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第五章 土壤水、空气和热量
主要教学目标：学会分析土壤肥力要素水、气、热之间的关系。由于土壤水分的重要作用，因此首先要求学生掌握土壤水的形态学观点和能量学观点。在基本知识掌握的基础上，并能系统地处理土壤水、气、热三者的相互关系和调节措施。

主要内容：
第一节 土壤水的类型
第二节 土壤水分含量的表示方法
第三节 土壤水分能量的分析
第四节 土壤水分的管理与调节
第五节 土壤空气和热量
第六节 土壤水、气、热的相互关系
第一节 土壤水的类型
土壤学中的土壤水是指在一个大气压下，在105℃条件下能从土壤中分离出来的水分。土壤中液态水数量最多，对植物的生长关系最为密切。液态水类型的划分是根据水分受力的不同来划分的，这是水分研究的形态学观点。这一观点在农业、水利、气象等学科和生产中广泛应用。
一、吸湿水
土壤颗粒从空气中吸收的汽态水分子。
从室外取土，放在室内风干若干时间后，表面上看似乎干燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量会减轻；再放置到常温常压下，土壤重量又会增加，这表明土壤吸收了空气中的水汽分子。
土壤的吸湿性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般来说，土壤中吸湿水的多少，取决于土壤颗粒表面积大小和空气相对湿度。由于这种作用的力非常大，最大可达一万个大气压，所以植物不能利用此水，称之为紧束缚水。
二、膜状水
土粒吸足了吸湿水后，还有剩余的吸引力，可吸引一部分液态水成水膜状附着在土粒表面，这种水分称为膜状水。
重力不能使膜状水移动，但其自身可从水膜较厚处向水膜较薄处移动，植物可以利用此水。但由于这种水的移动非常缓慢（0.2—0.4mm/d），不能及时供给植物生长需要，植物可利用的数量很少。当植物发生永久萎蔫时，往往还有相当多的膜状水。
三、毛管水
当把一个很细的管子（毛细管）插入水中后，水分可以上升的较高于水平面，并保持在毛细管中。
毛管水：由于毛管力的作用而保持在土壤中的液态水。毛管水可以有毛管力小的方向移向毛管力大的方向，毛管力的大小可用Laplace公式计算：
P = 2T/r
式中的P为毛管力，T为水的表面张力，r为毛管半径。
根据毛管水是否与地下水相连，可分为2种类型：
毛管悬着水：降水或灌溉后，由地表进入土壤被保存在土壤中的毛管水。
毛管上升水：或毛管支持水，土壤中受到地下水源支持并上升到一定高度的毛管水。
影响毛管上升水的因素：地下水水位和毛管孔隙状况
毛管水上升高度用下式计算： H=75/d，d为土粒平均直径（上升高度与颗粒直径间关系见p142的附表）。
若假设土粒的d为0.001毫米，据公式得出H为75米，但这个数据无法从实验中得到证实。实际上，一般毛管水的上升高度不超过3—4米，这可能是由于毛管直径太小，当达到一定长度后，很容易被堵塞。
四、重力水
降水或灌溉后，不受土粒和毛管力吸持，而在重力作用下向下移动的水，称为重力水。植物能完全吸收重力水，但由于重力水很快就流失（一般两天就会从土壤中移走），因此利用率很低。
五、地下水
在土壤中或很深的母质层中，具有不透水层时，重力水就会在此层之上的土壤孔隙中聚积起来，形成水层，这就是地下水。
在干旱条件下，土壤水分蒸发快，如地下水位过高，就会使水溶性盐类向上集中，使含盐量增加到有害程度，即所谓的盐渍化；在湿润地区，如地下水位过高，就会是土壤过湿，植物不能生长，有机残体不能分解，这就是沼泽化。

