土壤水、氣、熱狀況和特性

1、土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水、氣、熱狀況和特性 土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)所組成的，固相部分包括礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，前已述及。液相是稀薄溶液，有少量鹽、氣體溶于其中，還有各種懸浮物質(zhì)，本章則當(dāng)成純水來(lái)討論。 水是四大肥力因素之一，為植物、微生物所必需，許多物理、化學(xué)、生物反應(yīng)都要求有水參加，水、氣同存于孔隙中，水是矛盾的主要方面，水也影響熱狀況，是最活躍的肥力因素 ，生產(chǎn)上的措施：以水調(diào)氣，以水調(diào)溫，以水調(diào)肥等，本節(jié)討論：土壤含水量(容量)；水分的能量狀態(tài)，即以多大的吸力被土壤所吸持；水分對(duì)植物的有效性。土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水土壤水、氣、熱狀況和特性第一節(jié) 土壤含水量 土壤含水量是土壤重

2、要性狀之一，在測(cè)定許多理化性質(zhì)如，養(yǎng)分含量，以及農(nóng)田排灌方面都要用到。土壤許多測(cè)定數(shù)據(jù)，都是以干土為基礎(chǔ)的(即在105-1100C下烘干重)，必須先測(cè)定含水量，將濕土換算成干土。一、以水分重量占干土重量百分?jǐn)?shù)表示-含水量(重量%) 土壤含水量(重量%) = (水重/干土重) x 100 = (W濕-W干)/W干 x 100 W濕=W干(1+含水量) W干=W濕/(1+含水量)土壤水、氣、熱狀況和特性例：測(cè)得耕層含水量(重量%)為20%，土壤容重為，含水量(容積%) = 20% x 1.2 = 24%總孔度 = （1 容重/比重） x 100% = （1 1.2/2.65) x 100 % =

3、55 % 可知該土壤三相容積比為： 液相24%，氣相31%，固相45%，孔隙比二、以水分容積占整個(gè)土壤容積百分?jǐn)?shù)表示-容積百分?jǐn)?shù)土壤含水量(容積%) = 土壤含水量(重量%) x 土壤容重 水容積 = 干土重 x 土壤含水量(重量%) (水密度=1) 土壤容積 = 干土重/土壤容重土壤水、氣、熱狀況和特性例：某土壤耕層深20cm，含水量(容積%)24%，其田間持水量為36%(容積%)，問(wèn)灌至田間持水量時(shí)每畝需水多少方？ 667 x 0.2 x (36%-24%) = 方三、以水的容積表示-貯水量容積一定面積，一定深度土層(土壤容積)內(nèi)水的容積:土壤貯水量(方) = 土壤容積(m3) x 含水量

4、(容積%) =土地面積(m2) x 土層深度(m) x 含水量(容積%)土壤水、氣、熱狀況和特性如上例：20cm x 24% = 4.8cm = 48mm灌水深度 = 20cm x (36%-24%) x 10 = mm四、以水層厚度表示(mm, 或cm)-貯水量深度貯水量深度 = 含水量(容積%) x 有關(guān)土層深度土壤水、氣、熱狀況和特性絕對(duì)含水量與某一標(biāo)準(zhǔn)比較，比較時(shí)單位必須相同五、相對(duì)含水量常用的相對(duì)含水量有兩個(gè)： 1)、含水量相當(dāng)于田間持水量的百分?jǐn)?shù)相對(duì)含水量(%) = 絕對(duì)含水量/田間持水量 x 100% 2)、相當(dāng)于飽和持水量的百分?jǐn)?shù)相對(duì)含水量(%) = 絕對(duì)含水量/飽和含水量 x

5、 100%土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水: 吸濕水(緊束縛水) 膜狀水(松束縛水) 毛管水: 懸著毛管水 上升毛管水 重力水和地下水 氣態(tài)水(水氣) 固態(tài)水(冰)第二節(jié) 土壤水分類(lèi)型，水分常數(shù)和土壤有效水一、土壤水分的類(lèi)型土壤水、氣、熱狀況和特性將干燥的土粒暴露于潮濕的空氣中，土粒把空氣里的水汽分子吸附在它的表面，這是土壤的吸濕性，這樣吸附于土粒表面的水分稱(chēng)吸濕水。 吸附力：氫鍵，范德華力，靜電引力，可達(dá)幾千至上萬(wàn)個(gè)大氣壓（ 31-1萬(wàn)大氣壓），密度1，風(fēng)干土含吸濕水。 吸濕系數(shù)：當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，土壤吸濕量達(dá)最大值，這時(shí)的含水量稱(chēng)吸濕系數(shù)或最大吸濕量。常數(shù)，由粘粒、有機(jī)質(zhì)決定，粘土壤土

