土壤物理學講稿(總復習)20110105

土壤物理學總復習主講：蔡典雄中國農科院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃所2010年12月第一部分：土壤物理基本原理第一章土壤物理學的任務、基本概念、定義及基本性質

第一節(jié)土壤物理學的基本任務第二節(jié)土壤物理基本概念第三節(jié)定義及基本性質第四節(jié)分散體系的土壤（土壤固、液、氣相，土壤顆粒大?。?/p>

第二章土壤組分的容積和質量關系

第一節(jié)土壤密度第二節(jié)土壤容重第三節(jié)總容重第四節(jié)空隙度第五節(jié)土壤濕度第六節(jié)土壤水量第七節(jié)充氣空隙度第八節(jié)土壤固、液、氣容積和質量換算與轉化關系第三章土壤水勢理論

第一節(jié)勢值概念、單位和土壤水勢（水位，水頭）第二節(jié)土壤水流與非飽和土壤水流方程第三節(jié)土壤水入滲與方程第二部分：應用土壤物理第一章農田土壤水狀況第一節(jié)田間水分平衡第二節(jié)田間土壤水分特征第三節(jié)田間水分滲透與蒸發(fā)第四節(jié)水分再分布與排水第二章土壤水分與植物關系

第一節(jié)植物內部水分關系第二節(jié)植物對葉部水分虧損的反應第三節(jié)葉水勢與土壤水分關系第四節(jié)土壤生物與土壤水關系第三章土壤水分管理

第一節(jié)地表水管理第二節(jié)灌溉與排水第三節(jié)淋洗和改良第四節(jié)污水利用和地下水補給；第四章水土保持

第一節(jié)徑流與侵蝕第二節(jié)水蝕、風蝕產生發(fā)生因素第三節(jié)土壤侵蝕控制第四節(jié)土壤侵蝕方程第五節(jié)土壤侵蝕管理第一部分緒論1、土壤物理學的定義

土壤物理學是研究土壤中產生的一系列物理現象及其變化規(guī)律的科學。土壤物理學可以看成是敘述土壤物理性質，測定、預報以及控制在土壤中或通過土壤所發(fā)生的物理過程的土壤學的分支。是闡述土壤中物質的狀態(tài)和運動以及能量的傳導和轉化的科學。內容涉及：土壤機械組成、土壤膠體、土壤結構、土壤空氣、土壤水分、灌溉原理、土壤溫度、土壤耕作、與土壤侵蝕等。2、土壤物理學的任務

土壤物理學的基本任務

在于獲得對支配土壤行為及其在生物圈中的機制的基本理解，包括這樣一些相互聯系的過程，如大地的能量交換以及田間水分和可移動物質的循環(huán)。

在實踐方面：

土壤物理學著重于通過灌溉、排水、土壤和水的保持、耕作、通氣、土壤熱量調解，以及為了工程目的地土壤材料的利用等，合理的管理好土壤。因此，土壤物理學是一門范圍廣泛的，即使基礎的，又是實踐學科。它與土壤學、以及其他學科相交叉，如地球生態(tài)學、水文學、微氣候學、地質學、植物學、作物學等等。第二部分分散相特性1、土壤是一個非常復雜的體系?？諝馑腆w固相物質——礦物質或者有機質

礦物質部分包含不同大小、形狀和化學組成的顆粒；有機質部分除去活有機體以外，還包含不同分解階段的殘渣；生（動）物部分。液相——占據在部分或全部的固體粒子之間的空隙里的土壤水，其化學組成和自由移動的能力是變動的。氣相或蒸氣相——土粒間未被水占據的空間，包括：水氣、氣態(tài)物質等。2、晶體粘土礦物可分四大組：

1：1晶格型高嶺土組

2：1晶格型水化云母組

2：1膨脹晶格型蒙脫石組

2：1變異晶格型坡縷石或纖維粘土組

3、粘粒的表面與顆粒大小的關系每單位質量的巨大表面是所有分散體系的首要特性。某一分散體系表面大大小通常稱“比表面”，用每克或每立方厘米分散相中有多少平方厘米表面表示。由于土壤中不同的質地分級是以其有效直徑為基礎而進行分組的，因此了解每一組的比面特別有意義。例如很少量的物質若經高度細分，則有可顯示出巨大無比的表面積。粘土與砂土每單位質量總表面積之間的巨大差異，使我們對他們的物理性質之所以顯著不同有了一個比較明確的理解。陽離子吸附陽離子西服是平衡由粘土晶格中同晶置換和晶體邊緣斷鍵所產生的負電荷的結果。不同粘土礦物組的CEC隨著晶格的結構的性質以及同晶置換的程度而異，其次序為：

蛭石>蒙脫石>伊利石>高嶺石陽離子交換量與內外表面的總和有關，因此CEC將隨顆粒變小而增加。離子的大小、水化程度和價數直接影響著陽離子交換量。陰離子吸附某些粘土礦物如高嶺石組礦物和水鋁英石，在較低pH值時顯示正電荷。這些正電荷就是產生陰離子吸附和交換之處。4、顆粒大小

土壤中各種質地粒級是按其當量直徑分成不同大小組合的。土壤顆粒并非球體，是不等軸的。因此，對機械過篩分出的較大顆粒而言，當量直徑指能穿過某一只大小孔洞的球體的直徑，而靠沉降技術分出的小顆粒而言，當量直徑指在液體介質中具有相同密度以及沉降速度的球體直徑。（1）土粒的分散田間或自然土壤，絕大部分或全部粘粒都是相互團聚成粒徑不同的團粒，微團粒是粘粒直接凝聚而成，粗團粒則主要是由腐殖質和某些情況下土壤中的石灰物質、游離鐵等所起的作用。在中性土壤中主要是交換性Ca2+起作用，酸性土壤中還有交換性AL3+的作用，土壤溶液中鹽類溶質濃度高也促進粘粒的團聚。5、粒徑分析過去也稱為機械分析使土壤實驗科學中最古老的測定技術之一，它包含以下操作步驟。

傳統的處理方法：用H2O2-HCl處理和添加含Na+的化合物作為分散劑。其中：

H2O2——

作用是破壞有機質；稀HCl——

作用是為了溶解游離的CaCO3和其他的膠結劑，并用H+代換有凝聚作用的Ca2+和AL3+等離子和淋洗土壤溶液中的溶質。交換性的H+也有凝聚作用，必須用分散粘粒的Na+代換，所用的Na+的數量不能過多超過土壤的交換量。

無法篩分的細土粒，普遍采用Stokes定律，按土粒在水中沉降的快慢區(qū)分不同粒級的土粒。顆粒在水中沉降除重力作用外還受與重力作用相反的粘滯阻力的作用，G.G.Stokes(1851)指出，粘滯阻力Fr應等于：

Fr=6πμrυ

式中：μ為水的粘度（Pa·s);r為土壤顆粒半徑（cm);υ為土壤顆粒沉降速度（cm/s).

（2）細土粒的沉降分離

顆粒開始沉降，沉降速度隨時間增大，粘滯阻力也隨之增大，但顆粒所受粘滯阻力與所收的重力平衡時，沉降速度不再增加，顆粒以勻速沉降，這是的沉降速度稱為終極速度。顆粒所受的重力可以由下式計算：

G=4πr3(ρs-ρf)g/3式中：4πr3/3為球體顆粒的體積，ρs為顆粒密度（g/cm3），ρf為流體的密度（g/cm3），g為重力加速度。當

Fr=G時可得：

υt=d2(ρs-ρf)g/1800μ式中：υt為終極速度，d為顆粒直徑（mm）。

假設沉降速度幾乎在沉降過程一開始就立即達到，則可計算一定直徑的顆粒沉降到L（cm）所需要的時間：

t=1800Lμ/(d2（ρs-ρf)g)利用沉降法進行歷經分析，應注意以下幾點假定：顆粒是堅固的球體且表面光滑所有的顆粒密度相同顆粒直應達到不受流體分子布朗運動的影響供沉降分析的懸液必須稀釋到顆粒沉降互不干擾，即每一個顆粒的沉降都不受相鄰顆粒的影響環(huán)繞顆粒的流體保持層流運動，沒有顆粒的過快沉降引起流體紊流運動。以上幾點除了c,d可以大致滿足以外，其他很難滿足，雖已歷經分析只能給出近似的結果。

具體測定個細土粒的方法，可用移液管于沉降開始的一瞬間（按Stokes方程計算）在一定深度緩慢吸取一定量的懸浮液樣品，烘干后稱重，在計算小于相應的粒徑的累積量，兩次測定的累積量相減,便為某一粒徑范圍的土粒量。以上方法稱為吸管法，是目前國際上認為較精確的方法。另外，還有比重計法，近年來，激光粒度分析儀也逐漸應用于土壤顆粒分析。6、土壤質地

