宋城業(yè)

[摘要]土壤水是農(nóng)作物生長的主要水源，也是開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必備條件之一。分析土壤水的動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及相關(guān)影響因素對土壤水的水分調(diào)控和高效率利用具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]土壤水;動(dòng)力學(xué)參數(shù);影響因素;分析

[中圖分類號(hào)]S152

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

土壤水是水資源的一個(gè)不可或缺組成部分，高效率利用土壤水受到有關(guān)人員的高度重視。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)受到以下幾個(gè)因素的影響：其一，土壤孔隙度;其二，土壤質(zhì)地。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，還有學(xué)者在分析土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)影響因素之外，建立了土壤水動(dòng)力學(xué)基本方程、土壤水參數(shù)估計(jì)模型以及土壤水熱運(yùn)動(dòng)模型等，以期闡述清楚土壤水的主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)特點(diǎn)，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。

1 國內(nèi)外土壤水的有關(guān)研究分析

1.1 國內(nèi)土壤水的有關(guān)研究

我國有關(guān)土壤水的形態(tài)學(xué)研究理論（以羅戴為代表）在20世紀(jì)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(xué)術(shù)討論會(huì)在杭州舉行，土壤水能量的有關(guān)概念首次進(jìn)入到我國廣大人民群眾的視線內(nèi)，逐漸轉(zhuǎn)變土壤水分的有關(guān)研究觀念——從定性的形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)變成定量的連續(xù)能量觀念。20世紀(jì)80年代初期有關(guān)人員引入將土壤、植物和大氣看作一個(gè)連續(xù)整體觀念，利用水勢將能量指標(biāo)建立在不同介質(zhì)之間，為土壤水以及農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境之間做協(xié)調(diào)研究挖掘出新的路徑。20世紀(jì)80年代后，隨著國內(nèi)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(shí)驗(yàn)研究逐漸取得長足發(fā)展，與此同時(shí)出現(xiàn)一些關(guān)于土壤水研究的著作，如《土壤水動(dòng)力學(xué)》《地下水與土壤水動(dòng)力學(xué)》《土壤水分通量法實(shí)驗(yàn)研究》《土壤水熱運(yùn)動(dòng)模型及其應(yīng)用》《土壤一植物一大氣連續(xù)體水分傳輸理論及其應(yīng)用》等。國內(nèi)土壤水分的有關(guān)研究在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上而發(fā)展，尤其是求解基本方程歸功于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得復(fù)雜的問題能夠通過數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法加以求解。

1.2 國外土壤水的有關(guān)研究

國外關(guān)于土壤水的有關(guān)研究歷史較為悠久，最早出現(xiàn)的理論是達(dá)西定律，經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)到理論、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的發(fā)展過程。19世紀(jì)70年代，國外學(xué)者提出毛管假說，將組成土壤空隙的孔道看成是毛細(xì)管，認(rèn)為土壤保持水分的重要原因是表面具有張力。20世紀(jì)初，國外學(xué)者提出毛管觀念，與此同時(shí)將能量學(xué)的有關(guān)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(xué)者在毛管觀念基礎(chǔ)上提出土壤水入滲模型，該觀念認(rèn)為水勢主要根據(jù)含水量來決定，將不同形態(tài)的土壤水以及與土壤水相關(guān)的能量觀念密切聯(lián)系起來。20世紀(jì)中期，有學(xué)者發(fā)明出張力計(jì)，張力計(jì)可直接檢測出土壤毛管勢。國外學(xué)者在達(dá)西定律基礎(chǔ)上推導(dǎo)出非飽和流方程，使得數(shù)學(xué)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(dòng)了土壤水的研究。雖然土壤水的研究在理論上以及實(shí)際應(yīng)用上具有重要作用，但是由于土壤水本身較為復(fù)雜以及受到時(shí)間因素和空間因素影響，所以在很長一段時(shí)間內(nèi)無法量化土壤水中的水分運(yùn)動(dòng)，土壤水的研究處于定性描述階段中。20世紀(jì)60年代后，土壤水勢的概念被廣泛應(yīng)用。關(guān)于土壤水形態(tài)學(xué)的有關(guān)概念逐漸被能量學(xué)觀念所取代，使用熱力學(xué)函數(shù)表達(dá)土壤水分的形式日益?zhèn)涫荜P(guān)注。20世紀(jì)80年代后，土壤水分的數(shù)值模擬模型在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上而發(fā)展，美國召開關(guān)于土壤水力性質(zhì)評(píng)估的會(huì)議，討論如何采用間接方法來評(píng)估非飽和土壤水力學(xué)特點(diǎn)?！锻寥浪膶W(xué)》著作的出版使得土壤水的有關(guān)研究日益成熟且成為一門獨(dú)立的學(xué)科，隨著各個(gè)學(xué)科之間的滲透以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，土壤水的有關(guān)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(dòng)力學(xué)參數(shù)

