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1、水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院土壤土壤- -植物植物- -大气水分运转与调控大气水分运转与调控水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院第一章植物水分关系与水势一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性二、植物水分关系研究综述二、植物水分关系研究综述二、植物水分关系研究综述二、植物水分关系研究综述三、水分的传输过程三、水分的传输过程三、水分的传输过程三、水分的传输过程四、水四、水四、水四、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院q植植物物的的一一切切正正常常生生命命活活动动，只只有有在在一一定定的的细细胞水分含量的状
2、况下，才能进行。胞水分含量的状况下，才能进行。q植物水分代谢植物水分代谢( (water metabolism)water metabolism)的的3 3个过个过程：水分的吸收、水分在植物体内运输和水程：水分的吸收、水分在植物体内运输和水分的排出。分的排出。 一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院q植物形成每克有机质大约消耗植物形成每克有机质大约消耗500500克水克水q生长植物组织中水分占生长植物组织中水分占80-95%80-95%q水分使植物细胞存在膨压（水分使植物细胞存在膨压（
3、TurgorTurgor pressure)pressure) 这是许多植物生理过程所必需的使植物组织保这是许多植物生理过程所必需的使植物组织保持刚度和稳定性持刚度和稳定性q水是一种很好的溶剂水是一种很好的溶剂q水分蒸腾时消耗热量的一个重要方式水分蒸腾时消耗热量的一个重要方式一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院根系的深度和广度根系的深度和广度叶叶片片形形状状、大大小小、总总叶叶面面积、内外表面的比值积、内外表面的比值气孔数量、位置和行为气孔数量、位置和行为植物生长的质量和数量植物生长
4、的质量和数量细胞、器官和植物的大小细胞、器官和植物的大小生长和累积的各部分干重、鲜重、根冠比、营养与生殖生长生长和累积的各部分干重、鲜重、根冠比、营养与生殖生长植物过程和条件植物过程和条件水分吸收、汁液升高、蒸腾水分吸收、汁液升高、蒸腾由水势、紧张度、气孔开度和细胞扩张反映的内部水分平衡由水势、紧张度、气孔开度和细胞扩张反映的内部水分平衡对对生生长长调调节节过过程程种种类类和和数数量量的的影影响响：光光合合、呼呼吸吸、糖糖和和氮氮代代谢谢以以及及其其他代谢过程他代谢过程土土壤壤：质质地地、结结构构、深深度度、化化学学成成分分、PHPH、通通气性、温度、持水能力、水分传导率气性、温度、持水能力、
5、水分传导率大大气气：降降雨雨、蒸蒸发发、CO2CO2浓浓度度、辐辐射射、风风速速、水水气压、其他影响蒸发与蒸腾的因素气压、其他影响蒸发与蒸腾的因素生物：竞争植物、病害、虫害生物：竞争植物、病害、虫害遗遗 传传 潜潜 力力环环 境境 因因 素素遗传潜力和环境因素通过生理过程对植物生长的影响遗传潜力和环境因素通过生理过程对植物生长的影响 一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院一些重要概念一些重要概念一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分
6、在植物生活中的重要性水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性一、水分在植物生活中的重要性水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院二、水分的传输二、水分的传输q水分从土壤通过植物向大气传输时，通过各水分从土壤通过植物向大气传输时，通过各种介质（细胞壁、膜、空气），水分传输的种介质（细胞壁、膜、空气），水分传输的机理随着介质不同而变化。机理随着介质不同而变化。q考虑水分传输的两个过程：考虑水分传输的两个过程： 分子扩散（分子扩散（molecular)molecular) 质流质流( (bulk flow or mass f
7、low)bulk flow or mass flow)水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院1.1.1.1.扩散（扩散（扩散（扩散（Diffusion） 溶液中的水分子不是静态的，他们在不断的运动，相溶液中的水分子不是静态的，他们在不断的运动，相互碰撞。互碰撞。扩散是分子之间的相互混合，其结果导致随机的热紊扩散是分子之间的相互混合，其结果导致随机的热紊动。假如没有外力作用于分子，扩散引起分子从高浓动。假如没有外力作用于分子，扩散引起分子从高浓度区向低浓度区运动。度区向低浓度区运动。 FickFick第一定律：第一定律： 扩散的速率与溶液浓度梯度成正比。扩散的速率与溶液浓度梯度成正比。二、水分的传
