土壤圈层中的物质循环与环境效应.ppt

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1、第五章第五章 土壤圈中的物质循环与环境效应土壤圈中的物质循环与环境效应生物从土壤生物从土壤吸收吸收无机养分无机养分生物残体生物残体归还归还土壤形成有机质土壤形成有机质土壤微生物土壤微生物分解分解有机质有机质释放释放无机养分无机养分养分养分再再次被生物次被生物吸收吸收。土壤养分循环土壤养分循环是是“土壤圈土壤圈”物质循环的重要组成部分，物质循环的重要组成部分，也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件。也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件。大量营养元素：大量营养元素：N、P、K、中量营养元素：中量营养元素：Ca、Mg、S微量营养元素：微量营养元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl

2、其它营养元素：其它营养元素：C、H、O植物生长必要元素（植物生长必要元素（16种）种）养分循环过程养分循环过程Nitrogen(N)所有生命细胞的组成，所有生命细胞的组成，为蛋白质、酶的组成，叶绿素、色为蛋白质、酶的组成，叶绿素、色素组成部分；素组成部分；促进植物生长，提高产量和品质促进植物生长，提高产量和品质 来源于肥料、固氮、土壤有机质来源于肥料、固氮、土壤有机质Phosphorus(P)核酸的主要成分核酸的主要成分 参与油类、糖、淀粉的合成，促进生参与油类、糖、淀粉的合成，促进生长发育。长发育。来源：肥料、土壤矿物、有机质。来源：肥料、土壤矿物、有机质。Potassium(K)酶的激活剂

3、有助于蛋白质合成、酶的激活剂，有助于蛋白质合成、光合作用、提高水果品质和减少病虫光合作用、提高水果品质和减少病虫害的危害害的危害 维持细胞渗透平衡。维持细胞渗透平衡。来源：土壤矿物、有机质和肥料。来源：土壤矿物、有机质和肥料。Magnesium(Mg)叶绿素组成部分，光合作用必需叶绿素组成部分，光合作用必需 有助于植物生长酶活性。有助于植物生长酶活性。来源：土壤矿物、肥料、有机质来源：土壤矿物、肥料、有机质和白云质灰岩和白云质灰岩大量及中量元素大量及中量元素Calcium(Ca)植物细胞壁的组成，有助其他元素的运输植物细胞壁的组成，有助其他元素的运输及功能维持及功能维持,有助于维持植物的硬度

4、有助于维持植物的硬度 植物体内与碱性盐和有机酸有颉颃作用。植物体内与碱性盐和有机酸有颉颃作用。来源：白云石、石灰、石膏、磷酸钙。来源：白云石、石灰、石膏、磷酸钙。Sulfur(S)植物蛋白质合成必需，植物蛋白质合成必需，刺激酶及维生素的生成及活性，有利叶绿刺激酶及维生素的生成及活性，有利叶绿素形成，促进植物生长和种子发育，有助于素形成，促进植物生长和种子发育，有助于植物的抗逆性。植物的抗逆性。来源：雨水，肥料、石膏、土壤矿物来源：雨水，肥料、石膏、土壤矿物Boron(B)l营养元素的利用营养元素的利用l有助于糖和其他碳水化合物代谢有助于糖和其他碳水化合物代谢l种子和果实发育必需种子和果实发育必

5、需l来源于有机质及含硼的化合物来源于有机质及含硼的化合物Copper(Cu)l对植物发育重要，对植物发育重要，有利于根中的有利于根中的代谢和对蛋白质的利用代谢和对蛋白质的利用Chloride(Cl)l有助于植物代谢有助于植物代谢l来源于土壤来源于土壤Iron(Fe)l形成叶绿素必需，形成叶绿素必需，l来源于土壤、硫酸铁、螯合铁来源于土壤、硫酸铁、螯合铁Manganese(Mn)l与酶一起参与碳水化合物和蛋白与酶一起参与碳水化合物和蛋白质代谢，质代谢，l来源于土壤来源于土壤Molybdenum(Mo)l有助于氮素的利用，有助于氮素的利用，l主要来源于土壤主要来源于土壤Zinc(Zn)l碳水化合物

6、代谢与运输必需碳水化合物代谢与运输必需l调节植物生长酶系的组成部分调节植物生长酶系的组成部分l来源于土壤来源于土壤微量元素微量元素辣椒辣椒番茄番茄l岩石圈岩石圈:1.81022gl陆地土壤陆地土壤:3.51015g土壤含氮量：农耕地土壤含氮量：农耕地0.43.8g/kg,自然土壤自然土壤0.47.5g/kgl大气圈大气圈:3.861021gl水圈水圈:8.01015gl生物圈生物圈:9.510151.41016g第一节、土壤中氮的循环第一节、土壤中氮的循环一、氮素在自然界的分布一、氮素在自然界的分布二二、土土壤壤氮氮素素形形态态有机态氮有机态氮：土壤氮的主体，占全氮：土壤氮的主体，占全氮95%

