三 土壤水、空气和热量

第三章土壤水、空气和热量

SoilWater,AirandThermalRegime土壤学资源环境学院土壤与植物营养学系主要内容教学目标与要求

1.土壤水分类型及土壤含水量表示方法2.土壤空气

3.土壤热量

4.土壤热性质

5.土壤温度1.掌握土壤水分类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.掌握土壤空气的组成与大气组成的差异及土壤空气运动的方式；3.了解土壤热量的来源，掌握土壤的三个热参数;4.理解土壤温度变化的影响因素。第一节土壤水分基本性质所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。土壤水是土壤的最重要组成部分之一；土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。研究土壤水在不同力的作用下的形态、数量的变化，包括土壤水的能态、运动和变化规律能量法数量法研究土壤水在不同力的作用下水分的形态、数量的变化规律和有效性一、土壤水分形态研究方法土壤水的类型固态水（化学结合水和冰）气态水（水汽）液态水吸湿水(hydroscopicwater)膜状水(membraneouswater)毛管水(capillarywater)重力水和地下水(gravitationalwaterandgravitationalwater)（一）土壤水的类型1、吸湿水(hydroscopicwater)又称土壤水中的紧束缚水，指土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分。特点：吸附力强，对水汽分子的吸附可达31至10000个大气压。吸湿性由土粒表面的分子引力、土壤胶体双电层中带电离子以及带电的固体表面静电引力与水分子作用所引起的。土壤质地越粘，比表面越大，吸湿能力越强。受空气湿度影响，空气相对湿度高，吸湿水含量也高。比重很大(约1.5)，无溶解能力，也不能移动，这些水分一般对植物无效。2、膜状水(membraneouswater)又称土壤液态水中的松束缚水，指土粒吸附力所保持的液态水，其在土粒周围形成连续水膜。特点：保持力较吸湿水低，一般在6.25～31大气压；水的密度较吸湿水小，无溶解性，移动缓慢，由水膜厚的地方往水膜薄的地方移动，速度仅0.2～0.4毫米/小时。膜状水对植物有效性低，仅部分有效。3、毛管水(capillarywater)

存在于毛管孔隙中为弯月面力所保持的水分称为毛管水。毛管水又分为两类：悬着毛管水：指不受地下水源补给影响的毛管水，即当大气降水或灌溉后土壤中所吸持的液态水。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，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部分水分。弯月面悬着毛管水支持毛管水土壤颗粒毛管水毛管水示意图4、重力水和地下水重力水(gravitationalwater)：当大气降水或灌溉强度超过土壤吸持水分的能力时，土壤的剩余引力基本上已经饱和，多余的水就由于重力的作用通过大孔隙向下流失。地下水(gravitationalwater)：如果土壤或母质中有不透水层存在，向下渗漏的重力水就会在它上面的土壤孔隙中聚集起来，形成一定厚度的水分饱和层，其中的水可以流动，成为地下水。（二）土壤水分常数(soilwaterconstant)

反映土壤水形态和性质转变点的几个特征性含水量，它们在一定程度上也反映了相当的土壤水能力水平。吸湿系数(hydroscopiccoefficient)凋萎系数(wiltingcoefficient)田间持水量(fieldcapacity)饱和含水量(saturatedwatercontent)毛管持水量(capillarycapacity)1、吸湿系数(hydroscopiccoefficient)也称最大吸湿量，指干土从相对湿度接近饱和的空气中吸收水汽的最大值，即吸湿水的最大量与烘干土重量的百分比。吸湿水的含量受空气相对湿度、土壤比表面积和有机质的影响，测定吸湿系数是在空气相对湿度98%(或99%)条件下，让土壤充分吸湿(通常为一周时间)，达到稳定后在105℃条件下烘干测定得到。土壤质地砂土砂壤土壤土粘土泥炭土最大吸湿量0.05~11~1.52~55~6.515以上不同质地类型土壤最大吸湿量（%）2、凋萎系数(wiltingcoefficient)

植物永久凋萎时的土壤含水量称为凋萎系数，用来表示植物可利用土壤水的下限。

土壤凋萎系数的大小，通常用吸湿系数的1.5~2.0倍来衡量。质地愈粘重，凋萎系数愈大。非活性孔度＝凋萎系数×容重3、田间持水量(fieldcapacity)

指降雨或灌溉后，多余的重力水已经排除，渗透水流已降至很低或基本停止时土壤所吸持的水量，即毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标，与土壤孔隙状况和有机质含量有关。计算土壤灌溉水量时以田间持水量为指标，既节约用水，又可避免超过田间持水量的水分在重力水下渗后，抬高地下水位。4、饱和含水量(saturatedwatercontent)指全部土壤孔隙充满水时的含水量，又称最大持水量。5、毛管持水量(capillarycapacity)毛管上升水达最大量时的土壤含水量。毛管上升水受地下水压影响，通常大于田间持水量。毛管持水量是计算土壤毛管孔隙度的依据。

