土壤物理与水文关系

土壤物理学研究土壤的物理状态和行为，特别是水如何在孔隙网络中保持和移动，固体骨架如何构建，以及热量和空气如何在其中移动。

Definition

土壤物理学是研究土壤物理性质和过程的学科，特别是土壤固体及其孔隙空间形成的多孔介质中水、空气和热量的保持和传输。

Scope

该领域涵盖土壤水的储存和能量状态、通过入渗和非饱和流进行的水分运动、土壤结构和孔隙度的构造，以及热量和气体的传输。它将土壤视为由固体、水和空气组成的三相多孔介质，为灌溉、排水和植物供水提供了物理基础，这里将其限定为土壤-水文关系，以区别于地下水和地表水文学。

Sub-topics

• 土壤结构与孔隙度
• 土壤温度与通气
• 土壤含水量与水势
• 土壤水分运动与入渗

Core questions

• 水如何在土壤中保持，我们如何描述其能量状态？
• 水如何入渗并通过非饱和土壤移动？
• 土壤结构和孔隙度如何控制储存和流动？
• 热量和空气如何通过土壤并影响根系和微生物？

Key concepts

• 土壤水势（基质势、重力势、渗透势）
• 持水曲线
• 田间持水量和萎蔫点
• 水力传导度
• 入渗和非饱和流
• 孔隙度、容重和通气性

Key theories

土壤水势

土壤水的能量状态由其总势描述，总势是重力、基质和渗透分量的总和，它决定了水是否以及向哪个方向移动，以及植物可利用的程度。

理查兹非饱和流方程

理查兹将达西定律与非饱和土壤的质量守恒相结合，得到了一个偏微分方程，其中水力传导度强烈依赖于含水量，这是定量土壤-水动力学的基础。

三相多孔介质

土壤行为受固体、水和空气的相对比例和排列控制；由质地和结构决定的孔径分布控制着持水、排水、通气和热流。

Clinical relevance

土壤物理学是农业和环境水资源管理的基础：它决定了土壤能为植物储存多少水，水入渗和排水的速度，灌溉和排水应如何设计，以及压实和结构损失如何损害根系生长并增加径流和侵蚀。

History

定量土壤物理学起源于白金汉（Buckingham）20世纪初的毛细管势概念、理查兹（Richards）1931年的非饱和流方程，以及20世纪中叶关于持水和田间持水量的研究。希勒尔（Hillel）的著作综合了该领域，将土壤-水物理学与植物生长和环境过程联系起来。

Key figures

• Daniel Hillel
• Lorenzo A. Richards
• Edgar Buckingham

Seminal works

• hillel1998
• richards1931
• brady2016

Frequently asked questions

为什么沙质土壤比黏土土壤干得快？

沙质土壤孔隙较大，在重力作用下排水迅速，保水能力差；而黏土土壤有许多细小孔隙，通过毛细力和表面力保持水分，因此黏土能储存更多植物可利用的水分，干燥速度较慢。

土壤水势是什么意思？

土壤水势衡量土壤中水相对于自由水的能量状态；水从高势流向低势，势能越负，水被束缚得越紧，植物提取水所需的能量就越大。