第四章(2) 土壤水、气、热

1第四章土壤肥力（二）第二节土壤水分第三节土壤空气第四节土壤热量第五节土壤缓冲性第六节土壤肥力与肥力因素第七节土壤肥力因素的相互关系2本节重点1.土壤水量的表示方法与计算2.土壤空气组成的特点3.土壤缓冲性、保肥供肥性的概念4.土壤肥力与肥力因素概念3第一节土壤水分4一、土壤水分存在的形态根据受力情况：吸附水、毛管水、重力水1、吸附水（束缚水）受土壤吸附力作用，分为吸湿水和膜状水。5吸湿水：土粒通过分子引力的作用，从空气中吸持气态水分，使之在土壤表面形成的水膜。特点：由分子引力，静电引力吸附。固态性质，不能溶解溶质，不能呈液态移动。植物不能利用(水分吸持力大于植物根系的吸水力)在105-110℃下汽化逸失。吸湿水量与质地，O.M有关。最大值—吸湿系数(最大吸湿量)（hygroscopiccoefficient）6膜状水：当土壤含水量超过最大吸湿量时，土粒分子对周围水分子还具有强大的引力，在吸湿水层上再吸附一层新的液态水膜。特点：主要是分子引力的作用。呈液态，能溶解溶质，可移动，但速度慢。部分可被植物利用（根系与之接触时）。最大值——最大分子持水量（maximummolecularmoistureholdingcapacity）72、毛管水：依靠毛细管引力保持在土壤毛管孔隙的水，具有自由水的特性。分毛管上升水和毛管悬着水。89特点：受毛管力的作用。液态，溶解多种溶质，可自由移动，速度较快。植物利用的理想水分（有效水）。10毛管上升水：由于地下水的上升作用而保持在毛管中的水分。毛管上升水的最大值——毛管持水量毛管悬着水：由于降雨或灌水使土壤毛管填充的水分，与地下水没有联系。毛管悬着水的最大值——田间持水量田间持水量（fieldwatercapacity）毛管持水量（capillarywatercapacity）11毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的最高指标。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。田间持水量（FieldCapacity）123、重力水受重力支配，易进一步向土壤剖面深层运动。存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中，与土壤养分的淋失有关。是水生作物的有效水分，对旱地作物是多余水。13特点：移动速率快，难以保持在土壤中可被根系吸收占据大孔隙，影响通气性对旱作属多余水土壤所有孔隙都充满水时的含水量，称为饱和含水量或最大持水量。14土粒毛管上升水示意图地下水位15土粒毛管悬着水示意图16二、土壤水分有效性(availability)概念：土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度1、土壤有效水的最大含量是毛管水达最大贮量时的土壤含水量，即田间持水量是旱地灌水上限2、凋萎系数(萎焉系数)（WiltingCoefficient）根系因无法吸收水分而发生萎焉时的土壤含水量是土壤有效水下限吸力约15bar1718水分常数与水分有效性的关系田间持水量毛管持水量1~2万3116~156.250.50.080.001多余水(旱地)最大吸湿量凋萎系数最大分子持水量毛管断裂含水量饱和含水量吸湿水膜状水无效水水分常数水分能量(大气压)水分形态有效性毛管水重力水难效水速效水有效水193、土壤有效水有效水储量=当前含水量-凋萎系数最大范围：田间持水量-凋萎系数–砂土、粘土有效水少，壤土有效水多20三、土壤含水量的表示方法1、质量（重量）含水量土壤含水量=水分重/烘干土重单位：(g/kg)，%2、体积含水量土壤含水量(容积%)=水的体积/土体体积=水的体积/(土重/容重)=土壤含水量（重量%）×容重21例：田间取回土样，连采土圈共重237.4g，烘干后重213.4g，采土圈重93.4g，采土圈容积100cm3，求土壤容重？