[doc] 土壤结构、水分与植物根系对土壤能量状态的影响

[doc] 土壤结构、水分与植物根系对土壤能量状态的影响 土壤结构、水分与植物根系对土壤能量状态 的影响 第31卷第3期 2003年5异 东北林业大学 JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITY VoJ.31No.3 Mav2003 土壤结构,水分与植物根系对土壤能量状态的影响 吴淑杰大姒 (东北林业大学,哈尔滨,150040) 韩喜林 (松花江林业管理局) 李淑珍 (黑龙江省农垦林业学校) 摘要土壤的能量状态反应土壤水分对植物的有效性,常以土壤水势来表示.通过对影响土壤水势因子的 分析.给出土壤水势与土壤结构及含水率关系的表达式.当土壤不舍水分时,影响土壤水势的因子主要为土壤的 结构;当土壤含有水分时.由于土壤水分中和了部分毛管力,随着土壤 水含水量的增加,土水势必然升高,所以,土 壤结构与土壤含水率决定着土水势的高低.另外由于植物根系影响 土壤结构与含水率,所以根系对土壤水势的影 响也不可忽略. 关键词土壤;结构;含水率;水势 分类号s714.2 In~ueHceoftheSonStructure,WaterConentandPlantRootonSoilEnergyAppearanee/WuShujie(NortheastFor— estryUniversity,Harbin150040,P.R.China);HanXilin(SonghuajiangForestryAdministrativeBureau);LiShuzhen(Hei— longjiangAgricultureReclamationForestrySchoo1)//JournalofNo.beastForestryUniversity.一2003,31(3).一24—26 Thesoil’Senergyappearancereflectsthesoilwateravailabilityforliveplant.Thesoilenergywhichisoftencalled waterpotentialisdeterminedbythefactorsofthestructureandwatercontentofsoil,thereforethemathematicalformulas aregivenbyanalyzingtheirrelationships.Theresultshowedthatthesoilstructurewasthemainfactorsinfluencedthesoil potentialunderabsolute—driedcondition,andthesoilpotentialwentupwiththeincreasingofwatercontentunderwet condition.Inaddition,plantrootcanalsoinfluencesoilstructureandwatercontent,SOtheinfluenceofplantrootonthe soilpotentialshouldnotbeneglected. KeyWOrdsSoil;Structure;Watercontent;Waterpotential 土壤水分是土壤的重要组成部分,也是植物的生命之源. 土壤水分的状态直接影响到植物是否能够吸收利用水分.人 们对土壤水分状态的研究已从形态学观点向能量学观点过 渡,以能量学观点来研究土壤水分状态,可直接反应土壤水分 对植物的有效性.由于土壤中的水分与土壤共存,它不同于 处于自由状态的水,土壤中的水分除受重力作用外,还受土壤 分子力和毛管力的作用以及土壤盐分的影响.所以,土壤水和 自然界其它物体一样,含有不同形式的能,处在一定的能量状 态,能自发地从能量较高的地方向能量较低的地方移动.用 水分能量的观点能更加科学地说明水分形态不能解释与说明 的问题,如植物根系的吸水问题,植物根系吸收土壤水分的生 理活动实际上是一复杂的物理过程,根系的吸水能力如用根 系的渗透势来衡量,则土壤用能量的观点能够很好地解释土 壤水分对植物的有效性.1907年,美国白金汉首先提出毛管 势的概念,用以表示土壤水分的能量水平.