二、土壤水的研究概况
研究概况
古希腊：构成自然界的2个元素：土壤，水
但真正的土壤水科学作为研究土壤中物质和能的状态和 运转的科学，却是非常年轻的。它比起土壤学其它分支 的发展，如土壤发生学和土壤化学要晚1或2个世纪。 从1856年达西（Darcy)公式的提出算起，土壤水分的试 验研究也就是150年的历史。 如同其它学科一样，它也经历了一个由经验到理论，由 静态到动态，由定性到定量（数值计算，电子计算机的 发展），由宏观到微观的研究发展过程。
吸湿系数(Hygroscopic Coefficient): 吸湿水达到最大时的土壤含水率。 最大分子持水率： 薄膜水达到最大时的土壤含水率。
凋萎系数（Wilting Point）：
作物产生永久凋萎时的土壤含水率。 田间持水率（Field Capacity）： 悬着毛管水达到最大时的土壤含水率。 饱和含水率（Saturation）：
重量含水量
GRAVIMETRIC WATER CONTENT (GWC)
•GWC = Mw / Ms100%
qg
体积含水量
VOLUMETRIC WATER CONTENT (VWC)
qv
• VWC = Vw / Vt 100% • = Vw / (Vs + Vf) • = GWC BD / DW
第一章 土壤水分研究的回顾和展望
一、土壤水系统简介
土壤水(Soil water, Soil moisture)：存在于土壤孔 隙里的水。 饱和水(Saturated water) ：水全部充满土壤孔隙。 非饱和土壤水(Unsaturated water) ：部分土壤孔隙 被水占据。 隔离水（不动水）(Insulate water or Immobile water)：存在于土壤中封闭孔隙中的水分。
先流问题），从点面区域
新理论、新技术的应用：地质统计学理论，分形理论，
测试技术，3S技术等
三、土壤水的研究趋向
我国： 虽在土壤水分领域开展了许多工作，但用数学物理方法定 量研究土壤中的水分、溶质和热量的运移问题，处于初级 阶段。
过去以单一的研究土壤水分较多，发展用系统的、动态的 理论和方法把土壤-植物-大气作为一个连续体进行研究， 另外研究土壤-植物关系为中心的农田土壤水分最优调控 问题。 我国大部分地区水资源相当紧缺，粮食生产对调节农田水 分的要求愈来愈高，了解农田土壤水分的变化规律很重要 ，如蒸发、入渗不仅对农田土壤水分有影响，而且也牵涉 地下水利用和降水入渗等问题。
各种土壤水分形态及特征（二）
毛管水的物理解释
表面张力作用
水分子相互间的粘着力 （Cohesion）与毛管（土粒）表 面对水的吸附力（Adhesion）的 共同作用
毛管水的上升高度：毛管 力与重力的作用结果 πr2hdg=2πrTcosα
r
T α
h
上升毛管水：地下水在毛管作用下上升并保 持在土壤中的水分。 悬着毛管水：当地下水位较深时，降雨或灌 溉后因毛管力的作用而保持在土壤里的水分。 重力水（Gravitational Water）：受重力 支配不能为土壤所保持的水分。
参考期刊
1. Soil Science J. （美国，土壤科学杂志） 2. Water Resour. Res.（美国，水资源研究） 3. Soil Sci.Sco.Am.J. （美国，土壤学会杂志） 4. Trans. ASAE(Soil and Water) （美国农业工程，土壤和水） 5. Journal of Hydrology （美国，水文学杂志） 6. 水利学报 7. 土壤学报 8. 农业工程学报 9. 水科学进展 10. 灌溉排水学报
二、土壤水的研究概况
研究概况
1931年理查兹（Richards）在用能量概念研究土壤水的基础 上对达西定律进行了推广，使其适用于非饱和土壤，大大推 动了土壤水的动态研究，也使土壤水运动的数学模拟得到了 发展。 近几十年来，土壤水的研究已成为土壤物理学中一个重要分 支，一个最活跃的领域。随着电子计算机的大量应用和各学 科的相互渗透，非饱和土壤水运动的研究发生了由经验到理 论，从定性到定量的深刻变化，从而形成相对独立的一个领 域——土壤水动力学。 土壤水分的研究已成为土壤物理、农田水利、水文学等众多 学科领域的前沿课题。如国家自然科学基金委员会的自然科 学发展战略的报告中，自然地理和土壤学科均把土壤圈（或 地表）物质（水、热、盐）循环和能量转换列为优先资助领 域。水利学科中的地表水、土壤水、地下水三水之间的转化 规律、SPAC水分传输理论等列为优先研究。
吸着水
毛管水
重力水
植物根系能吸 收的有效水 凋萎含水量 田间持水量
土壤水分状况与土壤质地的关系
关于土壤水分的几点补充
水分的形态是变化的，可以互相转化的。
土壤水分的有效性是从作物能否直接吸收而 言，是相对的。 土壤水分常数随土质而变化。
