土壤物理学-1

土壤物理学（第一讲）SOILPHYSICS李成亮资源与环境学院土壤物理学50学时理论学时：33讨论：8实验:9参考书土壤物理学秦耀东主编2002土壤物理学华孟主编1993土壤水动力学雷志栋杨诗秀谢森主编1988SoilphysicsJuryWA1991FundamentalofsoilphysicsHillelD1980土壤物理学绪论（1学时）第一章土壤基模（4学时）第二章土壤水（10学时）第三章土壤水循环（9学时）第四章土壤溶质运移（3学时）第五章土壤空气（3学时）第六章土壤温度和热流（3学时）第七章土壤的空间变异（6学时）第八章土壤磁学（2学时）实验一土壤孔性的测定实验二土壤持水性的测定实验三土壤导水性测定绪论我们要把人生变成一个科学的梦，然后用孜孜不倦的学习和艰苦卓绝的探求，来把这个梦变为现实。-------居里夫人（波兰籍法国科学家）土壤物理学－研究土壤的物理性质及土壤中的物理现象、物质迁移过程和能量转换及其农业、生态、环境效应的科学定义物理性质及物理现象：土壤固相组成与排列（质地、结构、孔隙）气体组成与分压溶质组成与浓度土壤水、热状态土壤力学、电、磁和放射性质范畴迁移过程和能量转换：水分运动与循环溶质迁移与循环气体对流扩散与交换热传导与转换农业、生态、环境效应：与土壤生产力、作物生长和产量的关系与生物群落、生物多样性和系统稳定性的关系与盐渍化、环境污染及净化的关系LeonardDBaver1901~?1931年从事土壤物理研究NorthCarolinaStateUniversitySoilPhysics1940年第一版(主编)1948年第二版(主编)1956年第三版(主编)1972年第四版(主编)1991年第五版(副主编)发展历程LorenzoA.Richards1904–1993USSalinityLaboratory，Riverside,California贡献：Capillaryconductionofliquidsthroughporousmediums,1931,PhDThesis.CornellUniversity－推导出了土壤水流的Richards方程土壤水分能量概念发明了张力计、压力薄膜仪HenryDarcy1803～1858法国水力工程师巴黎市工程局局长和技术总监贡献：达西定律－反映水在多孔介质中渗流规律的实验定律开创了地下水流在多孔介质中运动的科学－地下水动力学LhAKqChampB.Tanner1920~1990UniversityofWisconsin1981年作为第一个土壤学家入美国科学院院士贡献：土壤物理性质测定方法土壤能量平衡－计算蒸发植物吸水和腾发WilfordRGardner1925~2011UniversityofCalifornia,Berkeley1983年入选美国科学院院士贡献：由定性研究转入定量研究－以数理方法将土壤-植物系统水分运动理论化SoilPhysicsL.D.Baver1956年第三版土壤－一种分散体系土壤的机械成分土壤水分系统的物理性质土壤结构土壤空气土壤水分土壤灌溉的原理土壤排水的原理土壤温度土壤物理性质与耕作关系土壤物理特性与侵蚀关系SoilPhysicsL.D.Baver,W.H.Gardner,W.R.Gardner1972年第四版作为一个分散体系的土壤土壤胶体的粘度与膨胀土壤的力学特性土壤结构的形成与分类土壤机构的评价与农业意义土壤通气性土壤的热状况土壤水分保持－引进了能量概念土壤水分运动－引进了水分运动方程田间土壤水分状况－引进了水量平衡土壤水分与植物的关系土壤水分管理土壤侵蚀－水蚀土壤侵蚀－风蚀WilliamAJury1944~现在UniversityofCalifornia,Riverside2000年入选美国科学院院士贡献：溶质迁移－革命性的进展TransferFunctionModel(TFM)很少的参数－能预报肥料、污染物在