1、土 壤 地 理 学,三、土壤水分和空气,三、土壤水分和空气,土壤流体组成（一）土壤水分（二）土壤空气,掌握土壤水分类型、土壤水分常数掌握土壤空气组成及其运动,(一) 土壤水,水分是土壤的重要组成部分之一，土壤水分含量对土壤形成发育过程及肥力水平高低都有重要的影响作用。 土壤水分状况及其运动规律是土壤地理学、资源环境科学的重要研究内容之一。,全球水循环中处于土壤水阶段时它的特殊性：土壤水分的保持、运动及有效性,1.土壤水分的来源及其耗损,土壤水分主要来自大气降水、灌溉水、地下水。此外，水汽的凝结也会增加土壤水分的含量.但这种水分含量很少，不占重要地位。土壤水分的消耗主要有土壤蒸发、植物吸收和蒸腾
2、，水分渗漏和径流损失等，其中地面蒸发和水分渗漏最为重要。,2、土壤水的保持与分类,水分进入土壤后，因受到分子引力、毛管力等作用，而存在于土壤孔隙中。土壤可保持大量的水分，按表土30cm算，可达50t/亩 。植物每生产一公斤干物质，需消耗几百公斤土壤水。,根据土壤水存在的不同形态和运动形式，通常把土壤水分划分为以下几种类型：,土壤水分类型及有效性,土壤水分类型* 吸湿水 膜状水 毛管水 重力水,（1）土壤吸湿水,吸湿水：由土壤颗粒的表面张力所吸附的水汽的分子，称吸湿水。 水汽分子与土壤颗粒之间的吸力为31-1万个大气压，不能移动，植物也不能吸收。 最大吸湿量：当土壤空气相对湿度达到饱和时，土壤吸
3、湿水含量达到最大值时，称最大吸湿量。,（2）土壤膜状水,膜状水：被吸附在吸湿水膜外层的水分。膜状水能从水膜厚处向薄处移动，即从湿土向干土移动，但移动速度非常缓慢。膜状水即使含量还高，植物便开始凋萎，植物呈永久萎蔫时的土壤含水量，称凋萎系数。膜状水的最大含量称最大分子持水量。,（3）土壤毛管水,毛管孔隙中毛管力吸附保存的水分称毛管水。包括：毛管悬着水 毛管上升水,毛管悬着水借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，故称之为毛管悬着水。毛管悬着水达到最大时的土壤含水量，称田间持水量。毛管上升水是指地下水位较高条件下，地下水沿毛管上升
4、而存在土壤毛管孔隙中的水分。毛管上升水达到最大量的土壤含水量叫毛管持水量。,土 粒,毛管悬着水,土 粒,毛管上升水,地下水位,重力水,重力水：当土壤水分含量超过田间持水量时，多余的水分就会在重力作用下，沿着土壤中的非毛管孔隙（大孔隙）向下渗透，如果没有不透水层的阻隔，它可以一直渗透到地下水中去。 土壤所有孔隙都充满水时的含水量称土壤饱和含水量，也称为土壤全持水量。,3、土壤水分常数及土壤水分有效性,对于一定的土壤，其物质组成及孔隙系统是一定的，因此，能够保持各种形态类型的水分的最大值亦为一常数，称为土壤水分常数，用重量水分百分数表示。,土壤水分常数,当土壤空气相对湿度达到饱和时，土壤吸湿水含量
5、达到最大值时，称最大吸湿量，又称吸湿系数。 植物呈永久萎蔫时的土壤含水量，称凋萎系数。 膜状水的最大含量叫最大分子持水量。毛管悬着水达到最大时的土壤含水量，称田间持水量。土壤孔隙全部充满水分时，即为重力水所饱和时的含水量，称为全蓄水量或饱和持水量，饱和系数。,水沿着毛管上升,毛管作用力范围： 0.1-1mm有明显的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失,3、土壤水分常数及土壤水分有效性,土壤含水量的表示方法很多，如重量百分数： 土壤含水量%,土壤水分有效性,能被植物吸收利用的土壤水称为有效水。土壤有效水的数量可由土壤水分常
6、数计算：土壤有效水量 毛管持水量 凋萎系数 （田间持水量）,土壤水分有效性综合示意图,土壤水分有效性主要受土壤质地、结构、有机质含量等影响。,不同质地土壤的有效水分含量图,土壤A10%,土壤B15%,水流向何方？,砂土 粘土,4.土壤水的能量概念,土壤水和自然界中其他物体一样，含有不同数量和形式的能，经典物理学分别出两种主要形式的能：动能和势能。 动能： 可忽略不计； 势能在土壤水的运动和状态上极为重要。,土水势(soil water potential),土水势(soil water potential)是指单位水量从一平衡的土-水系统移动到与它同温度而处于参比状态的水池时所作的功。土水势包
