土壤水动力学参数及影响因素分析

宋城业

[摘要]土壤水是农作物生长的主要水源，也是开展农业生产的必备条件之一。分析土壤水的动力学参数以及相关影响因素对土壤水的水分调控和高效率利用具有重要意义。

[关键词]土壤水;动力学参数;影响因素;分析

[中图分类号]S152

[文献标识码]A

土壤水是水资源的一个不可或缺组成部分，高效率利用土壤水受到有关人员的高度重视。有关数据显示，土壤水动力学参数受到以下几个因素的影响：其一，土壤孔隙度;其二，土壤质地。相关文献报道，还有学者在分析土壤水动力学参数的相关影响因素之外，建立了土壤水动力学基本方程、土壤水参数估计模型以及土壤水热运动模型等，以期阐述清楚土壤水的主要动力学参数特点，为我国农业生产提供相关数据参考。

1 国内外土壤水的有关研究分析

1.1 国内土壤水的有关研究

我国有关土壤水的形态学研究理论（以罗戴为代表）在20世纪中期兴起，该理论传人我国之后对我国的土壤水研究起到较大助推作用。第一次土壤水物理学术讨论会在杭州举行，土壤水能量的有关概念首次进入到我国广大人民群众的视线内，逐渐转变土壤水分的有关研究观念——从定性的形态学观点逐渐转变成定量的连续能量观念。20世纪80年代初期有关人员引入将土壤、植物和大气看作一个连续整体观念，利用水势将能量指标建立在不同介质之间，为土壤水以及农作物和生态环境之间做协调研究挖掘出新的路径。20世纪80年代后，随着国内外的土壤水研究交流逐渐增多，我国对土壤水的理论研究和实验研究逐渐取得长足发展，与此同时出现一些关于土壤水研究的著作，如《土壤水动力学》《地下水与土壤水动力学》《土壤水分通量法实验研究》《土壤水热运动模型及其应用》《土壤一植物一大气连续体水分传输理论及其应用》等。国内土壤水分的有关研究在互联网技术发展的基础上而发展，尤其是求解基本方程归功于计算机技术的应用，使得复杂的问题能够通过数学实验方法加以求解。

1.2 国外土壤水的有关研究

国外关于土壤水的有关研究历史较为悠久，最早出现的理论是达西定律，经历了从经验到理论、从静态到动态的发展过程。19世纪70年代，国外学者提出毛管假说，将组成土壤空隙的孔道看成是毛细管，认为土壤保持水分的重要原因是表面具有张力。20世纪初，国外学者提出毛管观念，与此同时将能量学的有关概念引入到土壤水研究之中，为今后土壤水的研究提出新的路径。有学者在毛管观念基础上提出土壤水入渗模型，该观念认为水势主要根据含水量来决定，将不同形态的土壤水以及与土壤水相关的能量观念密切联系起来。20世纪中期，有学者发明出张力计，张力计可直接检测出土壤毛管势。国外学者在达西定律基础上推导出非饱和流方程，使得数学物理方法被逐渐引入到非饱和的土壤水研究之中，不断推动了土壤水的研究。虽然土壤水的研究在理论上以及实际应用上具有重要作用，但是由于土壤水本身较为复杂以及受到时间因素和空间因素影响，所以在很长一段时间内无法量化土壤水中的水分运动，土壤水的研究处于定性描述阶段中。20世纪60年代后，土壤水势的概念被广泛应用。关于土壤水形态学的有关概念逐渐被能量学观念所取代，使用热力学函数表达土壤水分的形式日益备受关注。20世纪80年代后，土壤水分的数值模拟模型在互联网发展的基础上而发展，美国召开关于土壤水力性质评估的会议，讨论如何采用间接方法来评估非饱和土壤水力学特点。《土壤水文学》著作的出版使得土壤水的有关研究日益成熟且成为一门独立的学科，随着各个学科之间的渗透以及互联网技术的发展，土壤水的有关研究在深度上以及广度上均取得较大成果。

2 简要分析土壤水动力学参数

土壤水动力学参数主要有：其一，土壤水分常数;其二，土壤水分特征曲线;其三，土壤饱和导水率;其四，土壤水分扩散率。土壤水动力学参数充分反映出土壤水的蓄集能力、导水性质、供水能力等，土壤水动力学参数受到土壤结构、有机质含量以及土壤质地等因素影响，最终导致土壤水的水分数量和运动情况受到相关影响。

