包气带土壤水的基本理论及测试方法

土水势的种类：重力势、基质势、压力势、溶质势、 温度势等
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重力势
土壤水处于重力场中，由于地球引力而使土壤水所 具有的势能称为重力势。 数值上等于：将单位数量的土壤水分从某一点移动 到参考状态平面处，而其它各项维持不变情况下， 土壤水所作的功。 数值大小取决于土壤水所处的高度。 参考平面任意，一般可取：海平面、地面标高、地 下水位标高
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2、包气带
地面以下潜水面以上的垂直范围，也称非饱和带。 它是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带，也是岩土 颗粒、水、空气三者同时存在的一个复杂系统。其中，植物根系活动层与 外界有强烈的水分交换。包气带具有吸收水分、保持水分和传递水分能力。
土壤水带（毛细管悬着水带）,它同外界水分 交换强烈。降雨的下渗、土壤蒸发和植物散 发是导致这个带水分增长与消退的直接因素， 水分的垂向分布随时间不同而变化。 毛细管支持水带（毛细管水活动带）：在潜 水面之上由毛细管上升水形成的，其水分分 布特征是土壤含水量自下而上逐渐减小。它 的位置随地下水位的升降而变动。 中间包气带：介于上述两个带之间。

在标准大气压下，将单位水量的土壤水从标准参考状 态（定义土水势为0）等温地、可逆地移动到另一土壤 水状态，土壤水所作的功。 规定：环境对土壤水做功，土水势为负；土壤水对环 境作功，土水势为正。 [举例]



将一定量土壤水从低处移动到高处，克服重力做功； 将一定量的结合水移动到自由水状态，需要克服土壤颗粒对水 分子的吸力。

土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量。
在不受地下水影响条件下所能够稳定的保持的土壤 水分最大数量。

当灌溉超过田间持水量时，只能加深土壤的湿润深
度，而不能增加其含水量，是土壤中作物有效含水 量的上限值。常用来作为灌溉上限和计算灌溉定额 的依据和标准。 是水分下渗的下限。

测定：饱和土壤排水两天后，测得的土壤含水量。
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4、研究土壤水的重要意义


重要的水体之一 土壤水的运动是水循环的重要组成部分！ 降水入渗 蒸散发 径流形成 地下水补给及蒸发 具有重要的生态、环境作用 生态指标 土壤的净化作用 土壤水的运动决定着包气带化学组份分布和变化。
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2、土的分类



砂土 壤土 粘土
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3、土壤结构
指土壤颗粒的相互排列和联结形式。 种类：



单粒结构 蜂窝结构 团粒结构（絮状结构）
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4、土的物理性质指标 比重 W W
s s
w

干容重 孔隙比



饱和含水量(Saturation Capacity)


地下水面以下土壤含水量处于饱和状态。
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3、土壤水分的有效性


指土壤水分能否被作物吸收利用及其吸收利用的难易程度。 其有效性取决于水分存在的形态、性质、数量、分配情况，以及 作物吸水力。 一般：下限-凋萎系数，上限-田间持水量。

植物无法从土壤中吸收水分，从而开始永久凋萎时 的土壤含水量。 植物根系的吸力：15个大气压。 大于凋萎含水量的水分是参与水分交换的有效水量。 实践中，凋萎含水量是土壤最大吸湿量的1.5-2倍。

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田间持水量(土壤最大持水量，Field Capacity)
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毛细水（毛管水, Capillary Water）

由毛细作用保持在颗粒孔 隙中的水分。分为：

悬着毛管水

支持毛细水(毛管上升水)： 地下水面以上由毛细管所 支持而存在于孔隙中的水 份。特点： 随地下水位而升降； 毛管上升高度与包气 带岩性有关； 地下水蒸发与毛管水 关系密切。 毛管悬着水：由于毛细力 的作用，悬着于孔隙中的 水份。主要存在于土壤带 和中间带。 支持毛管水
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毛管水所受吸力6.25-0.08大气压，比作物吸水力15个大气压 小，易与植物吸收。 毛管水的物理化学性质已具备一般自由水的特点。可在毛细力 的作用下运动，具有溶解化学组份的能力。

毛管上升高度

湿润现象

表面张力
1 1 P ( ) r1 r2 P 2 r
包气带作用过程简略图
包气带土壤水的基本理论及测试方法 二 、土壤的物理性质
1、土壤的物理性质

组成


土粒、水溶液和空气的复合体。体 积百分比：固体50%左右，水溶液 2-45%。 固体颗粒



砂粒：0.02-2mm，比表面积小， 透水性强，毛管上升高度小，遇 水不膨胀，干燥不收缩； 粉粒：0.002-0.02mm，比表面较 大，孔隙较小，透水性不强，毛 管上升高度较大； 粘粒：<0.002mm，比表面大，孔 细小而多，透水性很差，毛管上 升高度达。遇水膨胀，干燥收缩。
0 Ws V

e Vv Vs
n p Vv V
e 0 np 1 1 e s e np 1 np

孔隙度
换算关系

包气带土壤水的基本理论及测试方法 三 土壤水分的作用力及存在形式
1、土壤水分的作用力

分子力（吸附力，Molecular Force）：土壤颗粒表面的

土壤含水量的影响因素 土壤特性：组成、结构


水文气象因素：降水、蒸发等
环境因素：植被、人为因素等

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1、土壤含水量的表示方法

土wk.baidu.com重量含水率

定义：同一土样中，水分的重量Ww占干土（粒）重 量的百分比。 公式： w Ww 100% 特点：


Ws
容易求得，(W-Ws)/Ws； 相对含量，不同类型土壤间难以进行比较，与土壤的含水 量和干容重有关。
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3 土壤水




