土壤水分形态与作物关系

1、“水是生命之源水是生命之源”“有收无收在于水，收有收无收在于水，收多收少在于肥多收少在于肥” 内容提要内容提要一、土壤水分的存在形态一、土壤水分的存在形态二、作物中二、作物中土壤水分形态循环平衡循环平衡三、作物对水分的吸收与利用三、作物对水分的吸收与利用四、作物的湿害与涝害四、作物的湿害与涝害一、土壤水分的存在形态一、土壤水分的存在形态土壤水土壤水固态水固态水 冬季土壤结冰时存在冬季土壤结冰时存在液态水液态水气态水气态水 存在于土壤空气中存在于土壤空气中受土粒分子引力受土粒分子引力吸湿水吸湿水膜状水膜状水受毛管力作用受毛管力作用毛管悬着水毛管悬着水毛管上升水毛管上升水受重力作用受重力作用重力水

2、重力水地下水地下水1. 1.吸湿水吸湿水 土粒表面靠分子引力从空气中吸附的气态水并保持在土粒表面靠分子引力从空气中吸附的气态水并保持在土粒表面的水分叫土粒表面的水分叫吸湿水，吸湿水，也叫紧结合水或紧束缚水也叫紧结合水或紧束缚水。 吸湿系数（土壤最大吸湿量）：吸湿系数（土壤最大吸湿量）：当大气相对湿度达到当大气相对湿度达到饱和时，土壤吸湿水达到最大量，这时吸湿水占土壤饱和时，土壤吸湿水达到最大量，这时吸湿水占土壤干重的百分数称为土壤最大吸湿量。干重的百分数称为土壤最大吸湿量。2. 2.膜状水膜状水 土壤水分达到最大吸湿量后，土粒表面吸收的吸附在土壤水分达到最大吸湿量后，土粒表面吸收的吸附在吸湿水

3、层之外的包围土粒的水膜叫膜状水，也叫松结吸湿水层之外的包围土粒的水膜叫膜状水，也叫松结合水或松束缚水。合水或松束缚水。 膜状水的特点：膜状水的特点：膜状水受到土壤颗粒表面分子引膜状水受到土壤颗粒表面分子引力较小，一般为力较小，一般为316个大气压。膜状水一部分对作个大气压。膜状水一部分对作物有效，一部分无效。物有效，一部分无效。 凋萎系数：凋萎系数：当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫当植物因根无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤最高含水量叫萎蔫系数，也叫凋萎系数。时的土壤最高含水量叫萎蔫系数，也叫凋萎系数。3.3.毛管水毛管水 由土壤毛管力所保持在土壤毛管孔隙中的水分叫毛管由土壤毛管力所保持在土壤毛管

4、孔隙中的水分叫毛管水，包括水，包括毛管悬着水毛管悬着水和和毛管上升水毛管上升水。 毛管水特点：毛管水特点：所受的毛管吸力为所受的毛管吸力为6.250.3（0.1）个个大气压。大气压。水水沿沿着着毛毛管管上上升升毛管水在自然界有两种情况：毛管水在自然界有两种情况： （1 1）毛管悬着水：）毛管悬着水： 当地下水位很深时，将由地表进入土壤的水分依靠毛管当地下水位很深时，将由地表进入土壤的水分依靠毛管力的作用保留在土壤上层的毛管孔隙中的水分叫毛管悬力的作用保留在土壤上层的毛管孔隙中的水分叫毛管悬着水。着水。 毛管悬着水与地下水位没有任何联系。它是普遍存在在毛管悬着水与地下水位没有任何联系。它是普遍存

