第四章 土壤水分

（三）自由水（free water） 1、定义：当土壤含水量达田间持水量以后，多余的水 分称为自由水。
土壤重力水(gravitational water)：大孔隙中受重力作用 向下渗漏的水分。是地下水的主要来源。当重力水达到 饱和，即土壤所有孔隙都充满水分时的含水量称为土壤 全蓄水量或饱和持水量。
雨养农业（rainfed agriculture）
采取各种措施增加土壤入渗，并通过耕作，熟化， 增强土壤水库功能，使入渗水分更多地保存于土壤， 避免径流和淋失的发生，保持较多水分，满足作物生 长需要。
田间持水量（field moisture capacity)：土壤毛 管悬着水达到最大值时的土壤含水量。是自 然状况下土壤所能保持水分的最大数量。是 农田灌水的上限。 田间持水量的作用： （1）是旱地作物灌溉水含量的上限： 灌水定额= 田间持水量—土壤含水量 （2）计算：土壤中最大有效水分含量 ＝田间持水量－凋萎系数
2、水分运动方向：高势区向低势区运动。土水势是判
断土壤水分运动方向和有效性的唯一可靠指标。
3、土水势的分势
土水势是土壤中各种力共同作用的结果，各种
力所产生的势能、具可加和性，彼此独立，故土水
势可以分为以下分势。
w=
g+ p+
m+
s
土水势=基质势+压力势+溶质势+重力势
（1）基质势 matric potential
（capillary rising water and capillary hanging water）
（1）毛管悬着水
定义：地形部位高，地下水位深的地方，灌水或降水 后，借着毛管引力而保持在上层土壤中的水分。 特点：与对下水位一般无关。 这些土壤称旱地或雨养农业。
旱作农业（upland farming）
（二）土壤水层厚度：指一定深度(mm)土层中的水 分总量相当于若干水层厚度(mm)。它便于将土壤含 水量与降雨量、蒸发散失量和作物耗水量等相比较， 以便确定灌溉定额。
土壤面积厚度容重重量含水量% 水层厚度 = 土壤面积 = 厚度容重重量含水量%10 。
二、土壤水分的能态(potential of soil water)
3、相对含水量（relative humidity,%）：某一时刻土壤含水
量占该土壤田间持水量的百分数来表示土壤水分的多少。
土壤含水量
RH,% = 田间持水量 100
相对含水量可以衡量各种土壤持水性能，能更好地反映土壤水
分的有效性和土壤水气状况，是评价不同土壤供给作物水分的
统一尺度。
通常旱地作物生长适宜的相对含水量是田间持水量的70％－80 ％，而成熟期则宜保持在60％左右。
吸力范围：31 × 105~109pa
特点： 对植物无效；密度大，甚至不导电。 受到土粒的吸力大，水分子呈定向紧密排列，密度1.2-2.4 g/cm3，平均为1.5g/cm3，无溶解能力，不能以液态水自由移动， 也不能被植物吸收，为无效水。
• 土壤吸湿水含量的高低主要取决于土粒的比表面积
和大气的相对湿度； • 土壤质地愈粘重和有机质含量愈高，其比表面积愈 大，吸湿水含量愈高； • 大气相对湿度愈大，吸湿水含量愈高，当空气相对
W，% =
土壤容积
100=重量含水量土壤容重
利用土壤容积含水量可以反映土壤水分在土壤孔隙 容积含水量的比例，或水、气容积的比例。 W，% = 重量含水量土壤容重
如土壤质量含水量为200g kg-1，容重为1.2g cm-3， 则土壤的容积含水率为24%。若知土壤的总孔隙度， 则通过总孔隙度减去容积含水率，则得空气所占的 容积，这样土壤的固气液三相比可以求得
5、膜状水（membranous water） 在吸湿水层外，土粒剩余力场还可吸附一部分液态水形成 连续水膜，称—— 吸力范围：31 × 105 ~6.25 × 105 pa 特点 （1）对植物部分有效：6.25-15巴有效，大于15巴无效； （2）水分移动性仍差：供水能力差，作物易受旱； （3）影响因素：质地愈粘，有机质含量愈高，盐分含量 愈少，则膜状水含量愈高。 6、凋萎系数（wilting coefficient） 当土壤水吸力大于等于15巴，作物根系难于从土壤中吸 水而发生永久性萎焉时的土壤含水量。是土壤有效水下限。 凋萎系数主要与质地，植物种类有关。（见下表）
