第一节 农田水分状况

一、农田水分存在的形式

农田水分存在4种基本形式，即大气水、地面水、土壤水和地下水，而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。

1.大气水

大气水即空气中的水气，是影响作物蒸腾强度的主要因素。空气湿度低，蒸腾强度大，在土壤水分充足的情况下，蒸腾旺盛可增加作物对水与养料的吸取，从而加快作物生长。所以，在一定程度下，空气湿度低对作物生长有利。但是空气湿度太低，蒸腾强度过大，会造成太多的水分损失，同时，作物根系从土壤中吸取的水量不能满足蒸腾耗水的要求，即入不敷出，作物就会枯萎。

2.地面水

地面水系指存在于农田田面的水分。水稻采用淹灌时，不同生育阶段要求田面有一定的水层，其水层深度与水稻的生育阶段有关；对于旱作物一般不允许田面有较长时间的积水。旱作物受淹时间过长就要减产乃至死亡。若大气降水补给农田水分过多，或洪水泛滥、湖泊漫溢、海潮侵袭或坡地地面径流汇集等使低洼地积水成灾，地下水位过高，出流条件不好等原因，容易形成农田田面积水时，就要采取排水措施，排除地面水。稻田为了控制田面水层和排干晒田，也必须有排水措施。

3.土壤水

土壤水是土壤中各种形态水分的总称，是作物生长的主要水分来源，它和普通水分一样，随着温度的变化，按物理形态分为固态、液态和汽态3种，在不同的温度条件下，水的3种形态可以相互转化。

（1）固态水指土壤水冻结时形成的冰晶，只有在土壤冻结时才会存在，形成时可能会对植物根系产生冻害损伤。

（2）汽态水指存在于土壤空气中的水汽，存在于未被水分占据的土壤孔隙中，有利于微生物的活动，故对植物根系有利，汽态水由于数量很少，约占土壤重量的十万分之一以下，在计算时常忽略不计；汽态水很少被植物直接吸收利用，须凝结为液态水。

（3）液态水是土壤水分存在的主要形式。按运动特性可分为吸着水、毛管水和重力水三类。

1）吸着水。包括吸湿水和薄膜水两种形式。吸湿水是紧紧吸附于土颗粒表面结合最牢固的一层水，又称强结合水。土壤颗粒对它的吸力很大，离颗粒表面很近的水分子，排列十分紧密，-78℃时仍不冻结，不能在重力和毛管力的作用下自由移动，但可转化为气态水而移动。土壤质地越黏，比表面积越大时，它的吸湿能力也越大。吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。

薄膜水。土粒饱吸了吸湿水之后，还有剩余的吸收力，虽然这种力量已不能够吸着动能较高的水汽分子，但是仍足以吸引一部分液态水，在土粒周围的吸湿水层外围形成薄的水膜，以这种状态存在的水称为薄膜水，又称弱结合水。靠重力也不能使膜状水移动，但它本身却能从水膜较厚处往较薄处移动，不过移动的速度极缓慢。薄膜水达到最大时的土壤含水率，称为土壤的最大分子持水率。在数量上包括吸湿水和薄膜水，其值约为最大吸湿量的2～4倍。

2）毛管水。指存在于土壤毛管孔隙中的液态水，亦称毛细管水，即在毛管力作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦或在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。毛管水可传递静水压力，它可以从毛管力（势）小的方向朝毛管力大的方向移动，并能够被植物吸收利用。由于土壤孔隙系统复杂，有些地方大小孔隙互相通连，另一些地方又发生堵塞。毛管水可简略地归为两类：上升毛管水及悬着毛管水。

上升毛管水系指土壤中受到地下水源支持并沿土壤毛细管上升到一定高度的水分，即地下水沿着土壤毛管系统上升并保持在土壤中的那一部分水分。这种水在土壤中的含量，是在毛管上升高度范围内自下而上逐渐减少，到一定限度为止，如图1-1（a）所示。上升毛管水达到最高含量时的土壤含水量称为最大毛管持水量。

