土壤水、空氣和熱量

1、第五章 土壤水、空氣和熱量 主要教學(xué)目標(biāo)：學(xué)會分析土壤肥力要素水、氣、熱之間的關(guān)系。由于土壤水分的重要作用，因此首先要求學(xué)生掌握土壤水的形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)和能量學(xué)觀點(diǎn)。在基本知識掌握的基礎(chǔ)上，并能系統(tǒng)地處理土壤水、氣、熱三者的相互關(guān)系和調(diào)節(jié)措施。 主要內(nèi)容：第一節(jié) 土壤水的類型第二節(jié) 土壤水分含量的表示方法第三節(jié) 土壤水分能量的分析第四節(jié) 土壤水分的管理與調(diào)節(jié)第五節(jié) 土壤空氣和熱量第六節(jié) 土壤水、氣、熱的相互關(guān)系 第一節(jié) 土壤水的類型 土壤學(xué)中的土壤水是指在一個大氣壓下，在105條件下能從土壤中分離出來的水分。土壤中液態(tài)水?dāng)?shù)量最多，對植物的生長關(guān)系最為密切。液態(tài)水類型的劃分是根據(jù)水分受力的不同來劃分的

2、，這是水分研究的形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)。這一觀點(diǎn)在農(nóng)業(yè)、水利、氣象等學(xué)科和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。一、吸濕水 土壤顆粒從空氣中吸收的汽態(tài)水分子。 從室外取土，放在室內(nèi)風(fēng)干若干時間后，表面上看似乎干燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量會減輕；再放置到常溫常壓下，土壤重量又會增加，這表明土壤吸收了空氣中的水汽分子。 土壤的吸濕性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般來說，土壤中吸濕水的多少，取決于土壤顆粒表面積大小和空氣相對濕度。由于這種作用的力非常大，最大可達(dá)一萬個大氣壓，所以植物不能利用此水，稱之為緊束縛水。二、膜狀水土粒吸足了吸濕水后，還有剩余的吸引力，可吸引一部分液態(tài)水成水膜狀附著在土粒表面，這種水分稱為

3、膜狀水。重力不能使膜狀水移動，但其自身可從水膜較厚處向水膜較薄處移動，植物可以利用此水。但由于這種水的移動非常緩慢（0.20.4mm/d），不能及時供給植物生長需要，植物可利用的數(shù)量很少。當(dāng)植物發(fā)生永久萎蔫時，往往還有相當(dāng)多的膜狀水。三、毛管水當(dāng)把一個很細(xì)的管子（毛細(xì)管）插入水中后，水分可以上升的較高于水平面，并保持在毛細(xì)管中。毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的液態(tài)水。毛管水可以有毛管力小的方向移向毛管力大的方向，毛管力的大小可用Laplace公式計算： P = 2T/r式中的P為毛管力，T為水的表面張力，r為毛管半徑。根據(jù)毛管水是否與地下水相連，可分為2種類型：毛管懸著水：降水或灌溉后

4、，由地表進(jìn)入土壤被保存在土壤中的毛管水。毛管上升水：或毛管支持水，土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水。影響毛管上升水的因素：地下水水位和毛管孔隙狀況毛管水上升高度用下式計算： H=75/d，d為土粒平均直徑（上升高度與顆粒直徑間關(guān)系見p142的附表）。若假設(shè)土粒的d為0.001毫米，據(jù)公式得出H為75米，但這個數(shù)據(jù)無法從實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。實(shí)際上，一般毛管水的上升高度不超過34米，這可能是由于毛管直徑太小，當(dāng)達(dá)到一定長度后，很容易被堵塞。四、重力水降水或灌溉后，不受土粒和毛管力吸持，而在重力作用下向下移動的水，稱為重力水。植物能完全吸收重力水，但由于重力水很快就流失（一般兩天就會從土壤

