第六章土壤水森林土壤精选文档.ppt

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1、第六章土壤水森林土壤课件本讲稿第一页，共五十七页第一节第一节 土壤水分的类型及有效性土壤水分的类型及有效性一、土壤水的重要性：一、土壤水的重要性：所有的水只有进入土壤所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。水的最主要来源。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在上是指在105105温度下从土壤中驱逐出来的水。温度下从土壤中驱逐

2、出来的水。本讲稿第二页，共五十七页1、吸吸湿湿水水(hydroscopic water)干干土土从从空空气气中中吸吸着着水水汽汽所所保保持持的的水水，称称为为吸吸湿湿水水。又又称称为为紧紧束束缚缚水水，属属于于无无效效水分。水分。2、膜状水（薄膜水）膜状水（薄膜水）(membraneous water)指由土壤颗粒指由土壤颗粒表面吸附所保持的水层，表面吸附所保持的水层，膜状水的最大值叫最大分子持膜状水的最大值叫最大分子持水量。薄膜水对植物生长发育来说属于弱有效水分，又水量。薄膜水对植物生长发育来说属于弱有效水分，又称为松束缚水分。称为松束缚水分。二、土壤水分的类型和性质二、土壤水分的类型和性质

3、水汽水汽土壤膜状水膜状水本讲稿第三页，共五十七页膜膜状状水水示示意意图图土粒膜状水本讲稿第四页，共五十七页3、毛管水、毛管水(capillary water)毛管水是靠土壤中毛毛管水是靠土壤中毛管孔隙所产生的毛管引力所保持的水分，管孔隙所产生的毛管引力所保持的水分，称为毛管水。毛管水是土壤中最宝贵的水称为毛管水。毛管水是土壤中最宝贵的水分。分。毛管水又可以分为两种类型。毛管水又可以分为两种类型。本讲稿第五页，共五十七页 毛管悬着水毛管悬着水(capillary supporting water)土体中与地下土体中与地下水位无联系的毛管水称毛水位无联系的毛管水称毛管悬着水。管悬着水。毛管支持水（

4、毛管上升毛管支持水（毛管上升水）水）(capillary suspending water)土体中与地下水位有联系土体中与地下水位有联系的毛管水称毛管支持水。的毛管水称毛管支持水。地地下下水水位位高高地下水位地下水位低低本讲稿第六页，共五十七页水水沿沿着着毛毛管管上上升升毛管作用力范围：毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用有明显的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失毛管作用毛管作用本讲稿第七页，共五十七页土土 粒粒地下水位毛管毛管悬着悬着水示水示意图意图本讲稿第八页，共五十七

5、页土土 粒粒毛管毛管上升上升水示水示意图意图地下水位地下水位本讲稿第九页，共五十七页土壤毛管水从地下水吸取水分的示意图.自地下水面向上供水的毛管水的网.充水的粗毛管供水土粒细毛管排除毛管水的大孔隙束缚水占的孔隙充水的大孔隙本讲稿第十页，共五十七页*毛管水上升高度从地下水面到毛管上升谁所能达到从地下水面到毛管上升谁所能达到的相对高度，叫毛管水上升高度。的相对高度，叫毛管水上升高度。h水柱高度（cm)，d孔隙直径（mm）本讲稿第十一页，共五十七页土壤质地土壤质地 毛管水上升高度毛管水上升高度 土壤质地土壤质地 毛管水上升高度毛管水上升高度 砂砂 土土 0.50.51.0 1.0 中壤土，中壤土，重

6、壤土重壤土 1.21.22.0 2.0 砂壤土，砂壤土，轻壤土轻壤土 1.5 1.5 粘粘 土土 0.80.81.01.0 不同土壤质地毛管水上升高度不同土壤质地毛管水上升高度本讲稿第十二页，共五十七页4、重力水、重力水(gravitational water)又称多余水，是指土壤中充滞于充又称多余水，是指土壤中充滞于充气孔隙中的水分。存在于土壤中的时间气孔隙中的水分。存在于土壤中的时间短，很快会因为重力作用而渗入或流出。短，很快会因为重力作用而渗入或流出。河流河流本讲稿第十三页，共五十七页三、土壤水分含量的表示方法三、土壤水分含量的表示方法（一）质量含水量（一）质量含水量（m）（二）容积含水

