第三节 土壤水的水力特性

土壤水由于受各种力的综合作用，保持在土壤孔隙中，或在其中运动。本节从能量关系的观点出发，分析土壤水在各种力的作用下所处的能量状态，用土壤水与能量的关系，解释土壤水及其运动特性。

一、毛细现象及毛管水运动

土壤是一个多孔体，土壤颗粒间的孔隙可以看成是一束不同直径的毛管。当水与毛管接触时，由于管壁对水分子的吸附力大于水分子之间的内聚力，在毛管中可以形成凹形的弯月面。例如，当一束毛细管插入水中时，水便湿润毛细管壁并沿毛管上升到一定的高度，毛细管的管径愈小，水上升愈高，这就是毛细现象。由于液体表面在管内形成弯月面，使液体表面变大，因受表面张力和收缩的作用，使液面又趋向水平，管内液体就随着上升，以减少面积。这样，直到表面张力向上的拉引力与毛管内升高的液柱重量达到平衡时，管内的液体停止上升。毛细管内保持的水分称为毛管水，保持这些水分的力则称为毛管力。

毛管水运动是指土壤毛管水在毛管力和重力的作用下，向毛管形成的弯月面的圆心方向移动，也就是向土壤中含水率较低的方向移动。即毛管水的运动主要决定于毛管力而不是重力，它在土壤中的运动总是由毛管力小的地方向毛管力大的地方移动。

毛管上升高度H的近似公式为

式中：H为毛管上升高度，cm；r为毛管半径，cm。

上式表明，毛管上升高度与毛管半径成反比，即毛管愈细，上升愈高。在自然条件下，由于各种不同大小的毛管交织在一起，其上升高度比公式所给数值要小得多。H是某个毛细管的特征，是以水头表示的毛管力，即是单位面积上的毛管力作用水头。还必须注意毛管力的作用方向，是由液体指向气体。由于毛管弯月面位置方向不同，毛管力可以指向任何方向。土壤孔隙是不规则和变化的，并且互相串通，所以毛管孔隙水头是极不均一的。但是，对于某个特定土壤，有一个平均的毛管上升高度H，它表示这种土壤的毛管特性。因而，土壤的质地、结构和紧密的程度直接影响着孔隙的大小和分布，决定了土壤毛管水的运动特性。若土壤含水量相同，在砂土中，孔隙大，则毛管上升高度小，上升速度快；在黏土中则相反，上升高度大而速度非常缓慢，甚至要数年才能稳定；壤土介于二者之间。

二、土壤水分势

由于土壤水的复杂多变特性，为描述土壤水在非饱和与饱和状态下的运动，需引入能量的概念。土壤水和自然界中其他物质一样，含有不同形式和不同数量的能量。由物理学可知，机械能包括动能和势能两种。但对土壤水运动来说，由于其运动速度很慢，因此土壤水的动能常可忽略不计。故一般就用势能来表示土壤水的能量。或者粗略地说，土壤水的能量就是指土壤水的势能，简称为土水势。势能是指单位质量的物体从一点移动到另一点所需做的功。土水势的定义可表述为：在土壤和水的平衡系统中，将单位质量的水移动到标准参照状态的纯自由水体所做的功。所谓标准参照状态，是指一定高度处、某一特定温度（常温或与土壤水相同温度）下，承受着1个标准大气压或当地大气压的状态。在此，规定纯自由水的水势为0。因此，土水势实际上是与参照状态的水势差，而不是绝对值。

土水势在土壤水运动的研究中具有什么意义呢?物理学中指出，势能作为一种功，它等于作用在物体上的力和物体在力的方向上移动距离的乘积，即

式中：ψ为势能；F为作用力；x为移动距离。

而两点之间的势能差可视为力和距离增量的乘积，或者

因此两点之间的势梯度就相当于作用力。式（5-15）中的负号表示作用力的方向总是指向势能减少的方向。对土壤水运动而言，上式指出了土水势梯度与土壤水分作用力之间的关系。