悬着毛管水系指当地下水位较低、不受地下水补给影响时，上层土壤由于毛细管作用所能保持的地面渗入的水分（来自降雨或灌水），来源于降雨、融雪和灌溉。完全由毛管力维持，不因重力作用而下移，与地下水无联系，即不受地下水升降的影响，犹如在土壤上层悬挂一般。悬着毛管水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量，如图1-1（b）所示。它是土壤中对作物有效水的上限，常以它作为计算灌溉定额的依据，通常作为灌溉水量定额的最高指标。在数量上它包括吸湿水、膜状水和悬着毛管水。田间持水量的大小，主要受土壤质地、有机质含量、松紧状况等的影响。生产实践中，通常取灌水2～3d后土壤所能保持的水量，作为田间持水量。由于土质不同，排水的速度不同，因此排除重力水所需要的时间也不同。灌水2～3d后的土壤含水率，并不能完全代表停止重力排水时的含水率。特别是随着土壤水分运动理论的发展和观测设备精度的提高，人们认识到灌水后相当长时间内土壤含水率在重力作用下是不断减少的。虽然变化速率较小，但在长时间内仍可达到相当数量。因此，田间持水率并不是一个稳定的数值，而是一个时间的函数，田间持水率在灌溉排水实践中无疑是一个十分重要的指标，但以灌水后某一时间的含水率作为田间持水率，只能是一个相对的概念。此外，对于质地不同的土壤，田间持水率也显示出一定的差异（表1-1）。

田间持水率的测定是在田间进行双环入渗试验。按计划测定的土层厚度，初步确定应入渗的水量，用自动加水器在内环保持薄水层入渗，外环内水层保持与内环水面相平。入渗结束后将田面覆盖，防止地面蒸发，待1～2d后，从地面向下沿垂线测定各点的土壤含水率，其值比较稳定时，各点的平均含水率即为测定土层的田间持水率。

3）重力水。土壤中受重力作用而移动的水分，即土壤中超出毛管含水率的水分，在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。具有一般液态水的性质，除上层滞水外不易保持在土壤上层。重力水虽然可以被植物吸收，但因为它很快就会流失，所以实际上被利用的机会很少；而当重力水暂时滞留时，却又因为占据了土壤大孔隙，有碍土壤空气的供应，反而对高等植物根的吸水有不利影响。

土壤水的增长、消退和动态变化与降水、蒸发、散发和径流有密切关系。在这几种土壤水分形式之间并无严格的分界线，其所占比重视土壤质地、结构、有机质含量和温度等而异。可以假想在地下水面以上有一个很高（无限长）的土柱，如果地下水位长期保持稳定，地表也不发生蒸发入渗，则经过很长的时间以后，地下水面以上将会形成一个稳定的土壤水分分布曲线。这个曲线反映了土壤负压和土壤含水率的关系，亦即是土壤水分特征曲线（见图1-2），由于土壤的粒径组成不同、结构状况不同，所以每一种土壤都有它独特的水分特征曲线。土壤水分特征曲线可通过一定的试验设备确定。在土壤吸水和脱水过程中取得的水分特征曲线是不同的，这种现象常称为滞后现象。曲线表示吸力（负压）随着土壤水分的增大而减少的过程。在曲线中并不能反映水分形态的严格的界限。