8、输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院硫酸铜在水中扩散硫酸铜在水中扩散晶体周围水变为深蓝色晶体周围水变为深蓝色烧杯中的水变为淡蓝色烧杯中的水变为淡蓝色（全部溶解）（全部溶解）二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院短距离扩散快，长距离扩散非常慢短距离扩散快，长距离扩散非常慢短距离扩散快，长距离扩散非常慢短距离扩散快，长距离扩散非常慢q由由FickFick第一定律，可以导出一个物质扩散一定距离所第一定律，可以导出一个物质扩散一定距离所需时间的表达式。需时间的表达式。K K是常数是常数DsDs是扩散系数是扩散系数二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水
9、利与建筑工程学院例例1 1：小分子扩散通过一个典型细胞所需要的时间。：小分子扩散通过一个典型细胞所需要的时间。 小分子，如葡萄糖小分子，如葡萄糖DsDs约为约为1010-9-9m m2 2s s-1-1, ,细胞大小细胞大小5050 m.m.例例2 2：同样物质扩散通过一个长距离（：同样物质扩散通过一个长距离（1 1m, m, 约为一个玉米约为一个玉米叶片的长度）所需要的时间。叶片的长度）所需要的时间。二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院结果表明：结果表明：结果表明：结果表明：q在细胞尺度上扩散是有效的，但长距离在细胞尺度上扩散是有效的，但长距离传输时非常非常慢。传
10、输时非常非常慢。q水分从叶片散失时扩散时非常重要的，水分从叶片散失时扩散时非常重要的，这是因为空气中的扩散系数比溶液中大这是因为空气中的扩散系数比溶液中大得多。得多。二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院2.2.2.2.质流（质流（质流（质流（bulk flow or mass flow)bulk flow or mass flow)bulk flow or mass flow)bulk flow or mass flow)质流是分子团的集中运动，多数情况下与压力梯度质流是分子团的集中运动，多数情况下与压力梯度有关。质流在一般情况下表现为对流（有关。质流在一般情况下表
11、现为对流（convection)convection)，如，河流中的水流。如，河流中的水流。压力驱动水的质流是植物通过木质部水流长距离传压力驱动水的质流是植物通过木质部水流长距离传输的主要机理。输的主要机理。与扩散不同，假如忽略粘滞度的变化，压力驱动的与扩散不同，假如忽略粘滞度的变化，压力驱动的质流与溶液浓度梯度无关。质流与溶液浓度梯度无关。二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院3.3.3.3.渗透（渗透（渗透（渗透（osmosis)osmosis)osmosis)osmosis)渗透渗透溶剂（比如，水）通过膜的运动。溶剂（比如，水）通过膜的运动。虽然水能够相对比较快
12、地被植物细胞吸收和损失，但是，虽然水能够相对比较快地被植物细胞吸收和损失，但是，吸收和损失受原生质膜的限制很大。植物细胞膜是一种吸收和损失受原生质膜的限制很大。植物细胞膜是一种半透性（选择性）膜，它允许水和其他的小的不带电荷半透性（选择性）膜，它允许水和其他的小的不带电荷的物质比大的溶质和带电荷的物质更容易通过。的物质比大的溶质和带电荷的物质更容易通过。二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院叶细胞叶细胞在等渗在等渗溶液中溶液中叶细胞叶细胞在低渗在低渗溶液中溶液中叶细胞叶细胞在高渗在高渗溶液中溶液中细胞壁细胞壁细胞膜细胞膜叶绿体叶绿体细胞核细胞核细胞质细胞质二、水分的传
13、输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院4. 4. 渗透作用和渗透压渗透作用和渗透压 1)1)渗透作用渗透作用 马铃薯渗透实验马铃薯渗透实验取一个马铃薯去皮把一端削平，挖一个洞接近底部在洞中加入糖溶液，用大头针指示液面将马铃薯放在盛水的烧杯中 一段时间后，洞中的液面上升，这既是渗透现象 表明活的马铃薯细胞是一种半透性膜（differentially permeable membrane） 水分子通过马铃薯选择性细胞膜，从它的高浓度取（烧杯中的水）向他的低浓度区 (马铃薯洞的糖溶液)运动二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院2)2)植物细胞是一个渗透系统植物
14、细胞是一个渗透系统 一个成长植物细胞的细胞壁主要是由纤维素分一个成长植物细胞的细胞壁主要是由纤维素分子组成的，它是一个水和溶质都可以通过的透性膜子组成的，它是一个水和溶质都可以通过的透性膜( (permeable membrane)permeable membrane)。质膜和液泡膜则不同，两质膜和液泡膜则不同，两者都是半透膜，因此，我们可以把原生质层者都是半透膜，因此，我们可以把原生质层( (包括质包括质膜、细胞质和液泡膜膜、细胞质和液泡膜) )当作一个半透膜来看待。液泡当作一个半透膜来看待。液泡里面的细胞液含有许多溶解在水中的物质，具有水里面的细胞液含有许多溶解在水中的物质，具有水势。这样
15、，细胞液、原生质层和环境中的溶液之间，势。这样，细胞液、原生质层和环境中的溶液之间，便会发生渗透作用。所以，一个具有液泡的植物细便会发生渗透作用。所以，一个具有液泡的植物细胞，与周围溶液一起，构成一个渗透系统。胞，与周围溶液一起，构成一个渗透系统。 二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院植物吸收水分植物吸收水分 植物体中细胞间的水分运动植物体中细胞间的水分运动保持植物器官的刚性保持植物器官的刚性由于渗透压保持叶片的刚性与扩展由于渗透压保持叶片的刚性与扩展 根系生长并穿过土壤颗粒根系生长并穿过土壤颗粒 植物抗旱与抗盐碱植物抗旱与抗盐碱 气孔的开张气孔的开张渗透在植物生长
