上海交大周丕生土壤學(xué)第5章 土壤水、氣、熱狀況

土壤與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)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(yùn)動(dòng)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(guò)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(nèi)進(jìn)行的許多物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程,不了解土壤水在土壤中的變化、運(yùn)移機(jī)理以及土壤水與土壤的其他組成部分相互關(guān)系的規(guī)律，就無(wú)法認(rèn)識(shí)土壤的形成過(guò)程。土壤水是作物吸水的最主要來(lái)源，也是自然界水循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，與作物生長(zhǎng)和土壤中許多化學(xué)、物理和生物學(xué)過(guò)程有關(guān)。*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(guò)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(nèi)進(jìn)行的許多物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，不了解土壤水在土壤中的變化、運(yùn)移機(jī)理以及土壤水與土壤的其他組成部分相互關(guān)系的規(guī)律，就無(wú)法認(rèn)識(shí)土壤的形成過(guò)程。土壤水是作物吸水的最主要來(lái)源，也是自然界水循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，與作物生長(zhǎng)和土壤中許多化學(xué)、物理和生物學(xué)過(guò)程有關(guān)。*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(yùn)動(dòng)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(jìn)一步向土壤剖面深層運(yùn)動(dòng)一、土壤水的形態(tài)分類*土壤中粗細(xì)不同的毛管孔隙連通一起形成復(fù)雜的毛管體系。在地下水較深的情況下，降水或灌溉水等進(jìn)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(lái)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(dá)到最多時(shí)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(dāng)一定深度的土體儲(chǔ)量達(dá)到田間持水量時(shí)，若繼續(xù)供水，就不能使該土體的持水量再增大，而只能進(jìn)一步濕潤(rùn)下層土壤。田間持水量是確定灌水量的重要依據(jù)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(wú)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(dāng)植物因根無(wú)法吸水而發(fā)生永久萎蔫時(shí)的土壤含水量，稱為萎蔫系數(shù)或萎蔫點(diǎn)。低于萎蔫系數(shù)的水分，作物無(wú)法吸收利用，所以屬于無(wú)效水。這時(shí)的土水勢(shì)約相當(dāng)于根的吸水力（平均為1.5MPa）或根水勢(shì)（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(wú)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(biāo)和有效狀況

土粒土壤水分形態(tài)、能量指標(biāo)和有效狀況*不同質(zhì)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(gè)指標(biāo)，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(dá)方式，數(shù)學(xué)表達(dá)式也不同，常用的有以下幾種：質(zhì)量含水量容積含水量相對(duì)含水量土壤水貯量*土壤質(zhì)量含水量土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)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(hào)m表示。土壤質(zhì)量含水量（g·kg-1

）=（土壤中水分的質(zhì)量/干土質(zhì)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?cè)莘e中水分所占的容積分?jǐn)?shù)，又稱容積濕度、土壤水的容積分?jǐn)?shù)，常用符號(hào)v表示。土壤容積含水量(mL·L-1

)=土壤水容積/土壤總?cè)莘e1000v和m的換算公式

v=

m·

為土壤密度（容重）*相對(duì)含水量

指土壤含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù)。它可以說(shuō)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的土壤含水量的表示方法。相對(duì)含水量（％）=土壤絕對(duì)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(duì)數(shù)量，在土壤物理、農(nóng)田水利學(xué)、水文學(xué)等學(xué)科中經(jīng)常用到這一術(shù)語(yǔ)和指標(biāo)，它主要有兩種表達(dá)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(dāng)于相同面積水層的厚度，量綱為[L],Dw與v的關(guān)系式：

Dw=v·h*土壤水的能態(tài)土水勢(shì)及其分勢(shì)為了可逆地等溫地在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下從在指定高度的純水水體中移動(dòng)無(wú)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(shì)高處流向土水勢(shì)低處。同一土壤，濕度愈大，土壤水能量水平愈高，土壤水勢(shì)也愈高。土壤水便由濕度大處流向濕度小處。*用土水勢(shì)研究土壤水的優(yōu)點(diǎn)作為判斷各種土壤水分能態(tài)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和尺度土水勢(shì)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(shì)、根水勢(shì)、葉水勢(shì)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(shì)的研究還能提供一些精確的土壤水分狀況測(cè)定手段*基質(zhì)勢(shì)(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(shì)自然低于純自由水參比標(biāo)準(zhǔn)的水勢(shì)。假定純水的勢(shì)能為零，則土水勢(shì)是負(fù)值。這種由吸附力和毛管力所制約的土水勢(shì)稱為基質(zhì)勢(shì)（m）。土壤含水量愈低，基質(zhì)勢(shì)也就愈低；反之，土壤含水量愈高，則基質(zhì)勢(shì)愈高。至土壤水完全飽和，基質(zhì)勢(shì)達(dá)最大值，與參比標(biāo)準(zhǔn)相等，即等于零。*

溶質(zhì)勢(shì)(s)是指由土壤水中溶解的溶質(zhì)而引起土水勢(shì)的變化，也稱滲透勢(shì)，一般為負(fù)值。溶質(zhì)勢(shì)的大小等于土壤溶液的滲透壓，但符號(hào)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(shì)（p)：在土壤水飽和的情況下，由于受壓力而產(chǎn)生土水勢(shì)變化。在不飽和土壤中的土壤水的壓力勢(shì)一般與參比標(biāo)準(zhǔn)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(shì)為零。而在土體內(nèi)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(shì)大于參比標(biāo)準(zhǔn)為正值。*

