第四章 土壤水分的能态1

第五节 土壤水的运动
• 液态水运动 • 汽态水运动
一、土壤液态水运动
• 饱和水运动 • 不饱和水运动
（一）饱和流
土壤被水所饱和时产生的水分运动。 • 土壤被水所饱和时产生的水分运动。 • 按照饱和水运动的方向，可以将其分为垂直向下饱和运 按照饱和水运动的方向， 垂直向上饱和运动和水平饱和运动。 动、垂直向上饱和运动和水平饱和运动。 在田间常见到的是垂直向下的饱和运动。 • 在田间常见到的是垂直向下的饱和运动。 饱和水运动的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度。 • 饱和水运动的推动力主要是重力势梯度和压力势梯度。
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。 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。 和标准水之间化学势的差异。 • 水势是除温度以外的所有影响水的化学势的各种因素之 因此，土水势由各种分势组成：包括基质势、 和。因此，土水势由各种分势组成：包括基质势、压力 溶质势、重力势等分势。 势、溶质势、重力势等分势。 ψ = ψm+ ψp+ ψs+ ψg….
土壤-植物 大气系统 土壤 植物-大气系统 植物 土壤水分有效来自百度文库是一个与大气条件紧密相连的问题， • 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-大气这个动态系统来阐明土壤水分的有效 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。 只要根系吸收水分的速率能平衡蒸腾损耗水分的速率， • 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，土壤水分就是有效的。 植物就能正常生长，土壤水分就是有效的。 一旦根系吸水速率低于蒸腾速率，植物就失水， • 一旦根系吸水速率低于蒸腾速率，植物就失水，并且迅 速凋萎。此时土壤水分就是无效的。 速凋萎。此时土壤水分就是无效的。
（六）土壤水能态的定量表示
单位容积土壤水的势能值用压力表示， • 单位容积土壤水的势能值用压力表示，标准单位帕 (Pa)，或千帕（KPa），兆帕（MPa），习惯上也曾用 ），兆帕 ），习惯上也曾用 ，或千帕（ ），兆帕（ ）， 巴（bar）和大气压（atm）表示。 ）和大气压（ ）表示。 • 单位重量的土壤水的势能值用相当于一定压力的水柱高 厘米数表示。 厘米数表示。
（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 称为溶质势。 低，称为溶质势。 其数值与渗透压相等，符号相反，为负值。 • 其数值与渗透压相等，符号相反，为负值。 土壤中没有半透膜， • 土壤中没有半透膜，所以溶质势对土壤水本身的运动并 没有什么作用，但对根系吸水有影响。 没有什么作用，但对根系吸水有影响。
土水势研究土壤水的优点
土壤水分能态的统一标准和尺度； 可以作为判断各种 土壤水分能态的统一标准和尺度； 水势的数值可以在土壤¡ª植物 大气之间统一使用，把土水势、 植物¡ª大气之间统一使用 水势的数值可以在土壤 植物 大气之间统一使用，把土水势、 根水势、叶水势等统一比较，判断它们之间的水流方向， 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； 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。 对土壤水势的研究还能提供一些更为精确的测定手段。
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持水量时， 第一，不同质地土壤达到萎蔫系数和田间持水量时，但土 壤水吸力相似。达到萎蔫系数时，土壤水吸力为15atm或 15atm 壤水吸力相似。达到萎蔫系数时，土壤水吸力为15atm或 15bar pF为 bar， 达到田间持水量时， 15bar，pF为4.2；达到田间持水量时，土壤水吸力为 atm或 bar；pF为 0.3atm或0.3bar；pF为2.8。 第二，不同质地土壤含水量相同时，其吸水力相差很大。 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。 对植物的有效性不同。
第四节 土壤水能态测定方法
有多种方法， 张力计法、压力膜法、冰点下降法、 • 有多种方法，如：张力计法、压力膜法、冰点下降法、 水气压法等。它们的适宜范围不同。 水气压法等。它们的适宜范围不同。 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 张力计法。 （1）张力计法。 主要原理是将充满水的带有陶土滤杯（孔径在1 主要原理是将充满水的带有陶土滤杯（孔径在1.0—1.5um 1.5um 的细孔）的金属管埋入土中， 的细孔）的金属管埋入土中，水可通过细孔与土壤水接 水分由细孔进入土壤。 触，水分由细孔进入土壤。 金属管上端连接金属表，水分由瓷杯细孔进入土壤后， 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， 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。
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。它们之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线或 变化的。 土壤持水曲线。 土壤持水曲线。 土壤水分特征曲线 概念： 1、概念： 就是以土壤含水量为横坐标， 就是以土壤含水量为横坐标，以土壤水吸力为纵坐标绘制 的相关曲线。 的相关曲线。 土壤水分含量低，土壤水的能量低，水吸力大。 土壤水分含量低，土壤水的能量低，水吸力大。土壤水的 可移动性和对植物的有效性就弱。 可移动性和对植物的有效性就弱。
移极少量的水到土壤水中，单位数量纯水所须做的功。 移极少量的水到土壤水中，单位数量纯水所须做的功。