2.1 土壤水分常数

土壤水分常数能够客观反映出土壤水分被植物吸收和利用的数量以及程度，对土壤水的运动状况具有重要指导效果。土壤水分常数主要包括：其一，土壤最大吸水;其二，毛管断裂含水量;其三，田间持水量;其四，凋萎系数;其五，饱和含水量。一般情况下，土壤水分常数数值大小用含水量大小来表示。土壤吸湿水主要指的是土壤颗粒在土粒吸附力的作用下吸持空气中的水分，最大吸湿水主要指的是在饱和空气条件下能够达到土壤颗粒稳定时的最大吸持含量。此时水分子被紧紧吸附在土粒表面上，属于无法被农作物利用的无效水，但是最大吸湿水能够作为水利建设的土壤水文常数。当土壤中的水分出现严重不足且无法被农作物所吸收的情况时，农作物出现永久凋萎状态的土壤含水量被称之为凋萎系数。土壤凋萎系数在农业生产的实践过程中占据重要作用，是估算农作物水分基本需求以及模拟土壤水分的重要参考数据，与此同时也是评价土壤生产力以及土壤质量的重要参考指标。当土壤达到凋萎含水量时，土壤水的主要状态为吸湿水。有关研究显示，凋萎含水量与土壤最大吸湿水之间存在明显相关性。饱和含水量主要指的是土壤所有孔隙均被水填满，土壤水处于饱和状态下。饱和含水量也被称之为最大持水量，土壤水的吸力为0，一般情况下土壤水的饱和含水量越大，土壤水分保持的能力将越强。饱和含水量也是农业生产过程中的水分特征参数，尤其是在降水量比较多的地区。毛管断裂含水量主要指的是毛管悬着水因为植物吸收水分逐渐减少，较粗的毛管排空土壤水的连续性，使得毛管水运动中断土壤水量。毛管断裂含水量是田间持水量的61%-75%左右，植物吸收利用土壤水困难增加且生长受到严重限制。田间持水量不受地下水影响，主要指的是土壤中毛管悬着水达到最大值时的含水量，主要包括：其一，毛管悬着水;其二，薄膜水;其三，吸湿水。诸多学者认为，田间持水量是进行田间排灌沟渠设计的重要参考指标，对控制田间水分的平衡产生重要作用。有关研究显示，土壤水吸力在33kPa时的含水量则被称之为田间持水量，也有学者认为田间持水量的实测值在土壤水吸力达到IOKPa时便可以。以东北黑土区为例，土壤质地以及土壤结构比较好的田间持水量比较高。不同土层以及不同土壤的田間持水量也不尽相同，以辽宁省为例，超高产土壤的田间持水量高于下层，土壤持水能力越强，那么对农作物所需的水分供应越好。

2.2 土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线主要指的是土壤基质势与含水量之间的函数关系曲线，是土壤动力学参数的基本指标，能够有效反映出土壤水的能量与数量指标之间关系。土壤水分特征曲线能够帮助分析土壤的有效性和持水性，对研究土壤水分的保持具有重要作用。由于土壤质地不同以及组成结构不同，所以对土壤水分特征曲线的影响表现也不同。随着数值模拟方法的深入研究，发现土壤水分特征曲线模型逐渐成为预测土壤水分运动的不可或缺手段之一。国内外有关学者对土壤水的试验数据加以拟合，建立以下几种土壤水分的经验模型：其一，幂函数;其二，指数关系;其三，误差函数;其四，双曲线余弦函数。例如，黑土的土壤水分特征曲线使用幂函数表达效果比较理想。在0kPa-100kPa吸力范围内，土壤能够释放出数量，主要是因为空隙分布起到相关作用，主要受到的影响是土壤结构;在超过100kPa吸力范围内，土壤水的保持能力主要由土粒的吸附作用而决定，受到土壤质地因素影响。肥力比较高的土壤水分特征曲线在0kPa-100kPa吸力范围内，曲线斜率比较缓，而在超过100kPa吸力范围内的曲线斜率比较陡，因此说明土壤能够保持比较多的水分，上述结果的出现与土壤孔隙分布比较平均以及与土壤孔径比较小密切相关。土壤持水能力的高低在土壤水分特征曲线上表现出：曲线的高低（也就是说持水能力越强曲线就越高，持水能力越弱则说明曲线越低）。20世纪80年代，国外学者提出用土壤容重和土壤颗粒所组成的资料分析土壤水分特征曲线方法，由于土壤颗粒的大小以及有机质含量和容重等相关指标较易获得，所以国内外诸多学者利用计算机技术建立了土壤物理指标模型，如参数估计模型、物理经验模型。总而言之，土壤水分特征曲线模型的建立能够深入研究土壤水分的持水性能，继而深刻认识到土壤水分特征的相关因素影响。比水容量数值随着土壤吸力的增大而减小，比水容量是土壤水分运动的重要指标。单位吸力变化中的一定质量土壤能够释放出植物利用水量，因此说明土塘水分的有效性和供水能力大小，作为评价土壤耐旱性的主要指标。土壤水分特征的曲线是变化的，随着不同吸力范围内，其土壤水分特征曲线变化也不尽相同。土壤饱和导水率主要指的是当土壤孔隙全部被水充满后，单位势梯度下单位时间内所通过的单位土壤横截面水流体积;一方面是土壤导水率的最大值，另外一方面也是评价导水特性的主要参考指标。有关资料显示，不同的土地利用方式下，土壤饱和导水率随着土层深度的加深而逐渐减小。土壤饱和导水率受到有机质含量以及土壤质地等因素相关，尤其是土壤空隙比较大时会增加土壤的导水性能，土壤饱和导水率随着土壤有机质含量的增加而增加。

3 土壤水动力学参数的主要影响因素分析

3.1 土壤孔隙度

土壤孔隙度是衡量土壤物理质量的不可或缺指标之一，主要指的是土壤全部空隙的容积与土壤总容积的百分比。土壤的孔隙分布情况和孔隙大小能够影响到土壤水的转移和储存，一般情况下，土壤总孔隙度越大，土壤的容重就越小，土壤的水分保持能力日益增强，最终显著提高土壤水分的有效性。土壤孔隙性能也受到土壤结构影响，土壤结构良好则说明土壤的孔隙性能良好，孔隙大小适中则有利于土壤保持良好的持水性和通气性，便于农作物根系吸收水分。有学者认为，高产土壤的孔隙度一般需超过50%，便于土壤供水和通气，最终提高农作物产量。

3.2 质地

土壤质地主要指的是土壤中矿物颗粒大小以及矿物组成比例，对土壤水动力学参数的影响表现为：在紧实度相近的背景下，土壤质地从粗到细，土壤中的黏粒含量增多，细小空隙数量也日益增多，土壤毛管的持水作用也逐渐提高。土壤黏粒影响土壤持水能力，而土壤最大吸湿水和土壤有效含水量会影响土壤黏粒含量。

4 结语

综上所述，对土壤水动力学参数以及相关影响因素进行深入研究和分析，可对农业生产以及水利工程建设等起到重要作用。

[参考文献]

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