根据水分对作物的有效性，土壤水也可分为无效水、有效水和过剩水（重力水）。

土壤水分对作物是否有效取决于作物根系和土壤对水分吸力的对比。作物对水分的吸力因作物的种类、品种和年龄而异，大体在7～30个大气压（1大气压=10⁵Pa）之间，一般认为在15个大气压左右。土壤吸力小于15个大气压的那部分水量，可被作物吸收利用，称为有效水；土壤吸力大于或等于15个大气压的那部分水量不能被作物吸收利用，称为无效水。所以，15个大气压的吸力是有效水和无效水的分界线，相应的土壤含水率的重量百分数叫做凋萎系数（又叫凋萎含水率、萎蔫系数、萎蔫点或凋萎点）。当土壤含水率降低至凋萎系数时，就会使植物无法吸水发生永久性凋萎现象。因此，凋萎系数是作物吸水的下限含水量，约相当于吸湿系数的1.5～2.0倍，也是植物可以利用的土壤有效水含量的下限。凋萎系数不仅决定于土壤性质，而且还与土壤溶液浓度、根毛细胞液的渗透压力、作物种类和生育期有关。

土粒对吸湿水的吸附力高达10000～31个大气压力，所以吸湿水全部为无效水。土粒对膜状水的吸附力为31～6.25个大气压力，所以膜状水中一部分为有效水，一部分为无效水，即水膜外层受土粒吸力小于15个大气压力的那部分水量能被作物吸收利用，而水膜内层靠近土粒，受土粒吸力大于或等于15个大气压的那部分水量则不能被作物吸收利用。

重力水所受吸力很小，在无地下水顶托的情况下，很快排出根系层，不能储存在土壤中，不能被作物吸收利用；在地下水位高的地区，重力水停留在根系层内时，会影响土壤正常的通气状况，这部分水分称为过剩水。

在重力水和无效水之间的毛管水，所受吸力在6.25～0.5个大气压力之间，远比作物吸水力要小，容易被作物吸收利用，属于有效水。一般常将田间持水率作为重力水和毛管水以及有效水分和过剩水分的分界线。

从以上分析可知，土壤有效水量的上限是田间持水率，有效水量的下限是永久凋萎点。在生产实践中，允许土壤含水率的下限要大于永久凋萎点（等于毛管断裂含水量，即土壤中的毛管悬着水，因作物吸收和土壤蒸发而发生断裂的土壤含水率），因为不能等到作物死而不能复活的时候才补充土壤水分，而是要保证作物正常生长，通常以田间持水率60%～70%作为控制下限，如土壤含水率降至土壤田间持水率的60%～70%时，则需要灌溉。因此，土壤田间持水率是确定灌水量和判断是否需要灌溉的一个主要依据。

4.地下水

地下水靠毛细管作用上升到作物根系活动层中的水量可以为作物所利用。但是地下水位如果太高，一般距离地面小于1m 时，则会造成根系活动层内土壤含水率过高，通气不良，根系呼吸困难，有机质的分解减弱，不利于作物对无机养料的吸收，从而造成减产。这种现象一般称为渍害。有渍害的地区必须采取排水措施降低地下水位，避免根系活动层中土壤过湿。在干旱、半干旱地区，浅层地下水消耗于地面蒸发的比重很大，当地下水矿化度高时（如大于3g／L），地下水通过地表蒸发后造成表土盐分的积累，形成盐渍害，需要通过排水降低地下水位。

5.土壤含水率的测定

（1）土壤含水率的表示方法。土壤含水率也称土壤湿度，北方地区俗称为“墒”，是指自然条件下土壤中所含水分的多少。土壤含水率的表示方法有以下4种：

1）以水重占干土重的百分数表示（即重量含水率θ_重）。土壤中实际所含的水重占烘干土重的百分数，可用烘干称重法直接测算。如果用θ_重表示土壤重量含水率，则：

2）以水体占土壤体积的百分数表示（即体积含水率θ_体）。用体积百分数表示土壤含水率便于根据土体的体积直接计算所含水量的体积，或者根据预定的含水量指标直接计算需要向土体补充的水量。因为在田间难以测定土壤水分的体积，在实践中多根据重量含水率换算得体积含水率：

3）以水体占土壤孔隙体积的百分数表示（即孔隙含水率θ_孔）。这种表示方法能清楚地表明土壤水分充填土壤孔隙的程度。与求体积含水率一样，孔隙含水率也可根据重量含水率进行换算：