7、以上。以上。无机态氮无机态氮：量很少，占全氮：量很少，占全氮12%；微生物活动的产物。；微生物活动的产物。硝硝态态氮氮（NO3）：水水溶溶性性阴阴离离子子存存在在，易易于于流流失失。硝硝化化作用的产物。作用的产物。铵铵态态氮氮（NH4+）：水水溶溶性性游游离离态态、交交换换态态、少少量量固固定定态态；有机态氮矿化的第一步产物。很快转化成硝态氮。有机态氮矿化的第一步产物。很快转化成硝态氮。亚硝态氮亚硝态氮（NO2）：数量极少。硝化作用的中间产物。）：数量极少。硝化作用的中间产物。交换态铵、土壤溶液中的铵及硝态氮总称为速效态氮，是植物氮素的直接来源。交换态铵、土壤溶液中的铵及硝态氮总称为速效态氮，

8、是植物氮素的直接来源。水水溶溶性性有有机机态态氮氮：全全氮氮的的5%。简简单单的的含含氮氮化化合合物物，游游离氨基酸、胺盐及酰胺类等。离氨基酸、胺盐及酰胺类等。气态氮气态氮：土壤空气的主要成分；固氮微生物的直接氮源。：土壤空气的主要成分；固氮微生物的直接氮源。非非水水解解性性有有机机态态氮氮：占占全全氮氮3050%；非非水水溶溶性性，也也不不能用一般酸碱使其水解。了解很少。能用一般酸碱使其水解。了解很少。水水解解性性有有机机态态氮氮：占占全全氮氮5070%；用用酸酸、碱碱或或酶酶处处理理时时，能能水水解解成成较较简简单单易易溶溶性性化化合合物物或或直直接接生生成成铵铵化化合合物物的的有有机机态

9、氮。蛋白质及多肽类、核蛋白质类、氨基糖。态氮。蛋白质及多肽类、核蛋白质类、氨基糖。通过微生物的作用，将简单氨基化合物分解成氨的过程，为通过微生物的作用，将简单氨基化合物分解成氨的过程，为有有机氮矿化的第二阶段。机氮矿化的第二阶段。因条件不同，还可产生有机酸、醇、醛等较简单的中间产物。因条件不同，还可产生有机酸、醇、醛等较简单的中间产物。有机氮矿化的第一个阶段。有机氮矿化的第一个阶段。三、土壤中氮的转化（三、土壤中氮的转化（Ntransformationinsoils）1.有机态氮的矿化过程有机态氮的矿化过程(Themineralizationoforganicnitrogen)氨基化作用氨基化

10、作用蛋白质蛋白质朊酶朊酶多肽多肽肽酶肽酶氨基酸、酰胺、氨基酸、酰胺、胺胺复杂含氮有机化合物复杂含氮有机化合物简单含氮有机化合物简单含氮有机化合物铵化作用铵化作用土壤有机氮经土壤微生物的分解形成铵或氨的过程土壤有机氮经土壤微生物的分解形成铵或氨的过程RCHNH2COOH+O2RCOOH+NH3+CO2+能量能量在充分通气条件下在充分通气条件下嫌气条件下嫌气条件下RCHNH2COOH+2HCH3COOH+NH3+能量能量或或RCHNH2COOH+2HRCH3+CO2+NH3+能量能量一般水解作用一般水解作用RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH3+能量能量或或RCHNH2COOH+

11、H2ORCHOHCOOH+NH3+能量能量第一步第一步:亚硝化作用，亚硝化作用，将氨、胺、酰胺等转化成亚硝酸盐，反应为：将氨、胺、酰胺等转化成亚硝酸盐，反应为：2.硝化作用硝化作用将氨、某些胺、将氨、某些胺、酰胺等，通过微生物的作用分两步转化成酰胺等，通过微生物的作用分两步转化成硝酸态氮化合物。硝酸态氮化合物。第二步第二步:硝化作用，硝化作用，亚硝态氮转化为硝态氮，其反应为亚硝态氮转化为硝态氮，其反应为在嫌气条件下，由多种微生物对硝态氮所产生的一系列生化还在嫌气条件下，由多种微生物对硝态氮所产生的一系列生化还原过程，包括反硝化及生物脱氮作用，其反应如下原过程，包括反硝化及生物脱氮作用，其反应如

12、下N2O，N2，NO进入大进入大气，成气，成为环境为环境问题。问题。3.生物脱氮生物脱氮4.化学脱氮过程化学脱氮过程铵态氮和亚硝态氮的双分解作用铵态氮和亚硝态氮的双分解作用pH56.5、较高的温度和干燥的土壤环境中进行、较高的温度和干燥的土壤环境中进行NH4NO22H2O+N2+718千卡千卡亚硝酸和亚硝酸和氨基化合物相互氨基化合物相互间进行氧化行氧化还原原醋酸的酸度下进行，土壤中可能不存在醋酸的酸度下进行，土壤中可能不存在RNH2+HNO2ROH+H2O+N2 RCHNH2COOH+HNO2RCH2OH+H2O+N2+CO2亚硝酸分解亚硝酸分解酸酸性性愈愈强强，分分解解愈愈快快，产产生生的的

