土壤含水量及农田作物需水量
一、土壤含水量的计算
1.土壤重量含水量(重量百分数)
指一定重量的土壤中水分重量占干土重的百分数。干土指在105℃下烘干的土壤(干土≠风干土),通常
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烘干时间达8小时以上,准确则要求烘至衡重。它是普遍应用的一种
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示方法,也是经典方法。一般情况下,如果文献中未做任何说明,则均表示“重量含水量”。如烘干法测定的结果,其含水量的重量百分数(水重%)可由下式求得:
例1:测得湿土重为95克,烘干后重79克,求重量含水量。
2.土壤容积含水量(水容积百分数)
指一定土壤水的容积占土壤容积的百分数。它可以表明土壤水充满土壤孔隙的程度及土壤中水、气的比率。常温下如土壤的密度为1克/厘米3,因此土壤容积含水量或水容积百分数(水容积%)可由下式求得:
土壤容重
自然状态下,单位体积内干土重,单:g/cm3。容重是土壤的一个十分重要的基本参数,在土壤工作中用途较广,以下举例说明。
(1)判断土壤的松紧程度 容重可用来表示土壤的松紧程度,疏蓊或有团粒结构的土壤容重小,紧实板结的土壤则容重大,如下表。
容重(g/cm3)
松紧程度
孔隙度(%)
< 1.00
最松
> 60
1.00~1.14
松
60~56
1.14~1.26
适合
56~52
1.26~1.30
稍紧
52~50
> 1.30
紧
< 50
(2)计算土壤重量 每公顷或每亩耕层土壤有多重,可用土壤的平均容重来计算,同样一定面积土壤(地)上的挖土或盆裁填土量,也要利用容重来计算。
例1:一个直径为40cm,高为50cm的盆,如果按1.15g/cm3容重计算,问需装多少(干)土?
解:(40/2)2 3.14 50 1.15 = 72220克 = 72公斤
如一亩地面积(6.67106cm2)的耕层厚度为20cm,容重为1.15g/cm3,其总重量为:
6.67 106 20 1.15 = 1.5 108(g) = 150(t) = 150000kg = 30 万斤土
(3)计算土壤各组分的数量 根据土壤容重,可以计算单位面积土壤的水分、有机质含量、养分和盐分含量等,作为灌溉排水、养分和盐分平衡计算和施肥的依据。
如上例中的土壤耕层,现有土壤含水量为5%,要求灌水后达到25%,则每亩的灌水定额为:
6.67 106 20 1.15 (25% - 15%) = 30(m3)
又如上例,土壤耕层的全N含量为0.1%,则土壤耕层(0~20cm)含N素总量为:
6.67 106 20 1.15 0.1% = 150t 0.1% = 150kg
例2:如某土壤水含量(水重%)为20.3%,土壤容重为1.20(克/厘米3),求土壤容积百分数(水容%)
水容% = 20.3% 1.2 = 24.4%
(4)由容重计算土壤的饱和含水量
土壤总孔度% = 土壤容积饱和含水量% =
100% (土壤比重为:2.65)
又如某土壤容重为1.20,该土的总孔隙度为
= 55%,则其土壤容积饱和含水量为55%,饱和重量含水量为37.7%,空气所占的容积为55% - 24.4% = 30.6%
3.土壤水贮量(农田贮水深)
以水层厚度(水毫米)表示。指一定厚度土层内土壤水的总贮量相当多少水层厚度(毫米)。它便于与气象资料-降水量、蒸发量及作物耗水量等进行比较。土壤水贮深(水毫米)可同下式求得:
H土为土层厚度,单位:mm。M为1亩地的面积。
例3:如某土层厚度为100厘米,土壤含水量(水重%)为20%,容重为1.20(克/厘米3),得:
(水毫米)= 1000 20% 1.20 = 240毫米
4.农田(土壤)水贮量(亩/方)
以水的体积(方/亩)表示:指一定深度内每亩土壤水的总贮量(以立方米计),即:水方/亩这是农田灌溉时计算水量常用的方法。其求法如下式:
(水方/亩)= 666.6(米2) 深度(米) 水重% 容重