土壤水受到若干力的作用，这些力都不同程度地改变了土壤水的能量状态，因此总水势是由各种力产生的分势的总和，即土水势可相应地划分为基质势、压力势、重力势和溶质势等。

1.基质势（ψ_m）

土壤颗粒与水分子之间存在着分子引力或吸附力，土壤的毛管孔隙又对水有着毛管力作用，这种毛管力和吸附力将水分束缚在土壤中，为了克服这种吸持作用，将土壤水移动到标准参照状态（自由水，无束缚），必须对土壤水做功，称为土壤水的基质势，也称为基膜势。基质势一般为负值。在实际使用时，为了方便，将基质势的绝对值定义为土壤水的吸力，常用Ψ表示。基质势的大小与土壤的含水率密切相关。干燥的土壤中，含水率最小，土壤颗粒与水分子之间的作用力最小，基质势也最小（吸力最大），随着土壤含水率的增加，基质势逐渐增大（吸力逐渐减小），当含水率达到饱和含水率时，其基质势和吸力均为0。

基质势可用毛管上升高度的负值来表示。毛管上升高度越大，基质势就越低。由于毛管上升高度与土壤含水量有关系，所以基质势是土壤含水量的函数。在自然状态下，基质势可直接用张力计测量，在实验室，除张力计外，常用压力薄膜仪测量。

2.压力势（ψ_p）

当土壤水未达到饱和时，通常土壤孔隙与大气相通，土壤水分所受的压力为大气压，其压力势为0。当土壤水处于饱和状态或地面出现积水，此时，土壤水处于高于大气压的静水压力条件下，由此压力对土壤水分所做的功称为压力势。对于体积为V的土壤水分，其压力势可表示为

式中：V为土壤水的体积，m³；Δp为土壤水所受压力与参考面的压力差，N/m²。

对于处于自由水面以下或土面有积水的土壤水，通常压力势为正。

3.重力势（ψ_g）

重力势是由于重力的作用而引起的，是指在其他条件不变的情况下，将单位数量的土壤水分从某一点移动到参考面处对土壤水所做的功。重力势的大小与土壤水分相对于参考面的位置有关。通常，参考面的位置可任意选取，也可根据实际情况选在地表或地下水面处，其正方向可选向上或向下。这样，某一点的土壤水的重力势可表示为

式中：Z为相对于参考面的高度，m；mg为土壤水的重量，kg·m/s²。

若以单位重量的水为研究对象，则重力势可直接用高度Z来表示，即

4.溶质势（ψ_s）

土壤水分一般为溶液，土壤水溶液中的溶质离子和水分子之间存在作用力，从而使得土壤水的自由能小于参考状态下的纯水自由能。将单位数量的水分由土壤中某一点移动到标准参考状态时，由于水溶液中溶质的作用而使土壤水所做的功称为土壤水分的溶质势。溶质势的大小与溶质的数量有关。溶质势一般为负值，即ψ_s&lt；0。一般土壤中可以不考虑溶质势，但对于一些含盐分较高的盐碱地，在分析植物根系的吸水时，则需要考虑溶质势。溶质势可用测量溶液水汽压的湿度计法测定，或根据电导法测量的土壤溶液的电导率来间接求得。

5.总水势

根据以上各分势，总水势为

由于溶质势一般可以忽略不计，因此，总水势可简化为

如果将饱和土壤和非饱和土壤分开考虑，则非饱和土壤中主要为基质势和重力势，其总水势为

在饱和土壤中，基质势消失，主要存在重力势和压力势，其总水势为

总水势只有大小而无方向，而水势梯度则是向量，总水势增加的方向为正。每种物质都要力图达到与其周围平衡的趋势，因此，水总是从总水势高的地方流向总水势低的地方，且水流运动的方向总是与水势梯度的方向相反。

【例5-1】有一U形土柱，一端浸在水槽中，如图5-4所示。水槽水面不变，且土柱无蒸发，土柱内也无水分运动。已知土柱A、B、C、D、E、F各点总水势为15cm，试确定各点的基质势。

