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        1. 科學傳播

          土壤水

          2012-11-09 分享到:

          第一節 土壤水

          1.1 土壤水的來源

          土壤顆粒本身幾乎不含有水分,土壤里的自由水主要來自外界。

          地面以上主要來源有:天上下的雨水,下雪結冰溶化后的雪水,冰山溶化的水,以及氣溫變化空氣中水汽凝結的露水,還有就是人工灌溉水(包括人工降雨,渠道灌溉,噴灌,滴管等)。

          地面以下主要來源有:河、湖、塘等側向滲入土壤的水,地下土層、巖石裂隙層等的存儲水受到壓力和毛細管的作用進入土壤。但是深層地下水不易被利用。

           

          1.2 土壤水的儲存

          土壤是由許許多多大小不同、形狀不規則的土壤顆粒組成的。這些土壤顆粒堆積在一起,土粒與土粒之間留有各種各樣形狀不一的空隙,這些空隙連通起來成為通道叫做孔隙。

                                                             

                                                       

          因此,土壤是一個多孔體。大多數孔隙都比較小,而且相互連通,連成毛細管。土壤水分大部分都儲存的這些孔隙之中(圖)。大裂縫常在濕潤地區遇大旱后發生,可以伸進手指,我們叫裂隙。當然,植物根系在土壤里面生長,以及一些小動物在土壤里面爬行也會留下很多空腔和通道。

          不同的土壤,它的孔隙大小是不一樣的,沙性土壤顆粒比較粗,形成的孔隙也比較粗,能吸持住水分少,它的保水保肥性能比較差;黏性土壤顆粒比較細,形成的孔隙也比較細,它的孔隙里面吸持水分比較多,它的保水能力比較強。

          土壤水與土壤顆粒接觸,受到毛細管作用和分子引力的作用,也叫吸力,一方面水被保(吸)持下來,另一方面又由于吸力大小不同,水會從吸力小的地方向吸力大的地方移動。比如氣溫高的時候,土壤表層蒸發厲害,上面土壤的吸力就大,就會把下面的水吸上來。同樣,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,水就會被根吸走。

          如果下大雨,雨量太大,或者灌溉水強度太大,土壤孔隙里已經充滿了水,土壤過飽和了,孔隙無法再儲存外來的水,多余的水就會從地表面上排走,形成地表徑流,流到低洼的湖、塘、溝渠去了。

          如果天氣連續干旱,蒸發得很厲害,地下水比較深補充不上來,土壤就會干裂、結塊。莊稼缺水干枯、死亡。

           

          1.3 土壤水的作用

          土壤水在農業上主要是用來供給植物生長需要。然而,土壤施肥很多都是固體肥料,結合灌水使其溶化,才能被植物吸收。又由于土壤水的移動,把這些養分輸送到土壤的各個地方去。還有一些農藥也是施在地里的,同樣隨土壤水而移動,就像我們身上的血液能夠把營養輸送到各個器官那樣。

          土壤里面還有許多生物在生長,比如一些小動物像蚯蚓、小蟲等,還有大量的微生物生長都需要一定的水分。否則,它們也會死亡。

          土壤水對我們人類的生存也有著極其密切的關系。土壤水分的多少,可以調節空氣。南方降雨量大,土壤里面的水分也比較多,南方的氣候就比較濕潤;北方雨水少,西北部的雨水更少,土壤水分就少,空氣比較干燥。所謂水土不服,首先就反映在人們對氣候的適應情況,南方人到北方去感到氣候干燥,皮膚干燥;北方人到南方來感到潮濕,不適應。

          在山區,土壤水飽和以后,下大雨向下沖刷,把泥土和石頭都沖下去,就形成泥石流,給山下的居民造成嚴重的災害,屋毀人亡。

          現在城市里面樓房、道路以及各種建筑物很多,這些水泥、柏油、塑膠把土壤掩埋了,不能滲水,地下的土壤得不到水,不利于植物的生長,也不利于調節氣候。雨水都被排水溝排入河道里去了,然而由于排水管道太少或堵塞,地面水來不及排走,路面就會積水被淹了。下大雨,發大水,很不方便。

          土壤里的水多了,長期被水浸泡,土質會松軟,黏土會膨脹。因此,搞建筑、道路、城建工程的部門都要研究它

          1.4 土壤水的污染

          土壤水不管來自天上、地下還是人工降雨都應該是干凈的,然而由于施肥、噴撒農藥、工業排放和生活污水,以及酸雨等的影響,把許多有害的物質帶入土壤里,又隨著土壤水的流動,滲透到各地,以及河流里去,嚴重的危害到人們的飲用水安全。植物根系吸收了這些有害的物質,一是植物本身可能死亡,二是這些植物被人和動物吃了以后,會中毒、生病以致死亡。因此,土壤的安全直接影響到人類的健康。

