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土壤水

2012-11-09 分享到:

第一节 土壤水

1.1 土壤水的来源

土壤颗粒本身几乎不含有水分,土壤里的自由水主要来自外界。

地面以上主要来源有:天上下的雨水,下雪结冰溶化后的雪水,冰山溶化的水,以及气温变化空气中水汽凝结的露水,还有就是人工灌溉水(包括人工降雨,渠道灌溉,喷灌,滴管等)。

地面以下主要来源有:河、湖、塘等侧向渗入土壤的水,地下土层、岩石裂隙层等的存储水受到压力和毛细管的作用进入土壤。但是深层地下水不易被利用。

 

1.2 土壤水的储存

土壤是由许许多多大小不同、形状不规则的土壤颗粒组成的。这些土壤颗粒堆积在一起,土粒与土粒之间留有各种各样形状不一的空隙,这些空隙连通起来成为通道叫做孔隙。

                                                   

                                             

因此,土壤是一个多孔体。大多数孔隙都比较小,而且相互连通,连成毛细管。土壤水分大部分都储存的这些孔隙之中(图)。大裂缝常在湿润地区遇大旱后发生,可以伸进手指,我们叫裂隙。当然,植物根系在土壤里面生长,以及一些小动物在土壤里面爬行也会留下很多空腔和通道。

不同的土壤,它的孔隙大小是不一样的,沙性土壤颗粒比较粗,形成的孔隙也比较粗,能吸持住水分少,它的保水保肥性能比较差;黏性土壤颗粒比较细,形成的孔隙也比较细,它的孔隙里面吸持水分比较多,它的保水能力比较强。

土壤水与土壤颗粒接触,受到毛细管作用和分子引力的作用,也叫吸力,一方面水被保(吸)持下来,另一方面又由于吸力大小不同,水会从吸力小的地方向吸力大的地方移动。比如气温高的时候,土壤表层蒸发厉害,上面土壤的吸力就大,就会把下面的水吸上来。同样,植物根系需要吸取土壤里面的水,根系的吸力也要大于土壤的吸力,水就会被根吸走。

如果下大雨,雨量太大,或者灌溉水强度太大,土壤孔隙里已经充满了水,土壤过饱和了,孔隙无法再储存外来的水,多余的水就会从地表面上排走,形成地表径流,流到低洼的湖、塘、沟渠去了。

如果天气连续干旱,蒸发得很厉害,地下水比较深补充不上来,土壤就会干裂、结块。庄稼缺水干枯、死亡。

 

1.3 土壤水的作用

土壤水在农业上主要是用来供给植物生长需要。然而,土壤施肥很多都是固体肥料,结合灌水使其溶化,才能被植物吸收。又由于土壤水的移动,把这些养分输送到土壤的各个地方去。还有一些农药也是施在地里的,同样随土壤水而移动,就像我们身上的血液能够把营养输送到各个器官那样。

土壤里面还有许多生物在生长,比如一些小动物像蚯蚓、小虫等,还有大量的微生物生长都需要一定的水分。否则,它们也会死亡。

土壤水对我们人类的生存也有着极其密切的关系。土壤水分的多少,可以调节空气。南方降雨量大,土壤里面的水分也比较多,南方的气候就比较湿润;北方雨水少,西北部的雨水更少,土壤水分就少,空气比较干燥。所谓水土不服,首先就反映在人们对气候的适应情况,南方人到北方去感到气候干燥,皮肤干燥;北方人到南方来感到潮湿,不适应。

在山区,土壤水饱和以后,下大雨向下冲刷,把泥土和石头都冲下去,就形成泥石流,给山下的居民造成严重的灾害,屋毁人亡。

现在城市里面楼房、道路以及各种建筑物很多,这些水泥、柏油、塑胶把土壤掩埋了,不能渗水,地下的土壤得不到水,不利于植物的生长,也不利于调节气候。雨水都被排水沟排入河道里去了,然而由于排水管道太少或堵塞,地面水来不及排走,路面就会积水被淹了。下大雨,发大水,很不方便。