5、中移走），因此利用率很低。五、地下水在土壤中或很深的母質(zhì)層中，具有不透水層時，重力水就會在此層之上的土壤孔隙中聚積起來，形成水層，這就是地下水。在干旱條件下，土壤水分蒸發(fā)快，如地下水位過高，就會使水溶性鹽類向上集中，使含鹽量增加到有害程度，即所謂的鹽漬化；在濕潤地區(qū)，如地下水位過高，就會是土壤過濕，植物不能生長，有機(jī)殘體不能分解，這就是沼澤化。第二節(jié) 土壤水分含量的表示方法一、土壤絕對含水量1、重量百分?jǐn)?shù)：土壤水分的重量占烘干土的百分率。2、體積百分?jǐn)?shù)：土壤容積含水量%=土壤重量含水量*容重意義：可反映土壤孔隙的充水程度，可計算土壤的固、液、氣相的三相比。如土壤含水量（重量）20%，容重為1.

6、2。則土壤容積含水量為20%*1.2=24.0% 土壤總孔隙度=11.2/2.65=55% 空氣所占體積為55%24%=31% 固相體積為10055%=45%。3、土壤蓄水量（立方米/畝）=每畝面積（平方米）*土層深度*土壤容重*土壤重量含水量 如土壤田間持水量為25%（重量），容重1.1。測得土壤自然含水量為10%，現(xiàn)將沒畝1米深的土層內(nèi)含水量提高到田間持水量水平，問應(yīng)灌多少水（立方米/畝）應(yīng)灌水量（立方米/畝）=666.6*1*1.1*（25%10%）=110立方米/畝4、水層厚度：單位面積上一定土層厚度內(nèi)含有的水層厚度，可與雨量相比。水層厚度(mm)=土層厚度（h）*土壤容重（d）*重量

7、百分?jǐn)?shù)%*105、水體積：水層厚度乘以面積。二、土壤相對含量土壤水分含量占飽和含水量的百分比或占田間持水量的百分比。三、水分常數(shù)：土壤含水量根據(jù)受土壤各種力的作用達(dá)到某種程度的水量，對于同一土壤來說，此時的含水量基本不變，稱為土壤水分常數(shù)，又叫水分特征值，它是一些與植物吸收水分有關(guān)系的數(shù)值。1、吸濕系數(shù)（最大吸濕水量）是在相對濕度接近飽和空氣時，土壤吸收水汽分子的最大量與烘干土重的百分率。2、凋萎系數(shù)當(dāng)植物產(chǎn)生永久凋萎時的土壤含水量。此時土壤水主要是全部的吸濕水和部分膜狀水。 經(jīng)驗(yàn)公式凋萎系數(shù)=吸濕系數(shù)*（1.341.5）3、田間持水量當(dāng)土壤被充分飽和后，多余的重力水已經(jīng)滲漏，滲透水流已降至很

8、低甚至停止時土壤所持的含水量。此時水分類型包括吸濕水、膜狀水和全部毛管懸著水。田間持水量=吸濕系數(shù)*2.5測定方法（野外）：在野外地里灌水后，鋪上枯枝落葉防止蒸發(fā)，兩天后，重力水下滲，這時所測得的土壤含水量就是田間持水量。4、全容水量土壤完全為水所飽和時的含水量，此時土壤水包括吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水。水分基本充滿了土壤孔隙，在自然條件下，水稻土、沼澤土或降雨、灌溉量較大時可達(dá)到全容水量。4、有效水含量 土壤中的水分，并不是全部能被植物的根系吸收利用。土壤水的有效性是指土壤水被植物吸收利用的狀況。一般情況下： 最大有效含水量（%）= 田間含水量%凋萎系數(shù)% 有效水分含量（%）= 自然含水