13、NO大大部部分分仍仍被被土土壤壤所所吸吸收收，或或在在土壤中氧化成土壤中氧化成NO2，最后溶解于水，生成硝态氮，最后溶解于水，生成硝态氮.3HNO2HNO3+H2O+2NO 5.铵态氮的晶穴固定作用铵态氮的晶穴固定作用铵态氮的离子直径和铵态氮的离子直径和2：1型粘粒矿物晶架表面孔穴的大小相近，型粘粒矿物晶架表面孔穴的大小相近，可能陷入晶穴内，变成固定态铵，失去植物有效性。可能陷入晶穴内，变成固定态铵，失去植物有效性。6.有机质对亚硝态氮的化学固定作用有机质对亚硝态氮的化学固定作用土壤有机质中的木质素类及其衍生物和腐殖质等与亚硝酸反应，土壤有机质中的木质素类及其衍生物和腐殖质等与亚硝酸反应，将亚

14、硝态氮固定为有机质成分中的一部分将亚硝态氮固定为有机质成分中的一部分四、土壤氮素的循环及其环境意义四、土壤氮素的循环及其环境意义l1.1.土壤氮素来源土壤氮素来源土壤氮素来源土壤氮素来源生物固生物固生物固生物固N N 微生物微生物微生物微生物(细菌细菌细菌细菌)逐渐积累逐渐积累逐渐积累逐渐积累 土壤空气中的分子态土壤空气中的分子态土壤空气中的分子态土壤空气中的分子态N N2 2 离子态离子态离子态离子态NHNH4 4+有效态有效态有效态有效态N N根瘤菌根瘤菌根瘤菌根瘤菌 与豆科植物共生与豆科植物共生与豆科植物共生与豆科植物共生 固固固固N N能力强能力强能力强能力强 (共生固共生固共生固共生

15、固N N菌菌菌菌)腐生菌腐生菌腐生菌腐生菌 自生固自生固自生固自生固N N菌菌菌菌 (包括蓝绿藻包括蓝绿藻包括蓝绿藻包括蓝绿藻)大气降水大气降水大气降水大气降水 含氮氧化物含氮氧化物含氮氧化物含氮氧化物 (NO(NO3 3 NO NO2 2 NO NH NO NH4 4+等等等等)溶解在雨滴中、随降水进入土壤溶解在雨滴中、随降水进入土壤溶解在雨滴中、随降水进入土壤溶解在雨滴中、随降水进入土壤灌溉水灌溉水灌溉水灌溉水 硝态硝态硝态硝态N N（NONO3 3NN）“肥水肥水肥水肥水”N N肥、有机肥肥、有机肥肥、有机肥肥、有机肥 重要来源重要来源重要来源重要来源速效速效速效速效N Nl2.土壤氮的

16、损失土壤氮的损失土壤氮的损失土壤氮的损失淋洗损失淋洗损失（leachingloss）NH4+、NO3易溶于水，带负电荷的胶体表面对易溶于水，带负电荷的胶体表面对NH4+为为正吸正吸附附而保持于土壤中；对而保持于土壤中；对NO3为为负吸附负吸附(排斥作用排斥作用)，易被淋失。，易被淋失。反硝化作用反硝化作用(denitrification)又又称称生生物物脱脱氮氮作作用用。在在缺缺氧氧条条件件下下，NO3在在反反硝硝化化细细菌菌作作用用下下还原为还原为NO、N2O、N2的过程。的过程。NO3NO2NON2ON2 反硝化临界反硝化临界Eh约约334mv，最适，最适pH7.08.2，pH小于小于5.

17、25.8的酸性土壤或高于的酸性土壤或高于8.29.0的碱性土壤，反硝化显著下降。的碱性土壤，反硝化显著下降。氨态氮挥发损失（氨态氮挥发损失（ammoniavolatilization）主要发生在碱性土壤中主要发生在碱性土壤中NH4+OH-NH3H2O氮循环氮循环3.土壤氮素的平衡土壤氮素的平衡l补充途径调节：施肥、灌溉补充途径调节：施肥、灌溉l损失途径调节损失途径调节4.土壤氮素的环境效应土壤氮素的环境效应l水环境：水环境：水体富营养化的最重要因子，过量氮素进入地表水可水体富营养化的最重要因子，过量氮素进入地表水可能引起水体富营养化；导致饮用水硝酸盐超标能引起水体富营养化；导致饮用水硝酸盐超标

