第一节 土壤的物理性质及土壤水类型

土壤是由固态土粒、液态水和气态空气三相物质组成的。固态部分是组成土壤的基本物质，约占总体积的50%左右；水所占体积约为2%～45%之间，空气则填充于土壤中的剩余孔隙。土壤中的水和空气处在不停地交换和运动之中，在时间和空间上是经常变化的。

土壤水的性质，取决于水分的基本物理属性，更重要的是取决于土壤中固体颗粒的性质。土壤中的水分主要受土壤颗粒的吸附而保持在土粒周围和孔隙之中，并在其中运动。因此，土壤的机械组成、结构、孔隙大小及形态，以及相应的水理特性是影响土壤水的重要因素。

一、土壤的物理性质

1.土壤的机械组成

土壤中的固体颗粒称为土粒，绝大部分是矿物。土粒按其大小可分为若干组，在同一组内其成分具有相似性，称为土壤颗粒分级。土壤中各粒径级之间的组合比例，即相对含量，称为土壤的机械组成或土壤质地。它是土壤的一种较稳定的自然属性，影响到土壤的吸水、持水、输水和给水等水理特性，因此被普遍用来作为反映土壤物理性质的特征。

土壤的固体物质由大小不同的矿物颗粒组成，其粒径相差很大，从几微米到几厘米。不同粒径的颗粒，物理性质差别很大，按土壤颗粒的粒径大小，可将土粒分为砂粒、粉粒和黏粒。砂粒（粒径为2～0.02mm），颗粒大，比表面积（单位重量土粒的表面积）小，土粒间接触点小，孔隙大，因此，透水性强，毛管上升高度小，遇水不膨胀，干燥时不收缩，无黏着性；粉粒（粒径为0.02～0.002mm），颗粒较小，比表面积大，孔隙较小，透气透水性不强，毛管上升高度较大；黏粒（粒径小于0.002mm），颗粒很细，比表面积很大，形成的孔隙甚小而量大，透气透水性很弱，毛管上升高度大，但上升速度缓慢，遇水膨胀，干燥收缩。

按土壤颗粒的大小及其组合情况，土壤质地大致可分为砂土、壤土和黏土3大类。砂土，砂粒含量在80%以上，粒间孔隙一般较大，透水性强，持水能力弱，毛管孔隙较大，毛管上升高度较小，因孔隙较大，有利于水汽扩散运行，水分蒸发较快；黏土，黏粒含量在60%以上，颗粒间孔隙很小，孔隙相互沟通形成曲折的毛细管孔隙，其透水性差，但持水性强，土壤水分运行缓慢，毛管上升高度大；壤土，含砂粒和黏粒，介于上述二者之间，是我国大部分地区常见的土壤，其水分物理性质也介于上述二者之间，透水性、持水性均属中等。

2.土壤结构

土壤颗粒紧密结合在一起形成一种团聚体，称为团粒结构。土壤又由很多团聚体所组成。土壤颗粒的排列形式会因土壤团聚体的数量及性质而有所不同。这样，土壤的结构就直接影响土壤的孔隙特性，从而影响到土壤的持水、透水等水分物理性质。例如团粒结构的土壤可以使土壤孔隙度提高到55%～65%，甚至更高。团聚体的大小和形状可以分成很多类型。土壤颗粒和团聚体的类型与排列不同，构成了土壤孔隙不同的分布状况。团粒和团粒之间存在着许多非毛管孔隙，这些大的孔隙是良好的水流通道。