土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有：其一，土壤水分常數(shù);其二，土壤水分特征曲線;其三，土壤飽和導(dǎo)水率;其四，土壤水分?jǐn)U散率。土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)充分反映出土壤水的蓄集能力、導(dǎo)水性質(zhì)、供水能力等，土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)受到土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤質(zhì)地等因素影響，最終導(dǎo)致土壤水的水分?jǐn)?shù)量和運(yùn)動(dòng)情況受到相關(guān)影響。

2.1 土壤水分常數(shù)

土壤水分常數(shù)能夠客觀反映出土壤水分被植物吸收和利用的數(shù)量以及程度，對土壤水的運(yùn)動(dòng)狀況具有重要指導(dǎo)效果。土壤水分常數(shù)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(shù);其五，飽和含水量。一般情況下，土壤水分常數(shù)數(shù)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(dá)到土壤顆粒穩(wěn)定時(shí)的最大吸持含量。此時(shí)水分子被緊緊吸附在土粒表面上，屬于無法被農(nóng)作物利用的無效水，但是最大吸濕水能夠作為水利建設(shè)的土壤水文常數(shù)。當(dāng)土壤中的水分出現(xiàn)嚴(yán)重不足且無法被農(nóng)作物所吸收的情況時(shí)，農(nóng)作物出現(xiàn)永久凋萎狀態(tài)的土壤含水量被稱之為凋萎系數(shù)。土壤凋萎系數(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐過程中占據(jù)重要作用，是估算農(nóng)作物水分基本需求以及模擬土壤水分的重要參考數(shù)據(jù)，與此同時(shí)也是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力以及土壤質(zhì)量的重要參考指標(biāo)。當(dāng)土壤達(dá)到凋萎含水量時(shí)，土壤水的主要狀態(tài)為吸濕水。有關(guān)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(guān)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(tài)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(qiáng)。飽和含水量也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水分特征參數(shù)，尤其是在降水量比較多的地區(qū)。毛管斷裂含水量主要指的是毛管懸著水因?yàn)橹参镂账种饾u減少，較粗的毛管排空土壤水的連續(xù)性，使得毛管水運(yùn)動(dòng)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(yán)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(dá)到最大值時(shí)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(xué)者認(rèn)為，田間持水量是進(jìn)行田間排灌溝渠設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)，對控制田間水分的平衡產(chǎn)生重要作用。有關(guān)研究顯示，土壤水吸力在33kPa時(shí)的含水量則被稱之為田間持水量，也有學(xué)者認(rèn)為田間持水量的實(shí)測值在土壤水吸力達(dá)到IOKPa時(shí)便可以。以東北黑土區(qū)為例，土壤質(zhì)地以及土壤結(jié)構(gòu)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(chǎn)土壤的田間持水量高于下層，土壤持水能力越強(qiáng)，那么對農(nóng)作物所需的水分供應(yīng)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(zhì)勢與含水量之間的函數(shù)關(guān)系曲線，是土壤動(dòng)力學(xué)參數(shù)的基本指標(biāo)，能夠有效反映出土壤水的能量與數(shù)量指標(biāo)之間關(guān)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(zhì)地不同以及組成結(jié)構(gòu)不同，所以對土壤水分特征曲線的影響表現(xiàn)也不同。隨著數(shù)值模擬方法的深入研究，發(fā)現(xiàn)土壤水分特征曲線模型逐漸成為預(yù)測土壤水分運(yùn)動(dòng)的不可或缺手段之一。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對土壤水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以擬合，建立以下幾種土壤水分的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浩湟唬瑑绾瘮?shù);其二，指數(shù)關(guān)系;其三，誤差函數(shù);其四，雙曲線余弦函數(shù)。例如，黑土的土壤水分特征曲線使用冪函數(shù)表達(dá)效果比較理想。