5、在在自然界中。自然界中。 田间持水量：田间持水量：毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量叫田间持水量，也有人叫叫田间持水量，也有人叫田间稳定湿度田间稳定湿度。毛管毛管悬着悬着水示水示意图意图（2）毛管上升水）毛管上升水 在地下水位较浅的地区，地下水借助于毛管力上升并在地下水位较浅的地区，地下水借助于毛管力上升并保持在上层土壤中的水分。保持在上层土壤中的水分。 毛管上升水与地下水位有密切联系。发生在地势低洼毛管上升水与地下水位有密切联系。发生在地势低洼的河谷地区及泛滥平原地区。毛管上升水是土壤发生的河谷地区及泛滥平原地区。毛管上升水是土壤发生次生盐渍化的前提条件

6、之一。次生盐渍化的前提条件之一。 毛管持水量：毛管持水量：毛管上升水达到最大数量时的土壤含水毛管上升水达到最大数量时的土壤含水量，也有人叫量，也有人叫1/10bar含水量。含水量。4. 4.重力水重力水 土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能被毛管吸持，而在重力的作用下沿着大孔隙向下渗漏被毛管吸持，而在重力的作用下沿着大孔隙向下渗漏成为多余的水叫成为多余的水叫重力水。重力水。 重力水特点：重力水特点：所受的吸力为所受的吸力为0.1（0.3）0bar。主要发。主要发生在大孔隙中。重力水对作物的有效性为生在大孔隙中。重力水对作物的有效性为临时有

7、效水临时有效水。 饱和含水量：饱和含水量：土壤所有孔隙充水时土壤的含水量，也土壤所有孔隙充水时土壤的含水量，也叫全蓄水量，全持水量。叫全蓄水量，全持水量。 二、作物中二、作物中土壤水分形态循环平衡循环平衡1 1、作物体内的水分：作物组织含水量为、作物体内的水分：作物组织含水量为70-90%70-90%（1 1）作物体内水分存在状态）作物体内水分存在状态 自由水自由水：存在于细胞壁、细胞间隙、液泡、导管和管胞内、以及其他组织：存在于细胞壁、细胞间隙、液泡、导管和管胞内、以及其他组织间隙和细胞中未被紧密吸附的水分。变化较大，移动性较强，参与植物的间隙和细胞中未被紧密吸附的水分。变化较大，移动性较强

8、，参与植物的生命活动。生命活动。 束缚水束缚水：细胞中受原生质颗粒、细胞壁亲水性物质和一些有机、无机离子：细胞中受原生质颗粒、细胞壁亲水性物质和一些有机、无机离子吸附的水。移动性差，含量少，不参与植物的生命活动，受外界环境影响吸附的水。移动性差，含量少，不参与植物的生命活动，受外界环境影响小，但与胶体稳定性和作物抗逆性有密切关系。小，但与胶体稳定性和作物抗逆性有密切关系。 化合态水化合态水：以基团形式参与有机物形成，成为该分子结构的一部分，约占：以基团形式参与有机物形成，成为该分子结构的一部分，约占作物一生耗水量的作物一生耗水量的0.2%0.2%左右，对作物的生理作用不大。左右，对作物的生理作

9、用不大。 （2 2）作物体内水分状况指标）作物体内水分状况指标 组织含水量（组织含水量（% %）= =（鲜重（鲜重 - - 干重）干重）/ / 鲜重鲜重100100 含水量受大气湿度和植株生理年龄的影响，应用含水量受大气湿度和植株生理年龄的影响，应用时须加以考虑。时须加以考虑。 组织相对含水量（组织相对含水量（RWCRWC）= =（鲜重（鲜重- - 干重）干重）/ /（吸胀重（吸胀重- -干重）干重）100100 细胞水势：细胞水势：w=s+p+mw=s+p+m 单位单位:1MPa=10bar=9.87atm=10:1MPa=10bar=9.87atm=106 6J/L=10J/L=106 6