第二节 土壤水分含量的表示方法
一、土壤绝对含水量
1、重量百分数：土壤水分的重量占烘干土的百分率。
2、体积百分数：
土壤容积含水量%=土壤重量含水量*容重
意义：可反映土壤孔隙的充水程度，可计算土壤的固、液、气相的三相比。
如土壤含水量（重量）20%，容重为1.2。则土壤容积含水量为20%*1.2=24.0%
土壤总孔隙度=1—1.2/2.65=55%
空气所占体积为55%—24%=31%
固相体积为100—55%=45%。
3、土壤蓄水量（立方米/亩）=每亩面积（平方米）*土层深度*土壤容重*土壤重量含水量
如土壤田间持水量为25%（重量），容重1.1。测得土壤自然含水量为10%，现将没亩1米深的土层内含水量提高到田间持水量水平，问应灌多少水（立方米/亩）
应灌水量（立方米/亩）=666.6*1*1.1*（25%—10%）=110立方米/亩
4、水层厚度：单位面积上一定土层厚度内含有的水层厚度，可与雨量相比。
水层厚度(mm)=土层厚度（h）*土壤容重（d）*重量百分数%*10
5、水体积：水层厚度乘以面积。
二、土壤相对含量
土壤水分含量占饱和含水量的百分比或占田间持水量的百分比。
三、水分常数：土壤含水量根据受土壤各种力的作用达到某种程度的水量，对于同一土壤来说，此时的含水量基本不变，称为土壤水分常数，又叫水分特征值，它是一些与植物吸收水分有关系的数值。
1、吸湿系数（最大吸湿水量）
是在相对湿度接近饱和空气时，土壤吸收水汽分子的最大量与烘干土重的百分率。
2、凋萎系数
当植物产生永久凋萎时的土壤含水量。此时土壤水主要是全部的吸湿水和部分膜状水。
经验公式凋萎系数=吸湿系数*（1.34～1.5）
3、田间持水量
当土壤被充分饱和后，多余的重力水已经渗漏，渗透水流已降至很低甚至停止时土壤所持的含水量。
此时水分类型包括吸湿水、膜状水和全部毛管悬着水。
田间持水量=吸湿系数*2.5
测定方法（野外）：在野外地里灌水后，铺上枯枝落叶防止蒸发，两天后，重力水下渗，这时所测得的土壤含水量就是田间持水量。

4、全容水量
土壤完全为水所饱和时的含水量，此时土壤水包括吸湿水、膜状水、毛管水和重力水。
水分基本充满了土壤孔隙，在自然条件下，水稻土、沼泽土或降雨、灌溉量较大时可达到全容水量。
4、有效水含量
土壤中的水分，并不是全部能被植物的根系吸收利用。土壤水的有效性是指土壤水被植物吸收利用的状况。
一般情况下：
最大有效含水量（%）= 田间含水量%—凋萎系数%
有效水分含量（%）= 自然含水量%— 凋萎系数%
能被植物利用的有效水的数量比较复杂，受土壤质地、结构、土壤层位及有机质含量的影响较大。

第三节 土壤水分能量的分析
一、土水势
土壤水和自然界其他物体一样，含有不同数量和形式的能，处于一定的能量状态，能自发地从能量较高的地方向能量较低的地方移动。土水势是表示土壤水能量状态常用的名称。土壤水的“能”包括动能和势能，但由于土壤水在土壤中的移动速度缓慢，所以只考虑它的势能。势能是由力场中的位置决定的。土壤水分由于受各种力的影响，其势能必然会发生变化，表现为水分的自由能降低。如果要把水从土壤中抽出，必然要施以相应的力作相应的功，以克服土壤中对水作用的各种力量。土水势就是土壤水在各种力的作用下势能的变化。
由于作用力不同，土水势可以分为几个分势：
基质势：由土粒分子吸水和毛管力作用下所降低的势能，是最主要的土水势组成部分。
渗透势：土壤水中溶质所降低的势能，在一般土壤中忽略不计。
重力势：在淹水条件下，由于重力作用水向下渗漏时产生。
土水势是上述各分势的代数和。
二、土壤水吸力
1、概念：土壤水承受一定吸力的情况下所处的能态。
在概念上并不是土壤对水的吸力，但在实际应用中仍用土壤对水的吸力来表示。在数值上相当于土水势的基质分势和渗透分势。
2、表示单位：用压力作单位，即大气压或厘米水柱高；由于厘米水柱高数据太大，用起来不方便，这里采用了pF值，即用厘米水柱高的对数值来表示。
3、测定方法
主要应用张力计法。主要原理是将充满水的带有素烧瓷杯（陶土滤杯）的金属管埋入土中，素烧瓷杯有孔径在1.0—1.5um之间的细孔，瓷杯和管内充满水，水可通过细孔与土壤水接触，当土壤水势小于瓷杯内水势时，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，管内形成负压，当内外水势相等时，真空压力计上的负压读数即代表管外土壤水吸力。
三、土壤水分特征曲线
1、 概念：
土壤水分含量和土壤水吸力是一个连续函数，土壤水分特征曲线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。
土壤的水吸力或pF值越大，土壤水所受的吸力也越大，对植物的有效性就越小，当土壤对水的吸力超过了植物根系对土壤水的吸力说，即pF值大于4.5时，土壤水分就处于无效状态。土壤水分含量高，土壤水的吸力越低，土壤水本身的势能就高，土壤水的可移动性和对植物的有效性就强。
2、土壤水分特征曲线可说明两个问题：
第一，不同质地土壤达到萎蔫系数和田间持水量时，实际的含水量相差很大，但土壤水吸力相似。达到萎蔫系数时，土壤水吸力为15atm或15bar，pF为4.2；达到田间持水量时，土壤水吸力为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。