          土壤被污染以后,治理是很困難的,一些污染物質在土壤里不易被分解、長期殘留在土壤里,后患無窮。

           

          1.5 土壤水的測量

          土壤里有多少水,通常都是要知道的。測量土壤含水量的方法很多,通用的是方法是烘干法,其它的還有用張力計,中子儀,電阻塊,四電極法和(TDR)時域反射儀等。

          這里介紹烘干法:需要一個鋁盒(帶蓋),一把小鏟,一個小天平(1公斤以下)和一個烘箱。

          鋁盒     烘箱   電子稱

          先將干鋁盒稱重(記錄A);將土壤樣品放入鋁盒里并蓋好蓋子稱重(記錄B);再將這個鋁盒放入烘箱烘干,設定的溫度為1050C,烘24小時;到時候取出鋁盒,稱重(記錄C)。

           

          計算公式是:

                        B—C

                 土壤含水量=————× 100%

                        C—A

          式中,B—C為鋁盒里失去的水的重量;C—A為干土的重量;土壤含水量是用土壤中水分重量占干土重量的百分比來表示的。

           

           

          第二節 土壤毛細現象

          2.1 土壤的毛細現象

          前面已經講過,土壤顆粒堆積成的孔隙,連在一起形成毛細管,土壤水就儲存在其中并且可以移動,水在毛細管中可以向高處走,供給植物生長需要。不同土壤,它們的孔隙率是很不一樣的,沙性土壤顆粒比較粗,形成的孔隙也比較粗,孔隙率小,能吸持住水分的孔隙比較少,它的保水保肥性能比較差;黏性土壤顆粒比較細,形成的孔隙也比較細,而孔隙率比較大,它的孔隙里面吸持水分比較多,它的保水能力比較強。

          然而,有的時候,我們并不希望土壤里面的水不斷地向上移動,被蒸發掉。我們為了要保持土壤里面的水,就要切斷土壤表層的毛細管。

          唐代詩人李紳的一首詩【憫農】(二):“鋤禾日當午,汗滴禾下土,誰知盤中餐,粒粒皆辛苦”。里面提到的鋤禾就是把禾苗四周的雜草清除掉,土壤表面耙松,就是切斷土壤的毛細管,防止水分蒸發損失掉,這首詩很符合科學道理,也很真實。由于天氣炎熱,土壤蒸發比較厲害,這個時候下地松土是比較辛苦的活,所以大家要珍惜糧食,珍惜農民的辛勤勞動。

          在我國,北方的土壤偏沙性,孔隙比較大,水容易入滲,也容易漏掉,即“漏水漏肥”。哪兒雨水比較少,因此只適應種植一些耐旱的植物,比如小麥、玉米、高梁、黍子、大豆、棉花等,樹木也是哪些耐旱的品種才能生長。而南方土壤偏黏,孔隙比較細,水滲入慢,保水性好,雨水多,土壤里水分也多,地下水位比較淺,再加上氣溫也比較高,因此可適宜大多數植物生長。

           

          2.2 毛細管原理

          毛細管里面的液體與管壁之間有彎月靣拉力,也叫吸力,可以吸引液體在管子里移動。管子越細吸力越大,管子越粗吸力越小。(圖)毛細管孔徑越細,里面的水向上移動距離越高;反之,毛細管孔徑越粗,里面的水向上移動距離越小。液體由吸力小的地方向吸力大的地方流動,正像我們用管子在瓶子里吸飲料一樣?!?

          土壤中的毛細管對于水分補給植物生長的作用是很大的,搞水利灌溉工程要研究它,搞節水灌溉的要研究它,搞道路建設的要研究它,搞行走機械的也要研究它。

           

          2.3 液體的浸潤與彎月面

          放在潔凈的玻璃板上的一滴水銀,能夠在玻璃板上滾來滾去,而不附著在上面。把一塊潔凈的玻璃片插進水銀里再取出來,玻璃上也不附著水銀。這種現象叫做不浸潤。對玻璃來說,水銀是不浸潤液體。

