毛管水capillary water

在毛管作用下保持和移动的液态水。它是土壤中移动较快而易为植物根系吸收的水分，是输送土壤养分至植物根域的主要载体，土壤中发生的各种理、化、生物过程几乎都离不开它。所以，农田土壤的水分管理在很大程度上是为了调节土壤毛管水库容，增加毛管水储量，以创造适合于作物生长的土壤环境。
毛管现象原理 毛管现象发生在土壤固、液、气三相的界面上，由于土粒—水分子间及水分子—水分子间的范德华力和静电引力等作用而产生。
毛管力的产生 由于土粒—水分子间的吸引力超过水分子—水分子间的吸引力，发生水对土粒（毛管壁）的浸润，形成凹月形液面(图1)。凹液面的表面压力p，要较平液面的表面压力p₀为小，两者之差△p=p-p₀是一个负值，好像是凹面上方有一个抽吸力，如同水泵抽水时的抽吸力一样，使水提升，这就是毛管弯月面力，简称毛管力。它是由拉普拉斯方程求得：p=p0+σ(1/R₁+1/R₂)。式中，σ为水的表面张力，R₁和R₂为毛管的两个主要曲率半径，如是圆筒状毛管，则R₁＝R₂＝R，对凹液面来说，它是一个负值。通常把土壤孔隙看作是圆筒状毛管束，所以，上式变为p=po-2σ/R。水对干净土壤的浸润良好，即浸润角θ→0，则cosθ→1，因而曲率半径R与毛管半径r趋于相等。所以，毛管力△p=p-P0=2d/r。由此可见，毛管愈细（毛管半径愈小）则毛管力△p愈大，两者呈反相关。
毛管水运动方向 土体中有无数纵横交错的大小

图1 毛管作用（示意图）
A.毛管凹月面 r为毛管半径 R为凹面曲率半径 θ为浸润角
B.粗细圆管中的毛管水上升 r₁及r₂为毛管半径 H₁及H₂为毛管水上升高度

不同的孔隙通道，毛管水流的方向是：❶由平液面（如地下水面）到凹液面，
❷由大孔隙（其凹液面较平）到小孔隙（凹液面较弯）,
❸由结构体（团聚体）外面（大孔隙）到结构体内部（小孔隙）,
❹由砂土层（孔隙大）到粘土层（孔隙小）等。
❺在质地、结构、孔隙状况相似的条件下，则是由湿土层到干土层。
毛管水流通量和速率 把土壤孔隙系统简化，看作是一组组平行排列而充水的圆筒状毛管，得到泊稷尔方程(Poiseuille equation):毛管流通量F=(nr4/8)△P/1，毛管流速v=F/πr2=(r²/8η)△P/l。式中，r为毛管半径，η为水的粘滞系数，l为毛管水流途径，△P为毛管力（两端表面压力差）,△P/l为毛管力梯度。由此可见，毛管流通量与毛管半径的4次方成正比，如r增大两倍，则通量增大16倍。
毛管水上升高度 如毛管水从地下水面（平液面）上升，达到某一高度H时，上升停止，则△p=2σ/r=Hρg，式中σ为水的表面张力系数，ρ为水的密度，g为重力加速度。所以，毛管水上升高度H=2σ/rρg。在常温下，ρ≈1克/厘米³,σ为74达因/厘米²,g为981厘米/秒²，则得到茹林公式：H≈0.15/r=0.3/d，其中，d为毛管孔径。由此可见，毛管愈细（孔径愈小），毛管力愈强，则毛管水上升高度愈大。
土壤有效孔径 茹林公式中，H和d的单位均为厘米，如把水柱高度H（厘米）换为土壤吸力S（毫巴），把毛管孔径d的单位由厘米改为毫米，则得S（毫巴）=3/d。此式是用吸力平板仪或真空毛管计法测定大小孔隙分布的基础。所得孔径d称为有效孔径或当量孔径。
土壤毛管水的类型 由于土壤质地、结构和层次垒结的情况复杂，按照土壤中毛管水的所处部位和存在状态，可把它分为许多种，而按照它们是不是与地下水有直接的水压上的联系，则可归纳为两个基本类型：支持毛管水和悬着毛管水。
支持毛管水 存在于邻近地下水面的土层中，它是依靠毛管力△p=p₀-p，而直接由地下水面上升来的水分，也称毛管上升水(图1B)。这种毛管水的上升运动，是在地下水面的顶托和支持下发生的。各个土层的支持毛管水量称为毛管持水量，它不仅决定于该土层的质地、结构和上下层孔隙状况，而且随此土层离地下水面的距离而变化很大。在地下水面保持不变时，每个土层的毛管持水

图2 圆筒状毛管中的悬着水
自a至e，逐渐自上端加水，悬着水柱高度随之增大

图3 触点水(a)与环状水(b)

量是一个定值，但在地下水面升降时，各土层的支持毛管水量也随之增减。
悬着毛管水 在地下水位低的地方，整个土壤剖面或其上段与地下水没有直接的水压上的联系，毛管水的保持和移动主要在液体上下两端表面压力差(下端的表面压力大，上端的表面压力小)即毛管力△p=p下-p上的作用下发生(图2)。悬着毛管水的数量达到最大时的含水量，称为田间持水量，它的大小只决定于土壤质地、结构和上下土层垒结等造成的土壤孔隙状况，故对每一个土壤剖面或每一个土层来说，接近一个常值。田间持水量是最重要最常用的土壤水分常数。因为土壤质地、结构、上下层垒结等情况的不同以及土壤含水量的多少，悬着水存在的部位和形态各异，其移动

图4 念珠状毛管中的触点水（毛管水体被大孔隙隔断）

性等性质相差很大。大体上，悬着毛管水可分为连续毛管水和非连续毛管水两类。❶连续悬着毛管水。含水量高时，毛管水水体连续而成整体运动，移动较迅速，是供应植物需要的主要有效水分。
❷非连续毛管水。因种种原因而各部分毛管水呈相互隔绝状态，因而大大限制其移动性和有效性。它也有不同的存在形态，例如： 含水量低的砂砾质土中的触点水、环状水(图3)，毛管水仅聚集于大孔隙边角或四周，未充满孔隙；有砂土夹层的念珠状毛管水(图4)，充水的细毛管孔被不充水的大孔隙隔断； 粘土剖面或有粘土夹层剖面中的封闭毛管水(图5)，其毛管水被“束缚水塞（束缚水占据整个细孔隙）”所堵塞而不能移动。

图5 砂、粘交替剖面中的封闭毛管水