4）以土壤实际含水量占田间持水率的百分数表示。这种含水量也称土壤的相对含水率或相对湿度，就是把土壤的绝对含水率换算成占田间持水率的百分数θ_相。若绝对含水率采用重量含水率θ_重，则θ_相可表示为：

（2）土壤含水率的测定方法。土壤含水率，是衡量土壤含水多少的数量指标。测定土壤含水率的方法很多，如称重法（包括烘干法、酒精燃烧法和红外线法）、负压计法、TDR法、核物理法（γ射线法和中子散射法）等。

1）烘干法。将采集的土样称得湿重后，放在105～110℃ 的烘箱中烘干至恒重，然后称重，水重与干土重的比值称为土壤含水率。烘干法是最基本的直接测定土壤含水率的方法，也是检验其他方法的基础。为克服烘干法费时的缺陷，可用酒精燃烧法、红外和微波脱水的方法，但其均有不稳定的缺陷。烘干法的优点是操作简单，对设备要求不高，结果直观，对于样品本身而言结果可靠。烘干法的缺点是土样受到破坏，干扰田间土壤水的连续性，深层取样困难，费时费力，且不能做定点连续观测某处的土壤含水率，同时由于田间取样的变异系数较大，难以精确地研究土壤水分的变化规律等。

2）负压计（又称张力计）法。负压计法测量的是土壤水吸力。土壤水分是靠土壤吸力（基质势）的作用而存在于土壤中的。对于同一种土壤含水率越小，土壤吸力越大；含水率越大，土壤吸力越小。当含水率达到饱和时，土壤吸力等于零。负压计就是测量土壤吸力的仪器，由陶土头、集水管和负压计3个部分组成（见图1-3）。陶土头插入土壤中，水能自由通过，土粒不能通过。陶土头上端接集水管，开始测定时应充满水分。集水管上部再接负压计，负压计可采用机械式负压计（真空表）、装有水银的“U”形管或数字式负压计。陶土头安装在被测土壤中之后，在土壤吸力作用下，张力计中的水分通过陶土头外渗，这时集水管里会产生一定的负压。在灌溉或降水后，土壤含水量增加，土壤中的水分又能回渗到集水管。当张力计内外水分达到平衡时，读取负压计显示的负压，再根据事先按不同土壤率建立土壤吸力与土壤含水率的关系曲线即土壤水分特征曲线（如图1-2所示，可通过同时测定负压计读数和用烘干法测定土壤含水率来建立），求出土壤含水率。

负压计法是一种应用较广泛的方法，它的优点是负压计的结构简单，操作方便，能定量连续观测土壤含水率及其变化过程，而且受土壤空间变异性的影响较小，既可用于扰动土壤，又可用于原状土样。

其缺点是反应慢，需长时间后才能达到水平衡，不能快速跟踪土壤水分变化，且量测范围受到限制，多数情况下所测得的最大吸力为0.8～0.9×10⁵Pa，不适用于测定非常干燥的土壤含水率，负压计与土壤的接触不易保证，经常会产生较大误差。

3）TDR法。TDR法即时域反射仪（Time Domain Reflectrometry）法，是一种通过测量土壤介电常数来获得土壤含水率的一种方法，它利用土壤的介电常数随土壤含水率的增大而增大且关系密切的规律，根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的传输时间的不同，计算出被测土壤的含水率。该方法测量范围大，测量快速准确，安全方便，受土壤理化特性变异影响较小，不破坏土壤结构，是目前使用广泛的一种方法。TDR方法的优点是测量速度快，测量范围大，操作简便，精确度高，可连续测量，既可测量土壤表层水分，也可用于测量剖面水分，既可用于手持式的时实测量，也可用于远距离多点自动监测，测量数据易于处理，安全方便，受土壤理化特性变异影响较小，不破坏土壤结构。其缺点是电路复杂，仪器价格昂贵。