國際上，砂粒、粉粒、粘粒的質量比是確定土壤質地的基礎。美國農業(yè)部的土壤質地分組和西歐大多數國家質地分組都是按照他們各自的粒徑分級標準劃分的。我國自20世紀50年代初，近40多年來廣泛流行前蘇聯卡慶斯基的簡化質地分組法。這個方法的特點是：卡認為，粒徑小于0.01mm的土粒已經明顯表現為交替的許多性質，故將土粒分為兩級：粒徑小于0.01mm的為物理性粘粒，粒徑大于0.01mm的為物理性砂粒按物理性粘粒或物理性砂粒的數量進行質地分組，質地分組種考慮到土壤類型的不同，對草原土壤以及紅黃壤灰化土和堿化及強堿化土壤有不同的質地分組尺度。1定義1、土壤結構的定義：

土壤中顆粒的排列和組織稱為土壤結構。2、土壤結構的重要性土壤結構決定著總孔隙度以及孔隙形狀和大小的分布，影響著土壤中流體的保持與傳導，包括入滲與通氣。土壤結構還影響著土壤的機械性質，所以，他也可影響種子的萌發(fā)，根系的生長，土壤耕作，陸上交通和土壤侵蝕。

第四部分土壤結構3、土壤結構的特點：由于土壤顆粒的形狀、大小和取向不同，而且可能是以各式各樣的方式聯接起來的，因而形成復雜的，形狀不規(guī)則的復合體。由于土壤結構固有的穩(wěn)定性，因而產生了在實踐上的易變性和在空間上的不均勻性。土壤結構強烈的受到氣候、生物活動以及土壤管理的影響，并且也易遭受到機械的和物理化學性質的破壞力的作用

土壤正處于巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈相互緊密交接的地帶，是連接各自然地理要素的樞紐，是結合有機自然界和無機自然界的中心環(huán)節(jié)。土壤與地理環(huán)境各要素之間不斷進行著物質和能量的交換、相互聯系、相互作用，不斷發(fā)生著變化。第五部分土壤在地理環(huán)境系統中的地位和作用一方面，土壤是在五大成土因素的作用下形成的，這些因素同等重要、相互不可代替，這些因素的發(fā)展變化制約著土壤的形成和變化。另一方面，土壤的發(fā)生和發(fā)展又對地理環(huán)境的發(fā)生起推動作用。

1、基本概念土壤：指地球表面具有一定肥力且能生長植物的疏松層。土壤肥力：指土壤供給和調節(jié)作物正常生長所需要的水、肥、氣、熱和耕性的能力。一種良好的土壤應該使植物吃得飽（指養(yǎng)料供應充足）、喝得足（指水分供應充分）、住得好（指土壤空氣流通、溫度適宜）、而且站得穩(wěn)（指根系能伸展得開，支持牢固）肥力高的土壤能穩(wěn)、勻、足、適地供應和協調作物對水、肥、氣、熱的需要。土壤母質把與土壤形成有關的塊狀巖體稱為母巖。把與土壤有直接發(fā)生聯系的母巖風化物稱為母質。母質是形成土壤的基礎，母質直接影響到土壤顆粒粗細、化學組成、水、氣、熱狀況和肥力狀況。如，由黃土母質形成的褐土；由第四紀粘土形成的紅壤。土壤生物因素：植物、動物、微生物由于生物的光合作用，才把大量太陽能引進了成土過程的軌道，同時通過生物的生長作用把分散在巖石圈、水圈和大氣圈的營養(yǎng)元素積聚在土壤，并且將植物的殘體歸還與土壤，使土壤產生了腐殖質，形成良好的土壤結構。在一定意義上說，沒有生物的作用就沒有土壤的作用。2、土壤的組成和性質土壤固體土粒粒間孔隙各種生物礦物質有機質氣體水分G%V%95%以上38%以上5%以下12%動物微生物澡類、細菌、真菌、放線菌大型動物、微型動物3、土壤的顆粒組成：土壤顆粒大小不同，土粒的大小級別就稱為粒級；目前有不同的分類標準，基本級別有：石礫、砂粒、粉粒（粉砂粒）和粘粒。粗細4、土壤有機質

土壤有機質:包括土壤中的動植物殘體和微生物體及其分解和合成的有機物質。土壤有機質：一般有機質：碳水化合物、含氮化合物土壤腐殖質：黃腐酸、褐腐酸、胡敏素土壤腐殖質：進入土壤的有機物質在土壤微生物的作用下，經腐殖化過程形成的一種組成和結構比原來有機化合物更為復雜的高分子有機聚合物。整體呈黑色、化學穩(wěn)定性很強，有強大的吸水能力。有機質在土壤肥力上的作用（1）提供作物需要的各種養(yǎng)分（2）促進團粒結構的形成，改善土壤物理性質（3）增強土壤保肥性能（4）含碳豐富是土壤微生物所需能量的來源。（5）有助于消除土壤中農藥殘留和重金屬污染。5、土壤的孔性（1）土壤的比重單位容積的固體土粒（不包括粒間孔隙）的干土重量。單位：克/厘米3

土壤比重主要決定于土壤礦物質和有機質的組成，多數土壤礦物質的比重在2.6---2.7，而土壤有機質的比重1.25---1.40；故土壤中有機物質含量愈高，它的比重愈小。隨土層深度的增加而增加。（2）土壤容重：單位容積原狀土壤體（包括孔隙）的干土重量。單位：克/厘米3土壤容重大小受土壤質地、結構和松緊度等的影響而變化。土壤愈疏松，容重越小，愈緊實，容重愈大。土壤容重可以反映土壤的松緊度；計算土壤重量；計算一定土層中各組分的數量。1、一畝土地耕層厚度為20厘米，容重為1.15克/厘米3，則它的重量為：

6.67×106×

20×1.15=1.5×108

（克）所以，通常我們按每畝土重150噸，即30萬斤計算。2、上例中土壤耕層含水量為5%，要求灌水后達到25%，則每畝的灌水定額為

150噸×（25%-5%）=30噸

舉例（3）土壤的孔性（1）土壤的孔（隙）度=（1-容重/比重）×100%（2）土壤孔隙比：指土壤孔隙的容積與土粒容積的比值。表示土壤孔隙的數量。土壤孔隙比=孔度/1-孔度（3）土壤孔隙分級：非活性孔隙(<0.0002mm)、毛管孔隙(0.0002—0.02mm)、通氣孔（非毛管孔）(>0.0mm)6、土壤通氣性概念及意義概念：泛指土壤空氣與大氣進行交換以及土體內部允許氣體擴散和通氣的能力。意義：通過和大氣的交流，不斷更新其組成，并使土體內部各部分的氣體組成趨向均一。7、土壤通氣性的指標（1）土壤呼吸系數（RQ）：指一定時間內，一定面積的土壤上，CO2產生的容積對O2消耗的容積的比率。正常情況下：RQ≈1通氣良好通氣不良時：RQ＞1（2）土壤的氧擴散率（ODR）：每分鐘內擴散通過每平方厘米土層氧的克數。ODR大小標志了土壤空氣中氧的補給更新速率的快慢。一般而言ODR隨著土層深度而遞減的。（3）土壤通氣量：土壤在常壓下單位時間、單位面（1cm2）及單位厚度（1cm）所通過空氣的數量。ml/cm3.S

采用壓力計法或常壓測定法8、土壤氧化還原電位

Eh=E0+log[氧化態(tài)]/[還原態(tài)]指標意義：A、指示土壤溶液中氧壓的高低，反映土壤通氣排水狀況。B、指示土壤中養(yǎng)料存在的形態(tài)和供應情況。C、反映微生物活度。旱作根際＜根外；水稻根際＞根外。影響土壤氧化還原電位因素：A、土壤空氣狀況；B、土壤含水量；C、微生物活動；D、易分解的有機質含量；E、植物根系的代謝作用；F、土壤的pH值。一般而言是隨著pH值的升高而下降的。9、土壤通氣性的調節(jié)旱地：耕作松土、深耙勤鋤、深松耕層等措施。水田：干耕、曬垡、烤田等措施。10、土壤溫度和熱量（1）土壤溫度的重要性

