土壤物理学-课后习题

土壤物理学第一章土壤基质以及基质特征1、什么是土壤的基质？基质一词有什么特别的含义？土壤基质特征指的什么？土壤基质：土壤固体部分的物理结构状态称为土壤基质，是一个多分散多孔的体系。与土壤固体一词相比，土壤基质一词更强调土壤的分散和多孔的特性。土壤基质的分散性是指土壤的固体物质是由不同比例的、粒径粗细不一、形状和组成各异的颗粒物所组成。自然土壤一般由分散的粒径不同的土粒和团粒组成。各分散的土粒和团粒以及团粒内必然存在许多孔隙，大多数土壤基质中的孔隙所占的容积为一半左右，一般用孔隙度来表示。基质特征通常包括土粒和团粒的粒径分布，土壤比表面积和土壤孔径分布。有时可包括有机胶体的数量和粘粒矿物的种类。土壤基质特征是土壤成土过程的产物，是物理和能量在土壤中保持和运动以及植物生长的基础或介质。不了解土壤基质特征，也就无法了解土壤各项运动过程的真实状况。2、哪种土壤结构最好？土壤的团粒结构最好，土壤团粒结构中由若干土壤单粒粘结在一起形成为团聚体的一种土壤结构。因为单粒间形成小孔隙、团聚体间形成大孔隙，所以与单粒结构相比较，其总孔隙度较大。小孔隙能保持水分，大孔隙则保持通气，团粒结构土壤能保证植物根的良好生长，适于作物栽培。团粒是由多种微生物分泌的多糖醛酸甙、粘粒矿物以及铁、铅的氢氧化物和腐殖质等胶结而成的。总之土壤团粒结构是通过干湿交替、温度变化等物理过程，化学分解和合成等化学过程，高等植物根、土壤动物和菌类的活动等生物过程以及人为耕作等农业措施因素而形成的，其中以人类耕作等农业措施对土壤团粒结构的形成影响最大。良好团粒结构具备的条件：①有一定的结构形态和大小；②有多级孔隙；③有一定的稳性；④有抵抗微生物分解破碎的能力。团粒结构对土壤肥力的作用：①能协调水分和空气的矛盾；②能协调土壤有机质中养分的消耗和积累的矛盾；③能稳定土壤温度，调节土热状况；④改良耕性和有利于作物根系伸展。？3、某人做土壤粒径分析实验，得到土样各粒级占干重的百分率如下：粒径范围/mm2~11~0.250.25~0.200.20~0.100.10~0.050.05~0.020.02~0.010.01~0.0050.005~0.0020.002~0.001小于0.001百分率%0.2620.1550.0640.09217.1975.01622.5119.9918.03710.25826.417根据以上数据，求做土壤粒径分布图，并根据国际、美国、前苏联和中科院南土所所确定的土壤质地划分标准确定供试土样质地。土壤粒径分布曲线的横坐标为粒径d(mm)，一般为对数坐标；纵坐标为单位质量土样小于某一粒径土粒含量的累计百分数。以上表格换算为作图表格：粒径范围/mm2~11~0.250.25~0.200.20~0.100.10~0.050.05~0.020.02~0.010.01~0.0050.005~0.0020.002~0.001小于0.001对数坐标lgd0-0.6-0.7-1-1.3-1.7-2-2.3-2.7-3百分率%0.2620.1550.0640.09217.1975.01622.5119.9918.03710.25826.417累计百分率%0.2620.4170.4810.57317.7722.78645.29755.28863.32573.583100土样各级土粒分析：粒径dmm颗粒类型颗粒比重0.25~2.00粗砂粒0.417%0.02~0.25细砂粒22.369%0.002~0.02粉粒40.539%小于0.002粘粒36.675%查国际标准的土壤三角图为壤粘土。？3、在做土壤粒径分析实验前，常常要根据土壤样品的大致质地确定筛分样本的质量，如粘质土壤，土样筛分质量大约为10g；粉质土壤，土样筛分质量大约为20g；砂质土壤，土样筛分质量大约为30g以上，甚至到80g。