土壤水分运移规律及探讨

土壤水分是植物生活的基本条件，也是土壤的重要组成部分，在土壤肥力因素中是最为活跃的因素。“有收无收在于水，多收少收在于肥”，这说明了水在植物生产中的重要作用。

对植物进行灌溉是必不可少的，水分在土壤中如何运移，对科学灌溉非常重要。下面我们以滴灌形式下水分如何运移进行探讨。

一、土壤孔隙

土壤是由固、液、气三相构成的多孔分散体系。土粒之间存在复杂的土壤孔隙，是液相和气相共同存在的空间。

孔隙需按其孔径大小及功能的不同，进行分级。按孔径大小及其作用可分为三类:

(1)无效孔隙。孔径在 0.002 mm以下（接近黏粒大小）。是土壤孔隙中最细微的部分，保持在此间的水分由于被土粒强烈吸附，水分移动极慢，同时植物的根与根毛均难以伸入其内，故供水性极差（相当于吸湿水和膜状水，植物难以吸收）。同时，微生物也极难入侵，使该孔隙内腐殖质很难分解，可保存数百年以上而不能为植物利用。因此，又称其为无效孔隙。土壤质地越黏，土粒越分散，结构性越差的土壤，非活性孔隙越多，无效水越多，通气透水性极差，根系伸展困难，耕作阻力也越大。

(2)毛管孔隙。孔径为0.02-0.002mm（接近粉粒大小）。一般土壤孔径小于0.06mm时，已有较明显的毛管作用，当孔径为0.02-0.002mm 时，毛管作用强烈，水分易于贮存于其中，且毛管传导率大，毛管中所贮水分极易被植物利用，可保证持续供水，故又称之为贮水孔隙（毛管水是植物利用土壤水分的主要形态）。并因根毛与细菌均可在其间活动，故也有利于养分的吸收和转化，对农业生产来说，在保证良好通气性的前提下，毛管孔隙越多越好。（不要等到毛管水大量断裂时，再灌溉，会影响养分的运移，导致肥料利用率下降；也不要高浓度施肥，会损伤根系）

(3)空气孔隙。孔径大于0.02mm（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，因而成为通气的过道。下雨或灌溉时，它可以大量吸收水分，渗水性好，但供水时间短，停止降雨或灌概后，水分不能贮存其间而让位于空气，成为空气贮存地，故又称其为空气孔隙。其中孔径0.3-0.2mm为大孔，排水迅速，植物根可伸入;0.2-0.02mm 为中孔，一般细根不能伸入，但根毛及某些原生动物和真菌可入内。植物的根系也需要呼吸，所有根系通常在空气孔隙中生长，长时间积水会使根系死亡腐烂。

不同土壤质地，土壤孔隙度相差较大。

理想的土壤结构中水分占到20-30%，水分主要分布在土壤的毛管孔隙中；空气占到20-30%，土壤孔隙中水分和空气约各占一半。

理想土壤
二、水分入渗

【概念】一般是指水自土表垂直向下进入土壤的过程，但也不排除如沟灌中水分沿侧向甚至向上进入土壤的过程。

灌溉开始时，土壤含水量低，空气孔隙几乎不含水，毛管孔隙含有部分水，水分通过空气孔隙快速进入土壤，再通过基质势（在分子引力和毛管力作用下）进入毛管孔隙。起初水分入渗速率较快，主要在基质势的作用下运移，随着空气孔隙被填满，速率逐渐下降，接着毛管孔隙也被填充满，在滴头下方表层土壤形成局部的饱和水含量，入渗速率趋于稳定，这时被称为稳定入渗速率（stable infiltration rate）。在水势梯度下，不断的向侧方和下方移动。

开始土壤含水量越低，初始入渗速率越快。

土壤入渗速率随时间变化

不同土壤质地有效水含量及土壤入渗率
三、滴灌条件下的水分运移规律

滴灌属于局部灌溉,其湿润范围小,湿润深度浅,作物根系主要从湿润体内吸取水分,同时根系分布形状又受湿润体形状的影响。

在单点源滴灌入渗情况下,湿润体形状和大小受初始含水率、土壤密度和灌水量的影响; 湿润体的形状近似为椭球体,湿润锋的水平、垂向入渗距离分别与入渗时间具有极显着的幂函数关系。

