土壤水空气和热量状况.ppt

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1、第六章 土壤水、空气和热量状况,主要内容,第一节 土壤水分第二节 土壤空气和热量第三节 土壤水分、空气和热量的调节,*土壤水分（1）掌握土壤水分类型、特点及相应的水分常数；（2）掌握土壤土水势、土水吸力、水分特征曲线概念，利用水吸力和土水势判断水分运动的方向；（3）掌握土壤水分质量、容积、相对含水量和贮水量的计算方法，学习土壤水分的有效性分析；,教学目标：,第一节 土壤水,所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水并非纯水、而是稀薄的溶液。土壤水实际上是指在105温度下从土壤中驱逐出

2、来的水。,土壤水的重要性：,一、土壤水的类型及性质,一、土壤水分类型及其性质二、土壤水分的数量概念三、土壤水分的能量状态四、土壤水分的有效性,吸湿水 膜状水 毛管水 重力水,（形态观点）,一、土壤水分类型及性质,依土壤水分所受的力的作用划分类型,吸附水：,土壤颗粒表面的分子引力作用而被吸附在土粒周围的水分,（1）土壤吸湿水,最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量。,定义：干燥土粒从空气（土壤、大气）中吸附的气态水,机制：表面能（表面分子引力:31 105 Pa）,水分常数,1、土壤吸附水,它所受土粒表面的吸附力很强，故具有固态水的性质，不能流动；比重很大

3、(约1.5g/cm3)，无溶解能力，冰点下降-7.8；因为它所受的吸力远大于植物根的吸水力(平均为1520kPa),植物无法吸收利用，属于土壤水中的无效水，对生产的直接意义不大。可帮助分析土壤水的有效性，一般土壤中无效水总量约为最大吸湿量的1.52.0倍。,特点,（2）土壤膜状水,定义：土壤颗粒借助吸附力吸附在吸湿水外围的连续液态水膜称为土壤膜状水,机制：表面能（表面分子引力:6.25-31 105 Pa）,膜状水比吸湿水所受的吸附力小得多，它具有液态水的性质，可以移动，但因粘滞度较大，其移动速率非常慢。一般是由水膜厚处向水膜薄处移动，如图所示（）。,特点,膜状水移动示意图,部分有效膜状水的内

4、层水，植物根无法吸收利用，为无效水，而它的外层水，植物可以吸收利用，但数量极为有限。,水分常数,影响因素：土壤质地、植物种类、气候等 下表给出了不同质地土壤的萎蔫系数参考范围。（P 111表7-1）,萎蔫系数是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。,凋萎蔫系数,无效孔度=凋萎系数容重,2、土壤毛管水,定义：依靠毛管力保持在土壤毛管孔隙中的水就称为毛管水,机制：毛管力（0.08-6.25 105）,h水柱高度（cm)d孔隙直径（mm）,它不受重力支配而流失，所受力比植物根的吸水力小得多,是植物所需水分的主要给源毛管水移动性大，能较迅速地运动，一般向消耗点移动，如向根系吸水点和表土蒸发面移动（10-

5、300mm/h）它也是土壤养分的溶剂和输送者,特点,是土壤中最宝贵的水,毛管悬着水（与地下水无关）,在地下水较深的情况下，降水或灌溉水等地面水进入土壤，借助毛管力保持在上层土壤毛管孔隙中的水分。它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在半空中一样，故称之为毛管悬着水。,毛管悬着水是地势较高处植物吸收水分的主要给源。,类型,土 粒,毛管悬着水示意图,在形态上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。当含水量达到田持时，若继续供水，并不能使该土体的持水量再增大，而只能进一步湿润下层土壤。田间持水量是确定灌水量的重要依据。,影响因素：质地、有机质含量、结构、松紧状况等,水分常数,田间持水量(田持)：是指

