第三章 土壤水分(水文)

悬着毛管水： 地下水位较深时，降雨或灌溉后靠 毛管力保持在土壤上层中的水分。 旱地悬着毛管水 的最大值称为 田间持水量
悬着毛管水 束缚水 上升毛管水 地下水
土粒
毛管 悬着 水示 意图
•地下水位
土粒 地下水位
毛管 上升 水示 意图
四、重力水
重力水（ gravitational water ）：当土壤含
吸湿水＋膜状水＋上升毛管水＋重力水；水吸力0MPa； 水田灌水水量的依据
三、土壤水分的有效性
2.1 土壤水分有效性：土壤水分能否被植物利用
及其被利用的难易程度。
难有效水 有效水
易有效水
无效水 无效水
多余水
干
水吸力/MPa 103 3.1 1.5 0.63 0.05 0.008
湿
0
最大分子持水量
105℃烘干土
一定厚度单位面积土壤中水的体积。 与灌、排水定额相对应
1 V (m / ha ) D w (mm) 10000 1000
3
Dw (mm) 10
V方/亩＝2/3Dw
5.相对含水量（relative soil water content） ：Rw
吸湿水＋膜状水＋部分毛管水；处于对植物“供不应求” 的状态；旱地土壤灌水的下限
1.5 田间持水量 （field capacity）：土壤中悬 着毛管水达到最大量时的土壤含水量。是土壤不受 地下水影响所能保持水量的最大值。
吸湿水＋膜状水＋悬着毛管水；旱地土壤有效水的上 限；确定灌水定额的依据；水吸力0.05MPa
Chapter 3 土壤水分 （Soil Water/Moisture）
Introduction
• 土壤水是土壤的重要组成部分
土壤矿物
(38%,v/v) (95%,w/w)
土壤水 (15-35%,v/v)
土壤空气 土壤有机质
(12%,v/v)
(15-35%,v/v)
(5%,w/w)
• 土壤水是土壤肥力因子之一
毛管断裂含水量
田间持水量
毛管持水量
重力水 多余水
吸湿系数
土壤 水分 形态 土壤 水分 有效 性
化学束 吸湿水 缚水 无效水
凋萎系数
土壤 土 水分 粒 常数
膜状水
悬着毛管水 上升毛管水
有效水下限
旱地灌溉下限
难有效水
易有效水
旱地有效 水上限
饱和含水量
2.2 影响土壤有效水量的因素：
(1)土壤有机质含量越高，有效水量越大； (2)土壤结构、土壤松紧度 (3)土壤质地 (决定因素)
（mass water content of soil） 土壤所含水分的重量占烘干土重的百分数。
Ww W - WS θm (%) = = *100 Ws WS
2.容积/体积含水量（volumetric water content）：θv
土壤水分体积占土壤体积的百分数。
Vw v (%) 100 V Ww / w 100 WS / rd
2.张力计法
张力计系统采用与植物根系从土壤中吸收水分相似的原理， 当土壤中的水分减少，水势降低时，埋置在土壤中的张力 计管中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管中形 成一定的真空度，通过测量张力计管中的真空度，就可以 反映出土壤中水势的变化。
使用方法
3.2 土壤水分含量的表示方法
1.土壤重量/质量含水量：θm
3
9
5
13
6
16
9
15
11
15
15
15
有机质对有效水范围的影响
类 型 壤 土 泥 炭 1/2壤土＋1/2泥炭 4/5壤土十1/5泥炭 持水当量 萎蔫含水量 有效含水范围 20.0 166 31 21.6 7.1 82.3 14.5 8.5 13.l 83.7 16.5 13.l
三、土壤含水量及其表示方法
membrane water
A
RA RB
B
RA ＝ RB
水运动停止
土粒
膜 状 水 示 意 图
膜状水
三、毛管水
毛管水（capillary water）：受毛管力的作用
在土壤毛管孔隙中保持和运动的水分。
3.1 作用力：土壤毛管孔隙（0.06～0.002mm）的毛管力 capillarity 3.2 特 点：自由水（保存、运动、溶解养分）； 有效水（available water）
§3-2 土壤水分常数与土壤含水量
一、土壤水分常数
土壤水分数量指标
土壤水分常数：在一定条件下，土壤各类型水
分达到最大量时的土壤含水量。
在一定条件下，同一土壤的水分常数保持相对 稳定的数值。
1.1 吸湿系数 （hygroscopic coefficient）：干 燥土壤从湿度接近饱和（>95%）的空气中吸收水 汽而达到的最大含水量。
一、吸湿水
吸湿水（hydroscopic water ）：干燥土粒
从大气和土壤空气中吸附的气态水分
又称为紧束缚水，属于无效水分。
