土壤水分運(yùn)移規(guī)律及探討

土壤水分是植物生活的基本條件，也是土壤的重要組成部分，在土壤肥力因素中是最為活躍的因素。“有收無(wú)收在于水，多收少收在于肥”，這說(shuō)明了水在植物生產(chǎn)中的重要作用。

對(duì)植物進(jìn)行灌溉是必不可少的，水分在土壤中如何運(yùn)移，對(duì)科學(xué)灌溉非常重要。下面我們以滴灌形式下水分如何運(yùn)移進(jìn)行探討。

一、土壤孔隙

土壤是由固、液、氣三相構(gòu)成的多孔分散體系。土粒之間存在復(fù)雜的土壤孔隙，是液相和氣相共同存在的空間。

孔隙需按其孔徑大小及功能的不同，進(jìn)行分級(jí)。按孔徑大小及其作用可分為三類(lèi):

(1)無(wú)效孔隙。孔徑在 0.002 mm以下（接近黏粒大?。?。是土壤孔隙中最細(xì)微的部分，保持在此間的水分由于被土粒強(qiáng)烈吸附，水分移動(dòng)極慢，同時(shí)植物的根與根毛均難以伸入其內(nèi)，故供水性極差（相當(dāng)于吸濕水和膜狀水，植物難以吸收）。同時(shí)，微生物也極難入侵，使該孔隙內(nèi)腐殖質(zhì)很難分解，可保存數(shù)百年以上而不能為植物利用。因此，又稱其為無(wú)效孔隙。土壤質(zhì)地越黏，土粒越分散，結(jié)構(gòu)性越差的土壤，非活性孔隙越多，無(wú)效水越多，通氣透水性極差，根系伸展困難，耕作阻力也越大。

(2)毛管孔隙。孔徑為0.02-0.002mm（接近粉粒大?。?。一般土壤孔徑小于0.06mm時(shí)，已有較明顯的毛管作用，當(dāng)孔徑為0.02-0.002mm 時(shí)，毛管作用強(qiáng)烈，水分易于貯存于其中，且毛管傳導(dǎo)率大，毛管中所貯水分極易被植物利用，可保證持續(xù)供水，故又稱之為貯水孔隙（毛管水是植物利用土壤水分的主要形態(tài)）。并因根毛與細(xì)菌均可在其間活動(dòng)，故也有利于養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，在保證良好通氣性的前提下，毛管孔隙越多越好。（不要等到毛管水大量斷裂時(shí)，再灌溉，會(huì)影響?zhàn)B分的運(yùn)移，導(dǎo)致肥料利用率下降；也不要高濃度施肥，會(huì)損傷根系）

(3)空氣孔隙?？讖酱笥?.02mm（接近砂粒大小）。水分不受毛管力吸持作用，但受重力作用向下排出，因而成為通氣的過(guò)道。下雨或灌溉時(shí)，它可以大量吸收水分，滲水性好，但供水時(shí)間短，停止降雨或灌概后，水分不能貯存其間而讓位于空氣，成為空氣貯存地，故又稱其為空氣孔隙。其中孔徑0.3-0.2mm為大孔，排水迅速，植物根可伸入;0.2-0.02mm 為中孔，一般細(xì)根不能伸入，但根毛及某些原生動(dòng)物和真菌可入內(nèi)。植物的根系也需要呼吸，所有根系通常在空氣孔隙中生長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間積水會(huì)使根系死亡腐爛。

不同土壤質(zhì)地，土壤孔隙度相差較大。

理想的土壤結(jié)構(gòu)中水分占到20-30%，水分主要分布在土壤的毛管孔隙中；空氣占到20-30%，土壤孔隙中水分和空氣約各占一半。

理想土壤
二、水分入滲

【概念】一般是指水自土表垂直向下進(jìn)入土壤的過(guò)程，但也不排除如溝灌中水分沿側(cè)向甚至向上進(jìn)入土壤的過(guò)程。

灌溉開(kāi)始時(shí)，土壤含水量低，空氣孔隙幾乎不含水，毛管孔隙含有部分水，水分通過(guò)空氣孔隙快速進(jìn)入土壤，再通過(guò)基質(zhì)勢(shì)（在分子引力和毛管力作用下）進(jìn)入毛管孔隙。起初水分入滲速率較快，主要在基質(zhì)勢(shì)的作用下運(yùn)移，隨著空氣孔隙被填滿，速率逐漸下降，接著毛管孔隙也被填充滿，在滴頭下方表層土壤形成局部的飽和水含量，入滲速率趨于穩(wěn)定，這時(shí)被稱為穩(wěn)定入滲速率（stable infiltration rate）。在水勢(shì)梯度下，不斷的向側(cè)方和下方移動(dòng)。