6、毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量 P111,当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量的75左右。（生长阻碍含水量）,毛管水断裂量,水分常数,毛管持水量：毛管上升水的最大含量,毛管上升水（与地下水有关）,借助于毛管力由地下水上升进入上层土体的水,毛管水上升高度：从地下水面到毛管上升水所能到达的绝对高度,水分常数,土 粒,毛管上升水示意图,地下水位,3、重力水,特点：临时存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中的水分，与土壤养分的淋失有关；往往因水分过多，土壤空气不足，造成内涝，反而有害于作物生长（多余

7、水）,定义：土壤中不被土壤保持而受重力支配向下流动的水，称为重力水,机制：重力（0.08 105 Pa）,水分常数,全持水量或饱和持水量：土壤全部孔隙都充满水时的土壤含水量,上述各种水分类型，彼此密切交错联结，相互转化，很难严格划分 对于不同质地的土壤上述各种不同形态水的数值是不等的。请认真比较它们的大小,注 意,二、土壤水分的数量概念,土壤含水量,例1：土壤烘干前湿重为95g，烘干后重79g，求质量含水量。将测定数据代入上式，即求该土壤质量含水量为：m（95-79）/79 10020.3,容积含水量是指单位土壤总容积中水所占的容积百分数，又称容积湿度、土壤水的容积百分数，常用符号v表示：,v

8、=(水容积/土壤总容积)cm3/cm3,v=mb b=d2,（二）容积含水量（v 或 Vw）,容积含水量是指单位土壤总容积中水所占的容积百分数，又称容积湿度、土壤水的容积百分数，常用符号v表示：,v=(水容积/土壤总容积)cm3/cm3,v=mb b=d2,（二）容积含水量（v 或 Vw）,土壤水贮量是指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量。在土壤物理，农田水利学、水文学中经常要用到，它主要有两种表达方式：,（三）土壤贮水量,例4 如某土层厚度为10cm，容积含水量为25，求水深。Dw=（1025）2.5(cm)25(mm),即一定面积一定厚度土壤中所含水量的体积数 在数量上，它可简单由hw与所

9、指定面积(如1亩、1公顷)相乘求出，但要注意二者单位一致性。在灌排计算中常用到这一参数，以确定灌水量和排水量,绝对含水量：土壤中所含水分的绝对数量,质量含水量、容积含水量、土壤贮水量,土壤A砂土10%,土壤B粘土15%,三、土壤水分的能量状态,1907年美土壤物理学家，白金汉，毛管势1920年美土壤物理学家，加德纳，土壤水分势1950年之后长足进步1979年我国起步,以水分本身的能量变化来研究水分在土壤中 保持、运动以及大气、植物、土壤中水的关系等一系列水分问题,水分能量观点:,土壤水具有自由能：张力、应力、渗透压、吉氏自由能、土水势、水吸力,土壤水由自由能高状态向自由能降低的状态运动,(一)

10、土水势及其分势,土壤 A 砂土 10%,土壤 B 粘土 15%,水流向何方？,标注土水势的优点,土水势,土壤水在各种力作用下，与同样温度、高度和大气压条件的纯自由水相比，其自由能降低，这个差值即为土水势（）。优点：可作为判断各种土壤水分能态的统一标准和尺度；土水势的数值可在土壤植物大气之间统一使用，把土水势、根水势、叶水势等统一比较，判断它们之间水流的方向、速度和土壤和随有效性；还可提供一些精确的土壤水分状况测定手段。,负值，当土壤饱和时最大0.土壤含水量越高，基质势也越高。,基质势m 基质势是极小单位水量从一个平衡的土一水系统可逆地移到没有基质的，而其他条件都相同的参比状态水池所做的功。,1

11、、基质势（m）,2、压力势（p）,压力势是极小单位的水量从一个平衡的土一水系统可逆地移到除压力不等于参比压力，而其他条件都相同的参比状态水池时所做的功。正值。只有当土壤水分饱和时才有压力势在不饱和土壤中压力势为0.饱和土层越深，压力势越高。p=wghV,压力势主要包括：气压势 封闭在土壤水分内的空气所产生的势值。静水压势 土壤中的水分承受水体的压力，土层深处的水分，受到的压力更大，静水压势是压力势的主体。压力势的势值为正值。,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。,溶质势又称渗透势，指极小单位水量从一个平衡的土一水系统可逆地移到没有溶质的，而其他条件都相同的参

