土壤物理

1．土壤物理学概念，以及土壤物理学在发展中形成了哪些特点

土壤物理学是指研究土壤中的物理现象、物理过程及其调节的学科。在30年代已经成为土壤学的一个分支，60年代发展较快，80年代在热带、亚热带农业开发和环境保护中日益重要。是由土壤物理学基础、应用物理学、土壤物理研究方法、土壤结构、土壤改良等组成。

在发展中形成了自身的特点：（1）多来源、多分支，不断吸取其他学科新内容、新技术，如地学的农业气象、陆地水文、地下水动力学、地球物理勘探等；工程学的地质地貌学、土地学、水利工程、环境工程等。（2）适用性强、应用面广。如参与工矿业、军事、农业、土壤和水资源利用保护、环境污染、监测等方面。（3）研究方法既有田间原位原状土壤研究和长期定位观测，又注意研究室内模拟实验和数学物理模型研究，主要成果有：早中期，出现有斯托克定律、普舍尔定律、达西定律、茹林公式、多级团聚模型等等；现代：有SPAC测定，土壤水、气、热流模型。(4)超微10－10研究水分子，宏观104m集水区。（5）近年来，从室内到大环境，空间变异。

2．土壤颗粒研究和质地分级问题研究进展

土壤颗粒性质对土壤性质影响很大。由于对土壤大小颗粒研究较多，所以质地分级缺少应用基础。其中苏联的卡钦斯基制（三类九等）较好。我国目前仍采用苏联分类的颗粒分级，特别是对我国西北地区适用。（1）根据各类土壤颗粒性质变化划分的粒级；（2）主要粒级含量并考虑阳离子交换量；（3）参与田间管理和作物管理；

中国在《中国土壤》的第二版中，推荐了新的颗粒质地分类机制。颗粒的界限、质地的分级基本上沿用苏联，但也有变动：粘粒上限由0.002～0.0001㎜改为粗的粘粒，小于0.001㎜为细粒；在质地中粗粉粒为0.05～0.01㎜，细粉粒小于0.01㎜等。

我国1980～1990年，第二次土壤普查采用卡钦斯基制，但1987年汇总时，采用国际制，均用数学方法处理转为国际制，造成数据失真。分级制的转换，必将有很大误差，特别是分选性强的土壤。其中国际制是1932年国际土壤会议制订的，分级粗糙不易使用。

3．土壤水分研究进展

土壤水分研究、形态观念和能量观念结合。水分土壤物理研究的内容、方法与过去不一样。但近十年来，普及土壤水分能量学说及测定技术，来改造传统的形态观念，并形成自身的特点。其中取得了一系列成果，从两种观念（形态和能量）相结合进行研究。

（1）土壤水分特征曲线。比水容，是水流方程或模型的基本参数；可以在图上引进水分参数，了解有效水数量与能量水平；可以看出不同质地土壤在相同吸力条件下水分含量不同。目前国内认为特征曲线限于15×105Pa以下，若其在1×105Pa的范围内，是植物的有效水范围。1×105Pa的比水容从102量级增至105（ml/Pa·g）说明有效水不是等效的。对于无效水，暂时以103～102为一个量级，小于102全部无效，可能与毛管断裂湿度有关。还有两个与灌水定额和临界地下水位有关的常数，田间持水量和气管断裂湿度，怎样从形态到能量结合还需进一步研究。

（2）土壤水分的监测和模型建立。①在建立达西定律考虑土壤空间变异，拓展了思路。②在建立模型的参数，需要从原位、原状去观测。③SPAC水流及生态学意义。土壤水势研究和土壤植物水势联合测定才刚开始起步。④国际上，在这方面的研究仍在理论水平上，没有用在实验上。

4．如何开展土壤物理学新兴和边沿领域的研究

土壤物理对温带研究较早，60年代才转向亚热带。到80年代，侵蚀、干旱等生态环境恶化，限制了温带、亚热带农业发展，因此土壤物理研究又开始受到重视。

（1）对土壤结构的再认识。①威廉斯的弹力结构，用来评价土地肥沃与否，但有一定的局限，如新疆土壤弹力差，但肥力也有较高地区，可种植水稻；②卡钦斯基制，小团块结构有水稳性，多孔性弹基结构稳定性强，但缺乏空气；③中国60年代初，水、肥、

气、热对土壤的综合调节形成综合肥力，强调创造适合土壤的根层结构和土体结构，强调土壤复合体、土壤微团聚体是土肥基础；④贝佛尔提出土壤中原生颗粒和次生颗粒的粒间排列模式，是影响土肥的重要因素。