土壤里的水多了,长期被水浸泡,土质会松软,黏土会膨胀。因此,搞建筑、道路、城建工程的部门都要研究它

1.4 土壤水的污染

土壤水不管来自天上、地下还是人工降雨都应该是干净的,然而由于施肥、喷撒农药、工业排放和生活污水,以及酸雨等的影响,把许多有害的物质带入土壤里,又随着土壤水的流动,渗透到各地,以及河流里去,严重的危害到人们的饮用水安全。植物根系吸收了这些有害的物质,一是植物本身可能死亡,二是这些植物被人和动物吃了以后,会中毒、生病以致死亡。因此,土壤的安全直接影响到人类的健康。

土壤被污染以后,治理是很困难的,一些污染物质在土壤里不易被分解、长期残留在土壤里,后患无穷。

 

1.5 土壤水的测量

土壤里有多少水,通常都是要知道的。测量土壤含水量的方法很多,通用的是方法是烘干法,其它的还有用张力计,中子仪,电阻块,四电极法和(TDR)时域反射仪等。

这里介绍烘干法:需要一个铝盒(带盖),一把小铲,一个小天平(1公斤以下)和一个烘箱。

铝盒     烘箱   电子称

先将干铝盒称重(记录A);将土壤样品放入铝盒里并盖好盖子称重(记录B);再将这个铝盒放入烘箱烘干,设定的温度为1050C,烘24小时;到时候取出铝盒,称重(记录C)。

 

计算公式是:

              B—C

       土壤含水量=————× 100%

              C—A

式中,B—C为铝盒里失去的水的重量;C—A为干土的重量;土壤含水量是用土壤中水分重量占干土重量的百分比来表示的。

 

 

第二节 土壤毛细现象

2.1 土壤的毛细现象

前面已经讲过,土壤颗粒堆积成的孔隙,连在一起形成毛细管,土壤水就储存在其中并且可以移动,水在毛细管中可以向高处走,供给植物生长需要。不同土壤,它们的孔隙率是很不一样的,沙性土壤颗粒比较粗,形成的孔隙也比较粗,孔隙率小,能吸持住水分的孔隙比较少,它的保水保肥性能比较差;黏性土壤颗粒比较细,形成的孔隙也比较细,而孔隙率比较大,它的孔隙里面吸持水分比较多,它的保水能力比较强。

然而,有的时候,我们并不希望土壤里面的水不断地向上移动,被蒸发掉。我们为了要保持土壤里面的水,就要切断土壤表层的毛细管。

唐代诗人李绅的一首诗【悯农】(二):“锄禾日当午,汗滴禾下土,谁知盘中餐,粒粒皆辛苦”。里面提到的锄禾就是把禾苗四周的杂草清除掉,土壤表面耙松,就是切断土壤的毛细管,防止水分蒸发损失掉,这首诗很符合科学道理,也很真实。由于天气炎热,土壤蒸发比较厉害,这个时候下地松土是比较辛苦的活,所以大家要珍惜粮食,珍惜农民的辛勤劳动。

在我国,北方的土壤偏沙性,孔隙比较大,水容易入渗,也容易漏掉,即“漏水漏肥”。哪儿雨水比较少,因此只适应种植一些耐旱的植物,比如小麦、玉米、高梁、黍子、大豆、棉花等,树木也是哪些耐旱的品种才能生长。而南方土壤偏黏,孔隙比较细,水渗入慢,保水性好,雨水多,土壤里水分也多,地下水位比较浅,再加上气温也比较高,因此可适宜大多数植物生长。

 

2.2 毛细管原理

毛细管里面的液体与管壁之间有弯月靣拉力,也叫吸力,可以吸引液体在管子里移动。管子越细吸力越大,管子越粗吸力越小。(图)毛细管孔径越细,里面的水向上移动距离越高;反之,毛细管孔径越粗,里面的水向上移动距离越小。液体由吸力小的地方向吸力大的地方流动,正像我们用管子在瓶子里吸饮料一样。 

土壤中的毛细管对于水分补给植物生长的作用是很大的,搞水利灌溉工程要研究它,搞节水灌溉的要研究它,搞道路建设的要研究它,搞行走机械的也要研究它。

 

2.3 液体的浸润与弯月面

放在洁净的玻璃板上的一滴水银,能够在玻璃板上滚来滚去,而不附着在上面。把一块洁净的玻璃片插进水银里再取出来,玻璃上也不附着水银。这种现象叫做不浸润。对玻璃来说,水银是不浸润液体。