入渗初期水分运移的主要驱动力是土壤基质势梯度,且在入渗初期形成地表积水,促使水平方向湿润锋的推进速率大于垂向推进速率; 随着入渗时间的延长,重力作用驱动土壤水分运移的比例逐渐增大,此时地表积水的范围已稳定,从而导致湿润锋在垂直方向上的推进速率接近甚至超过水平方向推进速率。

滴灌入渗初期以点源入渗为主,随着入渗时间的延长,湿润半径不断增大,湿润锋形成交汇,滴孔附近的饱和区随之不断增大,且在湿润锋处的土壤含水率变化梯度最大。随着距滴头距离的增加,湿润区土壤含水率降低。随着入渗的进行,湿润体的范围增大,在湿润区前沿,湿润锋处含水率接近等于灌水前的土壤初始含水率。

试验结果表明，湿润体交界面处水分的水平扩散和垂直入渗速率远远大于同一时间滴头下的速率（图7），随着入渗时间的延长湿润体形状也逐渐由椭球体向平行于毛管的带状分布过渡。

供水停止后,上层的水分逐渐递减,而下层土壤的水分逐渐增加,且随着时间的延长,水分变化的速率越来越慢。这是由于水分从湿润层运移到干燥层后,湿润层的水分减少,干燥层的水分增加,土壤中各个深度处的含水率趋于均匀,这使得湿干层之间的水势梯度减小,其水力传导度减小。

四、不同土壤质地下水分运移情况

沙土：砂粒多，黏粒少，粒子间多为大孔隙，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。滴灌时横向湿润面积小，应加大滴头流量，或减少滴头间距，使形成湿润带，避免盐分聚集在根系区域。

壤土：土壤孔隙适宜，透气性较好，保水保肥性较好，滴头间距通常50cm，滴头流量通常为2L/h，容易形成湿润带，适合于多数作物的种植。

粘土：土壤孔隙小，透气性差，保水保肥性好，但容易板结，滴灌时水分难下渗，容易径流，容易使土壤上部泥泞，下部干旱。滴头间距应增大，减少滴头流量。

三种土壤湿润体的地表湿润距离如表2所示，在相同滴头间距和灌水量条件下，随着土壤种类的不同，地表湿润体的湿润距离从小到大依次为砂壤土、中壤土、重壤土，并且随着滴头流量的增加，3种土壤的地表湿润距离均在增大。

3种土壤的入渗湿润体沿滴灌带方向均是交汇锋处湿润浅，滴头下方湿润深。

对于砂壤土，在相同滴头间距和灌水量条件下，滴头流量对湿润体底部曲线弯曲影响不明显，这是由于砂壤土滴灌时地表存在积水造成湿润锋水平运移速度快，相邻湿润锋交汇程度大，使得交汇锋处湿润深度接近滴头下方的湿润深度。与砂壤土相比，在相同滴头间距和灌水量条件下，重壤土的湿润深度稍小，滴头流量越小对湿润体底部曲线弯曲影响越明显，这是由于滴头流量小时，地表滴水区范围小，湿润锋水平运移速度慢，相邻湿润锋交汇程度小。对于中壤土，情况介于砂壤土和重壤土之间。

沙壤土和中壤土在滴头流量小时，垂直入渗深度越深，由于流量小，水平运移距离小，同样灌溉量下，自然垂直下渗多。

垂直滴灌管方向的剖面图在相同滴头流量和灌水量条件下，3种土壤湿润体在垂直滴灌带方向的剖面(30 min)如图2所示。随着土壤种类的不同，湿润体的形状从大到小依次为砂壤土、中壤土、重壤土。这是由于随着滴水时间的推移，土壤团粒结构发生崩解。不同种类土壤，粘粒含量和大小孔隙存在数量和比例上的很大差别。所以，不同种类的土壤入渗能力不同，从而导致湿润锋的运移距离不同。随着土壤粘粒的增加，土壤持水能力越强，垂直入渗速度越小，水平入渗速度增大。