開(kāi)始土壤含水量越低，初始入滲速率越快。

土壤入滲速率隨時(shí)間變化

不同土壤質(zhì)地有效水含量及土壤入滲率
三、滴灌條件下的水分運(yùn)移規(guī)律

滴灌屬于局部灌溉,其濕潤(rùn)范圍小,濕潤(rùn)深度淺,作物根系主要從濕潤(rùn)體內(nèi)吸取水分,同時(shí)根系分布形狀又受濕潤(rùn)體形狀的影響。

在單點(diǎn)源滴灌入滲情況下,濕潤(rùn)體形狀和大小受初始含水率、土壤密度和灌水量的影響; 濕潤(rùn)體的形狀近似為橢球體,濕潤(rùn)鋒的水平、垂向入滲距離分別與入滲時(shí)間具有極顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

入滲初期水分運(yùn)移的主要驅(qū)動(dòng)力是土壤基質(zhì)勢(shì)梯度,且在入滲初期形成地表積水,促使水平方向濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率大于垂向推進(jìn)速率; 隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),重力作用驅(qū)動(dòng)土壤水分運(yùn)移的比例逐漸增大,此時(shí)地表積水的范圍已穩(wěn)定,從而導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒在垂直方向上的推進(jìn)速率接近甚至超過(guò)水平方向推進(jìn)速率。

滴灌入滲初期以點(diǎn)源入滲為主,隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng),濕潤(rùn)半徑不斷增大,濕潤(rùn)鋒形成交匯,滴孔附近的飽和區(qū)隨之不斷增大,且在濕潤(rùn)鋒處的土壤含水率變化梯度最大。隨著距滴頭距離的增加,濕潤(rùn)區(qū)土壤含水率降低。隨著入滲的進(jìn)行,濕潤(rùn)體的范圍增大,在濕潤(rùn)區(qū)前沿,濕潤(rùn)鋒處含水率接近等于灌水前的土壤初始含水率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，濕潤(rùn)體交界面處水分的水平擴(kuò)散和垂直入滲速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同一時(shí)間滴頭下的速率（圖7），隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)濕潤(rùn)體形狀也逐漸由橢球體向平行于毛管的帶狀分布過(guò)渡。

供水停止后,上層的水分逐漸遞減,而下層土壤的水分逐漸增加,且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),水分變化的速率越來(lái)越慢。這是由于水分從濕潤(rùn)層運(yùn)移到干燥層后,濕潤(rùn)層的水分減少,干燥層的水分增加,土壤中各個(gè)深度處的含水率趨于均勻,這使得濕干層之間的水勢(shì)梯度減小,其水力傳導(dǎo)度減小。

四、不同土壤質(zhì)地下水分運(yùn)移情況

沙土：砂粒多，黏粒少，粒子間多為大孔隙，土壤通透性好，透水排水快，缺乏毛管孔隙，土壤持水量小，蓄水保水能力差。滴灌時(shí)橫向濕潤(rùn)面積小，應(yīng)加大滴頭流量，或減少滴頭間距，使形成濕潤(rùn)帶，避免鹽分聚集在根系區(qū)域。

壤土：土壤孔隙適宜，透氣性較好，保水保肥性較好，滴頭間距通常50cm，滴頭流量通常為2L/h，容易形成濕潤(rùn)帶，適合于多數(shù)作物的種植。

粘土：土壤孔隙小，透氣性差，保水保肥性好，但容易板結(jié)，滴灌時(shí)水分難下滲，容易徑流，容易使土壤上部泥濘，下部干旱。滴頭間距應(yīng)增大，減少滴頭流量。