7、量（二）容积含水量（v）V=m （三）相对含水量（三）相对含水量（%）本讲稿第十四页，共五十七页（三）土壤贮水量（三）土壤贮水量 2、水方（、水方（m3）V方方/亩亩2/3Dw1、水深（、水深（DW）DW=Vh 或或mm本讲稿第十五页，共五十七页（一）土壤水分常数（一）土壤水分常数(soil moisture constant)在在一一定定条条件件下下的的土土壤壤特特征征性性含含水水量量称称土土壤壤水水分分常常数。数。吸湿系数吸湿系数(hygroscopic coefficient)最大吸湿水量最大吸湿水量凋萎系数凋萎系数(wilting coefficient)萎蔫含水量又称稳定凋萎蔫含水量

8、又称稳定凋萎含水量。植物因缺水凋萎并不能复原时的土壤含水萎含水量。植物因缺水凋萎并不能复原时的土壤含水量，又称萎蔫含水量。量，又称萎蔫含水量。四、土壤水分常数及土壤水分有效性四、土壤水分常数及土壤水分有效性 本讲稿第十六页，共五十七页田间持水量(field capacity)*：毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的最高指标。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。饱和含水量饱和含水量(saturated water content)饱和含水量饱和含水量是指土壤中孔隙都充满水时的含水量。以干土质量是指土壤中孔隙都充满水时的含水量。以干土质量或容积的百分量表示

9、。或容积的百分量表示。本讲稿第十七页，共五十七页（二）（二）土壤水的有效性土壤水的有效性(availability)土壤水的有效性是指土壤水能否被植土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。物吸收利用及其难易程度。不能被植物吸收利用的水称为无效不能被植物吸收利用的水称为无效水水,能被植物吸收利用的水称为有效水能被植物吸收利用的水称为有效水。最大有效水含量是凋萎系数至田间持最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。水量的水分。本讲稿第十八页，共五十七页土壤水分有效性的三种假设土壤水分有效性的三种假设土壤水分在上限（田间持水量）和下限土壤水分在上限（田间持水量）和下限（凋萎系数）之

10、间同等有效。（凋萎系数）之间同等有效。在上述范围内随土壤水分减少而降低。在上述范围内随土壤水分减少而降低。传统的土壤水分有效范围传统的土壤水分有效范围本讲稿第十九页，共五十七页 土土壤壤质质地地 土土壤壤质质地地的的影影响响主主要要是是由由土土壤壤的的表表面面积和孔隙系统的性质引起的。积和孔隙系统的性质引起的。土壤结构土壤结构 团聚体土壤孔隙度大，含水量高，持团聚体土壤孔隙度大，含水量高，持水孔隙发达，故有效水分含量高。如团聚体发育好水孔隙发达，故有效水分含量高。如团聚体发育好的东北黑土。的东北黑土。有机质含量有机质含量 有机质本身的持水量很大，更能促有机质本身的持水量很大，更能促进良好土壤结

11、构的形成，所以多施有机质，可以扩大进良好土壤结构的形成，所以多施有机质，可以扩大有效水范围。有效水范围。(三三)影响土壤水分有效性的因素影响土壤水分有效性的因素本讲稿第二十页，共五十七页 土壤质地对有效水范围的影响 土壤质地土壤质地 田间持水量 萎蔫系数有效含水范围松砂土松砂土 4.5 1.8 2.7 砂壤土砂壤土 12.0 6.6 5.4 中壤土中壤土 20.7 7.8 12.9轻粘土轻粘土 23.8 17.4 6.4本讲稿第二十一页，共五十七页 有机质对有效水范围的影响有机质对有效水范围的影响 类类 型型 持水当量持水当量 萎蔫含水量萎蔫含水量 有效含水范围有效含水范围 壤壤 土土 20.