16、中具有重要作用渗透在植物生长中具有重要作用二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院植物细胞由于液泡失水，而使原生质体和细胞壁分离植物细胞由于液泡失水，而使原生质体和细胞壁分离的现象称为质壁分离的现象称为质壁分离( (plasmo1ysis)plasmo1ysis)质壁分离质壁分离( (plasmo1ysis)plasmo1ysis)二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院如果把发生了质壁分离现象的细胞浸在水势较高的稀如果把发生了质壁分离现象的细胞浸在水势较高的稀溶液或清水中，外面的水分便进入细胞，液泡变大，整个溶液或清水中，外面的水分便进入细胞，
17、液泡变大，整个原生质体慢慢地恢复原来状态，这种现象称为质壁分离复原生质体慢慢地恢复原来状态，这种现象称为质壁分离复原原( (de-plasmo1ysis)de-plasmo1ysis)。质壁分离复原质壁分离复原( (de-plasmo1ysis)de-plasmo1ysis) 高渗高渗 等渗等渗 低渗低渗质壁分离质壁分离 松弛松弛 膨胀膨胀二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 由于纯水的克分子浓度高于任何水溶液里的水的克分由于纯水的克分子浓度高于任何水溶液里的水的克分子浓度，所以在等温条件下，从纯水到溶液的水分子的净子浓度，所以在等温条件下，从纯水到溶液的水分子的净
18、扩散流量总是正值。假若水溶液和纯溶剂扩散流量总是正值。假若水溶液和纯溶剂( (水水) )被对水分子被对水分子完全透过而对溶质分子几乎不透过的一种膜所隔开，那么完全透过而对溶质分子几乎不透过的一种膜所隔开，那么就产生了一种特殊类型的扩散，即水的渗透作用。要阻止就产生了一种特殊类型的扩散，即水的渗透作用。要阻止渗透作用，我们必须给溶液加一个压力。在等温条件下，渗透作用，我们必须给溶液加一个压力。在等温条件下，阻止水分通过半透性膜而扩散到溶液里的压力叫做该溶液阻止水分通过半透性膜而扩散到溶液里的压力叫做该溶液的渗透压。的渗透压。3)3)渗透压渗透压二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与
19、建筑工程学院 最早是在最早是在18771877年是由年是由PfefferPfeffer证明，渗透压取决于浓证明，渗透压取决于浓度。这种关系可由度。这种关系可由Vant HoffVant Hoff方程表示：方程表示： V=nRT V=nRT式中，式中，n n是是V V容积中溶液溶质的摩尔数，容积中溶液溶质的摩尔数，R R是气体常数是气体常数（8.314JK8.314JK-1-1molmol-1-1），），T T是绝对温度。如果用是绝对温度。如果用C C表示溶液浓表示溶液浓度，则：度，则： =cRT =cRT 在在00时，每升时，每升1 1摩尔浓度的溶液（摩尔浓度的溶液（1 1摩尔摩尔/10/10
20、-3-3m m3 3）应有的）应有的渗透压：渗透压： x10 x10-3-3=1x8.314x273=1x8.314x273 =2.27x106pal=22.7bar=2.27x106pal=22.7bar二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院分子扩散的驱动力分子扩散的驱动力浓度梯度浓度梯度 质流的驱动力质流的驱动力压力梯度压力梯度 渗透的驱动力渗透的驱动力浓度和压力梯度的共同作用浓度和压力梯度的共同作用水流通过膜的方向和速度不仅仅与浓度或压力梯度有关，水流通过膜的方向和速度不仅仅与浓度或压力梯度有关，而是由这两个驱动力之和决定。而是由这两个驱动力之和决定。该驱动力被
21、称为化学势梯度，更常用水势梯度。该驱动力被称为化学势梯度，更常用水势梯度。二、水分的传输二、水分的传输水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院q长期以来，人们一直在寻找表示以及测量植物组织水长期以来，人们一直在寻找表示以及测量植物组织水合水平的适宜方法。为了适于进行植物、土壤、大气合水平的适宜方法。为了适于进行植物、土壤、大气之间水分关系的研究，寻找了以热力学观点为基础的之间水分关系的研究，寻找了以热力学观点为基础的新概念和术语。新概念和术语。 1. 1. 水的化学势水的化学势( (The Chemical Potential)The Chemical Potential) q作功的量是由进行能量
22、交换的分子数决定的，如果其作功的量是由进行能量交换的分子数决定的，如果其他条件不变，分子数加倍，作功加倍。一般人们更希他条件不变，分子数加倍，作功加倍。一般人们更希望知道每个分子或每摩尔分子所作的功，而不是总量。望知道每个分子或每摩尔分子所作的功，而不是总量。Gibbs(1931)Gibbs(1931)认识到这一点，并将其定义为认识到这一点，并将其定义为“势势”（potentialpotential）, ,它是指一个摩尔分子所能作的功。它是指一个摩尔分子所能作的功。 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院化学势也不能用一个绝对量来表示，它是通过比较一个系统的化学
