第四章 水环境

P=2/R :表面张力系数；
R:球形液面的半径。
常温下水的表面张力系数 = 7310-3 Nm-1
df 2 φ df 1
ΔS
r o
R φ
3).浸润现象
在液面与固体的接触处，分别作液体表面和固体表面的 切面，这两个切面在液体内部的夹角，称为液体与固体 的接触角。
接触角为锐角时，表示液体润 湿固体，如图(a)所示。若接触角 等于零，就称液体完全润湿固体。 当接触角为钝角时，表示液体 不润湿固体，如图(b)所示。
0.80 0.65
2.
吸湿水 膜状水 毛管水 重力水
土壤水的类型
2 3 4
1
5
1
4
1
3 2
注：1.土粒 2.吸湿水 3. 膜状水 4.毛管水 5.空气孔隙
(1)吸湿水
吸湿水(紧束缚水)：干燥土壤在空气中吸附 气态水，附着于土粒表面成单分子层或多分子 层，称为吸湿水。(分子引力,静电引力).特点： 紧靠土粒，引力大，水分子呈紧密定向排列。 不同于常态水，无溶解溶质的能力，不能以液态 水移动,只能靠气体扩散方式运动.
4.TDR法
(1)时域反射法原理：即TDR（Time Domain Reflectometry）法，它是依据电磁波在土壤介质 中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤 的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率。
(2)优点：简单易行，直接可读出测定值。
(3)缺点：仪器昂贵，分辨率低，
只能测定整个剖面土壤含水量
的平均值。
三. 土壤水的能态
(一) 土水势及其分势
土壤 A 砂土 10%
标注土水势的优点
土壤 B 粘土 15%
1. 重力势g (gravitational potential) 重力势（g）是指由重力作用而引起的土 水势变化。 任何时候重力势都存在。高于 参比面时为正，反之为负，参比面处重力 势为0. g=g×h g---重力加速度 h----土壤水高于参照水位的高度。
（4）滞后作用：土壤吸湿过程和脱湿过程中测得的 土壤水分特征曲线是不同的，这种现象称为土壤水 分特征曲线的滞后现象。
土 壤 水 吸 力
源自文库
黏土
砂土
壤土
0
10
20
30
40
50
60
70
土壤含水量%
产生滞后现象的原因
土壤的几何形状： 在同样持水情况下，脱湿过程的吸力大 于吸湿过程的吸力，这种现象称为“瓶 颈效应” 土壤水和土壤固体的接触角不同。
(二)、液态水的运动
1、饱和流 (Saturated Soil Water Flow)
（1）土壤中所有孔隙充满水的原因： A.排水不良的土壤底层;
B.质地粘、渗水率低、易产生滞水层;
C.地表因降水强度大于土壤入渗率，短时间发生地 表积水; D.地下水面以下的土层。
(2)达西定律
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：单位时间内通过 单位面积土壤的水量（q)与土水势梯度成正比。
一、土壤含水量的表示方法 1.质量含水量（m）
W1 W2 m 100 W2
2.容积含水量（ v） V=m· 3.相对含水量（%）
土壤含水量 土壤相对含水量＝ 田间持水量
二、测定方法 1.烘干法
又称重量测定法 m=mw/ms mw=m - ms 此方法的优点：简单、直观 缺点：代表性差 干扰田间土壤水的连续性
pF=lg(-h)
如：h=-1000cm，则pF=3.
风干状态 PF 含水率 0.0 <10% 接近萎焉点 2.0 10-30% 接近田间持水 4.2 30-60% 6.0 >60% 接近饱和
(三)土水势的定量表示方法
单位质量土壤水分势能，表示符号为T,
单位为J /kg,称为化学势.