解：取水槽底为参考状态，则计算结果如下表所示。

【例5-2】有两个不同的土壤剖面，均为表层干燥、下层湿润。实测得出A点的基质势ψ_mA=-120cm，B点的基质势ψ_mB=-80cm，C点的基质势ψ_mC=-300cm，D点的基质势ψ_mD=-80cm。A、C两点与下参考面的距离均为200cm，B、D两点与参考面的距离均为100cm，如图5-5所示。试分析两个不同土壤水分剖面中的水流方向。

解：设参考面的土水势为0，则A、B、C、D各点的重力势分别为各点距参考面的高度，因此各点的总水势分别为：

ψ_A=ψ_mA+ψ_gA=-120+200=80（cm）

ψ_B=ψ_mB+ψ_gB=-80+100=20（cm）

ψ_C=ψ_mC+ψ_gC=-300+200=-100（cm）

ψ_D=ψ_mD+ψ_gD=-80+100=20（cm）

由于水是由总势高的地方向总势低的地方流动，因此土壤剖面中的水是从A点流向B点，由D点流向C点。

实际上不论任何形态的土壤水，都必然受到重力的作用，只不过重力在其总作用势中所占的比例不同罢了。而对于溶质势，因土壤中不存在半透膜，故而两点土壤之间即使有溶质势差，也不会起驱动水分的作用，故在分析土壤水分运动的总水势时，常常只有重力势、压力势、基质势3项。综上所述，对于描述土壤水运动来讲，应掌握以下要点：

（1）一般可不考虑溶质势。

（2）在非饱和土壤中，土水势主要由基质势和重力势组成；而在饱和土壤中则只存在重力势和压力势。但是，在研究盐碱地及土壤—植物水分关系时，应考虑溶质势的作用。

（3）土水势只有大小而无方向。

（4）土水势梯度的方向规定为指向土水势增加的方向。

（5）土壤水总是从总土水势高的地方向低的方向运动，所以土壤水运动的方向与土水势梯度的方向相反。

三、土壤水分特性曲线

在土壤水动力学中，把基质势的负值称为吸力Ψ，所以吸力总是正值。前已提及，基质势是土壤含水量的函数，因此吸力也是土壤含水量的函数。当土壤含水量为零，即干燥土壤时，吸力最大；随着土壤含水量的增加，吸力减小；当土壤含水量达到饱和时，吸力变为零。吸力与土壤含水量的关系称为土壤水分特性曲线，如图5-6所示。土壤水分特性曲线是研究土壤水运动的一项重要基本资料。

获得土壤水分特性曲线Ψ—θ可以有两种做法：其一是从干燥土壤开始，在土壤吸水过程中测定；其二是从饱和土壤开始，在土壤脱水过程中测定。实验证明，以上两种做法得出的Ψ—θ不是同一条曲线，见图5-6。在脱水过程中测定的Ψ—θ曲线位于上方，在吸水过程中测定的Ψ—θ曲线位于下方，两条曲线首尾大体重叠，但中间差别明显，犹如一个绳套。这一现象称为滞后作用。滞后作用清楚地表明，同样的吸力，在脱水和吸水两个过程中土壤所能吸持的水分是不同的。脱水过程吸持的水分要大于吸水过程吸持的水分，或者说，在一定的土壤含水量时，脱水过程中土壤的吸力要大于吸水过程中土壤的吸力。在自然条件下，下渗就是吸水过程，土壤蒸发就是脱水过程。

土壤水分特性曲线及其滞后现象的程度受到土壤质地和结构的明显影响。砂质土壤孔隙较大，施加较小的吸力就能从土壤中排出水分，大孔隙排空后，仅有少量的水存留在土壤中。黏质土壤，孔径小而分布均匀，以薄膜的形式吸附的水分多，要施加很大的吸力才能从土壤中排出水分。其次，温度变化和土壤中水分的变化过程对其都有明显的作用。