1）對作物生長發(fā)育的影響：任何植物種子萌發(fā)都必須有適宜的土壤溫度范圍。影響到植物根系的生長。一般2-4℃開始有微弱的生長，10℃以上生長較活躍，超過30-35℃根系生長受到阻礙。冬麥12-16℃；玉米24℃；棉花25-30℃；豆科22-26℃；稻25-30℃生長最好。土溫影響作物的生理過程適宜的土溫能促進作物的營養(yǎng)生長和生殖生長。幾種作物營養(yǎng)生長最旺盛要求的土溫是：春麥16-20℃；冬小麥12-16℃；玉米24-28℃；水稻32-35℃；棉花25-30℃。2）對土壤肥力的影響：影響土壤中的化學反應。溫度越高，化學反應越強烈。如熱帶地區(qū)，礦物化學風化強烈。影響到土壤中生物學過程。如土壤微生物活動要求溫度為15-45℃。影響土壤有機質和氮素的積累。影響到土壤水、氣運動。土溫越高，土壤水（溶液）的移動越頻繁，土壤中的氣態(tài)水越多；土溫低時，土壤水凍結，水的移動處于停止，液態(tài)水和氣態(tài)水可能轉化為固態(tài)。（2）溫度日變化規(guī)律一日中，表層土溫日間變暖，夜間變冷。一般每天從6-18時熱從地表向下運動；夜間則相反。一般最高土溫出現在14時，最低土溫在清晨6時左右。表層土溫的日變幅較大，隨著深度的增加變幅逐漸減小。11、土壤的熱學性質（1）土壤的吸熱性和散熱性：土壤表面吸收太陽輻射所轉變成的熱能，并使土壤溫度升高的能力，稱為吸熱性。土壤在吸熱增溫后，又進行地面輻射放出熱量，稱為散熱性。一般土表顏色愈暗、濕度愈大、土表愈粗糙，吸熱性愈強。天氣晴朗、地表無覆蓋、土壤水分蒸發(fā)等，土壤散失的熱量增多。（2）土壤熱容量(C)：單位重量（或體積）土壤增減1℃所需要或放出的熱量，稱為重量（或體積）熱容量。

土壤不同組分的熱容量土壤物質成分卡/立方厘米.度粗石英砂0.198

高嶺石0.233

石灰0.214

腐殖質0.477

土壤空氣0.240

土壤水分1.0

土壤熱容量決定于三相物質組成，但固相部分的數量變化不大，而水分和空氣互為消長。土壤熱容量隨土壤容重和含水量的增加而增大。砂土一般含水量少，溫度容易升降，為暖性土；粘土為冷性土。（3）土壤導熱率（K）：單位時間、單位截面、單位距離相差1℃時，單位時間內傳導通過的熱量?？?厘米.秒.度水分的熱導率比空氣大28倍，K隨含水量的增加而增加。土壤越緊密（容重越大、孔隙度越大）K越大。土壤質地的影響：一定條件下，砂土增溫快、冷卻也快，晝夜溫差較大；粘土溫差小。（4）土壤熱擴散率a：在一定熱量供給的情況下，土壤不同部分之間的溫差達到平衡的快慢和難易程度。

a=K/CV

當土壤水分含量適中時有利于土溫的提高，過濕則升高極為緩慢。a小的土壤，其表層溫度升降明顯，溫度變化大；a大的土壤，則變化小。12、土壤水分一、土壤水的類型固態(tài)水汽態(tài)水物理束縛水化學結合水和結晶水毛管水重力水吸濕水薄膜水13、土壤含水率的表示方法1、重量含水量：土壤水的重量占干土重的百分數。干土重指105℃下烘干6-8小時重量。2、容積含水量：土壤水的容積占土壤容積的百分數。換算：水容積%=水重%×土壤容重土壤空氣體積=孔隙度-水容積%土壤固相容積%=1-孔隙度3、飽和度：指土壤中水的容積和孔隙容積比。4、土壤水貯量：指單位面積一定厚度土層內土壤水的總貯量。土壤含水量（mm）=水重%×H×B×10H為土層厚度（cm）；B為土壤容重。（四）土壤含水量的測定方法1、烘干法：標準方法，簡單直觀，但代表性差，且采樣會干擾田間土壤水的連續(xù)性。2、中子法：用中子儀在田間測定各土層含水量。優(yōu)點：可以在原地不同深度周期性地反復測定而不破壞土壤，也不大受周圍溫度的影響。缺點：儀器價格昂貴，空間分辨率低，不能測定表層土壤含水量，中子和γ射線對人體有危害。3、TDR法根據探測器發(fā)出的電磁波在不同介電常數物質中的傳輸時間的不同，計算出被測物含水量。土壤的電導大小常受土壤電解溶液濃度的干擾。其法簡單易行，直接可以讀出測定值。4、FDR技術及代表產品利用FDR原理（Frequency

Domain

Reflectometry）,由高頻波發(fā)生器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，檢測探頭輸出的電壓，由輸出電壓和水分的關系則可計算出土壤的含水量。其中探頭輸出的電壓與土壤的介電常數的方根√ε呈線性關系，通常空氣和干燥土壤的介電常數基本為一定值，因此土壤介電常數的變化通常取決于土壤的含水量，由此計算土壤的含水量Enviroscan

土壤水分儀（澳大利亞）PR1土壤水分儀(英國）AZS-2土壤水分測量儀（中國）5、γ射線法放射性同位素放射的γ射線穿透土壤時，其衰減度隨土壤濕容重的增大而提高。比起中子儀法，其優(yōu)點是空間分辨率高，并且可以測定表層土壤含水量。但γ射線儀對人體健康更有危險，必須小心。五、土壤水、氣、熱的關系與調控土壤水分、空氣和熱量三者之間的關系是非常密切而又復雜的。水分和空氣是相互矛盾、相互消長的。土壤含水量的多少又影響到土壤的熱容量和導熱率。土壤熱量直接影響到土壤水和空氣的狀況。調控土壤水、氣和熱量的變化是十分重要。

土壤水的能態(tài)土壤水的流速非常慢，因此土壤物理學中一般不考慮土壤水的動能勢能是由物體的相對位置及內部狀況決定，它是制約土壤水狀態(tài)及運動的主要能量。所以，以后說到土壤水能態(tài)時，一般是指土壤水的勢能，簡稱土水勢

1、基準系統一個平衡的土-水系統所具有的能夠做功能量即為該系統的土壤水勢能，稱土水勢。國際土壤協會選定的基準系統是：恒溫下，處在大氣壓下一定高度的純自由水池水面的勢能。由于假設水池所處的高度是任意的，因此土壤中任意一點的土水勢與標準狀態(tài)相比并不是絕對的基準系統的土水勢值為零。在同一標準狀態(tài)下，土壤中任意兩點的土水勢之差是唯一的。2、土水勢土壤水能夠自發(fā)地從勢能高處向勢能低處運動的趨勢，并最終達到與周圍環(huán)境的能量平衡在分析土壤水的保持和運動中，重要的不在于一個系統本身的能量水平，而在于兩個平衡系統之間的土水勢之差定義：可逆地和等溫地從特定高度和大氣壓下的純水水池轉移極少量水到土壤中某一研究點每一單位數量純水所做的功土水勢的大小可以清楚地表明土壤水對作物的有效程度、土壤水運動的方向和速度。它是研究土壤水分運動和土壤-植物植-大氣連續(xù)系統最基本的概念。2.1土水勢的單位系統土水勢的表示方法符號名稱量綱SI單位能量/質量*

T化學勢L2/T2J/kg能量/容積

T土壤水勢M/LT2N/m2能量/重量hT土壤水勢頭Lm*或能量/mol，引自Sposito2.2常用的土水勢單位1bar=100kPa=0.99atm=14.5psi=33.5feethead=10.2metershead1psi=2.31feethead=6.9kPa1kPa=1kJm-3=1J.kg-11meterhead=9.8kPa=9.8kJm-3=9.8Jkg-11milibar=1cmofwater=100pascal=1hPa2.3土水勢的分勢()=m+g+o+….m=基質勢

g=重力勢

o=溶質勢還包括空氣壓力勢a

、荷載勢b和濕潤勢w并不是所有分勢組成總土水勢，而是在不同的情況，總土水勢由不同的分勢（并不一定是所有的分勢）組成重力勢(

g、

z或用水勢頭z）重力勢是地球重力對土壤水作用的結果，由土壤水在重力場中的相對于參照面的高度決定。參照面可以任意選擇。如果土水勢采用土壤水勢的量綱，則重力勢可以由下式確定

g=±Wgz當z高于參照面時，z為正，當z低于參照面時，z為負只要參照面的位置不變，重力勢值都是一致的重力勢的測定：測定參照面至測定的點的垂直距離重力勢的計算參照面可以任意確定??！基質勢（