9、量% 凋萎系數(shù)%能被植物利用的有效水的數(shù)量比較復(fù)雜，受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、土壤層位及有機(jī)質(zhì)含量的影響較大。第三節(jié) 土壤水分能量的分析一、土水勢 土壤水和自然界其他物體一樣，含有不同數(shù)量和形式的能，處于一定的能量狀態(tài)，能自發(fā)地從能量較高的地方向能量較低的地方移動。土水勢是表示土壤水能量狀態(tài)常用的名稱。土壤水的“能”包括動能和勢能，但由于土壤水在土壤中的移動速度緩慢，所以只考慮它的勢能。勢能是由力場中的位置決定的。土壤水分由于受各種力的影響，其勢能必然會發(fā)生變化，表現(xiàn)為水分的自由能降低。如果要把水從土壤中抽出，必然要施以相應(yīng)的力作相應(yīng)的功，以克服土壤中對水作用的各種力量。土水勢就是土壤水在各種力的作用

10、下勢能的變化。由于作用力不同，土水勢可以分為幾個分勢：基質(zhì)勢：由土粒分子吸水和毛管力作用下所降低的勢能，是最主要的土水勢組成部分。滲透勢：土壤水中溶質(zhì)所降低的勢能，在一般土壤中忽略不計。重力勢：在淹水條件下，由于重力作用水向下滲漏時產(chǎn)生。土水勢是上述各分勢的代數(shù)和。二、土壤水吸力1、概念：土壤水承受一定吸力的情況下所處的能態(tài)。在概念上并不是土壤對水的吸力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍用土壤對水的吸力來表示。在數(shù)值上相當(dāng)于土水勢的基質(zhì)分勢和滲透分勢。2、表示單位：用壓力作單位，即大氣壓或厘米水柱高；由于厘米水柱高數(shù)據(jù)太大，用起來不方便，這里采用了pF值，即用厘米水柱高的對數(shù)值來表示。3、測定方法 主要應(yīng)用張

11、力計法。主要原理是將充滿水的帶有素?zé)杀ㄌ胀翞V杯）的金屬管埋入土中，素?zé)杀锌讖皆?.01.5um之間的細(xì)孔，瓷杯和管內(nèi)充滿水，水可通過細(xì)孔與土壤水接觸，當(dāng)土壤水勢小于瓷杯內(nèi)水勢時，水分由細(xì)孔進(jìn)入土壤。金屬管上端連接金屬表，水分由瓷杯細(xì)孔進(jìn)入土壤后，管內(nèi)形成負(fù)壓，當(dāng)內(nèi)外水勢相等時，真空壓力計上的負(fù)壓讀數(shù)即代表管外土壤水吸力。三、土壤水分特征曲線1、 概念： 土壤水分含量和土壤水吸力是一個連續(xù)函數(shù)，土壤水分特征曲線就是以土壤含水量為橫坐標(biāo)，以土壤水吸力為縱坐標(biāo)繪制的相關(guān)曲線。 土壤的水吸力或pF值越大，土壤水所受的吸力也越大，對植物的有效性就越小，當(dāng)土壤對水的吸力超過了植物根系對土壤水的吸力

12、說，即pF值大于4.5時，土壤水分就處于無效狀態(tài)。土壤水分含量高，土壤水的吸力越低，土壤水本身的勢能就高，土壤水的可移動性和對植物的有效性就強(qiáng)。2、土壤水分特征曲線可說明兩個問題： 第一，不同質(zhì)地土壤達(dá)到萎蔫系數(shù)和田間持水量時，實(shí)際的含水量相差很大，但土壤水吸力相似。達(dá)到萎蔫系數(shù)時，土壤水吸力為15atm或15bar，pF為4.2；達(dá)到田間持水量時，土壤水吸力為0.3atm或0.3bar；pF為2.8。第二，不同質(zhì)地土壤含水量相同時，其吸水力相差很大。第四節(jié) 土壤水分的管理與調(diào)節(jié)一、土壤水分的測定方法定量測定方法1、洪干法（標(biāo)準(zhǔn)法）2、中子儀法3、時域反射儀（Time Domain Refle

