上海交大周丕生土壤學第5章 土壤水、氣、熱狀況

土壤與植物營養(yǎng)學SoilScienceandPlantNutrition

**第五章土壤水、氣、熱狀況

第一節(jié)土壤水的類型劃分土壤水含量第二節(jié)土壤水的能態(tài)第三節(jié)土壤水的運動第四節(jié)土壤空氣狀況第五節(jié)土壤熱量狀況*

土壤水是土壤的最重要組成部分之一。它在土壤形成過程中起著極其重要的作用。土壤水在很大程度上參與了土壤內進行的許多物質轉化過程,不了解土壤水在土壤中的變化、運移機理以及土壤水與土壤的其他組成部分相互關系的規(guī)律，就無法認識土壤的形成過程。土壤水是作物吸水的最主要來源，也是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，與作物生長和土壤中許多化學、物理和生物學過程有關。*土壤水的意義土壤水是土壤的最重要組成部分之一。它在土壤形成過程中起著極其重要的作用。土壤水在很大程度上參與了土壤內進行的許多物質轉化過程，不了解土壤水在土壤中的變化、運移機理以及土壤水與土壤的其他組成部分相互關系的規(guī)律，就無法認識土壤的形成過程。土壤水是作物吸水的最主要來源，也是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，與作物生長和土壤中許多化學、物理和生物學過程有關。*土壤水的類型劃分及土壤水分含量土壤水的類型及有效性土壤水分含量的表示方法*

能量法主要從土壤水受各種力作用后自由能的變化，去研究土壤水的能態(tài)和運動變化規(guī)律數(shù)量法按照土壤水受不同力的作用而研究水分的形態(tài)、數(shù)量、變化和有效性土壤水的研究方法*土壤水的形態(tài)分類吸附水：受土壤吸附力作用保持可分為吸濕水和膜狀水毛管水：受毛管力的作用而保持重力水：受重力支配，容易進一步向土壤剖面深層運動一、土壤水的形態(tài)分類*土壤中粗細不同的毛管孔隙連通一起形成復雜的毛管體系。在地下水較深的情況下，降水或灌溉水等進入土壤，借助于毛管力保持在上層土壤的毛管孔隙中，它與來自地下水上升的毛管水并不相連，好像懸掛在上層土壤中一樣，故稱為毛管懸著水。土壤毛管懸著水達到最多時的含水量稱為田間持水量。在數(shù)量上它包括吸濕水、膜狀水和毛管懸著水。當一定深度的土體儲量達到田間持水量時，若繼續(xù)供水，就不能使該土體的持水量再增大，而只能進一步濕潤下層土壤。田間持水量是確定灌水量的重要依據(jù)，是農業(yè)生產上十分有用的水分常數(shù)。*土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其難易程度。不能被植物吸收利用的水稱為無效水，能被植物吸收利用的水稱為有效水。通常把土壤萎蔫系數(shù)看作土壤有效水的下限，當植物因根無法吸水而發(fā)生永久萎蔫時的土壤含水量，稱為萎蔫系數(shù)或萎蔫點。低于萎蔫系數(shù)的水分，作物無法吸收利用，所以屬于無效水。這時的土水勢約相當于根的吸水力（平均為1.5MPa）或根水勢（平均為-1.5MPa）。*水吸力/0.1MPa

1000031156.250.50.10.001吸持力/PF

7.04.54.22.72.00.0

吸濕系數(shù)凋萎系數(shù)田間持水量吸濕水膜狀水毛管水無效水有效水多余水重力水毛管持水量最大持水量最大分子持水量土壤水分形態(tài)、能量指標和有效狀況

土粒土壤水分形態(tài)、能量指標和有效狀況*不同質地土壤的水分特征曲線砂土壤土粘土*土壤水分含量的表示方法土壤水分含量是表征土壤水分狀況的一個指標，又稱為土壤含水量、土壤含水率、土壤濕度等。土壤含水量有多種表達方式，數(shù)學表達式也不同，常用的有以下幾種：質量含水量容積含水量相對含水量土壤水貯量*土壤質量含水量土壤中水分的質量與干土質量的比值，因在同一地區(qū)重力加速度相同，所以又稱為重量含水量，常用符號m表示。土壤質量含水量（g·kg-1

）=（土壤中水分的質量/干土質量）1000干土是指在105℃條件下烘干的土壤*容積含水量

單位土壤總容積中水分所占的容積分數(shù)，又稱容積濕度、土壤水的容積分數(shù)，常用符號v表示。土壤容積含水量(mL·L-1

)=土壤水容積/土壤總容積1000v和m的換算公式

v=

m·

為土壤密度（容重）*相對含水量

指土壤含水量占田間持水量的百分數(shù)。它可以說明土壤毛管懸著水的飽和程度，有效性和水、氣的比例等，是農業(yè)生產上常用的土壤含水量的表示方法。相對含水量（％）=土壤絕對含水量/田間持水量100*土壤水貯量