6、砂土（一) 吸濕水(緊束縛水)土壤水、氣、熱狀況和特性吸濕水 示意圖土壤水、氣、熱狀況和特性 吸濕水外的一層水膜，以大氣壓的能量保持著，作膜狀運(yùn)動(dòng)，是在吸附吸濕水后剩余引力，與液態(tài)水相接觸時(shí)所吸附的液態(tài)水。水膜厚 水膜薄運(yùn)動(dòng) （二) 膜狀水(束縛水)最大分子持水量：膜狀水達(dá)最大量時(shí)的土壤含水量。凋萎系數(shù)(凋萎含水量)：當(dāng)土壤對(duì)水分的吸持力大約在15個(gè)大氣壓時(shí)，植物得不到有效水的供應(yīng)而發(fā)生永久凋萎現(xiàn)象，此時(shí)的土壤含水量叫做凋萎含水量或凋萎系數(shù)。這是一個(gè)很重要的水分常數(shù)。由于植物根系吸水力大約為10-15大氣壓，常以15大氣壓劃分有效水和無(wú)效水的界限，可見(jiàn)膜狀水的大部分有效。土壤水、氣、熱狀況和特

7、性膜狀水示意圖土壤水、氣、熱狀況和特性借毛管力保持在土壤中的水分，當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大分子持水量時(shí)，如繼續(xù)增加水分，則形成移動(dòng)性較大的自由水，首先被保持在土壤毛管中，作毛管運(yùn)動(dòng)，由毛管粗處向毛管細(xì)處運(yùn)動(dòng)。懸著毛管水上升毛管水地下水（三) 毛管水1)、上升毛管水：與地下水相聯(lián)結(jié)的毛管水2)、懸著毛管水：與地下水不相聯(lián)的毛管水大氣壓 數(shù)量大，作物有效土壤水、氣、熱狀況和特性水沿著毛管上升毛管作用力范圍： 有明顯的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用較強(qiáng) 0.05-0.005mm 毛管作用最強(qiáng)0.001mm 毛管作用消失土壤水、氣、熱狀況和特性毛管水上升高度與毛管半徑成反比，其公式為：（H，r均以

8、cm為單位， r毛管半徑） 與毛管半徑成反比，粗：高度小，快 細(xì)：高度高，慢 砂土低，粉粘壤土（黃土）比粘土高，可達(dá)6-8米 海涂咸性夜潮土-粗粉壤土（粗粉砂含量高）影響：毛管粗細(xì)，連通情況。土壤水、氣、熱狀況和特性土 粒毛管懸著水示意圖土壤水、氣、熱狀況和特性土 粒毛管上升水示意圖地下水位土壤水、氣、熱狀況和特性 田間持水量：當(dāng)懸著毛管水達(dá)到最大量時(shí)的土壤含水量。這時(shí)土壤水吸力大約為1/3大氣壓大氣壓)。灌水或淹水后，允許充分下滲，同時(shí)防止蒸發(fā)，土壤所能保持的水量。 粘土壤土砂土 從1/3-15大氣壓，保持的水分均稱(chēng)有效水，但不是同等有效的。吸力越大，越難利用，中間有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可供灌溉參考，

9、即毛管水聯(lián)系破裂含水量：大約在大氣壓，約相當(dāng)于田間持水量的70%左右，含水量大于此時(shí)，水分作連續(xù)整體運(yùn)動(dòng)，為易效水，低于此值時(shí)，毛管水被束縛水隔斷，缺乏整體運(yùn)動(dòng)，為難效水。 -灌溉點(diǎn)的選擇。土壤水、氣、熱狀況和特性 不受土壤吸附力和毛管力所吸持，受重力支配的那部分水。旱作的多余水。 四) 重力水飽和含水量：當(dāng)土壤大小孔隙全部被水充滿時(shí)的含水量，或稱(chēng)全蓄水量。土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水、氣、熱狀況和特性二、土壤水的有效性如吸濕系數(shù)，凋萎系數(shù)，田間持水量和飽和持水量等，表示能量、數(shù)量以及被作物利用的有效性等。土壤水分常數(shù)：是指一定土壤水吸力下保持的含水量，或是從一種形態(tài)向另一種形態(tài)過(guò)渡時(shí)的含水