田间持水率通常以灌水两天后土壤所能保持 的含水率表示，国外一般以灌水24小时后的 土壤含水率表示。
三、土壤水的研究趋向
目前土壤水分研究方面的发展趋向可以归纳以下几点：
实验室（机理）野外大田（调控） 由单纯、孤立研究土壤水分运动和保持土壤-植物-大
气系统（SPAC）水分传输土壤圈
由单纯的研究土壤圈水分运动（循环）研究水、热、
溶质（养分）的运动和耦合
由均质土壤非均质或层状土壤（大孔隙流、指流等优
四、土壤水动力学的研究内容
作为土壤水关系的研究，主要包括以下内容：

土壤水分的存在形式及其对作物的有效性 土壤水分运动的基本原理和过程（入渗和蒸发）


土壤中溶质和热量运移的基本方程
土壤-植物-大气连续体（SPAC）水分传输 土壤水分的动态预报 土壤水分运动参数的测定技术 土壤特性的空间变异性及土壤水分问题的标定 田间土壤水分管理
• DW = 水的密度（density of water）
贮水深度H
Depth equivalent of soil water 单位面积（A）和厚度（h）土体中所含 的水量相当于同面积上水层的厚度：
•H = h· Ａ· qv／Ａ = h· q(cm)=10 h· q(mm)
饱和度W
Degree of saturation W是指土壤中水的体积与孔隙体积的 比值，表示孔隙被水充满的程度：
Va
质量
空气
Ma ?0
Vf
Vw
水
固相
Mw
PD = Ms / Vs
Mt
Vt
Vs
Ms
土壤容重
BULK DENSITY (BD)
• BD = Ms / Vt = Ms / (Va + Vw + Vs) • 沙质土壤 >>粘质土壤 • 变化范围[1.1 - 1.9 g/cm3]
体积
Va
质量
空气
Ma ?0
• W = Vw ／ V f = Vw／(Va+Vw)
（一）土壤含水量的测定
土壤含水量是进行灌溉试验必测的项目，它是计算作物 需水量或耗水量以及确定灌水时间和灌水量的重要指标。土 壤含水量可用重量含水率（或称土壤绝对含水率）表示，也 可用容积（体积）含水率和土壤相对含水率表示。 土壤重量含水率(%) =实际水重/烘干土重×100(%) 土壤容积含水率=土壤重量含水率(%) ×土壤容重 土壤相对含水率（%）=土壤含水率(%) /田间持水量(%) 在灌溉试验中土壤水分控制的上、下限常用土壤相对含水 率表示。
Soil Water Dynamics
主讲：曹红霞 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院
土壤水动力学
☞ 参考书目：
1. 雷志栋等编《土壤水动力学》，清华大学出版社，1988. 2. 《地下水与土壤水动力学》,张蔚榛主编,中国水利水电出版 社 3. D. 希勒尔著，华孟等译，土壤和水-物理原理与过程，农业 出版社，1982. 4. 《土壤溶质运移》，李韵珠等编著，科学出版社 5. 物理的土壤学（中译本）, 6. D.Hillel著，罗焕杰等译，土壤水动力学的计算机模拟，农 业出版社，1979. 7. 康绍忠等编，《农业水管理学》，中国农业出版社，1996. 8. Soil Water, Nielson等著，1985. 9. 秦耀东主编《土壤物理学》，高等教育出版社，2002。
Vf
Vw
水
固相
Mw Mt
BD = Ms / Vt
BD = Ms / (Va +Vw +Vt)
Vt
Vs
Ms
土壤孔隙度
POROSITY
• P = 1.0 – 土壤容重(BD)/土壤比重(PD) = V f / Vt = (Va + Vw) / (Va + Vw + Vs) •土壤的范围 [40 - 75 %]
吸湿水：紧束 在土粒表面， 不能自由移动 薄膜水：吸附于 吸湿水外部，只 能沿土粒表面做 微小的移动
吸着水的物理解释
土粒表面对水分子的吸附 力（Adhesion）和水分子 之间的粘着力（Cohesion） 作用
各种土壤水分形态及特征（二）
毛管水（Capillary Water) 受毛管力的 作用保持在土壤中的 水分
四、土壤水动力学的研究内容
研究内容：
以土壤中水分的能态为基础，研究非饱和土壤中水分以及与 此有关的溶质和热量运移问题的学科。
课程目的：
搞清土壤水分的运动和演变规律，地表水、土壤水-地下水 之间的转化关系，土壤-植物-大气连续体之间的水分传输问 题，科学预测土壤水分的动态变化，进行有效的土壤水分管 理。 所以土壤水动力学的研究对水文(Hydrology)、农田水利（ Irrigation and Drainage）、水资源（Water Resources）、 水土保持（Soil and water conservation）、农业土壤、生态 和环境等部门都是很需要的。