请问这样做的理由是什么？土壤的粒径分布：土壤基质中各级粗细土粒的数量和比例，又称土壤的机械组成。粒径分析，就是把土粒按其粒径大小分为若干及，并测出各级的量，从而求出土壤的颗粒组成。对于较粗的土粒（大于0.25mm），通常用一定孔径的筛子，将其一级级的分开，而对于较细的土粒（小于0.1mm），筛分较困难且不精确，因此必须将其充分分散，让其在一定容积的水液中自由沉降，用鲍氏比重计在不同时间内测定土壤悬液的比重。比重计读数可知每升悬液所含土粒的重量，再根据stokes定律求得这部分土粒的当量半径。4、为什么在改良碱土时要加石膏？碱性土壤其特点是土壤溶液中含有碳酸钠和重碳酸钠，土壤胶体上含有交换性钠，因此土壤呈强碱性反应，pH值可达9以上。土壤粘重，通透性差，严重影响作物生长。石膏改良碱性土的原因在于，石膏的主要成分硫酸钙，可与土壤溶液中的碳酸钠和重碳酸钠作用，生成硫酸钠易溶于水，可通过灌溉洗盐，随水淋洗掉，从而消除耕层土壤的碱性，达到改良土壤的目的。5、为什么土壤含水量这一词是不准确的？什么是饱和土壤含水量和非饱和土壤含水量？土壤含水量即土壤的湿度，应该称土壤含水率，因为其所指是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数或百分数，而不是土壤所含的绝对水量。饱和土壤含水量：土壤基质所有孔隙都被水充满时的土壤含水量。非饱和土壤含水量：土壤基质所有孔隙没有都被水充满时的土壤含水量。6、已知一个10𝒄𝒎𝟑的土样在烘干前重15g，烘干后重13g，假设土壤颗粒密度为2.6g/𝒄𝒎𝟑，计算：（a）土壤容重；（b）土壤容积含水量；（c）土壤重量含水量（d）总孔隙度；（e）土样的充气孔隙度。解答：（a）土壤的容重，即土壤的干容重，又称土壤密度，是土样干基质物质的质量与总容积之比。𝜌𝑏=𝑚𝑠𝑉𝑡=1310=1.3𝑔/𝑐𝑚3总容重，指单位容积土壤湿土壤的质量。𝜌𝑡=𝑚𝑡𝑉𝑡=1510=1.5𝑔/𝑐𝑚3（b）土壤的容积含水量，即单位容积土壤中水所占的容积。土壤空气的质量非常轻，土样减轻的质量可以近似全部等于土壤水的质量。𝜃𝑉=𝑉𝑤𝑉𝑡=(15−13)/110×100%=20%（c）土壤的重量含水量，又称质量含水量，指水与干土粒的质量比或重量比。𝜃𝑚=𝑚𝑤𝑚𝑠=15−1313×100%=15.38%（d）总孔隙度，即单位容积土壤中孔隙容积所占的百分数。干土粒容积，又称土粒密度，土壤的固相密度或土粒平均密度。是土样干基质物质的质量与其容积之比。：𝑉𝑠=132.6=5𝑐𝑚3则，土壤总孔隙度为：f=𝑉𝑡−𝑉𝑠𝑉𝑡=10−510×100%=50%（e）土样的充气孔隙度，即土壤中空气的相对含量。土壤容积含水量：𝜃𝑉=sf饱和度s，即土壤中水的容积与孔隙容积之比。s=𝜃𝑉𝑓=0.20.5=0.4充气孔隙度，即土壤中空气的含量，为：𝑓𝑎=f−𝜃𝑉=f(1−s)=0.3第二章土壤水的保持和运动1、已知一个干净毛细管的半径R=0.001cm，高200cm，在和自由水接触前毛细管顶部密封，假设毛细管最初内部为标准大气压，并服从Boyle定律，pV=常数。求毛细管与自由水接触后水分上升的高度。20℃时水的表面张力γ=72.5×10−3𝑁/𝑚，水对玻璃的接触角几乎为零，液体表面半径近似于毛细管半径。根据Boyle定律，毛细管内的气体𝑃0𝑉0=𝑃1𝑉1，𝑃0ℎ0=𝑃1ℎ1=𝑃1(ℎ0−ℎ)（1）毛细管内外力平衡方程式：𝑃1+𝜌𝑔ℎ−2𝛾𝑅=𝑃0（2）𝑃0=105𝑃𝑎，ℎ0=2𝑚，𝜌=103𝑘𝑔𝑚3，γ=72.5×10−3𝑁𝑚，𝑅=10−5𝑚，𝑔=9.8，代入方程（1）（2）可得：h=0.7m2、什么是稳态流？什么是瞬态流？在Darcy的土柱水流实验中，在土壤水流达到稳定流后，哪些土壤水运动要素不随时间变化？