          放在潔凈玻璃板上的一滴水,會附著在玻璃板上形成薄層。把一塊潔凈的玻璃片浸入水里再取出來,玻璃表面會沾上一層水。這種現象叫做浸潤。對玻璃來說,水是浸潤液體。

          由于液體對固體浸潤或不浸潤的作用,使液體在圓柱形的管子里,呈現不同的液面。凡不浸潤固體的液體表面呈凸狀。例如水銀裝在玻璃管內,液面即成凸狀,而浸潤體的液體表面則成凹狀,例如,水裝在玻璃管內其液面即成凹面狀態。這些彎曲的液面,統稱為彎月面。

          浸潤液體在毛細管中上升(如水-玻璃),液面成凹月面型,液體附著在器壁,水在毛細管中的高度是凹月面的底部與容器液面之間的距離;不浸潤液體在毛細管中下降(如水銀-玻璃),液面成凸月面型,液體不附著在器壁,表面張力使其凸出,水銀在毛細管中的高度是凸月面的頂部與容器液面之間的距離。

           

          2.4 生活中的毛細現象

          日常生活中人們大量的利用毛細原理,給我們提供很多方便。

          如:毛巾、拖把、圓珠筆、粉筆、煤油燈、煤油爐、酒精燈、軟木塞、擦手紙、內衣、口罩、海綿體、吸管、體溫表等等。

          具有毛細現象的物體有:木頭、磚塊、動物血管(人身上的微血管有8000公里長)、擠牛奶、植物的導管束(利福尼亞的杉樹110米高)、纖維果汁(桔子、甘蔗)等等。

          干燥的孔隙里面主要是充滿空氣,由于空氣的傳導性能差,空氣又很輕,所以保溫材料很多都用多孔體。比如我們身上穿的羽絨服、中空棉等,可以隔熱保溫。由于受到溫度和吸力變化的作用,水銀、酒精會膨脹,在管子里向上移動。利用這種現象,就被做成水銀溫度計、酒精溫度計等。

          空氣被毛細管密閉起來,水進不去,就具有浮力。大家學過唐代詩人駱賓王七歲時寫的一首詩《詠鵝》:“鵝,鵝,鵝,曲項向天歌。白毛浮綠水,紅掌撥清波?!崩锩娴陌酌褪蛆Z身上的絨毛,鴨身上也是,就可以將他浮在水面上。作者突出了這個“毛”字很有道理。

          第三節 毛細現象實驗

          3.1 土壤張力計

          土壤變干時,土壤孔隙里面的水移走了,孔隙變成真空,產生負壓力,也就是產生吸力。土壤越干負壓力越大,即吸力越大。根據這種原理,人們研制出土壤負壓計(又叫張力計),用真空表來顯示土壤的吸力,可以反映出土壤的干濕程度。

          3.2 自動加水實驗

          由于紗布具有毛細現象,因此可以利用它來傳導水。我們可以做一個給花盆自動加水的實驗。

          取一個高一點的杯子裝有水,另一個杯子不裝水;將紗布條的一端放入有水的杯子里,另一端放在沒有水的杯子里(類似要加水的花盆)。我們可以觀察到,高杯里的水先沿著紗布條上升,到了杯子的邊緣向下流,流到空杯子里,當兩個杯子水面一樣高時,水就不流動了。因為,這時兩邊杯子的水位相等,水分流動就停止。

          前面水沿著布條上升,是布條的毛管吸力大于重力,把水吸上去;后面,水向下流時是吸力加上重力,力氣更大了。因此,水向下流比向上流速度要快些。

           

          3.3  自吸水花盆 

          與上面的加水花盆不同,水只從底下沿著紗布條向上移動,上面花盆里的水不會飽和。這里用到前面實驗前半部分的道理,紗布條的吸力要減去重力的作用,所以不會飽和,因此可以省水。

          材料:二個大花盆(為便于觀察用透明的盆,盆底留洞),二個裝水盆(與花盆大小差不多),二條紗布,兩種不同的土(一個偏沙,一種偏黏),和兩朵花或草。

          做法:(1)將紗布條一頭放在花盆里,另一頭放在水盆里;

          (2)裝入土壤(先稱好同樣的重量),并填實;

          (3)將花朵埋入土里;

          (4)水盆里裝滿水(一樣重),擱在花盆下面,紗布條浸入水盆中。

          觀察:(1)水沿著紗布上升,慢慢濕潤土壤,看哪個盆濕潤得快些;

          (2)看哪個水盆的水先用完,知道它們的需水量不同;

          (3)看哪個盆里的花長得好些;

          (4)水吸完了,再加滿水盆,看哪個盆用水多。

            

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