m或用水勢頭h）由于土壤基質的毛管作用和吸附作用而產生的。砂質土壤毛管作用占主導地位粘質土壤吸附作用占主導地位在任何情況下，都小于0在飽和土壤中，

m=0土壤水在非飽和范圍內，土壤含水量較高時，毛管作用起主導作用；而在含水量較低時，土壤顆粒吸附力起主導作用注意一個標準大氣壓為101325Pa，約105Pa，這里指的是絕對大氣壓。才土壤物理學研究中，常用相對大氣壓，即規(guī)定大氣壓值為0，所有壓力值都以相對大氣壓為基準而測定張力計BCBC張力計的測定范圍通常為-0.08~0MPa，雖然-0.08~0MPa的范圍僅僅是田間遇到的基質變化范圍的一小部分，但它一般包含了土壤濕度范圍的較大部分Richards&Marsh（1961）在農田中張力劑測定范圍包含了50%（在粗質土壤達75%或更多）的作物吸收的土壤水的重量。不可能擴大張力計的測定范圍田間使用的注意事項漏氣Salt(NaCl)Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-+-+-+--溶質勢(

o)溶質勢van’tHoff定理溶質勢（atm）R為氣體常數N/V溶液濃度T絕對溫度i+和-電荷總數溶質勢是土壤所有溶質對土水勢綜合影響的結果。土壤水溶液中的離子和水分子之間存在吸力。由于這種吸力的存在，降低了土壤水的能量水平，這是溶質勢產生的原因。如果以純自由水的溶質勢為0，而在其他條件下喊有溶質的土壤水的溶質勢為負值溶質勢的計算壓力勢當土壤處在地下水自由水面以下或土壤表面長期積水的情況下，土壤水具有壓力勢，壓力勢由土壤水靜水壓力所產生的。壓力勢在任何情況下，都取不小于0的值幾個術語土壤水吸力：是土壤水能態(tài)的一種表示方法。將基模勢

m和溶質勢O的負數定義為吸力（S）。在土壤水的保持和運動中，由于不考慮溶質勢，因此所指的吸力實際即基模吸力。pF值：當土壤基質勢用水勢頭，且用cm水柱表示時最大分子持水量(maximummolecularmoisture-holdingcapacity)土壤水分常數的一種。薄膜水達到最大量時的土壤含水量。是吸濕水和薄膜水的總和；相應的土壤水吸力為613kPa。最大分子持水量中，大于凋萎系數的部分含水量能被作物吸收利用，但數量很少。

飽和含水量(saturationcapacity)亦稱“全蓄水量”。土壤水分常數的一種。土壤所有孔隙全部充滿水分時的土壤含水量。一般可通過孔隙率來計算，即飽和含水量(體積百分比)等于孔隙率。它代表土壤的最大蓄水能力。相應的土壤水吸力等于零。

吸著水(hydroscopicwater)即“吸濕水”。薄膜水(filmwater)又稱“弱結合水”。當土壤吸濕水達最大量后，在吸濕水外層所形成的膜狀液態(tài)水。當土粒表面吸附水汽分子形成的吸濕水達最大量后”剩余的分子引力和靜電引力向周圍吸附液態(tài)水。這些水分子就圍繞汲濕水外層而定向排列。隨著薄膜水厚度的增加，較外層的薄膜水所受引力較內層要弱。厚度增加到一定值后，部分薄膜水可擺脫引力的束縛，向薄膜水較薄的土粒表面移動。內層薄膜水很難移動，不能被作物所吸收。外層薄膜水可以移動，但移動速度緩慢，數量也少，對作物生長的意義不大。此外，薄膜水厚，土粒間的距離就大，土粒就易于相對移動。反之則難于移動。薄膜水的厚度(或稱含量)影響土的物理、力學性質。結合水(bondedwater)吸濕水和薄膜水的統稱。有強結合水相弱結合水之分。

毛管水(capillarywater)

亦稱“毛鋼管水”。受毛管壓力作用而保持在土壤孔隙中的水分。運動方向和速度依毛管壓力的大小而定。毛管水上升高度與毛管半徑咸反比，毛管水運動速度與毛管半徑平方成正比。粘性土中孔隙小，毛管水上升高度大而運動速度很慢；砂性土中則相反，其上升高度小而運動速度很快；壤土介于兩者之間。毛管水與植物生長關系密切。按其存在形式，可分為毛管上升水、毛管懸著水和孔角水。

所謂平衡狀態(tài)，即在土-水系統中，各點土水勢相等，因此在系統中土壤水不運動，處在靜止狀態(tài)。在不存在半透膜的情況下，我們把水勢平衡又稱為水力平衡。3.3平衡條件下的土水勢分析Given:Theconditionsofpreviousexample,excepttheRListhesoilsurface3.4非平衡條件下的土水勢分析所謂非平衡狀態(tài)，即在土-水系統中，各點土水勢為非常數，土壤水有能夠自發(fā)地從勢能高處向勢能低處運動的趨勢，并最終達到與周圍環(huán)境的能量平衡3土壤水-植物之間的宏觀與微觀關系宏觀

土壤和水是土壤物理學的核心，也是我國生產實踐中的主要問題。水資源匱乏是困擾我國生態(tài)環(huán)境建設與糧食安全的主要問題，如何解決土壤水分的有效轉化并進行節(jié)水農業(yè)是最關鍵的措施之一。微觀

土壤-植物-大氣連統體（SPAC）基本特征，植被-水分關系，植物細胞和組織間水分關系，根系結構和功能，根系吸水機理，土壤-植物系統水勢和水流的變異性，土壤水分運動和植物蒸騰間關系，田間水分與能量平衡的基本原理，土壤水分有效性。第一節(jié)植物對水的適應性

依據植物對水分的依賴程度可把植物分為以下幾種生態(tài)類型：

（一）水生植物

體內有發(fā)達的通氣系統，以保證對氧氣的需要；葉片常呈帶狀、絲狀或極薄，有利于增加采光面積和對CO2與無機鹽的吸收；植物體具有較強的彈性和抗扭曲能力以適應水的流動。

（二）陸生植物

1．濕生植物

抗旱能力小，不能長時間忍受缺水。生長在光照弱、濕度大的森林下層，或生長在日光充足、土壤水分經常飽和的環(huán)境中。前者如熱帶雨林中的各種附生植物（蕨類和蘭科植物）和秋海棠等；后者如水稻、毛茛、燈心草和半邊蓮等。

2．中生植物

適于生長在水濕條件適中的環(huán)境中，其形態(tài)結構及適應性均介于濕生植物和旱生植物之間，是種類最多、分布最廣和數量最大的陸生植物。

3．旱生植物

能忍受較長時間干旱，主要分布在干熱草原和荒漠地區(qū)。按旱生植物對干旱的適應方式可分為：

（1）避旱植物主要是一些短命植物，以種子或孢子階段避開干旱影響。其主要特征是個體小、根莖比值大、短期完成生命史。降雨后，當土壤水分滿足植物需要時，幾周內，便完成萌發(fā)、生長、開花和結實等全部生長發(fā)育階段。它們沒有抗旱植物的形態(tài)特征，不能忍耐土壤干旱。

（2）抗旱植物包括防旱植物、耐旱植物和適旱植物

防旱植物本身不能忍耐干旱，通常有兩種適應干旱的方式，即保水型和耗水型。

保水型植物是肉質和某些硬葉植物。肉質植物能隨時、大量吸收可利用水并貯存在薄壁細胞和液泡中。氣孔僅在夜間和上午短時間開放，以避免水分損失。

耗水型植物蒸騰速率高，以加速水分吸收，保持體內的水分。這類植物根系發(fā)達，可扎入土壤深層。葉脈、維管束等輸導組織發(fā)達，蒸騰速率高、根莖比值極大。

耐旱植物：有各種特征達到耐旱或避免脫水的目的，例如嚴重脫水時，細胞液的溶質含量的提高能使細胞產生低滲透勢（高滲透壓）維持細胞膨脹，從而防止脫水。盡管植物體內水分含量不高，仍能維持氣孔的開放而避免二氧化碳的供應不足，達到耐旱的目的。耐旱象耐低溫一樣，受預先調節(jié)或耐旱“鍛煉”的影響。預先調節(jié)是將該種植物處在不能致命的干旱條件下進行鍛煉，從而可產生對致命干旱生境的抗性。啟示？

適旱植物：

具有對形態(tài)和生理方面對干旱條件的適應。主要的形態(tài)特征是：縮小枝條，增加根系擴展范圍，縮小葉面，增加葉厚度，增厚細胞壁和角質層，減少氣孔，縮小細胞間隙等。主要的生理特征是：含糖量高，細胞葉濃度高，滲透勢低，細胞含水量低，單位葉面積蒸騰速率和光合速率高，開花結實早，壽命長等。（三）植物與水利用的關系

對陸生植物來說，失水是一個嚴重的問題。植物在正常的氣體交換過程中所損失的水要比動物多得多。植物失水的可能性要比動物大700倍！一株玉米一天約需要2千克水，一生需要200多千克水。夏天一株樹木一天的需水量約等于其全部鮮葉重的5倍。植物從環(huán)境中吸收的水約有99％用于蒸騰作用，只有1％保存在體內。小麥每生產1千克干物質就需耗水300～400千克，因此只有充分的水分供應才能保證植物的正常生活。