毛管孔度＝毛管持水量×容重通气孔度＝总孔度－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难易程度。不能被植物吸收利用的水称为无效水(unavailablewater)，能被植物吸收利用的水称为有效水(availablewater)。有效水的范围是凋萎系数至田间持水量间的差值，即凋萎系数是土壤有效水的下限。土壤水的形态、能量和有效性的关系吸湿水田间持水量凋萎系数无效水有效水土壤有效水含量与土壤质地关系二、土壤水含量的表示方法土壤水分含量是表征土壤水分状况的一个指标，又称土壤含水量、土壤含水率、土壤湿度等。（一）质量含水量指土壤中的水分的质量与干土质量的比值。通常将土壤在105℃~110℃条件下烘干测定，只含有吸湿水的土壤称为风干土(drysoil)，除去吸湿水的土壤称为烘干土(ovensoil)。

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

（二）容积含水量指单位总体积重水分所占的容积分数，又称容积湿度、土壤水的容积分数。

容积含水量被广泛使用，主要用于表示土壤水的深度比，即单位土壤深度内水的深度（水层厚度，水mm）。水%=土壤水容积／土壤总容积×100水v%=水%×容重水mm=水v%×土层厚度用水层厚度（水mm）来表示土壤含水量的优点在于与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和换算。见下面实例：（三）相对含水量指土壤含水量占某一标准（田间持水量或饱和含水量）的百分数。农业生产上常用的土壤含水量的表示方法，用于说明土壤水的饱和程度、有效性等。土壤相对含水量=土壤含水量／田间持水量

容重为1.2g/cm3的土壤，初始含水量为10%，田间持水量为30%，降雨量为10mm，若全部入渗，可使多深的土层达到田间持水量？先将土壤含水量水w%换算为水v%初始含水量水v%=10%×1.2=12%田间持水量水v%=30%×1.2=36%水mm=水v%×土层厚度土层厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12)=41.7（mm）（四）土壤贮水量(方/亩)

1亩地土壤的贮水量(方/亩)计算公式为：方/亩=2/3水mm方/亩=水mm×1/1000×10000/15=2/3水mm这种水分表示方法的作用在于与灌溉水量的表示方法一致，便于计算水库库容和田间的灌水量。三、水分含量的测定（P63-64，自学）（一）烘干法：经典烘干法；快速烘干法。（二）中子法：原理见P63（三）TDR法：原理见P63-64（四）电阻法：原理见P64第二节土水势土壤水分在土壤中的保持和运动，到被植物吸收、转移利用和最终散发到大气中等过程，都是与能量有关的现象。一、土水势及其分势（一）土水势(soilwaterpotential)：指土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。（标准状态水：纯水、1个大气压、一定高度和温度）以标准状态水的自由能为零，土壤水的自由能与其比较的差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，水分活跃，能量高。水流动方向：土水势高（负值小）→低（负值大）。（二）土壤水势分势1、基质势（matricpotential,Ψm）

基质势也称基模势，是由土粒吸附力和毛管力所产生的。在土壤水不饱和情况下，非盐碱化土壤的土水势以基模势为主。2、压力势（hydrostaticpotential,Ψp）

标准状态水的压力为1个大气压，但土壤水所受到的压力，在局部地方就不一定为1个大气压。如果土壤中有水柱或水层，就有一定的静水压；悬浮于水中的物质也会产生一定的荷载压。若存在上述状况则Ψp为正值。3、溶质势(osmoticpotential,Ψs)

也称渗透势，由溶质对水的吸附所产生。土壤水不是纯水，其中有溶质，而水分子是极性分子，与溶质之间可产生静电吸附，因此要产生溶质势。4、重力势(gravitationalpotential,Ψg)

由重力作用产生的水势。如果土壤水在参照面之上，则重力势为正，反之，重力势为负。5、总水势(Ψt)

所有分势的总和，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况下的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。基质势m和溶质势s一般为负值，在使用中不太方便，所以将m和s的相反数(正数)定义为吸力(S)，或分别称之为基质吸力和溶质吸力。由于在土壤水的保持和运动中，不考虑s，一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反，即S=-m。（四）土水势的单位土水势或水吸力的表示方法，以水柱高度的厘米数来表示最简便，最易理解。现在国际计量统一使用的单位为帕(Pa)，与厘米的换算关系为：