18、l大气环境：大气环境：通过氨的挥发、土壤中的反硝化作用释放含氮化合通过氨的挥发、土壤中的反硝化作用释放含氮化合物进入大气，提高了温室气体的浓度物进入大气，提高了温室气体的浓度l生物环境：生物环境：生物体必需元素，但过量会对生物的健康造成不良生物体必需元素，但过量会对生物的健康造成不良影响。影响。P2O5%=P%2.291 P%=P2O5%0.44 我国土壤全磷（我国土壤全磷（P）含量一般为）含量一般为0.21.1g/kg，并有，并有从南到从南到北渐增北渐增的地域变化趋势。的地域变化趋势。溶解溶解 吸附吸附 矿物态矿物态 水溶态水溶态 吸附态吸附态 沉淀沉淀 解吸解吸 第二节第二节 土壤磷素循环

19、土壤磷素循环植植素素类类：占占有有机机磷磷1/51/3；来来源源于于植植物物并并经经微微生生物物的改造。的改造。一一、土土壤壤磷磷形形态态有机态磷有机态磷：含量变幅很大，我国一般占全磷的含量变幅很大，我国一般占全磷的2550%。2030%的有机磷形态不清楚。的有机磷形态不清楚。矿质态磷矿质态磷：几乎全为正磷酸盐。几乎全为正磷酸盐。磷酸铁和磷酸铝类化合物磷酸铁和磷酸铝类化合物（FeP及及AlP)磷酸钙（镁）类化合物磷酸钙（镁）类化合物(CaP)闭蓄态磷闭蓄态磷（OP）：）：氧化铁胶膜包被着的磷酸盐。氧化铁胶膜包被着的磷酸盐。核核酸酸类类：占占有有机机磷磷510%。直直接接来来源源于于生生物物残残

20、体体特特别是为生物体中的核蛋白质分解物。别是为生物体中的核蛋白质分解物。磷磷脂脂类类：量量很很少少，40g/kg二级二级:3040g/kg三级三级:2030g/kg四级四级:1020g/kg五级五级:610g/kg六级六级:6g/kg第四节、土壤碳素循环第四节、土壤碳素循环三、土壤碳素的形态三、土壤碳素的形态无机碳无机碳主要为碳酸盐，对环境影响不大主要为碳酸盐，对环境影响不大有机碳有机碳水溶态有机碳水溶态有机碳：低分子量有机酸、氨基酸、糖酸等。：低分子量有机酸、氨基酸、糖酸等。难溶态有机碳：难溶态有机碳：胡敏酸、胡敏素、木质素、植物落叶等。胡敏酸、胡敏素、木质素、植物落叶等。土壤中有机碳的来源

21、土壤中有机碳的来源：最初源于光合作用最初源于光合作用第四节第四节土壤碳素循环土壤碳素循环该过程伴随着能量转换，有全部的生物形式参与，包括每一种该过程伴随着能量转换，有全部的生物形式参与，包括每一种生物形式的生命周期，也称碳循环为生物循环生物形式的生命周期，也称碳循环为生物循环(biocycle)或生或生命循环命循环(lifecycle)。四、土壤碳素循环的概念四、土壤碳素循环的概念绿色植物和自养微生物绿色植物和自养微生物利用太阳光能利用太阳光能及其它形式的及其它形式的化学能化学能，吸，吸收大气中的收大气中的CO2，将其转化为贮存能量的有机化合物，人类及，将其转化为贮存能量的有机化合物，人类及

22、其它高等动物从植物中获取物质和能量，并将死亡组织和废物其它高等动物从植物中获取物质和能量，并将死亡组织和废物返回土壤，微生物分解这些物质，释放其中的养分后，将一部返回土壤，微生物分解这些物质，释放其中的养分后，将一部分分C转变为稳定的土壤腐殖质，一部分以转变为稳定的土壤腐殖质，一部分以CO2形式释放进入大形式释放进入大气，再次供植物吸收的过程。气，再次供植物吸收的过程。第四节第四节土壤碳素循环土壤碳素循环土壤碳循环过程土壤碳循环过程海洋中海洋中C空气空气CO2绿色植物绿色植物光合作用光合作用石油煤沥青石油煤沥青呼吸、燃烧、工业利用呼吸、燃烧、工业利用土土壤壤有有机机质质动物动物微生物微生物矿化

23、矿化一一、土土壤壤水水的的类类型型 吸湿水吸湿水(紧束缚水紧束缚水)吸附水吸附水(束缚水束缚水)毛管水毛管水重力水重力水膜状水膜状水(松束缚水松束缚水)受土壤吸附力作用而保持受土壤吸附力作用而保持受毛管力作用而保持受毛管力作用而保持受重力作用受重力作用第五节第五节土壤水分及其平衡土壤水分及其平衡定义定义土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分土粒通过吸附力吸附空气中水汽分子所保持的水分 吸附力很强，达吸附力很强，达3110000个大气压，使个大气压，使水水增大，可达增大，可达1.5g/cm3；无溶解能力，不移动，通常在；无溶解能力，不移动，通常在105110条条件下烘干除去。件下烘干除去。