3.土壤物理特性的基本指标

（1）土壤密度。土壤密度是指一定体积（除掉孔隙）干燥土粒实体的质量，也称为比重。

式中：ρ为土壤密度，kg/m³；W为土壤重量，kg；V₀为除掉孔隙的土粒实有体积，m³。

（2）土壤干容重。土壤干容重是指在自然条件下，单位体积（包括孔隙在内）干土的重量，简称容重。

式中：γ₀为土壤干容重，kg/m³；V为土壤体积，m³；W_S为自然条件下土壤体积V中的干土重量，kg。

土壤密度主要取决于矿物质的成分。一般变化在2200～3200kg/m³之间，平均值约为2600～2700kg/m³。由于土壤容重包括孔隙在内，所以它小于密度。容重不仅与矿物质成分有关，还与土壤的机械组成，土壤颗粒的排列或结构有关。在自然界中，土壤容重随深度的不同有一定变化。砂土的容重在1400～1700kg/m³之间；黏土为1100～1600kg/m³。我国华北地区各土层的容重大体为：耕作层容重在1000～1400kg/m³之间，底层和紧实耕层在1400～1550kg/m³，最紧实的底土层为1550～1800kg/m³。

（3）土壤孔隙比e。是指一定体积土壤中的孔隙体积V_V与固体体积V_S之比值。

（4）孔隙度（率）n_p。是指单位体积的土壤中所有孔隙体积所占的百分数（即所有孔隙占土壤容积的比）。

式中：n_p为孔隙度，%；V为土壤土样总体积，m³。

n_p与e可以相互转换，即

一般情况下不直接测定土壤孔隙度，可以用土壤密度ρ和容重γ₀来求n_p。由于土壤密度与容重之差值等于孔隙部分所相当的土壤重量，即

自然条件下，孔隙不是被水充填就是为空气所占据，土壤水分形态、特性及运行都与土壤孔隙的特性有着密切关系，所以，土壤孔隙是土壤物理特征的综合反映。

土壤孔隙率的大小，还不足以反映孔隙对水分运行的作用。例如黏土的孔隙率比砂土大，但孔隙的直径小，所以黏土的持水能力强，透水性弱；砂土则相反。从水分运行的观点来看，孔隙可分为3种类型：①无效孔隙（孔径小于0.001mm），这种小孔隙只要几个或几十个水分子就可将它堵塞，孔隙中的水分子受到很大的吸力而保持在孔隙中，所以它既不通水汽，所持的水分子也不参与水分的运行，故称为无效孔隙；②毛管孔隙（孔径为0.001～8mm）。它能产生显著的毛管力作用，有相当大的持水和输水能力；③非毛管孔隙（孔径大于8mm），其孔隙不具有毛细管作用，不能保持水分，但却是水和空气的良好通道。

土壤孔隙率与土壤的类型、耕作情况、植被情况和离地面的深度有关，一般变化在30%～60%之间。位置越深土壤越密实，孔隙率越小，但通常在地面80cm以下孔隙率的变化就不大了。

二、土壤水分的作用力

土壤固体颗粒与水分子经常处于相互作用的状态中，其作用力的性质决定于水分子与土壤颗粒表层分子和离子所固有的不同性质和不同的作用。作用于土壤水的主要力有分子力、毛细管力和重力。由于这些力随时都在变化，水分受力不平衡，所以土壤水分处于经常运动和变化之中，因而决定了土壤水的不同存在形式和运动特性。

1.分子力

分子力是指土壤颗粒表面的分子和离子对水分子的吸引力。分子力的大小与土粒的表面积成正比，表面积越大分子力愈大。紧靠土粒表面的分子力甚大（可达1.01×10⁹Pa），当吸附水分子以后，分子力迅速衰减，以致消失。当达到几十个水分子厚度时，分子力就不再起作用了。水分向土壤颗粒表面结合的现象称为吸附，分子力有时也称为吸附力。

2.毛管力

在未充满水的毛管孔隙中，由于存在液体弯月面的表面张力，形成毛管力，作用于土壤水。若这种力处于不平衡状态，会使土壤水运动，或者保持在土壤孔隙中。毛管力的大小视毛管管径和液面的表面张力的大小而定。