氢键 范德华力 A 库仑力
H
H A A
H E
H A E
E
E
water vapor
H R E R
H E
hygroscopic water layer
1.1 作用力：土粒表面的引力（范德华力、氢键、库仑力）,强力
水
肥
气
热
• 土壤水是土壤中最活跃的因素
被植物的吸收
溶解矿质养分 参与土壤有机质的矿质化与腐殖化
影响土壤的物理、化学和生物性质
土壤水分的来源
大气降水 土壤水分
灌溉水
地下水上升和大气中水汽的凝 结也是土壤水分的来源。
§3-1土壤水分类型与性质
固态水：冰，冬季寒冷的中高纬度地区 （solid water） 气态水:水汽，易凝结为液态水 化合水：H2Al2Si2O ∙ 8H2O （vaporous water） (water of hydration) 化学束缚水 结晶水：CaSO4 ∙ 2H2O 束缚水 (crystalline water) 吸湿水 (hydroscopic water) 物理束缚水 膜状水 (membrane/film water) 毛管水 自由水
吸附在吸湿水外面的一层水膜。又称松束缚水。 2.1 作用力：土粒表面较弱的分子引力(范德华力)、水分子内聚 力、交换性阳离子的水化作用 2.2 特 点：密度较大；冰点较低；移动缓慢；部分有效 2.3 水吸力：3.1~0.63MPa
membrane water
A
R A RB
B
RA > R B
膜状水运动方向
3.3 水吸力：0.63～0.008MPa
毛管力的形成
B θ
O
表面张力： T=OA A 管壁对水的引力： F＝OB =2πr · T · cosθ 水柱重力：G＝h ·πr 2·ρ · g
∵ F＝G； cosθ→1 ∴ 2πr · T ＝h ·πr2 ·ρ· g
h1
h
2r
2T h＝ r· ·g ρ
土壤含水量： soil water content 土壤湿度：soil humidity 土壤含水率：percentage of soil water
一定量土壤中所含水分数量的多少。
3.1 土壤水分含量的测定
1. 烘干法（drying）
在105～110℃条件下，烘至恒重，为烘干土重(Ws)，以此为基 础计算水分重的百分比（%）。
20 有效水含量％ 重力水
15
有效水 10
5
细 砂 土 面 砂 土 粉 砂 土 粉 土
无效水 粉 壤 土 粘 壤 土 壤 粘 土 粘 土
土壤质地与有效水最大含量的关系
土壤质地 田间持水量(%) 砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土 粘土 12 18 22 24 26 30
凋萎系数(%)Байду номын сангаас
有效水含量(%)
1.6 ( 最 大 ） 毛 管 持 水 量 (maximum capillary capacity)：土壤所有毛管孔隙中都充满水分时的土壤 含水量。
吸湿水＋膜状水＋上升毛管水；水吸力0.008MPa
1.7 饱和含水量/全持水量 (Saturation)：土壤所 有孔隙中全部充满水分时的土壤含水量。
土壤吸湿水的最大值；水吸力3.1MPa 吸湿水
土壤颗粒 吸湿系数
1.2 凋萎系数（wilting coefficient）：植物产生 永久凋萎时土壤的含水量。植物可利用的土壤水量 （有效水）的下限。
吸湿水＋部分膜状水；水吸力1.5MPa；吸湿系数的 1.5～2.0倍
膜状水 （部分） Soil particle 吸湿系数 凋萎系数 吸湿水
水量超过田间持水量后，过量的水分不能被毛管力 所吸持，而在重力作用下沿土壤大孔隙向下移动的 水分。
河 流
地下水
4.1 作用力：重力 4.2 特 点：自由水；多余水 水田为有效水（available water）
4.3 水吸力：0.008～0MPa
固态水：冰，冬季寒冷的中高纬度地区 （solid water） 气态水:水汽，易凝结为液态水 化合水：H2Al2Si2O ∙ 8H2O （vaporous water） (water of hydration) 化学束缚水 结晶水：CaSO4 ∙ 2H2O 束缚水 (crystalline water) 吸湿水 (hydroscopic water) 物理束缚水 膜状水 (membrane/film water) 毛管水 自由水
常温下（20℃ ）：
h＝
0.15 r
（cm）
水 沿 着 毛 管 上 升
毛管作用力范围： 0.1-1mm 有明显的毛管作用 0.05-0.1mm 毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强