第六章土壤水、空氣和熱量
主要教學目標：學會分析土壤肥力要素水、氣、熱之間的關係。由於土壤水分的重要作用，因此首先要求學生掌握土壤水的形態學觀點和能量學觀點。
在基本知識掌握的基礎上，並能系統地處理土壤水、氣、熱三者的相互關係和調節措施。
主要內容：
第一節：土壤水的型別
第二節：土壤水分含量的表示方法
第三節：土壤水分能量的分析
第四節：土壤水分的管理與調節
第五節：土壤空氣和熱量
第六節：土壤水、氣、熱的相互關係
第一節土壤水的型別
土壤學中的土壤水是指在乙個大氣壓下，在105℃條件下能從土壤中分離出來的水分。土壤中液態水數量最多，對植物的生長關係最為密切。液態水型別的劃分是根據水分受力的不同來劃分的，這是水分研究的形態學觀點。
這一觀點在農業、水利、氣象等學科和生產中廣泛應用。
一、吸濕水
土壤顆粒從空氣中吸收的汽態水分子。
從室外取土，放在室內風乾若干時間後，表面上看似乎乾燥了，但把土壤放在烘箱中烘烤，土壤重量會減輕；再放置到常溫常壓下，土壤重量又會增加，這表明土壤吸收了空氣中的水汽分子。
土壤的吸濕性是由土粒表面的分子引力作用所引起的，一般來說，土壤中吸濕水的多少，取決於土壤顆粒表面積大小和空氣相對濕度。由於這種作用的力非常大，最大可達一萬個大氣壓，所以植物不能利用此水，稱之為緊束縛水。
二、膜狀水
土粒吸足了吸濕水後，還有剩餘的吸引力，可吸引一部分液態水成水膜狀附著在土粒表面，這種水分稱為膜狀水。
重力不能使膜狀水移動，但其自身可從水膜較厚處向水膜較薄處移動，植物可以利用此水。但由於這種水的移動非常緩慢（0.2—0.
4mm/d），不能及時供給植物生長需要，植物可利用的數量很少。當植物發生永久萎蔫時，往往還有相當多的膜狀水。
三、毛管水
當把乙個很細的管子（毛細管）插入水中後，水分可以上公升的較高於水平面，並保持在毛細管中。
毛管水：由於毛管力的作用而保持在土壤中的液態水。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公式計算：
p = 2t/r
式中的p為毛管力，t為水的表面張力，r為毛管半徑。
根據毛管水是否與地下水相連，可分為2種型別：
毛管懸著水：降水或灌溉後，由地表進入土壤被儲存在土壤中的毛管水。
毛管上公升水：或毛管支援水，土壤中受到地下水源支援並上公升到一定高度的毛管水。
影響毛管上公升水的因素：地下水水位和毛管孔隙狀況
毛管水上公升高度用下式計算： h=75/d，d為土粒平均直徑（上公升高度與顆粒直徑間關係見的附表）。
若假設土粒的d為0.001公釐，據公式得出h為75公尺，但這個資料無法從實驗中得到證實。實際上，一般毛管水的上公升高度不超過3—4公尺，這可能是由於毛管直徑太小，當達到一定長度後，很容易被堵塞。
四、重力水
降水或灌溉後，不受土粒和毛管力吸持，而在重力作用下向下移動的水，稱為重力水。植物能完全吸收重力水，但由於重力水很快就流失（一般兩天就會從土壤中移走），因此利用率很低。
五、地下水
在土壤中或很深的母質層中，具有不透水層時，重力水就會在此層之上的土壤孔隙中聚積起來，形成水層，這就是地下水。
在乾旱條件下，土壤水分蒸發快，如地下水位過高，就會使水溶性鹽類向上集中，使含鹽量增加到有害程度，即所謂的鹽漬化；在濕潤地區，如地下水位過高，就會是土壤過濕，植物不能生長，有機殘體不能分解，這就是沼澤化。
第二節土壤水分含量的表示方法
一、土壤絕對含水量
1、重量百分數：土壤水分的重量佔烘乾土的百分率。
2、體積百分數：
土壤容積含水量%=土壤重量含水量*容重
意義：可反映土壤孔隙的充水程度，可計算土壤的固、液、氣相的三相比。
如土壤含水量（重量）20%，容重為1.2。則土壤容積含水量為20%*1.2=24.0%
土壤總孔隙度=1—1.2/2.65=55%
