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1、第六章第六章 土壤水分、空气和热量状况土壤水分、空气和热量状况 所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才有利于植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。p 土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。p 土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水是土壤形成发育的催化剂；p 土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际 上是指在上是指在105温度下从土壤中驱逐出来的水。温度下从土壤中驱逐出来的水。第一节 土壤水分 水分进入土壤后，受三种力的作用被保持在土壤中：一是土粒和水界面上的吸附力 二是水和空气界面上的弯月面力 三是地心引力（重力）土粒
2、和水界面上的吸附力由两种力所组成：土粒和水界面上的吸附力由两种力所组成：一是水分子与土粒间的分子吸力：包括固相表面剩余表面能对邻近水分子的作用、范德华力、氢键。二是胶体表面对极性水分子的静电引力。两种力作用的结果，使水分子牢固地被吸附在土壤颗粒的表面上。一、土壤水分的保持和类型一、土壤水分的保持和类型1.土壤水的保持土壤水的保持 水和空气界面上的弯月面力水和空气界面上的弯月面力 水进入土壤，土粒对水分子的吸附力超过水分子之间的吸力，因而在土粒构成的毛管孔隙中形成凹形弯月面，弯月面使液面产生压力差，形成弯月面力。弯月面力（T）的大小与曲率半径（R）和水的表面张力（）及湿润角（）的关系是：rTrT
3、RT20cos2如果 湿润角rTR2、土壤水的类型和性质、土壤水的类型和性质 水分进入土壤后，受土粒吸附力、弯月面力和重力吸附力、弯月面力和重力的作用，或保持在土壤中，或发生渗透流出土体。由于土壤水分受到不同类型和大小力的作用，反映出不同的水分性质，依据水分在土壤中存在的形态，可将土壤分为吸湿水、膜状水、毛管水和重力水吸湿水、膜状水、毛管水和重力水。（1 1）吸湿水）吸湿水 干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水。吸湿水达最大量时的土壤含水量百分数，称为最大吸湿量或吸湿系数。为什么土壤有吸收水汽的“力”:分子吸力表面能 静电引力电荷土土粒粒HHHHHHHHHHHHHH最大吸湿量HHHHHH土
4、土粒粒HHHHHHHHHHHHHH最大吸湿量HHHHHH109 Pa (1万大气压)3106 Pa (31大气压)土壤吸湿水所受吸力？土壤吸湿水所受吸力？影响吸湿水的数量的因素：影响吸湿水的数量的因素：u质地质地比表面比表面u有机质数量有机质数量沙土0.510gkg-1 (0.5-1%)壤土2050gkg-1 (2-5%)粘土5065gkg-1 (5-6.6%)腐殖土120200gkg-1(12-20%吸湿水的性质：密度大，溶解性差，冰点低，无移动（2 2）膜状水）膜状水膜状水的保持力膜状水的保持力：为土粒吸附最大吸湿量后所剩余的分子引力，它不能吸附 吸湿水层外动能较大的水汽分子，但能吸附动能
5、较小的液 态水分子。因此，水分子所受吸力比吸湿水小，一般在 31066105 Pa左右。膜状水膜状水：土粒与液态水接触时，被吸附在吸湿水膜之外的水分。土土粒粒HHHHHHHHHHHHHH最大吸湿量HHHHHHHHHHHHHHHHHH最大分子持水量3106 Pa (31大气压)6.2105 Pa(6.2大气压)15105 Pa (15大气压)植物可吸收膜状水的性质：同液态水相似，但粘滞性较高，密度在1.25gcm-3），溶 解能力较小，移动慢（一般在0.20.4mmh-1），只能从 水膜厚处向水膜薄处移动，作物根毛与它接触时才能被吸 收，远不能满足根系大量吸水需求。最大分子持水量：膜状水达到最大