23、势与参考势来确定所能作的功。某个给定系统内水的化学势是与纯的自由水的化学势相比较而相对地测定的。纯的自由水是不合溶质的，且不被任何力所约束。因此在同样的温度和压力下，纯的自由水的化学势为0时，该系统内水的化学势则以(w0)来测定。 当系统不是纯水时，w0, (w0)0 当系统是纯水时，w=0, (w0)=0 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院化化学学势势一一般般由由摩摩尔尔的的能能量量单单位位表表示示，但但它它也也可可以以转转化化成成压力单位：压力单位：w- 单位体积的能量=单位面积的力=压力 单位：兆帕(Megapascal) 1Mpa=106Pa=10b
24、ars=9.87atm Vw偏摩尔体积，是指加入1摩尔的水使体系的体积发生的变化。在一个比较大的温度范围内，对于细胞和土壤溶液，近似于纯水的值，18cm3mol-1。三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院Vant Hoff方程是一个根据水的摩尔比建立的溶液浓度与化学势之间的简单关系RR气气体体常常数数（8.32108.3210-6-6MPamMPam3 3molmol-1-1KK-1-1）TKelvinTKelvin温度温度n ns s溶液的摩尔数溶液的摩尔数n nw w水的摩尔数水的摩尔数n nw w/(n/(ns s+n+nw w)摩尔比摩尔比 2.Vant
25、 Hoff 2.Vant Hoff 方程方程三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院对于稀溶液，水的摩尔比可以近似表示为： 对于稀溶液，自然对数可以进一步用Taylor展开近似为： 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院两边被水的偏摩尔体积除，两边被水的偏摩尔体积除，= =V/V/n nw w, ,则渗透势：则渗透势： 由于溶液浓度由于溶液浓度C=nC=ns s/V, /V, 上式变为：上式变为： 因为 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院这个方程适用于一种理想的非离解物质的溶液，对于一种稀的盐溶液
26、，例如氯化钠，她离解成两种离子，每一种离子都影响渗透压，所以 几乎增大一倍。由于各种植物和土壤溶液的组成及溶液中溶质的离解程度不同，因此，Vant Hoff方程不是一种测定土壤和植物中水的渗透压的精确方法。 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 静水压静水压( (静水压特殊自由能静水压特殊自由能) ) 溶液的渗透性质溶液的渗透性质( (渗透溶液的特殊自由能渗透溶液的特殊自由能) ) 重力场重力场 面际张力面际张力 水势可由如下公式表示：水势可由如下公式表示： Y Y w w = Y = Y s s +Y +Y P P +Y +Y m m + Y + Y g g
27、 3. 3. 水势水势1) 1) 水势的组成水势的组成三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院渗渗透透势势( (s)s)就就是是溶溶液液的的水水势势，亦亦称称溶溶质质势势( (solute solute or or osmotic osmotic potential)potential)，渗渗透透势势是是由由于于溶溶质质颗颗粒粒的的存存在在，降降低低了了水水的的自自由由能能，因因而而其其水水势势低低于于纯纯水水的的水水势势。溶溶液液的的渗渗透透势势决决定定于于溶溶液液中中溶溶质质颗颗粒粒( (分分子子或或离子离子) )总数。总数。一一般般来来说说，温温带带生生长长
28、的的大大多多数数作作物物叶叶组组织织的的渗渗透透势势在在- -l l一一 -2-2MPaMPa，而而旱旱生生植植物物叶叶片片的的渗渗透透势势很很低低，达达- -1010MPaMPa之多。之多。 2) 2)渗透势渗透势( (s)s)三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 压压力力势势( (p- p- turgor turgor pressure)pressure)是是由由于于细细胞胞壁壁压压力力的的存在而增加的水势。存在而增加的水势。 大大多多数数植植物物细细胞胞里里压压力力势势是是正正值值, ,草草本本作作物物叶叶片片细细胞胞的的压压力力势势，在在温温暖暖天天气
29、气的的下下午午约约为为0.30.3至至0.50.5MPaMPa，晚晚上上则则为为+ +l.5 l.5 MPaMPa。在在特特殊殊情情况况下下，压压力力势势会会等等于于零零或或负负值值。例例如如，质质壁壁分分离离时时，压压力力势势为为零零；剧剧烈烈蒸蒸腾腾时时，细细胞胞的的压压力力势势会会呈呈负负值值。在在木木质质部部导导管管和和土土壤张力计里，它是负值。壤张力计里，它是负值。 3)3)压力势压力势( (p )p )三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院衬衬质质势势( (m) m) 是是细细胞胞胶胶体体物物质质亲亲水水性性和和毛毛细细管管对对自自由由水水束束缚缚而
30、而引引起起水水势势降降低低的的值值。衬衬质质势势通通常常为为负负值值，它它低低于于纯纯的的自自由由水水的的水水势势。在在无无液液泡泡的的细细胞胞里里，细细胞胞质质结结构构的的衬衬质质势势和和压压力力势势一一道道，在在决决定定细细胞胞的的总总水水势势上上起起着着决决定定性性的的作作用用，如如干干燥燥种种子子的的衬衬质质势势可可达达- -100100MPaMPa；但但已已形形成成液液泡泡的的细细胞胞，其其衬衬质质势势很很小小，只只有有-0.0-0.0lMPalMPa左左右右，只只占占整整个个水水势势的的微微小小部部分分，通通常常省省略略不计。因此，水势公式可简化为：不计。因此，水势公式可简化为：
