土壤水動力學參數及影響因素分析

宋城業

[摘要]土壤水是農作物生長的主要水源，也是開展農業生產的必備條件之一。分析土壤水的動力學參數以及相關影響因素對土壤水的水分調控和高效率利用具有重要意義。

[關鍵詞]土壤水;動力學參數;影響因素;分析

[中圖分類號]S152

[文獻標識碼]A

土壤水是水資源的一個不可或缺組成部分，高效率利用土壤水受到有關人員的高度重視。有關數據顯示，土壤水動力學參數受到以下幾個因素的影響：其一，土壤孔隙度;其二，土壤質地。相關文獻報道，還有學者在分析土壤水動力學參數的相關影響因素之外，建立了土壤水動力學基本方程、土壤水參數估計模型以及土壤水熱運動模型等，以期闡述清楚土壤水的主要動力學參數特點，為我國農業生產提供相關數據參考。

1 國內外土壤水的有關研究分析

1.1 國內土壤水的有關研究

我國有關土壤水的形態學研究理論（以羅戴為代表）在20世紀中期興起，該理論傳人我國之后對我國的土壤水研究起到較大助推作用。第一次土壤水物理學術討論會在杭州舉行，土壤水能量的有關概念首次進入到我國廣大人民群眾的視線內，逐漸轉變土壤水分的有關研究觀念——從定性的形態學觀點逐漸轉變成定量的連續能量觀念。20世紀80年代初期有關人員引入將土壤、植物和大氣看作一個連續整體觀念，利用水勢將能量指標建立在不同介質之間，為土壤水以及農作物和生態環境之間做協調研究挖掘出新的路徑。20世紀80年代后，隨著國內外的土壤水研究交流逐漸增多，我國對土壤水的理論研究和實驗研究逐漸取得長足發展，與此同時出現一些關于土壤水研究的著作，如《土壤水動力學》《地下水與土壤水動力學》《土壤水分通量法實驗研究》《土壤水熱運動模型及其應用》《土壤一植物一大氣連續體水分傳輸理論及其應用》等。國內土壤水分的有關研究在互聯網技術發展的基礎上而發展，尤其是求解基本方程歸功于計算機技術的應用，使得復雜的問題能夠通過數學實驗方法加以求解。

1.2 國外土壤水的有關研究

國外關于土壤水的有關研究歷史較為悠久，最早出現的理論是達西定律，經歷了從經驗到理論、從靜態到動態的發展過程。19世紀70年代，國外學者提出毛管假說，將組成土壤空隙的孔道看成是毛細管，認為土壤保持水分的重要原因是表面具有張力。20世紀初，國外學者提出毛管觀念，與此同時將能量學的有關概念引入到土壤水研究之中，為今后土壤水的研究提出新的路徑。有學者在毛管觀念基礎上提出土壤水入滲模型，該觀念認為水勢主要根據含水量來決定，將不同形態的土壤水以及與土壤水相關的能量觀念密切聯系起來。20世紀中期，有學者發明出張力計，張力計可直接檢測出土壤毛管勢。國外學者在達西定律基礎上推導出非飽和流方程，使得數學物理方法被逐漸引入到非飽和的土壤水研究之中，不斷推動了土壤水的研究。雖然土壤水的研究在理論上以及實際應用上具有重要作用，但是由于土壤水本身較為復雜以及受到時間因素和空間因素影響，所以在很長一段時間內無法量化土壤水中的水分運動，土壤水的研究處于定性描述階段中。20世紀60年代后，土壤水勢的概念被廣泛應用。關于土壤水形態學的有關概念逐漸被能量學觀念所取代，使用熱力學函數表達土壤水分的形式日益備受關注。20世紀80年代后，土壤水分的數值模擬模型在互聯網發展的基礎上而發展，美國召開關于土壤水力性質評估的會議，討論如何采用間接方法來評估非飽和土壤水力學特點。《土壤水文學》著作的出版使得土壤水的有關研究日益成熟且成為一門獨立的學科，隨著各個學科之間的滲透以及互聯網技術的發展，土壤水的有關研究在深度上以及廣度上均取得較大成果。