4）中子法。中子法就是用中子仪在田间测定各土层的土壤含水量。中子法的优点是测量简单，快速，精度高，它可以在原地不同深度周期性地反复测定而不破坏土壤，受温度和压力的影响小。其缺点是设备昂贵，测量受土壤的物理和化学特性影响较大，测量范围为一球体，且在安装套管时还会破坏土壤。另外，中子可能会对使用者的身体健康有影响。为了减小误差，最好做好田间标定（如烘干法）。

此外，土壤含水率的测定方法还有电阻法、γ-射线法、驻波比法及光学法，等等。

二、农田水分状况

1.旱作地区农田水分状况

旱作地区的各种形式的水分，如地面水和地下水不能直接被作物吸收利用，必须适时适量地转化成为作物根系吸水层中的土壤水，才能被作物吸收利用。通常地面不允许有积水，以免造成淹涝，危害作物；地下水一般不允许上升至根系吸水层以内，以免造成渍害。因此，地下水只应通过毛细管作用上升至根系吸水层，供作物利用。这样，田面水需及时排除，地下水必须维持在根系吸水层以下一定距离处。

在不同条件下，地面水和地下水补给土壤水的过程是不同的，现分别介绍如下：

（1）当地下水位埋深较大和土壤上层干燥时，如果降雨或灌水，地面水逐渐向土中入渗，在入渗过程中，土壤水分的动态状态如图1-4所示。图中曲线0为田面水下渗前的土壤含水率分布曲线，降雨或灌溉开始时，水自地面进入表层土壤，使其接近饱和，但其下层土壤含水率仍未增加，此时含水率的分布如曲线1所示；随着降雨或灌溉的进行，在土壤一定深度内，分水量会逐渐增加，表层土壤会达到饱和，如图中曲线2为降雨或灌溉停止时土壤含水率分布曲线；雨停后，达到土层田间持水率后的多余水量，则将在重力及毛管力的作用下，逐渐向下移动，经过一定时期后，各层土壤含水率分布的变化情况如曲线3所示；再过一定时期，在土层中水分向下移动趋于缓慢，此时水分分布情况如曲线4所示；上部各土层中的含水率均接近于田间持水率。

在土壤水分重新分布的过程中，由于植物根系吸水和土壤蒸发，表层土壤水分逐渐减少，其变化情况如图1-4中曲线5及曲线6所示。

（2）当地下水位埋深较小，作物根系吸水层受上界面降雨或灌溉水补给，而下界面又受上升毛管水的影响，土层中含水率的分布和随时间的变化情况如图1-5所示。

在上升毛管水能够进入作物根系吸水层的情况下，地下水位的高低便直接影响着根系吸水层中的含水率，如图1-6所示。在地表积水较久时，入渗的水量将使地下水位升高到地表与地面水相连接。

作物根系吸水层中的土壤水，以毛管水最容易被旱作物吸收，是对旱作物生长最有价值的水分形式。超过毛管水最大含水率的重力水，一般都下渗流失，不能为土壤所保存。因此，很少能被旱作物利用。同时，如果重力水长期保存在土壤中，也会影响到土壤的通气状况（通气不良），对旱作物生长不利。所以旱作物根系吸水层中允许的平均最大含水率，一般不超过根系吸水层中的田间持水率。当根系吸水层的土壤含水率下降到凋萎系数以下时，土壤水分也不能为作物利用。