由于土壤水所受 的力不单只是毛管力,不能完全反应土壤中水分的能量,l920 年,美国加德纳提出了水分势的概念,水分势较全面地反应了 各种力的综合结果,它的含义是单位质量的水从水分势为零 处被移到土壤中某一点相应所作的功.目前,使用土水势来 表示土壤水分的能量状态,若在自由状态下,水的自由能为 零,土水势也为零.在毛管力等土壤吸力的作用下,土水势必 然小于零.土壤水势越高,越有利于植物吸收利用土壤水分; 反之,土壤水势越低,越不利于植物吸收利用土壤水分,当土 壤水势低于植物水分的能量水平时,植物会发生萎蔫.根据 影响土壤水势的因素,土水势可分为基质势,渗透势和重力 势.基质势是由土壤分子吸力和毛管力作用下降低的势能, 为土水势的主要组成部分,其值为负值;渗透势是由于土壤中 可溶性盐分的影响而降低的势能,其值为负值.由于在一般 土壤中盐分浓度很小,故渗透势可忽略不计;重力势是由重力 影响而产生的水势,只有在土壤中存在自由水移动时,重力势 才起作用,故一般情况下可忽略不计.由于土壤毛管的吸力 和分子引力影响基质势的大小,所以土壤水势必与土壤结构 和含水率有关.我们主要探讨影响基质势的因素,给出土水 势的综合表达式,结合植物的生理指标,给出植物出现萎蔫时 土壤含水率的极限值表达式,并对云杉幼龄林土壤水势进行 研究. 1研究与方法 1.1土壤结构对土壤水势的影响 土壤由微小团粒组成,土壤团粒之间有孔隙存在,小孔隙 相连,形成多孔体.这些相连的孔隙起着毛细管的作用,在毛 管力的作用下,水分可进入土壤并被保持在孔隙中.土壤水 不同于自由水,具有一定的能量状态.能自发地从能量较高的 地方向能量较低的地方移动. 用土壤吸力来表示水的能态,是指土壤水在承受一定吸 力的情况下所处的能态,土壤水所受吸力大时,土水势下降; 反之土壤吸力小时,土水势升高.所以土壤水势必与土壤结 构相关.描述土壤结构的物理量为土壤团粒结构大小(可用 团粒的直径或半径值表示),土壤孔隙度等.当土壤不含水 分时,根据毛管吸力的表达式所得到的土水势表达式为 E=E:一200a/d , 一 作者简介:吴淑杰,女,l965年8月生,东北林业大学师范学式中:E—— 院’ 日期年目日量孔径)收稿日期:2003年1月2日. 里丁L伍”““, 责任编辑:戴芳天.结构半径为r 第3期吴淑杰等:土壤结构’,水分与撼物根系对土壤能量状态的影响 d=()I/3r.(1) jLl一凡 式中:n——土壤孔隙度;r——土壤团粒半径.所以土壤的基 质势可表示为 E:E:一().(2) 可见,土壤的基质势取决于土壤的孔隙度与土壤团粒结 构的大小.当土壤团粒结构大小一定时,土壤的孔隙度越大, 土壤的当量孔径越大,土壤的基质势越高,土壤持水能力越 小,水分越易于通过,也越利于植物吸收水分;反之,土壤的孔 隙度越小,土壤的当量孔径越小,土壤的基质势越低,土壤持 水能力越大,水分越不易于通过,也越不利于植物吸收利用水 分.当土壤的孔隙度一定时,土壤的团粒结构半径越大,当量 孔径越大,基质势越高;反之,土壤团粒结构半径越小,当量孔 径越小,土壤基质势越低.由于水分有向水势低的方向运动 的趋势,可见水分总是由质地粗处向质地细的土层运动. 1.2土壤含水率对土壤水势的影响 土壤水分的增减,必然反映到土水势的变化,也就是反映 到土壤对水分吸力的变化.所以有必要给出土壤含水率对土 水势影响的具体表达式.通过表达式,我们可以根据土壤含 水量随时监测土壤水势的变化,确保土壤水势高于植物体内 水分基本能量水平. 当土壤含有水分时,土壤水势不仅决定于土壤基质势,还 决定于土壤含水率.当土壤中所有孔隙全部被水充满时,水 势可升为零.由此可知当孔隙未被全部充满时,即土壤含水 率为时,土水势升高的百分数等于. 其中:Po——土壤水的密度;p?——土壤结构不被破坏时单 位体积土壤的质量.所以,土壤含水率为K时,土壤水势为 F—Fr1poK 一一 ] P?(1一K)n =一(三4nlr—P1]o(3) r,?(一K)凡, 式中,E为土壤不含有水分时的基质势,是土壤孔隙度n与 土壤团粒半径r的函数.其它量的含义如前所述. 可见,土壤水势是土壤结构与土壤含水率的函数.在土 壤的结构不变时,土壤水势决定于土壤的含水率.