12、0 20.0 7.1 7.1 13.l13.l 泥泥 炭炭 166 166 82.3 82.3 83.7 83.71/21/2壤土壤土1/21/2泥炭泥炭 31 31 14.5 14.5 16.5 16.54/54/5壤土十壤土十1/51/5泥炭泥炭 21.6 21.6 8.5 8.5 13.l 13.l 返回本讲稿第二十二页，共五十七页第二节第二节 土壤水的能态土壤水的能态土壤土壤A砂土砂土10%土壤土壤B粘土粘土15%水水流流向向何何方方？本讲稿第二十三页，共五十七页 土土水水势势是是在在标标准准大大气气压压下下，极极小小单单位位水水量量从从一一个个平平衡衡的的土土一一水水系系统统可可逆逆

13、地地移移到到和和它它温温度度相相同同，处处于于参参比比状状态水池时所做的功。态水池时所做的功。一、土水势概念一、土水势概念土作功水本讲稿第二十四页，共五十七页 渗透势渗透势s 渗透势又称溶质势，负值。土壤渗透势又称溶质势，负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。溶质浓度越高，溶质势越低。溶质势只有对半透膜的水分运动起作用。溶质势只有对半透膜的水分运动起作用。二、土水势的组成二、土水势的组成 基质势基质势m负值，当土壤饱和时最大负值，当土壤饱和时最大0.土壤含水量越高，基质势也越高。土壤含水量越高，基质势也越高。本讲稿第二十五页，共五十七页压力势压力势p正值。只有当土壤水分饱和时才有压正值。只有当土

14、壤水分饱和时才有压力势在不饱和土壤中压力势为力势在不饱和土壤中压力势为0.饱和土层越深，压饱和土层越深，压力势越高。力势越高。p=wghV 重重力力势势g g重重力力势势（g）是是指指由由重重力力作作用用而而引引起起的的土土水水势势变变化化。任任何何时时候候重重力力势势都都存存在在。高高于于参参比比面时为正，反之为负，参比面处重力势为面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.本讲稿第二十六页，共五十七页总水势：总水势：t=m+p+s+g 请注意：在不同的情况请注意：在不同的情况下，土壤总水势的各分下，土壤总水势的各分势组成是不同的。切记。势组成是不同的。切记。本讲稿第二十七页，共五十七页土壤水吸

15、力是指土壤水在承受一定吸力的情土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。壤对水的吸力。T T-m m 如何用水吸力和水势判断水如何用水吸力和水势判断水分运动的方向？请回答。分运动的方向？请回答。绝对正值绝对正值三、土壤水吸力三、土壤水吸力*一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与 m相等，但符号相反。相等，但符号相反。本讲稿第二十八页，共五十七页四、土壤水势的定量测定四、土壤水势的定量测定土水势的标准单位：帕土水势的标准单位：帕（Pa）1 Pa=0.0102厘米水柱厘米水柱 1 a

16、tm=1033厘米水柱厘米水柱=1.0133bar 1 bar=0.9896atm=1020厘米水柱厘米水柱 1 bar=100000 Pa本讲稿第二十九页，共五十七页一般只能测定一般只能测定8 8万帕以万帕以下的土壤水吸力。下的土壤水吸力。本讲稿第三十页，共五十七页五、土壤水分特征曲线五、土壤水分特征曲线*：指土壤水分含量与土壤水吸力的关系曲线。目前尚无法从理论上推导出土壤含水率与土壤水吸力或基质势之间小关系，只能用实验方法获得水分特征曲线。S=ab S=a(/s)b S=A(s-)n/m本讲稿第三十一页，共五十七页0 10 20 30 40 50 60 70土土壤壤水水吸吸力力黏土黏土壤土

17、壤土砂土砂土土壤含水量土壤含水量%影响因素影响因素质地质地结构结构温度温度滞后现象滞后现象本讲稿第三十二页，共五十七页机理：滞后现象沙土比粘土明显本讲稿第三十三页，共五十七页水分特征曲线的用途：水分特征曲线的用途：第第四四，应应用用数数学学物物理理方方法法对对土土壤壤中中的的水水运运动动进进行行定定量量分分析析时时，水水分分特特征征曲曲线线是是必必不不可可少少的的重重要参数。要参数。首首先先，可可利利用用它它进进行行土土壤壤水水吸吸力力S和和含含水水率率 之之间间的的换算换算(图图3.7)。其次，土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙其次，土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。