空氣所佔體積為55%—24%=31%
固相體積為100—55%=45%。
3、土壤蓄水量（立方公尺/畝）=每畝面積（平方公尺）*土層深度*土壤容重*土壤重量含水量
如土壤田間持水量為25%（重量），容重1.1。測得土壤自然含水量為10%，現將沒畝1公尺深的土層內含水量提高到田間持水量水平，問應灌多少水（立方公尺/畝）
應灌水量（立方公尺/畝）=666.6*1*1.1*（25%—10%）=110立方公尺/畝
4、水層厚度：單位面積上一定土層厚度內含有的水層厚度，可與雨量相比。
水層厚度(mm)=土層厚度（h）*土壤容重（d）*重量百分數%*10
5、水體積：水層厚度乘以面積。
二、土壤相對含量
土壤水分含量佔飽和含水量的百分比或佔田間持水量的百分比。
三、水分常數：土壤含水量根據受土壤各種力的作用達到某種程度的水量，對於同一土壤來說，此時的含水量基本不變，稱為土壤水分常數，又叫水分特徵值，它是一些與植物吸收水分有關係的數值。
1、吸濕係數（最大吸濕水量）
是在相對濕度接近飽和空氣時，土壤吸收水汽分子的最大量與烘乾土重的百分率。
2、凋萎係數
當植物產生永久凋萎時的土壤含水量。此時土壤水主要是全部的吸濕水和部分膜狀水。
經驗公式凋萎係數=吸濕係數*（1.34～1.5）
3、田間持水量
當土壤被充分飽和後，多餘的重力水已經滲漏，滲透水流已降至很低甚至停止時土壤所持的含水量。
此時水分型別包括吸濕水、膜狀水和全部毛管懸著水。
田間持水量=吸濕係數*2.5
測定方法（野外）：在野外地里灌水後，鋪上枯枝落葉防止蒸發，兩天後，重力水下滲，這時所測得的土壤含水量就是田間持水量。
4、全容水量
土壤完全為水所飽和時的含水量，此時土壤水包括吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水。
水分基本充滿了土壤孔隙，在自然條件下，水稻土、沼澤土或降雨、灌溉量較大時可達到全容水量。
4、有效水含量
土壤中的水分，並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狀況。
一般情況下：
最大有效含水量（%）= 田間含水量%—凋萎係數%
有效水分含量（%）= 自然含水量%— 凋萎係數%
能被植物利用的有效水的數量比較複雜，受土壤質地、結構、土壤層位及有機質含量的影響較大。
第三節土壤水分能量的分析
一、 土水勢
土壤水和自然界其他物體一樣，含有不同數量和形式的能，處於一定的能量狀態，能自發地從能量較高的地方向能量較低的地方移動。土水勢是表示土壤水能量狀態常用的名稱。土壤水的「能」包括動能和勢能，但由於土壤水在土壤中的移動速度緩慢，所以只考慮它的勢能。
勢能是由力場中的位置決定的。土壤水分由於受各種力的影響，其勢能必然會發生變化，表現為水分的自由能降低。如果要把水從土壤中抽出，必然要施以相應的力作相應的功，以克服土壤中對水作用的各種力量。
土水勢就是土壤水在各種力的作用下勢能的變化。
由於作用力不同，土水勢可以分為幾個分勢：
基質勢：由土粒分子吸水和毛管力作用下所降低的勢能，是最主要的土水勢組成部分。
滲透勢：土壤水中溶質所降低的勢能，在一般土壤中忽略不計。
重力勢：在淹水條件下，由於重力作用水向下滲漏時產生。
土水勢是上述各分勢的代數和。
二、土壤水吸力
1、概念：土壤水承受一定吸力的情況下所處的能態。
在概念上並不是土壤對水的吸力，但在實際應用中仍用土壤對水的吸力來表示。在數值上相當於土水勢的基質分勢和滲透分勢。
2、表示單位：用壓力作單位，即大氣壓或厘公尺水柱高；由於厘公尺水柱高資料太大，用起來不方便，這裡採用了pf值，即用厘公尺水柱高的對數值來表示。
3、測定方法
主要應用張力計法。主要原理是將充滿水的帶有素燒瓷杯（陶土濾杯）的金屬管埋入土中，素燒瓷杯有孔徑在1.0—1.
