土壤水分的存在形态分类

除了受水分供应条件和土壤结构的制约，土壤水分还受到多种作用力的影响而保持特定的存在形态或运动方式。这些作用力包括分子力、毛管力和重力等。其中，分子力是指土壤颗粒表面分子对水分子的吸收力，毛管力是指土壤中毛管现象引起的力，重力是指土壤水分所受的地心引力。根据作用力的情况，土壤水分大致可分为束缚水和自由水两大类。

束缚水可分为吸湿水和膜状水。吸湿水是指受分子引力而吸附在干燥土粒表面的水分。吸湿水接近于固态水，对溶质没有溶解能力，原因是此时的分子引力大于31个大气压，土粒表面分子与水分子之间的距离小于液态水分子之间的距离。由于土粒分子的强大吸引力，吸湿水无法自由运动，只有受热气化后才能以气态形式移动。吸湿水主要受土壤颗粒、土壤有机质含量及空气湿度的影响，颗粒小、有机质多的土壤吸湿能力通常较大。与吸湿水不同的是，膜状水是指被吸湿水包围的土壤颗粒与液态水接触后吸附在土壤颗粒外围的水膜。由于分子引力较小（31~6.25个大气压），膜状水可以浸润的方式从水膜较厚的土壤颗粒向水膜较薄的土壤移动，其运动速度较慢，一般小于0.4mm/d。

自由水可分为毛管水和重力水。毛管水是指由于毛管作用而保持在土壤毛管孔隙中的水分，又可进一步分为毛管上升水和毛管悬着水。前者一般表示干旱时期地下水通过毛管作用上升到土壤孔隙中的水分，其上升高度受土壤颗粒大小及结构（毛管）影响，一般为1~5m。毛管悬着水是指降水或灌溉后，凭借毛管作用力而继续保持在土壤上层的水分。毛管水受毛管力的影响，沿毛管力由大到小的梯度方向移动，其移动速度与土壤质地和结构有关。重力水是指在重力作用下自由移动的水分，它总是从重力小向重力大的地方运动。

受不同作用力的影响，土壤水分在某些条件下会存在一定阀值，常称为土壤水分常数。当土壤中的水分含量超过某一阀值时，多余的水分将以另外一种形式存在于土壤之中，因而土壤水分常数具有重要的水文学意义。主要的土壤水分常数包括最大吸湿量、最大分子持水量、凋萎系数、毛管断裂含水量、田间持水量及饱和含水量等。其中，最大吸湿量是指干燥土壤的最大吸湿水量，一般为水分子层的15-20个分子厚度。最大分子持水量指膜状水的最大数量，此时水膜最外层水分子所受的土壤分子引力约为6.25个大气压。凋萎系数是指受土壤分子引力作用而无法被植物根系吸收的水分，一般为膜状水中土壤引力大于15个大气压的水分，总量一般为最大吸湿量的1.5倍，最大分子持水量的38%~75%。田间持水量为毛管悬着水达到最大时的土壤含水量，是土壤在田间或自然状态下保持的最高含水量；超过该值时，水分将以重力水的形态下渗。毛管断裂含水量为毛管悬着水连续状态开始断裂时的土壤含水量，一般约为田间持水量的65%。饱和含水量为土壤孔隙全部被水分充满时的土壤含水量。受土壤质地和结构的影响，不同土壤的土壤水分常数具有较大差异。

土壤水分既具有不同形式的数量特征，也具有不同的能态形式，包括动能和势能。由于土壤水分运动一般较为缓慢，因而其能量的主要形态为土壤水分的势能，简称土水势。土水势由土壤水分的相对位置和内部状态决定，是影响土壤水分存在状态与运动的主要能量。根据土壤水分所受作用力的不同，可将土水势分为重力势、压力势、基质势、溶质势和温度势等不同类型。其中，重力势是土壤水分为保持在土壤某处位置而克服重力作用所做的功，其大小取决于重力场中的参考面。压力势由土壤水分的静水压力所致，是指饱和土壤水中某一深度的水因受上层水压力作用而具有的势能。基质势指在非饱和土壤中，土壤基质对土壤水分吸引（分子力和毛管力）所导致的势能。由于水分吸附在土壤颗粒上，在非饱和土壤水分中，基质势总是低于大气压下纯自由水面的势能（其值为负），而在饱和土壤水中，基质势为零。土壤基质对水分的吸附作用与土壤含水量密切相关，非饱和水的基质势是土壤含水量的函数。溶质势是土壤水分中溶解的溶质作用于土壤水分所产生的势能。溶质对于水分子具有吸引力，因此如果以不含溶质的纯水为参考标准，土壤水分的溶质势亦为负值。由于土壤中含有溶解的土壤水分与纯水并无明显界面，导致土壤水分的溶质势对土壤水分运动的影响并不显著，但对于植物根系土壤水分吸收具有重要作用。综上所述，土水势是各分势的代数和，土壤水分总是从总势大的地方流向总势小的地方。当总水势为零时，土壤水分将处于静止状态。

土壤基质势为负值，是土壤水分含量的函数。为方便研究，一般将基质势的相反数定义为吸力，用于分析与土壤水分之间的关系，即土壤水分特征曲线。该曲线表示非饱和状态下土壤水分的能态与数量之间的关系。当土壤水分达到饱和状态（土壤水分含量最大）时，土壤吸力或基质势为零。当对土壤水分逐渐施加某一引力直至超过某一临界值后，土壤水分将朝引力方向移动，原土壤水分含量也随之降低。随着引力进一步加大，较大孔隙内的土壤水分逐渐排空，土壤水分含量进一步降低。土壤水分的特征曲线受多种因素的影响，主要包括土壤质地与结构以及土壤温度等。不同质地的土壤在同一土壤含水量条件下吸力值不一样，导致土壤水分的特征曲线也不尽相同。一般而言，土壤黏粒含量越高，同一吸力条件下土壤含水量也越大，主要因为黏粒中的细小孔隙发育程度较高。随着引力的逐渐增大，黏土的土壤含水量下降速度最低，而在孔隙较大的砂土中土壤水分下降速度最快。随着温度升高，水分的黏滞性和表面张力下降，土壤水分吸力下降，土壤水分下渗速度也加快。另外，对于同一土壤的脱水过程和吸湿过程不尽相同，脱水过程中相应的土壤吸力大于吸水过程，被称为土壤水分特征曲线的滞后效应，是一个不可忽视的土壤水分特性，从而增加了土壤水分运动方程求解的复杂性和难度。