第二節(jié)植物對土壤水分的吸收SPAC（Soil---Plant---AtmosphereCycling）動力：植物蒸騰作用途徑：植物導管（Conduits）方式：土壤水根毛根莖葉葉肉細胞調節(jié)方式：氣孔開閉

土壤水不僅與植物本身有關，而且與養(yǎng)分利用（水肥耦合）、環(huán)境污染密切相關

水分養(yǎng)分耦合作用機理及水肥高效利用：土壤水分能直接被植物根系所吸收。土壤水分的適量增加有利于各種營養(yǎng)物質溶解和移動，有利于磷酸鹽的水解和有機態(tài)磷的礦化，這些都能改善植物的營養(yǎng)狀況。土壤水分還能調節(jié)土壤溫度，但水分過多或過少都會影響植物的生長。水分過少時，植物會受干旱的威脅及缺養(yǎng)；水分過多會使土壤中空氣流通不暢并使營養(yǎng)物質流失，從而降低土壤肥力，或使有機質分解不完全而產生一些對植物有害的還原物質。(三)土壤溫度與水關系

?低溫能降低根系的吸水速率，其原因是：水分本身的粘性增大，擴散速率降低；細胞質粘性增大，水分不易通過細胞質；呼吸作用減弱，影響根壓；根系生長緩慢，有礙吸水表面的增加。春天低溫水涼，水稻的水分管理原則之一，就是提高水溫和土溫。在冷底田栽種水稻生長不良的原因之一，就是土溫低，影響禾苗吸水、吸肥。?土壤溫度過高對根系吸水也不利。高溫加速根的老化過程，使根的木質化部位幾乎達到尖端，吸收面積減少，吸收速率也下降。同時，溫度過高使酶鈍化，細胞質流動緩慢甚至停止。第四節(jié)蒸散蒸散為蒸發(fā)和蒸騰之和

1．蒸散不僅限于土面水分的蒸發(fā)，還包括植物根層的水分。

2．植物通過葉面氣孔的張開和關閉，可以調節(jié)植物的蒸騰。

3．蒸騰作用主要在白天進行，而蒸發(fā)日夜都在進行。

4．蒸散中的蒸發(fā)面，不僅是土壤表面，而且還包括植物的葉面。影響蒸散的因素

1．隨空氣濕度降低而增加；2．隨風力增加而增加3．隨溫度提高而增加4.隨土壤濕度增加而增加

ET≤ETm≤ET0≤Ew

ET為實際蒸散，ETm為最大蒸散，ET0為可能蒸散，Ew為自由水面蒸散。

可能蒸散比自由水面蒸發(fā)更接近農田條件，它排除了一些植物與土壤的特殊性，故具有普遍比較的可能，常用于鑒定不同地區(qū)農田蒸散的能力。特別是與降水量作比較，分別代表水分收入與支出項，比單用降水量鑒定一地不同季節(jié)的水分資源較為全面，在氣候學與農業(yè)氣候學上廣泛應用。一、土壤水平衡二、土壤剖面中水分的運動土壤水分入滲土壤水分側滲土壤水分蒸發(fā)土壤水分滲漏第一節(jié)、土壤水平衡一土壤水平衡二、土壤剖面中水分的運動（1）土壤水分入滲：水分進入土壤的過程（垂直與水平）垂直入滲二、土壤剖面中水分的運動（2）土壤水分側滲（水平入滲）二、土壤剖面中水分的運動（3）Evaporation土壤吸力(巴)土壤吸力(巴)土壤水蒸發(fā)土壤水分滲漏（排水、飽和流）二、土壤剖面中水分的運動（4）降雨、灌溉降雨、灌溉地下水第二節(jié)、地面水入滲一、土面水入滲的定量指標二、影響水分入滲的因素三、入滲模型：經驗入滲模型毛管理論模型Philip入滲模型非均質土壤入滲二維入滲一、土面水入滲的定量指標

入滲率（i）：單位時間、單位面積通過的入滲水量（mm/min，cm/d）累積入滲量I：在一定時間內通過單位面積的總水量（mm，cm）二、影響水分入滲的因素

供水速率土壤入滲率土壤孔隙狀況土壤質地土壤結構溫度土壤礦物組成土壤初始含水量土壤吸力梯度土壤孔隙通道變化氣泡封閉作用三、入滲模型經驗入滲模型毛管理論模型Philip入滲模型非均質土壤入滲二維入滲非均質土壤入滲三、入滲模型（4）節(jié)水農業(yè)的潛力在哪里？

作物耗水特點和田間節(jié)水潛力土壤水被作物吸收后，作物吸收的水分中約有1%-2%能夠用于器官構筑，其他部分則以葉面蒸騰和棵間蒸發(fā)方式向大氣散失。其中作物葉面蒸騰耗水，約占需水量的60%。農業(yè)用水量中有63%以水蒸氣形式向大氣排放，耗水量占總耗水量的80%以上。在水資源匱乏、旱作物占絕大多數的東北、西北和華北地區(qū)，騰發(fā)耗水所占的比例更高。從資源角度，作物騰發(fā)耗水是真正意義上的資源消耗。如何降低蒸散？覆蓋土壤

減少蒸發(fā)擋風

降低蒸發(fā)與蒸騰作物

不同作物需水量不同有效灌溉方式

滴灌、滲灌、畦灌土地整平

提高農業(yè)用水效率的主要技術途徑

1、減少無效蒸發(fā)

降低無效蒸發(fā)是提高農業(yè)用水效率的重要技術途徑，具體是減少土壤蒸發(fā)和作物奢侈蒸騰。據估算，半干旱區(qū)蒸發(fā)量相當于作物總耗水量的1/4—l/2。

1）地膜覆蓋和秸稈覆蓋，2）改善土壤理化性質，3）秸稈覆蓋。2、減少奢侈蒸騰3、調整種植結構，開發(fā)培育節(jié)水高產品種4、節(jié)水高產品種的培育5、節(jié)水高產施肥、培肥技術6、節(jié)水灌溉制度7、農業(yè)節(jié)水高新技術研究

第九節(jié)節(jié)水灌溉方法

節(jié)水灌溉是通過改造耕地，發(fā)展噴灌、滴灌等實現田間灌溉的節(jié)水。目前我國采用噴灌、滴灌技術的耕地面積不到3％通過整理土地，如采用畦灌、溝灌等技術實現科學的農田灌溉十分重要。畦灌、溝灌都是對過去落后的“大水漫灌”方式的改進，技術簡單，農民容易掌握，推廣見效快，節(jié)水效果好。西北地區(qū)群眾將當地解決人畜飲水的集雨技術和節(jié)水灌溉技術結合起來，通過修建集雨場，將雨水集中到小水窖、小水池等小型水利工程中，然后再利用高效節(jié)水技術進行灌溉，也值得注意。

先進的噴灌可使水的利用率達到80％以上，并節(jié)省土地，增加作物產量，省工省力，有利于農業(yè)機械化、現代化，但使用噴灌技術應因地制宜，要根據不同的地區(qū)地理氣候條件來選擇。

如在氣候條件極為干燥、日照長、大氣水分蒸發(fā)量大的平原旱區(qū)就不太適宜大規(guī)模地推廣噴灌技術。

微灌技術是將水和肥料澆在作物的根部，它比噴灌更省水，節(jié)水效果最好，由于發(fā)展微灌技術投資較高，一般主要用于果樹、蔬菜、花卉等經濟類作物的節(jié)水生產。

近年來，西北農大等通過土壤－植物－大氣連續(xù)體水分傳輸和節(jié)水機理研究，提出了農田節(jié)水調控的新思路，即控制性分根交替灌溉。盆栽玉米控制性分根交替灌水，結果表明，當土壤含水量為田間持水量的55%~65%時，控制1/2根區(qū)交替灌水其用水量減少34.4%~36.8%，而生物量僅下降6%~12%，水分利用效率、根冠比、氣孔阻力明顯增加，葉片蒸騰速率明顯下降，蒸騰效率提高而光合速率未明顯變化。

控制1/2根系區(qū)域交替灌水比固定1/2區(qū)域灌水的用水效率明顯提高，根系總量和根冠比增加，根系分布均勻，地上部生物產量增加。初步證明控制性分根交替灌水是一種高效而可行的節(jié)水新技術

將以往對土地的灌溉，轉變?yōu)閷χ参镞M行灌溉，充分發(fā)揮水的有效利用率。而滲灌是繼噴灌、滴灌之后，一種新型的有效地下灌溉技術。

滲灌技術已成功地應用于室溫大棚內蔬菜、花卉、果樹，大田馬鈴薯、大豆的種植，城市綠地以及西部黃土高原植樹造林等領域。試驗結果表明：滲灌技術可以使溫室內蔬菜提前成熟，提高作物產量１０％～３０％；使馬鈴薯增產５２％，促使大豆根系向深層土壤中生長以獲取更多的水分。在春旱的情況下，可以確保作物出全苗，并促進作物苗期生長。