例4:设土层深度为1米,水重%为20%,容重为1.2,其贮水量(水方/亩)为:
(水方/亩)= 666.6米2 1米 20% 1.2 160方/亩
例5:可应用土壤水贮量(水方/亩)计算灌水量。如某土壤田间持水量为20%(水重%),容重为1.20 (克/厘米3),今测得土壤含水量为10%,现要把每亩一米深的土层的含水量提高到田间持水量的水平,问每亩应灌多少水(方/亩)?其求法如下:
应灌水量(方/亩)= 面积(米2) 深度(米) 容重 应灌水重%
= 666.6 1 1.2 (20% - 10% ) = 80方/亩
(水毫米)与(水方/亩)可作如下换算:3mm水 = 2方/亩
所以,降水1.5mm即相当于农田贮水量为1方/亩。
即:
农田贮水量(亩/方) =
农田贮水深(mm)
例6:根据例3求例4:
农田贮水量(亩/方)=
240(mm)
= 160 (方/亩)
水(mm/亩)与水(方/公顷)可作如下换算:
水(mm/亩) 水(方/亩) 水(方/公顷)
即:水(mm/亩) = 水(方/公顷)
5.相对含水量
指土壤含水量占田间持水量的百分数。它可以说明土壤毛管悬着水的饱和程度,有效性和水、气的比例等。是农业生产上常用的土壤含水量的表示方法。其求法如下:
例7:如某土壤田间持水量为24%,今测得土壤含水量为12%,则:
说明当时土壤含水量只占该土田间持水量的50%,即一半,一般认为旱作土壤比较适耕、适播的土壤含水量大约为田间持水量的70%左右为好。上述土壤含水量只占田间持水量的一半,这对一般作物生长,已感土壤水分不足了。
例8:实测资料如下,求土壤蒸发量。
土层
(cm)
容重
(g/cm3)
3月31
水重(%)
4月20
水重(%)
蒸发量
水重(%)
蒸发量
容积(%)
蒸发量水(mm)
日蒸发量
(mm)
0~5
1.58
7.7
4.1
3.6
5.7
2.8
0.14
5~10
1.48
9.9
6.9
3.0
4.4
2.2
0.11
10~20
1.44
10.9
8.6
2.3
3.3
3.3
0.16
20~40
1.44
13.3
11.3
2.0
2.9
5.8
0.27
40~60
1.44
15.1
12.6
2.5
3.6
7.2
0.34
60`80
1.44
21.5
18.8
2.7
3.9
7.8
0.37
80~100
1.44
31.6
31.4
0.2
0.3
0.6
0.03
0~10cm 日蒸发量:(0.14 + 0.11)10 = 0.25 10 = 0.025mm
0~80cm 日蒸发量:
问:根据以上数据还可以得到什么结论?
例9:测得田持为32.5%(容积%),2米土层平均重量含水量为16%;平均容量为1.5,求100mm降水(或灌溉水)可湿润多深土层?
解:
二、土壤水的有效性
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。不能被植物吸收利用的水称为无效水;能被植物吸收利用的水称为有效水。其中因其吸收难易程度不同又可分为速效水(或易效水)和迟效水(或难效水)。
通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限。低于萎蔫系数的水分,作物无法吸收利用,所以属于无效水。所谓萎蔫系数是指植物发生永久萎蔫时的土壤含水量。这时的土水势(或土壤水吸力)约相当于根的吸水力(平均为15巴)或根水势(平均为-15巴)。
一般把田间持水量视为土壤有效水的上限。所以田间持水量与萎蔫系数之间的差值即土壤有效水最大含量。
土壤有效水最大含量(%)= 田间持水量(%) - 萎蔫系数(%)
土壤有效水最大含量,因不同土壤和不同作物等而异(表5-7)。
表5-7 土壤质地与有效水最大含量的关系
土壤质地
砂 土
砂壤土
轻壤土
中壤土
重壤土
粘 土
田间持水量(%)
12
18
22
24
26
28
萎蔫系数(%)
3
5
6
6
13
18
有效水最大含量(%)
9
13
16
15
13