10、N/mN/m2 2 吸胀重是指组织饱和吸水重。应用水势、相对含吸胀重是指组织饱和吸水重。应用水势、相对含水量较理想。水量较理想。 2 2、土壤水类型及有效性、土壤水类型及有效性 土壤水分类型与可利用性土壤水分类型与可利用性土壤水分状况及其可利用性土壤水分状况及其可利用性水势（水势（MPaMPa）0-0.006 -0.0033-1.5-3.1-1000土壤水分形态与可利用性土壤水分形态与可利用性 重力水：重力水：10m10m孔隙中的水分；孔隙中的水分； 毛管水：毛管水：0.20.210m10m孔隙中的水分，即被毛细管吸孔隙中的水分，即被毛细管吸持，而不因重力而下降流失的水分；持，而不因重力而下降

11、流失的水分； 吸湿水：吸湿水：0.2m0.2m孔隙中的水分，即被土壤颗粒强孔隙中的水分，即被土壤颗粒强烈吸持，不能被作物吸收的水，是土壤处于风干状烈吸持，不能被作物吸收的水，是土壤处于风干状态所含有的水分态所含有的水分。不同土壤类型的水分状况不同土壤类型的水分状况 作物可利用的土壤水分是萎蔫点与田间持水量间的作物可利用的土壤水分是萎蔫点与田间持水量间的水分。作物对不同土壤中水分的利用性不同。水分。作物对不同土壤中水分的利用性不同。 不同土类的田间持水量、萎蔫点及可利用水分的百分数（不同土类的田间持水量、萎蔫点及可利用水分的百分数（% %）3 3、农作系统中水分循环平衡、农作系统中水分循环平衡水

12、的来源：水的来源： 降水（降水（P P，包括降雨、降雪、降霜等）、灌溉水（，包括降雨、降雪、降霜等）、灌溉水（I I）、地下水（只存在某些地下水位较高的地区）。）、地下水（只存在某些地下水位较高的地区）。 水的去向：水的去向： 径流（径流（RoRo）、渗漏（）、渗漏（D D）、土壤蒸发（）、土壤蒸发（EsEs）、土层）、土层保留（保留（WsWs，如土壤胶体、毛管吸持）、植物蒸腾（，如土壤胶体、毛管吸持）、植物蒸腾（EpEp）、植物保留（）、植物保留（WpWp）。）。农田生态系统农田生态系统水量平衡方程：水量平衡方程： （P+IP+I）- -（Ro+D+Es+Ws+Ep+WpRo+D+Es+Ws

13、+Ep+Wp）= 0= 0水循环平衡的动力水循环平衡的动力太阳辐射：太阳辐射：影响土壤蒸发和作物蒸腾；影响土壤蒸发和作物蒸腾；重力：重力：造成土壤水分渗漏和径流；造成土壤水分渗漏和径流；水势梯度：水势梯度：导致水分从水势高的地方流向水势低的地导致水分从水势高的地方流向水势低的地方。方。在农作系统中，由于存在作物对水分的吸收、传导和在农作系统中，由于存在作物对水分的吸收、传导和蒸腾，水分的流动便形成了土壤蒸腾，水分的流动便形成了土壤作物作物大气连续体大气连续体系（系（soil-plant-atmosphere continuumsoil-plant-atmosphere continuum，SP

14、ACSPAC）。）。在这个体系中，水势是以递减的形式分布的，水的运在这个体系中，水势是以递减的形式分布的，水的运动基本上是一个降低自由能的过程，并不需要额外能动基本上是一个降低自由能的过程，并不需要额外能量的输入。量的输入。相邻层次间的水通量可用：相邻层次间的水通量可用：F=-KF=-K描述，其中，描述，其中，K K为水传导度（水流阻力的倒数），为水传导度（水流阻力的倒数），为水势梯度。为水势梯度。 三、作物对水分的吸收与利用三、作物对水分的吸收与利用1 1、水对作物的生理生态效应、水对作物的生理生态效应生理作用生理作用生态作用生态作用2 2、作物对水分的吸收与传导、作物对水分的吸收与传导 细