三種土壤濕潤(rùn)體的地表濕潤(rùn)距離如表2所示，在相同滴頭間距和灌水量條件下，隨著土壤種類(lèi)的不同，地表濕潤(rùn)體的濕潤(rùn)距離從小到大依次為砂壤土、中壤土、重壤土，并且隨著滴頭流量的增加，3種土壤的地表濕潤(rùn)距離均在增大。

3種土壤的入滲濕潤(rùn)體沿滴灌帶方向均是交匯鋒處濕潤(rùn)淺，滴頭下方濕潤(rùn)深。

對(duì)于砂壤土，在相同滴頭間距和灌水量條件下，滴頭流量對(duì)濕潤(rùn)體底部曲線彎曲影響不明顯，這是由于砂壤土滴灌時(shí)地表存在積水造成濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移速度快，相鄰濕潤(rùn)鋒交匯程度大，使得交匯鋒處濕潤(rùn)深度接近滴頭下方的濕潤(rùn)深度。與砂壤土相比，在相同滴頭間距和灌水量條件下，重壤土的濕潤(rùn)深度稍小，滴頭流量越小對(duì)濕潤(rùn)體底部曲線彎曲影響越明顯，這是由于滴頭流量小時(shí)，地表滴水區(qū)范圍小，濕潤(rùn)鋒水平運(yùn)移速度慢，相鄰濕潤(rùn)鋒交匯程度小。對(duì)于中壤土，情況介于砂壤土和重壤土之間。

沙壤土和中壤土在滴頭流量小時(shí)，垂直入滲深度越深，由于流量小，水平運(yùn)移距離小，同樣灌溉量下，自然垂直下滲多。

垂直滴灌管方向的剖面圖在相同滴頭流量和灌水量條件下，3種土壤濕潤(rùn)體在垂直滴灌帶方向的剖面(30 min)如圖2所示。隨著土壤種類(lèi)的不同，濕潤(rùn)體的形狀從大到小依次為砂壤土、中壤土、重壤土。這是由于隨著滴水時(shí)間的推移，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)發(fā)生崩解。不同種類(lèi)土壤，粘粒含量和大小孔隙存在數(shù)量和比例上的很大差別。所以，不同種類(lèi)的土壤入滲能力不同，從而導(dǎo)致濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移距離不同。隨著土壤粘粒的增加，土壤持水能力越強(qiáng)，垂直入滲速度越小，水平入滲速度增大。

濕潤(rùn)鋒交匯處剖面圖在相同灌水量條件下，滴灌濕潤(rùn)鋒交匯處剖面如圖3所示。由圖可知，對(duì)于砂壤土，在相同滴頭間距和灌水量條件下，由于砂壤土中水分受重力勢(shì)能影響較大，滴頭流量越大，交匯鋒處的水分主要向下運(yùn)動(dòng)，則交匯鋒寬度越小，垂直深度越大。對(duì)于重壤土，由于土壤水分向水平寬度方向分布，垂直入滲較慢。中壤土介于砂壤土和重壤土之間。

五、不同滴頭流量下濕潤(rùn)峰的動(dòng)態(tài)變化

從下圖中可以看出，滴水歷時(shí)相同時(shí)，滴頭流量越大，徑向濕潤(rùn)峰距離越大；0～1 h 是徑向濕潤(rùn)峰迅速增大的階段，之后濕潤(rùn)峰緩慢增加。

從下圖中可以看出，滴水開(kāi)始至1 h 是垂直濕潤(rùn)峰迅速增加的時(shí)段，此階段不同流量滴頭的垂直濕潤(rùn)峰沒(méi)顯著區(qū)別。之后不同流量滴頭的垂直濕潤(rùn)峰出現(xiàn)差別，且大滴頭流量對(duì)應(yīng)大垂直濕潤(rùn)峰。垂直濕潤(rùn)峰隨滴水歷時(shí)的增加而呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。

六、單滴頭和多滴頭下濕潤(rùn)峰的動(dòng)態(tài)變化

多滴頭等間距（d=28 cm）線性布置的徑向濕潤(rùn)峰與單滴頭并沒(méi)有明顯差別。在0～4 h 內(nèi)，流量q=1.5 L/h 和q=1.7 L/h 的單滴頭的徑向濕潤(rùn)峰與多滴頭差別不大，滴水歷時(shí)超過(guò)4 h后，多滴頭聯(lián)合滴水的徑向濕潤(rùn)峰才開(kāi)始逐步大于單滴頭。