10
随土壤质地由砂变粘,田间持水量和萎蔫系数也随之增高,但增高的比例不同。粘土的田间持水量虽高,但萎蔫系数也高。所以其有效水最大含量并不一定比壤土高。因而在相同条件下,壤土的抗旱能力反比粘土为强。
一般情况下,土壤含水量往往低于田间持水量。所以有效水含量就不是最大值,而只是当时土壤含水量与该土萎蔫系数之差。即:
土壤有效水含量(%) = 土壤含水量(%) - 萎蔫系数(%)
作物需水量的有关概念:
(1)作物(田间)需水量ET――在一定条件下,作物在生育期内良好生长发育,达该品种最高产量时单位面积所需水量(方/亩、mm)。即理想条件下的耗水量。
(2)作物(田间)耗水量ET――在具体农田条件下,作物生育期内,达某一产量时,单位面积上实际消耗水量(方/亩、mm)。
注:① 旱地田间需(耗)水量不包括深层渗漏,水田作物则包括;② 需水量是理想条件下的耗水量。
(3)日耗水量――作物每日实际耗水量(相应有日需水量)
(4)作物需水系数――作物每生产1公斤籽粒(籽棉)的耗水量(mm/kg)
(5)作物需水模系数――作物生育期内,各生育期耗水量占总耗水量的%,也叫阶段耗水百分数
(6)(作物)水分有效利用率WUE――作物每消耗单位水量(mm)所能生产的产量(kg/mm)
(7)蒸腾系数――作物每制造1克干物质所蒸腾水的克数(125-1000g/g)
(8)蒸腾强度――单位叶面积上,单位时间内的蒸腾耗水量(g/m2/hr,白天20~250g 夜1~20g)
(9)蒸腾效率――作物每蒸腾1kg水所能生产干物质的克数(1~8克)
(10)影响耗水量的因素:作物种类、作物品种、作物产量、气象因素、灌水技术、农业技术、种植
制度
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、施肥水平、管理水平等。
土壤水有效性的实质:土壤―植物―大气连续体系(SPAC)
1927年迈耶(Veihmeyer)指出,土壤水在田持-萎蔫点之间对作物是同等有效的,进一步研究提出了土壤水三种有效性大小。(如图)
现在研究表明,不同土壤的上、下限并不是常数(田持也不是常数),于是人们采用能量观点来研究土壤水,用水势代替含水量,通过测定土壤水势、植物水势(根、叶)、大气水势把植物从土中吸水直至蒸发可视为这样一个过程:水从一个容量有限,水势有变化的源头(即土壤)流向一个容量几乎无限的壑(即大气)中,当植物吸水速率等于蒸腾速率,则水流继续进行着,当土壤供水不足,小于蒸腾,则植物本身失水,直至萎蔫。因此,现在研究土壤水分有效性是从“土-植-大气”视为一个系统即“SPAC”(1966, J.R. Philip)。
在这个系统中,水从水势高的地方(土)流向水势低的地方(大气),土壤饱和时,土水势为0,随着含水量的减少,土水势以基模势为主,至田持时,m = -0.1~ -0.3巴,萎蔫点m = - 15巴,根水势-10 ~ -30巴,根一叶水势差约为 -10巴,水气水势为 -1000巴。
三、土壤水平衡
土壤水平衡是指在一定时间和一定体积,土壤含水量变化(末期测定值与前期测定值之差)等于土壤水的收入(来水量)与土壤水的支出(耗水量)之差。
土壤水的收入(水收)包括:(1)降水(水降),(2)灌溉水(水灌),(3)地下水的补给,(4)其它来源的水,如水气凝结、雪水、别处流来的径流等等。对一般农田来说,水收主要是水灌和水降。即:
水收 = 水降 + 水灌
土壤水的支出(水支)主要包括:(1)土面蒸发(水蒸),(2)植物蒸腾(水腾),(3)渗漏(水漏),(4)地表径流(水径)等等。所以:
水支 = 水蒸 + 水腾 + 水漏 + 水径
农田水量平衡研究某一期间土壤水的变量(水)即该时段中终止时与起始时土壤含水量的差值。也就是这一期间土壤水的收入支出的差。所在:
水 = 水收 - 水支
即 水 =水降+水灌-水蒸-水漏-水径
水为正值,表示土壤水含量增加,水为负值,表示土壤水含量减少即短缺。如果还有其它收支的水,应加入上式中。
土壤水平衡,在生产实践中很有用处。