24、特点特点对植物对植物无效无效 土壤吸湿水含量受土壤吸湿水含量受土壤质地土壤质地和和空气湿度空气湿度的影响。粘质的影响。粘质土吸附力强，吸湿水含量土吸附力强，吸湿水含量高高，砂质土则吸湿水含量，砂质土则吸湿水含量低低；空；空气相对湿度高，吸湿水含量气相对湿度高，吸湿水含量高高，反之则吸湿水含量，反之则吸湿水含量低低。风干土重风干土重 烘干土重烘干土重=1+吸湿水吸湿水%风干土风干土 烘干土烘干土 吸吸湿湿水水有有无无吸湿水吸湿水 特点：保持力较吸湿水低，特点：保持力较吸湿水低，特点：保持力较吸湿水低，特点：保持力较吸湿水低，6.256.256.256.2531313131大气压，密度较吸大气压，

25、密度较吸大气压，密度较吸大气压，密度较吸湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方湿水小，无溶解性；移动缓慢，由水膜厚往水膜薄的地方移动，速度仅移动，速度仅移动，速度仅移动，速度仅0.20.20.20.20.4mm/hr0.4mm/hr0.4mm/hr0.4mm/hr。对植物有效性低，仅部分对植物有效性低，仅部分对植物有效性低，仅部分对植物有效性低，仅部分有效有效有效有效。土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周围形成连续水膜。土粒吸附力所保持的液态水，在土粒周围形成连续水膜。存在毛管孔隙中为

26、弯月面力所保持的水分。分为毛存在毛管孔隙中为弯月面力所保持的水分。分为毛管上升水和毛管悬着水管上升水和毛管悬着水 受重力作用可以从土壤中排出的水分，主要存在于土受重力作用可以从土壤中排出的水分，主要存在于土壤通气孔隙中。壤通气孔隙中。膜状水膜状水毛管水毛管水重力水重力水 土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而土壤中某种水分类型的最大含量，随土壤性质而定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。定，是一个比较固定的数值，故称水分常数。

27、土壤水分常数土壤水分常数 Soil water coefficient 吸湿系数吸湿系数:吸湿水的最大含量吸湿水的最大含量(最大吸湿量最大吸湿量)。凋萎系数凋萎系数(wilting coefficient):植物永久凋萎时的土壤含水量。植物永久凋萎时的土壤含水量。田间持水量田间持水量(field moisture capacity):毛管悬着水达最大量时的毛管悬着水达最大量时的土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。土壤含水量。它是反映土壤保水能力大小的一个指标。毛管持水量毛管持水量(capillary water capacity):毛管上升水达最大量时毛管上升水达最大量时的土壤含水

28、量。的土壤含水量。饱和持水量饱和持水量:土壤孔隙全部充满水时的含水量。土壤孔隙全部充满水时的含水量。土壤吸湿水达到最大土壤吸湿水达到最大数量时的土壤水分数量时的土壤水分作物产生永久萎蔫作物产生永久萎蔫时的土壤水分时的土壤水分膜状水的膜达到最大膜状水的膜达到最大厚度时的土壤水分厚度时的土壤水分毛管悬着水达到最大毛管悬着水达到最大时的土壤水分时的土壤水分土壤水分作用力、土壤水分形态及土壤水分常数的对照关系土壤水分作用力、土壤水分形态及土壤水分常数的对照关系土壤水分有效性土壤水分有效性 Soil water availability 土土土土壤壤壤壤水水水水的的的的有有有有效效效效性性性性是是是是指

29、指指指土土土土壤壤壤壤水水水水能能能能否否否否被被被被植植植植物物物物吸吸吸吸收收收收利利利利用用用用及及及及其其其其难难难难易易易易程程程程度度度度。不不不不能能能能被被被被植植植植物物物物吸吸吸吸收收收收利利利利用用用用的的的的水水水水称称称称为为为为无效水无效水无效水无效水，能被植物吸收利用的水称为，能被植物吸收利用的水称为，能被植物吸收利用的水称为，能被植物吸收利用的水称为有效水有效水有效水有效水。最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水最大有效水含量是凋萎系数至田间持水量的水分。分。分。分。土壤质地土壤质

30、地砂土砂土砂壤土砂壤土轻壤土轻壤土中壤土中壤土重壤土重壤土粘土粘土田间持水量田间持水量(%)(%)121218182222242426263030凋萎系数凋萎系数(%)(%)3 35 56 69 911111515有效水最大含量有效水最大含量(%)(%)9 913131616151515151515土壤质地与有效水最大含量的关系土壤质地与有效水最大含量的关系土壤水分形态土壤水分形态土壤水分有效性土壤水分有效性水分与土粒的水分与土粒的能量关系能量关系105Pa10132 31.415.26.330.40.8 0.050.50.0010.08105烘烘干干重重吸吸湿湿系系数数凋凋萎萎系系数数最最大

