毛管水

取自 食品百科全书

  毛管水(capillarywater)

　　亦称“毛纲管水”。受毛管压力作用而保持在土壤孔隙中的水分。运动方向和速度依毛管压力的大小而定。毛管水上升高度与毛管半径咸反比，毛管水运动速度与毛管半径平方成正比。粘性土中孔隙小，毛管水上升高度大而运动速度很慢；砂性土中则相反，其上升高度小而运动速度很快；壤土介于两者之间。毛管水与植物生长关系密切。按其存在形式，可分为毛管上升水、毛管悬着水和孔角水。

毛管水的性质

　　土壤毛管孔隙中靠毛管力(弯月面力)作用保持和移动的液态水。按水的来源毛管水可分为悬着毛管水和支持毛管水(上升毛管水)两个基本类型。靠降水和灌溉水下渗到土壤中而存在于毛管孔隙内的水分称为悬着毛管水，与地下水层联系。靠地下水沿毛管上升到土壤中所保持的水分称为支持毛管水，与地下水紧密相接。毛管水是土壤中移动较快而又易被植物吸收和利用的水分，养分在土壤中的迁移和转化，与毛管水密切相关。

农业中的应用

　　在农业生产中，毛管水是最有效的土壤水分。毛管水根据其所处部位及存在状况，又分为毛管上升水和毛管悬着水。毛管上升水是指在地下水支持条件下沿毛管上升的水分；毛管悬着水是指降雨和灌溉后，重力水完全下渗，借助毛管力保持在土壤上层的水分。

　　田间持水量是土壤保水性能的一个重要指标，也是设计田间排灌沟渠、拟订灌排水定额的重要参数。当土壤含水量高于田间持水量时，土壤中开始出现重力水，大孔隙充水，缺少空气，作物根部环境条件恶化。当土壤含水量正好为田间持水量时，土壤水势在一0.14～一0.65大气压之间，由于不同质地土壤的含水量与水势之间的关系不一样，不同质地土壤的田间持水量差别很大。

何谓土壤水分有效性

　　土壤水分实际上并非纯水，而是很稀的土壤溶液，它除供作物吸收外对土壤的很多肥力性状都能产生深远的影响：比如矿质养分的溶解；有机质的分解、合成；土壤的氧化还原状况；土壤的通气状况；土壤的热性质；土壤的机械性能、耕性都与土壤水分有密切的关系。

　　一、土壤水分的类型和性质

　　土壤水分主要来自大气降雨和灌溉水，这些水分进入土壤后，因为受到土壤中作用力的不同而形成不同的水分类型，这些不同类型的水分有不同的性质。

　　1、吸湿水（紧束缚水）：由于固体土粒表面分子引力和静电引力对空气中的水汽分子产生的吸附力而紧密保持的水分称吸湿水，通常只有2—3个水分子层。

　　由于土粒对水汽分子的这种吸附力高大成千上万个大气压，所以这层水分子是定向排列，而且排列紧密，水分不能自由移动，也没有溶解能力，属于无效水。

　　土壤吸湿水含量的高低主要取决于土粒的比表面积和大气相对湿度：一般土壤质地越粘重，OM含量越高，大气相对湿度越大，吸湿水的含量越高。

　　土壤的吸湿水含量达到最大值时的土壤含水量称为最大吸湿量。

　　2、膜状水（松束缚水）：吸湿水达到最大量时，土粒残余的吸附力所保持的水分称膜状水。

　　膜状水厚度可达到几十个水分子层厚度，部分可以被植物吸收利用，但是它仍然受到土粒吸附力的束缚，移动缓慢，仍然不能满足植物的需要。

　　膜状水达到最大量时的土壤含水量称为最大分子持水量。它包括吸湿水和膜状水。

　　3、毛管水：当土壤水分含量达到最大分子持水量时土壤水分就不再受土粒吸附力的束缚，成为可以移动的自由水，这时靠土壤毛管孔隙的毛管引力而保持的水分称为毛管水。

　　毛管水可分为：

　　a、毛管上升水：地下水随毛管上升而保持在土壤中的水分称毛管上升水，毛管上升水与地下水位有密切的关系，会随着地下水位的变化而产生变化，地下水位适当时它是作物水分的重要来源，但地下水位很深时，它达不到根系分布范围，不能发挥补充水分的作用，地下水位浅时会引起湿害。