12、比状态水池时所做的功。,3、溶质势（S）,4、重力势（g）,重力势（g）是指由重力作用而引起的土水势变化。任何时后重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为0.,总水势：t=m+p+s+g,请注意：在不同的情况下，土壤总水势的各分势组成是不同的。见P106下端。切记。,土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。T-m,如何用水吸力和水势判断水分运动的方向？请回答。,绝对正值,（二）土壤水吸力,一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与m相等，但符号相反。,四、土壤水势的定量测定,张力计法土水势的标准单位：帕（Pa）1Pa=0.0102厘米

13、水柱 1atm=1033厘米水柱=1.0133bar 1bar=0.9896atm=1020厘米水柱,土水势的表示方法,土水势多用帕（Pa）表示，但常用水柱高的对数值表示，称为pF值。pF值即能反应土壤水吸力能量大小，又能表示出各种水分常数以及土壤水吸力与含水量的关系。kPa与pF值的换算关系见表51。,表51 kPa与pF值的换算关系,pF值=4.5最大吸湿量pF值=4.2萎蔫含水量 pF值=3.8最大分子持水量pF值=3.0作物生长阻滞含水量pF值=2.7田间持水量 pF值=1.6最大毛管持水量,五、土壤水分特征曲线：,指土壤水分含量与土壤水吸力的关系曲线,0 10 20 30 40 50

14、 60 70,土 壤 水 吸 力,黏土,壤土,砂土,土壤含水量,水分特征曲线的用途：,第四，应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时，水分特征曲线是必不可少的重要参数。,首先，可利用它进行土壤水吸力S和含水率之间的换算(图3.7)。,其次，土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。,第三，水分特征曲线可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性。,土壤有效水(available soil water)：在田间持水量（1-2万帕）到永久萎蔫系数（150万帕）之间保留在土壤中的水分。土壤水吸力大于150万帕的土壤水对植物来说是无效水。,植物吸水：主动吸水和被动吸水。被动吸水为主

15、要方式，其动力是从植物叶面到茎到根到土壤的水势梯度。主动吸水一般不超过植物需水量的10%。,六、土壤 水的有效性,土壤萎蔫系数：（wilting point),作物叶片发生永久萎蔫时的土壤含水量，也叫永久萎蔫点。,第二节 土壤空气和热量1、土壤空气的组成和特点2、土壤通气性及机制3、土壤热量的来源及影响因素4、土壤热性质及土壤温度变化规律5、土壤空气、温度对林木生长和土壤肥力的影响,一、土壤空气的组成与特点：与近地面大气成分近似但又有其自己的特点。1、土壤空气中O2的数量较大气为少，CO2的数量较大气为多;2、土壤空气中水汽含量比大气高;3、土壤空气中含有少量还原性气体;4、土壤空气的组成不稳

16、定;5、土壤空气存在的形态与大气不同;土壤空气存在形态按其物理性质分为：1、自由态气体；2、吸附态气体；3、溶解态气体。,二、土壤通气性机制 1.土壤通气性是指土壤空气与大气进行交换以及土体内部气体扩散和通气的能力。2.土壤空气与大气交换的机制有二：一是气体对流，二是气体扩散,（1）土壤空气的对流 土壤与大气间由总压力梯度推动的气体整体流动，也称质流。对流由高压区流向低压区。影响土壤空气对流的因素（1）气压变化：大气压上升，一部分空气进入土壤孔隙，大气压下降，土壤空气膨胀，一部分土壤空气进入大气。（2）温度变化：土壤温度高于大气温度时，土壤中的空气进入大气，反之，则相反。（3）降水和灌溉：如土