2 簡要分析土壤水動力學參數

土壤水動力學參數主要有：其一，土壤水分常數;其二，土壤水分特征曲線;其三，土壤飽和導水率;其四，土壤水分擴散率。土壤水動力學參數充分反映出土壤水的蓄集能力、導水性質、供水能力等，土壤水動力學參數受到土壤結構、有機質含量以及土壤質地等因素影響，最終導致土壤水的水分數量和運動情況受到相關影響。

2.1 土壤水分常數

土壤水分常數能夠客觀反映出土壤水分被植物吸收和利用的數量以及程度，對土壤水的運動狀況具有重要指導效果。土壤水分常數主要包括：其一，土壤最大吸水;其二，毛管斷裂含水量;其三，田間持水量;其四，凋萎系數;其五，飽和含水量。一般情況下，土壤水分常數數值大小用含水量大小來表示。土壤吸濕水主要指的是土壤顆粒在土粒吸附力的作用下吸持空氣中的水分，最大吸濕水主要指的是在飽和空氣條件下能夠達到土壤顆粒穩定時的最大吸持含量。此時水分子被緊緊吸附在土粒表面上，屬于無法被農作物利用的無效水，但是最大吸濕水能夠作為水利建設的土壤水文常數。當土壤中的水分出現嚴重不足且無法被農作物所吸收的情況時，農作物出現永久凋萎狀態的土壤含水量被稱之為凋萎系數。土壤凋萎系數在農業生產的實踐過程中占據重要作用，是估算農作物水分基本需求以及模擬土壤水分的重要參考數據，與此同時也是評價土壤生產力以及土壤質量的重要參考指標。當土壤達到凋萎含水量時，土壤水的主要狀態為吸濕水。有關研究顯示，凋萎含水量與土壤最大吸濕水之間存在明顯相關性。飽和含水量主要指的是土壤所有孔隙均被水填滿，土壤水處于飽和狀態下。飽和含水量也被稱之為最大持水量，土壤水的吸力為0，一般情況下土壤水的飽和含水量越大，土壤水分保持的能力將越強。飽和含水量也是農業生產過程中的水分特征參數，尤其是在降水量比較多的地區。毛管斷裂含水量主要指的是毛管懸著水因為植物吸收水分逐漸減少，較粗的毛管排空土壤水的連續性，使得毛管水運動中斷土壤水量。毛管斷裂含水量是田間持水量的61%-75%左右，植物吸收利用土壤水困難增加且生長受到嚴重限制。田間持水量不受地下水影響，主要指的是土壤中毛管懸著水達到最大值時的含水量，主要包括：其一，毛管懸著水;其二，薄膜水;其三，吸濕水。諸多學者認為，田間持水量是進行田間排灌溝渠設計的重要參考指標，對控制田間水分的平衡產生重要作用。有關研究顯示，土壤水吸力在33kPa時的含水量則被稱之為田間持水量，也有學者認為田間持水量的實測值在土壤水吸力達到IOKPa時便可以。以東北黑土區為例，土壤質地以及土壤結構比較好的田間持水量比較高。不同土層以及不同土壤的田間持水量也不盡相同，以遼寧省為例，超高產土壤的田間持水量高于下層，土壤持水能力越強，那么對農作物所需的水分供應越好。

