1）吸湿水：室内自然风干的土壤似乎不含水分，但将其放在烘箱中（105~110℃）烘干后称重，其重量会减轻，但放回空气中经过一段时间后，其重量又会增加。这种增减的水量即为土壤的吸湿水，这部分水分不能被作物吸收利用。
2）薄膜水：当土壤的吸湿水达到最大量以后，在土壤颗粒吸湿水的外层会形成一层薄膜状的液态水，这种水可在土壤颗粒之间缓慢移动，部分可被作物吸收利用。
3）毛管水：土壤颗粒之间的孔隙一般被看作细小的毛细管，在毛管中水分和空气的界面呈现弯月面形，水分在这种弯月面下承受一种吸引力，称为毛管力。土壤中的毛管水就是依靠毛细管的吸引力而被保持在土壤孔隙中的水分，毛管水可在土壤中运动，也可为作物吸收利用。
4）重力水：当土壤中的水分超过了土壤颗粒的引力和毛管力的作用范围以后，多余的水分会在重力的作用下沿着土壤孔隙向下运动，这部分水即称为重力水。由于重力水不易保持在土壤上层，故绝大多数没有机会被作物利用。
土壤水也遵循自然界物质变化运动的规律，从能量高的地方流向能量低的地方，最后达到能量的平衡。降雨或灌溉时，首先是表层土壤被水分所饱和，之后，多余的水分会在重力的作用下进入第二层土壤，当第二层土壤被水分饱和后，它又会进入第三层土壤，依次类推。每次灌溉后，水分所能达到的土壤深度称为湿润深度。它是制订灌水定额的科学依据，原则是使湿润深度和作物根系的主要分布层相吻合。
由于作物根系分布在土壤剖面的不同深度，且有量的差异，因而作物对不同深度土壤水分的利用也不相同。一般来讲，由于表层根系较多且受大气条件影响较大，表层土壤耗水量往往是最大的，随着深度的增加，根系量逐渐减少，作物对土壤水分的消耗量也越来越少。这样当作物收获时，土壤深层会剩余大量未被作物利用的水分，如何充分利用土壤深层水分也是节水农业中的一个重要内容。如苗期适当干旱，促进根系下扎，这样便可多利用土壤深层储水，达到节水增产效果。
（2）土壤水在水循环中的地位
农田水循环是指大气水、地表水、土壤水、作物水、地下水在农田中的相互转化过程。
1）大气水。主要指大气降水（包括雨、雪、霜、露水等），它是地表水、土壤水，地下水的总来源，又控制着后三者。
2）地表水。主要指地表径流，受地形、地貌、土壤、植被等下垫面条件的共同影响，大气降水一部分转化为地表径流，绝大部分则被土壤拦蓄、入渗转化为土壤水，在重力作用下，其中一部分下渗转化为地下水。
3）地下水。是储存于地下多孔介质含水层的那部分水分，它不仅被开采作为城乡生活用水和工农业供水的主要水源，而且还可通过土壤毛细管上升转化为土壤水。
4）作物水。是指保持在作物体内的那部分水分，对作物的生长发育至关重要，其主要通过根系吸收土壤水，在体内完成使命后，最后通过作物蒸腾作用转化为大气水。
5）土壤水。是储存于多孔介质土壤中的水分，一般处于非饱和状态，可接受大气降水、地表水、地下水及灌溉水的多重补给，主要消耗在地表蒸发和植物蒸腾，在农田，农作物生长所需的实际蒸发蒸腾量又将土壤水转化为大气水。显然，非饱和土壤是“四水”相互转化的核心场所。土壤水是“四水”转化的中心环节。我国科学家在河南商丘的研究表明：在作物参与下，“四水”转化中大气降水的80%转化为土壤水，约10%转化为地下水，约8%转化为地表水，作物实际耗水中约90%是吸收利用的土壤水，这也充分说明了土壤水分在农业生产中的重要性。
（3）土壤水的有效性
土壤水有效性指土壤水对植物的有效程度。不能被植物吸收利用的称为无效水，能被植物吸收利用的称为有效水。土壤田间持水量和永久萎蔫点对土壤水有效程度有很大影响，是两个重要的土壤水分参数。
田间持水量：指充足灌溉或大雨之后3天内，土壤水势为-0.2兆帕时的土壤含水量。永久萎蔫点：指作物不能从土壤中吸水或作物发生永久萎蔫时的土壤含水量，此时的土壤水势通常为-1.5兆帕。
不同的土壤质地，这两个土壤水参数的值不同，一般随土壤颗粒的增大而减小。可利用的土壤水常指从田间持水量到凋萎点之间的含水量，也称为土壤水库的有效库容。