6、量时的土壤含水量百分数称为最大分 子持水量。一般为最大吸湿量的24倍。膜状水示意图永久萎蔫点：膜状水部分可被作物利用，但由于移动很慢，补充不及时，在 可利用水还未消耗完前，作物就会因膜状水补给不及而萎蔫。当作物呈现永久萎蔫时的土壤含水量称为永久萎蔫点（或称萎 蔫湿度、临界水分）。粗砂土细砂土砂质壤土壤土粘壤土水稻小麦玉米高粱豌豆番茄9.68.810.79.410.211.127333136333359636559596910110399100124117130145155144166153表表61 各种作物的土壤萎蔫含水量各种作物的土壤萎蔫含水量(gkg-1)生育期土层(cm)质地萎蔫含水量苗
7、期拔节期抽雄期020050050轻壤中壤轻壤中壤轻壤中壤4070501005090表表62 玉米不同生育期的土壤萎蔫含水量玉米不同生育期的土壤萎蔫含水量(gkg-1)毛管水的特点：毛管水的特点：第一，它是既能被土壤保持又能被作物利用的有效水分。所受引力为7.9102Pa6105Pa，比作物根的吸水力（1.5106Pa）小。第二，有溶解养分的能力，能在毛管力作用下，向各个方向移动，且速度快（1030mmh-1），可迅速将养分输送到作物根部。（3 3）毛管水）毛管水毛管水毛管水：在毛管力作用下，保存于土壤毛管孔隙中的水分。根据毛管水是否与地下水衔接，可将毛管水分为根据毛管水是否与地下水衔接，可将毛
8、管水分为毛管上升水毛管上升水和和毛毛管悬着水管悬着水两类。两类。毛管上升水：毛管上升水：与地下水相连，由地下水补给的毛管水为毛管上升水。毛管上升水上升高度（H）服从茹林公式：cm0.15rH 此式表明：孔径愈细，水分上升愈高，孔径愈粗，水分上升愈低。例如：当r=0.1cm时 H=0.15/0.1=1.5cm；当r=0.00015cm时，H=0.15/0.00015=1000cm=10 m。(式中：r为孔隙半径，单位为cm)毛管水上升高度在农业生产中有重要意义。与地下水能否供给作物利用和土壤盐渍化有关。在地下水位13m的情况下，毛管上升水是供给植物的主要水分。当地下水位达到临界深度（引起土壤表层
9、开始盐渍化的地下水埋藏深度）时，在干旱和半干旱的地区可能有盐渍化的危险。毛管上升水达到最大量时的土壤含水量称毛管持水量或持水当量毛管持水量或持水当量。土土 粒粒毛管上升水示意图地下水位田间持水量的意义：田间持水量的意义：田间持水量是土壤在田间条件下所能保持的最大水量（但一般略低于毛管持水量），是直接关系到作物的生长发育有效水量。田间持水量是是一个相对稳定的水分常数。它不同与土壤自然含水量，后者是土壤的实际含水量，是随时变化而变化的，不是常数。田间持水量可作为土壤灌水定额的最高指标，用简式表示：灌水定额=田间持水量 灌水前土壤实际含水量+灌水期间水分的蒸发量和渠道渗漏损失量。毛管悬着水毛管悬着水
10、 借助于毛管力保持在上层土壤毛管孔隙中的水分，它与来自地下水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称之为毛管悬着水。土土 粒粒毛毛管管悬悬着着水水示示意意图图 当毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量，称为田间持水量。田间持水量。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。影响田间持水量的大小的因素主要有：质地、有机质含量、结构、松紧状况等。当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量的75左右。（4 4）重力水）重力水 当进入土壤中的水分超过毛管力保持的田间持水量时，多余的水分受重力作用沿
11、非毛管孔隙向下移动，这种受重力作用，能够从土壤中排除出去的水分叫重力水重力水。重力水的意义：重力水的意义：在水田，重力水是水稻的有效水分，但需经常排水换气。在旱田，重力水虽可为作物利用，但长期滞留土壤中会妨碍通气，迅速渗漏又易造成养分流失，所以重力水经常是多余水分。当土壤孔隙全部被水分充满时的土壤含水量称为饱和含水量或全蓄水量饱和含水量或全蓄水量。可作为土壤容水能力或降水渗透量的指标。在水田可作为计算灌水量的依据。二、土壤水分含量的有效性二、土壤水分含量的有效性 1.1.土壤含水量的表示方法 (1)重量含水量（质量含水量）指单位重量的烘干土中水分含量的百分数。单位为gkg-1，常用符号m表示。
