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水势定义

水势是指将无穷小量的水从样本输送到纯净自由水的参照池所需的能量（单位水量）。要理解这意味着什么，可以将土壤样本中的水与饮用水杯中的水进行比较。玻璃杯中的水是相对自由的、可利用的；而土壤中的水则被溶质稀释后结合在表面，并受到压力或张力的作用。事实上，土壤水的能量状态与 "自由 "水不同。自由水无需施加任何能量即可获取。而土壤水只能通过消耗能量来提取。土壤水势表示从土壤样本中提取水需要消耗多少能量。

土壤水势是一种差异属性。要使测量具有意义，必须指定一个参照物。通常指定的参照物是土壤表面的纯净自由水。该参照物的水势为零。环境中的水势几乎总是小于零，因为必须增加能量才能将水排出。

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密集变量与广泛变量

水在环境中的流动实际上是一个物理问题，要理解这个问题，我们必须区分密集变量和广泛变量。广泛变量描述的是物质或能量的范围或数量。密集变量描述的是物质或能量的强度或质量。例如，物质的热状态可以用热含量和温度来描述。

这两个变量相关，但并不相同。热含量取决于质量、比热和温度。通过测量热含量，你无法知道如果两个物体相互接触，热量是否会传递给另一个物体。因此，你也不知道这个物体是热还是冷，或者触摸它是否安全。

如果知道密集变量--温度，这些问题就更容易回答了。事实上，虽然测量密集变量和广泛变量都很重要，但通常密集变量能提供更有用的信息。就水分而言，广泛变量是含水量，它告诉您植物组织或土壤中水分的范围或数量。密集变量是水势，它描述了植物组织或土壤中水的强度或质量。通过测量土壤水势，可以很好地回答许多有关水分供应和流动的问题。

水潜力回答了两个关键问题

1.水的流动

水总是从高电位流向低电位。这就是热力学第二定律--能量沿着强度变量的梯度流动。如图 1 所示，水会从能量较高的位置流向能量较低的位置，直到两个位置达到平衡。例如，如果土壤的水势为 -50 kPa，水就会向更负的 -100 kPa 移动，从而变得更加稳定。

2.植物可用水量

液态水从土壤流向根部并通过根部、植物木质部到达叶片，最终在叶片的叶下腔蒸发。这种流动的驱动力是水势梯度。因此，为了让水流动，叶片的水势必须低于土壤的水势。在图 2 中，土壤的水势为-0.3 兆帕，根系的水势稍负一些，为-0.5 兆帕。这意味着根系会将水从土壤中吸上来。然后，水分通过木质部向上移动，再通过叶片流出。而-100 兆帕的大气则是这一梯度的驱动力。

水势测量清楚地表明了植物的可用水量，与含水量不同的是，水势测量有一个简单的参考范围--植物的最适水量从大约 -2-5 千帕（非常潮湿）到大约 -100 千帕（较干燥），处于最适水量的末端。 低于此值，植物将处于缺水状态，超过 -1000 千帕，植物就会开始缺水。 根据植物的不同，水势低于 -1000 至 -2000 千帕会导致植物永久性枯萎。

表 1 列出了某些类型作物的简易参考表。 当植物保持在这一水势舒适度范围内时，就不会受到压力，产量也会更高。

灌溉人员和科学家将水势传感器与含水量传感器结合使用，以了解植物的水分供应情况。在图 3 中，您可以观察到含水量下降的位置，以及植物开始承受压力的百分比。 还可以识别出土壤中的水分何时过多：含水量高于水势传感器开始感知植物压力的位置。 利用这些信息，研究人员可以确定植物的最佳含水量范围为 12% 至 17%。 任何低于或高于该范围的情况都属于水分过少或过多。

要进一步了解土壤水分潜力如何指示植物的水分供应情况，请阅读 "何时浇水？双重测量揭开神秘面纱 "和 "为什么土壤水分传感器不能告诉您需要知道的一切？

水势名称、范围和单位

图 4 说明有不同的水势仪可以测量不同的范围。观看视频，了解如何将 METERLABROS 仪器组合起来测量土壤水势的全部范围。在此了解有关如何测量水势以及哪些仪器用于何种目的的更多信息。

水势成分

总水势是四个不同组成部分的总和。

• 介电势： 水与表面的结合力
• 渗透电位：与水中溶质结合
• 重力势能：水在重力场中的位置
• 压力：水的静水压力或气压

水势通常被称为水张力、土壤吸力和土壤孔隙水压力。我们通常使用压力单位来描述土壤水势，包括兆帕 (MPa)、千帕 (kPa)、巴和米水压 (_mH2O)、厘米水压 (_cmH2O) 或毫米水压 (_mmH2O)。