土壤水的“能 ，只考虑它的势能。 • 土壤水的 能”，只考虑它的势能。 • 由于土壤水的运动速度很慢，它的动能可以忽略不计。 由于土壤水的运动速度很慢，它的动能可以忽略不计。 而由于位置和内部状况所产生的势能， 而由于位置和内部状况所产生的势能，在决定土壤水的 状态和运动方面十分重要。 状态和运动方面十分重要。 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。 处移动。 进入土壤的自由水，由于受到各种力的作用， • 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， 能力减弱了。换句话说，与相同条件下的纯自由水相 土壤水所含的能量降低了。 比，土壤水所含的能量降低了。 如果把同样温度、 • 如果把同样温度、高度和大气压等条件条件的纯自由水 的水势等为零，则土水势为负值。 的水势等为零，则土水势为负值。
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，随含水量升高， • 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。 壤水吸力降低。 含水量相同时，不同质地土壤水吸力大小顺序为： • 含水量相同时，不同质地土壤水吸力大小顺序为： 粘土>壤土 壤土>砂土 粘土 壤土 砂土 土壤水吸力相同时，不同质地土壤含水量大小顺序为： • 土壤水吸力相同时，不同质地土壤含水量大小顺序为： 粘土>壤土 壤土>砂土 粘土 壤土 砂土
宋体
第一节
概述
土壤水分 土壤的液相是土壤溶液， 土壤的液相是土壤溶液，由水和溶解于水中的物质 组成。土壤溶液处于固——液与液 液与液——气界面之间。它 气界面之间。 组成。土壤溶液处于固 液与液 气界面之间 可能以固体上的一层膜存在，当液体多时， 可能以固体上的一层膜存在，当液体多时，就成为孔隙 水了。 水了。
张力计只能测定土壤的基质势。测定范围在-8*104—• 张力计只能测定土壤的基质势。测定范围在 8.5*104Pa以下。 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。 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，可以用张力计来测定基膜 在土壤水吸力低于 时 如高于80KPa时，空气有可能从陶土杯的孔隙中透 势；如高于 时 出。 在水势超过-80KPa时，应使用压力膜或压力板。 在水势超过 时 应使用压力膜或压力板。
（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力作用下 即吸附力和弯月面力）所降低的势能， （即吸附力和弯月面力）所降低的势能，是最主要的土 水势组成部分，成为基质势。 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。 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。
（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，有此而产生的水势称为重力势。 能也不同，有此而产生的水势称为重力势。 重力势可正可负，它是与参照面相对而言的。 • 重力势可正可负，它是与参照面相对而言的。参照面以 上的土壤水重力势为正值，参照面以下的为负值。 上的土壤水重力势为正值，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。
• （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 土壤水分的能量水平就越高。 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，而不考虑植物对水的吸收， • 如果只考虑土壤水分运动，而不考虑植物对水的吸收， 溶质势可以忽略。其余三个分势和称为水力势： 溶质势可以忽略。其余三个分势和称为水力势： ψ h = ψ m + ψ p+ ψ g
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。 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水面的差值， • 在饱和状态下，土壤水份所承受的压力与参照水面的差值，称为 压力势。 压力势。 不饱和土壤中水的压力势等于零。只有在饱和土壤中， • 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，土壤水才存在压力势。 经形成连续体的情况下，土壤水才存在压力势。 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。 • 指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态。 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 上面讨论的基质吸力和溶质吸力一般为负值， 不太方便。所以将二者之和的绝对值定义为吸力（ ）。 不太方便。所以将二者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。 也可以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。
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、重力和溶质渗透力作用而产 定义： 土壤水受土壤颗粒的吸附力、 生的势能总和。 生的势能总和。
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。 • 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。 水平衡系统，都有与之相关的能量。 • 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 任何一个土 水平衡系统 衡系统转移到另一个系统，所做的功，就称为土水势。 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。 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