指一定面積和厚度土壤中含水的絕對數(shù)量，在土壤物理、農田水利學、水文學等學科中經常用到這一術語和指標，它主要有兩種表達方式：

水深(Dw)指在一定厚度(h)一定面積土壤中所含水量相當于相同面積水層的厚度，量綱為[L],Dw與v的關系式：

Dw=v·h*土壤水的能態(tài)土水勢及其分勢為了可逆地等溫地在標準大氣壓下從在指定高度的純水水體中移動無窮小量的水到土壤水分中去，每單位數(shù)量的純水所需作功的數(shù)量。土壤水總是由土水勢高處流向土水勢低處。同一土壤，濕度愈大，土壤水能量水平愈高，土壤水勢也愈高。土壤水便由濕度大處流向濕度小處。*用土水勢研究土壤水的優(yōu)點作為判斷各種土壤水分能態(tài)的統(tǒng)一標準和尺度土水勢的數(shù)值可以在土壤一植物一大氣之間統(tǒng)一使用，把土水勢、根水勢、葉水勢等統(tǒng)一比較，判斷它們之間水流的方向、速度和土壤水有效性土水勢的研究還能提供一些精確的土壤水分狀況測定手段*基質勢(m)

土在不飽和的情況下，土壤水受土壤吸附力和毛管力的制約，其水勢自然低于純自由水參比標準的水勢。假定純水的勢能為零，則土水勢是負值。這種由吸附力和毛管力所制約的土水勢稱為基質勢（m）。土壤含水量愈低，基質勢也就愈低；反之，土壤含水量愈高，則基質勢愈高。至土壤水完全飽和，基質勢達最大值，與參比標準相等，即等于零。*

溶質勢(s)是指由土壤水中溶解的溶質而引起土水勢的變化，也稱滲透勢，一般為負值。溶質勢的大小等于土壤溶液的滲透壓，但符號相反。*H2O糖H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O糖H2O糖糖糖H2OH2OH2O糖糖糖糖糖糖糖糖糖水溶液糖分子水分子滲透作用和滲透壓示意圖糖糖糖糖糖糖糖糖糖水溶液H2OH2OH2O*壓力勢（p)：在土壤水飽和的情況下，由于受壓力而產生土水勢變化。在不飽和土壤中的土壤水的壓力勢一般與參比標準相同，等于零。但在飽和的土壤中孔隙都充滿水，并連續(xù)成水柱。在土表的土壤水與大氣接觸，僅受大氣壓力，壓力勢為零。而在土體內部的土壤水除承受大氣壓外，還要承受其上部水柱的靜水壓力，其壓力勢大于參比標準為正值。*

重力勢(g)是指由重力作用而引起的土水勢變化。所有土壤水都受重力作用，與參比標準的高度相比，高于參比標準的土壤水，其所受重力作用大于參比標準，故重力勢為正值。高度愈高則重力勢的正值愈大，反之亦然。參比標準高度一般根據(jù)研究需要而定，可設在地表或地下水面。在參考平面上取原點，選定垂直坐標z，土壤中坐標為z，質量為M的土壤水分所具有的重力勢。*當前位置:土壤水、氣、熱狀況/土壤水的能態(tài)總水勢(t)t=m+p+s+g土壤水飽和狀態(tài)下t=p+g土壤水不飽和狀態(tài)下t=m+s*土水勢的測定張力計法壓力膜法冰點下降法水氣壓法*張力計示意圖壓力膜示意圖*土壤水吸力(S)是指土壤水承受一定吸力情況下所處的能態(tài)，而不是土壤對水的吸力,所以它的意義和土水勢一樣。但土壤水吸力只包括承受的基質吸力和溶質吸力，相當于基質勢和溶質勢,而符號相反(正值)。土壤水吸力雖在概念上不是指土壤對水的吸力，但可用土壤對水的吸力來表示它。由于在土壤水的保持和運動中，不考慮s,所以一般的吸力是指基質吸力。S＝-m*土壤水分特征曲線土壤水的基質勢或土壤水吸力是隨土壤含水率而變化的，其關系曲線稱為土壤水分特征曲線或土壤持水曲線。土壤水分特征曲線表示土壤水的能量和數(shù)量之間的關系。是研究土壤水分的保持和運動所用到的反映土壤水分基本特性的曲線，具有實際應用價值*不同質地土壤的水分特征曲線砂土壤土粘土*不同質地土壤的水分特征曲線砂土壤土粘土*土壤水的運動土壤中存在3種類型的水分運動飽和流即土壤孔隙都充滿水時的水流，主要是重力水的運動非飽和流土壤中只部分孔隙有水時的水流，主要是毛管水膜狀