土壤中的迁移SoilPhysicsW.A.Jury,W.R.Gardner,W.H.Gardner,L.D.Baver1991年第五版土壤固相土壤水分保持土壤水分运动田间土壤水分状况土壤热状况土壤通气土壤溶质迁移－引进CDE和TFM土壤性质的空间变异分析方法SoilPhysicsW.A.Jury,R.Horton2004年第六版土壤固相土壤水分保持土壤水分运动自然条件下的土壤水流土壤热状况土壤通气土壤中化学物质迁移中国土壤物理学的发展张君常（西北农大）1965年翻译了Baver的土壤物理学（第3版）周传槐（江苏省农林厅）1983年翻译了Baver的土壤物理学（第4版）姚贤良（土壤所）土壤结构研究陈云生（土壤所）土壤空气研究赵诚斋（土壤所）土壤机械力学研究邓时琴（土壤所）土壤质地研究陈志雄（土壤所）土壤水分动力学研究华孟（中国农大）土壤水研究（校对了周传槐的翻译）叶和才（中国农大）土壤水研究杨文治（水保所）土壤水动力学研究李玉山（水保所）土壤水研究庄季平（沈阳生态所）土壤水研究俞进炎（浙江大学）土壤磁学研究土壤物理学1986版姚贤良程云生，农业出版社土壤物理学附实验1993版华孟王坚秦耀东，北京农业大学出版社土壤物理学1998版郭素珍，内蒙古文化出版社土壤物理学2003版秦耀东，高等教育出版社土壤物理学2006版邵明安王全九黄明斌，高等教育出版社土壤水动力学雷志栋(2007年当选科学院院士)，1988年版土壤水的能态-土水势土壤水动力学基本方程土壤水的入渗蒸发条件下土壤水分的运动土壤－植物－大气连续体中水流的运动土壤水分运动参数的测定土壤水分运动的数值计算方法土壤特性空间变异性与土壤水分运动问题的标定土壤物理学邵明安等，2006年版土壤基质和质地土壤水的数量和能态土壤水分运动基本原理田间土壤水分循环土壤热量状况土壤空气土壤溶质迁移土壤的空间变异性植物根系吸收土壤水分与土壤水分有效性土壤物理学秦耀东，2003年版土壤基质及基质特征土壤水的保持和运动田间水分循环土壤温度和热流土壤空气土壤溶质和溶质运移土壤的空间变异讨论与思考你希望在这门课程中学到哪些知识？你的研究内容有哪些与涉及到土壤物理学知识？你毕业以后准备从事什么工作？土壤物理学的那些内容与方法可能会对你今后的工作有帮助？第一章土壤基模（6学时）第一节土粒的粒径分布第二节土粒团聚第三节土壤的比表面积和孔隙状况第四节土壤的变形第五节土壤的三相物质比土壤基质与基模含义相同，都是指土壤的固体部分，是一个分散和多孔的体系。与土壤固体的不同：更强调土壤的分散和多孔的性质。分散的土粒和团粒之间存在的孔隙大约占50%。矿物质有机质孔隙基质特征：土粒和团粒的粒径分布比表面积孔隙的孔径分布有机胶体的数量粘粒矿物的种类土壤基质特征是物质和能量在土壤中保持和运动的基础，是植物生长的介质。土壤基质特征与土壤环境因素共同决定物质与能量在自然界循环中土壤环节的过程和植物生长状况。第一节土粒的粒径分布土粒的粒级土粒的粒径分布和分析土壤质地请回忆：土粒的分级分级标准机械分析方法各级别的性质第一节土粒的粒径分布请回忆：土壤质地的分类分类标准各类别的性质土粒的分级---根据土粒直径的大小，加以归类。实际上，土粒的形状是不规则的，为了按大小进行土粒分级，以土粒的当量粒径和有效粒径代替之。当量粒径equivalentgrainsize——当量粒径的概念来自土壤机械分析时采用的假设。把土粒看作光滑的实心圆球，取与此粒级沉降速率相同的圆球直径，作为其当量粒径。（二）土壤粒级粒级---土粒的大小分级。（同一粒级的土粒大小相似，性质相似）斯托克斯定律：υ＝2（ρs－ρw）gr2/9ηυ－－－土粒沉降速率ρs－－－土粒密度ρw－－－水的密度η－－－水的粘滞系数g－－重力加速度r－－－－土粒半径机械分析方法比重计法：1、简易比重计法2、甲种比重计法吸管法：1、吸管法2、微吸管法3、简易吸管法研究理想土壤的意义：把各级土粒当作实心圆球，与实际情况相差甚远（尤其是对于片状粘粒来说），但在土壤学、土工学研究及应用中把这种以圆球堆积的“理想土壤”沿用以久。