水势实际上是用单位质量的能量来衡量的，因此官方单位应该是每公斤焦耳，但如果考虑到水的密度，单位就变成了千帕斯卡，因此我们通常用压力单位来描述水势。

如何计算水势

土壤水势是四个不同组成部分的总和：重力水势 + 基质水势 + 压力水势 + 渗透水势（公式 1）。

就土壤而言，母势是最重要的组成部分，因为它与附着在土壤表面的水分有关。在图 5 中，是母势产生了附着在土壤颗粒上的水膜。当水从土壤中排出时，充满空气的孔隙会变大，随着母势的降低，水会更紧密地与土壤颗粒结合在一起。

入学潜力

产生母势的原因是水通过氢键和范德华力被大多数表面所吸引。土壤由小颗粒组成，提供了大量能与水结合的表面。这种结合力在很大程度上取决于土壤类型。例如，沙质土壤的颗粒较大，提供的表面结合点较少，而淤泥质土壤的颗粒较小，提供的表面结合点较多。

观看下面的视频，直观了解母电势的作用。

下图显示了三种不同类型土壤的水分释放曲线，说明了表面积的影响。含水 10% 的沙土具有较高的母势，生物和植物很容易获得水分。淤泥质壤土含水量为 10%，母势要低得多，可利用的水分要少得多。

母势始终为负或零，是非饱和状态下土壤水势的最重要组成部分。

土壤水分动力工具

土壤水分释放曲线（土壤水特征曲线）说明了水势和含水量之间的关系，就像物理指纹一样，对每种土壤类型都是独一无二的。在研究中利用它们来了解和预测特定土壤中水的命运。水分释放曲线可以回答一些关键问题，例如：水分是会迅速从土壤中排出还是会滞留在根部？它们是用于预测植物吸水、深层排水、径流等的强大工具。

点击此处了解更多有关水分释放曲线以及土壤水势和土壤含水量之间关系的信息。或观看下面的视频。

张力计和TEROS 21都是土壤水势传感器，可在田间测量母势。

要了解哪种田间水势传感器适合您的应用，请阅读 "哪种土壤传感器最适合您？或观看 Colin Campbell 博士的网络研讨会 "水势 201：选择合适的仪器"，内容包括水势仪器理论，包括测量水势的挑战以及如何选择和使用各种水势仪器，如张力计、TEROS 21、 WP4C, HYPROP等。

渗透电位

渗透势描述了溶解在水中的溶质对水的稀释和结合作用。这种渗透势也总是负的。

只有当存在阻止溶质通过的半透屏障时，渗透势才会对系统产生影响。这在自然界中其实很常见。例如，植物根部允许水通过，但会阻挡大部分溶质。细胞膜也会形成一个半渗透屏障。一个不太明显的例子是空气-水界面，水可以以气相的形式进入空气，但盐分会被留在空气中。

如果知道水中溶质的浓度，就可以通过下式计算渗透势

其中，C是溶质浓度（摩尔/千克），ɸ是渗透系数（大多数溶质为-0.9 至 1），v是每摩尔离子数（NaCl= 2，_CaCl2= 3，蔗糖= 1），R是气体常数，T是开尔文温度。

渗透势始终为负或零，在植物和某些受盐影响的土壤中非常重要。

引力潜能

重力势能是由于水在重力场中的位置而产生的。重力势可以是正的，也可以是负的，这取决于你所处的位置与土壤表面纯净的自由水的特定参照物的关系。重力势为

其中， G是重力常数（9.8 m s-²），H是参考高度到土壤表面（指定高度）的垂直距离。

压力潜能值

压力势能是施加或拉动水体的静水压或气压。这是一种更宏观的效应，作用于整个系统的较大区域。

在自然环境中，有许多正压潜能的例子。例如，任何地下水的表面下都存在正压。当你游入湖泊或水池时，就能亲身感受到这种压力。同样，当您移动到地下水位以下时，也会产生压头或正压势。植物的凝固压和动物的血压也是正压势的两个例子。

压力势能的计算公式为

其中，P是压力（_帕），_PW是水的密度。

虽然压力势通常是正的，但也有一些重要的情况并非如此。其中一个例子是在植物中，木质部的负压势将水从土壤中吸上来，通过根部进入叶片。

水势和相对湿度

水势和相对湿度通过开尔文方程相关联。如果您知道温度和湿度，就可以使用该方程计算水势

其中，Ψ是水势（兆帕），_HR是相对湿度（无单位），R是通用气体常数（8.3143 J ^mol-1K^-1），_MW是 水的质量（18.02 克/摩尔）， T是开尔文温度。

什么是水势？需要记住的要点

水势

• 描述水在环境中的能量状态
• 确定生物可获得的水量

要点

• 水总是从高电位流向低电位
• 这就是热力学第二定律--能量沿着强度变量的梯度流动

掌握基础知识

在本次网络研讨会中，道格-科博斯博士将区分水势和含水量，并讨论水势的理论、应用和关键组成部分。