13、ctometry TDR）4、張力計、電阻法、石膏法5、壓力膜 二、影響土壤水分狀況的因素1、 氣候：降雨量和蒸發(fā)量是兩個相互矛盾的重要因素，在一定條件下，難以人為控制。2、 植被：植被的蒸騰消耗土壤的水分，而植被可以通過降低地表徑流來增加土壤水分。3、 地形和水文條件：地形地勢的高低，影響土壤的水分。在園林綠化生產(chǎn)中，要注意平整土地。對易遭水蝕的地方，要注意修成水平梯田。4、 土壤的物理性質(zhì)：土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤松緊度、有機(jī)質(zhì)含量都對土壤水分的入滲、流動、保持、排除以及蒸發(fā)等，產(chǎn)生重要的影響。在一定程度程度上，決定著土壤的水分狀況。與氣候因素相比，土壤物理性質(zhì)是比較容易改變的而且是行之有

14、效的。5、 人為影響：主要是通過灌溉、排水等措施，調(diào)節(jié)土壤的水分含量。三、土壤水分的調(diào)節(jié)1、灌溉和排水2、耕作 3、施有機(jī)肥4、地面覆蓋 地膜覆蓋，有很高的保墑、增溫效果。對裸露的地方用小石塊、粗沙或草炭、枯枝落葉、作物秸桿覆蓋。種植地被植物。5、土壤增溫保墑劑土壤增溫保墑劑化學(xué)成分：高分子脂肪類經(jīng)皂化后的產(chǎn)物，黑色。作用：防止地表蒸發(fā)，增加地表蒸發(fā)，增加地表溫度。使用方法：稀釋后，直接噴灑在土壤表面。國外的“TAB”是一種高效的土壤保濕劑。遇水時，微粒體積可膨脹30多倍，能吸收超過自身重3001000倍的水分，其中絕大部分可供植物吸收。第五節(jié) 土壤空氣部分一、土壤空氣的組成近地大氣組成：氧氣

15、20.94% 二氧化碳0.03% 氮?dú)?8.08% 其他氣體0.95% 相對濕度6090%。土壤空氣組成：氧氣10.3520.03% 二氧化碳0.150.65% 氮?dú)?8.880.2% 相對濕度100%土壤孔隙和土壤含水量影響土壤空氣數(shù)量二、土壤的通氣性的生態(tài)意義1、 對植物的直接影響為植物的呼吸作用，提供必需的氧氣。在通氣良好的條件下，土壤中的根系長、顏色淺、根毛多，根的生理活動旺盛。缺氧時，根系短而粗、色暗、根毛大量減少，生理代謝受阻。當(dāng)土壤空氣中，氧的濃度低于9%10%時，根系發(fā)育就受到影響。低于5%時，大部分的植物根系就會停止發(fā)育。2、 對土壤微生物生命活動和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響通氣良好時，好氣微生物活動旺盛，有機(jī)質(zhì)分解迅速、徹底，植物可吸收利用較多的速效養(yǎng)分。通氣不良時，有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分釋放慢，還會產(chǎn)生有毒的還原物質(zhì)（如硫化氫、磷化氫等）。三、緊實(shí)土壤的改良人為踐踏、機(jī)械壓實(shí)以及有機(jī)質(zhì)缺乏、結(jié)構(gòu)不良等引起的土壤緊實(shí)現(xiàn)象在城市綠地中異常突出。改良措施：松土 可采用人工、機(jī)械、爆破以及生物方式。施用抗緊實(shí)的物料：粗有機(jī)物料、膨化巖類。采用通氣透水的鋪裝方式強(qiáng)化地下通氣的措施本章重點(diǎn)：掌握土壤液態(tài)水的類型及其土壤水分含量的表示方法；掌握土壤水吸力的測定方法和土壤水分特征曲線的含義。本章難點(diǎn)：是各種液態(tài)水分類型劃分的依據(jù)，以及對土壤水分能量觀點(diǎn)的理解。有