标准压力单位为帕(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、土水势的测定（P67-68自学）三、土壤水分特征曲线(soilwatercharacteristiccurve)土壤水分特征曲线是土壤水的能量指标（水吸力）与数量指标（含水量）的关系曲线。土壤水分特征曲线的应用

1.用于土壤水吸力与含水量之间的换算不同土壤的水吸力相同，水分有效性相同，但含水量不同，因而有效水的数量不同。2.用于各级孔径、孔隙及其容积（V，%）的计算

D=3/T3.计算水容量（又称比水容）指水吸力变化1个单位土壤吸入或释出的水量(ml/bar·g)，即水分特征曲线的斜率（dθ/ds），可作为土壤供水能力的指标。第三节土壤空气一、土壤空气组成气体O2(%)CO2(%)N2(%)其它气体(%)近地表大气20.940.0378.050.98土壤空气18.0～20.030.15～0.6578.8～80.240.98土壤空气与大气组成含量的差异土壤空气与近地表大气组成，主要差别：（1）土壤空气中的CO2含量高于大气；（2）土壤空气中的O2含量低于大气；（3）土壤空气中水汽含量一般高于大气；（4）土壤空气中含有较多的还原性气体。二、土壤空气的运动（一）土壤空气的对流（convection）指土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动，也称质流。对流由高压区流向低压区。影响土壤空气对流的因素（1）气压变化：大气压上升，一部分空气进入土壤孔隙，大气压下降，土壤空气膨胀，一部分土壤空气进入大气。（2）温度变化：土壤温度高于大气温度时，土壤中的空气进入大气，反之，则相反。（3）降水和灌溉：如土壤接受降水或灌溉，土壤含水量增加，孔隙中的空气就进入大气，反之，则相反。（4）地表风力：地表风力大，土壤含水量下降，大气中的空气就进入土壤孔隙。反之则相反。（二）土壤空气的扩散（diffusion）

指土壤中气体分子因浓度梯度或分压不同而产生的移动。是土壤与大气交换的主要机制。土壤中CO2和O2的扩散过程分气相、液相两部分。

气相扩散：通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用。

液相扩散：通过不同厚度水膜的扩散。（1）土壤松紧度土壤孔隙度愈大，尤其是粗孔隙愈多，气体扩散通道愈大，扩散的实际路径愈小，土壤气体的扩散系数也愈大。（2）土壤质地和结构

土壤质地和结构决定着土壤的孔隙数量及孔隙大小，因而对气体扩散产生影响。砂质土和有良好结构土壤粗孔隙多，相对扩散系数（D/Do）也高。（3）土壤含水量

相对扩散系数随含水量的增加而减少，因为通气孔隙度随土壤含水量的增加而降低。影响土壤气体扩散的因素三、土壤通气性（soilaeration）指土壤中的空气与大气中的空气相互交换的能力。土壤空气对作物生长的影响1、土壤空气影响种子萌发和根系的发育①种子萌发需水分与氧气、氧气不足烂种；②根系生长需一定氧气，氧气含量低不长新根，氧气少烂根；③不同作物缺氧的忍耐力不同。2、土壤空气影响土壤养分状况①氧气多少影响矿化，影响养分供给；②影响根对养分吸收，如玉米缺氧对养分吸收能力依下列次序递减：K＞Ca＞Mg＞N＞P；③影响养分存在形态，一般氧化态养分易被作物吸收利用。3、土壤空气影响植物抗病性通气不良产生还原性气体H2S、CH4、H2等会严重危害作物生长，CO2过多致使土壤酸度增高，致使霉菌发育，植株生病。4、土壤通气性的调节土壤通气性好坏主要取决于土壤通气孔隙的多少，调节土壤通气性就要通过各种措施改善土壤孔隙状况。①改良土壤质地和结构；②耕作管理；③排水和灌溉第四节土壤热量与热性质（一）土壤热量来源1、太阳辐射能(solarradiantenergy)：是土壤最基本的热量来源2、生物热(biotherm)：微生物分解有机质所释放的热量3、地热(terrestrialheat)：对土壤温度的影响极小（二）土壤表面的辐射平衡及影响因素（P73-74自学）（三）土壤热量平衡（P74-75自学）：了解图示的意义一、土壤热量来源与平衡（一）土壤热容量(soilthermalcapacity)

重量热容量(ponderancethermalcapacity)（Cp）：指单位重量土壤温度升高1度所需的热量（卡/克.度）。

容积热容量(volumethermalcapacity)（Cv）：指单位容积的土壤温度升高1度所需的热量（卡/立方厘米.度）。

Cv=Cp×土壤容重二、土壤热性质（二）土壤导热率(soi