2015 第四章3 土壤水
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（%）
土壤水分参数和土壤 有机质含量的关系
华中农业大学
二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量
凋萎系数（萎焉系数）***（Wilting Coefficient）：根系 因无法吸收水分而发生萎焉时的土壤含水量。
不同质地土壤的萎蔫系数
土壤质地 萎蔫系数
粗砂壤土 细砂土 砂壤土 壤 土 粘壤土 0.96～1.11 2.7～3.6 5.6～6.9 9.0～12.4 13.0～16.6
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1、饱和土壤中的水流
Water flow in saturated soils
推动力：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient), 主要包括重力势和压力势。 流动方向：高水势到低水势。
基质势（ matrix potential）是指由于土壤基质( 土壤颗粒)的吸附力和毛管力所导致的土壤水自由能 的改变。通常为负值，土壤含水量越高，基质势也 越高，但其绝对值越小，当土壤饱和时土壤的基质 势最大，等于0。
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三、土壤水的能量状态
（2）溶质势（Solute potential, S ≤0 ）
受土壤吸附力作用而保持 膜状水(松束缚水)
水
的 类
毛管水 受毛管力作用而保持
型
重力水 受重力作用
华中农业大学
一、土壤水分存在形态
吸湿水：土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分。
特点
吸附力很强，达31～10000个大气压，使ρ水增大，可达1.5g/cm3； 无溶解能力，不移动，通常在105～110℃条件下烘干除去。
水分子之间的分子引力，又称为范德华力或分子间力。
3、毛管力（capillarity）：实质上是毛管内固、气、
水界面上产生的负压力，也叫弯月面力。毛管力的大小
与毛管孔径成反比。
H=3/d
H：毛管力（hPa）；d：毛管孔径（mm）
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一、土壤水分存在形态
吸湿水(紧束缚水)
吸附水(束缚水)
土 壤
移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方移动，速度仅0.2～ 0.4mm/hr。
对植物有效性低，仅部分有效。
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一、土壤水分存在形态
毛管水***：依靠毛细管引力保持在土壤毛管孔隙的水， 具有自由水的特性。分毛管上升水和毛管悬着水。
特点：
受毛管力作用。 液态，能溶解多种溶质，可自由移 动，速度较快 植物利用的理想水分（有效水）。
θv =（土壤水体积/土壤总容积）*100%
容积含水量=质量含水量*容重
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
Soil water storage capacity 土壤储水量 water depth 水深（Unit: mm） Dw (mm)= v% × 土层厚度
优点: 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 相比较和互相换算 。
通常作为灌溉水量定额的最高指标。 在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。 田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、
松紧状况等的影响。
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
不同质地土壤的田间持水量
土壤质地 砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 中壤土 粘土 田间持水量 10-14 16-20 22-26 20-24 24-28 28-32
特点： 移动速率快，难以保持在土壤中 可被根系吸收 占据大孔隙，影响通气性 对旱作属多余水
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
1、质量含水量（率）（mass water content）%
θm =（土壤水质量/干土质量）*100%
2、容积含水量（率）（volumetric water content）V%
第四章 土壤肥力
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第二节 土壤水分
一． 土壤水分存在形态 二． 土壤水分的有效性（重点） 三． 土壤含水量的表示方法和测定方法（重点 难点） 四． 土壤水的能量状态（重点 难点） 五． 土壤水分运动（重点 难点） 六． 土壤水的田间循环过程 七． 土壤水分保蓄和调节
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第二节 土壤水分
毛
管
105 吸 凋 最 联 田 烘 湿 萎 大 系间 干 系 系 分 破持 重 数 数 子 裂水
持 含量 水水 量量
毛饱 管和 持持 水水 量量
土壤水分形态 吸湿水 膜状水
土壤水分有效性
华中农业大学
无效水
毛管悬着水
重力水
毛管上升水 有效水
多余水
四、土壤水分的有效性
– 砂土、粘土有效水少，壤土有效水多
Storage capacity 容积水容量 (Unit: m3/ha)
Vw(m3/ha) =Dw(mm)×1/1000×10000=10Dw
作用: 与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容和灌水量。 华中农业大学
二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量 田间持水量***（field capacity）：毛管悬着水达 到最大值时的土壤含水量。用θf 表示。
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三、土壤水的能量状态
4、土壤水数量与能量的关系
通过实验测得的土壤水分能量（土壤水吸力）与数量（含 水量）之间关系的相关曲线称为土壤水分特征曲线。
随着土壤含水量的减少 其水吸力增大，植物根系吸 水难度增大，水分有效性降 低。
Soil water suction (S)
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Soil water content (θv)
基质势 溶质势 重力势 压力势
土粒的吸附力和毛管力 自由水 ≤0
土壤溶液中的溶质
纯水
≤0
位置高程
参照点 +，0，-
静水压力
自由水面 ≥0
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三、土壤水的能量状态
（5）总土水势（t）
t= m+ s+ p+ g
水分饱和时
t= p+ g
水分不饱和时
t= m+ g
土壤水从总水 势高的地方流 向总水势低的 地方.