单位容积土壤水分势能，表示符号为T,
况下，土壤水具有压力势。压力势由土
壤水静水压力所产生的。
p=wghV 压力势在任何情况下都大于或等于零。 （该值很小，可忽略不计）。
4.溶质势s(或渗透势) (Osmotic potential)
溶质势s是土壤中所有溶质对土水势综合影响的结
果。
s=-MRT M---溶液浓度；R---气体常数；T---绝对温度 如果以纯自由水的溶质势为0，则在其他相同条 件下含有溶质的土壤水的溶质势为负数。 必须强
力保持在土壤中的水份。
土粒
毛管 悬着 水示 意图
毛管 上升 水示 意图 土粒
地下水位
田间持水量
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。 田间持水量的大小，主要受质地、 有机质含量、结构、松紧状况等的影响 。
若接触角等于，就称液体完全 不润湿固体。
4).毛细现象
将毛细管插入液体内，管内外液面会产生高度差。如 果 液体能浸润管壁，管内液面升高；如果液体不能浸 润管壁，管内液面反较管外低，这一现象叫毛细现象。 毛细管内液体上升高度与毛细管管径的关系：
2 cos h gr
h:毛细管内液体上升的高度. :表面张力系数. r:毛细管管半径. :液体密度. :接触角.
（4）重力水
定义：土壤含水量达到田间持水量之后，过 量的水分不能为土壤毛管引力所保持，受重力 支配，沿着土中大孔隙向下迅速移动，此种水 分称为重力水。 其性质与常态水相同，引力接近零，易被植 物吸收利用。通常因水分饱和，空气不足产生 渍害，只有在水稻田中可以利用。
土壤水分有效性综合示意图
第二节. 土壤含水量表示及测定方法
滞后现象对土壤的保水有利。
五. 土壤水流
(一) 土壤水汽运动
水汽总是从水汽压高处向低处移动, 从温度高处移 向温度低处。 1“夜潮”现象：多出现于地下水埋深度较浅的“夜 潮地”。 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。
2.中子法
（1）原理：将（镅—铍）中子源埋入待测土壤中， 中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各 种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢 化。土壤中水分含量越高，氢原子就越多，从而慢 中子云密度就越大。 （2）优点：可反复测定而不破坏土壤，受温度的影 响小。 （3）缺点：价格昂贵，空间分辨率低，不能测定表 层土壤的含水量，中子和射线对人体健康有影响。
吸湿量：吸湿水含量占干土重的分数（g.kg-1）。
最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水 汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量。 土壤质地与吸湿量的关系
质地名称
砂土 轻壤土 中壤土 粉砂质粘土 泥炭 吸湿水(g kg-1) 5-15 15-30 25-40 69-80 180-220 最大吸湿量(g kg-1) >15 30-50 50-60 80-100
（ 4）应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定 量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数 。
3.影响土壤水分特征曲线的因素
（1）质地：对于同一吸力而言，粘土的含水量最大， 壤土居中，砂土最小。 （2）结构：土壤压实后，孔隙度减少，特别是土壤 团粒之间的大孔隙大为减少，因而饱和含水量明显 降低。 （3）温度：表现在对粘滞性和表面张力的影响。
在20º C时，几种液体的表面张力 液体 水 水银 甘油 乙醚 酒精 （N m-1) 72.5×10-3 540×10-3 65×10-3 17×10-3 22×10-3
2)弯曲液面下的附加压强
自然界中的静止的液面，有平面、凹面和凸面。有许多情况 下液面是弯曲的，如水滴、肥皂泡。弯曲液面内外存在一压强 差，称为附加压强。 在凸面情况下，附加压强是正的，在凹面情况下，附加压强 是负的。附加压强与曲面的曲率半径有关：
单位为牛顿/米2,称为土壤水势.
