土壤物理学讲稿

1、关于土壤物理学第一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤物理学50学时理论学时：33 讨论：8实验: 9第二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月参考书土壤物理学 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 1988Soil physics Jury W A 1991Fundamental of soil physics Hillel D 1980第三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤物理学绪论（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

2、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 土壤导水性测定第四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月绪 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）第五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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第六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月物理性质及物理现象： 土壤固相组成与排列（质地、结构、孔隙

3、） 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、磁和放射性质范畴第七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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第八张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Leonard D Baver1901?1931年从事土壤物理研究North Carolina State UniversitySoil Physics1940年第一版(主编)1948年第二版(主编)1956

4、年第三版(主编)1972年第四版(主编)1991年第五版(副主编)发展历程第九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Lorenzo A. Richards19041993 US Salinity Laboratory，Riverside, California 贡献： Capillary conduction of liquids through porous mediums, 1931, PhD Thesis. Cornell University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 第十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Henry

5、 Darcy 18031858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 第十一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月 Champ B. Tanner19201990University of Wisconsin1981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 植物吸水和腾发第十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Wilford R Gardner19252011University of California, Berkeley1983

6、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第十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Soil PhysicsL. 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Soil PhysicsL. 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

7、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第十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月William A Jury1944现在University of California, Riverside2000年入选美国科学院院士贡献： 溶质迁移革命性的进展Transfer Function Model(TFM)很少的参数能预报肥料、污染物在土壤中的迁移第十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月Soil PhysicsW.A.Jury, W.R.Gardner, W.H.Gardner, L

8、.D.Baver 1991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Soil PhysicsW.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第十六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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）

9、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）土壤磁学研究第十七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤物理学 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，高等教育出版社第十八张

10、，PPT共八十七页，创作于2022年6月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 第十九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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

11、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第二十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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？第二十一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第一章 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 土壤的三相物质比第二十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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

12、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%。第二十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月基质特征：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第二十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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。第二十六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第一节 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第二十七张，PPT共八十

13、七页，创作于2022年6月请回忆： 土粒的分级 分级标准 机械分析方法 各级别的性质第一节 土粒的粒径分布第二十八张，PPT共八十七页，创作于2022年6月请回忆： 土壤质地的分类 分类标准 各类别的性质第二十九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土粒的分级-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equivalent grain size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

14、级的土粒大小相似，性质相似）第三十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月斯托克斯定律：2（sw）gr2/9土粒沉降速率s 土粒密度w水的密度水的粘滞系数 g重力加速度 r土粒半径第三十一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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、简易吸管法第三十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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

15、，取得了不少成果。第三十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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）中国制第三十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第三十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月国际制：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20.2细砂粒0.20.02粉砂粒0.020.002粘粒3.0粗砾32砂粒极粗砂粒21粗砂粒10.5中砂粒0.50.25细砂粒0

16、.250.1极细砂粒0.10.05粉(砂)粒0.050.002粘粒0.002第三十七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月卡庆斯基制：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 31物理性砂粒 砂粒粗中细 10.5 0.50. 25 0.250.05 粉砂粒粗中细 0.050.01 0.010.005 0.0050.001物理性粘粒 粘粒粗中胶粒 0.0010.0005

17、0.00050.0001 3石砾31砂粒粗砂粒10.25细砂粒0.250.05粉(砂)粒粗粉粒0.050.01中粉粒0.010.005细粉粒0.0050.002粘粒粗粘粒0.0020.001细粘粒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。

18、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。第四十一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月粘粒（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

19、）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。 第四十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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：第四十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月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？ 第四十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月粒间空隙大，降

20、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，则不能靠地下水回润表土，所以抗旱力较弱。砂质土的养分少，又因缺少粘粒和有机质而保肥性弱。速效肥料易随雨水和灌溉水流失。砂质土上施用速效废料往往肥效猛而后劲不足。农民称为“少施肥，一把草，多施肥，立即倒”。 砂质土含水量少，热容量比粘质土小，白天增温快，夜间降温快，昼夜温差大。早春时，砂质土温度上升快，称为“暖土”，在晚秋和冬季一遇寒潮则温度迅速下降。 砂质土通气性好，微生物活动强烈，有机质积累难而其含量较低。第四十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月管理注意事

21、项： 选择耐旱品种，保证水源供应，及时小定额灌溉，土表覆盖以减少水分蒸发。 强调增施有机肥，适时施追肥，并掌握勤浇薄施的原则。 第四十六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月2黏质土包括粘土和粘壤等质地粘重的土壤，此类土壤的细粒含量多而粗粒含量少，常呈紧实粘结的固相骨架。 保水、保肥能力均较强，养分含量比较丰富，土温升降 比砂土缓慢，但透气、透水性差，耕作比较困难。为什么？?第四十七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月 孔隙数目多但甚为狭小，有大量非活性孔阻止毛管水移动，雨水和灌溉水难以下渗而排水困难。易在犁底层或粘粒积聚层形成上层滞水，影响植物根系下伸。粘质土含矿质养分（尤其是钾、

22、钠等盐基离子）丰富，而且有机质含量较高。它们对带负电荷等的离子态养分有强大的吸附能力，使其不被雨水和灌溉水淋洗损失。第四十八张，PPT共八十七页，创作于2022年6月 粘质土的孔隙往往为水占据，通气不畅，好气性微生物活动受到抑制，有机质分解缓慢而且容易积累。所以砂质土的保肥能力强，氮素等养分比粘质土中多的多。但“死水”容积和难效养分也多。 粘质土蓄水量多，热容量大，昼夜温度变幅小。早春，水分饱和的粘质土土温上升慢，称为“冷土”，反之，受寒潮侵袭时，粘质土降温慢，作物受冻害较轻。第四十九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月 缺少有机质的粘土，往往粘结成大土块，俗称大泥土，其中有机质特别缺乏

