相当于基质势和渗透势

第一节土壤水分

二、土壤水分的含量

一、土壤水分的形态和能态三、土壤水分的运动四、土壤水分状况的调节一、土壤水分的形态和能态（一）土壤水分的保持和分类1、土壤能够保持水分是两种不同的力作用的结果，一是土粒表面对水分子的吸附力；二是水和空气界面上的弯月面力（毛管力），两者总称为基质吸力。土壤水一部分以水膜的形式被土粒吸附于表面，另一部分为水气界面的弯月面力所保持，即使在很干旱的地区，也很难将两部分严格区分开。2、土壤水分按其在土壤中受力大小和水分性质的不同大致分为以下类型：土壤水固态水冬季土壤结冰时存在液态水气态水存在于土壤空气中受土粒分子引力吸湿水膜状水受毛管力作用毛管悬着水毛管上升水受重力作用重力水地下水（1）吸湿水

干燥的土粒靠分子引力从土壤空气中吸持的气态水称为吸湿水。干燥的土粒具有吸附空气中气态水分子的能力，这种能力是由于颗粒表面存在自由能并带有电荷，而水分子是偶极分子的缘故。性质：①紧靠土粒表面的水分子受到的吸持力范围从109Pa－3.1×106Pa（10000－31大气压）②密度1.2－2.4g/cm3，平均1.5g/cm3，表现出固态水的性质。③冰点低至－7.8℃，不能移动，没有溶解能力。由于植物根系的渗透压一般只有15个大气压，因此，吸湿水对植物是一种无效水

土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度100%）吸持水分子可达到最大量，此时土壤的含水量称为最大吸湿量或吸湿系数（大概有15—20层水分子,厚度4—8nm），不同土壤吸湿系数不一样。一般，粘土>壤土>砂土，另外吸湿系数大小还与测定时温度有关，温度高，吸湿系数小。（2）膜状水

土粒吸持空气中的水汽达到饱和后，土粒表面还有剩余的分子引力，这时如果土粒表面与液态水接触，土粒能够进一步吸附液态水。土粒靠分子引力吸持的液态水，在土粒吸湿水外围形成薄的水膜。称为膜状水。性质：①膜状水被土粒吸持的力为0.625－31Mpa（31~6.25大气压）。所受引力大于常态水。由于一般植物根的吸水力平均为1.5×106Pa，所以超过土粒吸持力1.5×106Pa的那部分膜状水就不能被植物利用。②平均密度为1.25g/cm3。③冰点约为－4℃，微有溶液能力。④膜状水虽不能在重力作用下移动，但本身可以从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢，一般为0.2－0.4mm/小时。当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5×106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5×106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。凋萎系数=吸湿系数×1.5（经验公式）当膜状水达到最大量时土壤的含水量叫土壤最大分子持水量。（3）毛管水土壤孔隙借弯月面力（即毛管力）而保持的水分，称为毛管水。毛管水实际上包括吸湿水、膜状水和毛管水的总和。性质：①毛管水所受力6.25×105Pa－104Pa（6.25－0.1atm）在之间，比一般作物根系渗透压要低的多，可全部被作物所吸收利用。②毛管水的基本上和自由水有相同的移动速度，可达10－300mm/小时，对作物根系吸水补给迅速。③毛管水溶有各种养分，是土壤中最有效的水分。根据毛管水与地下水是否相连接，可将毛管水分成：1、毛管悬着水：地下水位较深，土壤上层的毛管水与地下水不直接相连，因而不受地下水源补给的毛管水，好像悬着在上层土壤的毛管孔隙中称为毛管悬着水。毛管悬着水达到最大量时土壤的含水量称为田间持水量。2、毛管上升水：土壤中受地下水源补给并上升到一定高度的毛管水。当表层土壤水分被蒸发、蒸腾而消耗后，地下水可沿毛管上升，使地表水不断得到补充。毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量。(4)重力水土壤中所有毛管孔隙充满水后，再有多余的水分不能被毛管孔隙所保持，而受重力作用沿大孔隙向下移动，这种水分叫重力水。特点：性质与常态水一样，可以被植物吸收利用，但很快渗掉，不能持续有效，若长期滞留会造成涝灾。当土壤中所有孔隙充满水时的土壤的含水量叫饱和含水量或（全持水量）(5)地下水