重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都 存在。
大小取决于研究点的相对高度，参照点以上为正， 反之为负，参比面处重力势为0.
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重力势的计算
gA=15cm gB= -10cm
华中农业大学
gA=5cm gB= -20cm
三、土壤水的能量状态
土壤水势的组成
分势名称 决定分势的因素 参照状态 大小
=(144-120)/120 *100% =20%
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
1、烘干法：经典、准确，标准方法
• 经典烘干法：烘箱105℃ • 快速烘干法：微波、红外、酒精燃烧
华中农业大学
微波
红外
二、土壤含水量的表示方法和测定方法
2、仪器法
中子法 TDR法（时域反射仪） 电阻法 γ射线法
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三、土壤水的能量状态
3、土壤水势和水吸力的单位
法定单位：帕 Pa 过去常用：巴bar、毫巴mb、大气压（atm）、厘米汞 柱、水柱等 换算：
1 bar=105 Pa=1000 mb=0.987 大气压 1 大气压=76 cm汞柱=1033 cm水柱=1.013 巴 1 mb=1 cm水柱=100 Pa
指土壤水溶解的溶质引起的土壤水的自由能的改变， 溶质对水产生吸持作用，限制水分运动，一般为负值。 土壤溶质浓度越高，溶质势越低。
溶质势只有对半透膜的水分运动起作用，对水在土 体内的运动没有影响。
华中农业大学
华中农业大学
三、土壤水的能量状态
（3）压力势（p ≥0 ）
压力势（pressure potential）是指土壤水受到上 面水层的静水压力而产生的自由能变化。
2013年湖南大旱
华中农业大学
土壤水的定义
土壤水实际上是指在105~110℃温度下从土壤中驱逐 出来的水。是指由地面向下至地下水面（潜水面）以 上的土壤层次中的水分，亦称为土壤中的非饱和带水 分。
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一、土壤水分存在形态
水在土壤中受到的作用力
1、重力
2、吸附力（adsorption）：主要是指土粒表面分子和
土壤吸湿水含量受土壤质地和空气湿度的影响。 粘质土吸附力强，吸湿水含量高，砂质土则吸湿水含量低； 空气相对湿度高，吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。
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一、土壤水分存在形态
膜状水：土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周 围形成连续水膜。
特点：
保持力较吸湿水低，6.25～31大气压，密度较吸湿水小， 无溶解性；
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它可以说明土壤水的含 量、有效性和水、气的 比例等，是农业生产上 常用的土壤含水量的表 示方法。
土壤水分参数与土壤质地的关系
华中农业大学
例：田间取回土样，连采土圈共重237.0 g，烘干后 重213.0 g，采土圈重93.0 g，采土圈容积100 cm3， 求土壤容重？土壤含水量？
湿土重 = 237.0-93.0 = 144 g 烘干土重 = 213.0-93.0=120 g 容重=烘干土重/土壤体积 =120/100=1.20 g/cm3 含水量=水分重/烘干土重*100%
只有当土壤水分饱和时才有压力势。饱和土层越 深，压力势越高。在不饱和土壤中压力势为0。 故
p≥0。
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三、土壤水的能量状态
（4）重力势（g）
重力势（gravitational potential） 是指由重力作 用而引起的土水势变化。 任何时候重力势都存在。 高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.
