制（蒸发率不变）阶段 控制因素控制因素大气蒸发力。大气蒸发力。土壤导水率控制阶段土壤导水率控制阶段 控制因素控制因素土壤导水率。土壤导水率。扩散控制阶段扩散控制阶段 水分水分 水气水气 大气，蒸发量减小。大气，蒸发量减小。l土壤水来源土壤水来源(收入收入)：降水降水(P)，灌水，灌水(I)，上行水，上行水(U)l土壤损失土壤损失(支出支出)：土面蒸发土面蒸发(E)，叶面蒸腾，叶面蒸腾(T)，冠层截，冠层截 留留(In)，地表径流，地表径流(R)，下渗水，下渗水(D)l土壤水分平衡：土
44、壤水分平衡：计算时段初、末土体储水量之差计算时段初、末土体储水量之差W W=（P+I+U）（E+T+R+In+D）地区水量平衡地区水量平衡：收入：收入降水降水 支出支出地面径流和蒸散，地面径流和蒸散，即即 P=R+ET Soil water balance in the field田间土壤水分平衡田间土壤水分平衡precipitationSurface devoid of vegetationReach directlyVegetated surfaceinterceptedcanopyCanopy throughfall and stemflowatmosphereevaporationin
45、filtrationRun offSoil waterDrainage and lostEvapotraspiration 土壤中的溶质运移土壤中的溶质运移l对流运移：对流运移：土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。l分子扩散：分子扩散：由分子不规则热运动即布朗运动引起的，由分子不规则热运动即布朗运动引起的，趋势是溶质由浓度高处向浓度低处运移，趋势是溶质由浓度高处向浓度低处运移，最后达到浓度均匀。最后达到浓度均匀。l机械弥散：机械弥散：溶质在随水流动过程中逐渐分散并占有越溶质在随水流动过程中逐渐分散并占有越 来越大的渗流区域范围的运移现象。来越大的渗流区域范围
46、的运移现象。l水动力弥散水动力弥散:分子扩散与机械弥散综合。分子扩散与机械弥散综合。l 溶质的对流运移溶质的对流运移 对对 流流土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。土壤溶质随土壤水分运动而运移的过程。溶质通量溶质通量单位时间内通过土壤单位横截面积的溶质单位时间内通过土壤单位横截面积的溶质质量，质量，通过对流运移的称溶质的对流通量。通过对流运移的称溶质的对流通量。溶质的对流通量溶质的对流通量(Jc)为溶质浓度为溶质浓度(c)和土壤水通量和土壤水通量(q)的乘积：的乘积：Jc=qcl 溶质的分子扩散溶质的分子扩散(solute diffusion)由于分子的不规则热运动即布朗运动引起的，其趋势由于
47、分子的不规则热运动即布朗运动引起的，其趋势是溶质由浓度高处向浓度低处运移，以求最后达到浓度的是溶质由浓度高处向浓度低处运移，以求最后达到浓度的均匀。均匀。土壤中溶质的分子扩散符合土壤中溶质的分子扩散符合Fick第一定律：第一定律：扩散方向的的扩散表示溶 质-浓度梯度溶质/扩散系数)(通量土壤中溶质zcDJsd 一般情况下，溶质的分子扩散系数可表示为含水率的函数，而一般情况下，溶质的分子扩散系数可表示为含水率的函数，而与溶质浓度无关：与溶质浓度无关：zcDJsd)(bsasaeDDDD00)()(为经验常数土壤含水率系数自由水体中溶质的扩散baD,0l 溶质的机械弥散溶质的机械弥散 溶质在随水流
48、动过程中逐渐分散并占有越来越大的渗溶质在随水流动过程中逐渐分散并占有越来越大的渗流区域范围的运移现象。流区域范围的运移现象。机械弥散引起的溶质通量机械弥散引起的溶质通量(Jh)可写成类似于分子扩散的表可写成类似于分子扩散的表达式：达式：zcvDJhh)(弥散方向表示溶质机械弥散系数机械-)(vDhl 溶质的水动力弥散溶质的水动力弥散 水动力弥散：水动力弥散：分子扩散与机械弥散综合。分子扩散与机械弥散综合。土壤中的水流速度相当大时，机械弥散的作用会大大超过土壤中的水流速度相当大时，机械弥散的作用会大大超过分子扩散作用，只考虑分子扩散作用，只考虑机械弥散作用机械弥散作用；反之，当土壤溶液静止；反之
49、，当土壤溶液静止时，则机械弥散完全不起作用，只考虑溶质的时，则机械弥散完全不起作用，只考虑溶质的分子扩散分子扩散了。了。zcvDJshD),(表示溶 质示溶质弥-弥散系数),(）水动力弥散系数（扩散通量水动力弥散引起的溶质vDJshD【作业5】1.简述土壤水的来源及其重要性。简述土壤水的来源及其重要性。2.简述土壤水形态。简述土壤水形态。3.简述土壤水分含量表示方法及其测定方法。简述土壤水分含量表示方法及其测定方法。4.什么是土壤水吸力和土水势？土水势包括那些分势？什么是土壤水吸力和土水势？土水势包括那些分势？简要说明土壤水分特征曲线及其影响因素。简要说明土壤水分特征曲线及其影响因素。5.简述
50、土壤分水分和溶质运移的主要形式。简述土壤分水分和溶质运移的主要形式。THANKS第四章第四章 土壤水、空气和热量土壤水、空气和热量 第一节第一节 土壤水土壤水第二节第二节 土壤空气土壤空气第三节第三节 土壤热量及热性质土壤热量及热性质Contents nIntroductionnStatus of soil water 土壤水分形态土壤水分形态nsoil water content 土壤水分含量土壤水分含量nDetermining of soil water 土壤水分含量的测定土壤水分含量的测定nSoil water potential 土水势土水势nDetermining of soil w