植物营养在土壤中的转化、 迁移及功能的发挥离不开水分。
第一节 土壤水分的形态、数量和能态
The forms, amount and potential of soil water 一、土壤水分的形态 根据水分所处的状态、所受力的种类及势值大小进行 分类。可分三种：吸附水，毛管水，重力水。
(一)吸附水（adsorbed moisture）
不同质地土壤的凋萎系数
土壤质地 凋萎系数(g/kg) 粗砂土 9-11 细砂土 27-36 砂壤土 56-69 壤土 90-124 粘壤土 130-166
（二）毛管水（capillary water） 1、定义：土壤毛管孔隙中由毛管引力而保持的水分。 2、作用力：0.15 × 105~6.25 × 105 pa(6.25-0.1bar)
“勺”
地球上的淡水总贮量约为0.39亿km3，淡水占全球水量 的0.014%。其中被冰雪封存和埋藏在地壳深层的水有 0.349亿km3 可供人类生活和生产的循环水总贮量只有0.041亿km3，
仅占总淡水量的10.5%。在0.041亿km3的淡水中，除循
环地下水（占95.12%)和湖泊水(占2.95%)超过土壤水
特点：可被作物吸收，由于下渗作用，多为无效，但在 水田例外。 在旱地，重力水下渗入下层土壤，转变为毛管水， 供深层根系吸收。
二、土壤水分的数量表示 amount expression of soil water
(一)土壤含水量（soil water content,%） 1、质量含水量：土壤中水分的重量与土壤干重的百分比值， 单位：g/kg（也曾用百分率表示）。 土壤水分重量 W，% = 100 土壤干重 注意应用干土重为基数进行计算。 测定方法：烘干法 2、容积含水量(volumetric water content)：土壤中水分的容积 与土壤总容积的百分比值。 土壤水分容积
（2）意义与土水势相同，但符号相反。S= w
（3）土壤水吸力通常在不饱和土壤中存在，主要包括 基质吸力和渗透吸力两部分。 （4） 水流方向是从低吸力区向高吸力区流动。 在应用上，土壤水吸力更方便一些。
1、定义：受土粒吸附力作用而保持在土粒表面的水分。
2、吸附力范围：6.25 ×105~108pa(6.25~104bar)
3、吸附水分：吸湿水和膜状水。
4、吸湿水（hygroscopic water） 干燥土粒藉其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空 气中吸收一些水汽分子附着在土粒表面，这部分水分称——
(一)土水势(soil water potential)
w
1、定义：土壤水与同样条件下纯自由水自由能的差值。 纯自由水能态最高，为0，土壤水由于受各种力的作用，能态 降低，为负值。
为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高度的纯水体中 移动无穷小量的水到土壤水分中去，每单位数量的纯水所需作 功的数量。 土壤中水分的有效性以及运动的方向受水分的能态支配，与水 分含量无关。
m
土壤水分不饱和时，水分受土壤吸附力和毛管引力作用 而产生的势能值，为负值； 而饱和的土壤水不受基质吸持，其基质势为0。 （2）重力势 gravitational potential g 土壤水受重力作用而产生的势能 。参照面以上为正， 以下为负。 g=ρgh:
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ρ：水密度； g：重力常数； h：高度
（3）压力势 pressure potential p
指将单位水量从一个土－水体系移动另外一个压力不同， 而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功， 参比系统一般设定为当地的大气压，故土壤水的压力势以其受 到的压力与大气压力之差计算。 不饱和土壤中，其孔隙与大气相通，水受到的压力同大气 压相等，其压力势为0； 饱和土壤中，水柱产生的压力高于参比大气压，故地下水位以