（2）土壤电磁学研究。20世纪90年代，首先从浙江开始波及全国，用磁化仪测量土壤磁场，特别是西北地区宁夏测得土壤磁化率：粘土>沙土>粉土；变质岩>河成岩>土壤。电磁犁使土壤磁化，养分增加但成本太高。磁化水可改良盐碱地，成效很大但成本太高。

（3）新型研究方向。包括空间变异、土壤溶质迁移、土壤溶质扩散等新兴研究领域。

5．土壤孔隙及其特点，研究土壤孔隙的重要意义

土壤孔隙是指土壤内部有许多不规则的小孔，大小不同，形成三度空间网，对水分、空气影响较大。

孔隙分级：①无效孔隙，<0.001㎜，压力1000～2000Pa；②毛管孔隙，>0.001且<0.1㎜，能存水，是有效孔隙；③非毛管孔隙，>0.1㎜，不能存水，但能存空气和排水。其中毛管孔隙是土壤中最重要的孔隙。有很大的毛管力，使自由水在毛管中上升到一定高度，水柱高度可达1m。实际工作中，通过毛管力保持水的孔隙称为毛管孔隙，相反，不能保水能存空气的孔隙称为非毛管孔隙。

研究土壤孔隙的意义：土壤孔隙特别是土壤毛管孔隙，对于土壤的质地研究、土壤的结构研究、土壤的有机质研究以及土壤的水分研究都有重要意义。

6．试述土壤结构形成机制，以及如何把Δ电位降低到临界值的途径

土壤颗粒在压力等条件下形成大小不同的微团聚体和团聚体，两者称为土壤结构。不同土壤结构不同，同一土壤不同剖面结构不同。

土壤结构形成机制：（1）微团聚体机制学说。①多级的团聚学说，原生的土粒（单粒），变为复粒，

再次粘结，经过多次粘结形成。②粘团学说，主张多级复合团聚作用，最初

也是颗粒的复向粘结成为粘团，是基本单位，再和其他粘团或有机质胶体互

相团结，甚至粘沙相互粘结成为微团体或团聚体。

Δ电位取决于胶体表层电荷和扩散层厚度，而扩散层厚度决定于补偿离子厚

度。补偿离子电荷少，水化度大的离子形成的扩散层厚，Δ电位高；反之，

电荷大，水化度低的离子形成的扩散层薄，Δ电位低。因此，同一胶体体系

中，胶体性质不变，Δ电位随扩散层的厚度改变。

（2）胶体凝聚作用。胶体表面的电荷为双电贺，附近是非电荷活动区。当粘粒

在土壤中运动时，Δ电位升高，相排斥力升高，只有降到一定临界值时，粘

粒间的排斥力（库仑力）<吸引力（范得华力），最终相互凝集形成胶体。

Δ电位降低到临界值以下，可通过：①改变交换性离子种类，各离子的凝聚

力原子价和水化半径不同而不同，离子价高凝聚力越高。②距离粘粒越近，

Δ电位越低，凝聚力越高。③同价离子中，凝聚力取决于水化半径，水化半

径小的，凝聚力越强，那么Δ电位就越低。④增加介质中的电解质浓度，农

业中常用晒田、烤田等降低土壤中的碳，使胶体很快凝聚，形成团聚体。

（3）水膜粘结作用。在潮湿的土壤中，粘土颗粒常以“-”吸引极性水分子，且

定向排列形成薄水膜。距离越近定向程度越高，排列越紧密，其Δ电位就越

低，可降到临界值。

7．试述有机质在结构形成中主要理论

土壤胶体分为无机胶体、粘土颗粒、有机质、微生物分泌物和菌丝等，在土壤结构形成中有很重要的作用，其中有机质在结构形成有其特殊的地位。

有机质参与土壤结构中团粒的形成，具有一定的水稳性和多孔性，且不易被破坏。其中>0.05㎜的，与有机质含量相关性很高，特别是粘粒<25%的，相关性更明显。土粒与团粒相团聚的有机质有：腐殖质、多糖、蛋白质、木质素等。（1）腐殖质在土壤有机质中数量较多，一般为50%~60%，抵抗微生物的分解，在团粒形成中有很重要的地位，尤其是富敏酸胶结。如丘林—加彭理论：①通过Ca2+作为键桥连接在一起，称为褐富酸钙团粒“G1”，主要分布在距离根较远的10～20㎝处，通气良好，但稳定性不高，可用NaCl

等中性盐拆开。②通过Al3+、Fe3+氧化物作为键桥与腐殖质连接，“G2”，稳定性高，加NaCl