滲灌與其它地面灌溉技術相比，具有諸多獨特的優(yōu)點與缺點：

?土壤表面幾乎沒有蒸發(fā)、沒有徑流，也沒有深層滲漏等現象，由此可以避免土壤發(fā)生板結和鹽漬化；?滲灌可以控制和改變水的流量，因此它適合于各種復雜地形上的使用；滲灌管自身的多微孔性能，除可為植物生長提供必要的水分外，還可用來向植物提供肥、氣、藥等要素，減少其用量，提高其使用效率；

?滲灌可達到最大的節(jié)水增產效率，從而解決了地表灌溉過程中的水蒸發(fā)、流失、營養(yǎng)浪費等問題，同時它還具有疏松土壤，提高土壤肥力與地表溫度，減少雜草與病害，促進作物生長等功能；?與漫灌相比，滲灌可節(jié)水、節(jié)電６０％～７０％；滲灌還具有明顯提高勞動生產效率的特點，鋪設后無需日常維護。?滲灌是一種低能耗的灌溉方式，只需０．１ｋｇ的壓力，就可實施灌溉。水循環(huán)：是指自然界的水在水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈四大圈中通過各個環(huán)節(jié)連續(xù)運動的過程。

地表覆蓋與休閑地表遮蔭和覆蓋人工引起徑流地表水管理

排水土壤水分管理什么是節(jié)水農業(yè)?

主要是指在充分利用自然降水的基礎上高效用水的農業(yè).節(jié)水農業(yè)包括哪些類型?(1)節(jié)水灌溉農業(yè);(2)有限灌溉農業(yè);(3)旱作農業(yè).什么是節(jié)水灌溉農業(yè)?是節(jié)水農業(yè)的主要類型,一般指為節(jié)約水資源,盡量減少灌溉水輸送過程中的水份滲漏和蒸發(fā),同時不斷改進灌溉技術,優(yōu)化灌溉制度,減少灌溉定額,以盡量滿足作物各個生育階段對水份的需求,實現高產的一種灌溉農業(yè)類型.什么是有限灌溉農業(yè)?缺水地區(qū)根據水資源狀況和作物需水規(guī)律,在充分利用自然降水的基礎上進行低限補充供水的一種農業(yè)類型.有限灌溉僅能部分滿足作物對水分的需要,為旱地栽培與有限供水結合的一種作物管理制度.什么是旱作農業(yè)?答:在無補充灌溉水源的地區(qū),高效利用自然降水(包括通過集雨措施)以達到有限增產的農業(yè),亦可視為節(jié)水農業(yè)的范疇,即旱作節(jié)水農業(yè).

旱農降水高效利用提高降水利用率技術提高降水利用效率技術集雨補充灌溉技術增加降水就地入滲覆蓋降低蒸發(fā)選育節(jié)水優(yōu)良品種調整農田結構布局增加土壤貯水化學節(jié)水技術耕作培肥農藝工程節(jié)水技術（渠道防滲等）改進地面灌技術（如波涌灌、隔溝灌、膜上灌等）農藝節(jié)水技術節(jié)水灌溉管理技術節(jié)水灌溉技術農業(yè)節(jié)水技術體系化學節(jié)水技術二、節(jié)水農業(yè)的內涵與技術體系

1.節(jié)水農業(yè)的內涵與目標

內涵與目標：指通過采取工程、生物、農藝和管理等措施，綜合提高天然降水和灌溉水利用率及其利用效益的農業(yè)生產體系，以實現節(jié)約用水和提高農業(yè)用水效益的目標，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

核心問題:

提高農業(yè)生產中水的利用率和利用效率

灌溉農業(yè):節(jié)水灌溉，同時實現作物高產

旱作農業(yè):充分挖掘降水潛力，達到作物增產、穩(wěn)產

節(jié)水灌溉，有限補充灌溉,旱作農業(yè)節(jié)水灌溉是常規(guī)灌區(qū)主要的農業(yè)灌溉類型，是當前實施節(jié)水農業(yè)的主體。旱作農業(yè)以提高自然降水利用效率為核心，一般稱之為旱作節(jié)水農業(yè)。有限補灌系指缺水地區(qū)利用補充灌溉部分滿足作物對水分的需求，是旱地栽培與有限供水相結合的一種作物管理制度，為節(jié)水農業(yè)發(fā)展的一種新趨向，有可能成為未來農業(yè)高效用水的一種主要方式。三種類型：2.節(jié)水農業(yè)的技術體系2.節(jié)水農業(yè)的技術體系四、節(jié)水農業(yè)研究的發(fā)展態(tài)勢與關鍵問題

1.作物結構性節(jié)水與保護性農業(yè)節(jié)水的研究

◆我國大部分地區(qū)，農業(yè)結構比較單一，雖然單一作物的耗水并不高，但結構性耗水較高。同時相應的研究大多集中在單一作物微觀尺度上的調控技術?，F今復合農業(yè)結構的建立，迫切需要研究作物布局改變和非充分灌溉條件下的作物需水規(guī)律及其區(qū)域分布;研究節(jié)水灌溉對區(qū)域作物耗水分布的影響及多種作物組合層次的耗水量和主要作物需水量數字化圖；研究不同區(qū)域主要農作物節(jié)水優(yōu)產型非充分灌溉制度、為灌區(qū)節(jié)水高效作物結構的建立提供依據。

◆水土流失、風蝕、農田裸露和土壤肥力下降是旱作節(jié)水農業(yè)研究的一個永恒課題。應借鑒國外以少免耕和秸稈覆蓋為主保護性耕作技術應用的成功經驗，研究構建中國特色的保護性農業(yè)技術體系與區(qū)域發(fā)展模式，將減少休閑農田蒸發(fā)損失和降水資源有效化以及土壤蓄水保水能力建設，作為未來農業(yè)節(jié)水研究的主攻方向和關鍵問題之一。①在西部水土流失和沙塵嚴重農牧區(qū)，重點建立以植被恢復和少免耕覆蓋為主的農業(yè)脆弱環(huán)境保護帶，尤其要研究雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)的少耕、深松耕和覆蓋機具與技術規(guī)范，保護和建設黃土旱塬區(qū)域性降水高效利用農業(yè)帶；②在北方灌區(qū)實施以工程、農藝、生物、土壤培肥為目標的保護性節(jié)水高效農業(yè)帶；③在中部和南方糧食主產區(qū)，實施以少免耕和秸稈覆蓋為主的保護性糧食生產帶。2.生物節(jié)水研究

生物節(jié)水是指利用和開發(fā)生物體自身的生理和遺傳潛力，在同等供水條件下能夠獲得更多的農業(yè)產出。在各種節(jié)水技術中，利用遺傳改良篩選抗旱節(jié)水或超高產品種是當今節(jié)水研究的熱點。許多專家指出：“只有提高生物本身的水分利用效率才有可能取得節(jié)水上的新突破”。從宏觀與微觀結合的角度來看，發(fā)展節(jié)水農業(yè)有四個目標。●通過工程節(jié)水提高水資源的利用率。●提高作物的水分利用效率（WUE）和產量?！裉岣咧参锏膬r值水分利用效率?！裉岣咧参锏纳鷳B(tài)水分利用效率。

干旱缺水對作物的影響有一個從“適應”到“傷害”的過程,不超過適應范圍的缺水，往往在復水后可以產生生理、生長和產量形成上的補償效應，在節(jié)約大量用水的同時，最終產量不受或少受影響。大量研究表明：干旱缺水并不總是降低產量,作物對特定生育階段適度水分虧缺具有一定的適應性和抵抗性效應，對增產和節(jié)水都有利。目前的研究主要集中在水分虧缺對不同生理過程的影響程度、作物不同發(fā)育階段對水分虧缺的敏感性、不同作物和品種對水分虧缺的反應及產量-耗水量-水分利用效率之間的關系四個主要方面。3.作物適度缺水的補償效應及作物生理節(jié)水機理研究4.高新技術節(jié)水研究高新技術在水資源管理和節(jié)水農業(yè)中的應用已成為未來研究的熱點問題。主要包括生物基因工程、信息技術、精細農業(yè)、新材料等方面。

生物技術：目前主要進行抗旱節(jié)水基因的定位和分子標記,植物水分利用效率基因組，轉高光效和高WUE基因為主的基因工程改良等，這是未來可以成為戰(zhàn)略競爭的一個焦點問題。