是土壤有效水的下限。 主要受质地、有机质含量的影响。
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量
相对含水量***（relative water content）是指土壤含水量占 田间持水量的百分数。
通 常 相 对 含 水 量 为 60% 至 80% ， 是 适 宜 一 般 农 作物以及微生物活动的 水分条件 。
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三、土壤水的能量状态
Sub-potential 分势
由于引起土壤水势变化的原因或动力不同，土壤水势 (Ψt)分为：基质势(Ψm) 、压力势(Ψp) 、溶质势(Ψs)和重力势 (Ψg)等。
土壤水势是各分势之和:
Ψt=Ψm+Ψs+Ψg+Ψp
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三、土壤水的能量状态
（1）基质势（m≤0）
四、土壤水分的有效性
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， 能被植物吸收利用的水称为有效水。 最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。
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四、土壤水分的有效性
水分与土粒 的能量关系
×105Pa
10132 31.4 15.2 6.33 0.4~0.8 0.05~0.5 0.08 0.001
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五、土壤水分运动
饱和流
液态水流动
土壤孔隙全部充满水；主要是重力水运动
土 壤 水
推动力：土层之间的水势梯度 非饱和流
流动方向：高水势到低水势 部分土壤孔隙充水；主要是毛管水和膜
运
状水运动
动
气态水运动
水汽扩散
水汽凝结
推动力：水汽压梯度、温度梯度
流动方向：高水汽压到低水汽压
温度高处到温度低处
在土壤水分的保持和运动中，不考虑ψs，故一般水吸力指基 质吸力，其值与ψm相等，符号相反。
溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在)时才表现出来。 华中农业大学
三、土壤水的能量状态
3、土壤水势和水吸力的单位
单位容积土壤水的势能值用压力单位。 单位重量土壤水的势能值用相当于一定压力的水柱高厘米数 表示。
华中农业大学
TDR
华中农业大学
中子仪
电阻法
三、土壤水的能量状态
土壤 A
砂土 10%
水
流 向 何
土壤 B
方 粘土
？ 15%
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三、土壤水的能量状态Байду номын сангаас
1、土壤水势（土水势）***
土壤水在各种力作用下，与大气压下同温度和同 高度的自由纯水相比，其自由能必然不同，二者势能
的差值用来表征土壤水势 。
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一、土壤水分存在形态
2、毛管水
毛管上升水：由于地下水的上升作用 而保持在毛管中的水分。
华中农业大学
土粒 地下水位
毛管 上升 水示 意图
一、土壤水分存在形态
2、毛管水
毛管悬着水：由于降雨或灌水使土壤 毛管填充的水分，与地下水没有联系
华中农业大学
一、土壤水分存在形态
3、重力水：存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中，受 重力作用支配，易进一步向土壤剖面深层运动的水分
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三、土壤水的能量状态
绝对正值
2、土壤水吸力(Suction)：土壤水承受一定吸力情况 下的能态。
水吸力只相当于土水势的基质势和溶质势，数值相等，符号 相反。
基质势和溶质势一般为负值，使用不方便，故将其取为正数， 定义为吸力(S)，分别称为基质吸力(matric suction)和溶质吸 力(solute suction)。
土壤水分参数和土壤 有机质含量的关系
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量
凋萎系数（萎焉系数）***（Wilting Coefficient）：根系 因无法吸收水分而发生萎焉时的土壤含水量。
不同质地土壤的萎蔫系数
土壤质地 萎蔫系数
粗砂壤土 细砂土 砂壤土 壤 土 粘壤土 0.96～1.11 2.7～3.6 5.6～6.9 9.0～12.4 13.0～16.6
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1、饱和土壤中的水流
Water flow in saturated soils
推动力：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient), 主要包括重力势和压力势。 流动方向：高水势到低水势。
基质势（ matrix potential）是指由于土壤基质( 土壤颗粒)的吸附力和毛管力所导致的土壤水自由能 的改变。通常为负值，土壤含水量越高，基质势也 越高，但其绝对值越小，当土壤饱和时土壤的基质 势最大，等于0。
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三、土壤水的能量状态
（2）溶质势（Solute potential, S ≤0 ）
受土壤吸附力作用而保持 膜状水(松束缚水)
水
的 类
毛管水 受毛管力作用而保持
型
重力水 受重力作用
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一、土壤水分存在形态
吸湿水：土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分。
特点
吸附力很强，达31～10000个大气压，使ρ水增大，可达1.5g/cm3； 无溶解能力，不移动，通常在105～110℃条件下烘干除去。
水分子之间的分子引力，又称为范德华力或分子间力。
3、毛管力（capillarity）：实质上是毛管内固、气、
水界面上产生的负压力，也叫弯月面力。毛管力的大小
与毛管孔径成反比。
H=3/d
H：毛管力（hPa）；d：毛管孔径（mm）
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一、土壤水分存在形态
吸湿水(紧束缚水)
吸附水(束缚水)
土 壤
移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方移动，速度仅0.2～ 0.4mm/hr。
对植物有效性低，仅部分有效。