15、胞吸水：细胞吸水：细胞主要通过质膜上的水孔以水集流的方式从环境细胞主要通过质膜上的水孔以水集流的方式从环境中吸水；水分传递方向和限度依据水势的相对大小。中吸水；水分传递方向和限度依据水势的相对大小。 根根- -土之间的水分传递：土之间的水分传递：根系吸水时，水分首先从根土接触的根系吸水时，水分首先从根土接触的界面较自由地进入细胞壁，使细胞壁达到水饱和状态，然后通界面较自由地进入细胞壁，使细胞壁达到水饱和状态，然后通过渗透作用，经根表或根毛细胞质膜进入细胞，过渗透作用，经根表或根毛细胞质膜进入细胞，再经液泡膜进再经液泡膜进入入液泡中。液泡中。根表细胞到木质部的水分传递：根表细胞到木质部的水分传递

16、：一般通过质外体空间一般通过质外体空间径向传递，但由于根内皮层细胞壁存在凯氏带加厚，径向传递，但由于根内皮层细胞壁存在凯氏带加厚，水分进入根中柱木质部，应穿过根内皮层细胞质。水分进入根中柱木质部，应穿过根内皮层细胞质。 根内从表皮到木质部导管各部位的水势变化有一根内从表皮到木质部导管各部位的水势变化有一定的规律性。内皮层以外的各细胞水势从外到内逐步定的规律性。内皮层以外的各细胞水势从外到内逐步降低，但内皮层细胞水势有突然的、较大幅度降低的降低，但内皮层细胞水势有突然的、较大幅度降低的现象，这称为现象，这称为“内皮层跃变现象内皮层跃变现象”，具体机制不明。，具体机制不明。导管系统中水的传递：导管

17、系统中水的传递：水以集流的方式在导管死细胞水以集流的方式在导管死细胞中流动，传导阻力小。中流动，传导阻力小。叶脉、叶肉细胞与大气间的水分传递：叶脉、叶肉细胞与大气间的水分传递：发达的叶脉导发达的叶脉导管与叶肉细胞间建立了广泛的联系，并有较大的接触管与叶肉细胞间建立了广泛的联系，并有较大的接触面。水分首先由叶脉的木质部传递给邻近的叶肉细胞面。水分首先由叶脉的木质部传递给邻近的叶肉细胞的细胞壁，再渗透到细胞内部。的细胞壁，再渗透到细胞内部。 水分散失时，水分从湿润的细胞壁表面以气态蒸水分散失时，水分从湿润的细胞壁表面以气态蒸发到叶肉细胞间隙中，使其达到接近水蒸气饱和状态发到叶肉细胞间隙中，使其达到

18、接近水蒸气饱和状态，然后通过气孔扩散到大气。，然后通过气孔扩散到大气。 3 3、作物的需水规律及水分利用效率、作物的需水规律及水分利用效率作物需水量：作物需水量：可用在最佳水分供应条件时达到作物旺可用在最佳水分供应条件时达到作物旺盛生长的田间蒸散量（盛生长的田间蒸散量（ETET）估算作物田间需水量：）估算作物田间需水量： ET=Es+Ep ET=Es+Ep，EsEs为土表直接蒸发失水量，为土表直接蒸发失水量，EpEp为作物蒸为作物蒸腾失水量，用腾失水量，用kgkg或或mmmm表示。表示。 作物一生的需水量也可根据蒸腾系数，即作物每形作物一生的需水量也可根据蒸腾系数，即作物每形成成1g1g干物质

19、所需要消耗的水分克数来估测。干物质所需要消耗的水分克数来估测。水分临界期：水分临界期：作物对缺水最敏感的时期。一般在营养作物对缺水最敏感的时期。一般在营养生长末期到生殖生长时期。生长末期到生殖生长时期。此期的作物对缺水的反应此期的作物对缺水的反应最强烈，因此要保证此期的作物需水。最强烈，因此要保证此期的作物需水。 最大需水期：最大需水期：作物对水分需求量最大的时期。一般是作物对水分需求量最大的时期。一般是作物生长最快的时期。作物生长最快的时期。四、作物的湿害与涝害四、作物的湿害与涝害湿害湿害( (water logging)water logging)：土壤含水量超过最大土壤含水量超过最大田间