17、壤接受降水或灌溉，土壤含水量增加，孔隙中的空气就进入大气，反之，则相反。（4）地表风力：地表风力大，土壤含水量下降，大气中的空气就进入土壤孔隙。反之则相反。,（2）土壤空气的扩散 土壤中气体分子因浓度梯度或分压不同而产生的移动。是土壤与大气交换的主要机制。土壤中CO2和O2的扩散过程分气相、液相两部分。气相扩散：通过充气孔隙扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用 液相扩散：通过不同厚度水膜的扩散。,（1）土壤松紧度：土壤孔隙度愈大，尤其是粗孔隙愈多，气体扩散通道愈大，扩散的实际路径愈小，土壤气体的扩散系数也愈大。（2）土壤质地和结构 土壤质地和结构决定着土壤的孔隙数量及孔隙大小，因而对气体扩散产

18、生影响。砂质土和有良好结构土壤粗孔隙多，相对扩散系数（D/Do）也高。（3）土壤含水量 相对扩散系数随含水量的增加而减少，因为通气孔隙度随土壤含水量的增加而降低。,影响土壤气体扩散的因素,3.土壤通气性的指标（1）土壤通气孔隙度（%）一般非毛管孔隙度15-20%为良好，10%通气不良，10-15%中等。（2)土壤氧扩散率(ODR)它是指每分钟扩散通过每平方厘米土层的O2的毫克数。一般要求在30-40mg/cm2.min(3)土壤氧化还原电位 当土壤通气好土壤空气中的O2多时，土壤溶液中O2就多，变价化合物就处于高价氧化态，Eh就大，反之Eh低。,一般旱地土壤Eh值在200-700ml之间，养分

19、供应正常；Eh700ml土壤处于完全氧化状态，有机质迅速分解，铁、锰等微量元素氧化析出，植物易患缺绿症；Eh200ml土壤进行强烈还原作用，硝酸盐开始消失，出现大量NO2-和Mn2+，严重影响作物生长。,二、土壤空气对作物生长的影响1、土壤空气影响种子萌发和根系的发育种子萌发需水分与氧气、氧气不足烂种；根系生长需一定氧气，氧气含量低不长新根，氧气少烂根；不同作物缺氧的忍耐力不同。2、土壤空气影响土壤养分状况氧气多少影响矿化，影响养分供给；影响根对养分吸收，如玉米缺氧对养分吸收能力依下列次序递减：KCaMg N P；影响养分存在形态，一般氧化态养分易被作物吸收利用。3、土壤空气影响植物抗病性通气

20、不良产生还原性气体H2S、CH4、H2、PH3等会严重危害作物生长，CO2过多致使土壤酸度增高，致使霉菌发育，植株生病。,4.土壤通气性的调节土壤通气性好坏主要取决于土壤通气孔隙的多少，调节土壤通气性就要通过各种措施改善土壤孔隙状况。（1）改良土壤质地和结构（2）耕作管理（3）排水和灌溉,三、土壤的热量来源及影响因素,（一）土壤热量的来源,1、太阳的辐射能 土壤热量的最基本来源是太阳的辐射能。农业就是在充分供应水肥的条件下植物对太阳能的利用。,2、生物热 微生物分解有机质的过程是放热的过程。据估算，含有机质4的土壤，每英亩耕层有机质的潜能为6.281096.99109KJ，相当于2050吨无烟

21、煤的热量。,3、地球内热 由于地壳的传热能力很差，每平方厘米地面全年从地球内部获得热量不高过226J，地热对土壤温度的影响极小，但在地热异常地区，如温泉、火山口附近，这一因素对土壤温度的影响就不可忽略。,（二）影响土壤热状况的因素1、环境因素：纬度、海拔高度、坡向和坡度、大气透明度、地面覆盖2、土壤性质：土壤颜色、土壤质地、土壤含水量、土壤结构性、松紧度。,四、土壤热性质及土壤温度变化,1、土壤热容量 土壤热容量是指单位质量(重量)或容积的土壤每升高(或降低)1所需要(或放出的)的热量。,（一）土壤热性质,土壤不同组分的热容量,在土壤的三相物质组成中，水的热容量最大，气体热容量最小，矿物质和有