土壤水有效性在田间持水量和永久萎蔫点之间的变化规律，多年来学术界一直存在着争论。一种意见认为：在一定温度条件下，从田间持水量到永久萎蔫点之间土壤水对植物同等有效，也就是说在此范围内，植物的功能并不因土壤含水量的下降而受到影响。另一种意见认为：土壤水对植物的有效性随土壤湿度的下降而降低。还有一种意见则认为：在此范围内存在着一个“临界点”，高于“临界点”对植物的有效性相同；低于“临界点”对植物的有效性随土壤含水量的降低而降低。
对我国西北黄土区的研究表明：在田间持水量附近土壤水有效性下降较快，但在40%~80%田间持水量范围内，土壤水分的有效性下降非常缓慢。因此，在这些地区推行节水农业时，可充分利用这一特点，大量减少灌溉用水，使作物以消耗灌溉水为主转向以消耗土壤水为主，以达节约用水的目的。
（4）土壤水的表示方法
土壤水的表示方法很多，常用的有以下几种：
1）质量含水量（克/千克）。是指土壤中保持的水分质量占干土质量的分数。其中干土质量是指在105℃下烘至恒重时的土壤质量。比如某土壤样品质量为100克，烘干（105℃）后的土壤质量是80克，则质量含水量=250克/千克。
2）容积含水量（厘米3/厘米3）。是指土壤水分容积与土壤容积之比。其等于土壤重量含水量乘以土壤容重，可反映土壤孔隙的充水程度，计算土壤的固、液、气相的三相比。
3）相对含水量（%）。土壤含水量占田间持水量的百分率。
4）水层厚度（DW）。指一定厚度（h）、一定面积（S）的土壤中的含水量相当于多少面积相同的水层厚度。单位：毫米（相当于把厚度为h，面积为S的土层中的水分取出来，放入一个面积同样为S的容器中，容器中水的高度就是要计算的水层厚度）。
5）有效含水量。土壤中的水分并不是全能被作物根系吸收利用。土壤有效含水量是指能够被作物吸收利用的水含量。有效含水量（%）=田间持水量（%）-凋萎系数（%）。
3.1.5作物水分利用效率
（1）作物水分利用效率
作物水分利用效率可分为三层次：叶片水平上的水分利用效率、群体水平上的水分利用效率和产量水平上的水分利用效率。
1）叶片水平上的水分利用效率。也称之为水的生理利用效率或蒸腾效率，指光合速率与蒸腾速率的比值，是水分利用效率的理论值。一般用光合测定仪等仪器可直接测定。
2）群体水平上的水分利用效率。作物群体的水分利用效率为作物群体CO2净同化量与蒸腾量之比，也即群体CO2通量和作物蒸腾的水汽通量之比。与单叶水平水分利用效率相比，更接近实际情况。农田群体CO2通量和水汽通量采用波文比-能量平衡法或涡度相关通量法测定。
3）产量水平上的水分利用效率。为产量与耗水量之比，产量可以为生物产量或经济产量，经济产量更接近农业生产实际；耗水量包括了土壤表面的无效蒸发，对节水更有实际意义。
对于作物耗水量，又可分为三种情况：一是作物总的耗水量，即蒸散量，这是人们普遍所指的水分利用率，也称为蒸散效率；二是灌溉水量，即灌溉水利用率，它对确定最佳灌溉定额是必不可少的指标，在节水灌溉中意义重大；三是天然降雨，即降雨利用率，它是旱地节水农业中的重要指标。
（2）作物水分利用效率的影响因素
作物水分利用效率是一个受遗传基因控制的性状，同时受环境因素和栽培条件的影响。
1）内在因素。根据作物不同的光合作用途径，可分为C3、C4、CAM三类。
A.C3作物。当光照强度超过全日照约1/3时，光合作用就达到饱和，另外这类作物在光下还有光呼吸过程（可消耗净光合产物的20%~75%，视CO2浓度、光温条件而异）。由于C3作物较强的光合过程，其光合生产率及水分利用效率都较低。如小麦、水稻、棉花、大豆、向日葵等。
B.C4作物。它具有不同于C3作物的叶片解剖结构和高活性的PEP羧化酶，光强很高时，叶片光合速率仍继续上升，无明显光饱和点，光呼吸速率很低。与C3作物相比，其光合生产率和水分利用效率都较高，水分利用效率约为C3作物的2倍。如玉米、高粱、甘蔗等作物。
