土壤学

土壤水分在静水压下要比在大气压下高，它的压力势是相对正值。当它在某个压力下的压力势要比在大气压下的值低时（负压通常认为是张力或者是吸力），压力势就是相对负值。因此，在自由水表面以下的水是正的压力势，而水在此表面是零压力势，并且水在毛细管中（或是在土壤毛细小孔中）上升到此表面以上被描述为是负的压力势。这个概念在图6.6中进行了描述。

正的压力势由于它发生在地下水位以下，因此被称为淹水势，水的静水压力P和大气压相关：

Pgh （6.24）

式中：h是测压水头（在自由水表面以下的负压深度）。那么水的潜在能量就是：

EPdV （6.25）

因此淹水势被认为是每个单元体积内的潜在能量，它等于静水压力P：

PSP （6.26） 土壤水分的的压力势在早的土壤物理学中被称作毛管势，现在称为基质势。它是由于水和土壤基质之间毛细管的相互作用和吸附作用导致的，在土壤中的有效结合水中并且降低了体积水以下的潜在能量。

基质势，基质吸力和土壤水分吸力的概念是可交换的。根据ISSS组织引用的，基质势被定义为负的标准压，与外部的土壤水分的气体压力有关，也和一种溶质与 土壤介质在土壤中通过多孔膜为了和水保持均衡相比是等同的有关。 这个定义表明了张力计的使用既和普通大气压（按照惯例认为是零）有关，也和压力盘萃取装置有关，这种装置使气相充分受压使得液相成为大气压。这项技术将在本章后来进行描述。

FIG 6.6 在自由水水位以下和以上的超大气压和负大气压的压力

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由于在第二章所示，毛细管作用是由水的地表张力和与固体颗粒的接触角而引起的。在一个非饱和的土壤系统中（三相），弯曲半月板的形式，它符合毛细管作用的等式：

P0-PcP(1/R11/R2) （6.26）

式中P0是大气压，（按照惯例认为是零），Pc是土壤水的压力（它要比大气压小）P是土壤水压力亏损（负压）是水分地表张力，R1R2是半月板上任意点的主要曲率半径。

如果土壤只是像个简单的毛细管束，那么毛细管等式可能就足够描述负的压力势（张力或者是吸力）和当半月板被包含时的土壤小孔的半径的关系。然而，除了毛细管作用的现象，土壤也表现出了吸附现象，它在颗粒表面形成了水化信封，这两个土水亲和力机制在图6.7中进行了描述了。薄膜中水的存在（还有凹半月板下的）是最重要的在粘土中和高吸力下，它被双电层和阳离子交换所影响。在砂土中，吸附作用相对不是很重要，而毛细管作用显著。然而，通常是负的压力势是由这两种机制共同作用影响的。毛细管“碶子”是在与吸附薄膜内部均衡的一个状态，而且它们不会被认为是的，过去对于毛细管潜力的说法是不足的，更好的定义是基质势，因为它表示出了由于水对整个土壤基质的亲和力导致的总的影响，包括它的小孔和颗粒表面一起的影响。

FIG6.7 非饱和土壤中的水分受毛细管作用和吸附作用，它们结合产生了一个“负的”基质势，或是基质吸力。

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一些土壤物理学家更愿意把正的压力势从基质势中分离开来，假定她们两个互斥。他们主张土壤水分可能会表现出两种势能中的一种，但不会是两种同时。根据这个观点，非饱和土壤没有压力势，仅表现出负的基质势在负的压力单元内。然而这只是形式上的问题。然而在统一正的压力势和基质势时有一个优点（后者仅考虑为是负的压力势）那就是这个统一的概念允许我们考虑区域中整个的水分分布代表了从饱和带延展到非饱和带的单一连续的势能，在水位以上或者以下。

另外一个可能影响土壤水分压力的因素是环境大气压的一个可能的变化。通常来说，这种影响是可以忽略的，因为大气压几乎保持稳定（尽管小的气压计压力有波动）。然而，在实验室中这种大气压改变土壤水分压力或者是吸力的应用是以个常见的试验。因此，这种影响曾被认为并定义为气压势。在非饱和土壤中

p被认为是等于基质势m和气压势a之和。

在有溶质存在的情况下，液态和汽态在非饱和多孔介质中是相关的，有均衡式子：

mRTlnp (/p0) （6.28）式中：R是水蒸气的气体常数，T是绝对温度，p/p0是相对梯度（就是蒸汽压和大气压—在非饱和介质中的均衡—对 在自由水体中均衡的“饱和”蒸汽压的比值）。土壤水分的能量水平与吸力和蒸汽压的关系在表6.2中给出。

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表6.2 土壤水的能量水平

土壤水势 每个单元水的体每个单元数量 积 erg/g joule/kg bar mm 0 0 0 0 -1×104 -5×104 -1×105 -2×105 -3×10 -4×105 -5×105 -6×105 -7×105 -8×105 -9×105 -1×106 -2×106 -3×106 -4×106 -5×106 -6×106

5土壤水吸力 压力水头 bar 0 0.01 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 3 4 5 6 mm 0 102 510 相对梯蒸汽压度 （torr) 20℃20℃(%) （%） 17.5350 100.00 17.5349 100.00 17.5344 99.997 -1 -5 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -0.01 -0.05 -0.1 -0.02 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -102 -510 -1020 -2040 -3060 -4080 -5100 -6120 -7140 -8160 -9180 -10200 -20400 -30600 -40800 -51000 -61200 1020 17.5337 99.993 2040 17.5324 99.985 3060 17.5312 99.978 4080 17.5299 99.971 5100 17.5286 99.9 6120 17.5273 99.965 7140 17.5260 99.949 8160 17.5247 99.941 9180 17.5234 99.934 10200 17.5222 99.927 20400 17.50 99.851 30600 17.4961 99.778 40800 17.4833 99.705 51000 17.4704 99.637 61200 17.4572 99.556 a在渗透的影响下（可溶性盐），土壤水吸力等于基质吸力，要不然就是基质和渗透吸力之和。

b 在不同吸力值下与土壤均衡的大气相对梯度。

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