18、大小的分布。第第三三，水水分分特特征征曲曲线线可可用用来来分分析析不不同同质质地地土土壤壤的的持持水性和土壤水分的有效性。水性和土壤水分的有效性。本讲稿第三十四页，共五十七页第三节第三节 土壤水分运动土壤水分运动土壤水流动土壤水流动水分蒸发水分蒸发水分入渗水分入渗水分再分配水分再分配本讲稿第三十五页，共五十七页一、饱和流一、饱和流 (Saturated Soil Water Flow)饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，基本饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律上服从饱和状态下多孔介质的达西定律(Darcys law)*单位时间内通过单位面积

19、土壤的水量，土壤水通量与单位时间内通过单位面积土壤的水量，土壤水通量与土水势梯度成正比。土水势梯度成正比。本讲稿第三十六页，共五十七页本讲稿第三十七页，共五十七页 土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下土壤所有的孔隙都充满了水时，水分向土壤下层或横向运动的速度。层或横向运动的速度。饱和流导水率饱和流导水率(Saturated hydraulic conductivity)饱和导水率的特点饱和导水率的特点 饱和率是常数饱和率是常数 是土壤导水率的是土壤导水率的MAX 主要取决于土壤的质地主要取决于土壤的质地 和结构。和结构。沙质土沙质土 壤质土壤质土 粘粘质土质土影响饱和导水率的因素影响饱和导

20、水率的因素 质地质地 水通量与孔隙半径水通量与孔隙半径4次方呈正比。次方呈正比。结构结构 土壤结皮对土壤饱和土壤结皮对土壤饱和导水率有显著的影响。导水率有显著的影响。有机质含量。有机质含量。粘土矿物种类。粘土矿物种类。本讲稿第三十八页，共五十七页二、土壤非饱和流二、土壤非饱和流*（unsaturted soil water flaw)土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流，其表达式为：向非饱和流，其表达式为：本讲稿第三十九页，共五十七页非饱和流导水率非饱和流导

21、水率(unsaturated hydrolic conductivity)(unsaturated hydrolic conductivity)土壤水吸力和导水率之间的关系土壤水吸力和导水率之间的关系 本讲稿第四十页，共五十七页 饱和条件下的总水势梯度可用差饱和条件下的总水势梯度可用差分形式，而非包和条件下则用微分形分形式，而非包和条件下则用微分形式；式；饱和条件下的土壤导水率饱和条件下的土壤导水率Ks对特定对特定土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含土壤为一常数，而非饱和导水率是土壤含水量或基质势（水量或基质势（m）的函数。）的函数。非饱和条件下土壤水流的数学表达式非饱和条件下土壤水流的数学表

22、达式与饱和条件下的类似，二者的区别在与饱和条件下的类似，二者的区别在于：于：本讲稿第四十一页，共五十七页三、土壤水气运动三、土壤水气运动土壤气态水的运动表现为土壤气态水的运动表现为水汽扩散水汽扩散和和水汽凝结水汽凝结两种现象两种现象水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度，主水汽扩散运动的推动力是水汽压梯度，主要由土水势梯度或水吸力梯度和温度梯度要由土水势梯度或水吸力梯度和温度梯度引起。引起。本讲稿第四十二页，共五十七页1、“夜潮夜潮”现象现象多出现于地下水埋深度较浅的多出现于地下水埋深度较浅的“夜潮地夜潮地”。本讲稿第四十三页，共五十七页2、“冻后聚墒”现象*冬季表土冻结，水汽压降低，而冻层以下土层