12、(kg)烘干土重(g)水重土壤重量含水量(gkg-1)=m=(2)容积含水量 单位容积的土壤中,水分容积所占的百分数，无量纲，常用符号v表示。土壤容积含水量()=v=%1001000/1)k(1)(%100容重烘干土重水分重土壤容积水分容积gg=重量含水量（gkg-1）1/1000 100%容重(3)3)水层厚度（水层厚度（mmmm）为了便于和大气降水、蒸发和作物耗水量之间进行比较，土壤贮水量常用mm水层深度表示。水层厚度（水mm）=土层深度（mm）土壤容积含水量()=土层深度（mm）土壤含水量（gkg-1）1/1000 容重 为了和灌水、排水、计算灌水量一致，常用M3亩或吨亩来表示土壤中的含
13、水量：土壤贮水量（M3亩）=水层厚度（mm）1/1000 2000/3=2/3水层（mm）（式中 1/1000是将 mm变成 m，2000/3是一亩地面积 666.7m2）(4)4)水的体积（水的体积（M M3 3）(5)5)相对含水量相对含水量 指土壤的实际含水量占田间持水量或饱和含水量的百分数。%100饱和含水量自然含水量相对含水量（%）=%100田间含水量自然含水量相对含水量（%）=一般农作物适宜的相对含水量为田间持水量的7080。以饱和含水量表示的相对含水量，多用于水利部门，在研究土壤微生物时也能用到它。2、土壤含水量的测定方法(1)烘干法 有经典烘干法（105110下烘68h）和快速
14、烘干法（红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精燃烧法等）。(2)中子法图图6-5 中子仪工作原理中子仪工作原理 此法是把一个快速中子源和慢中子探测器置于套管中，埋入土内。中子源（如镭、镅、铍）以很高速度放射出快中子，当它们与水中的氢原子碰撞时，就会改变运动方向，失去部分能量而变成慢中子。土壤水愈多，产生的慢中子就愈多。慢中子被探测器量出，经过校正可求出土壤水的含量。此法虽较精确，但只能测出较深土层中的水，不能用于表土含水量测定。TDR系统类似一个短波雷达系统。依据电磁波理论，电磁脉冲在导电介质中传播时，其传播速度与介质的介电常数的平方根成反比。一般土壤中，土粒和空气的介电常数均较低（分别约为5和1）
15、，而自由水的介电常数高达80.36（20）。故土壤介电常数(a)与土壤V有很好的相关性。由TDR系统测定电磁脉冲在波导棒中的传播时间t再换算成a，即可用下面的经验公式求得土壤的含水量：V 5.3 10-2+2.92 10-2 a 5.5 10-4 a2+4.3 10-6 a3 (3)TDRTDR法（法（时域反射仪）TimeDomainReflectometry3 3、土壤水分的有效性、土壤水分的有效性 土土粒粒HHHHHHHHHHHHHH最大吸湿量HHHHHHHHHHHHHHHHHH最大分子持水量3106 Pa 6.2105 Pa迟效水15105 Pa凋萎含水量HHHHHHHHHHHHHH0.
16、3105 Pa田间持水量HHHHHHHH0 Pa吸湿水膜状水毛管水重力水速效水毛管断裂含水量土壤最大有效水范围(%)=田间持水量萎蔫湿度。土壤实际有效水范围(%)=土壤实际含水量 萎蔫湿度。三、土壤水的能量概念三、土壤水的能量概念 土壤水的形态分类存在很多不足之处。首先，不同形态之间往往没有截然的界限；其次，不能正确反映土壤植物大气连续体（SPAC）中水分变化。为此，人们开始运用“能量”观点来研究土壤水分。由于水在土壤中的运动很慢，所以它的动能一般可以忽略不计，而由位置和内部条件造成势能对水分运动起着支配作用。最先用“势值”能态研究土壤水的是白金汉（1907年），1950年以后，这方面的研究有了长足进展。土壤土壤A砂土砂土10%土壤土壤B粘土粘土15%水流向何方水流向何方？1、土水势及其分势、土水势及其分势（1 1）土水势的概念）土水势的概念 土水势是指土壤水的势能。其定义为在标准大气压下，等温可逆地把 一定高度的无限少量的纯水移动到土壤中所需作的功（指单位重量的 水所需的功，用t表示）。土水势的绝对值无法求得，通常是假定标准状态下纯水的自由能为 零，而将某一点土壤水的自由能与纯水的自
