第四章 土壤水分的能态

第四节 土壤水能态测定方法
有多种方法， 有多种方法，如：张力计法、压力膜法、 张力计法、压力膜法、 冰点下降法、水气压法等。 冰点下降法、水气压法等。它们的适宜 范围不同。 范围不同。 最常测定的是基质势，仪器为张力计。 最常测定的是基质势，仪器为张力计。
基质势的测定 （1）张力计法。 张力计法。 主要原理是将充满水的带有陶土滤杯 孔径在1.0 1.5um的细孔 1.0— 的细孔） （孔径在1.0—1.5um的细孔）的金属 管埋入土中， 管埋入土中，水可通过细孔与土壤水 接触，水分由细孔进入土壤。 接触，水分由细孔进入土壤。 金属管上端连接金属表， 金属管上端连接金属表，水分由瓷杯细 孔进入土壤后，管内形成负压， 孔进入土壤后，管内形成负压，真空 压力计上的负压读数即代表管外土壤 水吸力。 水吸力。
土壤含水量与土壤水吸力关系
土壤含水量与土壤水吸力呈负相关， 土壤含水量与土壤水吸力呈负相关，随 含水量升高，土壤水吸力降低。 含水量升高，土壤水吸力降低。 含水量相同时，不同质地土壤水吸力大 含水量相同时， 小顺序为： 小顺序为： 粘土>壤土 壤土>砂土 粘土 壤土 砂土 土壤水吸力相同时， 土壤水吸力相同时，不同质地土壤含水 量大小顺序为： 量大小顺序为： 粘土>壤土 壤土>砂土 粘土 壤土 砂土
土水势研究土壤水的优点
可以作为判断各种 土壤水分能态的统一标准 和尺度； 和尺度； 水势的数值可以在土壤—植物— 水势的数值可以在土壤—植物—大气之间统一使 把土水势、根水势、叶水势等统一比较， 用，把土水势、根水势、叶水势等统一比较，判 断它们之间的水流方向，速度和土壤水的有效性； 断它们之间的水流方向，速度和土壤水的有效性； 对土壤水势的研究还能提供一些更为精确的测定 手段。 手段。
土壤水是否有效及其有效程度如何，在很大程度上决定于土壤 土壤水是否有效及其有效程度如何， 水吸力和根吸力的对比。一般土壤水吸力大于根吸力则为无效水， 水吸力和根吸力的对比。一般土壤水吸力大于根吸力则为无效水， 反之为有效水。 反之为有效水。
第三节 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 含水量的变化而变化的。 含水量的变化而变化的。它们之间的关 系曲线称为土壤水分特征曲线或 系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持 水曲线。 水曲线。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
张力计只能测定土壤的基质势。 张力计只能测定土壤的基质势。测定范 围在-8*104—-8.5*104Pa以下。 围在 以下。 以下 田间植物可吸收的水分大部分在张力计 可测定范围之内。 可测定范围之内。
基质势的测定 （2）压力板或压力膜法 在土壤水吸力低于80KPa时 在土壤水吸力低于80KPa时，可以用张力 计来测定基膜势；如高于80KPa时 计来测定基膜势；如高于80KPa时，空 气有可能从陶土杯的孔隙中透出。 气有可能从陶土杯的孔隙中透出。 在水势超过-80KPa时 在水势超过-80KPa时，应使用压力膜或 压力板。 压力板。
（五）总土水势
土水势代表土壤水分总的能量水平。 土水势代表土壤水分总的能量水平。土水势 的绝对值越小，土壤水分的能量水平就越高。 的绝对值越小，土壤水分的能量水平就越高。 土壤水总是从土水势高向低处移动。 土壤水总是从土水势高向低处移动。 如果只考虑土壤水分运动，而不考虑植物对 如果只考虑土壤水分运动， 水的吸收，溶质势可以忽略。 水的吸收，溶质势可以忽略。其余三个分势 和称为水力势： 和称为水力势： ψh = ψm+ ψp+ ψg