10、量。對(duì)于同一土壤或土層來(lái)說(shuō)，變化不大，故稱(chēng)為常數(shù)。土壤水、氣、熱狀況和特性 從圖中可見(jiàn)，土壤凋萎含水量與田間持水量之間的水分，都是對(duì)旱作植物有效的，對(duì)旱作，即土壤最大有效水量 = 田間持水量(有效水上限) - 凋萎含水量(有效水下限)某一含水量下土壤有效水含量 = 含水量 - 凋萎含水量 土壤水、氣、熱狀況和特性1、土壤質(zhì)地與土壤有效水量的關(guān)系(重量%)土壤類(lèi)型凋萎含水量田間持水量最大有效水量砂土0.2-1.53-62.8-4.5壤土3-1212-309-18粘土12-2525-4513-20結(jié)構(gòu)好土壤3-2520-5517-302、大多數(shù)旱地作物對(duì)水分要求的適宜水平多在田間持水量的6080%

11、， 不同作物吸水力各異，同一作物不同生育期對(duì)水分要求亦不同。土壤水、氣、熱狀況和特性土壤A砂土10%土壤B粘土15%水流向何方？第三節(jié) 土水勢(shì)土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水的自由能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水自由能的差值稱(chēng)為土水勢(shì)。一般用西臘字母來(lái)表示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水是指：純水，即無(wú)溶質(zhì)；自由水，即無(wú)束縛；105Pa；一定高度和溫度。以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水的自由能為零，土壤水的自由能與其比較的差值一般為負(fù)值。差值大，表明水不活躍，能量低；差值小，表明土壤水與自由水接近，活躍，能量高。一、土水勢(shì)的概念土壤水、氣、熱狀況和特性 基質(zhì)吸力： -基質(zhì)勢(shì)m 吸附力： 電場(chǎng)力 范德華力 氫鍵 彎月面力 重力 -重力勢(shì)g 滲透力 (鹽土

12、，干旱條件下) -溶質(zhì)勢(shì)s 靜水壓力 (地面漬水) -壓力勢(shì)p研究土壤水的能量狀態(tài)土壤水受力：土壤水、氣、熱狀況和特性總土水勢(shì) = 基質(zhì)勢(shì) + 重力勢(shì) + 溶質(zhì)勢(shì) + 壓力勢(shì)t = m + g + s + p(1)、土水勢(shì)：指土壤水在各種力作用下勢(shì)能的變化；基質(zhì)勢(shì)m ：由土粒吸附力和毛管力所產(chǎn)生。溶質(zhì)勢(shì)s ：又稱(chēng)滲透勢(shì)，是由溶質(zhì)對(duì)水的吸附所產(chǎn)生的。重力勢(shì)g ：由重力作用產(chǎn)生的水勢(shì)。壓力勢(shì)p ：土壤中水分還要承受土壤水體的靜水壓力，其水勢(shì)與參比標(biāo)準(zhǔn)之差，稱(chēng)為壓力勢(shì)。土壤水、氣、熱狀況和特性請(qǐng)注意：在不同的情況下，土壤總水勢(shì)的各分勢(shì)組成是不同的。土壤水、氣、熱狀況和特性總水勢(shì)：t=m+p+s+g

13、土壤水、氣、熱狀況和特性 一般談及的吸力是指基質(zhì)吸力，其值與m相等，但符號(hào)相反。(2)、土壤水吸力：指土壤承受一定吸力情況下所處的能態(tài)。只包括基質(zhì)吸力和滲透吸力。土壤水、氣、熱狀況和特性定義：土壤水吸力與土壤含水量之間的相關(guān)曲線二、土壤持水曲線(土壤水分特征曲線)土壤水、氣、熱狀況和特性影響因素質(zhì)地結(jié)構(gòu)溫度滯后現(xiàn)象土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水、氣、熱狀況和特性A、可利用它進(jìn)行土壤水吸力和含水率之間的換算；B、土壤水分特征曲線可以間接地反映出土壤孔隙大小的分布；C、土壤水分特征曲線可用來(lái)分析不同質(zhì)地土壤的持水性和土壤 水分的有效性；D、應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法對(duì)土壤中的水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析時(shí), 水分 特