5um之間的細孔，瓷杯和管內充滿水，水可通過細孔與土壤水接觸，當土壤水勢小於瓷杯內水勢時，水分由細孔進入土壤。金屬管上端連線金屬表，水分由瓷杯細孔進入土壤後，管內形成負壓，當內外水勢相等時，真空壓力計上的負壓讀數即代表管外土壤水吸力。
三、土壤水分特徵曲線
1.概念：
土壤水分含量和土壤水吸力是乙個連續函式，土壤水分特徵曲線就是以土壤含水量為橫座標，以土壤水吸力為縱座標繪製的相關曲線。
土壤的水吸力或pf值越大，土壤水所受的吸力也越大，對植物的有效性就越小，當土壤對水的吸力超過了植物根系對土壤水的吸力說，即pf值大於4.5時，土壤水分就處於無效狀態。土壤水分含量高，土壤水的吸力越低，土壤水本身的勢能就高，土壤水的可移動性和對植物的有效性就強。
2、土壤水分特徵曲線可說明兩個問題：
第一，不同質地土壤達到萎蔫係數和田間持水量時，實際的含水量相差很大，但土壤水吸力相似。達到萎蔫係數時，土壤水吸力為15atm或15bar，pf為4.2；達到田間持水量時，土壤水吸力為0.
3atm或0.3bar；pf為2.8。
第二，不同質地土壤含水量相同時，其吸水力相差很大。
第四節土壤水分的管理與調節
一、土壤水分的測定方法
定量測定方法
1、烘乾法（標準法）
2、中子儀法
3、時域反射儀（time domain reflectometry tdr）
4、張力計、電阻法、石膏法
5、壓力膜
二、影響土壤水分狀況的因素
1、 氣候：降雨量和蒸發量是兩個相互矛盾的重要因素，在一定條件下，難以人為控制。
2、 植被：植被的蒸騰消耗土壤的水分，而植被可以通過降低地表徑流來增加土壤水分。
3、 地形和水文條件：地形地勢的高低，影響土壤的水分。在園林綠化生產中，要注意平整土地。對易遭水蝕的地方，要注意修成水平梯田。
4、 土壤的物理性質：土壤質地、土壤結構、土壤鬆緊度、有機質含量都對土壤水分的入滲、流動、保持、排除以及蒸發等，產生重要的影響。在一定程度程度上，決定著土壤的水分狀況。
與氣候因素相比，土壤物理性質是比較容易改變的而且是行之有效的。
5、 人為影響：主要是通過灌溉、排水等措施，調節土壤的水分含量。
三、土壤水分的調節
1、灌溉和排水
2、耕作
3、施有機肥
4、地面覆蓋
地膜覆蓋，有很高的保墒、增溫效果。對裸露的地方用小石塊、粗沙或草炭、枯枝落葉、作物秸杆覆蓋。種植地被植物。
5、土壤增溫保墒劑土壤增溫保墒劑
化學成分：高分子脂肪類經皂化後的產物，黑色。
作用：防止地表蒸發，增加地表蒸發，增加地表溫度。
使用方法：稀釋後，直接噴灑在土壤表面。
國外的「tab」是一種高效的土壤保濕劑。遇水時，微粒體積可膨脹30多倍，能吸收超過自身重300——1000倍的水分，其中絕大部分可供植物吸收。
第五節土壤空氣部分
一、土壤空氣的組成
近地大氣組成：
氧氣20.94% 二氧化碳0.03% 氮氣78.08% 其他氣體0.95% 相對濕度60——90%。
土壤空氣組成：
氧氣10.35——20.03% 二氧化碳0.15——0.65% 氮氣78.8——80.2% 相對濕度100%
土壤孔隙和土壤含水量影響土壤空氣數量
二、土壤的通氣性的生態意義
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節1 數字基帶訊號 數字基帶傳輸系統框圖組成 通道訊號形成器 編碼通道 接收濾波器 抽樣判決器。一 時域形式 基帶訊號 單極性 雙極性 歸零 不歸零。二 頻譜結構 1.穩態波v t 的功率譜密度pv 2.交變波u t 的功率譜密度pu 3.基帶訊號s t 的功率譜密度ps pv pu 三 常用碼型 ...