土壤-植物-大氣連續體

土壤-植物-大氣連續體

正文

水分在土壤、 植物、 大氣三者之間不斷遷移的系統。這一水分遷移系統最早為澳大利亞學者J.R.菲利普於1966年命名為土壤-植物-大氣連續體，簡稱為SPAC系統。
SPAC系統中的水分遷移，首先是液態水自土壤向植物的根表皮運移，然後穿過根的表皮、皮層、內皮層到達木質部的導管，再沿莖、葉的導管而達葉細胞，接著在葉細胞間隙和氣孔腔的壁面上發生液態水轉化為汽態水的散發，所散發的水汽主要通過葉面上的氣孔擴散到鄰近葉面的靜止空氣邊界層，再經空氣紊流擴散作用散失到大氣中。
研究SPAC系統中水分遷移的基礎是水勢理論。水勢ψ 是單位數量的水所具有的勢能。一般情況下，它由重力勢ψg、壓力勢ψp、基質勢ψm和溶質勢ψs等組成。重力勢是由於重力場的存在而引起的。將單位數量的水分從某一點移動到所定的參考平面處，水分所做的功即為該點水分的重力勢。壓力勢是由於壓力場中壓力差的存在而引起的。若SPAC系統中某一點的水分所受壓力不同於參考狀態下的大氣壓，將該點水分移至參考狀態時，因附加壓強的存在，水分所做的功即為該點水分的壓力勢。SPAC系統中的基質勢是由於基質(土壤或植物細胞)對水分的吸持作用引起的。單位數量的水分由非飽和土壤中的某一點移至參考的自由水狀態，水分所做的功(負值)即為該點水分的基質勢。溶質勢是水溶液中所有形式的溶質對水分綜合作用的結果。單位數量的水分從SPAC系統中一點移動到參考的純水狀態時，水分所做的功（負值）即為該點水分的溶質勢。SPAC系統中水分在不同的介質中運移，各個分勢所起作用大小是不同的，因而水勢可由不同分勢組合。在土壤中,水勢ψ主要由重力勢ψg和基質勢ψm組成;在植物體中,水勢ψ由溶質勢ψs（滲透壓的負值）和壓力勢ψp（膨壓）組成；大氣中的水勢ψ為其壓力勢ψp（水汽壓）。
水分總是自發地由水勢高處向水勢低處運移。SPAC系統中任意兩點間的水勢差正是克服介質阻力造成水分運移的驅動力。水分運移的通量和水勢差成正比，和介質的阻抗成反比。這一水分運移的特徵，在恆定流動狀態下，可簡單地表示為：

式中q為水分運移通量； Δψ1為土壤至根表皮的水勢差；Δψ2 為根表皮到根的木質部（常以根系匯集處，即根莖處為準）導管的水勢差；Δψ3 為根的導管到葉細胞的水勢差；Δψ4 則是葉面和大氣間的水勢差；R1為土壤對其中水分動移的阻力；R2為根組織的阻力，一般又可分解為由根表皮到根導管的滲透(或吸收)阻抗和沿導管的傳導阻力；R3為植物莖、葉導管的傳導阻力；R4為自葉面向大氣的水汽擴散阻力。一般說來，水在土壤中的阻力比在植物中的阻力要大。最大的阻力是從葉部轉移到大氣這一段。SPAC 系統中各段水勢差的數量級是：Δψ1≈106Pa，Δψ2≈106Pa ，Δψ3≈106Pa ，Δψ4≈5×107Pa。一定數量的液態水蒸發為氣態水，必須消耗一定數量的汽化潛熱。因此，研究SPAC系統中水分由植物葉面向大氣擴散時，除了考慮水勢差的作用外，還應考慮包括太陽短波輻射、地表長波輻射等在內的能量(或熱量)的轉化與平衡。
由於植物根系在土壤中的錯綜分布及植物組織的複雜構造，用純理論的方法定量地研究SPAC系統中水分遷移是困難的。目前，只能用半理論、半經驗的方法分析每單位地表面積上單位時間內植物所蒸騰的水量（蒸騰強度或蒸騰率）和大氣條件、植物生長狀況及土壤水分之間的關係。

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