当土壤深处有不透水层时，重力水就会在上面聚积形成地下水，又称支持重力水。（二）土壤水分形态，水分常数和土壤水吸力的关系土壤水分由少到多，发生了质的变化，不同性质的土壤水分之间存在着一定界线，土壤水分常数就是这些界线的指数。指土壤各种形态的水达到最大量时和指定能态土壤的含水量。它们之间的关系如图：土壤有效水最大贮量（%）=田间持水量（%）－凋萎系数（%）土壤实际有效水含量（%）=土壤自然含水量（%）－凋萎系数（%）当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5×106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5×106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。凋萎系数=吸湿系数×1.5（经验公式）。土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度100%）吸持水分子可达到最大量，此时土壤的含水量称为最大吸湿量或吸湿系数毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量墒情表示法我国北方以旱作为主的地区常把旱地土壤的含水状况称为墒情。验墒，就是根据耕作层的土壤湿润程度、颜色、手捏时的特征和感觉等来判断土壤的含水状况。田间验墒工作常在播种前或作物生育期内进行，为耕作、播种、灌溉等农业技术措施提供依据。在验墒时，群众特别注意检查地表干土层的厚度，因为它是土壤旱情的一项重要指标。例如，干土层厚度约为3—5㎝，而下层土壤墒情较好时适于播种。如干土层已增厚至10㎝以上，则属旱象严重，必须灌溉，否则会影响播种出苗。据群众经验，华北、西北黄土地区的土壤墒情可分为：黑墒以上、黑墒、黄墒、灰墒、干土等五类；其土壤含水量分别约为23%以上、20%—23%、12%—20%、8%—12%及8%。（一）土壤含水量表示方法1、重量含水量

指土壤水的重量占干土重量的百分率。

2、容积含水量

指土壤中水的容积占自然状态下土壤容积的百分数。水+气=总孔隙容积土壤空气容积百分数=孔隙度－水容（%）土壤固相物质所占的容积百分数=1一孔隙度可求出土壤固液气三相物质容积比二、土壤含水量与表达方式通常把在l05一110℃温度下能从土壤驱逐出来的水称为土壤水。

3、水层厚度

将一定面积一定厚度土层中的水分总量，换算成水层厚度（mm），是与气象资料相吻合的一种表示方式。

水层厚度（mm）=土层厚度（mm）×水容%=土层厚度（mm）×水重%×土壤容重4、水的体积将一定面积和一定深度土层中含水总量，换算成水的体积来表示。水的体积=土壤面积×土层厚度×土壤容重×水重%若面积为亩则：式中1/1000是将毫米数换算成米数，2000/3为一亩地面积（m2）此表示方法与水利相应，在农田灌溉中应用极广，便于计算灌水量。5、相对含水量指土壤自然含水量占田间持水量的百分数

相对含水量%＝×100%

这种表示方法在旱地作物栽培中经常用到的

一般认为，土壤含水量以占田间持水量的60—80%时最适宜作物生长发育。（二）土壤水分的能量状态1、土水势概念

土壤中的水在土壤中受到了各种力场的作用，如吸附力，毛管力等，使土壤中的水比纯水自由能降低了（分子活动能力降低了），土壤水的自由能和纯自由水之间自由能的差值，其值大小等于在标准大气压等温条件下，单位数量的纯自由水转变成土壤水时所作的功或其自由能的降低值称为土水势。土水势严密的概念如下：从一已定高度的蓄水池中，把无限少量的纯水，在一个大气压下等温可逆地转移到土壤中的某一已定点，使成为土壤水，这时必须做的功，以单位水量来表示称为土水势。我们规定纯水（自由水）势能值为零，土水势应是负值。土水势实际上是作用于土壤水分的各种力的总和而产生，所以它可分为以下几个分势。（1）基质势（ψm）：由土壤固体（基质）对土壤水分的吸引而使水分自由能降低，这种势能叫基质势。主要是由吸附力和弯月面力所引起，为负值。土壤水分含量越少，土壤水受到的这种约束力越大，基质势越低。反之，土壤水分含量越多，土壤水受到的这种约束力越小，基质势越高。当土壤水分完全饱和时，基质势等于零。（2）溶质势（ψs）：土壤水中的溶质（盐分），对水分子有吸持作用，使水分自由能降低，称为溶质势，为负值。（3）压力势（ψs）土壤水受不同压力所产生的自由能变化称为压力势。压力势为正值。压力势又包括气压势、静水压势、荷载势。①气压势：是由于空气被封闭在土体内而产生的势能。②静水压势：是由土体构型或质地层次构型的特殊性而引起的，即在难透水层上面可产生连续水层，此水层对下面的水产生静水压力，由此引起的势能称为静水压势。③荷载势、压力势：土壤溶液中含有较多的悬浮胶体物质，会产生荷载压，即增加了静水压力，而产生势能称为压力势。