当植物根部从土壤中吸收的水分来不及补给叶面蒸发时，便会使植物体的含水量不断减小，特别是叶片的含水量迅速降低。这种由于根系吸水不足以致破坏了植物体水分平衡和协调的现象，即称为干旱。由于产生干旱的原因不同，可分为大气干旱和土壤干旱两种情况。在农田水分尚不妨碍植物根系的吸收，但由于大气的温度过高和相对湿度过低，阳光过强，或遇到干热风造成植物蒸腾耗水过大，都会使根系吸水速度不能满足蒸发需要，这种情况称为大气干旱。我国西北、华北均有大气干旱。产生大气干旱的原因是干热风所致，干热风天气的指标是：日最高气温≥30℃、日最小相对湿度≤30%、风速≥3m／s（或3 级以上）。大气干旱过久会造成植物生长停滞，甚至使作物因过热而死亡。防止大气干旱的措施有：设置防风护田林，减小风速；进行喷灌、雾灌，降低气温，增加空气湿度等。若土壤含水率过低，植物根系从土壤中所能吸取的水量很少，无法补偿叶面蒸发的消耗，则形成所谓土壤干旱的情况。短期的土壤干旱，会使产量显著降低，干旱时间过长，即会造成植物的死亡，其危害性要比大气干旱更为严重。为了防止土壤干旱，最低的要求就是使土壤水的渗透压力不小于根毛细胞液的渗透压力，凋萎系数便是这样的土壤含水率临界值。

土壤含水率减小，使土壤溶液浓度增大，从而引起土壤溶液渗透压力增加。因此，土壤根系吸水层的最低含水率，还必须能使土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值，以免发生凋萎。这对盐渍土地区来说，更为重要。土壤水允许的含盐溶液浓度的最高值视盐类及作物的种类而定。按此条件，根系吸水层内土壤含水率应不小于θ_min：

式中 θ_min——按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率（占干土重的百分数）；

S——根系吸水土层中易溶于水的盐类数量（占干土重的百分数）；

C——允许的盐类溶液浓度（占水重的百分数）。

养分浓度过高也会影响到根系对土壤水分的吸收，甚至发生枯死现象。因此，在确定最小含水率时还需考虑养分浓度的最大限度。

根据以上所述，旱作物田间（根系吸水层）允许平均最大含水率不应超过田间持水率，最小含水率不应小于凋萎系数。为了保证旱作物丰产所必须的田间适宜含水率范围，应在研究水分状况与其他生活要素之间的最适关系的基础上，总结实践经验，并与先进的农业增产措施相结合来加以确定。

2.水稻地区的农田水分状况

水稻是喜水喜湿性作物，其栽培技术和灌溉方法与旱作物不同。因此，稻田水分存在的形式与旱作地区农田水分存在的形式也不相同。我国水稻灌水技术，传统上采用淹灌法，即采用田面经常（除烤田外）有一定水层的灌溉方法，所以水分会不断地向根系吸水层中入渗，供给水稻根部以必要的水分。从水稻生理要求来看，除萌芽与蜡熟期适宜的水分状况为田间持水率的70%～80%外，其余各时期要求土壤水分达到饱和才能满足水稻生理上的水分要求。根据地下水埋藏深度，不透水层位置，地下水出流情况（有无排水沟、天然河道及人工河网）的不同，地面水、土壤水与地下水之间的关系也不同。

当地下水位埋藏较浅，又无出流条件时，由于地面水不断下渗，使原地下水位至地面间土层的土壤空隙达到饱和，此时地下水便上升至地面并与地面水连成一体。

当地下水埋藏较深，出流条件较好时，地面水虽然仍不断入渗，并补给地下水，但地下水位常保持在地面下一定的深度。此时，地下水位至地面间土层的土壤空隙不一定达到饱和。

保持适宜的淹灌水层，能对稻作水分及养分的供应提供良好的条件；同时，还能调节和改善其他如湿、热及气候等状况。但过深的水层（不合理的灌溉或降雨过多造成的）对水稻生长也是不利的，特别是长期的深水淹灌，更会引起水稻减产，甚至死亡。因此，淹灌水层上下限的确定，具有重要的实际意义。通常与作物品种发育阶段、自然环境及人为条件有关，应根据实践经验来确定。

近年来，在安徽、江苏、山东、湖南、四川、湖北、广西等省（自治区）进行了试验，逐步形成了“浅水灌溉”、“间歇灌溉”和“浅、晒、湿”灌溉及“浅、晒、深、湿”等节水型灌溉方式。