土壤含水量？湿土重=237.4-93.4=144g烘干土重=213.4-93.4=120g容重=烘干土重/土壤体积=120/100=1.20含水量=水分重/烘干土重=(144-120)/120=200g/kg22四、土壤水分含量的测定烘干法：经典、准确，标准方法中子法TDR法（时域反射仪）：电磁测量方法，依据土壤的介电性质。具有直接、快速、方便的特点，并可同时测定土壤含盐量。23五、土壤水的能量状态24粘质土30%砂质土40%粘质土30%砂质土30%粘质土30%砂质土15%粘质土30%砂质土20%?土壤水分能量251、土壤水势（土水势）土壤水从土壤中移向一参照状态的纯水池中，土壤水所作的功，以单位水量表示之。土壤水与参照水池的势能差。pgsmt261）基质势（ψm）由吸附力和毛管力制约的土水势。仅出现在非饱和条件下；饱和时最大为零。水势大小≤0，与土壤性质关系密切。2）溶质势（渗透势）（ψs）土壤中溶解的溶质引起的土水势。负值，土壤溶质浓度越高，溶质势越低；在盐碱土中意义重大；仅当存在半透膜时才起作用。273）重力势（ψg）重力作用引起的土水势重力势大小与土壤本身无关。重力势决定于参比标准，参比面处重力势为0，高于参比面时为正，反之为负。4）压力势（ψp）土壤水饱和情况下，由静水压力产生的水势。仅当土壤中存在自由水面时，压力势才产生；正值。饱和土层越深，压力势越高。不饱和土壤中，压力势为零。282、土壤水吸力指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力（suction）土壤水吸力与土水势的比较水吸力只在非饱和的条件下应用；吸力只含土水势的部分分势(基质势、溶质势)；在非饱和时二者的绝对值相等，符号相反；土壤水总是自吸力低处流向吸力高处293、土壤水势与土壤水吸力的单位法定单位：帕Pa过去常用：巴bar、毫巴mb、大气压（atm）、厘米汞柱、水柱等换算：–1bar=105Pa=1000mb=0.987大气压–1大气压=76cm汞柱=1033cm水柱=1.013巴–1mb=1cm水柱=100Pa304、土壤水分特征曲线土壤水分能量（土壤水吸力）与数量（含水量）所作成的相关曲线含水量与水吸力呈负相关同一含水水量时，吸力：粘土壤土砂土同一水吸力时，含水量：粘土壤土砂土31水分特征曲线的作用：吸力与含水量换算反映土壤持水、供水性能计算当量孔径，反映土壤中大小孔隙的分布土壤水分运动参数计算325、当量孔径与一定土壤水吸力相对应的土壤孔隙直径当量孔径d(mm)=3/土壤水吸力T(mb)–30KPa对应的孔径=1/100mm=10μm–1bar对应的孔径=3μm–15bar对应的孔径=0.2μm（凋萎系数）33土壤水分从能量高的地方向能量低的地方运动，从吸力小的地方向吸力大的地方运动。植物可以吸收吸力小于15bar的水分。34六、土壤水分运动1、饱和水分运动（饱和流）1）土壤孔隙全部充满水时的水分运动。推动力：重力势梯度和压力势梯度，基本上服从饱和状态下多孔介质的达西定律；单位时间内通过单位面积土壤的水量，即土壤水通量与土水势梯度成正比。HqKL静水压水流通量导水率距离即，35影响饱和导水率（K饱）的主要因素土壤质地、结构、有机质含量和无机胶体的性质等a.土壤中粗孔的孔径和数量•普修依拉(Poiseulle)定律：管道流体在一定压强下的流速与管子半径的4次方成正比。即管道半径增大1倍，流速增大15倍。一般，孔径0.3mm时，水分可以自由通过，阻力较小。•所以，K饱为砂土壤土粘土。b．水的性质，温度，粘滞度，密度等36几种质地土壤的渗透系数质地每小时渗入水量（mm）每昼夜渗入水量（m）沙土5.00.120沙壤土3.20.077轻壤土2.90.070壤土2.50.060重壤土1.50.036粘土0.50.01237WatermovementindifferentsoilsDistancefromcenteroffurrowSandyLoamClayLoam382、非饱和水分运动即土壤只有部分孔隙中有水时的水流。