（4）重力势（ψg）

土壤中的水分在重力（地心引力）作用下，因高度不同而产生的势能，称为重力势。一般规定地下水面的重力势为0作为参比标准。土壤的总水势：土水势=基质势+溶质势+压力势+重力势在不同情况下，起作用的土水势分势是不相同的。土壤水用土水势来表示优点是：1.可以使用统一的观点和尺度来研究土土壤一植物一大气连续体（SPAC）中水运动和相互关系；2、可以更充分的利用热力学原理和数学方法来定量地处理土壤水问题；3、在研究手段上也提供了一些更指确的方法。例两种土壤砂土含水量10%，另一粘土含水量为15%，当两个土壤接触时，水分运动方向是砂土中水流向粘土，因为砂土水势高。结论：土壤水总是从土水势高处向土水势低处运动。概念：土壤水势是土壤水与标准水所具有的偏标准自由能的差值。由重力场引起的土壤水势能叫重力势，用ψg示；由吸力场引起的土壤水势能叫基质势，用ψm

表示；

由渗透压力场引起的土壤水势能叫渗透势(或者溶质势），用ψs

表示；由静水压压力场引起的土壤水势能叫压力势，用ψp

表示；将重力势、基质势、渗透势及压力势加在一起组成土壤水总势，简称总水势。2、土水势的定量表示单位土水势的单位是指单位数量土壤水的水势（势能）。单位数量可以指单位质量、单位容积、单位重量的水分。①单位质量水的势能通常用能的单位，焦耳/千克。②单位容积水势能则以压力单位Pa，过去常用巴或大气压。③单位重量水的势能则以静水压力或相当于一定压力的水柱高度的厘米数表示。三者换算关系：105Pa=1bar=0.9869atm=100J/kg=1020cmH2O1atm=1.0133bar=1033cmH2O=101.33J/kg3、土壤水吸力土壤水吸力—指土壤水受一定吸力的情况下所处的能态。它和土水势数值相等，但符号相反。它有两个特点：（1）土壤水吸力只包括基质吸力和渗透吸力（相当于基质势和渗透势），不包括其他分势。而且去掉正负号，取正值。（2）土壤水吸力在概念上虽不是指土壤对水的吸力，但在测定上可以用土壤对水的吸力来表示土壤水吸力（用压力单位）如土壤水吸力为1巴，我们对土壤施加大于1巴的吸力，水就会流出来。土壤水吸力应用简便，比较形象易懂。结论：土壤水是由土壤水吸力低处流向水吸力高处。（三）土壤水分特征曲线土壤水吸力的大小与土壤含水量有一定的关系，即土壤含水量越少土壤水吸力愈大，土壤含水量愈高土壤水吸力愈小。将土壤水的能量指标与数量指标作成关系曲线，为土壤水分特征曲线。利用土壤水分特征曲线可以说明土壤水不同含量时的能态及对植物的有效性，也可以说明不同质地土壤在相同含水量时的土壤水吸力不同，其中黏土最高，其次是壤土，砂土最低，当土壤水吸力相同时，则三种质地的含水量差异很大。土壤对水的基质吸力是产生基质势的原因。当水分流入干土并保持在土壤中时，这种吸力逐步得到满足，基质势亦随含水量的增加而增大，土壤脱水过程则相反，随含水量的减少，土壤基质势逐步下降。因此，在土壤水的保持与释放过程中，其含水量与水势有相应的关系。若水势以土壤水吸力表示，则其与含水量的关系恰与基质势和含水量的关系相反；即吸力随含水量的增加而下降。用土壤水吸力为纵坐标，以相应的含水量为横坐标绘成曲线来表示土壤水吸力与含水量关系的曲线，称为土壤水分特征曲线。