14、征曲線是必不可少的重要參數(shù)土壤水分特征曲線的用途：土壤水、氣、熱狀況和特性*第四節(jié) 土壤水運(yùn)動(dòng)一、飽和水運(yùn)動(dòng)q為土壤水通量:單位時(shí)間通過(guò)單位面積土壤的水量； Ko：飽和導(dǎo)水率。H表示水流兩端的水勢(shì)差，以水柱高度表示。L距離，即水的流程。H/L（水勢(shì)梯度）單位距離的水勢(shì)差。K（比例常數(shù)，導(dǎo)水率）單位水勢(shì)梯度下的通量。水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)可用描述液體在多孔體中運(yùn)動(dòng)的達(dá)西定律來(lái)表示。飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度。土壤水、氣、熱狀況和特性田間出現(xiàn)的土壤水飽和流有以下三種情況：一是垂直向下的飽和流 二是水平飽和流 三是垂直向上的飽和流土壤水、氣、熱狀況和特性二、非飽和水運(yùn)動(dòng)與飽和流比較，不飽

15、和流具有兩個(gè)特點(diǎn)：土壤非飽和流的推動(dòng)力主要是基質(zhì)勢(shì)梯度和重力勢(shì)梯度飽和條件下的土壤導(dǎo)水率（K）對(duì)特定土壤為一常數(shù)，而非飽和導(dǎo)水率是土壤含水量或基質(zhì)勢(shì)的函數(shù)土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水、氣、熱狀況和特性干旱地區(qū)意義 ，上升至根部擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，水汽壓大-水汽壓小， 濕-干，熱-冷。土壤氣態(tài)水的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為水汽擴(kuò)散和水汽凝結(jié)兩種現(xiàn)象水汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力是水汽壓梯度，這是由土壤水勢(shì)梯度或由土壤水吸力梯度和溫度梯度所引起的。三、水汽運(yùn)動(dòng)土壤水、氣、熱狀況和特性1、“夜潮”現(xiàn)象多出現(xiàn)于地下水埋深度較淺的“夜潮地”。土壤水、氣、熱狀況和特性“凍后聚墑”的多少，主要決定于該土壤的含水量和凍結(jié)的強(qiáng)度。含水量高凍結(jié)強(qiáng)

16、度大，“凍后聚墑”就比較明顯。一般對(duì)土壤上層增水作用為24左右 。2、“凍后聚墑”現(xiàn)象*冬季表土凍結(jié)，水汽壓降低，而凍層以下土層的水汽壓較高，于是下層水汽不斷向凍層集聚、凍結(jié)、使凍層不斷加厚，其含水量有所增加，這就是“凍后聚墑”現(xiàn)象。 土壤水、氣、熱狀況和特性（一） 土壤入滲（soil water infiltration)* 一般是指水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過(guò)程，但也不排斥如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過(guò)程。 四、入滲、土壤水的再分布和土面蒸發(fā)土壤水、氣、熱狀況和特性影響因素：一是供水速率，二是土壤的入滲能力 (入滲速率infiltration rate)土壤水、氣、熱狀況和特性土壤

17、水、氣、熱狀況和特性 (soil water redistribution)概念：土壤水入滲過(guò)程結(jié)束后，水在重力和吸力梯度影響下在土壤中向下移動(dòng)重新分布的過(guò)程。 土壤水的再分布是土壤水的不飽和流。 （二）土壤水的再分布土壤水、氣、熱狀況和特性(三) 土面蒸發(fā) Soil Water evaporation土面蒸發(fā)過(guò)程區(qū)分為三個(gè)階段。1、表土蒸發(fā)強(qiáng)度保持穩(wěn)定的階段 概念：即單位時(shí)間內(nèi)單位面積地面上所蒸發(fā)的水量 土壤水汽進(jìn)入大氣的過(guò)程。2、表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段蒸發(fā)速率急劇降低，有利于土壤墑情的保持土壤水、氣、熱狀況和特性 3、水汽擴(kuò)散階段土壤輸水能力極弱，不能補(bǔ)充表土蒸發(fā)損失的水分，土壤表