当土壤含 水率增加时,土水势升高;反之,当土壤的含水率减少时,土壤 水势降低.在土壤质地相同时,水分由含水率大的土层向含 水率小的土层运动. 有二点讨论如下. ?当土壤含水率降低时,土壤水势也随之降低,当土壤含 水量降到使土水势低于植物体内水分基本能量水平时,植物发 生萎蔫,其原因在于植物吸水力小于土壤吸水力.而植物吸水 的能力常以植物根系的渗透势来表示,渗透势低于土水势时, 植物可吸收利用土壤水分;当渗透势等于或高于土壤水势时, 植物则因无法吸收土壤中的水分而出现萎蔫.如果用E表示 植物根系的渗透势,植物发生萎蔫的土壤含水率为K有 n(1一E/E) K=———.(4) [1+n(1一E0/E)] P? 则当土壤的含水率K小于或等于K时,植物发生萎蔫. 上式的意义在于可以通过对土壤结构与性质瞬l锝痊,确 立某地区土壤的基质势大小的分布,建立该地区各植物种类 发生萎蔫的土壤含水率数据档案,并对该地区土壤含水状况 进行实时监测,确保植物正常生长. ?当土壤含水率升高时,由式(2)可知土水势也会升高, 若土壤水势各处相同,土壤会保持这部分水分而不发生流动. 而当土壤含水率超出某一值时,土壤毛管力与水所受重力失 去平衡,毛管无法保持这部分多余的水分,水分产生向下移 动,这时的土壤含水量被称为田间持水量,若以表示此时 的土壤含水率,由毛管能够持水的最大高度可知在田间持水 量时的土壤含水率为 Ko==cr. 式中,g为重力加速度,其它量的含义如前面所述.可见,土 壤的田间持水量决定于土壤的结构,当土壤结构确定时,土壤 的田间持水量就会确定.所以,通过对土壤结构的调查,我们 可以给出某一地区土壤的田间持水量的分布情况,当实际的 土壤含水量超出田间持水量的数值时,可及时采取排水, 确保植物正常生长.当土壤含水量达到田间持水量时,土壤 水势上升为 E= r ( /7” [1_ 1 ]. 斗凡D.’一A凡 当然,土壤含水量超出田间持水量时,水分能够向下移动 的条件是由表层到深层土壤的质地逐渐变细,当量孔径有递 减的梯度分布,土水势由表层到深层有降低的趋势.反之,如 果上层土壤密实,当量孔径小,下层土壤疏松,当量孔径大,则 上层的土水势大于下层,水分不会向下移动,甚至水分会由深 层向上移动,多余的水分因无法输送到深层地下而滞留在表 层土壤,造成水淹. 1.3根系的影响 为分析根系对土壤结构及土水势的影响,对位于东北林 业大学林场云杉幼龄林地进行了土壤结构与含水率调查.调 查方法为:选1株高1.70m的云杉幼树,用取土器取表层5 cm土壤,位置为距离树干30,60,90,120cm,同时,用同样的 方法取距离土壤表层10cm相应位置处的土壤;在粗根处,细 根处与无根处各取一盒土壤.用天平称量每盒样品的鲜质量 与干质量,将土壤倒人装有水的量杯中,测量每盒样品中土壤 的体积.用显微镜观测土壤团粒结构的半径,表层土壤质地 较粗,土壤团粒直径在0.2—0.5illm,下层土壤质地较细,土 壤团粒直径小于0.2mm.土壤的平均密度为1.341g/cm, pH值呈中性,分析时可忽略土壤盐分的影响. 对数据进行计算与整理的结果见表1.由表中数据可 见,表层土壤的孔隙度与当量孔径大于下层土壤,无水分影响 时上层土壤的基质势要高于下层土壤,土水势的这种分布有 利于水分向下输送;同一水平层次的不同位置土壤结构与土 水势有所不同,表层土壤结构具有一定的规律,那就是越接近 主干,土壤孔隙度越小,无水影响时的土壤基质势越低.由于 土壤表层分布着大量的根系,根径较粗的根系较多.在距干 距离50cm以内分布着直径较粗的根系,这里土壤的孔隙度 较低,约小于50%,当量孔径为0.159mm;在距离树干90cm 附近主要分布着根径很细的根系,土壤孔隙度约为54%,当 量孔径为0.170mm;在距离树干120cm处几乎没有根系分 布,土壤孔隙度为55%,当量孔径为0.172mm.可见根系附 26东北林业大学第3l卷 近的土壤孔隙度与当量孔径均较小,土壤基质势较低于无根 处.而通过对靠近主根的同一层面土壤的分析,可知贴近根 处土壤的孔隙度较低,为45%,当量孔径为0.125mrn,土壤基 质势为一2.38kPa.由此可知,根系对土壤的挤压是造成土 壤结构水平差异的主要原因.