31、Y Y w w = Y = Y s s +Y +Y P P + Y + Y g g 4)4)衬质势衬质势( (m)m)基质势基质势三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院重重力力势势（gravitational gravitational potentialpotential），在在研研究究植植物物水水分分吸吸收收时时，一一般般不不考考虑虑重重力力势势，除除非非是是高高大大的的树木。树木。 negligible 15 ft htnegligible 15 ft ht。 In plants: Y In plants: Y T T = Y = Y P P + Y +
32、Y s s (+ Y (+ Y g g ) ) In soil: Y In soil: Y soilsoil = Y = Y P P + Y + Y s s + Y + Y m m (+ Y (+ Y g g ) ) ）重力势（）重力势（gravitational potentialgravitational potential）三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院6 6）细胞水势、渗透势和压力势在细胞不同体积中的变化）细胞水势、渗透势和压力势在细胞不同体积中的变化 三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 兆帕、帕、兆帕、帕、巴
33、、大气压或水柱高巴、大气压或水柱高( (cm)cm)。 目前最常用的是兆帕目前最常用的是兆帕1 1 bar=75 cm Hg = 0.9869 atmbar=75 cm Hg = 0.9869 atm1 bar = 0.1 MPa (megapascals) 1 bar = 0.1 MPa (megapascals) 1 MPa = 101 MPa = 106 6 Pascals = 1,000,000 Pascals Pascals = 1,000,000 Pascals ） 水势的单位水势的单位三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院细胞或组织的水势其绝对值主
34、要取决于渗透势。渗透势细胞或组织的水势其绝对值主要取决于渗透势。渗透势多在多在-0.4 3.0-0.4 3.0MPaMPa的范围内变动。的范围内变动。Walter(1960)Walter(1960)给出给出了下述叶的所谓细胞液渗透势的平均值：了下述叶的所谓细胞液渗透势的平均值： 肉质植物肉质植物-0.3 0.7-0.3 0.7MPaMPa，水生植物约水生植物约-0.8-0.8MPaMPa，沼泽沼泽植物植物-0.9 1.4-0.9 1.4MPaMPa，阴地植物阴地植物-0.7 -0.9-0.7 -0.9MPaMPa，温带温带栽培植物栽培植物-1.0-2.0-1.0-2.0MPaMPa，阳地植物阳
35、地植物-1.2-2.0-1.2-2.0MPaMPa，树树木叶子木叶子-1.5-1.9-1.5-1.9MPaMPa，针叶树针叶树-1.62.2-1.62.2MPaMPa，常绿植常绿植物物-1.5 2.3-1.5 2.3MPaMPa，半旱性地区的植物半旱性地区的植物-2.0 -2.0 4.04.0MPaMPa，盐生植物盐生植物-2.0 6.0-2.0 6.0MPa (-20.0MPa)MPa (-20.0MPa)，块茎块茎和鳞茎为和鳞茎为-0.7-2.1-0.7-2.1MPaMPa，果实从果实从-0.9-0.9MPa (MPa (番茄番茄) -) -3.83.8MPa (MPa (葡萄葡萄) )。
36、 9 9） 典型的水势典型的水势三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院测定水势的方法相当多，至今仍没有一个完善并且通用的方法。测定水势的方法基本上有三类： 补偿法 测定组织上方水蒸气压的直接法 压力室法1010）细胞和组织水势的测定）细胞和组织水势的测定三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 寻找一种渗透势正好与所要测定的组织寻找一种渗透势正好与所要测定的组织( (或在某些情况或在某些情况下是个别细胞下是个别细胞) )的水势相等的已知渗透势的溶液。这种溶的水势相等的已知渗透势的溶液。这种溶液称之为等渗溶液液称之为等渗溶液( (等压
37、法等压法) )。 补偿法的一般原理：把一组一致相同的组织样品放在补偿法的一般原理：把一组一致相同的组织样品放在一组不同等级的试液里，由于试液和组织样品之间水势差一组不同等级的试液里，由于试液和组织样品之间水势差异平衡的结果，它们之间的净水分移动是可以测量的。因异平衡的结果，它们之间的净水分移动是可以测量的。因此当一组不同等级的已知浓度此当一组不同等级的已知浓度( (即已知渗透势即已知渗透势) )的试液中的的试液中的每一个和一组类似一致的组织样品中的一个相平衡，我们每一个和一组类似一致的组织样品中的一个相平衡，我们就能绘出净水分转移的速率和符号就能绘出净水分转移的速率和符号( (十或一十或一)