在相同滴頭流量條件下，多滴頭聯(lián)合滴水時(shí)垂直濕潤(rùn)峰在t=1 h 后明顯大于單滴頭。滴水1 h 后等間距（d=28 cm）線性布置的滴頭已屬于線源入滲條件，垂直入滲水量明顯高于點(diǎn)源垂直入滲水量，導(dǎo)致多滴頭等間距聯(lián)合滴水的垂直濕潤(rùn)峰大于單滴頭點(diǎn)源入滲條件。

七、土壤水的再分布

概念：土壤水入滲過(guò)程結(jié)束后，水在重力和吸力梯度影響下在土壤中向下移動(dòng)重新分布的過(guò)程。

灌溉結(jié)束后，土壤濕潤(rùn)鋒面仍不斷向外部運(yùn)移，土壤濕潤(rùn)體不斷膨脹，這一過(guò)程大約要持續(xù)3h-5h。此后，土壤濕潤(rùn)體不再擴(kuò)展，土壤濕潤(rùn)體的界線變得模糊，這一過(guò)程大約經(jīng)歷3-5d。最后的過(guò)程是土壤濕潤(rùn)體消失，土壤水分回復(fù)到灌溉前狀況，需進(jìn)行再一次的灌溉，這一過(guò)程大約為3d左右。

滴灌條件下的土壤水分分布與降雨及漫灌等情況下的土壤水分分布大不一樣。據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滴灌后土壤含水率的最大值不在地表，一般在地面以下10cm左右深度處。土壤水分的再分布過(guò)程與降雨情況類(lèi)同，在水分?jǐn)U散的初期階段與其潤(rùn)體的濕潤(rùn)鋒面擴(kuò)張情況也一致。即在灌溉結(jié)束后，上部土壤水分向下部及周?chē)鷶U(kuò)散，上部土壤水分含量減少，下部及周?chē)寥浪趾吭黾?，這一階段其上部大約可持續(xù)5h左右，其下部則持續(xù)的時(shí)間可更長(zhǎng)。此后，土壤水分處短暫的平衡狀態(tài)，土壤水分的再分布過(guò)程完畢。接著土壤水分進(jìn)入蒸發(fā)階段，無(wú)論其上部土層還是其下部土層土壤含水量都逐步的減少，直至恢復(fù)到灌前狀態(tài)。

八、滴頭流量與間距的選取

滴頭流量對(duì)土壤濕潤(rùn)體大小和形狀都有影響。它對(duì)濕潤(rùn)寬度的影響比對(duì)濕潤(rùn)深度的影響大。對(duì)于黏性土, 濕潤(rùn)鋒水平推進(jìn)速率隨滴頭流量增加而增加,但垂直運(yùn)動(dòng)速率隨滴頭流量增加而減小 。滴頭流量越大, 土壤濕潤(rùn)體越寬淺。

對(duì)砂土而言，土壤水分主要以垂直入滲為主，當(dāng)?shù)嗡窟_(dá)到4升/小時(shí)時(shí)，砂土濕潤(rùn)深度可達(dá)60厘米，此時(shí)地表濕潤(rùn)寬度為35厘米左右。因此，粘性土和中壤土滴頭流量不宜超過(guò)3升/小時(shí)，否則不增加入滲深度，地表形成積水。砂土地滴灌滴頭流量可選擇較大值，可取3-4升/小時(shí)。但不能太大，太大會(huì)形成徑流，深層滲漏，漏水、漏肥。

我們建議對(duì)于沙壤土地的滴灌，一次灌水時(shí)間以2～3 h為宜，不宜超過(guò)3 h，否則將出現(xiàn)深層滲透，導(dǎo)致灌溉水的無(wú)效損失而浪費(fèi)。

滴頭流量趨于變小

滴頭流量選小，可增加滴灌帶、滴灌管的鋪設(shè)長(zhǎng)度，可減少支管數(shù)量，可減少閥門(mén)數(shù)量，手動(dòng)系統(tǒng)可減少管理成本，山地尤其如此。

無(wú)測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取滴頭間距：

4升/小時(shí)滴頭流量時(shí):

沙土地選 60cm

中壤土地選100cm

重壤土或粘土: 130cm

2 升/小時(shí)滴頭流量時(shí):