采用时，利用各种修正参数，使之接近土壤的实际情况，取得了不少成果。分级标准粒级制——土粒的大小分级标准，各种粒级制都把大小颗粒分为石砾、砂粒、粉粒和粘粒。国际制美国制卡庆斯基制（苏联）中国制国际制：1930年第二届国际土壤学会提出，将颗粒分为石粒、砂粒、粉粒及粘粒，每一级都用2及2除以10、100、1000为分界，人为性强，但好记。粒级名称单粒直径（mm）石砾2砂粒粗砂粒2－0.2细砂粒0.2－0.02粉砂粒0.02－0.002粘粒0.002美国制1951年在土壤局制基础上修订，把粘粒上限从5微米下降为2微米，这仪粘粒上限已为世界各国粒级制所公认和采用。近年来，在我国土壤学教本中介绍较多。粒级名称粒径(mm)石块3.0粗砾3－2砂粒极粗砂粒2－1粗砂粒1－0.5中砂粒0.5－0.25细砂粒0.25－0.1极细砂粒0.1－0.05粉(砂)粒0.05－0.002粘粒0.002卡庆斯基制：前苏联及东欧国家采用，以性质作为重要依据。除分为四个粒级外还以0.01mm为界分为物理性砂粒及物理性粘粒。物理性砂粒与物理性粘粒差别：物理性砂粒：不显塑性、胀缩性，吸湿性、粘结性极弱。物理性粘粒：有明显得塑性、胀缩性，吸湿性、粘结性。粒级名称粒径（mm）石砾3－1物理性砂粒砂粒粗中细1－0.50.5－0.250.25－0.05粉砂粒粗中细0.05－0.010.01－0.0050.005－0.001物理性粘粒粘粒粗中胶粒0.001－0.00050.0005－0.00010.0001中国制：1978年南土所从卡庆斯基制的基础上修订而来，分5级，从理化性质上看粗细粘粒的差异甚大。粒级名称粒径（mm）石块3石砾3－1砂粒粗砂粒1－0.25细砂粒0.25－0.05粉(砂)粒粗粉粒0.05－0.01中粉粒0.01－0.005细粉粒0.005－0.002粘粒粗粘粒0.002－0.001细粘粒0.001不同粒级的肥力表现与农艺性状理化性质：1、石块——石块（3mm）岩石风化过程中残留的碎块，大多保留着母岩原有的矿物组成。对耕作及作物生长不利，设法去除，适合种植林果。2、石砾、（1-3mm）是直径较小的岩石碎屑。侵入土壤中的母岩碎屑。所含矿物均为原生矿物，矿物组成与母岩基本一致，山区土壤中石砾含量较高。有的地方叫石渣，石砾含量多时，土壤孔隙过大，易漏水、漏肥、跑墒、但耕作起来容易损伤犁铧。应进行改良。3、砂粒（1-0.05mm）主要是石英风化的细粒。由于颗粒较大，故比表面积（单位重量土粒的表面积）小，形成的孔隙大，颗粒之间松散，互不粘结。当它们聚集在一起时，遇水不膨胀，干燥不收缩，无可塑性、粘结性和粘着性。在冲积平原土壤中常见，如山东黄河两岸的砂质潮土。耕性较好。粘粒（0.002mm）颗粒细小，比表面积大，具有很强的粘结性和吸附能力。这种颗粒聚积在一起时，处于湿润状态下会膨胀而堵塞孔隙，显得非常粘滞，干燥时收缩成坚硬的块体。颗粒间孔隙多，大多数是小孔隙，透气透水困难，但有利于保水和保肥。小于0.002mm的单粒具有明显的胶体特性，是土壤颗粒中最活跃的部分，胶泥中含量高。粉（砂）粒（0.05-0.002mm）颗粒较小，比表面积较大，具有强烈的毛管作用，其通透性较砂粒小，出现了可塑性、粘结性、粘着性和膨胀性，养分含量增加。粉粒在黄土中含量较高。我国的土粒分级与质地分类美国制国际制中国制卡庆斯基制建议使用：1、砂质土以沙土为代表，也包括缺少黏粒的其他轻质土壤，它们都有一个松散的土壤固相骨架，粒间空隙大，降水和灌溉水容易渗入蓄水力弱、养分含量少，保肥能力差，土温变化快，通气透水性好，容易耕作等。为什么？粒间空隙大，降水和灌溉水容易渗入，内部排水快，蓄水量少而蒸发失水强烈，水汽由大空隙扩散至土表丢失。毛管较粗，毛管水上升高度小，如地下水位较低，则不能靠地下水回