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一、土壤水分存在形态
毛管水***：依靠毛细管引力保持在土壤毛管孔隙的水， 具有自由水的特性。分毛管上升水和毛管悬着水。
特点：
受毛管力作用。 液态，能溶解多种溶质，可自由移 动，速度较快 植物利用的理想水分（有效水）。
θv =（土壤水体积/土壤总容积）*100%
容积含水量=质量含水量*容重
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
Soil water storage capacity 土壤储水量 water depth 水深（Unit: mm） Dw (mm)= v% × 土层厚度
优点: 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 相比较和互相换算 。
通常作为灌溉水量定额的最高指标。 在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。 田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、
松紧状况等的影响。
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
不同质地土壤的田间持水量
土壤质地 砂土 砂壤土 轻壤土 中壤土 中壤土 粘土 田间持水量 10-14 16-20 22-26 20-24 24-28 28-32
特点： 移动速率快，难以保持在土壤中 可被根系吸收 占据大孔隙，影响通气性 对旱作属多余水
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
1、质量含水量（率）（mass water content）%
θm =（土壤水质量/干土质量）*100%
2、容积含水量（率）（volumetric water content）V%
第四章 土壤肥力
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第二节 土壤水分
一． 土壤水分存在形态 二． 土壤水分的有效性（重点） 三． 土壤含水量的表示方法和测定方法（重点 难点） 四． 土壤水的能量状态（重点 难点） 五． 土壤水分运动（重点 难点） 六． 土壤水的田间循环过程 七． 土壤水分保蓄和调节
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第二节 土壤水分
毛
管
105 吸 凋 最 联 田 烘 湿 萎 大 系间 干 系 系 分 破持 重 数 数 子 裂水
持 含量 水水 量量
毛饱 管和 持持 水水 量量
土壤水分形态 吸湿水 膜状水
土壤水分有效性
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无效水
毛管悬着水
重力水
毛管上升水 有效水
多余水
四、土壤水分的有效性
– 砂土、粘土有效水少，壤土有效水多
Storage capacity 容积水容量 (Unit: m3/ha)
Vw(m3/ha) =Dw(mm)×1/1000×10000=10Dw
作用: 与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容和灌水量。 华中农业大学
二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量 田间持水量***（field capacity）：毛管悬着水达 到最大值时的土壤含水量。用θf 表示。
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三、土壤水的能量状态
4、土壤水数量与能量的关系
通过实验测得的土壤水分能量（土壤水吸力）与数量（含 水量）之间关系的相关曲线称为土壤水分特征曲线。
随着土壤含水量的减少 其水吸力增大，植物根系吸 水难度增大，水分有效性降 低。
Soil water suction (S)
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Soil water content (θv)
基质势 溶质势 重力势 压力势
土粒的吸附力和毛管力 自由水 ≤0
土壤溶液中的溶质
纯水
≤0
位置高程
参照点 +，0，-
静水压力
自由水面 ≥0
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三、土壤水的能量状态
（5）总土水势（t）
t= m+ s+ p+ g
水分饱和时
t= p+ g
水分不饱和时
t= m+ g
土壤水从总水 势高的地方流 向总水势低的 地方.
重力势的大小与土壤本身无关，任何时候重力势都 存在。
大小取决于研究点的相对高度，参照点以上为正， 反之为负，参比面处重力势为0.
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重力势的计算
gA=15cm gB= -10cm
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gA=5cm gB= -20cm
三、土壤水的能量状态
土壤水势的组成
分势名称 决定分势的因素 参照状态 大小
=(144-120)/120 *100% =20%
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
1、烘干法：经典、准确，标准方法
• 经典烘干法：烘箱105℃ • 快速烘干法：微波、红外、酒精燃烧
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微波
红外
二、土壤含水量的表示方法和测定方法
2、仪器法
中子法 TDR法（时域反射仪） 电阻法 γ射线法
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三、土壤水的能量状态
3、土壤水势和水吸力的单位
法定单位：帕 Pa 过去常用：巴bar、毫巴mb、大气压（atm）、厘米汞 柱、水柱等 换算：
1 bar=105 Pa=1000 mb=0.987 大气压 1 大气压=76 cm汞柱=1033 cm水柱=1.013 巴 1 mb=1 cm水柱=100 Pa
指土壤水溶解的溶质引起的土壤水的自由能的改变， 溶质对水产生吸持作用，限制水分运动，一般为负值。 土壤溶质浓度越高，溶质势越低。
溶质势只有对半透膜的水分运动起作用，对水在土 体内的运动没有影响。
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三、土壤水的能量状态
（3）压力势（p ≥0 ）
压力势（pressure potential）是指土壤水受到上 面水层的静水压力而产生的自由能变化。
2013年湖南大旱
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土壤水的定义