1.如前期测得水重10%,而末期测得15%,则水 = 15% - 10% = + 5%,表示土壤水增加5%(这表明这期间有灌溉来水或是降水补给)。
2.计算作物的日耗水量。如某麦地灌拔节水(4月20日)前,根层土壤含水量为90毫米,然后灌水45毫米。到4月28日再测定同一根层土壤的含水量为100毫米,假设此间灌水后既无深层渗漏,又无降水,问这一时间小麦的日耗水量(水蒸+水腾)是多少?其计算方法是:
(90 + 45 - 100)(28 - 20)= 4.4毫米/日
3.确定灌溉时间。经测定某地块作物主要根层内土壤水含量为100毫米,其中无效水为60毫米,这一时期降水很水,平均为0.6毫米/日,作物的耗水量为2.6毫米/日,如果在作物吸完有效水时再灌水,问这块地的含水量最多能维持几天就必须灌溉?其计算方法如下:
(100 - 60)(2.6 - 0.6)= 20天
4.某地种植冬小麦,初步定土壤灌水后的含水率 Bmax = 24%(占干土重百分数);灌水前的土壤含水量为12%,其容重为1.25吨/米3,计划灌水土层深度 H = 0.5米,冬小麦在该期的日耗水量为3.0毫米,试求冬小麦的灌水定额和灌水间隔时间。
(答:75mm、25天)
5.某灌溉试验,某一季节的土壤和气候资料收集如下:
水循环各个部分
处理
A
B
C
灌溉(毫米) I
40
280
392
降水(毫米) R
59
59
59
排水(毫米) D
18
62
91
开始时的土壤水分(毫米) S1
450
450
450
结束时的土壤水分(毫米) S2
208
206
236
径流(毫米) r
0
0
0
试求每一处理的蒸散量?(答:B处理为:521mm)
6.写出北京地区春地(裸地及冬小麦地)的农田水量平衡方程式。
农田水量计算复习题
一、名词解释
1. 凋萎系数(萎蔫系数) 2. 田间持水量 3. 重量含水量 4. 容积含水量
5. 土壤贮水量 6. 土壤含水量的计算公式 7. 容重 8. 深层渗漏 9. 临界深度
二、填空题
1.土壤含水量一般是用 来表示的,它是以 为基础,而不是以 为基础。
2.土壤水分实际上是指在 温度下从土壤驱逐出来的 水。
3.测定土壤含水量的传统方法是 。
4.土壤有效水含量为 和 之差值。
5.降雨9mm时,则相当于 万/亩。
6.粘土含水量为15%,砂土含水量为10%,请判断水的流向 。
三、判断题
1.降水1.5mm相当于农田灌水1方/亩 ( )
2.土壤有效水含量一般是粘土>壤土>砂土 ( )
3.农田灌溉指标制度的下限为凋萎含水量,而上限则为饱和含水量 ( )
4.烘干土即为风干土 ( )
5.土壤有效水最大含量即为土壤有效水含量 ( )
四、计算题
1.某土壤含水量为200gkg1(即:20%),若同一土层平均容重为1.32g/cm3,则容积含水量为多少?(答:26.4%);假使耕层厚为30cm,则每hm2地耕层内贮水量深度为多少(毫米)?(答:528mm);若灌水至土壤饱和之后,容积含水量是多少?(答:49.8%);耕层灌水深度为多少(mm)?(答:46.8mm)。
2.某地土壤0~10cm土层含水量为150gkg-1,容重为1.2Mgm-3,10~30cm土层含水量为250gkg-1,容重为1.30Mgm-3。问该土壤0~30cm土层共贮水多少mm?(答:83mm);若该土壤耕层厚30cm,则这种土壤耕层每hm2多少方水?(答:55.3方/hm2);达田持时的灌水量又为多少?(已知田间持水量为300gkg-1)(答:112mm/亩或750方/公顷)。
3.某土壤耕层0~20cm凋萎含水量为110gkg-1,田间持水量为280gkg-1,容重为1.25Mgm-3,问:(1)该土壤最大有效水含量是多少mm?(答:42.5mm);每hm2多少方?(答:425方/hm2)。(2)某时刻土壤含水量为210gkg-1,那么,土壤有效水为多少mm?(答:25.0mm)(3)若此时进行灌水,每hm2需灌水多少方?(答:175方/hm2);(4)该土壤饱和含水量为多少?