（四）重力势（ψg） 重力势（
土壤水由于其所处的位置不同， 土壤水由于其所处的位置不同，因重力 影响而产生的势能也不同， 影响而产生的势能也不同，有此而产生 的水势称为重力势。 的水势称为重力势。 重力势可正可负， 重力势可正可负，它是与参照面相对而 言的。 言的。参照面以上的土壤水重力势为正 参照面以下的为负值。 值，参照面以下的为负值。 通常选择剖面内部或底面边界。 通常选择剖面内部或底面边界。
土壤水的“ 土壤水的“能”，只考虑它的势能。 只考虑它的势能。 由于土壤水的运动速度很慢， 由于土壤水的运动速度很慢，它的动能 可以忽略不计。 可以忽略不计。而由于位置和内部状况 所产生的势能， 所产生的势能，在决定土壤水的状态和 运动方面十分重要。 运动方面十分重要。
物体从势能高处向低处移动， 物体从势能高处向低处移动，从自由能 高处向自由能低处移动。 高处向自由能低处移动。 进入土壤的自由水， 进入土壤的自由水，由于受到各种力的 作用，它的活动能力减弱了。换句话说， 作用，它的活动能力减弱了。换句话说， 与相同条件下的纯自由水相比， 与相同条件下的纯自由水相比，土壤水 所含的能量降低了。 所含的能量降低了。 如果把同样温度、高度和大气压等条件 如果把同样温度、 条件的纯自由水的水势等为零， 条件的纯自由水的水势等为零，则土水 势为负值。 势为负值。
（一）基质势（基模势，ψm） 基质势（基模势，
土壤的基质吸力是由于由土粒分子吸力和毛管 土壤的基质吸力是由于由土粒分子吸力和毛管 力作用下（即吸附力和弯月面力）所降低的势 力作用下（即吸附力和弯月面力） 是最主要的土水势组成部分，成为基质势。 能，是最主要的土水势组成部分，成为基质势。 一般以纯自由水的水势为零作为参比标准， 一般以纯自由水的水势为零作为参比标准，所 以基质势是负值。 以基质势是负值。 含水量越高，基质势的绝对值越低。 含水量越高，基质势的绝对值越低。 当土壤水分处于饱和状态时，基质势趋于零。 当土壤水分处于饱和状态时，基质势趋于零。 因此， 因此，基质势对非饱和土壤的水势运动和保持 有极其重要的作用。 有极其重要的作用。
压力势（ （二) 压力势（ψp）
在饱和状态下，土壤水份所承受的压力与参照 在饱和状态下， 水面的差值，称为压力势。 水面的差值，称为压力势。 不饱和土壤中水的压力势等于零。 不饱和土壤中水的压力势等于零。只有在饱和 土壤中，土壤水已经形成连续体的情况下， 土壤中，土壤水已经形成连续体的情况下，土 壤水才存在压力势。 壤水才存在压力势。 压力势大于参比标准，所以压力势恒为正值。 压力势大于参比标准，所以压力势恒为正值。 同一土壤剖面中，深度越大，压力势越大。 同一土壤剖面中，深度越大，压力势越大。
上述单位之间的关系是： 上述单位之间的关系是： 1Pa=0.0102厘米水柱 厘米水柱 1atm=1033厘米水柱 厘米水柱=1.0133bar 厘米水柱 1bar=0.9896atm=1020厘米水柱 厘米水柱
（七）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。 的能态。 土壤水吸力不是指土壤对水的吸力。 土壤水吸力不是指土壤对水的吸力。 上面讨论的基质吸力和溶质吸力一般为 负值，在使用中不太方便。 负值，在使用中不太方便。所以将二者 之和的绝对值定义为吸力（ ）。 ）。也可以 之和的绝对值定义为吸力（S）。也可以 分别称之为基质吸力和溶质吸力。 分别称之为基质吸力和溶质吸力。 土壤水总是从吸力低处向吸力高处流动。 土壤水总是从吸力低处向吸力高处流动。