土壤水吸力和含水量的关系不是单值的，它因土壤的脱水过程和吸水过程而不同。在同一吸力下，脱水过程的含水量总比吸水过程的含水量高，这种脱水曲线与吸水曲线不相重合的现象称为滞后现象。原因：一是因为土壤孔隙的几何特点造成的即土壤孔隙由大小孔隙连接而成，这种孔隙状况，在变干或变湿时其充水情况不一致，而使土壤含水量不同；二是因为：土壤吸水由干变湿过程中，大孔隙中的空气常形成气泡而被封闭在孔内，占据一定容积，也使一定吸力下的土壤含水量有所不同。

三、土壤水分的运动（一）水分进入土壤的过程1、渗透过程—水分进入土壤过程。渗透过程分为两个紧密相连的阶段：渗吸阶段，渗透过程的起始至水分逐渐饱和，水分进入土壤主要靠基质吸力；渗漏阶段，渗透速率趋于稳定阶段，水分进入土壤靠重力作用向下移动。时间干土湿土渗透速率2、渗透速率两个阶段渗透速率先快后慢，尤其是第二阶段渗透速率非常重要，它代表一个土壤渗透能力的大小，常用渗透系数来表示，当水压梯度等于1时，单位时间内渗透过单位面积的水量。单位mm/s、cm/s、mm/s。用处：1、可以表示土壤透水性强弱；

>100mm/h,透水性强的土壤；100--30mm/h，透水性适中；>30mm/h透水性不良土壤。

2、水利工程上很有用的参考数据，如修水库、盐碱地排水渠道（二）土壤中液态水的运动一般认为土壤水运动符合达西定律：土壤水通量是指在水压梯度方向上单位时间通过单位断面积的水的体积。dH为两点间的水势能差或压力差，x为流程，dH/dx为水压梯度或水势梯度，比例常数K是单位水压梯度下的水通量，称为导水率，-表示水流方向与压力势梯度方向相反。液态水运动分两种情况：一是土壤水的饱和流动，土壤孔隙全部充满水时土壤水的运动。二是土壤水的不饱和流动，只有部分孔隙有水土壤水的运动。1、土壤水的饱和流动土壤中水已成为连续整体的运动，此种水运动特点：水的流动主要是由重力势和压力势推动，基质势为零，水的流速决定于粗孔的孔径与数量，饱和流的导水率K为常数且砂土＞壤土＞粘土。饱和流动又分三种情况：(1)垂直向下的饱和流动；(2)水平方向的饱和流动；(3)垂直向上的饱和流动。2、土壤水的不饱和流动—指土壤中的孔隙在未被水全部充满时（不超过田间持水量时），土壤水在土壤中的运动。运动特点：推动力主要是基质势梯度，也有重力的作用，水的流速很慢，非饱和导水率低于饱和导水率，非饱和导水率K是一个变化量，它随土壤水吸力和含水量的变化而变化，是土壤水吸力或土水势的函数。（三）土壤中的水汽运动1、特点：土壤中的汽态水是土壤空气主要组成成分之一，一般处于饱和状态，当土壤中水汽压产生差别即产生水汽压梯度时，水汽便以扩散的方式进行运动。