湿润锋交汇处剖面图在相同灌水量条件下，滴灌湿润锋交汇处剖面如图3所示。由图可知，对于砂壤土，在相同滴头间距和灌水量条件下，由于砂壤土中水分受重力势能影响较大，滴头流量越大，交汇锋处的水分主要向下运动，则交汇锋宽度越小，垂直深度越大。对于重壤土，由于土壤水分向水平宽度方向分布，垂直入渗较慢。中壤土介于砂壤土和重壤土之间。

五、不同滴头流量下湿润峰的动态变化

从下图中可以看出，滴水历时相同时，滴头流量越大，径向湿润峰距离越大；0～1 h 是径向湿润峰迅速增大的阶段，之后湿润峰缓慢增加。

从下图中可以看出，滴水开始至1 h 是垂直湿润峰迅速增加的时段，此阶段不同流量滴头的垂直湿润峰没显著区别。之后不同流量滴头的垂直湿润峰出现差别，且大滴头流量对应大垂直湿润峰。垂直湿润峰随滴水历时的增加而呈现出不断增加的趋势。

六、单滴头和多滴头下湿润峰的动态变化

多滴头等间距（d=28 cm）线性布置的径向湿润峰与单滴头并没有明显差别。在0～4 h 内，流量q=1.5 L/h 和q=1.7 L/h 的单滴头的径向湿润峰与多滴头差别不大，滴水历时超过4 h后，多滴头联合滴水的径向湿润峰才开始逐步大于单滴头。

在相同滴头流量条件下，多滴头联合滴水时垂直湿润峰在t=1 h 后明显大于单滴头。滴水1 h 后等间距（d=28 cm）线性布置的滴头已属于线源入渗条件，垂直入渗水量明显高于点源垂直入渗水量，导致多滴头等间距联合滴水的垂直湿润峰大于单滴头点源入渗条件。

七、土壤水的再分布

概念：土壤水入渗过程结束后，水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程。

灌溉结束后，土壤湿润锋面仍不断向外部运移，土壤湿润体不断膨胀，这一过程大约要持续3h-5h。此后，土壤湿润体不再扩展，土壤湿润体的界线变得模糊，这一过程大约经历3-5d。最后的过程是土壤湿润体消失，土壤水分回复到灌溉前状况，需进行再一次的灌溉，这一过程大约为3d左右。

滴灌条件下的土壤水分分布与降雨及漫灌等情况下的土壤水分分布大不一样。据实测结果发现，滴灌后土壤含水率的最大值不在地表，一般在地面以下10cm左右深度处。土壤水分的再分布过程与降雨情况类同，在水分扩散的初期阶段与其润体的湿润锋面扩张情况也一致。即在灌溉结束后，上部土壤水分向下部及周围扩散，上部土壤水分含量减少，下部及周围土壤水分含量增加，这一阶段其上部大约可持续5h左右，其下部则持续的时间可更长。此后，土壤水分处短暂的平衡状态，土壤水分的再分布过程完毕。接着土壤水分进入蒸发阶段，无论其上部土层还是其下部土层土壤含水量都逐步的减少，直至恢复到灌前状态。

八、滴头流量与间距的选取

滴头流量对土壤湿润体大小和形状都有影响。它对湿润宽度的影响比对湿润深度的影响大。对于黏性土, 湿润锋水平推进速率随滴头流量增加而增加,但垂直运动速率随滴头流量增加而减小 。滴头流量越大, 土壤湿润体越宽浅。

对砂土而言，土壤水分主要以垂直入渗为主，当滴水量达到4升/小时时，砂土湿润深度可达60厘米，此时地表湿润宽度为35厘米左右。因此，粘性土和中壤土滴头流量不宜超过3升/小时，否则不增加入渗深度，地表形成积水。砂土地滴灌滴头流量可选择较大值，可取3-4升/小时。但不能太大，太大会形成径流，深层渗漏，漏水、漏肥。