23、者称为死泥土。这种土壤的耕性很差，干时硬结，湿时泥泞，对肥料反应呆滞，即所谓的“少施不应，多施勿灵”。粘质土的犁耕阻力大，所以，也叫“重土”，它干后龟裂，易损伤植物根系。 粘质土的湿胀干缩剧烈，常造成土地裂缝和建筑物倒塌。第五十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月管理注意事项： 采用深沟、密沟、高畦，或通过深耕破坏紧实的心土层以及采用暗管、暗沟排水，以减轻涝害。 对于大泥土，注意排水，选择在适宜含水量下精耕细作，以改善结构性和耕性。第五十一张，PPT共八十七页，创作于2022年6月3壤质土 介于黏质土和砂质土之间的一种土壤质地，土壤的颗粒组成含有适量的砂粒、粉粒和黏粒。土壤颗粒组成粗细比

24、例适宜。 在性质上兼具备砂质土和黏质土的优点.是较为理想的土壤，其耕性优良适种的种类多。第五十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月 水 肥 气 热 植物 砂质土组 保水差 保肥差 通气好 热性土 耐旱作物 粘质土组 保水好 保水好 通气差 凉性土 禾本科作物 壤质土组 兼具以上优点 大部分作物第五十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第二节 土壤团聚土壤结构的类型土壤结构的稳定性单粒大块团粒水稳性，力稳性，生物稳定性第五十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤结构的形成单粒复粒多次团聚形成团粒结构单粒第五十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月单粒 复粒 二级复

25、粒 三级复粒 四级复粒 团粒团粒结构多级复合模式第五十六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第五十七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月团粒形成的微观机制：1、 粘团说粘团clay domain第五十八张，PPT共八十七页，创作于2022年6月砂粒粘粒有机胶体粘团说第五十九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤胶体上局部的正电荷与负电荷点互相凝聚2、 等电凝聚说第六十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第三节 土壤的比表面积和孔隙状况土壤的比表面积提供了物质保持的能量和空间土壤孔隙提供了物质运移的通道它们是土壤功能实现的根本第六十一张，PPT共八十七页，创作于2022

26、年6月土壤胶体的表面积常用比表面来表示。比表面越大，表面能越大。第六十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月影响孔隙状况的因素 1、土壤质地：黏土的总孔隙度大，但孔径小而均一。砂土总孔隙度小，孔隙以大孔隙居多。壤质土的孔隙度居中，孔径大小比例适当。 砂土：30-45% 壤土：40-50% 粘土：45-60%2、有机质含量：富含有 机质的土壤孔度较高 第六十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月3、土粒排列方式 土粒排列疏松时，孔隙度高，土粒紧密排列或相互镶嵌时，孔隙度就低。土粒团聚成小土团时，土团之间为大孔 隙，土团内部为小空隙。总的孔隙度也会增加。 立方体排列 47.46% 三斜

27、六面体排列 24.51% 第六十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6月影响因素4、土壤结构团粒结构的土壤具有大小不同的土壤孔隙，比非团聚化土壤孔隙度增加1/31/2第六十五张，PPT共八十七页，创作于2022年6月影响因素：5、耕作耕层下层犁底层的孔隙度最低第六十六张，PPT共八十七页，创作于2022年6月第四节 土壤变形土壤变形是土壤在施加力下的位移现象。 土壤在不同的状态（液态、固态、可塑态）下产生不同的变形性质。 土壤变形的危害：对路基、堤坝、地基造成破坏。 第六十七张，PPT共八十七页，创作于2022年6月与土壤变形有关的性质土壤结持度土壤强度流变特性土壤涨缩土壤侵蚀土壤压实第六

28、十八张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤的涨缩影响土壤涨缩的原因：压力、温度与湿度土壤干湿变化导致的涨缩幅度 温度的影响 不同土壤涨缩的变幅相差很大膨胀土壤非膨胀土壤第六十九张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤涨缩的机理粘粒的水化作用：取决于粘粒矿物的类型和代换性阳离子的数量。 蒙脱石伊利石高岭石 同一种粘粒矿物则阳离子代换量越大涨缩性越强。渗透压的作用吸附性阳离子对粘粒涨缩性的影响：Li Na Ca Ba H K第七十张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤涨缩性的度量膨胀度（cm3/g胶粒） （cm3/me阳离子）土壤体积变化势（PVC）第七十一张，PPT共八十七

29、页，创作于2022年6月胶粒类型黏土矿物类型CEC膨胀度（cm3/g胶粒）H+ Li+ Na+ K+ Ca+ Ba+班脱土蒙脱石952.2010.7711.088.552.502.50Lufkin粘粒蒙脱石-贝得石821.18_Putnum粘粒贝得石650.814.974.020.500.910.85Susquehanna粘粒贝得石-埃洛石470.57_Celil粘粒埃洛石130.05_膨胀度（cm3/me阳离子）蒙脱土蒙脱石952.4411.311.69.02.632.63Putnam粘粒贝得石651.971.491.8711.71.882.02第七十二张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤收缩收缩限指土壤不再收缩的含水量砂质土： 14（重量含水量%）砂质壤黏土：23 （重量含水量%） 黏土： 51 （重量含水量%） 第七十三张，PPT共八十七页，创作于2022年6月土壤可塑性(Soil plasticity)定义： 土壤在外力的作用下变形， 当外力撤消后仍能保持这种变形特性。土壤含有一定量的水分时，黏粒表面被包上一层水膜，若加上外力揉搓，使片状黏粒重新改为平行排列而粘结固定，失水干燥后，由于土粒间的黏结力，仍能保持原状，这是产生可塑性的原因。 第七十四张，PPT共八十七页，创作于2022年6