31、大分分子子持持水水量量毛毛管管裂裂隙隙破破裂裂含含水水量量田田间间持持水水量量毛毛管管持持水水量量饱饱和和持持水水量量吸湿水吸湿水膜状水膜状水毛管悬着水毛管悬着水重力水重力水毛管上升水毛管上升水无效水无效水有效水有效水多余水多余水Weight per cent 质量百分数质量百分数(m,w%)计算土壤含水量时，以干土重为基础，才能反映土壤的水分状计算土壤含水量时，以干土重为基础，才能反映土壤的水分状况。况。Volume per cent 容积百分数容积百分数(v,v%)土壤所含水分的容积总量占土壤总容积的百分数土壤所含水分的容积总量占土壤总容积的百分数二、土壤水分含量的表示方法二、土壤水分含量

32、的表示方法 Represents of soil water content土壤水分质量土壤水分质量(Ww)w%=100 干土质量干土质量(Ws)土壤水分容积土壤水分容积(Vw)v%=100 土壤总容积土壤总容积(Vs)水水v%=水水w%土壤容重土壤容重Soil water storage capacity 土壤水贮量土壤水贮量 water depth 水深水深（mm）优点优点:与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和互相换算致，便于互相比较和互相换算 。Dw(mm)=v%土层厚度土层厚度 作作用用:与与灌灌溉溉水水量量的的表表示示

33、方方法法一一致致，便便于于计计算算库库容容和和灌灌水水量。量。V(m3/ha)=Dw(mm)1/100010000=10Dw Storage capacity 储水容量储水容量(m3/ha)Relative water content 相对含水量相对含水量（%）土壤自然含水量占某种水分常数（一般是以田间持水土壤自然含水量占某种水分常数（一般是以田间持水量为基数）的百分数。量为基数）的百分数。土壤含水量土壤含水量 土壤相对含水量土壤相对含水量=100%田间持水量田间持水量 通常相对含水量为通常相对含水量为60%至至80%，是适宜一般农作物以，是适宜一般农作物以及微生物活动的水分条件及微生物活动的

34、水分条件。在在105105110110条件下，烘至恒重，为烘干土重，条件下，烘至恒重，为烘干土重，以此为基础计算水分重（蒸发损失量）的百分以此为基础计算水分重（蒸发损失量）的百分比（比（%）。）。红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精烘干法、红外线烘干法、微波炉烘干法、酒精烘干法、酒精烧失法等。酒精烧失法等。三、土壤水分含量的测定三、土壤水分含量的测定 Determining of soil water content 烘干法烘干法中子法中子法TDR法法快速烘干法快速烘干法经典烘干法经典烘干法此法费事，不便此法费事，不便定位测定。定位测定。中子水分测定仪中子水分测定仪包括一个快速中子源和一个慢中子探

35、测器。包括一个快速中子源和一个慢中子探测器。简便、较精确。只能用于较深土层水分测定，不能用于土表薄简便、较精确。只能用于较深土层水分测定，不能用于土表薄层土。有机质中的氢会影响层土。有机质中的氢会影响H2O的测定结果。的测定结果。时域反射仪法时域反射仪法(TimeDomainReflectometry),类似一个短波类似一个短波雷达系统，可直接、快速、方便、可靠地监测土壤水盐状况。雷达系统，可直接、快速、方便、可靠地监测土壤水盐状况。测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等无关，独立性很强。测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等无关，独立性很强。Soil water potential 土水势土水势

36、 土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。土壤水的自由能与标准状态水自由能的差值。标准状态水标准状态水与土壤水等温、等压、等高的纯净自由水。假定其自由能与土壤水等温、等压、等高的纯净自由水。假定其自由能为为零零，作为参比标准，作为参比标准，土壤水自由能与其比较差值一般为负值。差值大，表明水土壤水自由能与其比较差值一般为负值。差值大，表明水不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。不活跃，能量低；差值小，表明土壤水与自由水接近，活跃，能量高。水流动方向：水流动方向：土水势高（负值小）土水势高（负值小）低（负值大）低（负值大）四、土水势及其分势四、土水势及其分势 Soil wa

37、ter potential and its subpotential 为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高为了可逆地等温地在标准大气压下从在指定高度的纯水水体中移动无穷小量的水到土壤中去，每单度的纯水水体中移动无穷小量的水到土壤中去，每单位数量的纯水所需做功的数量。位数量的纯水所需做功的数量。第五节第五节土壤水分及其平衡土壤水分及其平衡 Subpotential 分势分势 由于引起土壤水势变化的由于引起土壤水势变化的原因或动力原因或动力不同，土壤水势不同，土壤水势(t t)分为：分为：基质势基质势(m m)、压力势压力势(p p)、溶质势溶质势(s s)和和重力势重力势(g g)等。等。土