土壤水实际上是指在105~110℃温度下从土壤中驱逐 出来的水。是指由地面向下至地下水面（潜水面）以 上的土壤层次中的水分，亦称为土壤中的非饱和带水 分。
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一、土壤水分存在形态
水在土壤中受到的作用力
1、重力
2、吸附力（adsorption）：主要是指土粒表面分子和
土壤吸湿水含量受土壤质地和空气湿度的影响。 粘质土吸附力强，吸湿水含量高，砂质土则吸湿水含量低； 空气相对湿度高，吸湿水含量高，反之则吸湿水含量低。
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一、土壤水分存在形态
膜状水：土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周 围形成连续水膜。
特点：
保持力较吸湿水低，6.25～31大气压，密度较吸湿水小， 无溶解性；
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它可以说明土壤水的含 量、有效性和水、气的 比例等，是农业生产上 常用的土壤含水量的表 示方法。
土壤水分参数与土壤质地的关系
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例：田间取回土样，连采土圈共重237.0 g，烘干后 重213.0 g，采土圈重93.0 g，采土圈容积100 cm3， 求土壤容重？土壤含水量？
湿土重 = 237.0-93.0 = 144 g 烘干土重 = 213.0-93.0=120 g 容重=烘干土重/土壤体积 =120/100=1.20 g/cm3 含水量=水分重/烘干土重*100%
只有当土壤水分饱和时才有压力势。饱和土层越 深，压力势越高。在不饱和土壤中压力势为0。 故
p≥0。
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三、土壤水的能量状态
（4）重力势（g）
重力势（gravitational potential） 是指由重力作 用而引起的土水势变化。 任何时候重力势都存在。 高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.
是土壤有效水的下限。 主要受质地、有机质含量的影响。
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二、土壤含水量的表示方法和测定方法
3、田间持水量、萎蔫系数与相对含水量
相对含水量***（relative water content）是指土壤含水量占 田间持水量的百分数。
通 常 相 对 含 水 量 为 60% 至 80% ， 是 适 宜 一 般 农 作物以及微生物活动的 水分条件 。
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三、土壤水的能量状态
Sub-potential 分势
由于引起土壤水势变化的原因或动力不同，土壤水势 (Ψt)分为：基质势(Ψm) 、压力势(Ψp) 、溶质势(Ψs)和重力势 (Ψg)等。
土壤水势是各分势之和:
Ψt=Ψm+Ψs+Ψg+Ψp
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三、土壤水的能量状态
（1）基质势（m≤0）
四、土壤水分的有效性
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， 能被植物吸收利用的水称为有效水。 最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。
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四、土壤水分的有效性
水分与土粒 的能量关系
×105Pa
10132 31.4 15.2 6.33 0.4~0.8 0.05~0.5 0.08 0.001
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五、土壤水分运动
饱和流
液态水流动
土壤孔隙全部充满水；主要是重力水运动
土 壤 水
推动力：土层之间的水势梯度 非饱和流
流动方向：高水势到低水势 部分土壤孔隙充水；主要是毛管水和膜
运
状水运动
动
气态水运动
水汽扩散
水汽凝结
推动力：水汽压梯度、温度梯度
流动方向：高水汽压到低水汽压
温度高处到温度低处
在土壤水分的保持和运动中，不考虑ψs，故一般水吸力指基 质吸力，其值与ψm相等，符号相反。
溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在)时才表现出来。 华中农业大学
三、土壤水的能量状态
3、土壤水势和水吸力的单位
单位容积土壤水的势能值用压力单位。 单位重量土壤水的势能值用相当于一定压力的水柱高厘米数 表示。
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电阻法
三、土壤水的能量状态
土壤 A
砂土 10%
水
流 向 何
土壤 B
方 粘土
？ 15%
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三、土壤水的能量状态Байду номын сангаас
1、土壤水势（土水势）***
土壤水在各种力作用下，与大气压下同温度和同 高度的自由纯水相比，其自由能必然不同，二者势能
的差值用来表征土壤水势 。
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一、土壤水分存在形态
2、毛管水
毛管上升水：由于地下水的上升作用 而保持在毛管中的水分。
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土粒 地下水位
毛管 上升 水示 意图
一、土壤水分存在形态
2、毛管水
毛管悬着水：由于降雨或灌水使土壤 毛管填充的水分，与地下水没有联系
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一、土壤水分存在形态
3、重力水：存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中，受 重力作用支配，易进一步向土壤剖面深层运动的水分
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三、土壤水的能量状态
绝对正值
2、土壤水吸力(Suction)：土壤水承受一定吸力情况 下的能态。
水吸力只相当于土水势的基质势和溶质势，数值相等，符号 相反。
基质势和溶质势一般为负值，使用不方便，故将其取为正数， 定义为吸力(S)，分别称为基质吸力(matric suction)和溶质吸 力(solute suction)。