第四节 土壤水分的管理与调节
一、土壤水分的测定方法
定量测定方法
1、洪干法（标准法）
2、中子仪法
3、时域反射仪（Time Domain Reflectometry TDR）
4、张力计、电阻法、石膏法
5、压力膜 　　
二、影响土壤水分状况的因素
1、 气候：降雨量和蒸发量是两个相互矛盾的重要因素，在一定条件下，难以人为控制。
2、 植被：植被的蒸腾消耗土壤的水分，而植被可以通过降低地表径流来增加土壤水分。
3、 地形和水文条件：地形地势的高低，影响土壤的水分。在园林绿化生产中，要注意平整土地。对易遭水蚀的地方，要注意修成水平梯田。
4、 土壤的物理性质：土壤质地、土壤结构、土壤松紧度、有机质含量都对土壤水分的入渗、流动、保持、排除以及蒸发等，产生重要的影响。在一定程度程度上，决定着土壤的水分状况。与气候因素相比土壤物理性质是比较容易改变的而且是行之有效的。
5、 人为影响：主要是通过灌溉、排水等措施，调节土壤的水分含量。
三、土壤水分的调节
1、灌溉和排水
2、耕作
3、施有机肥
4、地面覆盖
地膜覆盖，有很高的保墒、增温效果。对裸露的地方用小石块、粗沙或草炭、枯枝落叶、作物秸杆覆盖。种植地被植物。
5、土壤增温保墒剂土壤增温保墒剂
化学成分：高分子脂肪类经皂化后的产物，黑色。
作用：防止地表蒸发，增加地表蒸发，增加地表温度。
使用方法：稀释后，直接喷洒在土壤表面。
国外的“TAB”是一种高效的土壤保湿剂。遇水时，微粒体积可膨胀30多倍，能吸收超过自身重300——1000倍的水分，其中绝大部分可供植物吸收。

第五节 土壤空气部分
一、土壤空气的组成
近地大气组成：氧气20.94%
二氧化碳0.03% 氮气78.08%
其他气体0.95% 相对湿度60——90%。
土壤空气组成：氧气10.35——20.03%
二氧化碳0.15——0.65% 氮气78.8——80.2%
相对湿度100%
土壤孔隙和土壤含水量影响土壤空气数量
二、土壤的通气性的生态意义
1、 对植物的直接影响
为植物的呼吸作用，提供必需的氧气。在通气良好的条件下，土壤中的根系长、颜色浅、根毛多，根的生理活动旺盛。缺氧时，根系短而粗、色暗、根毛大量减少，生理代谢受阻。当土壤空气中，氧的浓度低于9%~10%时，根系发育就受到影响。低于5%时，大部分的植物根系就会停止发育。
2、 对土壤微生物生命活动和养分转化的影响
通气良好时，好气微生物活动旺盛，有机质分解迅速、彻底，植物可吸收利用较多的速效养分。通气不良时，有机质分解和养分释放慢，还会产生有毒的还原物质（如硫化氢、磷化氢等）。
三、紧实土壤的改良
人为践踏、机械压实以及有机质缺乏、结构不良等引起的土壤紧实现象在城市绿地中异常突出。
改良措施：松土 可采用人工、机械、爆破以及生物方式。
施用抗紧实的物料：粗有机物料、膨化岩类。
采用通气透水的铺装方式
强化地下通气的措施

本章重点：掌握土壤液态水的类型及其土壤水分含量的表示方法；掌握土壤水吸力的测定方法和土壤水分特征曲线的含义。
本章难点：是各种液态水分类型划分的依据，以及对土壤水分能量观点的理解。有些内容比较抽象。
复习思考题：
1、土壤水；2、土壤吸湿水；3、毛管水；4、吸湿系数；5、凋萎系数；6、田间持水量；7、土壤有效含水量8、土水势；9、土壤水吸力；10、土壤水分特征曲线；
11、土壤通气性
二、简答题
1、土壤液态水包括哪几种类型？
2、土壤水分有哪几种表示方法？
3、如何计算土壤有效水的含量？
4、如何从吸湿系数计算土壤凋萎系数和田间持水量？
5、土水势包括哪些分势？
6、土壤水分特征曲线可说明哪些问题？
7、土壤空气与大气在组成上有什么不同？
8、土壤空气与大气是如何交换的？
9、如何调节土壤的通气性？