38、壤水势是各分势之和土壤水势是各分势之和:t=m+s+g+pl Matric potential 基质势基质势 m 也也称称基基模模势势，是是由由土土粒粒吸吸附附力力和和毛毛管管力力所所产产生生的的。一一般般情情况况下下为为负值；土壤水完全饱和情况下为最大值负值；土壤水完全饱和情况下为最大值零。零。在土壤水不饱和的情况下，非盐碱化土壤的土水势以在土壤水不饱和的情况下，非盐碱化土壤的土水势以mm为主。为主。l Solute potential 溶质势溶质势 s 也称渗透势，由土壤水中溶解的溶质所产生。一般为负值。也称渗透势，由土壤水中溶解的溶质所产生。一般为负值。土土壤壤水水不不是是纯纯水水，其其

39、中中有有溶溶质质，而而水水分分子子是是极极性性分分子子，与与溶溶质质之之间可产生静电吸附，产生间可产生静电吸附，产生ss。(存在半透膜时对水分运动起作用）存在半透膜时对水分运动起作用）l Gravitational potential 重力势重力势 gg 由重力作用产生的水势。如果土壤水在参照面（地下水位）由重力作用产生的水势。如果土壤水在参照面（地下水位）之上，则重力势为正，反之，重力势为负。之上，则重力势为正，反之，重力势为负。l Pressure potential 压力势压力势 pp 土壤水饱和情况下，由于受压力而产生的。一般为正值。土壤水饱和情况下，由于受压力而产生的。一般为正值。标

40、准状态水的压力为标准状态水的压力为1 1个大气压，但如果土壤中有水柱或水层，个大气压，但如果土壤中有水柱或水层，土壤水所受到的压力在局部地方就不一定为土壤水所受到的压力在局部地方就不一定为1 1个大气压，就有一定的静个大气压，就有一定的静水压。水压。悬浮于水中的物质也会产生一定的荷载压。悬浮于水中的物质也会产生一定的荷载压。土水势的定量表示方法是以单位数量（单位质量、单位土水势的定量表示方法是以单位数量（单位质量、单位容量或单位重量）土壤水分的势能值为准。容量或单位重量）土壤水分的势能值为准。土水势标准单位：帕土水势标准单位：帕(Pa)、千帕、千帕(kPa)、兆帕、兆帕(MPa)习惯上使用的单

41、位：大气压习惯上使用的单位：大气压(atm)、巴、巴(bar)、水柱高度、水柱高度 pF值：水柱高度厘米数的负对数值：水柱高度厘米数的负对数1MPa=103kPa=106Pa 1 Pa=1.02102cm水柱水柱 1bar=1020cm水柱水柱=105Pa 1atm=1033cm水柱水柱=pF3.01bar=1000mbar 土壤水分能态的定量表示方法土壤水分能态的定量表示方法 Represents of soil water energy status 土壤水承受一定吸力情况下的能态土壤水承受一定吸力情况下的能态。水吸力只相当于土水势的水吸力只相当于土水势的基质势基质势和和溶质势溶质势，数值

42、相等，数值相等，符号相反。符号相反。基基质质势势和和溶溶质质势势一一般般为为负负值值，使使用用不不方方便便，故故将将其其取取为为正正数数，定定义义为为吸吸力力(S)(S)，分分别别称称为为基基质质吸吸力力(matric(matric suction)suction)和和溶质吸力溶质吸力(solute suction)(solute suction)。在在土土壤壤水水分分的的保保持持和和运运动动中中，不不考考虑虑s s，故故一一般般水水吸吸力指基质吸力，其值与力指基质吸力，其值与m m相等，符号相反。相等，符号相反。溶质吸力只在根系吸水溶质吸力只在根系吸水(有半透膜存在有半透膜存在)时才表现出来

43、时才表现出来。五、土壤水吸力五、土壤水吸力 Soil water suction 土壤水的能量指标土壤水的能量指标(基质势或水吸力基质势或水吸力)与数量指标与数量指标(容容积含水量积含水量)的关系曲线。的关系曲线。随着土壤含随着土壤含水量的减少其水水量的减少其水吸力增大，基质吸力增大，基质势降低，植物根势降低，植物根系吸水难度增大，系吸水难度增大，水分有效性降低。水分有效性降低。六、土壤水分特征曲线六、土壤水分特征曲线 Soil water characteristics curve Soil water content(v)Soil water suction(S)土壤水吸力土壤水吸力(S

44、)(S)与含水量与含水量()关系的经验公式：关系的经验公式：Soil water content(v)Soil water suction(S)式中：式中：S水吸力（水吸力（Pa）含水量（含水量（%）s饱和含水量（饱和含水量（%）a、b、A、n、m为相应为相应的经验常数的经验常数l Influenced factors 影响因素影响因素土壤质地土壤质地 假定土壤水吸力为假定土壤水吸力为300cm300cm，各种质地土壤的含水量，各种质地土壤的含水量(v%)(v%)约为：细砂土约为：细砂土 8%8%，砂壤土，砂壤土15%15%，壤土，壤土34%34%，粘土，粘土42%42%。土壤结构和紧实度土壤