38、)与每种试液渗与每种试液渗透势的关系。能得到一条与零变化线相交的几乎是直的曲透势的关系。能得到一条与零变化线相交的几乎是直的曲线，与交点相对应的渗透势值与组织的水势相等。线，与交点相对应的渗透势值与组织的水势相等。（）（） 补偿法补偿法三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院细胞和组织水势的测定细胞和组织水势的测定 补偿法补偿法三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院在直接法里，是测定含有样品的密闭容器中的在直接法里，是测定含有样品的密闭容器中的水蒸气压。使用热电偶或热敏电阻干湿球湿度计，水蒸气压。使用热电偶或热敏电阻干湿球湿度计，热
39、电偶露点湿度计。热电偶露点湿度计。 （）直接法（）直接法三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院在压力室法里叶细胞水势是被外加在具叶枝条或单个叶上的外部压力所补偿。水从叶肉细胞逆着导管液的渗透梯度开始流向木质部导管时，就表明了补偿点。三、水三、水三、水三、水 势势势势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院p固态形成土壤的骨架，主要由矿物质固态形成土壤的骨架，主要由矿物质和有机质组成。和有机质组成。p水和气体部分称为孔隙体积。孔隙体水和气体部分称为孔隙体积。孔隙体积相对比较稳定，但有时会由于耕积相对比较稳定，但有时会由于耕作或者压实而改变。作或者压实而改变。p孔隙中空
40、气和水的比值随着水分的补孔隙中空气和水的比值随着水分的补充或消耗而改变。充或消耗而改变。1. 1. 土壤水分土壤水分四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院农田水量平衡农田水量平衡p土壤孔隙实际上是一个土壤水库。土壤孔隙实际上是一个土壤水库。但并不是所有土壤水库的水都可但并不是所有土壤水库的水都可以被作物所利用。以被作物所利用。p强降水或者灌溉后表层土壤孔隙强降水或者灌溉后表层土壤孔隙被水充满，但重力作用会使部分被水充满，但重力作用会使部分水排出作物根系层。这部分水称水排出作物根系层。这部分水称为重力水，一般情
41、况下不能被作为重力水，一般情况下不能被作物所利用。物所利用。p土壤水分再分布后，土壤含水量土壤水分再分布后，土壤含水量处于田间持水量。处于田间持水量。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院2. 2. 土壤水分有效性土壤水分有效性四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势结合水结合水吸湿水吸湿水毛管水毛管水重力水重力水水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势可利用土壤水分与水分的分布
42、可利用土壤水分与水分的分布水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 概念：在标准大气压下，可逆并且等温地将概念：在标准大气压下，可逆并且等温地将概念：在标准大气压下，可逆并且等温地将概念：在标准大气压下，可逆并且等温地将无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中所必须做的功。所必须做的功。所必须做的功。所必须做的功。势的概念可应用于土壤中水分运动的所有过程，势的概念可应用于土壤中水分运动的所有过程，势的概念可应用于土壤中水分运动的所有过程，势的概念可应用于土壤中水分运动的所
43、有过程，如渗透、排水以及毛管上升等。如渗透、排水以及毛管上升等。如渗透、排水以及毛管上升等。如渗透、排水以及毛管上升等。土壤水分一直是从势高的部位流向势低的部位，土壤水分一直是从势高的部位流向势低的部位，土壤水分一直是从势高的部位流向势低的部位，土壤水分一直是从势高的部位流向势低的部位，并在这一移动的过程中释放能量。这个运动一直并在这一移动的过程中释放能量。这个运动一直并在这一移动的过程中释放能量。这个运动一直并在这一移动的过程中释放能量。这个运动一直持续到其总势在土壤中所有部分都相等为止。持续到其总势在土壤中所有部分都相等为止。持续到其总势在土壤中所有部分都相等为止。持续到其总势在土壤中所有
44、部分都相等为止。 3. 3. 土水势土水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院qq重重重重力力力力势势势势（gravitational gravitational gravitational gravitational potentialpotentialpotentialpotential）：将将将将单单单单位位位位数数数数量量量量的的的的土土土土壤壤壤壤水水水水从从从从某某某某一一一一点点点点移移移移动动动动到到到到标标标标准准准准参参参参照照照照状状状状态态态态水水水水平平平平处处处处，而而而而其其其
45、其他他他他各各各各项维持不变时，土壤水所做的功。项维持不变时，土壤水所做的功。项维持不变时，土壤水所做的功。项维持不变时，土壤水所做的功。土壤中的水势土壤中的水势土壤中的水势土壤中的水势qq基基基基质质质质势势势势（matricmatricmatricmatric potentialpotentialpotentialpotential）：又又又又称称称称基基基基膜膜膜膜势势势势，系系系系土土土土壤壤壤壤基基基基质质质质对对对对水水水水分分分分的的的的吸吸吸吸持持持持作作作作用用用用引引引引起起起起，水水水水和和和和土土土土壤壤壤壤骨骨骨骨架架架架之之之之间间间间的的的的毛毛毛毛管管管管力力力