信息工程：將數據庫、作物模型庫、知識庫和地理信息系統結合的節(jié)水灌溉決策支持系統研究將成為水資源管理的重點。

新材料研制與開發(fā)：利用高新技術，研制開發(fā)節(jié)水新材料和新產品也是節(jié)水農業(yè)研究的一個熱點問題。國外以滴灌和噴灌為主的自動化微灌技術，已廣泛應用于農田節(jié)水，如美國推行的低能耗近地面精確灌溉系統，集成了多種微噴灌產品與技術的創(chuàng)新，水的灌溉效率達95%。我國開發(fā)的不同類型微灌產品,由于受土地經營管理模式、運行成本、組織管理等因素的限制，生產應用的比例很小。因此，借鑒國外經驗，開發(fā)適宜我國農業(yè)經營模式的智能化灌溉設備，開辟節(jié)水農業(yè)的新途徑。五、我國未來節(jié)水農業(yè)發(fā)展的重點

從總體來看，我國節(jié)水農業(yè)發(fā)展的重點是加強常規(guī)技術的升級，提升基礎研究水平，實現利用高新技術創(chuàng)新。

常規(guī)技術升級：包括結構性節(jié)水、雨水利用、高效節(jié)灌、保護性耕作、土壤水庫增容等技術，升級的基本方向是技術的標準化和規(guī)范化；

高技術創(chuàng)新：包括抗旱節(jié)水品種的創(chuàng)新、區(qū)域植物缺水信息與土壤墑情監(jiān)測和實時預報、數字化節(jié)灌與灌溉決策支持系統、節(jié)水型農作制度與農田節(jié)水標準化技術等。①與我國優(yōu)勢農產品生產與產業(yè)帶布局相一致，建立區(qū)域性低耗水農業(yè)種植結構，注重提高區(qū)域生產力和改善生態(tài)環(huán)境技術同步發(fā)展；②重視生物和農藝節(jié)水技術的應用，提高內在節(jié)水增產潛力；③建立農藝、農機、節(jié)灌技術與產品的標準化，確定節(jié)水指標的實現；④低壓管道輸水，推廣虧缺灌溉技術；⑤在旱地農業(yè)區(qū)重點推行機械化保護性農業(yè)措施，建設土壤水庫和黃土旱塬區(qū)域性節(jié)水農業(yè)帶。節(jié)水農業(yè)技術選擇應重視五個方面：①不同區(qū)域植物用水指標的確定及多種作物組合層次的需水量。②研究作物生理節(jié)水潛力—農田節(jié)水潛力—區(qū)域節(jié)水潛力的耦合關系及理論節(jié)水潛力與現實節(jié)水潛力指標體系。③繼續(xù)研究植物適度缺水補償效應及非充分灌溉機理，建立非充分灌溉的控制指標與調控模式。④研究旱地農業(yè)區(qū)不同植被條件下水分承載力，土壤干旱化程度，農田土壤底墑和肥力的協同抗旱節(jié)水機制，以及集雨農業(yè)適宜區(qū)域和發(fā)展模式，農田保護性耕作的功效與技術規(guī)范等關鍵問題。⑤節(jié)水植物及品種的創(chuàng)新。節(jié)水農業(yè)應重點突出五個方面的關鍵內容。一、世界土壤侵蝕形勢世界各國都存在程度不等的土壤侵蝕，有些國家呈發(fā)展趨勢。第二次世界大戰(zhàn)結束以來，全球約12億hm2的土地遭受侵蝕，毀壞了10.5%的肥沃土地，地球上約35%的地區(qū)正處于沙漠化。1992年在巴西里約熱內盧舉行的世界環(huán)境與發(fā)展大會指出，當前區(qū)域性和全球性重大環(huán)境問題有八項，即:

(1)臭氧層破壞;(2)全球氣候變暖;(3)酸雨范圍擴大;(4)淡水污染和短缺;(5)森林資源銳減;(6)野生動植物物種消失;(7)水土流失和沙漠化擴展;(8)有毒化學品和危險物擴展它們相互制約，如森林資源破壞導致水土流失和荒漠化，從而影響到水資源短缺、沙塵暴發(fā)生、空氣CO2增多、生物多樣性破壞、生態(tài)系統惡化等，又反饋為土壤侵蝕加劇和全球環(huán)境惡化。二、中國土壤侵蝕狀況遙感調查1992年國務院發(fā)布了我國土壤侵蝕遙感調查資料，全國水蝕面積179萬km2，風蝕面積188萬km2，合計367萬km2，占國土總面積的38%。1995-2000年，全國第二次土壤侵蝕遙感調查，對比兩次遙感調查資料，水蝕面積由179萬km2減為165萬km2，其中強度以上水蝕面積由占水蝕總面積的21%減為16%；風蝕面積由188萬km2增加到191萬km2，尤其是強度以上風蝕面積由占風蝕面積的35%增加到46%。三、中國水土流失類型分區(qū)20世紀80年代，辛樹幟、蔣德麒等編制了中國水土流失類型分區(qū)圖。將全國劃分為水蝕、風蝕、凍融侵蝕三大類型區(qū)；在水蝕區(qū)，又劃分為:(1)西北黃土高原;(2)東北低山丘陵和漫崗丘陵;(3)北方山地丘陵;(4)南方山地丘陵;(5)四川盆地和周圍山地丘陵;(6)云貴高原共6個二級類型區(qū)。朱顯漠、陳代中編制了1:12000000中國土壤侵蝕類型及分區(qū)圖。按侵蝕營力，劃分為三大土壤侵蝕區(qū)：東部流水侵蝕區(qū)：包括大興安嶺一陰山一賀蘭山一青藏高原東線一線以東的地區(qū)。其中黃土高原和華南山地丘陵為水蝕嚴重區(qū)。西北風力侵蝕區(qū)：位于大興安嶺一陰山一賀蘭山一青藏高原北緣一線西北，地處歐亞大陸腹地，呈典型的大陸性氣候，年降水量多在<250mm，蒸發(fā)量1400-3000mm，干燥度2-8。冬春風力強勁，5級以上大風日數>100d/yr，地面植被稀疏，風蝕風積作用強烈。青藏高原凍融及冰川侵蝕區(qū)：包括西藏全部、青海南部及四川的甘孜、阿壩兩州，平均海拔在4500m以上，土壤侵蝕營力以凍融和冰川作用為主。四、土壤侵蝕基本概念土壤侵蝕是地球表面的一種自然現象。人類社會出現后，土壤侵蝕成為自然和人為活動共同作用下的一種動態(tài)過程，構成特殊的“侵蝕環(huán)境”背景，已成為當今世界資源和環(huán)境問題的重點。土壤侵蝕一般是指土壤在內外營力（如水力、風力、重力、人為活動等）的作用下，被分散、剝離、搬運和沉積的過程。水土流失直接反映了土壤侵蝕的危害程度。土壤侵蝕的內涵隨著科學研究發(fā)展不斷完善豐富。由于各國的自然條件和土壤侵蝕發(fā)展演變過程的差異，對土壤侵蝕的理解和定義有所不同。

土壤侵蝕基本概念小結(1)土壤侵蝕的概念已不限于地表土壤層的侵蝕，包括對陸地表面基巖風化物及其他地面可蝕性物質的侵蝕。根據侵蝕營力分為水蝕、風蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕等，及人為活動作用。其中水力侵蝕又包含降雨、徑流、冰雪凍融侵蝕力，以及河流、海浪沖擊堤岸的侵蝕力等。根據侵蝕過程包含地面物質的就地剝蝕、搬運，吹蝕、磨蝕、沖蝕和溶蝕等；還包含被侵蝕物質的沉積過程。根據侵蝕形式分為面蝕、溝蝕、崩塌、瀉溜和滑坡、泥石流等。土壤侵蝕防治通常以“土壤保持”予以涵蓋，擴展為“水土保持”。其內容從土壤層保持到包括滑坡、泥石流整治；從單一強調土壤侵蝕引起土地生產力退化到同時強調土壤侵蝕環(huán)境與全球生態(tài)環(huán)境的聯系，如水土流失與水環(huán)境聯系，水土保持與全球氣候變化聯系等。土壤侵蝕基本概念小結(2)土壤侵蝕是水力、風力、重力及其與人為活動的綜合作用對土壤、地面組成物質的侵蝕破壞、分散、搬運和沉積的過程。水土流失是指水力侵蝕作用下，水與土從原地的搬運和流失，著重侵蝕的后果，主要指水與土流失量。土壤保持即防治土壤侵蝕或土壤流失，保持土壤資源，維護和提高土地生產力的綜合技術和管理措施。水土保持是防止水土流失、保護和合理利用水土資源，提高土地生產力等土壤侵蝕治理措施。五、土壤侵蝕強度土壤侵蝕強度:

用單位時間、單位面積上土壤侵蝕量表示(土壤侵蝕模數Ms),即每年km2的土壤侵蝕量(t/(km2·a)；或以每年侵蝕掉土層的平均厚度Ds表示(mm/a)。中國水利部采用土壤侵蝕模數擬定了適于全國水蝕強度的分級標準，分為6級：

分級侵蝕模數(t/(km2·a)I．微度或無明顯侵蝕＜200，500，1000Ⅱ.輕度侵蝕(200，500，1000)-2500Ⅲ．中度侵蝕2500-5000IV．強度侵蝕5000-8000V．極強度侵蝕8000-15000Ⅵ.劇烈侵蝕＞150001984-1989年中國水利部等單位完成的全國土壤侵蝕遙感調查制圖，全國輕度侵蝕以上的水蝕面積為179萬km2。六、允許土壤流失量允許土壤流失量(稱T值):土壤侵蝕速率與成土速率相平衡，或長時期內保持土壤肥力和生產力不下降情況下的最大土壤流失量，其單位同土壤侵蝕模數(t/(km2·a)。美國學者貝納特根據成壤絕對年齡推算。在無破壞的自然條件下，300-1000年可形成2.5cm的土壤層，按容重1.35Mg/m3計算，如維持侵蝕速率與成土速率相平衡，相當于每年流失土壤約33.75-112.5t/(km2·a)。推算在人為耕作條件下，約30年可形成同樣厚度的土層，相當于年流失1125t/(km2·a)的土壤。美國確定農耕地和牧地T值分別為1250和500t/(km2·a)。侵蝕程度愈嚴重的土壤，愈接近母巖的土壤，被確定的T值愈低，如我國南方多石質的丘陵山區(qū)T值確定為200-500t/(km2·a)；對尚保留深厚土層的土壤，確定的T值相對較高，如土層深厚的黃土地區(qū)確定T值為1000t/(km2·a)左右。侵蝕影響因素一、自然因素二、人為因素一、自然因素(1)地質因素：與地質構造背景、地層的結構和地質構造運動有關;地貌因素：主要通過坡度、坡長、溝壑密度、傾斜侵蝕面等作用;氣候因素:氣候因素是影響土壤侵蝕的主要外營力。(1)降雨的影響決定于降雨徑流侵蝕力(即發(fā)生徑流情況下的降雨對侵蝕的作用)。降雨侵蝕力是降雨量、降雨強度、雨型和雨滴動能的函數(2)氣候因素中的風力是土壤風蝕的主要外營力。(3)青藏高原等地區(qū)發(fā)生的凍融侵蝕，主要與當地高寒氣候所引起的冰雪凍融密切關聯。一、自然因素(1)土壤及地面組成物質:

是侵蝕的對象，是決定侵蝕過程和侵蝕強度的內部因素，尤其土壤物理、力學特性直接影響水蝕和風蝕。土壤的可蝕性主要以顆粒組成、有機質及水穩(wěn)性團粒結構為指標。植被因素植被:是陸地生態(tài)的主體，是控制或加速土壤侵蝕最敏感的因素。在同等降雨、地形、土壤條件下，地面植被狀況是制約土壤侵蝕決定因素。植被防治土壤侵蝕作用主要為:(1)植被地上部:對降雨截留作用；(2)枯枝落葉層:對降低徑流流速、增強入滲和減少徑流量作用；(3)根系:對固結土壤、增強結構穩(wěn)定性和提高土壤抗蝕、抗沖性作用。二、人為因素(1)人為因素:人為因素是指人類在社會生產活動中對引發(fā)或加劇土壤侵蝕的影響。對自然植被的破壞是影響土壤侵蝕最主要的人為因素。人類社會的出現，首先以掠取自然界的生物資源為其生存的基本條件。從狩獵、游牧、刀耕火種到大規(guī)模開墾，均是以破壞自然植被為代價，導致自然生態(tài)平衡失調，自然侵蝕轉化成為人為加速侵蝕。據UNEP和FAO，地球2/3的陸地曾被森林所覆蓋，面積達76億hm2，現剩下26億hm2；全世界因土壤侵蝕每年從耕地流失土壤約250億t，坡耕地土壤侵蝕為現代土壤侵蝕的主要方式。中國有五千年的文明史和耕墾歷史。人口增長迅速，濫墾、濫伐、濫牧等導致自然植被和生態(tài)環(huán)境嚴重破壞，加劇土壤侵蝕的發(fā)展。近年來，城鎮(zhèn)、工礦建設飛速發(fā)展，缺乏相應的環(huán)保措施，從而引發(fā)新的水土流失問題。一、水力侵蝕(1)水力侵蝕：水力侵蝕的形態(tài)主要分面蝕和溝蝕兩大類。世界上各水蝕地區(qū)基本上均發(fā)生這兩種侵蝕類型。在我國黃土高原，伴隨面蝕、溝蝕常發(fā)生洞穴侵蝕。面蝕：面蝕可分為雨滴侵蝕(濺蝕)、片蝕和細溝侵蝕。細溝為薄層徑流匯集成細小股流對地面的侵蝕，屬線狀或溝狀侵蝕過程。由于細溝侵蝕均發(fā)生在坡耕地，侵蝕深不超過耕層深，經犁耕后在地面不留痕跡，故為面蝕，天然荒坡地上由于不合理放牧而造成斑塊狀踐踏痕跡，稱為鱗片狀侵蝕，也屬面蝕。一、水力侵蝕(2)溝蝕：我國學者黃秉維、朱顯漠等對黃土高原侵蝕地貌的特殊性研究,確定溝蝕類型：淺溝、切溝、沖溝、河溝。淺溝是發(fā)生在坡耕地上的一種特殊溝蝕類型，主要是人為耕作所致，在>25°的陡坡耕地最發(fā)育，一般由細溝演化發(fā)展而成。淺溝下切深已超過耕層，淺溝橫斷面由于不斷耕作成弧形擴展，直至妨礙耕作而不得不棄耕時，淺溝即發(fā)展成切溝。洞穴侵蝕：洞穴侵蝕為深厚黃土沉積物上發(fā)育的一種特殊侵蝕類型，常與溝蝕伴隨發(fā)生。在中國的黃土高原洞穴侵蝕最為發(fā)育，分布較廣。洞穴侵蝕主要類型：水刷窩、跌穴(漏斗狀洞穴)、陷穴。二、風力侵蝕風力侵蝕:

是指地表砂粒類松散物質在風力作用下脫離地表的運移過程。風蝕類型：可分為吹蝕和磨蝕，前者為單純風力作用，后者為風沙流的侵蝕作用。吹蝕：風吹經地表時，由于風的動壓力作用，將地表的松散沉積物或基巖上的風化產物（沙物質）吹走，使地面遭到破壞的作用。磨蝕：風挾帶沙子貼地面運動時，風沙流中的砂?？蓪Φ乇砦镔|進行沖擊、摩擦，如果地表有裂隙等凹進之處，風沙甚至可以鉆進去進行旋磨，風沙流的侵蝕作用稱為磨蝕作用。運動方式：在吹蝕和磨蝕作用下，地面松散顆粒的運動方式分為懸移、躍移和表層蠕移三種形式。地表或風沙堆積物，因吹蝕、磨蝕作用，相對細粒物質被運移后，出現地面粉化、荒漠化及蘑菇狀風蝕地貌，后者往往又可激發(fā)崩塌等重力侵蝕。在黃土高原北部長城沿線的水力、風力復合侵蝕區(qū)，風蝕可加劇溝蝕。一、通用土壤流失方程USLE(通用土壤流失方程)：是美國自20世紀50年代起,由Wischmeier等根據美國洛基山以東地區(qū)多年大量徑流小區(qū)觀測資料進行統計分析和系統研究而建立，用于預報降雨侵蝕力作用下農耕坡地的年土壤流失量。USLE是從侵蝕產沙的基本成因出發(fā)，依據實際觀測資料，采用數理統計分析方法，而建立的坡面或流域侵蝕產沙量與其主要影響因素之間經驗性模型。其經驗關系式：A＝RKLSCP

式中，A為土壤流失量；R為降雨侵蝕力指標(或稱降雨侵蝕力因子)；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。二、修正通用土壤流失方程RUSLE(修正通用土壤流失方程):1985年以后，美國又開展了修正通用土壤流失方程RUSLE的研究，于1993年發(fā)展為軟件系統。修正的RUSLE考慮的因素更加全面，例如充分考慮了降雨和土壤的時空差異性和緩坡積水的影響等。目前，世界上包括日本和澳大利亞等國也都相繼以通用土壤流失方程為基本形式，根據本國的氣候、土壤及經營管理等具體情況進行相應的修正，建立了適合于各自國家或地區(qū)性的土壤流失預報方程。20世紀80年代以來，我國