(二)土壤水的能态

1．土水势及其分势

土壤中水分的保持和运动，及其被植物根系吸收、转移以及在大气中的散发都是与能量有关的现象。像自然界其他物体一样，土壤水分具有不同数量和形式的能量。土壤学中将土水势定义为：单位数量土壤水的自由能与标准状态水的自由能的差值，为一负值。土壤水总是由土水势高处流向土水势低处。同一土壤，湿度愈大，土壤水能量水平愈高，土壤水势也愈高。土壤水便由湿度大处流向湿度小处。但是不同土壤则不能只看土壤含水量的多少，更重要的是要看它们土水势的高低，才能确定土壤水的流向。例如，含水量为15％的黏土其土水势一般低于含水量只有10％的砂土。如果这两种土壤相互接触时，水流将由砂土流向黏土。

在土水势的研究和计算中，一般要选取一定的参考标准。土壤水在各种力如吸附力、毛管力和重力等的作用下，与同样温度、高度和大气压等条件的纯自由水相比(即以自由水作为参比标准．假定其势值为零)，自由能必然不同，这个白由能的差用势能来表示即为土水势(符号为(φ)。

由于引起土水势变化的原因或动力不同，所以上水势包括若干分势，如基质势、压力势、溶质势、重力势等。

1)基质势(φ_m) 在不饱和的情况下，土壤水受土壤吸附力和毛管力的制约，其水势自然低于纯自由水参比标准的水势。假定纯水的势能为零，则土水势是负值。这种由吸附力和毛管力所制约的土水势称为基质势(φ_m)。土壤含水量愈低，基质势也就愈低。反之，土壤含水量愈高，则基质势愈高。至土壤水完全饱和时基质势达最大值，与参比标准相等，即等于零。

2)压力势(φ_p) 土壤水在饱和状态下呈连续水体，除承受大气压外，还要承受其上部水柱的静水压力。以大气压作参比标准(压力势为零)，其水势与此之差，即为压力势(φ_p)。由于压力势大于参比标准，故为正值。在不饱和土壤中，土壤水的压力势一般与参比标准相同，等于零。但在饱和的土壤中孔隙都充满水，并连续成水柱。在土表的土壤水与大气接触，仅承受大气压，压力势为零。在饱和土壤愈深层的土壤水，所受的压力愈高，正值愈大。

3)溶质势(φ_s) 是指由土壤水中溶解的溶质而引起土水势的变化，也称渗透势，一般为负值。土壤水中溶解的溶质愈多，溶质势愈低。在饱和及不饱和情况下，土壤水都有溶质势存在，但其中的溶质极易随水运动而呈均匀状态分布，所以溶质势对土壤水运动影响不大。

4)重力势(φ_g) 是指由重力作用而引起的土水势变化。土壤水都受重力作用，与参比标准的高度相比，高于参比标准的土壤水，其所受重力作用大于参比标准，故重力势为正值。高度愈高则重力势的正值愈大。参比标准高度一般根据研究需要而定，可设在地表或地下水面。

5)总水势(φ_t) 土壤水势是以上各分势之和，又称总水势(φ_t)，用数学表达为：

φ_t＝φ_m＋φ_p＋φ_s＋φ_g     (2-2)

在不同的土壤含水状况下，决定土水势大小的分势不同：在土壤水饱和状态下，若不考虑半透膜的存在，则φ_t等于φ_p与φ_g 之和；若在不饱和情况下，则φ_t。等于φ_m与φ_g之和；在考察根系吸水时，一般可忽略φ_g，因为根吸水表皮细胞存在半透膜性质，φ_t等于φ_m与φ_s之和，若土壤含水量达饱和状态，则φ_t，等于φ_s。

应当注意，土水势的值并非绝对示值，而是与参比标准的差值，故在根据各分势计算φ_t时，必须分析土壤含水状况，且应注意参比标准及各分势的正负符号。

2．土水势的定量表示

土水势的定量表示是以单位数量土壤水的势能值为准(最常用的是单位容积和单位重量)。单位容积土壤水的势能值用压力单位，标准单位帕(Pa)，也可用千帕(kPa)和兆帕(MPa)，习惯上也曾用巴(bar)和大气压(atm)表示；单位重量土壤水的势能值则用静水压力或相当于一定压力水柱高度的厘米数(cmH₂O)表示。它们之间转换关系为：

1 Pa=0.0102 cmH₂O

1 atm＝1033 cmH₂O=1.013 3 bar

1 bar=0.989 6 atm=10₂0 cmH₂O

为了简便起见，也有用土水势的水柱高度厘米数(负值)的对数表示，称为pF。例如土水势为-1000 cm水柱，则pF=3。土水势为-10000 cm水柱，则pF=4。这样可以用简单的数字表示很宽的土水势范围。

3．土壤水吸力

土壤水吸力是指土壤水在承受一定吸力的情况下所处的能态，简称吸力，但并不是指土壤对水的吸力。上面讨论的基质势φ_m和溶质势φ_s一般为负值，在使用中不太方便，所以将φ_m和φ_s的相反数(正数)定义为吸力(S)，也可分别称为基质吸力和溶质吸力。由于在土壤水的保持和运动中，不考虑φ_s,所以一般谈及的吸力是指基质吸力，其值与φ_m相等，但符号相反。

吸力同样可用于判明土壤水的流向，土壤水总是有自吸力低处向吸力高处流动的趋势，但具体运动方向还需考虑其他作用力(或能量驱动)。

土壤水吸力的范围，大致可分为三段，即低吸力段(吸力值＜1×10⁵ Pa)、中吸力段(吸力值为1×10⁵～1.5×10⁶Pa)和高吸力段(吸力值＞1.5×10⁶ Pa)。而1.5×10⁶ Pa以下的中、低吸力段正相当于植物有效水范围。

近年来，土壤水吸力的测定有很大的进展，己发展了许多方法。如离心机法可测定低、中和高吸力段；压力膜法可测定低、中吸力段；真空表张力计法、U形汞柱型张力计法和土壤水吸力测定仪法等可测定低吸力段。其中又以张力计法为测定基质吸力的常用方法。

相关链接：土壤水的物理形态和能态（一）