3、特点：移动速度大，10~30mm/hr，补水迅速。全为有效水，
易被作物吸收。 4、毛管水含量的影响因素： （1）质地：砂壤，轻壤含量多，毛管水多； （2）结构：团粒结构多，保水性高；
（3）地下水位：地下水位高，则毛管水含量越高；
（4）腐殖质含量：含量愈高，则毛管水含量愈高。
5、毛管上升水和毛管悬着水
(1.59%)外，土壤贮水量明显大于江河水(0.03%)和大气
水(0.34%)的贮量。
联合国粮农组织1995年指出，到2000年全球各大洲人 均占有水资源最少的是亚洲，只有3300m3。 我国水资源总量丰富，为2.8万亿m3，居世界第6位。 但因人口过多，人均占有量只有2300m3（1998年10 月24日的结束的21世纪城市水资源国际学术研讨会： 中国年人均用水量为2200m3），在世界上排名121 位，是全世界人口平均用水量的1/4； 联合国根据此资料，将我国列为全球13个缺水的国家 之一。 我省－黄淮海地区：平均用水量是全国用水量的1/3－ －－则是世界平均用水量的1/12
（2）毛管支持水（毛管上升水） 指地下水层籍毛管力支持上升进入并保持在土壤中的水 分。 影响因素： 地下水位的高低：地下水位上升，则毛管支持水上升； 土壤质地：砂土最低，粘土居中，壤土最高。 毛管持水量：当毛管支持水达到最大时土壤的含水量， 它实质上是吸湿水、膜状水和毛管上升水的总和。
当地下水位适当时，毛管支持水 可达到植物根系，是作物所需水 分的重要来源之一； 当地下水位很深时，毛管支持水 达不到根系，不能发挥补水作用； 若地下水位过浅，易发生渍害， 可能引起土壤盐渍化
下的土壤水压力势为正值， p=-gh
（4）渗透势(溶质势 osmatic potential
s
由于水中的溶质所引起的势能（渗透压），
对于具有一定盐分浓度的土壤，溶质分子对水分的吸
持，需要环境对它做功，故为负值。
若土壤水不含溶质，为0。
在土壤中溶质随水流动，渗透势不起什么作用，但在
又半透膜（如根系）时或有蒸发面时，应该考虑。
湿度为94-98%时，吸湿水达到最大值，此时的土壤
吸湿水量就叫最大吸湿水量。
表 土壤质地与土壤吸湿水和最大吸湿量
土壤质地 吸湿水(g/kg) 最大吸湿量(g/kg)
砂土 5-15 >15
轻壤土 15-30 30-50
中壤土 25-40 50-60
粉砂质粘壤土 60-80 80-100
泥碳 180-220 -
水：自然界最奇异的物质 水：液态金子
水对人类本身的重要性： 例：人的身体一年大约需要一吨水来维持健康和生命。 水是农业之本： 每生产一吨粮食约需1000吨水，近年来世界粮食产量 下降，干旱和水源不足是其中的重要原因之一 民以食为天——民以水为天
地球上水分贮量及其严峻性
地球上的总水量－“缸”，淡水－“瓢”，可利用水－
（二）土壤水分能态观点的应用意义 1、反映土壤水分能态水平，与水分数量指标结合，可使不同土 壤的水分有效性在同一尺度上进行比较。
土壤 凋萎系数% 能态（巴） 当土壤含水%时 能态（巴） 有效性 方向 粉砂土 6.6 -15 10 -0.5 有效 粉粘土 17.4 -15 15 -18 无效
2、判断土壤水分运动的方向 3、可使土壤、植株、大气之间的水分运动在同一的能态尺度上 进行系统研究。总的原则：水分从高势区向低势区流动。 SPAC---soil, plant, atmosphere continum(chain) 土壤植株大气连续体中，一般 土壤水分 -0.3~-15巴 植株 -20巴左右 大气 -300巴左右
4、在研究手段上提供了更精确、更科学、更有效的 方法和技术。 易于用数学模拟以及仪器定量反映土壤水分状况 变化，为今后农业生产科学化、机械化、自动化开 辟了广阔的前景。 如农田水分自动动态监测和自动化灌溉。
（三）土壤水吸力（soil water suction）
1、定义：指土壤水承受一定吸力情况下所处的能态。 是土壤水能态的又一表达方式。 2、需要说明的是： （1）不是指土壤对水的吸引力，而是能态。