三 土壤水、空氣和熱量

第三章土壤水、空氣和熱量

SoilWater,AirandThermalRegime土壤學(xué)資源環(huán)境學(xué)院土壤與植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)系主要內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)與要求

1.土壤水分類型及土壤含水量表示方法2.土壤空氣

3.土壤熱量

4.土壤熱性質(zhì)

5.土壤溫度1.掌握土壤水分類型及土壤含水量表示方法，土壤水分能量的表示方法，土壤水分有效性；2.掌握土壤空氣的組成與大氣組成的差異及土壤空氣運(yùn)動(dòng)的方式；3.了解土壤熱量的來(lái)源，掌握土壤的三個(gè)熱參數(shù);4.理解土壤溫度變化的影響因素。第一節(jié)土壤水分基本性質(zhì)所有的水只有進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)化為土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要來(lái)源。土壤水是土壤的最重要組成部分之一；土壤水是土壤形成發(fā)育的催化劑；土壤水并非純水、而是稀薄的溶液。研究土壤水在不同力的作用下的形態(tài)、數(shù)量的變化，包括土壤水的能態(tài)、運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律能量法數(shù)量法研究土壤水在不同力的作用下水分的形態(tài)、數(shù)量的變化規(guī)律和有效性一、土壤水分形態(tài)研究方法土壤水的類型固態(tài)水（化學(xué)結(jié)合水和冰）氣態(tài)水（水汽）液態(tài)水吸濕水(hydroscopicwater)膜狀水(membraneouswater)毛管水(capillarywater)重力水和地下水(gravitationalwaterandgravitationalwater)（一）土壤水的類型1、吸濕水(hydroscopicwater)又稱土壤水中的緊束縛水，指土粒通過(guò)吸附力吸附空氣中水汽分子所保持的水分。特點(diǎn)：吸附力強(qiáng)，對(duì)水汽分子的吸附可達(dá)31至10000個(gè)大氣壓。吸濕性由土粒表面的分子引力、土壤膠體雙電層中帶電離子以及帶電的固體表面靜電引力與水分子作用所引起的。土壤質(zhì)地越粘，比表面越大，吸濕能力越強(qiáng)。受空氣濕度影響，空氣相對(duì)濕度高，吸濕水含量也高。比重很大(約1.5)，無(wú)溶解能力，也不能移動(dòng)，這些水分一般對(duì)植物無(wú)效。2、膜狀水(membraneouswater)又稱土壤液態(tài)水中的松束縛水，指土粒吸附力所保持的液態(tài)水，其在土粒周圍形成連續(xù)水膜。特點(diǎn)：保持力較吸濕水低，一般在6.25～31大氣壓；水的密度較吸濕水小，無(wú)溶解性，移動(dòng)緩慢，由水膜厚的地方往水膜薄的地方移動(dòng)，速度僅0.2～0.4毫米/小時(shí)。膜狀水對(duì)植物有效性低，僅部分有效。3、毛管水(capillarywater)

存在于毛管孔隙中為彎月面力所保持的水分稱為毛管水。毛管水又分為兩類：懸著毛管水：指不受地下水源補(bǔ)給影響的毛管水，即當(dāng)大氣降水或灌溉后土壤中所吸持的液態(tài)水。支持毛管水（毛管上升水）：指土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水，即地下水沿著土壤毛管系統(tǒng)上升并保持在土壤中的那一部分水分。彎月面懸著毛管水支持毛管水土壤顆粒毛管水毛管水示意圖4、重力水和地下水重力水(gravitationalwater)：當(dāng)大氣降水或灌溉強(qiáng)度超過(guò)土壤吸持水分的能力時(shí)，土壤的剩余引力基本上已經(jīng)飽和，多余的水就由于重力的作用通過(guò)大孔隙向下流失。地下水(gravitationalwater)：如果土壤或母質(zhì)中有不透水層存在，向下滲漏的重力水就會(huì)在它上面的土壤孔隙中聚集起來(lái)，形成一定厚度的水分飽和層，其中的水可以流動(dòng)，成為地下水。（二）土壤水分常數(shù)(soilwaterconstant)

反映土壤水形態(tài)和性質(zhì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)的幾個(gè)特征性含水量，它們?cè)谝欢ǔ潭壬弦卜从沉讼喈?dāng)?shù)耐寥浪芰λ?。吸濕系?shù)(hydroscopiccoefficient)凋萎系數(shù)(wiltingcoefficient)田間持水量(fieldcapacity)飽和含水量(saturatedwatercontent)毛管持水量(capillarycapacity)1、吸濕系數(shù)(hydroscopiccoefficient)也稱最大吸濕量，指干土從相對(duì)濕度接近飽和的空氣中吸收水汽的最大值，即吸濕水的最大量與烘干土重量的百分比。吸濕水的含量受空氣相對(duì)濕度、土壤比表面積和有機(jī)質(zhì)的影響，測(cè)定吸濕系數(shù)是在空氣相對(duì)濕度98%(或99%)條件下，讓土壤充分吸濕(通常為一周時(shí)間)，達(dá)到穩(wěn)定后在105℃條件下烘干測(cè)定得到。土壤質(zhì)地砂土砂壤土壤土粘土泥炭土最大吸濕量0.05~11~1.52~55~6.515以上不同質(zhì)地類型土壤最大吸濕量（%）2、凋萎系數(shù)(wiltingcoefficient)