　　毛管上升水达到最大量时土壤含水量称土壤毛管持水量。

　　b、：毛管悬着水：在地下水位很深的地区，降雨或灌水之后，由于毛管引力而保持在土壤上层中的水分，称为毛管悬着水。它与地下水位没有关系，好像悬浮在土层中一样，它是植物水分的重要来源，对植物的生长意义重大。

　　毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量称田间持水量。

　　4、重力水：土壤含水量超过田间持水量时，多余的水分受到重力的作用而向下渗透，这种水分称重力水。

　　重力水达到饱和时，土壤所有的孔隙都充满水分，这时的土壤含水量称为饱和持水量或全持水量。

　　对于旱地土壤来说重力水，只是暂时停留在根系分布土层，不能被植被持续利用，而且重力水的存在会与土壤空气发生尖锐的矛盾，往往成为多余水或有害水，对于水稻来讲重力水的存在则是必需的。

　　二：土壤水分的有效性

　　土壤水分的有效性是指土壤水分能够被植物吸收利用的难易程度，不能被植物吸收利用的称无效水，能被植物吸收利用的称为有效水。

　　通常把土壤的萎蔫系数看成土壤有效水分的下限，萎蔫系数指的是植物根系因为无法吸水而产生永久萎蔫时的土壤含水量。植物根系要丛土壤中吸收水分，根系的水吸力必须要大于土壤的水吸力，而一般植物根系的水吸力平均在1.5Mpa，所以当土壤水吸力超过1.5Mpa时，植物根系就不能从土壤中吸收水分，而发生永久萎蔫，所以通常是把土壤水吸力达到1.5Mpa时的土壤含水量当作萎蔫系数。

　　通常把田间持水量看作旱地土壤有效水分的上限，所以

　　旱地土壤有效水分得最大量实际上=田间持水量—萎蔫系数

　　三、土壤含水量的表示方法

　　1、质量含水量：土壤中保持的水分质量占干土质量的分数，单位g/㎏。

　　土壤质量含水量rw（g/㎏）=×1000

　　干土质量是指在105℃下烘至恒重时的土壤质量。

　　比如某土壤样品质量为100g，烘干（105℃）后的土壤质量是80g，则质量含水量=×1000=250g/㎏而≠×1000=200g/㎏

　　2、容积含水量：土壤水分容积与土壤容积之比，用Q来表示，单位㎝3/㎝3

　　Q=

　　用百分率表示：容积百分率Q%=×100%

　　容重：单位容积土壤（包括粒间孔隙的原状土）的质量（干重）g/cm3

　　d=

　　Q===×d=×d

　　Q=rw×d÷1000=质量含水量×容重÷1000

　　Q%=rw×d÷1000×100%=质量含水量×容重÷1000×100%

　　3相对含水量：土壤含水量占田间持水量的百分率。

　　相对含水量=

　　4、水层厚度DW：指一定厚度（h），一定面积(s)的土壤中的含水量相当于多少面积相同的水层厚 度。单位：㎜（相当于把厚度为h，面积为s的土层中的水分取出来，放入一个面积同样为s的容器中，容器中水的高度就是我们要计算的水层厚度DW）

　　四、土壤水分的能态

　　土壤水分含量虽然指明了数量的多少，但它并不能反映水分能被植物吸收利用的程度，也不能反映水分运动的方向，这样就产生了利用土壤水分的能量状况研究土壤水分的运动以及被植物吸收利用的难易程度。

　　（一）土水势

　　土水势是指土壤水分在各种力的作用下（吸附力、毛管力、重力等）与标准状态相比，自由能的变化。

　　土水势=土壤水分的自由能－标准状态水的自由能

　　这里面的标准状态水是指与土壤水分等温、等压、等高的纯自由水。

　　与标准状态水相比，土壤水因受到各种力的作用而消耗了一部分能量，土壤水的自由能总是眼、低于标准状态水的自由能，所以土水势一般是负值。

　　根据物理学知识：任何物质的运动在孤立系统和恒温条件下总是从自由能高处向自由能低处移动，对于土壤水分来讲总是从土水势高处向土水势低处移动，也就是土壤水分总是从土水势负绝对值小处向负绝对值大处移动。