C.CAM作物。具有反常的气孔行为，晚上气孔开放吸收CO2，形成四碳酸；白天气孔关闭以避免蒸腾失水并进行CO2还原。CAM植物适应于在炎热、干燥、强烈日照和昼夜温差大的荒漠环境下生存，对干旱有非常强的抵抗能力，也有最高的水分利用效率。如菠萝、剑麻、仙人掌等。
除了作物种间的水分利用效率差异外，品种间水分利用效率也存在差异。
2）外界环境因素。影响作物水分利用效率的环境因素很多，主要包括土壤水分、大气湿度和大气CO2浓度等。
A.土壤水分。作物水分利用效率的峰常对应于有效土壤水分的谷。在灌溉或降雨后，作物水分利用效率随有效土壤水分的增大而减少。在灌溉和降雨的间歇，有效土壤水分逐渐下降，而作物水分利用效率则有所上升。水分利用效率的日变化受土壤水分影响。土壤水分较低时，水分利用效率日变化明显，日较差较大；灌水后，土壤水分增高，水分利用效率日变化不明显，日较差很小。
B.大气湿度。一般用水汽压、相对湿度、饱和差等表示。无论是叶片水平还是群体水平的水分利用效率与饱和差均是负相关关系，水分利用效率随饱和差增加而降低，开始时下降迅速，到一定临界值变得平缓，通过农艺措施如能将饱和差控制在此阈值范围内，将能保证水分利用效率维持在较高水平。
C.大气CO2浓度。大气CO2浓度是叶片光合作用的驱动因子，叶片光合速率在某种程度上取决于叶片内外CO2浓度梯度。一般来讲，随CO2浓度提高，不论是叶片水平还是群体水平上水分利用效率均有增大的趋势。大气CO2浓度也是影响群体水分利用效率日变化的重要因素之一。清晨地表大气CO2浓度较高，群体水分利用效率较大。随太阳辐射渐强，地表大气CO2浓度逐渐下降，群体水分利用效率也很快降低。
3.2我国灌溉史与地面灌溉技术〖1〗3.2.1灌溉发展历程（1）古文明时期中国的古文明是从洪水治理开始的，聚居在黄河中游的部落在大禹的带领下战胜了洪水，中华民族由此进入强盛时期，史上第一个王朝——夏朝诞生。夏朝之后，中国进入了商周时期，开始了以农耕文明为特征的奴隶制社会，这一时期是灌溉工程的起源期。殷墟出土的公元前1300年的甲骨文已有象形字“井”，说明了当时已有了凿井取水的设备；“甽”“畊”“畓”等字也反映了当时已有了利用流水、凿井取水灌溉田地的简单技术。
经过战国时期数百年的诸侯战争，最后齐、楚、燕、韩、赵、魏、秦七国称雄天下，这些国家都有发达的农业，有数量较多的灌溉设施。其中魏国、秦国和楚国是兴建水利工程最多、规模最大的国家，许多工程为后来的大型灌区奠定了基础，如魏国的引漳十二渠，不仅保障了农业灌溉，还是魏国邺城重要的水源，邺城在后来的魏晋时期，作为重要的政治和经济中心长达600多年。
战国末年，秦国修建了第一座灌溉工程郑国渠，并在长江上游岷江上修建了都江堰，二者是这个时代标志性的水利工程，是后来秦一统天下、建立秦王朝的重要根据地，并持续影响中国灌溉工程建设2000多年。
随后的汉朝时期，郑国渠、都江堰都获得长足的发展，并且其他灌溉工程发展迅速，发明了灌渠上的闸门、输水隧洞等。东汉的班固在《汉书·沟洫志》中记述了汉朝自汉武帝黄河堵口以后朝廷上下“争言水利”以及灌溉工程的建设情况。东汉末年，由于战争，大量人口南迁，科学技术也随之传至黄河以南，是南方水利工程的开创时期。
汉朝以后的地方割据时期，用于粮食加工的水磨、水碾等水力机械，用于灌溉和排水的筒车及小型机具等开始进入皇亲势族的庄园。唐朝，是中国古代文明辉煌的朝代，灌排工程进入持续发展阶段。唐《水部式》、宋《农田水利约束》为代表的国家水法的颁行，标志着中国古代水利行政管理进入了成熟期。唐宋间繁荣的商业和发达的农业使水力加工和水力提灌机械得以广泛应用，水磨、水碾、水纺车和水力筒车进入寻常百姓家庭。
元、明、清时期，中国灌溉工程发展很快，因地制宜地建造了许多具有鲜明时代和地域特点的灌溉工程，如新疆的坎儿井、台湾的山区河流引水灌溉工程。
清康熙年间，灌溉工程发展更为迅速，粮食产区大大扩展，即使在干旱的西北和寒冷的东北也有粮食生产，并创造出“湖广熟，天下足”的区域农业。