在0kPa-100kPa吸力范圍內(nèi)，土壤能夠釋放出數(shù)量，主要是因?yàn)榭障斗植计鸬较嚓P(guān)作用，主要受到的影響是土壤結(jié)構(gòu);在超過100kPa吸力范圍內(nèi)，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(zhì)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(nèi)，曲線斜率比較緩，而在超過100kPa吸力范圍內(nèi)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(jié)果的出現(xiàn)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(guān)。土壤持水能力的高低在土壤水分特征曲線上表現(xiàn)出：曲線的高低（也就是說持水能力越強(qiáng)曲線就越高，持水能力越弱則說明曲線越低）。20世紀(jì)80年代，國外學(xué)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(jī)質(zhì)含量和容重等相關(guān)指標(biāo)較易獲得，所以國內(nèi)外諸多學(xué)者利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了土壤物理指標(biāo)模型，如參數(shù)估計(jì)模型、物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀？偠灾?，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(rèn)識(shí)到土壤水分特征的相關(guān)因素影響。比水容量數(shù)值隨著土壤吸力的增大而減小，比水容量是土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)。單位吸力變化中的一定質(zhì)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(píng)價(jià)土壤耐旱性的主要指標(biāo)。土壤水分特征的曲線是變化的，隨著不同吸力范圍內(nèi)，其土壤水分特征曲線變化也不盡相同。土壤飽和導(dǎo)水率主要指的是當(dāng)土壤孔隙全部被水充滿后，單位勢梯度下單位時(shí)間內(nèi)所通過的單位土壤橫截面水流體積;一方面是土壤導(dǎo)水率的最大值，另外一方面也是評(píng)價(jià)導(dǎo)水特性的主要參考指標(biāo)。有關(guān)資料顯示，不同的土地利用方式下，土壤飽和導(dǎo)水率隨著土層深度的加深而逐漸減小。土壤飽和導(dǎo)水率受到有機(jī)質(zhì)含量以及土壤質(zhì)地等因素相關(guān)，尤其是土壤空隙比較大時(shí)會(huì)增加土壤的導(dǎo)水性能，土壤飽和導(dǎo)水率隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。

3 土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)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(zhì)量的不可或缺指標(biāo)之一，主要指的是土壤全部空隙的容積與土壤總?cè)莘e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(zhuǎn)移和儲(chǔ)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(qiáng)，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(jié)構(gòu)影響，土壤結(jié)構(gòu)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(nóng)作物根系吸收水分。有學(xué)者認(rèn)為，高產(chǎn)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(nóng)作物產(chǎn)量。

3.2 質(zhì)地

土壤質(zhì)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(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響表現(xiàn)為：在緊實(shí)度相近的背景下，土壤質(zhì)地從粗到細(xì)，土壤中的黏粒含量增多，細(xì)小空隙數(shù)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(huì)影響土壤黏粒含量。

4 結(jié)語

綜上所述，對土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及相關(guān)影響因素進(jìn)行深入研究和分析，可對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水利工程建設(shè)等起到重要作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊興，張家喜，彭培好，等.模擬降雨條件下不同礫石含量工程邊坡土壤侵蝕及水動(dòng)力學(xué)特征[J].冰土保持通報(bào)，2019（06）.

[2]張國盛，郝蕾，閆子娟，等.6種樹種葉片葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)對土壤水分變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，2017（11）.