土壤-植物 大气系统 土壤 植物-大气系统 植物 土壤水分有效性是一个与大气条件紧密 相连的问题，应该从土壤-植物 植物-大气这 相连的问题，应该从土壤 植物 大气这 个动态系统来阐明土壤水分的有效性。 个动态系统来阐明土壤水分的有效性。 只要根系吸收水分的速率能平衡蒸腾损 耗水分的速率，植物就能正常生长， 耗水分的速率，植物就能正常生长，土 壤水分就是有效的。 壤水分就是有效的。 一旦根系吸水速率低于蒸腾速率，植物 一旦根系吸水速率低于蒸腾速率， 就失水，并且迅速凋萎。 就失水，并且迅速凋萎。此时土壤水分 就是无效的。 就是无效的。
第二节 土壤水势
土壤水势 soil water potential
定义：土壤水受土壤颗粒的吸附力、 定义：土壤水受土壤颗粒的吸附力、重力和溶质渗 透力作用而产生的势能总和。 透力作用而产生的势能总和。
与自然界其它物体一样， 与自然界其它物体一样，土壤水具有不同数量和形式的能 量。 任何一个土——水平衡系统 都有与之相关的能量。 水平衡系统， 任何一个土——水平衡系统，都有与之相关的能量。单位 数量的水由一个平衡系统转移到另一个系统，所做的功， 数量的水由一个平衡系统转移到另一个系统，所做的功， 就称为土水势。是表示土壤水能量状态常用的名称。 就称为土水势。是表示土壤水能量状态常用的名称。 土壤水所具有的势能，即可逆地和等温地， 土壤水所具有的势能，即可逆地和等温地，在大气压下从 特定高度的纯水池移极少量的水到土壤水中， 特定高度的纯水池移极少量的水到土壤水中，单位数量纯 水所须做的功。 水所须做的功。
所谓土水势， 所谓土水势，就是指土壤水的势能与纯 自由水的能量之差。 自由水的能量之差。 从热力学角度出发， 从热力学角度出发，可以将土壤水的势 能看成是土壤水和标准水之间化学势的 差异。 差异。 水势是除温度以外的所有影响水的化学 势的各种因素之和。因此， 势的各种因素之和。因此，土水势由各 种分势组成：包括基质势、压力势、 种分势组成：包括基质势、压力势、溶 质势、重力势等分势。 质势、重力势等分势。 ψ = ψm+ ψp+ ψs+ ψg….
（三）溶质势（ψs） 溶质势（
由于土壤溶质对土壤水的作用而引起的 水分势值的降低，称为溶质势。 水分势值的降低，称为溶质势。 其数值与渗透压相等，符号相反， 其数值与渗透压相等，符号相反，为负 值。 土壤中没有半透膜，所以溶质势对土壤 土壤中没有半透膜， 水本身的运动并没有什么作用， 水本身的运动并没有什么作用，但对根 系吸水有影响。 系吸水有影响。
土壤水分特征曲线示意图
不同土壤的水分特征曲线
(低吸力脱湿过程 低吸力脱湿过程) 低吸力脱湿过程
2、土壤水分特征曲线意义： 土壤水分特征曲线意义： 第一，不同质地土壤达到萎蔫系数和田间 第一， 持水量时，但土壤水吸力相似。 持水量时，但土壤水吸力相似。达到萎 蔫系数时，土壤水吸力为15atm 15bar， 15atm或 蔫系数时，土壤水吸力为15atm或15bar， pF为4.2；达到田间持水量时， pF为4.2；达到田间持水量时，土壤水吸 力为0.3atm 0.3bar；pF为2.8。 0.3atm或 力为0.3atm或0.3bar；pF为2.8。 第二，不同质地土壤含水量相同时， 第二，不同质地土壤含水量相同时，其吸 水力相差很大。对植物的有效性不同。 水力相差很大。对植物的有效性不同。