由于根系的这种影响,使得土 壤基质势在水平方向产生差异,即近根处土壤基质势较低,而 同一水平层次的远离根系处土壤的基质势则较高.由于水分 总是由势能高处向势能低处运动,水分会由无根处向有根处 运动,使根系附近的土壤水分能够得到及时补充,有利于根系 吸收利用土壤水分. 表1云杉林地土壤结构与土水势 注:l,2,30分别表不距树f30,6o,90,120cm处的表层土壤.一l,一 2,一3,一4分别表示距树lf30,6o,90,120cm,距地表lOcm处土壤. 土壤的含水率在水平和垂直层次均有差异,造成这种差 异因素较多,除根系影响外,还与地表是否有覆被物及地表局 部微气候有关.通过对比分析可见,毛细根处附近土壤含水 率为9%,低于其它地区可见,毛细根对土壤的含水率影响 较大,是影响土壤水势的不可忽视的因素.毛细根对土壤水 分的吸收,使土壤含水率降『氐,造成土壤水势降低. 从以上的两种因素的分析可知,根系对土壤的挤压以及 对土壤水分的吸收是造成根部附近土壤水势降低的主要因 素..在干旱季节,毛细根对上壤水势的影响尤为突出,若根系 周围的土壤水势降得过快或过低.可造成土壤水势低于根系 的渗透势,由于土壤水分来不及及时补充,根系无法吸收土壤 水分甚至根内的水分倒流向土壤,植物便会出现萎蔫.所以, 在干旱季节到来之前就应及时疏松根部土壤,或补充水分,适 当升高土壤水势,防止上述情形的发生. 一 1.0 垂-l_5 羹-7_0 鐾乏5 . 3.0 306090l20 水平位置,cm 图1云杉林地土壤水势的空间分布 可见,云杉幼龄林的下层土壤平均比上层土壤质地细密, 且土壤团粒结构小,下层土水势平均比上层低,这有利于水分 向下输送.同一层次土壤水势的差异,会使水分产生水平方 向的运动,这种差异主要是由于根系对土壤结构和含水率的 影响造成的.调查发现根系周围的土壤较紧密,且土壤的含 水率较无根处土壤低,这会使得根系周围的土壤水势低于其 它地区,有利于水分向根部输送.但在干旱无雨季节,也可能 会因为无水分补充,使得根系周围的土水势过低而造成水分 无法进人植物体内.所以,在干旱无雨季节,应及时疏松根部 的土壤,增加该处土壤的水势,同时也会破坏因水分的逆分布 而造成的土水势的逆分布,防止水分由下层土壤向上层土壤 逆流,减少水分的蒸发. 2结论 土壤水势能的变化说明了水分自由能的变化和土壤吸力 的变化,从而可以说明土壤中水分数量的变化.而土壤水分 数量的变化必然影响土壤水势的变化,从而影响土壤水分对 植物的有效性.当土水势的数值大于植物根系的渗透势时, 土壤水分可以被植物吸收利用;当土水势的数值小于或等于 渗透势时,土壤水分很难进人植物体内,甚至反而会产生反渗 透,由植物体内渗出,植物出现萎蔫.土壤的能量状态与土壤 的结构有关,土壤水势与土壤结构具有确定的表达式.由表 达式可知,当土壤孔隙度一定时.土壤团粒结构半径越小,当 量孔径越小,土水势越低;反之,土壤团粒半径越大,当量孔径 越大,土水势越高;当土壤团粒大小一定时,土壤水势与土壤 孔隙度成正比.所以,若上层土壤较下层土壤质地粗,将有利 于土壤向下排水,调查发现云杉林地土壤具有这样的结构. 土壤水势还与土壤含水率有关,具有确定的关系式.土壤水 分能够中和土壤毛管力,使土壤水势升高.由土水势的表达 式可知,土壤含水率越大,土水势越高,直到土壤毛孔被水分 充满,土壤出现水淹时,土水势升为零;反之,土水势随着土壤 含水量的升高而降低.通过给出土水势与土壤结构及含水率 关系的表达式,可对土壤水势进行实时监测,保证植物能够正 常生长.另外,根系对土壤水势也有影响,由于根系影响土壤 结构与含水率,使土壤孔隙度变小,含水率降低,使土壤结构 与含水率产生空间上的差异,使土壤水势的空间分布产生差 异.所以,根系能够间接影响土壤水势,使土壤水势降低.在 土壤水分较为充分时,这种影响对植物吸收水分有利.但在 干旱季节这种影响不利于植物吸收土壤水分.因此,在旱季 通过适当地改变土壤结构与含水率,可使土水势有所提升,保 证植物能够进行正常的生理活动. 参考文献 1柳云龙.低丘红壤作物易早与土壤持水供水特性的关系.浙江大学 ,2002,28(1):42—66 2李援农.均质土壤积水入渗的变化规律及其影响.水土侵蚀与水土 保持,1997,3(3):83—93