是否随空间坐标z变化？如果Darcy土壤水流实验所用的土柱不均匀，即土柱断面处处不同，其他条件都如Darcy实验的条件，试问这种情况下土壤水流是否能达到稳态流？为什么？（1）稳态流：通量不随时间变化的土壤水流，又称恒定流。瞬态流：通量随时间变化的土壤水流，又称非恒定流。（2）在Darcy土柱水流实验中，在饱和流的情况下，土壤水达到稳定流后，土壤水运动的流速、水的粘滞性、通量𝐽𝑤、土柱中任意一点压力势、重力势、基质势、饱和土壤导水率这些要素都是不随时间发生变化的，其中压力势、重力势是随着空间坐标z变化的。（3）虽然土柱的流量可以保持不变，但是由于土柱断面处处不同，即水流面积w处处不同，根据𝐽𝑤=∆𝑄∆𝑤，土柱各断面的通量也会随之发生变化，而稳态流要求通量不随时间发生变化，所以这种情况下土壤不能达到稳态流。3、在Darcy定律中，如果水力势采用水势头量纲，则导水率的量纲为L/T。若果水力势采用化学势和土壤水势的量纲，则导水率的量纲分别应为什么？𝐽𝑤=−𝐾𝑠∆𝐻∆𝑧水力势采用化学势的量纲时：𝐽𝑤的量纲为L/T，∆𝐻的量纲为𝐿2𝑇2⁄，∆𝑧的量纲为L，则可知导水率𝐾𝑠的量纲为T。水力势采用土壤水势的量纲时：𝐽𝑤的量纲为L/T，∆𝐻的量纲为𝑀𝐿𝑇2⁄，∆𝑧的量纲为L，则可知导水率𝐾𝑠的量纲为𝐿3𝑇/𝑀。4、如图2.1，求平衡系统A、B、C三点的总水势以及各分势。假设柱体全部被水充满，取柱体底部为参照面。A点：重力势𝑧𝑎=0，水压力势𝑃𝑎=200𝑐𝑚，溶质势𝑠𝑎=-100cm，可得总水势𝐻𝑎=𝑧𝑎+𝑃𝑎+𝑠𝑎=100𝑐𝑚B点：重力势𝑧𝑏=100cm，水压力势𝑃𝑏=100𝑐𝑚，溶质势𝑠𝑏=-100cm，可得总水势𝐻𝑏=𝑧𝑏+𝑃𝑏+𝑠𝑏=100𝑐𝑚C点：重力势𝑧𝑐=200，水压力势𝑃𝑐=0，可得总水势𝐻𝑐=𝑧𝑐+𝑃𝑐=200𝑐𝑚5、张力计埋设深度为15cm（从地表算起），水银槽水银表面高于地表10cm，张力计连接管内汞-水界面高于地表20cm，求土壤基质势？水银槽水银表面与土壤表面的距离𝐻0=10𝑐𝑚；平衡后张力计水银柱上升高度X=20-10=10cm；张力计的埋设深度L=15cm。则，土壤基质势ℎ=𝐻0+𝐿−12.6𝑋=10+15−12.6∗10=−101𝑐𝑚6、如图，一个好奇的学生用合金X代替水银组装了一支张力计，合金X具有以下性质，不溶于水，常温下为有色液体，密度为8.0𝒈𝒄𝒎𝟑⁄，张力计埋设深度为50cm，又已知土壤基质势h=-150cm水柱，合金槽合金X表面高于地表10cm，当系统达到平衡后，合金X相对地表高度多少？合金水交界面上，水力势𝜑ℎ1=𝜑𝑧1+𝜑𝑚1=𝜌𝑤𝑔(𝐻0+𝑋)−𝜌𝑋𝑔𝑋多孔陶杯，水力势𝜑ℎ2=𝜑𝑧2+𝜑𝑚2=−𝜌𝑤𝑔𝐿+𝜑𝑚，𝜑𝑚为土壤基质势。系统达到平衡时，张力计内任意两点的水力势均相等，𝜑ℎ1=𝜑ℎ2由此可得：𝜑𝑚=𝜌𝑤𝑔(𝐻0+𝐿)−(𝜌𝑋−𝜌𝑤)𝑔𝑋用水势头表示为：h=𝐻0+𝐿−7𝑋，代入可得X≈13cm，H=10+13=23cm7、在一个𝛄射线测定土壤水分的实验中，一个内宽为L的空盒子治愈𝛄射线的路径中，并记录了15s的𝛄射线的记数𝑵𝟎，然后在盒子内填充容重为𝝆𝒃的烘干土，记录15s的𝛄射线记数为𝑵𝒅，计算作为𝑵𝟎、𝑵𝒅和𝝆𝒃函数的土壤质量衰减系数𝝁𝒔P39对于烘干土样，含水率为0，𝑁𝑑𝑁0=𝑒𝑥𝑝(−𝐿𝜇𝑠𝜌𝑏)，𝜇𝑠=−1𝐿𝜌𝑏ln⁡(𝑁𝑑𝑁0)L为γ射线穿过容重为𝜌𝑏的土壤厚度。8、一个处在稳定蒸发条件下的土柱埋设有张力计，并且土柱底部与水源相接，土柱横截面积为100𝒄𝒎𝟐，如果在土柱底部的水源每天都需要加150𝒄𝒎𝟑的水，求土柱的蒸发通量以及非饱和导水率K(h)，在半对数纸上绘制K(h)-h曲线。土柱的蒸发通量𝐽𝑤=𝑄𝑤=150100=1.5𝑐𝑚/𝑑稳定状态下的非饱和流问题由Dar