沙土地選 30cm

中壤土地選60cm

重壤土或粘土: 100cm

寬行距、小株距作物滴灌，必須形成連續(xù)濕潤(rùn)帶。密植作物滴灌，必須全面積濕潤(rùn)。

九、施肥對(duì)土壤水分下滲量的影響

施用磷能增加下滲水?dāng)?shù)量，原因是由于磷的磷酸根離子對(duì)粘粒邊緣上的OH-的置換使土壤顆粒團(tuán)聚, 土粒團(tuán)聚的結(jié)果使粒徑增大, 大孔隙數(shù)量增加, 進(jìn)而使淋洗液的數(shù)量增加。

施用氮減少淋洗液數(shù)量是由于氮( 尿素) 施入土壤, 經(jīng)十幾天后轉(zhuǎn)化為NO3- , 由于土壤膠體以帶負(fù)電荷為主, NO3-濃度的增加必然使土壤顆粒的分散度增加, 使土壤小孔隙的比例增加, 進(jìn)而使淋洗液數(shù)量減少。有研究表明單施氮使土壤比表面增加, <0.001 mm 顆粒含量增加, 1 ～ 0.25 mm 團(tuán)聚體含量大幅度減少, 由于<0.001 mm 顆粒主要是有機(jī)膠粒、無(wú)機(jī)膠粒和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體, 這一級(jí)顆粒在水中呈懸濁狀態(tài), 粘著性大, 透水性低, 使土壤毛管水移動(dòng)極慢, 而1 ～ 0.25 mm 團(tuán)粒吸收水分的作用較小, 但釋放水分的能力較強(qiáng)。這一研究結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明施用氮使土壤細(xì)顆粒部分增加, 比表面增加, 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少, 也是土壤下滲水量減少的原因。

適量施用氮能夠減少土壤下滲水總量, 單施磷增加了土壤的下滲水總量, 過(guò)量施用氮土壤下滲水總量減少, 過(guò)量施用磷土壤下滲水總量增加, 氮磷相比較, 氮對(duì)下滲水量起決定作用。氮磷肥對(duì)下滲水累積量存在交互作用, 隨著施氮水平的增加, 磷對(duì)土壤下滲水量的增加作用更加明顯。隨著磷用量的增加, 氮對(duì)土壤下滲水累積量的作用減弱。施用有機(jī)物料后氮對(duì)下滲水累積量的減小幅度變小, 而磷對(duì)土壤下滲水累積量的增加幅度變大。

十、灌溉后的土壤表面蒸發(fā)

土面蒸發(fā)過(guò)程區(qū)分為三個(gè)階段。

（一）大氣蒸發(fā)力控制階段

穩(wěn)定蒸發(fā)階段蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由大氣蒸發(fā)能力決定，可近似為水面蒸發(fā)強(qiáng)度E0。此階段含水率的下限，一般認(rèn)為該值相當(dāng)于毛管水?dāng)嗔蚜康暮剩蛱镩g持水量的50-70%。（通常說(shuō)一個(gè)地區(qū)的蒸發(fā)量大于降水量，蒸發(fā)量指的是水面蒸發(fā)量，和土壤實(shí)際蒸發(fā)量是有區(qū)別的）

（二）表土蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率變化的階段

蒸發(fā)速率急劇降低，有利于土壤墑情的保持。

（三）水汽擴(kuò)散階段

土壤輸水能力極弱，不能補(bǔ)充表土蒸發(fā)損失的水分，土壤表面形成干土層。在此階段，蒸發(fā)面不是在地表，而是在土壤內(nèi)部，蒸發(fā)強(qiáng)度的大小主要由干土層內(nèi)水汽擴(kuò)散的能力控制，并取決于干土層厚度，一般來(lái)說(shuō)，其變化速率十分緩慢而且穩(wěn)定。

土壤保墑措施在第一階段進(jìn)行效果最佳；第二階段次之。可以采用傍晚或夜間灌溉，減少蒸發(fā)，增加表面水分的下滲時(shí)間；表面鋪設(shè)保水性差的材料，例如沙子，使表土蒸發(fā)很快進(jìn)入第二階段；濕潤(rùn)的面積和作物冠層相匹配，減少濕潤(rùn)區(qū)域的陽(yáng)光直射。