植物永久凋萎時(shí)的土壤含水量稱為凋萎系數(shù)，用來(lái)表示植物可利用土壤水的下限。

土壤凋萎系數(shù)的大小，通常用吸濕系數(shù)的1.5~2.0倍來(lái)衡量。質(zhì)地愈粘重，凋萎系數(shù)愈大。非活性孔度＝凋萎系數(shù)×容重3、田間持水量(fieldcapacity)

指降雨或灌溉后，多余的重力水已經(jīng)排除，滲透水流已降至很低或基本停止時(shí)土壤所吸持的水量，即毛管懸著水達(dá)最大量時(shí)的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一個(gè)指標(biāo)，與土壤孔隙狀況和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。計(jì)算土壤灌溉水量時(shí)以田間持水量為指標(biāo)，既節(jié)約用水，又可避免超過(guò)田間持水量的水分在重力水下滲后，抬高地下水位。4、飽和含水量(saturatedwatercontent)指全部土壤孔隙充滿水時(shí)的含水量，又稱最大持水量。5、毛管持水量(capillarycapacity)毛管上升水達(dá)最大量時(shí)的土壤含水量。毛管上升水受地下水壓影響，通常大于田間持水量。毛管持水量是計(jì)算土壤毛管孔隙度的依據(jù)。

毛管孔度＝毛管持水量×容重通氣孔度＝總孔度－非活性孔度－毛管孔度（三）土壤水的有效性(availability)

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(unavailablewater)，能被植物吸收利用的水稱為有效水(availablewater)。有效水的范圍是凋萎系數(shù)至田間持水量間的差值，即凋萎系數(shù)是土壤有效水的下限。土壤水的形態(tài)、能量和有效性的關(guān)系吸濕水田間持水量凋萎系數(shù)無(wú)效水有效水土壤有效水含量與土壤質(zhì)地關(guān)系二、土壤水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)，又稱土壤含水量、土壤含水率、土壤濕度等。（一）質(zhì)量含水量指土壤中的水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。通常將土壤在105℃~110℃條件下烘干測(cè)定，只含有吸濕水的土壤稱為風(fēng)干土(drysoil)，除去吸濕水的土壤稱為烘干土(ovensoil)。

水%=（風(fēng)干土重－烘干土重）／烘干土重×100烘干土重=風(fēng)干土重／（1+水%）風(fēng)干土重=烘干土重×（1+水%）

（二）容積含水量指單位總體積重水分所占的容積分?jǐn)?shù)，又稱容積濕度、土壤水的容積分?jǐn)?shù)。

容積含水量被廣泛使用，主要用于表示土壤水的深度比，即單位土壤深度內(nèi)水的深度（水層厚度，水mm）。水%=土壤水容積／土壤總?cè)莘e×100水v%=水%×容重水mm=水v%×土層厚度用水層厚度（水mm）來(lái)表示土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)在于與氣象資料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比較和換算。見(jiàn)下面實(shí)例：（三）相對(duì)含水量指土壤含水量占某一標(biāo)準(zhǔn)（田間持水量或飽和含水量）的百分?jǐn)?shù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的土壤含水量的表示方法，用于說(shuō)明土壤水的飽和程度、有效性等。土壤相對(duì)含水量=土壤含水量／田間持水量

容重為1.2g/cm3的土壤，初始含水量為10%，田間持水量為30%，降雨量為10mm，若全部入滲，可使多深的土層達(dá)到田間持水量？先將土壤含水量水w%換算為水v%初始含水量水v%=10%×1.2=12%田間持水量水v%=30%×1.2=36%水mm=水v%×土層厚度土層厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12)=41.7（mm）（四）土壤貯水量(方/畝)