包括膜状水和毛管水运动推动力：基质势梯度和重力势梯度符合非饱和水运动的达西定律运动方向决定于毛管力的大小39毛管水运动：•毛管力小毛管力大•湿土干土•大毛管小毛管在自然界，地下水上升的高度一般不超过3米。40•砂性土：孔径大，毛管水上升高度低，速率较快。•粘质土：反之。•砂壤和壤质土：毛管水上升的高度最高。41饱和流非饱和流推动力重力、压力势梯度基质、重力势梯度导水率常数变化的（与含水量有关）不同质地的导水率砂土＞壤土＞粘土粘土＜壤土＜砂土（含水量相同）423、气态水运动（水汽运动）水汽扩散和水汽凝结两种现象1）主要以扩散方式，在大孔隙中运动2）移动方向：水汽压高→水汽压低水汽压决定于土壤湿度与温度水汽运动：由暖处→冷处，白天由表层→底层43七、土壤水分保蓄和调节1．灌溉与排水2．减少地面蒸发①松土②镇压③复盖雨后及时中耕松土，如切断毛细管联系，可减少土壤蒸发。“锄头底下三分雨”。但干旱严重时，土壤水分含量锐减，毛管水停止运行，以水汽扩散为主，如继续松土，会加剧水汽扩散，干旱愈严重。443．减少地面径流：坡地修梯田，梯地4．减少水分渗漏：改良土壤结构，合理施肥，增强土壤保水蓄水能力。5、创造良好的土层构造：上砂（30cm厚）下粘。45第三节土壤空气一、土壤空气组成1、与大气组成基本一致O2、N2为主，少量CO22、组成特点O2略低于大气CO2是大气的几十倍有部分还原性气体：CH4、H2S、SO2、H2水汽处于饱和状态气体O2(%)CO2(%)N2和其它气体(%)大气20.940.0379.0土壤空气18-20.030.15-0.6579.2463、土壤空气组成变化对土壤和作物的影响O2要求10%，过低根系呼吸受阻，影响发芽出苗CO2根吸收，提供地上部光合作用，过多会产生毒害，一般1%即可还原性气体过多对作物有毒害作用47二、土壤空气交换1、交换方式1）对流：土壤空气与大气之间整体的气体交流由气压、风、温度、降水等产生2）扩散：个别气体成分（如O2）由于与大气间存在浓度差而产生的移动。如：O2大气→土壤；CO2土壤→大气（土壤呼吸）旱地、水田空气交换方式不一样–旱地以扩散为主–水田空气溶解、排水空气进入482、土壤通气性：指土壤空气与大气进行交换以及土体内气体扩散和通气的性能。指标–土壤大孔隙状况：非毛管孔度需10%，25%最佳–土壤含水量•土壤容气量=总孔度%-水分容积%–土壤氧（气）扩散率（ODR）：单位时间内扩散通过单位面积土层的氧气量。•单位：(O2)g/cm2/min•决定了土壤空气中O2浓度能否达到足够的水平49三、土壤空气状况的调节1、开沟排水，消除湿害；不同作物耐渍能力不同：蚕豆油菜小麦红花草子2、稻田灌溉和排水；3、合理施用有机肥；50第四节土壤热量状况一、土壤热量对土壤肥力、植物生长的影响1、植物种子发芽、根系生长需要在一定土温下进行各种作物的适时播种常以土温决定2、土壤热量影响土壤中的生命活动和化学过程微生物，O.M.分解、累积、矿物风化51二、土壤热量来源1、太阳辐射能土表吸收的热量仅是太阳辐射能的很小一部分，但它是土壤热量的主要来源太阳热量常数1.90卡/cm2/min→反射、散射、大气吸收→50%到地面→反射、热辐射→30%到土壤2、生物热微生物分解O.M.放热作用有限是初春温床育苗的原理3、地热地壳导热能力差，地表获热很少，地壳每cm2每年获地热54卡52三、影响土壤温度的外部条件1、纬度和海拔高度低纬度高纬度海拔低高海拔(高山地面辐射强)2、地形南坡北坡阳坡平地3、覆盖植被、积雪、或其它覆盖（使土温不易升高，但也可起保温作用）地膜、塑料大棚（起保温作用）53四、影响土温的土壤因素1、土壤颜色吸温，暗色一般浅色2、土壤热容量单位土壤每升高1℃所需热量–C（重量热容量、比热）：卡/（克·度）–Cv（容积热容量）：卡/（cm3·度）