重力勢(shì)(g)是指由重力作用而引起的土水勢(shì)變化。所有土壤水都受重力作用，與參比標(biāo)準(zhǔn)的高度相比，高于參比標(biāo)準(zhǔn)的土壤水，其所受重力作用大于參比標(biāo)準(zhǔn)，故重力勢(shì)為正值。高度愈高則重力勢(shì)的正值愈大，反之亦然。參比標(biāo)準(zhǔn)高度一般根據(jù)研究需要而定，可設(shè)在地表或地下水面。在參考平面上取原點(diǎn)，選定垂直坐標(biāo)z，土壤中坐標(biāo)為z，質(zhì)量為M的土壤水分所具有的重力勢(shì)。*當(dāng)前位置:土壤水、氣、熱狀況/土壤水的能態(tài)總水勢(shì)(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(shì)的測(cè)定張力計(jì)法壓力膜法冰點(diǎn)下降法水氣壓法*張力計(jì)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(duì)水的吸力,所以它的意義和土水勢(shì)一樣。但土壤水吸力只包括承受的基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力，相當(dāng)于基質(zhì)勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì),而符號(hào)相反(正值)。土壤水吸力雖在概念上不是指土壤對(duì)水的吸力，但可用土壤對(duì)水的吸力來(lái)表示它。由于在土壤水的保持和運(yùn)動(dòng)中，不考慮s,所以一般的吸力是指基質(zhì)吸力。S＝-m*土壤水分特征曲線土壤水的基質(zhì)勢(shì)或土壤水吸力是隨土壤含水率而變化的，其關(guān)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(guān)系。是研究土壤水分的保持和運(yùn)動(dòng)所用到的反映土壤水分基本特性的曲線，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值*不同質(zhì)地土壤的水分特征曲線砂土壤土粘土*不同質(zhì)地土壤的水分特征曲線砂土壤土粘土*土壤水的運(yùn)動(dòng)土壤中存在3種類型的水分運(yùn)動(dòng)飽和流即土壤孔隙都充滿水時(shí)的水流，主要是重力水的運(yùn)動(dòng)非飽和流土壤中只部分孔隙有水時(shí)的水流，主要是毛管水膜狀

水的運(yùn)動(dòng)水汽移動(dòng)*單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積土壤的水量，土壤水通量與土水勢(shì)梯度成正比Q=-KsH/L達(dá)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(huì)出現(xiàn)飽和流，如大量持續(xù)降水和稻田淹灌時(shí)會(huì)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(kù)庫(kù)底周圍則可以出現(xiàn)水平方向的飽和流。飽和流的推動(dòng)力主要是重力勢(shì)梯度和壓力勢(shì)梯度*非飽和土壤中的水流

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。它也可用達(dá)西定律來(lái)描述，對(duì)一維垂向非飽和流．其表達(dá)式為：

Q=-K(m)d/dxK(m)為非飽和導(dǎo)水率d/dx

為總水勢(shì)梯度*當(dāng)降水或灌溉使土壤達(dá)到水分飽和后，多余的水分受重力勢(shì)作用通過(guò)充氣孔隙向下滲透移動(dòng)，稱為重力水運(yùn)動(dòng)，也稱為土壤的滲透性。運(yùn)動(dòng)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(wú)團(tuán)聚體的情況下，下滲速度順序?yàn)樯巴粒救劳粒菊惩痢?/p>

*土壤持水孔隙中的水分主要是受毛管力的作用而移動(dòng)。毛管水移動(dòng)方向是從毛管力小的地方向毛管力大的地方移動(dòng)。毛管水還可以上下左右移動(dòng)，其移動(dòng)不受重力影響。毛管水的移動(dòng)對(duì)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(dòng)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(jiǎn)稱SPAC體系，是Soil—Plant—AtmosphereContinuum的縮寫，是由水勢(shì)引起水由土壤進(jìn)入植物體，再向大氣擴(kuò)散的體系。*含水量/g·kg-1

水吸力/MPa1404800.061水分運(yùn)動(dòng)方向含水量/g·kg-1

水吸力/MPa水分運(yùn)動(dòng)方向0.10.1水吸力/MPa水分運(yùn)動(dòng)方向灌水805800.10.01砂土粘土不同土壤之間的水分運(yùn)動(dòng)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(kuò)散土壤中氣體分子因濃度梯度或分壓不同而產(chǎn)生的移動(dòng)。溶解于水中的氧隨雨水和灌溉水進(jìn)入土壤。氣體流動(dòng)氣體流動(dòng)是由于受氣溫、氣壓的變化、刮風(fēng)、降雨、耕作、灌溉等作用影響而引起的，僅對(duì)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(zhǎng)土壤通氣性是指土壤空氣能與大氣進(jìn)行交換以及土體內(nèi)部允許氣體擴(kuò)散和流通的性能。或土壤具有通透空氣的性質(zhì)稱土壤通氣性。土壤空氣狀況對(duì)植物生長(zhǎng)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(lái)源太陽(yáng)輻射能生物熱地球內(nèi)熱*土壤熱性質(zhì)土壤熱容量

單位質(zhì)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(zhì)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(guān)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(zhì)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(jī)質(zhì)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?yàn)椴煌寥赖娜辔镔|(zhì)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(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水和空氣的容積熱容量Vm、Vo、Vw、Va分別為土壤礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、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(jì)