土壤中各种形态水分的总称（环境科学大辞典）。 存在于非饱和带土壤空隙中和为土壤颗粒所吸附的水 分（中国大百科全书）。 储存和运移与地表向下延伸至潜水面以上的土壤水分 （包括固态水、气态水和液态水），称为土壤水。 Soil water; soil moisture 水文学上土壤水是指 狭义：土壤带水 广义：整个包气带水
1.4
轻壤土
2.1
中壤土
3.0
粘土
5.4
重粘土
6.5
泥炭土
18.4
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最大分子持水量(Soil Moisture Retention) 由土粒分子力所结合的水分的最大量，即薄膜水达 到最大厚度时的土壤含水量。 一般土壤是最大吸湿量的2—4倍。
凋萎含水量（凋萎系数、凋萎湿度, wilting percentage, wilting coefficient, wilting moisture content）

湿润角 毛细作用 曲率半径
R r cos
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毛管内外的压强差
2 cos Pc R

毛管上升高度
2 cos hc g ( w a ) R

简化为
0.15 hc ( cm ) R
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土壤中相互连通的颗粒等效为一束毛细管 无法精确和测量到孔隙的大小 一般，r=0.2*粒径 例：粒径0.02cm, r=0.004cm, hc=38cm

土壤水运动，可忽略？
势能：单位质量的物质从已知点移动到另一个特定点所需要做的功。 为了描述土壤水的状态及其运动，引入势的概念。土壤水所具有的势 能称为土水势。



如何定义和计算？例如在饱和的含水层中，如何计算？在非饱和情况 下，土水势由何组成？如何计算？
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1、土水势

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重力水
土壤中在重力的作用下能自由移动的水分。 当土壤中水分超过土粒吸引力和毛管的作用范围，多余 的水就会在重力的作用下运动。特点：


具有一般液体的性质，可传递压力； 可被植物吸收； 不易保存在包气带中； 地下水的重要补给来源。
包气带土壤水的基本理论及测试方法 四 、土壤含水量及水分常数

结合水(Adsorption Water)

吸湿水（强结合水）：紧靠颗
粒表面，厚度只有几个分子 (<0.003 m)。与普通水性质不 同，不传递静水压力，没有溶 解能力。100C不蒸发，密度 为1.2-1.4g/cm3。具有很大的粘 滞性、弹性和抗剪强度。

薄膜水（弱结合水）：在稀释
水外面，厚度<0.5m。不受重 力影响但水膜间可以运动。
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一、基本概念
1 土壤的定义

地球表面具有肥力、能生长植物的疏松表层。 成因：由岩石风化和母质的成土过程综合作用下形 成的，它由矿物质、动植物残体腐蚀产生的有机物 质以及水分、空气等固、液、气三相组成。 固相：占重量百分比90-95%，原生矿物、次生矿 物、有机质、细菌、微生物等。 液相：土壤溶液—水及其可溶物。 气相：空气、水汽。
2、土壤水分常数
表示土壤水分形态和性质的土壤含水量的特征 值称为土壤水分常数。主要有：

最大吸湿量(Maximum Hygroscopicity)：

在饱和空气中，土壤能吸收的最大水汽量。表示土 壤吸着气态水的能力。

这部分水分不能被作物吸收。
细砂土
0.03
土壤质地 最大吸湿量(%)
壤质沙土
1.1
沙壤土
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毛管断裂含水量（作物生长阻滞含水量, Moisture of Capillary Bond Disruption）

毛管悬着水的连续状态开始断裂时的含水量。 当土壤含水量大于此值时，悬着水就能向土壤水分的消失点 （面）运行（被植物吸收或蒸发）。 小于此值时，连续供水状态遭到破坏，土壤水分为结合水和薄 膜水。水分交换以薄膜水和水汽形式进行。此状态水供给不足， 植被生长受到阻滞。 此值与土壤性质有关，一般为田间持水量的65%，可作为灌溉 水量的下限。 土壤中所有的有效孔隙全部被水充满时的土壤含水量。 从田间持水量到饱和含水量之间的水分，为自由重力水，受重 力作用向下运动。
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五、土壤水水力特性

根据土壤水的形态分类研究土壤水有缺陷，它仅仅是一种定性描述：

分类理论上不严密：如各种形态的水都是重力水
结合水、毛细水和重力水的界限无法明确划定
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土壤容积含水率

定义：单位容积的土壤中，水分含量所占的比例。
公式：

特点：

Vw 100 % V
表示土壤所含水分绝对量的大小，广泛应用； 计算或测试较为困难； W与转换关系：
0 w

通常把含水率成为含水量
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地下水科学系列讲座
包气带土壤水的基本理论及测试方法
许 光 泉
教
授
安徽理工大学地球与环境学院
联系方式：gqxu67@163.com
包气带土壤水的基本理论及测试方法
内 容 提 纲
基本概念 土壤物理性质
土壤水分的作用力及存在形式
土壤含水量及水分常数 土壤水水力特性 土壤水运动的基本理论 土壤水的测试方法
分子和离子对水分的吸力。与比表面成正比。紧靠土 粒表面的分子吸力很大，向外迅速减弱。

毛管力(Capillary Force)：在未充满水的毛管孔隙中，由 于存在液体弯月面的表面张力而形成的毛管力。毛管
力的大小与孔隙大小成反比。

重力：孔隙中的水所受到的地球引力。
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2、土壤水分的存在形式

无法进行水分运动的定量研究，造成近三十年来该方面研究没有更
大的进展。

从土壤水能态的角度研究土壤水分运动在上世纪五十年代以后取得 了长足的进展。
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自然界的所有物体都具有能量，而且普遍的趋势是自发地由能量高的
状态向能量低的状态运动或转化，并最终趋于平衡状态。

物体的机械能量＝动能＋势能