18、面形成干土層。在此階段，蒸發(fā)面不是在地表，而是在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴(kuò)散的能力控制，并取決于干土層厚度，一般來(lái)說(shuō)，其變化速率十分緩慢而且穩(wěn)定。 土壤保墑措施在蒸發(fā)的第一階段進(jìn)行效果最佳；第二階段次之。土壤水、氣、熱狀況和特性土壤水、氣、熱狀況和特性（四）鹽土的水分蒸發(fā)：夏季積鹽多；蒸發(fā)力弱積鹽少；鹽往高處走，鹽斑的擴(kuò)大。土壤水、氣、熱狀況和特性五、水分管理 土壤是漏水的貯水庫(kù)。 1、控制水分入滲，防地表逕流；水田蓄水（適當(dāng)滲漏）。 2、防止水分蒸發(fā)：鋤地，覆蓋 3、灌溉：旱地至田間持水量；灌溉方法；水田灌溉防漏。 4、排除多余水：地面排水溝；地下排水降低地下水土壤水、氣、

19、熱狀況和特性含量：空氣孔隙容積，旱作要求10-15%以上組成：與大氣比較 1土壤空氣中的CO2含量高于大氣 2土壤空氣中的O2含量低于大氣 3土壤空氣中的水汽含量一般高于大氣 4土壤空氣中含有較高量的還原性氣體（CH4等）第五節(jié) 土壤空氣狀況一、土壤空氣的組成與含量土壤空氣組成顯然不是固定不變的。 土壤水、氣、熱狀況和特性氣 體O2CO2N2其他氣體近地面的大氣20.940.0378.050.95土壤空氣18.0-20.030.15-0.6578.8-80.24 土壤空氣與大氣組成的比較（容積%）土壤水、氣、熱狀況和特性土壤空氣的變化規(guī)律：隨著土層深度的增加，土壤空氣中CO2含量增大，O2含量

20、減少，無(wú)論在膜地或露地均是如此； 氣溫和土溫升高，根系呼吸加加強(qiáng)，微生物活動(dòng)加快，土壤空氣中CO2含量增加，夏季CO2含量最高； 覆膜田塊的CO2含量明顯高于未覆稻草原露地，而O2則反之 土壤空氣中的CO2和O2的含量是相互消長(zhǎng)的，二者的總和維持在1922%之間， 土壤水、氣、熱狀況和特性 、作用：不斷更新組成，使土體內(nèi)各部分組成趨向均一。 、機(jī)制 二、土壤通氣性土壤通氣性是泛指土壤空氣與大氣進(jìn)行交換以及土體內(nèi)部允許氣體擴(kuò)散和通氣的能力。 1）土壤空氣與大氣間氣體整體交流。 在土壤空氣與大氣之間總壓力梯度引起： 氣象因素：溫度； 降雨及灌溉， 擠出，進(jìn)入； 風(fēng)，機(jī)械攪動(dòng)，無(wú)復(fù)蓋影響大； 大氣氣

21、壓改變。 土壤水、氣、熱狀況和特性2）氣體擴(kuò)散 是土壤通氣的主要機(jī)制，由個(gè)別氣體分壓梯度引起。 涉及個(gè)別氣體的交換， 如CO2，O2等。通氣性調(diào)節(jié)：改善孔性：耕作，輪作，排水，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成。土壤水、氣、熱狀況和特性第六節(jié) 土壤熱量狀況一、土溫重要性種子萌發(fā)根系生長(zhǎng)生理過(guò)程直接影響作物生長(zhǎng)各種化學(xué)反應(yīng)速度微生物活性水氣運(yùn)轉(zhuǎn)間接影響作物生長(zhǎng)土壤水、氣、熱狀況和特性1、主要來(lái)自太陽(yáng)輻射能地球獲太陽(yáng)總輻射的1/20億。HIEa2、生物熱微生物分解有機(jī)質(zhì)放熱過(guò)程，堆肥，廄肥溫床中發(fā)熱。二、土壤熱量來(lái)源太陽(yáng)輻射熱量是主要來(lái)源，生物熱和地?zé)醿H在某特定條件下發(fā)揮作用。3、地?zé)岬貧?dǎo)熱能力差。土壤水、氣、熱狀況和特性影響地表輻射平衡的因素 緯度和海拔高度；坡向和坡度；地面復(fù)蓋情況土壤水、氣、熱狀況和特性輻射平衡所獲得的熱量，能否以熱通量傳至下層升高土溫，以及升高多少（反之冷卻，冷卻多少），受到土壤熱學(xué)性質(zhì)的影響。三、土壤熱學(xué)性質(zhì)（一）土壤熱容量: 指單位容積或單位質(zhì)量的土壤在溫度升高或降低1時(shí)所吸收或放出的熱量。質(zhì)量熱容量 C：J/克度 也稱(chēng)比熱容積熱容量 CV：J/cm3度土壤水、氣、熱狀況和特性土壤成分CCV