第三节 土壤—作物—大气连续体水分运动的概念

土壤、植物和大气中的水分状况和运动是相互制约的，田间水分循环是以土壤、植物与大气构成的一个物理上统一的动态系统为基础的，在这个系统中，各种过程相互关联地进行着。由于水势梯度的存在土壤中水分通过植物根表层、进入根系后，吸收进入植物体内，除部分消耗于植物生长和代谢作用外，大部分通过植物茎，到达叶片，再由叶气孔扩散到宁静的空气层，最后参与大气的湍流交换，形成一个统一的、动态的相互反馈的连续系统。因此，在研究有作物生长条件下农田水分运动时，不仅需要分析农田水分状况和水分在土壤中的运动，还需要考虑土壤水分向根系的运动和植物体中液态水分的运动以及自植物叶面和土层向大气的水汽扩散运动等。田间水分运动是在水势梯度的作用下产生的，各环节之间是相互影响和相互制约的，为了完整地解决农田水分运动问题，必须将土壤—植物—大气看作一个连续体统一考虑。近代文献中将这一连续体称之为SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum，SPAC）系统。

SPAC系统是一个物质和能量连续的系统。在这个系统中，不论在土壤还是在植物体中水分的运动，其驱动力是水势梯度，水流总是从水势高的地方向水势低的地方移动。植物的根系从土壤中吸取水分，经根、茎运移到叶部，在叶部细胞间的空隙中蒸发，水汽穿过气孔腔进入与叶面相接触的空气层，再穿过这一空气层进入湍流边界层，最后再转移到大气层中去，形成一个连续的过程，中间经过了三个环节：第一个环节是土壤中水分向根系运动，并通过根膜吸入植物体内，即根系吸水过程；第二个环节是水在植物体内运移、输送过程；第三个环节是植物体内水分向大气散发过程，如图1-17所示。

由于植物的生长是缓慢的，在一定时间内，植物吸收的水分中很少一部分用于形成植物体本身和消耗于植物的代谢作用，绝大部分消耗于蒸腾。因此，在土壤充分供水条件下，如外界蒸发条件基本保持不变，忽略植株体内储水量的微小变化，可以将流经植物体中的水流看作是稳定流动，即植物叶面的蒸腾强度与植物体内输水速度相等，也与植物根部对土壤水分的吸收速度相等。这样，整个系统中不同部位的水势差将与水流阻力成正比，可近似地用式（1-49）表示：

式中 q——水流通量；

ψ_s、ψ_r、ψ_l、ψ_a——土水势、根水势、叶水势和大气水势，在SPAC 系统中各部位水势的大小顺序是：ψ_s＞ψ_r＞ψ_l＞ψ_a；

R_sr、R_rl、R_la——通过土壤到达根表皮，越过根部通过木质部上升到叶气孔腔，通过气孔蒸腾扩散到周围空气中各段路径的水流阻力。

在水流通量一定时阻抗越大，水势差越大。从土壤到大气总水势差可达数百个10⁵Pa，在干燥的条件下甚至可达1000×10⁵Pa。总水势差中从叶面至大气的水势差最大。SPAC系统中水势分布如图1-18所示。图中曲线1表示土壤较湿（水势较高）的情况；曲线2表示土壤较湿但蒸发强度较大的情况；曲线3表示土壤较干的情况；曲线4表示土壤较干而蒸发强度又较大的情况。

土水势一般为0～-0.2MPa，低至-1.5MPa时，根系吸水就困难。根水势一般最高为-0.2MPa，最低可降至-1.5MPa。茎高每增高1m，茎水势降低0.03～0.04MPa。一般农作物的茎水势约为-0.2～-0.4MPa。正常生长情况下的叶水势一般在-0.6MPa左右。大气的水势特别低，当空气相对湿度为50%左右时，其水势约为-100MPa。由于有这样大的水势梯度，足以使作物体内水分通过叶气孔连接不断地向大气蒸散。叶片失水后，叶水势降低，吸水力增大，作物体内的液态水流就受到一种向上拉的蒸腾拉力，使茎中水分向上输导。同时，茎水势降低，便从根部吸水，将这种拉力传至根部，促使根系进一步从土壤中吸水。这种由上下水势差所产生的蒸腾拉力，可使水分沿树木上升到高大乔木的顶端。

此外，水分子的巨大内聚力，可使上升水柱不被拉断和脱离管壁，从而保持水柱的连续性，这对保证蒸腾拉力使水分上升有很重要的作用。

从图1-18可以看出在SPAC系统中水分运动是比较复杂的。植物能否得到足够的水分供应并不单纯取决于土壤含水率及相应的土壤水势，还取决于土壤的导水性能，植物根系的吸水能力和植物体的输水性能以及大气的状况。在根系吸水速率能够满足蒸腾要求的情况下，植物才可以正常生长，在吸水速率低于蒸腾速率时，由于植物体损失一定的水分，影响正常生长，久而久之将导致植物枯萎。因此，引起植物枯萎的含水率（即所谓枯萎点）并不是一个固定不变的土壤特性常数，而应是在SPAC系统中植物自土壤所吸取的水分不足以平衡大气所需求的蒸腾速率时所需求的土壤含水率。在有植物生长条件下土壤水分运动除如前面所述与土面蒸发和降雨、灌水有关外，还受到根系吸水的影响。

研究SPAC系统中水分的传输过程和规律，有利于了解SPAC系统中水分能量和水流阻力的分布过程及相互反馈关系，并定量地计算出水分通量，为作物水分供需评价的研究提供理论依据，为制定合理的灌溉制度、灌水方法、实施节水灌溉和水分循环研究服务。