　　土水势是作用于土壤水分的各种力的综合效应，它包括几个主要的分势：基质势，渗透势，重力势，压力势

　　1、基质势：土壤基质的吸附力和毛管力所产生的土壤水分自由能变化——基质势。以纯水的势能为0作为参比，基质势是负值，土壤含水量越低，基质势越低，土壤含水量越高，基质势越高。土壤水分完全饱和时，基质势最大接近0。

　　2、渗透势（溶质势）：由于溶解在土壤水分中的溶质所引起的土壤水分自由能变化。以纯水的势能为0作为参比，渗透势是负值，大小主要取决于溶质的浓度，浓度越低，渗透势越大，也就是越接近标准状态水的自由能，浓度越高，渗透势越小。

　　渗透势在土壤水分运动中所起的作用很微小，但是它对植物吸收水分有重要影响，如果土壤溶液浓度过高，土水势低于植物根细胞的水势，植物根系就不能吸收水分，甚至引起植物反渗透而导致植物萎蔫。

　　3、重力势：由作用于土壤水分的地心引力而产生的自由能变化。=

　　一般规定某一特定海拔高度的重力势为零，越过这一高度取正值，低于这一高度取负值。

　　4、压力势：由于受到压力作用而产生的自由能变化。产生于土壤局部空气封闭的土体内而产生的势能，一般取正值，而且数值很小，可以忽略不计。

　　（二）土壤水吸力

　　指土壤水承受一定吸力情况下所处的能态，它不是指土壤对水平的吸引力，它的意义与水势一样，但有以下两点区别。

　　A：土壤水吸力只表示土壤水分受到基质力（吸附力、毛管力）和渗透压力时所处的能态，分别称为基质吸力和渗透吸力。

　　土壤水吸力=基质吸力+渗透吸力

　　B：基质吸力和渗透吸力在数值上分别等于基质势和渗透势，但符号相反。

　　基质吸力=－基质势，渗透吸力=－渗透势

　　土壤水吸力与土水势相比，消除了负号，在运算上带来了很大方便，也能比较形象地反映出土壤基质对水的吸持作用。

　　五、土壤水分状况与作物生长

　　（一）作物对土壤水分的需求

　　1、水分是作物的重要组成部分

　　H2O在作物体内的含量很高，一般作物含水量在60-80%，瓜果类含水量可高达90%以上，水是光合作用的原料（光合作用CO2+H2O→C6H12O6），同时光合产物的运输、新陈代谢都需要水的参与，另外作物从土壤中吸收的水分，通过蒸腾作用可以维持作物体内温度的稳定。

　　2、土壤水分是影响出苗率的重要因素

　　作物种子的吸水量与种子本身的物质组成有很大的关系，比如豆类需要吸收相当于种子重量90—110%的水分才可发芽，而麦类吸收50—60%，玉米40%，谷子25%即可发芽。

　　3、作物不同生育期对土壤水分的要求不同

　　一般作物苗期需水较少，随着作物生长逐渐加大，到生长旺盛时期需水量最大，成熟期需求量逐渐减少。

　　水分临界期：土壤缺水对作物生长和产量影响最严重的时期，称为水分临界期。

　　不同的作物水分临界期不同，麦类：抽穗→灌浆期；玉米：抽雄期；棉花：花铃期，豆科作物：开花期；水稻：孕穗、抽穗期。

　　（二）土壤水分影响作物对养分的吸收

　　1、土壤有机养分的矿化需要水分参与。

　　2、化学肥料在土壤中的溶解需要水分参与，没有溶解的养分不能被吸收利用。

　　3、养分向根表的迁移需要水分参与，养分向根表的迁移主要靠扩散、质流来进行，而扩散和质流都需要以土壤水分为介质。

　　4、根系对养分的吸收无论是主动吸收还是被动吸收都需要以水分为介质。