水的運動水汽移動*單位時間內通過單位面積土壤的水量，土壤水通量與土水勢梯度成正比Q=-KsH/L達西定律一維垂直向飽和流*飽和土壤中的水流

在土壤中，有些情況下會出現(xiàn)飽和流，如大量持續(xù)降水和稻田淹灌時會出現(xiàn)垂直向下的飽和流；地下泉水涌出屬于垂直向上的飽和流；平原水庫庫底周圍則可以出現(xiàn)水平方向的飽和流。飽和流的推動力主要是重力勢梯度和壓力勢梯度*非飽和土壤中的水流

土壤非飽和流的推動力主要是基質勢梯度和重力勢梯度。它也可用達西定律來描述，對一維垂向非飽和流．其表達式為：

Q=-K(m)d/dxK(m)為非飽和導水率d/dx

為總水勢梯度*當降水或灌溉使土壤達到水分飽和后，多余的水分受重力勢作用通過充氣孔隙向下滲透移動，稱為重力水運動，也稱為土壤的滲透性。運動速度主要決定于土壤中充氣孔隙的直徑和數(shù)量。一般規(guī)律是：在無團聚體的情況下，下滲速度順序為砂土＞壤土＞粘土。

*土壤持水孔隙中的水分主要是受毛管力的作用而移動。毛管水移動方向是從毛管力小的地方向毛管力大的地方移動。毛管水還可以上下左右移動，其移動不受重力影響。毛管水的移動對土壤供水性有著十分重要的作用。毛管水在剖面中向上移動的性能，稱為土壤的引水性能。*土壤—植物—大氣連續(xù)體

土壤一植物一大氣連續(xù)體簡稱SPAC體系，是Soil—Plant—AtmosphereContinuum的縮寫，是由水勢引起水由土壤進入植物體，再向大氣擴散的體系。*含水量/g·kg-1

水吸力/MPa1404800.061水分運動方向含水量/g·kg-1

水吸力/MPa水分運動方向0.10.1水吸力/MPa水分運動方向灌水805800.10.01砂土粘土不同土壤之間的水分運動含水量/g·kg-1

80540*土壤空氣狀況土壤空氣與大氣組成的差異氣體O2(%)CO2(%)N2(%)其它氣體近地表的大氣20.940.0378.050.98土壤空氣18.0~20.00.15~0.6578.8~80.20.98*土壤空氣與近地表大氣組成的差別土壤空氣中的CO2含量高于大氣土壤空氣中的O2含量低于大氣土壤空氣中水汽含量高于大氣土壤空氣中含有還原性的氣體土壤空氣與大氣的差異*土壤空氣交換土壤空氣的交換方式土壤空氣擴散土壤中氣體分子因濃度梯度或分壓不同而產生的移動。溶解于水中的氧隨雨水和灌溉水進入土壤。氣體流動氣體流動是由于受氣溫、氣壓的變化、刮風、降雨、耕作、灌溉等作用影響而引起的，僅對表層10cm左右的土壤空氣更新起到某些作用，因而它不是大氣與土壤空氣交換的主要方式。

*土壤通氣性與植物生長土壤通氣性是指土壤空氣能與大氣進行交換以及土體內部允許氣體擴散和流通的性能。或土壤具有通透空氣的性質稱土壤通氣性。土壤空氣狀況對植物生長的影響土壤空氣與根系發(fā)育

土壤空氣與種子萌發(fā)土壤空氣與養(yǎng)分狀況土壤空氣與植物病害*土壤熱量狀況土壤熱量的來源太陽輻射能生物熱地球內熱*土壤熱性質土壤熱容量

單位質量(重量)或容積的土壤每升高(或降低)1℃所需要(或放出的)的熱量。C代表質量(重量)熱容量，單位是J/(g.C)Cv代表容積熱容量，單位是J/(cm3·℃)C與Cv的關系是C=Cv。。是土壤容量*土壤組成分的差異，土壤的C和Cv也有很大差異礦質土粒的C為0.71J/(g.C)，密度為2.65或2.7mCv為0.712.7=1.9J/(g.C)有機質的C為1.9J/(g.C)，密度為1.3oCv為1.91.3=2.5J/(g.C)土壤水的C和wCv都是4.2。土壤空氣的aCv是1.2610-3J/(g.C)*因為不同土壤的三相物質組成比例是不同的。故土壤的容積熱容量(Cv)可用下式表示：Cv=mCv·Vm+oCv·Vo+wCv·Vw+aCv·VaMCv、oCv、wC和aC分別為土壤礦物質、有機質、水和空氣的容積熱容量Vm、Vo、Vw、Va分別為土壤礦物質、有機質、水和空氣在單位體積土壤中所占的體積比因空氣的熱容量很小，可忽略不計