45、结构和紧实度(容重容重)在同一吸力值下，容重愈大在同一吸力值下，容重愈大的土壤，含水量愈高。的土壤，含水量愈高。温度温度 影影响响水水的的粘粘滞滞性性和和表表面面张张力力。土土温温升升高高，水水的的基基质质势势增增大大，有有效性提高。效性提高。Soil water Hystersis phenomenon 水分滞后现象水分滞后现象 土土壤壤吸吸湿湿(水水)过过程程中中，S随随增增加加而而降降低低的的速速度度较较快快。土土壤壤脱脱湿湿(水水)过过程程中中，S随随减减少少而而增增大大的的速速度度较较慢慢。同同一一土土壤壤的的两两种种水水分分特特征征曲曲线线不不重重合合。砂砂质质土土的的滞滞后后现现

46、象象比比粘粘质质土土更明显。更明显。七、土壤水的运动七、土壤水的运动Soil water movement 液态水流动液态水流动气态水运动气态水运动土土壤壤水水运运动动推动力推动力：土层之间的水势梯度：土层之间的水势梯度流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势饱和流饱和流非饱和流非饱和流土壤孔隙全部充满水；主要是土壤孔隙全部充满水；主要是重力水重力水运运动动部分土壤孔隙充水；主要是部分土壤孔隙充水；主要是毛管水毛管水和膜状水和膜状水运动运动推动力推动力：水汽压梯度、温度梯度：水汽压梯度、温度梯度流动方向流动方向：高水汽压到低水汽压：高水汽压到低水汽压 温度高处到温度低处温度高处到温度低

47、处水汽扩散水汽扩散水汽凝结水汽凝结 一维垂直向饱和流动可用达西定律来表示：一维垂直向饱和流动可用达西定律来表示：1、饱和土壤中的水流、饱和土壤中的水流 Water flow in saturated soils 推动力推动力：土层之间的水势梯度（：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient),主要包括主要包括重力势重力势和和压力势压力势流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势q水通量：单位时间通过单位断面水的容积水通量：单位时间通过单位断面水的容积 H总水势差总水势差L水流路径长度水流路径长度H/L水压梯度水压梯度 “”表示水流方向表示水流方向 Ks

48、 饱和导水率，即单位压力梯度下水的流饱和导水率，即单位压力梯度下水的流量量H 反映土壤的饱和渗透性能，任何影响土壤孔隙反映土壤的饱和渗透性能，任何影响土壤孔隙大小和形状的因素都会影响大小和形状的因素都会影响Ks。影响孔径大小和形状的主要因素有影响孔径大小和形状的主要因素有质地质地、结构结构、阳离子种类阳离子种类。生产中要求土壤保持生产中要求土壤保持适当的饱和适当的饱和Ks。若过小，。若过小，造成透水通气差，还原有害物质易在土壤中积累，造成透水通气差，还原有害物质易在土壤中积累，造成地表径流；若过大，造成漏水漏肥现象。造成地表径流；若过大，造成漏水漏肥现象。土壤饱和导水率土壤饱和导水率（satu

49、rated water conductivity)Ksu 垂直向下的饱和流垂直向下的饱和流 发生在雨后或稻田灌水以后。发生在雨后或稻田灌水以后。u 垂直向上的饱和流垂直向上的饱和流 发发生生在在地地下下水水位位较较高高的的地地区区；因因不不合合理理灌灌溉溉抬抬高高地地下下水水位位，引引起起垂垂直直向向上上的的饱饱和和流流，这这是是造造成成土壤返盐的重要原因。土壤返盐的重要原因。u 水平饱和流水平饱和流 发生在灌溉渠道两侧的侧渗；水库的侧渗；不发生在灌溉渠道两侧的侧渗；水库的侧渗；不透水层上的水分沿倾斜面的流动等水平饱和流。透水层上的水分沿倾斜面的流动等水平饱和流。土壤水饱和流种类土壤水饱和流种

50、类 一维非饱和流动可用达西定律来表示：一维非饱和流动可用达西定律来表示：2、非饱和土壤中的水流、非饱和土壤中的水流 Water flow in unsaturated soils 推动力推动力：土层之间的水势梯度（：土层之间的水势梯度（soil water potential gradient),主要包括主要包括基质势基质势和和重力势重力势流动方向流动方向：高水势到低水势：高水势到低水势 水膜厚的地方向水膜薄的地方移动；曲率半径大的孔隙向水膜厚的地方向水膜薄的地方移动；曲率半径大的孔隙向曲率半径小的孔隙移动；温度高处向温度低处移动。曲率半径小的孔隙移动；温度高处向温度低处移动。q水通量：单位时