2.2 土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線主要指的是土壤基質勢與含水量之間的函數關系曲線，是土壤動力學參數的基本指標，能夠有效反映出土壤水的能量與數量指標之間關系。土壤水分特征曲線能夠幫助分析土壤的有效性和持水性，對研究土壤水分的保持具有重要作用。由于土壤質地不同以及組成結構不同，所以對土壤水分特征曲線的影響表現也不同。隨著數值模擬方法的深入研究，發現土壤水分特征曲線模型逐漸成為預測土壤水分運動的不可或缺手段之一。國內外有關學者對土壤水的試驗數據加以擬合，建立以下幾種土壤水分的經驗模型：其一，冪函數;其二，指數關系;其三，誤差函數;其四，雙曲線余弦函數。例如，黑土的土壤水分特征曲線使用冪函數表達效果比較理想。在0kPa-100kPa吸力范圍內，土壤能夠釋放出數量，主要是因為空隙分布起到相關作用，主要受到的影響是土壤結構;在超過100kPa吸力范圍內，土壤水的保持能力主要由土粒的吸附作用而決定，受到土壤質地因素影響。肥力比較高的土壤水分特征曲線在0kPa-100kPa吸力范圍內，曲線斜率比較緩，而在超過100kPa吸力范圍內的曲線斜率比較陡，因此說明土壤能夠保持比較多的水分，上述結果的出現與土壤孔隙分布比較平均以及與土壤孔徑比較小密切相關。土壤持水能力的高低在土壤水分特征曲線上表現出：曲線的高低（也就是說持水能力越強曲線就越高，持水能力越弱則說明曲線越低）。20世紀80年代，國外學者提出用土壤容重和土壤顆粒所組成的資料分析土壤水分特征曲線方法，由于土壤顆粒的大小以及有機質含量和容重等相關指標較易獲得，所以國內外諸多學者利用計算機技術建立了土壤物理指標模型，如參數估計模型、物理經驗模型。總而言之，土壤水分特征曲線模型的建立能夠深入研究土壤水分的持水性能，繼而深刻認識到土壤水分特征的相關因素影響。比水容量數值隨著土壤吸力的增大而減小，比水容量是土壤水分運動的重要指標。單位吸力變化中的一定質量土壤能夠釋放出植物利用水量，因此說明土塘水分的有效性和供水能力大小，作為評價土壤耐旱性的主要指標。土壤水分特征的曲線是變化的，隨著不同吸力范圍內，其土壤水分特征曲線變化也不盡相同。土壤飽和導水率主要指的是當土壤孔隙全部被水充滿后，單位勢梯度下單位時間內所通過的單位土壤橫截面水流體積;一方面是土壤導水率的最大值，另外一方面也是評價導水特性的主要參考指標。有關資料顯示，不同的土地利用方式下，土壤飽和導水率隨著土層深度的加深而逐漸減小。土壤飽和導水率受到有機質含量以及土壤質地等因素相關，尤其是土壤空隙比較大時會增加土壤的導水性能，土壤飽和導水率隨著土壤有機質含量的增加而增加。

3 土壤水動力學參數的主要影響因素分析

3.1 土壤孔隙度

土壤孔隙度是衡量土壤物理質量的不可或缺指標之一，主要指的是土壤全部空隙的容積與土壤總容積的百分比。土壤的孔隙分布情況和孔隙大小能夠影響到土壤水的轉移和儲存，一般情況下，土壤總孔隙度越大，土壤的容重就越小，土壤的水分保持能力日益增強，最終顯著提高土壤水分的有效性。土壤孔隙性能也受到土壤結構影響，土壤結構良好則說明土壤的孔隙性能良好，孔隙大小適中則有利于土壤保持良好的持水性和通氣性，便于農作物根系吸收水分。有學者認為，高產土壤的孔隙度一般需超過50%，便于土壤供水和通氣，最終提高農作物產量。

3.2 質地

土壤質地主要指的是土壤中礦物顆粒大小以及礦物組成比例，對土壤水動力學參數的影響表現為：在緊實度相近的背景下，土壤質地從粗到細，土壤中的黏粒含量增多，細小空隙數量也日益增多，土壤毛管的持水作用也逐漸提高。土壤黏粒影響土壤持水能力，而土壤最大吸濕水和土壤有效含水量會影響土壤黏粒含量。

4 結語

綜上所述，對土壤水動力學參數以及相關影響因素進行深入研究和分析，可對農業生產以及水利工程建設等起到重要作用。

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