第五章 土壤水、气、 热状况

封面农业与生物学院园林科学与工程系主讲：周丕生盆地19%山地33%丘陵10%平原12%高原26%土壤化学第五章土壤水、气、热状况第一节土壤水的类型划分土壤水含量第二节土壤水的能态第三节土壤水的运动第四节土壤空气状况第五节土壤热量状况当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水土壤水是土壤的最重要组成部分之一。它在土壤形成过程中起着极其重要的作用。土壤水在很大程度上参与了土壤内进行的许多物质转化过程,不了解土壤水在土壤中的变化、运移机理以及土壤水与土壤的其他组成部分相互关系的规律，就无法认识土壤的形成过程。土壤水是作物吸水的最主要来源，也是自然界水循环的一个重要环节，与作物生长和土壤中许多化学、物理和生物学过程有关。土壤水的意义当前位置:土壤水气热/土壤水5.1土壤水的类型划分及土壤水分含量一、土壤水的类型及有效性二、土壤水分含量的表示方法研究方法当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的类型及有效性能量法主要从土壤水受各种力作用后自由能的变化，去研究土壤水的能态和运动变化规律数量法按照土壤水受不同力的作用而研究水分的形态、数量、变化和有效性土壤水的研究方法土壤水的形态分类吸附水：受土壤吸附力作用保持可分为吸湿水和膜状水毛管水：受毛管力的作用而保持重力水：受重力支配，容易进一步向土壤剖面深层运动一、土壤水的形态分类当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的类型土壤中粗细不同的毛管孔隙连通一起形成复杂的毛管体系。在地下水较深的情况下，降水或灌溉水等进入土壤，借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称为毛管悬着水。土壤毛管悬着水达到最多时的含水量称为田间持水量。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。当一定深度的土体储量达到田间持水量时，若继续供水，就不能使该土体的持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水量是确定灌水量的重要依据，是农业生产上十分有用的水分常数。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的类型土壤水的有效性是指土壤水能否被植物吸收利用及其难易程度。不能被植物吸收利用的水称为无效水，能被植物吸收利用的水称为有效水。通常把土壤萎蔫系数看作土壤有效水的下限，当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，称为萎蔫系数或萎蔫点。低于萎蔫系数的水分，作物无法吸收利用，所以属于无效水。这时的土水势约相当于根的吸水力（平均为1.5MPa）或根水势（平均为—1.5MPa）。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的有效性水吸力/0.1MPa1000031156.250.50.10.001吸持力/PF7.04.54.22.72.00.0吸湿系数凋萎系数田间持水量吸湿水膜状水毛管水无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态、能量指标和有效状况土粒不同质地土壤的水分特征曲线260210803010604604303501708040120600580540480300100350010020030040050060070000.010.1110100100010000土壤水吸力/0.1MPa水分含量/g·kg-1不同质地土壤的水分特征曲线砂土壤土粘土二、土壤水分含量的表示方法土壤水分含量是表征土壤水分状况的一个指标，又称为土壤含水量、土壤含水率、土壤湿度等。土壤含水量有多种表达方式，数学表达式也不同，常用的有以下几种：当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的表示方法质量含水量当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的表示方法土壤中水分的质量与干土质量的比值，因在同一地区重力加速度相同，所以又称为重量含水量，常用符号m表示。土壤质量含水量（g·kg-1）=（土壤中水分的质量/干土质量）1000干土是指在105℃条件下烘干的土壤容积含水量单位土壤总容积中水分所占的容积分数，又称容积湿度、土壤水的容积分数，常用符号v表示。土壤容积含水量(mL·L-1)=土壤水容积/土壤总容积1000v和m的换算公式v=m·为土壤密度（容重）当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的表示方法相对含水量指土壤含水量占田间持水量的百分数。它可以说明土壤毛管悬着水的饱和程度，有效性和水、气的比例等，是农业生产上常用的土壤含水量的表示方法。相对含水量（％）=土壤绝对含水量/田间持水量100当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的表示方法土壤水贮量指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量，在土壤物理、农田水利学、水文学等学科中经常用到这一术语和指标，它主要有两种表达方式：水深(Dw)指在一定厚度(h)一定面积土壤中所含水量相当于相同面积水层的厚度，量纲为[L],Dw与v的关系式：Dw=v·h当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水/土壤水的表示方法当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态5.2土壤水的能态一、土水势及其分势土水势的定义为：为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高度的纯水水体中移动无穷小量的水到土壤水分中去，每单位数量的纯水所需作功的数量。土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。同一土壤，湿度愈大，土壤水能量水平愈高，土壤水势也愈高。土壤水便由湿度大处流向湿度小处。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态用土水势研究土壤水的优点作为判断各种土壤水分能态的统一标准和尺度土水势的数值可以在土壤一植物一大气之间统一使用，把土水势、根水势、叶水势等统一比较，判断它们之间水流的方向、速度和土壤水有效性土水势的研究还能提供一些精确的土壤水分状况测定手段当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态基质势(m)土在不饱和的情况下，土壤水受土壤吸附力和毛管力的制约，其水势自然低于纯自由水参比标准的水势。假定纯水的势能为零，则土水势是负值。