水汽扩散量

水汽扩散系数—即单位时间单位水汽压梯度下通过单位面积的水汽量。水汽压梯度主要受土壤湿度、温度及含盐量的影响。在土壤中，水汽是由暖处向冷处运动，夏天夜晚下层土温高，水汽由下层向上层运动，水汽扩散到表层凝结，出现夜潮现象。秋冬土壤表层温度低，下层土温度高，水汽也由下层向上层运动，水汽扩散到表层凝结并结冰，形成含水量较高的冻层。一年中由凝结补充水分约60-100mm。2、水汽运动的方式（形式）（1）水汽凝结指汽态水变为液态水的过程。秋冬土壤表层温度低，下层土温度高，水汽由下层向上层运动，夏天夜晚下层土温高，水汽扩散到表层凝结并结冰，一年中由凝结补充水分约60-100mm之多，这种作用强烈的土壤称夜潮地。（2）土面蒸发土壤中的水分以水汽的形式扩散到大气中的现象即为土面蒸发，也称跑墒。因为土壤空气湿度大，地面空气湿度小。干旱半干旱地区蒸发损失水分占降雨量的1/2—1/3，是节水农业值得研究的问题。壤质和粘质的土面蒸发分三个阶段：含水量AB蒸发量（1）大气蒸发力控制阶段

下雨或灌溉停止蒸发开始阶段，蒸发速度快接近于水面蒸发，水分减少至田间持水量为此阶段，失去水为重力水。（2）土壤导水率控制阶段

田间持水量以下蒸发到毛管断裂含水量，地面水分蒸发只能靠毛管作用从下层土壤传导水分到土面而蒸发，蒸发速度不断减小。（3）扩散控制阶段当土壤含水量减少到毛管水断裂含水量时，土面蒸发得不到毛管水上升的补充，地表开始形成干土层，水分只能靠干土层下面湿润的土层产生水汽，再通过大孔隙扩散到大气中，蒸发速度显著减小。四、土壤水分状况调节土壤水平衡是指一定时间和一定土体内，土壤水的收入与支出。土壤水的收入（水收）主要包括降雨（水降）、灌溉（水灌）。土壤水的支出（水支）主要包括土面蒸发（土蒸）、植物蒸腾（水腾）、水分渗漏（水漏）和地表径流（水径）。这里的渗漏指通过地下径流从土体中损失的水分，不是通过入渗保持在土体内的水分。有些农田的水收还包括地下水的补给。一年中收入与支出的差值即土壤持水量的变化值（△水）。水＝水收－水支＝水降＋水灌－土蒸－水腾－水漏－水径

例：某一公顷的麦田耕层深30cm，其容重为1.2g/cm3，田间持水量为30%，灌水前测得含水量为20%，测后灌水600m3/hm2，10天后测得同一根层含水量19%，期间降水5mm，问小麦的日耗水为多少mm(需要判断灌水后有无渗漏损失)？解：先判断灌水和降水后有无深层渗漏田间持水量为30%相当于水层厚度为：30%x30x10x1.2＝108（mm）灌水前含水量为20%相当于水层厚度为：20%x30x10x1.2＝72（mm）灌水600m3/hm2相当于水层厚度为：600/10＝60（mm）灌水和降水后含水量为72+60+5＝137（mm）水漏＝

137-108＝29（mm）设小麦的日耗水为X，则水支出＝10X+29水收入＝60+5＝65（mm）水期初＝72mm水期末＝19%x30x10x1.2＝68.4（mm）依水分平衡原理水期初—水期末＝水支—水收,可得72—68.4＝10X+29—65X＝4.06（mm）（二）、土壤水分状况调节措施

1.加强基本建设，科学合理灌水、排水（1）合理灌溉，提高土壤水和灌溉水的利用率据作物生长需水特性考虑灌溉定额及时间。方法：畦灌，喷灌，滴灌，沟灌等。调整表层土壤结构，增强土壤水分入渗（2）适时排水，防止涝害。（1）逐年深耕—逐步加厚熟土层，改善土壤松紧度，增加土壤透水和蓄水能力（2）适时中耕—雨前中耕有助于土壤蓄水，可切断土壤毛管联系，减少土壤蒸发（减少50%）（3）轮作和垄作—轮作有助于改善土壤结构，提高土壤透水蓄水能力，垄作可相对降低地下水位，促进土壤水分蒸发（4）适时镇压—旱季镇压可减少土壤水分蒸发

