3.2 实验原理
土壤是由一系列大小不同的不规则颗粒组成，土壤颗粒之间的微小孔隙可被概化为一系列孔径不等的圆形毛管，这一概念是毛管束理论建立的基础。在毛管中水分和空气的界面呈现弯月面形状，水分在这个弯月面下承受一种吸引力，称为毛管力。毛管力的产生主要因为土壤颗粒与水之间的表面张力。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。土壤孔隙的毛管作用强度因毛管直径而异。一般认为[1]当孔隙直径大于8mm时毛管力的作用就几乎消失；直径在8～0.1mm时毛管作用就逐渐显露出来；直径在0.01～0.001mm内毛管作用最为明显；如果直径小于0.001mm，则其间为薄膜水所填充，几乎不起毛管作用，其水分在土壤中保存和运动的性质发生了变化，在土壤学中，薄膜水部分也可以看作是滞留含水量，这一思想建立在两区模型的基础上。
影响沙土中毛细管上升高度和上升速度的主要因素有土壤颗粒成分、孔隙度、结构、水温、矿化度、水化学成分、黏滞度及土的电化学成分等。
毛管上升高度的观测一般采用肉眼观测法，该方法就是通过观察干土或沙土标本在下端有饱和的充分供水条件下，湿润的上界面在土样标本中上升的高度。这种方法直观、方便，但是应用条件的限制比较多。当土壤初始含水量大于某值（黏土的质量含水量大约为12%，沙土的质量含水量大约为8%）时就很难观测到毛管水上升时的湿润界面了；一般情况下，土壤水分的分布并不是非常明显的分段式函数，只有在水分快速升高时才能产生明显的干湿界面。在毛管水上升到一定高度后，进一步上升的速度快速衰减，而界面处含水量在基质势作用下发生再分布现象，界面将越来越不明显。因此，采用管状土壤标本进行毛管上升实验，只能对比不同毛管直径条件下，毛管上升初期的差异，无法得到毛管水上升的最终结果（可参考土壤水分特征曲线的特征进行分析）。
毛管水的移动主要决定于毛管力，在毛管水进行垂直上升运动时，其上升高度取决于毛管力的大小。假定毛管是圆筒形，如图3.1所示，设圆筒直立于水槽内，其半径为r，受毛管力的作用，毛管内的水面上升高度为h，且水面呈凹月面，管中水面的曲率半径为R，凹月面与管壁所形成的湿润角为α，α表示管壁对水柱上升的引力方向，引力的大小在数值上等于表面张力系数σ。设水柱的重量为
图3.1 毛管水受力分析简图
沿铅直方向引力的总和为(https://www.daowen.com)
根据力的平衡原理，G=F，则由式（3.1）和式（3.2）得
式中：h为毛细水上升高度；r为毛细管半径；d为毛细管直径；σ为表面张力系数；γ为水的重度。
在常温条件下，即水的温度为20℃时，σ=0.0736N/m，水的重度可取为γ=9800N/m3，代入式（3.3）得
其中d的单位为mm，h的单位为mm。