单位重量土壤水分势能，表示符号为hT,
单位为米,称为水势头。
四.土壤水分特征曲线
1. 定义：土壤含水量和土壤基质势或土壤基质吸力
之间的关系称为土壤的特征曲线。 土 壤水分特征 曲线实际上反映了土壤水和土壤固体的相互作用 关系。
2.水分特征曲线的用途：
（1）可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的 换算。 （2）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。 （ 3）水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持 水性和土壤水分的有效性。
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 〈0.001mm 毛管作用消失
根据毛管水分为毛管悬着水和毛管上升水。 毛管悬着水：借助于毛管力保持在上层土壤的 毛管孔隙中的水分。 毛管上升水：地下水随毛管孔隙上升而被毛管
第四章 水分环境及调控
杨再强 南京信息工程大学 yzq@nuist.edu.cn
主要内容


水分性质及类型 土壤水分运动 水分平衡 温室水分调节
第一节
土壤水分类型
1. 水的物理性质
1)表面张力：由物态内部的引力促使液体表面收缩的力。 影响因子： A.温度：温度越高，液体的表面张力越小。 B.液体的纯度：水中溶入酸、酯等物时，其表面张力 （系数）相对纯水会减小，并随溶液浓度增加而渐小 （20℃下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从72.75× 10-3N／m，减至40×10-3N／m）。
调的是，溶质势只有在半透膜存在情况下才起作
用。在不存在半透膜的情况下，溶质势为0。
(二) 土壤水吸力
1.概念
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，但并不是指土壤对
水的吸力。将基质势和溶质势的相反数定义为吸 力S，分别称为基质吸力和溶质吸力。
2. pF值
当土壤基质势用cm水柱表示(h)时，由于其 值变化幅度太大，使用起来不方便，因而用 pF值作为水势头的一种表示方法。
H q Ks L
Ks:饱和导水率（cm/h）,ΔH:土柱和水柱高度和，L： 土柱高
膜 状 水 示 意 图
当膜状水达到最大厚度时的土壤含水量称为最 大分子持水量。
(3)毛管水
定义：当土壤含水量超过膜状水最大量后，其吸引力小于 0.625兆帕，可形成移动性较大的自由水。存在于土壤毛管 孔隙中的水分，称为毛管水。 特点： 毛管水所受引力（毛管引力）在0.625-0.01兆帕范围内，它 比一般植物根系渗透压要小得多，因此，植物易于吸收利 用。 它既可保持在毛管孔隙中，又可在土中各个方向上运动。 运动速度快，对作物吸水与补给有利。 它不但溶有各种养分，而且能使养分输送到植物根系附近。
(2)膜状水
定义：土粒吸附气态水饱和后，其表面与液态水相接触，此 时土粒还有剩余分子引力吸附液态水，这种水分称为膜状 水(松束缚水). 特点： 存在于吸湿水层以外,引力（分子引力）较小，分子定向排 列差，较松弛。 可从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢. 作物在干旱条件下可利用部分，但补给困难，仍使作物受 旱害。
5) 液体的粘滞性
在运动状态下，液体具有抵抗剪切变形的能力，这就 是粘滞性。液体的粘滞性使液体内部出现成对的切力：
F=du/dy
F:内摩擦力，:比例系数，称为液体的粘度,
:接触面积，du/dy：流速梯度，是液体粘滞性的度量， 其值越大，粘滞作用越强。的影响因子主要是温度.
温度 /10-3 Pa s 0 1.78 5 1.52 10 1.31 15 1.14 20 1.00 25 0.89 30 40
中子土壤水分仪
3.射线法
(1)原理：与中子仪类似，γ射线透射法利用放射源 137Cs放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的 能量，与土壤水分含量换算得到，放射性同位素 放射的射线穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重 的增大而提高。 (2)优点：空间分辨率高，可测定表层土壤含水量， 并可在瞬时状态下较准确地测定土壤含水量. (3)缺点：两个平行测孔的间距很难严格控制，比起 中子仪来， 射线仪对人体健康的危害更大。
2.基质势（matric potential)m
基质势m(或水势头h)：是由于土壤基质 的毛管作用和吸附作用引起的。 基质势在任何情况下都小于或等于零。
吸附水
毛管水
3.压力势p(Pressure potential)
压力势p(或水势头) ：当土壤处在地下
水自由水面以下或土壤表面长期积水情