我们建议对于沙壤土地的滴灌，一次灌水时间以2～3 h为宜，不宜超过3 h，否则将出现深层渗透，导致灌溉水的无效损失而浪费。

滴头流量趋于变小

滴头流量选小，可增加滴灌带、滴灌管的铺设长度，可减少支管数量，可减少阀门数量，手动系统可减少管理成本，山地尤其如此。

无测试数据时，根据经验选取滴头间距：

4升/小时滴头流量时:

沙土地选 60cm

中壤土地选100cm

重壤土或粘土: 130cm

2 升/小时滴头流量时:

沙土地选 30cm

中壤土地选60cm

重壤土或粘土: 100cm

宽行距、小株距作物滴灌，必须形成连续湿润带。密植作物滴灌，必须全面积湿润。

九、施肥对土壤水分下渗量的影响

施用磷能增加下渗水数量，原因是由于磷的磷酸根离子对粘粒边缘上的OH-的置换使土壤颗粒团聚, 土粒团聚的结果使粒径增大, 大孔隙数量增加, 进而使淋洗液的数量增加。

施用氮减少淋洗液数量是由于氮( 尿素) 施入土壤, 经十几天后转化为NO3- , 由于土壤胶体以带负电荷为主, NO3-浓度的增加必然使土壤颗粒的分散度增加, 使土壤小孔隙的比例增加, 进而使淋洗液数量减少。有研究表明单施氮使土壤比表面增加, <0.001 mm 颗粒含量增加, 1 ～ 0.25 mm 团聚体含量大幅度减少, 由于<0.001 mm 颗粒主要是有机胶粒、无机胶粒和有机无机复合体, 这一级颗粒在水中呈悬浊状态, 粘着性大, 透水性低, 使土壤毛管水移动极慢, 而1 ～ 0.25 mm 团粒吸收水分的作用较小, 但释放水分的能力较强。这一研究结果进一步说明施用氮使土壤细颗粒部分增加, 比表面增加, 团粒结构减少, 也是土壤下渗水量减少的原因。

适量施用氮能够减少土壤下渗水总量, 单施磷增加了土壤的下渗水总量, 过量施用氮土壤下渗水总量减少, 过量施用磷土壤下渗水总量增加, 氮磷相比较, 氮对下渗水量起决定作用。氮磷肥对下渗水累积量存在交互作用, 随着施氮水平的增加, 磷对土壤下渗水量的增加作用更加明显。随着磷用量的增加, 氮对土壤下渗水累积量的作用减弱。施用有机物料后氮对下渗水累积量的减小幅度变小, 而磷对土壤下渗水累积量的增加幅度变大。

十、灌溉后的土壤表面蒸发

土面蒸发过程区分为三个阶段。

（一）大气蒸发力控制阶段

稳定蒸发阶段蒸发强度的大小主要由大气蒸发能力决定，可近似为水面蒸发强度E0。此阶段含水率的下限，一般认为该值相当于毛管水断裂量的含水率，或田间持水量的50-70%。（通常说一个地区的蒸发量大于降水量，蒸发量指的是水面蒸发量，和土壤实际蒸发量是有区别的）

（二）表土蒸发强度随含水率变化的阶段

蒸发速率急剧降低，有利于土壤墒情的保持。

（三）水汽扩散阶段

土壤输水能力极弱，不能补充表土蒸发损失的水分，土壤表面形成干土层。在此阶段，蒸发面不是在地表，而是在土壤内部，蒸发强度的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制，并取决于干土层厚度，一般来说，其变化速率十分缓慢而且稳定。

土壤保墒措施在第一阶段进行效果最佳；第二阶段次之。可以采用傍晚或夜间灌溉，减少蒸发，增加表面水分的下渗时间；表面铺设保水性差的材料，例如沙子，使表土蒸发很快进入第二阶段；湿润的面积和作物冠层相匹配，减少湿润区域的阳光直射。