23、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。一般对土壤上层增水作用为24左右。本讲稿第四十四页，共五十七页第四节第四节 土壤水分平衡土壤水分平衡一、土壤水分的来源一、土壤水分的来源 土壤水分土壤水分大气降水大气降水灌溉水地下水上升和大气中水汽的凝结地下水上升和大气中水汽的凝结也是土壤水分的来源。也是土壤水分的来源。本讲稿第四十五页，共五十七页二、土壤水分的消耗二、土壤水分的消耗 渗漏、侧向径流和下渗径流渗漏、侧向径流和下渗径流本讲稿

24、第四十六页，共五十七页二、土壤水分的消耗二、土壤水分的消耗 渗漏、侧向径流和下渗径流渗漏、侧向径流和下渗径流地下水河河流流本讲稿第四十七页，共五十七页土壤蒸发土壤蒸发土壤水汽进入大气的过程。土壤水汽进入大气的过程。植物蒸腾植物蒸腾本讲稿第四十八页，共五十七页三、土壤植物大气连续体(SPAC)(Soil-plant-atmosphere 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200800万帕时仍能生存。本讲稿第四十九页，共五十七页本讲稿第五十页，共五十七页四、土壤水分在土壤肥力中的四、土壤水分在土壤肥力中的作用作用 土土壤壤水水分分是是土土壤壤肥肥力力的

25、的重重要要因因素素之之一一，它它一一方方面面直直接接供供给给植植物物吸吸收收利利用用；另另一一方方面面又又影响土壤的其它性状和肥力因素。影响土壤的其它性状和肥力因素。本讲稿第五十一页，共五十七页 土壤水分影响土壤的养分状况土壤水分影响土壤的养分状况 土壤水分影响土壤的通气状况土壤水分影响土壤的通气状况 土壤水分影响土壤的热量状况土壤水分影响土壤的热量状况 土壤水分影响微生物和活动土壤水分影响微生物和活动 土壤水分影响土壤的物理机械性和耕性土壤水分影响土壤的物理机械性和耕性 本讲稿第五十二页，共五十七页 植被植被 蒸腾作用对土壤水分平衡关系密蒸腾作用对土壤水分平衡关系密切，植被组成和覆盖度对土壤

26、水分状况都有较切，植被组成和覆盖度对土壤水分状况都有较大影响。大影响。气候气候 降雨量和蒸发是重要因素。降雨量和蒸发是重要因素。五、影响土壤水分状况的因素五、影响土壤水分状况的因素本讲稿第五十三页，共五十七页 土壤物理性质土壤物理性质 特别是土壤质地、结构和特别是土壤质地、结构和有机质含量等到因素对水的渗透、流动和蒸发有机质含量等到因素对水的渗透、流动和蒸发有重要影响。有重要影响。地形地形 地形影响水分的再分配。地形影响水分的再分配。本讲稿第五十四页，共五十七页 水水文文地地质质 在在不不透透水水层层接接近近地地面面、地地下下水水位位高高的的地地方方，或或者者有有承承压压地地下下水水来来源源的

27、的地地方方，由由于于地地下下水水通通过过支支持持毛毛管管水水上上行行，在在一一定定条条件件下下可可形形成成蒸发型。蒸发型。人人为为影影响响 如如灌灌溉溉、排排水水以以及及耕耕作作等等土土壤壤管管理理措施。措施。本讲稿第五十五页，共五十七页本章重点：本章重点：1 1、概念：吸湿水、毛管水、萎蔫含水量、田间持水量、概念：吸湿水、毛管水、萎蔫含水量、田间持水量、土土壤水吸力、夜潮作用、土壤水分特征曲线壤水吸力、夜潮作用、土壤水分特征曲线2 2、为什么说毛管水是土壤中最宝贵的水分？、为什么说毛管水是土壤中最宝贵的水分？3 3、分析土壤水分的有效性、分析土壤水分的有效性4 4、研究土壤水有何重大意义、研究土壤水有何重大意义?土壤水在土壤中有何重土壤水在土壤中有何重要作用要作用?5 5、土水势与土壤水吸力有何异同点？、土水势与土壤水吸力有何异同点？本讲稿第五十六页，共五十七页本讲稿第五十七页，共五十七页