46、力和和和和吸吸吸吸附附附附力力力力将将将将土土土土壤壤壤壤水水水水束束束束缚缚缚缚在在在在土土土土壤壤壤壤中中中中，为为为为了了了了克克克克服服服服这这这这种种种种吸吸吸吸持持持持作作作作用用用用，将将将将土土土土壤壤壤壤水水水水移移移移动动动动到到到到标标标标准准准准参参参参照照照照状状状状态态态态（自自自自由由由由水水水水，无无无无束束束束缚缚缚缚），必须对土壤水所做的功。必须对土壤水所做的功。必须对土壤水所做的功。必须对土壤水所做的功。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院qq压压压压力力力力势势势势（
47、pressure pressure pressure pressure potentialpotentialpotentialpotential）：由由由由压压压压力力力力场场场场中中中中的的的的压压压压力力力力差差差差引引引引起起起起，常常常常将将将将标标标标准准准准参参参参照照照照状状状状态态态态下下下下的的的的压压压压力力力力定定定定义义义义为为为为标标标标准准准准大大大大气气气气压压压压或或或或当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差。当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差。当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差。当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差。qq溶溶溶溶质质质质势势势
48、势（osmotic osmotic osmotic osmotic potentialpotentialpotentialpotential）：系系系系由由由由于于于于可可可可溶溶溶溶性性性性物物物物质质质质（如如如如盐盐盐盐类类类类）溶溶溶溶解解解解于于于于土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液中中中中，降降降降低低低低了了了了土土土土壤壤壤壤溶溶溶溶液液液液的的的的势势势势能能能能所所所所导导导导致致致致，由由由由于于于于溶溶溶溶质质质质对对对对水水水水分分分分子子子子具具具具有有有有吸吸吸吸引引引引力力力力，将将将将水水水水分分分分移移移移动动动动到到到到标标标标准准准准参参参参照照照照状状状
49、状态态态态（纯纯纯纯自自自自由由由由水水水水）时时时时，必必必必须须须须对对对对土土土土壤壤壤壤水水水水做做做做功功功功，这这这这种溶液与纯自由水之间存在的势能差。种溶液与纯自由水之间存在的势能差。种溶液与纯自由水之间存在的势能差。种溶液与纯自由水之间存在的势能差。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院qq温温温温度度度度势势势势（temperature temperature temperature temperature potentialpotentialpotentialpotential）：由由由由
50、于于于于温温温温度度度度场场场场的的的的温温温温差差差差引引引引起起起起，土土土土壤壤壤壤中中中中任任任任一一一一点点点点土土土土壤壤壤壤水水水水分分分分的的的的温温温温度度度度势势势势由由由由该该该该点点点点的的的的温温温温度度度度与标准参照状态的温度之差所决定。与标准参照状态的温度之差所决定。与标准参照状态的温度之差所决定。与标准参照状态的温度之差所决定。温温温温度度度度影影影影响响响响着着着着水水水水的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力和和和和粘粘粘粘滞滞滞滞性性性性，当当当当温温温温差差差差升升升升高高高高时时时时，水水水水的的的的粘粘粘粘滞滞滞滞性性性性和和和和表表表表面面面面张
51、张张张力力力力下下下下降降降降，土土土土壤壤壤壤吸吸吸吸水水水水力力力力降降降降低低低低，土土土土水水水水势势势势增增增增高高高高，即即即即在在在在同同同同一一一一吸吸吸吸力力力力条条条条件件件件下下下下，温温温温度度度度升升升升高高高高，土土土土壤壤壤壤持持持持水水水水量量量量减减减减少少少少，温温温温度度度度低低低低时时时时，其其其其持持持持水水水水能能能能力力力力增增增增强强强强；或或或或者者者者，在在在在相相相相同同同同含含含含水水水水量量量量条条条条件件件件下，温度高时，吸力较低，而温度降低时，则吸力升高。下，温度高时，吸力较低，而温度降低时，则吸力升高。下，温度高时，吸力较低，而温
52、度降低时，则吸力升高。下，温度高时，吸力较低，而温度降低时，则吸力升高。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院但一般情况下，由于非饱和土壤中，但一般情况下，由于非饱和土壤中，P=0，而，而T与与s对土壤水分运动的影响都可忽略，故土水势常被简化为：对土壤水分运动的影响都可忽略，故土水势常被简化为：=m+g对于饱和土壤，必须考虑重力势；对于饱和土壤，必须考虑重力势；盐碱地必须考虑溶质势。盐碱地必须考虑溶质势。土水势基质势重力势压力势溶质势温度势土水势基质势重力势压力势溶质势温度势 m m+ + g g+ + p