这种由吸附力和毛管力所制约的土水势称为基质势（m）。土壤含水量愈低，基质势也就愈低；反之，土壤含水量愈高，则基质势愈高。至土壤水完全饱和，基质势达最大值，与参比标准相等，即等于零。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态溶质势(s)溶质势(s)是指由土壤水中溶解的溶质而引起土水势的变化，也称渗透势，一般为负值。溶质势的大小等于土壤溶液的渗透压，但符号相反。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水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渗透作用和渗透压示意图糖糖糖糖糖糖糖糖糖水溶液H2OH2OH2O当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态压力势（p)在土壤水饱和的情况下，由于受压力而产生土水势变化。在不饱和土壤中的土壤水的压力势一般与参比标准相同，等于零。但在饱和的土壤中孔隙都充满水，并连续成水柱。在土表的土壤水与大气接触，仅受大气压力，压力势为零。而在土体内部的土壤水除承受大气压外，还要承受其上部水柱的静水压力，其压力势大于参比标准为正值。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态重力势(g)重力势(g)是指由重力作用而引起的土水势变化。所有土壤水都受重力作用，与参比标准的高度相比，高于参比标准的土壤水，其所受重力作用大于参比标准，故重力势为正值。高度愈高则重力势的正值愈大，反之亦然。参比标准高度一般根据研究需要而定，可设在地表或地下水面。在参考平面上取原点，选定垂直坐标z，土壤中坐标为z，质量为M的土壤水分所具有的重力势。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态总水势(t)t=m+p+s+g土壤水饱和状态下t=p+g土壤水不饱和状态下t=m+s当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态二、土水势的测定张力计法压力膜法冰点下降法水气压法当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态张力计示意图压力膜示意图当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态三、土壤水吸力(S)是指土壤水承受一定吸力情况下所处的能态，而不是土壤对水的吸力,所以它的意义和土水势一样。但土壤水吸力只包括承受的基质吸力和溶质吸力，相当于基质势和溶质势,而符号相反(正值)。土壤水吸力虽在概念上不是指土壤对水的吸力，但可用土壤对水的吸力来表示它。由于在土壤水的保持和运动中,不考虑s,所以一般的吸力是指基质吸力。S＝-m当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的能态四、土壤水分特征曲线土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系。是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线，具有实际应用价值不同质地土壤的水分特征曲线010020030040050060070000.010.1110100100010000土壤水吸力/0.1MPa水分含量/g·kg-1不同质地土壤的水分特征曲线砂土壤土粘土当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动5.3土壤水的运动土壤中存在3种类型的水分运动饱和流即土壤孔隙都充满水时的水流，主要是重力水的运动非饱和流土壤中只部分孔隙有水时的水流，主要是毛管水膜状水的运动水汽移动当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动单位时间内通过单位面积土壤的水量，土壤水通量与土水势梯度成正比Q=-KsH/L达西定律一维垂直向饱和流当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动一、饱和土壤中的水流在土壤中，有些情况下会出现饱和流，如大量持续降水和稻田淹灌时会出现垂直向下的饱和流；地下泉水涌出属于垂直向上的饱和流；平原水库库底周围则可以出现水平方向的饱和流。饱和流的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动二、非饱和土壤中的水流土壤非饱和流的推动力主要是基质势梯度和重力势梯度。它也可用达西定律来描述，对一维垂向非饱和流．其表达式为：Q=-K(m)d/dxK(m)为非饱和导水率d/dx为总水势梯度当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动重力水运动当降水或灌溉使土壤达到水分饱和后，多余的水分受重力势作用通过充气孔隙向下渗透移动，称为重力水运动，也称为土壤的渗透性。运动速度主要决定于土壤中充气孔隙的直径和数量。一般规律是：在无团聚体的情况下，下渗速度顺序为砂土＞壤土＞粘土。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动毛管水的运动土壤持水孔隙中的水分主要是受毛管力的作用而移动。毛管水移动方向是从毛管力小的地方向毛管力大的地方移动。毛管水还可以上下左右移动，其移动不受重力影响。毛管水的移动对土壤供水性有着十分重要的作用。毛管水在剖面中向上移动的性能，称为土壤的引水性能。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动土壤—植物—大气连续体土壤一植物一大气连续体简称SPAC体系，是Soil—Plant—AtmosphereContinuum的缩写，是由水势引起水由土壤进入植物体，再向大气扩散的体系。当前位置:土壤水、气、热状况/土壤水的运动三、入渗、土壤水的再分布和土面蒸发运动水入渗再分布含水量/g·kg-1水吸力/MPa1404800.061水分运动方向含水量/g·kg-1水吸力/MPa水分运动方向0.10.1水吸力/MPa水分运动方向灌水805800.10.01砂土粘土不同土壤之间的水分运动含水量/g·kg-180540当前位置:土壤水、气、热状况/土壤空气状况5.4土壤空气状况土壤空气与大气组成的差异气体O2(%)CO2(%)N2(%)其它气体近地表的大气20.940.0378.050.98土壤空气18.0~20.030.15~0.6578.8~80.240.98土壤空气与近地表大气组成的差别土壤空气中的C02含量高于大气土壤空气中的O2含量低于大气土壤空气中水汽含量高于大气土壤空气中含有还原性的气体土壤空气与大气的差异一、土壤剖面CO2和O2体积含量分布示意图当前位置:土壤水、气、热状况/土壤空气状况二、土壤空气交换（一）土壤空气的交换方式●土壤空气扩散土壤中气体分子因浓度梯度或分压不同而产生的移动。溶解于水中的氧随雨水和灌溉水进入土壤。当前位置:土壤水、气、热状况/土