1畝地土壤的貯水量(方/畝)計(jì)算公式為：方/畝=2/3水mm方/畝=水mm×1/1000×10000/15=2/3水mm這種水分表示方法的作用在于與灌溉水量的表示方法一致，便于計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容和田間的灌水量。三、水分含量的測(cè)定（P63-64，自學(xué)）（一）烘干法：經(jīng)典烘干法；快速烘干法。（二）中子法：原理見(jiàn)P63（三）TDR法：原理見(jiàn)P63-64（四）電阻法：原理見(jiàn)P64第二節(jié)土水勢(shì)土壤水分在土壤中的保持和運(yùn)動(dòng)，到被植物吸收、轉(zhuǎn)移利用和最終散發(fā)到大氣中等過(guò)程，都是與能量有關(guān)的現(xiàn)象。一、土水勢(shì)及其分勢(shì)（一）土水勢(shì)(soilwaterpotential)：指土壤水的自由能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水自由能的差值。（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水：純水、1個(gè)大氣壓、一定高度和溫度）以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水的自由能為零，土壤水的自由能與其比較的差值一般為負(fù)值。差值大，表明水不活躍，能量低；差值小，表明土壤水與自由水接近，水分活躍，能量高。水流動(dòng)方向：土水勢(shì)高（負(fù)值?。停ㄘ?fù)值大）。（二）土壤水勢(shì)分勢(shì)1、基質(zhì)勢(shì)（matricpotential,Ψm）

基質(zhì)勢(shì)也稱基模勢(shì)，是由土粒吸附力和毛管力所產(chǎn)生的。在土壤水不飽和情況下，非鹽堿化土壤的土水勢(shì)以基模勢(shì)為主。2、壓力勢(shì)（hydrostaticpotential,Ψp）

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水的壓力為1個(gè)大氣壓，但土壤水所受到的壓力，在局部地方就不一定為1個(gè)大氣壓。如果土壤中有水柱或水層，就有一定的靜水壓；懸浮于水中的物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的荷載壓。若存在上述狀況則Ψp為正值。3、溶質(zhì)勢(shì)(osmoticpotential,Ψs)

也稱滲透勢(shì)，由溶質(zhì)對(duì)水的吸附所產(chǎn)生。土壤水不是純水，其中有溶質(zhì)，而水分子是極性分子，與溶質(zhì)之間可產(chǎn)生靜電吸附，因此要產(chǎn)生溶質(zhì)勢(shì)。4、重力勢(shì)(gravitationalpotential,Ψg)

由重力作用產(chǎn)生的水勢(shì)。如果土壤水在參照面之上，則重力勢(shì)為正，反之，重力勢(shì)為負(fù)。5、總水勢(shì)(Ψt)

所有分勢(shì)的總和，即：Ψt=Ψm+Ψs+Ψg+Ψp（三）土壤水吸力(soilmoisturesuction)水吸力是指土壤水在承受一定吸附力情況下的能態(tài)，簡(jiǎn)稱吸力，但并不是指土壤對(duì)水的吸力?；|(zhì)勢(shì)m和溶質(zhì)勢(shì)s一般為負(fù)值，在使用中不太方便，所以將m和s的相反數(shù)(正數(shù))定義為吸力(S)，或分別稱之為基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力。由于在土壤水的保持和運(yùn)動(dòng)中，不考慮s，一般談及的吸力是指基質(zhì)吸力，其值與m相等，但符號(hào)相反，即S=-m。（四）土水勢(shì)的單位土水勢(shì)或水吸力的表示方法，以水柱高度的厘米數(shù)來(lái)表示最簡(jiǎn)便，最易理解?，F(xiàn)在國(guó)際計(jì)量統(tǒng)一使用的單位為帕(Pa)，與厘米的換算關(guān)系為：

標(biāo)準(zhǔn)壓力單位為帕(Pa)，常用百帕(hPa),兆帕(MPa=106Pa)=10bar1Pa=1.02×10-2cm水柱，1bar=1020cm水柱

1bar=1020cm水柱=105Pa=103hPa=10-1MPa1mbar=1hPa=1.02cm水柱二、土水勢(shì)的測(cè)定（P67-68自學(xué)）三、土壤水分特征曲線(soilwatercharacteristiccurve)土壤水分特征曲線是土壤水的能量指標(biāo)（水吸力）與數(shù)量指標(biāo)（含水量）的關(guān)系曲線。土壤水分特征曲線的應(yīng)用

1.用于土壤水吸力與含水量之間的換算不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同，但含水量不同，因而有效水的數(shù)量不同。2.用于各級(jí)孔徑、孔隙及其容積（V，%）的計(jì)算