20、持田间持水量水量时，时，对旱作物对旱作物所造成的伤害。所造成的伤害。涝害涝害( (flood injury)flood injury)：地面积水，地面积水，淹没淹没了作物一部分了作物一部分或全部，对作物所造成的伤害。或全部，对作物所造成的伤害。1 1、作物对湿、涝的反应、作物对湿、涝的反应作物湿、涝伤害的成因作物湿、涝伤害的成因作物受涝时，水本身对作物的危害不大，主要是由于作物受涝时，水本身对作物的危害不大，主要是由于缺缺O O2 2造成的直接和间接伤害。造成的直接和间接伤害。作物湿涝伤害的形态、生理反应作物湿涝伤害的形态、生理反应种子的浸水伤害：种子的浸水伤害：淹水所导致的作物发芽率大幅度下

21、淹水所导致的作物发芽率大幅度下降或丧失发芽能力。与无氧呼吸、离子渗漏等有关。降或丧失发芽能力。与无氧呼吸、离子渗漏等有关。 绝大多数作物种子在淹水条件下不能萌发，即使耐绝大多数作物种子在淹水条件下不能萌发，即使耐淹水能力强的水稻种子在水中也仅限于胚芽鞘的伸长淹水能力强的水稻种子在水中也仅限于胚芽鞘的伸长，而无根和幼叶的发生和生长。，而无根和幼叶的发生和生长。表表玉米种子萌发期对淹水较敏感，玉米种子萌发期对淹水较敏感， 小麦种子有较高耐性。小麦种子有较高耐性。渍涝造成的次生伤害渍涝造成的次生伤害 离子胁迫伤害：离子胁迫伤害：土壤受淹剖面中盐分浓度上升，如土壤受淹剖面中盐分浓度上升，如NaNa+

22、+、ClCl- -浓度增加，阻止作物体内浓度增加，阻止作物体内NaNa+ +、ClCl- -离子排出离子排出，造成细胞盐害、中毒。，造成细胞盐害、中毒。 土壤产生有毒物质：土壤产生有毒物质：土壤处于还原状态下，土壤处于还原状态下，pHpH下降下降, , 产生一系列有毒物质，如产生一系列有毒物质，如MnMn2+2+、NONO2 2- -、FeFe2+2+、H H2 2S S、CHCH4 4、脂肪酸、不饱和酚、醛类、酮类等，对植株造成毒、脂肪酸、不饱和酚、醛类、酮类等，对植株造成毒害。害。 加剧营养失调：加剧营养失调：如硝态氮发生反硝化作用，以气态如硝态氮发生反硝化作用，以气态N N释放；释放；S

23、 S、ZnZn、CuCu等有效性下降；等有效性下降；P P、SiSi、MgMg、MnMn、FeFe等有效性提高，易流失。等有效性提高，易流失。2 2、物对湿、涝的耐性、物对湿、涝的耐性 与作物通气组织的发达程度和无氧呼吸系统的完善与作物通气组织的发达程度和无氧呼吸系统的完善程度有关程度有关 有些作物，如水稻的根、茎、叶中存在有些作物，如水稻的根、茎、叶中存在气腔组织气腔组织，根，根系还存在乙醇酸氧化酶，通过系还存在乙醇酸氧化酶，通过乙醇酸氧化途径乙醇酸氧化途径释放新释放新生态氧，氧化根际还原性物质，所以水稻比小麦、棉生态氧，氧化根际还原性物质，所以水稻比小麦、棉花的耐淹性强。花的耐淹性强。 籼稻的耐淹性大于粳稻；玉米中能快速诱导厌氧蛋白籼稻的耐淹性大于粳稻；玉米中能快速诱导厌氧蛋白合成的合成的品种品种比缺乏此能力的品种耐淹性强。比缺乏此能力的品种耐淹性强。 棉花既不耐淹水，也不耐渍水，当地下水位过高时也棉花