3.重力

土壤水处于重力场之中，受地心引力作用，其大小可用水头表示。

除上述主要作用力以外，土壤水还可能受到渗透压力作用。在水分运动时，还受黏滞力、空气压力等各种力的作用。

在这些作用力中，分子力和毛管力与土壤的机械物理特性密切相关，对不同的土壤其大小是不同的。对于同一土壤，它们又随土壤含水量变化而变化，即在土壤水分运行的不同阶段它们的大小是不同的。在这些力的作用下，导致了土壤水分的运行和动态变化，同时水分的变化又反映了在这些作用力中某些作用的削弱与增长。

三、土壤水分类型

在上述各种力的作用下，根据土壤水分存在的形式和性质，可将土壤水分分为如下类型，如图5-1所示。

1.吸湿水

土粒能吸附空气中水分子的性能称为吸湿性，所吸附的水分称吸湿水。土壤颗粒分子力所吸附的水分，其厚度约为几个到二十个水分子的厚度。紧贴土粒表面的水分子所受的分子吸力可达1.01×10⁹Pa。当在水汽饱和状态下，土壤吸湿水达到最大吸湿量，其外层分子吸力降为3.14×10⁵Pa。由于分子吸力很大，使水分子间的距离已小于正常液态水分子之间的间距，而表现出固态水的性质。吸湿水没有溶解能力，不能自由移动，只能在105～110℃高温下汽化散失，由于紧束在土壤中，对水文现象的影响不大。

2.薄膜水

薄膜水是在吸湿水外面由土粒剩余分子力所吸附的水膜。薄膜水受到的吸力约为3.1～0.625MP_a（1MPa=10000hPa=10大气压），它与液态水的性质基本相似，能以湿润的方式，从一个土粒上较厚的水膜向另一土粒上较薄的水膜移动，如图5-2所示，其速度非常缓慢，一般为0.2～0.4mm/h。但薄膜水不受重力的影响，随着水膜的相互作用，厚度逐渐趋于均匀，速度逐步减小而停止。

因为吸湿水与薄膜水难以自由运动，所以也称为束缚水，吸湿水也称为紧束缚水。

3.毛管水

毛管水是指依靠毛细管的吸引力而被保持在土壤孔隙中的水分。毛管水又可分为支持毛管水和毛管悬着水。

（1）支持毛管水。支持毛管水也称为毛管上升水，地下水面以上由毛细管力所支持而存在于土壤孔隙中的水分。由于孔隙大小分布不均匀，毛管水上升高度也不相同，孔隙愈细，毛管水上升高度愈大，在地下水面以上，形成一个不均匀的水分分布带，称为毛管活动层，它随地下水位的升降而升降。活动层的平均厚度由土壤性质决定。如砂土的活动层厚度为0.3～0.6m。砂质壤土为1m，壤土和黏土为2～3m左右，个别情况可达6m。

（2）毛管悬着水。在地表附近的土壤孔隙中，当下渗的水量通过毛管时，由于毛管孔径不同，毛管力的大小就不同，如向上的毛管力大于向下的毛管力，其合力（向上与向下的力差）能支持一部分水，使其不能到达地下水面而悬吊于地表附近的孔隙之中，称为毛管悬着水。

4.重力水

指土壤中在重力作用下能自由移动的水分。它能传递水压力，在任何方向只要静水压力差存在，就可产生水流运动。土壤中的重力水每时每刻都在不停地运动和变化，是土壤水分中具有较大活动性的部分。按照重力水存在的位置不同，又可分为自由重力水和支持重力水。

（1）自由重力水。自由重力水也称为渗透重力水，是指在重力作用下，沿非毛管孔隙由上到下自由运动。

（2）支持重力水。支持重力水是指在地下水位的支持下，存在于毛管孔隙中的连续水体。或者，由于土层中存在相对不透水层，而使得下渗的水分被暂时滞留于不透水层之上，形成临时饱和水体。

毛管水与重力水都称为自由水，其中悬着水和自由重力水是影响径流形成的重要成分，在一定的条件下可以参与径流的形成。