2.合理耕作，改良土壤3、发展节水农业，提高土壤水分利用率（1）采用喷灌、滴灌、渗灌等节水灌溉技术，提高灌溉水的利用率。（2）实施节水灌溉制度，提高灌溉水的利用效益。（3）其它节水措施：①采用地面覆盖、设立风障等措施，减少土壤水分蒸发。②使用土壤增温保墒剂。③增施有机肥，提高土壤自身的保水控水能力。④增施P、K肥，提高植物抗旱能力。⑤生物措施：植树造林，绿化地表，保持水土。⑥选择抗旱植物品种。思考题

1．

土壤含水量有哪些表示方法？2．

简述土壤水分的类型及性质。3．

什么是土水势、水吸力？二者有何区别？4．

土壤水分特征曲线的含义和特点。5．如何合理地调节土壤的水分状况？

第二节土壤空气土壤空气和大气组成的差异(体积)气体O2（%）CO2（%）N2（%）其他气体近地表大气20.940.0378.050.98土壤空气18.0-20.030.15-0.6578.8-80.240.98一、土壤空气的组成组成特点：1.CO2高于大气几倍-几十倍；2.O2含量低；3.湿度高,99%以上；4.通气不良时有还原性气体（CH4，H2等）积累；5.数量和组成随时间地点而变化（日、年）。二、土壤通气性指土壤空气与近地面大气层大气进行交换以及土体内部允许气体扩散和流动的性能，又称土壤呼吸。土壤通气的两个机制：1、土壤空气整体交换：由于土壤空气与大气之间存在总的压力梯度而引起的气体交换，是土体内外部分气体的整体相互流动，是一种短暂的交换方式。影响因素：温度变化、大气压、水分增减2.土壤空气扩散

某种气体成分由于其分压梯度与大气不同而产生的移动（从浓度高处移向浓度低处）。是土壤空气的主要交换方式。三、土壤通气状况与作物生长和土壤肥力种子萌发：O2浓度>10%，根部呼吸：

O2浓度<9~10%，根系受损，若降低5%下，绝大多数停止生长；缺氧，吸收水分、养分功能受抑制。养分形态：还原态铁、锰为有效态。氧化条件有利于有机质分解释放养分；还原条件有利于有机质积累保存养分。四、土壤通气性的表示方法1.土壤通气孔度。大于8%——10%2.土壤空气比。占土壤总孔度的1/3——1/2为宜。3.土壤氧化还原电位Eh。旱耕土壤在200——700mv;水田在100——400mv.五、调节土壤的通气性耕作施有机肥灌排水第三节土壤热量主要内容土壤热量来源土壤热性质（重点、难点）影响土壤温度的因素土壤温度与作物生长调节土壤温度的措施（重点）一、土壤热量来源1.太阳辐射能.太阳常数(solarconstant)意义是指到达大气顶(大气层上界)的太阳能总量。

定义：在日地平均距离(天文单位）处，与太阳光束方向垂直的单位面积黑体上，单位时间内所接受到的太阳总辐射能。所使用的单位为W/m2，或卡/平方厘米/分钟（J/cm2/min)。

地球表面获得的只是太阳辐射能的20亿分之一。2.生物热能有机质分解释放的能量。（羊粪，马粪）3.地热地热异常区（温泉、火山口附近）的一种自然资源。地心温度5000℃地热增温级：（地表20米以下）由地表向地心温度每增加1℃的土层厚度。（近地表70km以外为20-40m，平均33m；70km以下为80-100m)二、土壤的热性质

1、土壤热容量：概念：单位容积或单位质量的土壤在温度升高或降低1K时吸收或放出的热量。

Cv:容积热容量（J/cm3/K)；Cm:质量热容量(J/g/K)Cv=cm╳d（d：容重）

Cv水>Cv固>Cv气

意义：说明土壤温度稳定性的一个数量指标。影响土壤热容量主要因素：土壤的三相组成（对于一个指定土壤而言主要决定于土壤含水量）2、土壤导热率概念：在面积为1cm2、相距1cm的两截面上温度相差1K时，每秒钟所通过该单元土体的热量。单位：J/(cm·K·s)意义：是评价传导热量快慢的指标。主要影响因素：三相组成（λ固>λ液>λ气))二、土壤的热性质3、土壤吸热性与散热性土壤吸热性：指土壤对太阳辐射能的吸收能力。

影响因素：土表颜色；土表粗糙状况。土壤散热性：土壤散失热量