放在洁净玻璃板上的一滴水,会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水里再取出来,玻璃表面会沾上一层水。这种现象叫做浸润。对玻璃来说,水是浸润液体。

由于液体对固体浸润或不浸润的作用,使液体在圆柱形的管子里,呈现不同的液面。凡不浸润固体的液体表面呈凸状。例如水银装在玻璃管内,液面即成凸状,而浸润体的液体表面则成凹状,例如,水装在玻璃管内其液面即成凹面状态。这些弯曲的液面,统称为弯月面。

浸润液体在毛细管中上升(如水-玻璃),液面成凹月面型,液体附着在器壁,水在毛细管中的高度是凹月面的底部与容器液面之间的距离;不浸润液体在毛细管中下降(如水银-玻璃),液面成凸月面型,液体不附着在器壁,表面张力使其凸出,水银在毛细管中的高度是凸月面的顶部与容器液面之间的距离。

 

2.4 生活中的毛细现象

日常生活中人们大量的利用毛细原理,给我们提供很多方便。

如:毛巾、拖把、圆珠笔、粉笔、煤油灯、煤油炉、酒精灯、软木塞、擦手纸、内衣、口罩、海绵体、吸管、体温表等等。

具有毛细现象的物体有:木头、砖块、动物血管(人身上的微血管有8000公里长)、挤牛奶、植物的导管束(利福尼亚的杉树110米高)、纤维果汁(桔子、甘蔗)等等。

干燥的孔隙里面主要是充满空气,由于空气的传导性能差,空气又很轻,所以保温材料很多都用多孔体。比如我们身上穿的羽绒服、中空棉等,可以隔热保温。由于受到温度和吸力变化的作用,水银、酒精会膨胀,在管子里向上移动。利用这种现象,就被做成水银温度计、酒精温度计等。

空气被毛细管密闭起来,水进不去,就具有浮力。大家学过唐代诗人骆宾王七岁时写的一首诗《咏鹅》:“鹅,鹅,鹅,曲项向天歌。白毛浮绿水,红掌拨清波。”里面的白毛就是鹅身上的绒毛,鸭身上也是,就可以将他浮在水面上。作者突出了这个“毛”字很有道理。

第三节 毛细现象实验

3.1 土壤张力计

土壤变干时,土壤孔隙里面的水移走了,孔隙变成真空,产生负压力,也就是产生吸力。土壤越干负压力越大,即吸力越大。根据这种原理,人们研制出土壤负压计(又叫张力计),用真空表来显示土壤的吸力,可以反映出土壤的干湿程度。

3.2 自动加水实验

由于纱布具有毛细现象,因此可以利用它来传导水。我们可以做一个给花盆自动加水的实验。

取一个高一点的杯子装有水,另一个杯子不装水;将纱布条的一端放入有水的杯子里,另一端放在没有水的杯子里(类似要加水的花盆)。我们可以观察到,高杯里的水先沿着纱布条上升,到了杯子的边缘向下流,流到空杯子里,当两个杯子水面一样高时,水就不流动了。因为,这时两边杯子的水位相等,水分流动就停止。

前面水沿着布条上升,是布条的毛管吸力大于重力,把水吸上去;后面,水向下流时是吸力加上重力,力气更大了。因此,水向下流比向上流速度要快些。

 

3.3  自吸水花盆 

与上面的加水花盆不同,水只从底下沿着纱布条向上移动,上面花盆里的水不会饱和。这里用到前面实验前半部分的道理,纱布条的吸力要减去重力的作用,所以不会饱和,因此可以省水。

材料:二个大花盆(为便于观察用透明的盆,盆底留洞),二个装水盆(与花盆大小差不多),二条纱布,两种不同的土(一个偏沙,一种偏黏),和两朵花或草。

做法:(1)将纱布条一头放在花盆里,另一头放在水盆里;

(2)装入土壤(先称好同样的重量),并填实;

(3)将花朵埋入土里;

(4)水盆里装满水(一样重),搁在花盆下面,纱布条浸入水盆中。

观察:(1)水沿着纱布上升,慢慢湿润土壤,看哪个盆湿润得快些;

(2)看哪个水盆的水先用完,知道它们的需水量不同;

(3)看哪个盆里的花长得好些;

(4)水吸完了,再加满水盆,看哪个盆用水多。