D=3/T3.計(jì)算水容量（又稱比水容）指水吸力變化1個(gè)單位土壤吸入或釋出的水量(ml/bar·g)，即水分特征曲線的斜率（dθ/ds），可作為土壤供水能力的指標(biāo)。第三節(jié)土壤空氣一、土壤空氣組成氣體O2(%)CO2(%)N2(%)其它氣體(%)近地表大氣20.940.0378.050.98土壤空氣18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98土壤空氣與大氣組成含量的差異土壤空氣與近地表大氣組成，主要差別：（1）土壤空氣中的CO2含量高于大氣；（2）土壤空氣中的O2含量低于大氣；（3）土壤空氣中水汽含量一般高于大氣；（4）土壤空氣中含有較多的還原性氣體。二、土壤空氣的運(yùn)動(dòng)（一）土壤空氣的對(duì)流（convection）指土壤與大氣間由總壓力梯度推動(dòng)的氣體整體流動(dòng)，也稱質(zhì)流。對(duì)流由高壓區(qū)流向低壓區(qū)。影響土壤空氣對(duì)流的因素（1）氣壓變化：大氣壓上升，一部分空氣進(jìn)入土壤孔隙，大氣壓下降，土壤空氣膨脹，一部分土壤空氣進(jìn)入大氣。（2）溫度變化：土壤溫度高于大氣溫度時(shí)，土壤中的空氣進(jìn)入大氣，反之，則相反。（3）降水和灌溉：如土壤接受降水或灌溉，土壤含水量增加，孔隙中的空氣就進(jìn)入大氣，反之，則相反。（4）地表風(fēng)力：地表風(fēng)力大，土壤含水量下降，大氣中的空氣就進(jìn)入土壤孔隙。反之則相反。（二）土壤空氣的擴(kuò)散（diffusion）

指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)。是土壤與大氣交換的主要機(jī)制。土壤中CO2和O2的擴(kuò)散過(guò)程分氣相、液相兩部分。

氣相擴(kuò)散：通過(guò)充氣孔隙擴(kuò)散保持著大氣和土壤間的氣體交流作用。

液相擴(kuò)散：通過(guò)不同厚度水膜的擴(kuò)散。（1）土壤松緊度土壤孔隙度愈大，尤其是粗孔隙愈多，氣體擴(kuò)散通道愈大，擴(kuò)散的實(shí)際路徑愈小，土壤氣體的擴(kuò)散系數(shù)也愈大。（2）土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)

土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)決定著土壤的孔隙數(shù)量及孔隙大小，因而對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生影響。砂質(zhì)土和有良好結(jié)構(gòu)土壤粗孔隙多，相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)（D/Do）也高。（3）土壤含水量

相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)隨含水量的增加而減少，因?yàn)橥饪紫抖入S土壤含水量的增加而降低。影響土壤氣體擴(kuò)散的因素三、土壤通氣性（soilaeration）指土壤中的空氣與大氣中的空氣相互交換的能力。土壤空氣對(duì)作物生長(zhǎng)的影響1、土壤空氣影響種子萌發(fā)和根系的發(fā)育①種子萌發(fā)需水分與氧氣、氧氣不足爛種；②根系生長(zhǎng)需一定氧氣，氧氣含量低不長(zhǎng)新根，氧氣少爛根；③不同作物缺氧的忍耐力不同。2、土壤空氣影響土壤養(yǎng)分狀況①氧氣多少影響礦化，影響?zhàn)B分供給；②影響根對(duì)養(yǎng)分吸收，如玉米缺氧對(duì)養(yǎng)分吸收能力依下列次序遞減：K＞Ca＞Mg＞N＞P；③影響?zhàn)B分存在形態(tài)，一般氧化態(tài)養(yǎng)分易被作物吸收利用。3、土壤空氣影響植物抗病性通氣不良產(chǎn)生還原性氣體H2S、CH4、H2等會(huì)嚴(yán)重危害作物生長(zhǎng)，CO2過(guò)多致使土壤酸度增高，致使霉菌發(fā)育，植株生病。4、土壤通氣性的調(diào)節(jié)土壤通氣性好壞主要取決于土壤通氣孔隙的多少，調(diào)節(jié)土壤通氣性就要通過(guò)各種措施改善土壤孔隙狀況。①改良土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)；②耕作管理；③排水和灌溉第四節(jié)土壤熱量與熱性質(zhì)（一）土壤熱量來(lái)源1、太陽(yáng)輻射能(solarradiantenergy)：是土壤最基本的熱量來(lái)源2、生物熱(biotherm)：微生物分解有機(jī)質(zhì)所釋放的熱量3、地?zé)?terrestrialheat)：對(duì)土壤溫度的影響極小（二）土壤表面的輻射平衡及影響因素（P73-74自學(xué)）（三）土壤熱量平衡（P74-75自學(xué)）：了解圖示的意義一、土壤熱量來(lái)源與平衡（一）土壤熱容量(soilthermalcapacity)

重量熱容量(ponderancethermalcapacity)（Cp）：指單位重量土壤溫度升高1度所需的熱量（卡/克.度）。

容積熱容量(volumethermalcapacity)（Cv）：指單位容積的土壤溫度升高1度所需的熱量（卡/立方厘米.度）。

Cv=Cp×土壤容重二、土壤熱性質(zhì)（二）土壤導(dǎo)熱率(soi