53、p + +s s + + T T四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院3.3.土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线土壤水分特征曲线概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线表示
54、土壤水的能量和数量之间的关系，土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。的曲线。的曲线。的曲线。土壤水分特征曲线的测定多用压力膜法土壤水分特征曲线的测定多用压力膜法土壤水分特征曲线的测定多用压力膜法土壤水分特征曲线的测定多用压力膜法四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与
55、土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院p土壤水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，在土壤水分特征曲线可反映不同土壤的持水和释水特性，在低吸力时砂性土释放的水分比粘性土多。对于砂性土，低吸力时砂性土释放的水分比粘性土多。对于砂性土，越过一个小的吸力范围就能释放出更多的水分。越过一个小的吸力范围就能释放出更多的水分。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院p土壤结构（容重）对土壤水分特征曲线也有影响。同一种土壤压实后，土壤结构（容重）对土壤水分特征曲线也有影响
56、。同一种土壤压实后，其孔隙状态发生变化，大孔隙降低，中小孔隙相应增加，饱和含水其孔隙状态发生变化，大孔隙降低，中小孔隙相应增加，饱和含水量减小。但在一定的高吸力段，由于压实土壤小孔隙的增加，其持量减小。但在一定的高吸力段，由于压实土壤小孔隙的增加，其持水能力却比有结构的土壤要强。水能力却比有结构的土壤要强。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院p许多实验证明，土壤吸水过程与脱水过程所测得的土壤水许多实验证明，土壤吸水过程与脱水过程所测得的土壤水分特征曲线是不同的，相同吸力下的土壤水分含量，脱分特征曲线是不同的
57、，相同吸力下的土壤水分含量，脱（释）水状态要比吸水状态大，即为水分特征曲线的滞（释）水状态要比吸水状态大，即为水分特征曲线的滞后现象。后现象。p由变湿或者由湿变干全过程的两由变湿或者由湿变干全过程的两条曲线（吸水过程与脱水过程曲条曲线（吸水过程与脱水过程曲线）可形成一个大的滞后圈。当线）可形成一个大的滞后圈。当在吸水或者脱水两个过程中的任在吸水或者脱水两个过程中的任意一点改变湿润方向，都可在大意一点改变湿润方向，都可在大的滞后圈中形成小的滞后圈。的滞后圈中形成小的滞后圈。p一般比较容易进行测定的是脱水一般比较容易进行测定的是脱水过程曲线。过程曲线。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四
58、、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院p也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。也可从中了解给定土类的一些土壤水分常数和特征指标。如当吸力趋于如当吸力趋于0 0时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力时，土壤接近饱和，水分状态以毛管重力水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水水为主；吸力稍有增加，含水量急剧减少时，用负压水头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力头表示的吸力值约相当于支持毛管水的上升高度；吸力增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，增加而含水量减少微弱时，以土壤中的毛管悬着水为主，含水量接近于田间持水量。通
59、常在曲线上取含水量接近于田间持水量。通常在曲线上取1m1m和和150150米两米两点的含水量作为田间持水量和凋萎点的近似参考值。点的含水量作为田间持水量和凋萎点的近似参考值。四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院n对于每种土壤，土壤水分特征曲线都可以通过试验对于每种土壤，土壤水分特征曲线都可以通过试验测定出来。而吸力测定出来。而吸力s s与土壤含水量与土壤含水量 的关系，由不的关系，由不同的表达方式：同的表达方式： 1.Visser 1.Visser（19691969）公式：）公式： s=A(s=A(- -
60、) )n n/ / m m 式中式中是孔隙度，是孔隙度，A,m,nA,m,n都是常数。都是常数。 在在很小时，很小时，- -随含水量变化很小，就可以看随含水量变化很小，就可以看做一个常数，就可以得到一个简化的公式。做一个常数，就可以得到一个简化的公式。 s= a s= ab b四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 负压计（负压计（The TensiometerThe Tensiometer） 测定范围：测定范围：0 - 0.80 - 0.8MPaMPa（0-8m0-8m）土壤水势的测定土壤水势的测定 四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势四、土壤水分与土壤水势