7、括：基质势(matrix potential)溶质势（solute potential）或叫渗透势(osmotic potential)压力势(pressure potential)重力势(gravitational potential)以上分势的和为总水势(soil water potential)。,在土壤水不饱和情况下，土壤仍保持部分水分，根据热力学第一定律：能量守恒定律，被土壤吸持的水，其自由能减少。在土壤水饱和情况下，水分不但不再被吸持，还可以产生静水压，其能作有用功的自由能增多。,（1）基质势（Pm） 负值，当土壤饱和时最大0土壤含水量越高，基质势也越高。,（2）压力势（Pp）正值
8、，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。,（3）溶质势（PS）负值。也叫渗透势（osmotic potential），由土壤溶液中的溶质离子吸水，使土壤水分失去部分自由活动能力，这种由溶质所产生的势能，称溶质势，也称渗透势。,（4）重力势（Pg）重力势（Pg）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。,土水势与自由能表解,在饱和土壤水运动中，决定土水势的是Pp与Pg；在不饱和土壤水的运动中决定土水势的是Pm与PS。土水势的定量表示以单位数量土壤水的势能值为准。通常用单位容积土壤水分的势
9、能值即压力单位帕（Pa）表示。近似应用时也可简化为：105帕=1000厘米水柱1巴1大气压。,土壤水势的定量表示,土水势的标准单位：帕（Pa） 1 Pa=0.0102厘米水柱 1 atm=1033厘米水柱=1.0133bar 1 bar=0.9896atm=1020厘米水柱 1 bar=100000 Pa,土壤水吸力,土壤水吸力的数值与土水势相同，只是都为正值，但需注意土壤水吸力只能用于基质势和溶质势，对水分饱和的土壤一般不用。土壤水吸力的范围很宽，可以从零到105帕。用土壤水吸力的水柱高度厘米数的对数，即pF值来表示。,大气压、水柱高度与pF值换算关系,SPAC（soil-plant-air
10、-continuum）,从水分能量的观点，植物吸水是由植物细胞内水势所决定的。土水势根水势茎水势叶水势这时，植物从土壤中吸水，以弥补因蒸腾所消耗的大量水分。,SPAC系统中水分运移过程模式图,全球水分循环示意图 (据Botkin D B, 1998),5.土壤水量的平衡,土壤水分含量受土壤水分的收入和消耗制约。土壤水分的收入和消耗使土壤水含量相应变化的情况，叫做土壤水量的平衡，其表达式为：水水收入-水支出,土壤水分平衡(水分状况)类型,土壤水分状况(soil moisture regimes)不仅影响土壤中物质能量的迁移转化过程，还影响土壤形成发育的方向和性质。根据成土环境及土壤特征，可以将土
11、壤水分状况划分为以下类型：淋溶型弱淋溶型渗出型,全球土壤水分状况季节性变化图,（二）土壤空气,土壤空气是土壤的重要组成成分，它和土壤水分共同存在于土壤孔隙之中，是影响土壤肥力与土壤自净能力的因素之一。,1.土壤空气的来源和组成,土壤空气（soil air）主要来自大气，存在于未被水分占据的土壤孔隙中。 土壤空气按其组成在质与量上均不同于大气中的空气。1）二氧化碳比大气中含量高；2）氧含量比大气的低；3）土壤空气中的水汽含量远比大气高；4）在土壤中还可能产生甲烷、氢等气体。,土壤空气的组成与变化,土壤空气与大气组成的比较（容积%）,2.土壤与大气间的气体交换 土壤空气和近地面大气进行着交换，其交换有两种方式：1)土壤空气和大气整体地进行交换2)部分气体互相扩散,土壤空气与近地大气之间气体扩散过程示意图,3.土壤通气性 土壤空气与大气间的气体交换，以及土体内部允许气体扩散和流通的性能，称为土壤通气性。土壤通气性与土壤孔隙状况、土壤含水量等密切相关。,