22、机质热容量介于两者之间。在固相组成物质中，腐殖质热容量大于矿物质，而矿物质热容量彼此差异较小。所以土壤热容量的大小主要决定于土壤水分多少和腐殖质含量。,2、土壤导热率,土壤具有对吸附热量传导到邻近土层性质，称为导热性。,导热性大小用导热率表示。在单位厚度（cm）土层，温差为时，每秒钟经单位断面（cm2）通过的热量焦耳数（）。,土壤空气导热率最小，固体物质中矿物质导热率最大，水介于两者之间。因此，土壤导热率的大小主要决定于土壤孔隙的多少和含水量的多少。,冬季麦田干旱时灌水防冻，早春灌水防霜冻都是根据这个道理。,当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领，导热率就小。当土壤湿润时，土粒间的孔隙被

23、水分占领，导热率增大。,土壤不同组成分的导热率J/(cms),3、土壤的热扩散率 在一定的热量供给下，能使土壤温度升高的快慢和难易则决定于其热扩散率。土壤热扩散率是指在标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距离内，的温度梯度下，每秒流入cm2土壤断面面积的热量，使单位体积（cm3）土壤所发生的温度变化。就一定土壤来讲，土壤固相物质比较稳定，土壤的热扩散率主要决定于土壤水和空气的比例。干土土温易上升，湿土土温不易上升。,4、土壤的热量平衡 土壤热量收支平衡可用下式表示：S=Q+P+LE+R式中，S为土壤在单位时间内实际获得或失掉的热量；Q为辐射平衡；L为水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加

24、的量；P为土壤与大气层之间的湍流交换量；R为土面与土壤下层之间的热交换量。,地面的热量平衡,（二）土壤温度变化规律1.土壤温度的季节或月变化,2.土壤温度的日变化,土壤温度的日变化,1、土壤含水量愈低，其热容量越小，导热率愈低土壤升温越快()2、灌溉可降低土壤表层土的昼夜温差。()3、中耕松土，可降低土壤表层土的热容量，而促进表土升温。()4、一日之内土壤上下各层温度变化是同步的()5、土壤热量全部来源是太阳辐射。()6、土温的变化与土壤肥力的高低无关。()7、土壤热容量随土壤容重和含水量的增加而增大()。8、土壤有机质含量越高，其热容量越大()9、土壤热扩散率随含水量的增加而增加，随热容量的

25、增大而减小()。10、热扩散率表示土壤升温的难易，导热率表示是热传导的快慢。(),课堂测验快速判断！,第三节 土壤水分、空气和热量的调节,一、土壤水气热的相互关系二、土壤水气热的调节,一、名词解释土水势、土壤水吸力、毛管水、田间持水量、土壤水分特征曲线、凋萎系数、土壤通气性、土壤呼吸、土壤热容量 土壤导热率,复习思考,1、土壤水分类型、特点及其相应的水分常数；2、如何运用水吸力和土水势判断水分运动的方向？3、有关土壤水分含量、有效性分析、相应孔隙度等的计算；4、土壤空气组成特点；5、土壤通气性的机制及其衡量指标；6、热量状况,二、思考,5、调节土壤热状况的关键措施是什么?为什么?6、育秧时有牲畜份内欧苗床促早发的机理是什么?3、在沙漠地带，为什么有“朝穿皮袄午穿纱，晚上围着火炉吃西瓜”的气候?4、粘土为什么叫“冷性土”?砂土为什么叫“暖性土”?5、入冬前小麦灌水可防冻，为什么?而春天灌返青水又不宜过早，又为什么?6、农民为什么说“锄下有水又有火”?7、地下水为什么冬暖夏凉?,