土壤物理学简介

李长宝  太史怀远著

土壤物理学是土壤学的一个分支，土壤物理学主要是研究组成土壤的三相物质(固相、液相、气相)的运动规律。因此，土壤物理学广泛涉及物理学、水力学、数学、空气动力学等多学科基础知识。土壤物理学的核心是土壤颗粒、土壤结构和土壤水的运动规律。

   1. 关于本书制定的土壤颗粒分级制

本书作者根据不同大小的土壤颗粒在土壤中的运动规律；不同大小的土壤颗粒对土壤液体水流动速度的影响程度有显著差异；不同大小的土壤颗粒化学性质不同，为了区分土壤孔隙类型和土壤水分类型,在我们出版的《土壤基础理论学》把土壤的颗粒分级制分为4类7级的基础上，最终把土壤颗粒划分为4类8级。采用这种分级制最大的优点是能够准确计算土壤渗透率，使土壤渗透率的相对误差控制在3%～5%之间；能够准确计算其他反映土壤物理性质的一系列参数。这种分级制与国内外的其他分级制比较是客观的、合理的。

   2. 关于土壤结构数学模型

我们建立的土壤结构数学模型，对于3维结构的空间由体积不同的圆球和圆孔构成，此为球模型，在3维结构也就是立体结构时对土壤进行讨论应用球模型。土壤结构数学模型，对于2维结构的空间由体积不同的圆土柱和圆孔管构成，此为柱模型，在2维结构也就是平面结构时对土壤进行讨论应用柱模型。作者的土壤结构数学模型，避开了不能进行定量分析的土壤颗粒和孔隙的形状问题，因而可以应用几何学、微积分和微分方程等数学方法，对土壤结构的结构参数进行定量分析。

具体的分析方法已经制成土壤物理性质分析软件，只要输入土粒密度、土壤容重、颗粒大小和百分含量，就可以得到土壤物理性质的一系列数据。

   3. 关于土壤渗透率公式

土壤渗透率公式,其数学表达式为：

$u=\frac{\sqrt{2}A^{2}\left ( A+1 \right )mgk}{64\nu \left ( A+0.5\pi \right )100}\sum_{i=1}^{n}d_{i}^{2}\lambda _{i}\div 100$

公式的单位为mm.s^-1

本书作者建立的土壤渗透率公式反映了液体水在真实土壤中流动的客观规律。通过达西﹙Darcy﹚定律和普氏﹙Poiseuill﹚定理，人们明确了渗透率与外力大小成正比，与圆管半径是一种二次抛物线关系，与水的黏滞度系数成反比。土壤渗透率公式在这几个相关因素的研究结果与前人的结论是一致的。同时，土壤渗透率公式进一步阐述了渗透率与有效土粒质量百分含量、土粒密度成正比，与土壤容重成反比，与土粒孔隙之间的比例系数A、有效土粒粒径d_i是典型的2次抛物线关系，土壤渗透率与土壤结构参数土粒密度、土壤容重、颗粒组成密切相关。

   4. 关于土壤侵蚀的治理

侵蚀和淤积是土壤颗粒在水流和气流运动中的两种运动形式。具有一定能量的水流和气流，在其路径的某些部位产生冲刷或侵蚀，而在另外的某些部位产生淤积。地表发生侵蚀和淤积的部位是有规律的。本书作者应用野外调查资料和室内模拟试验数据，对侵蚀和淤积现象进行了物理成因分析，不但清楚地解释了侵蚀和淤积现象产生的根本原因，还可以准确地确定侵蚀和淤积部位，在土壤侵蚀部位采取治理措施可以得到事半功倍的效果，对于土壤侵蚀的治理工作具有一定的指导意义。

   5. 关于土壤物理学基本定律

本书作者关于土壤渗透及其变化规律；土壤颗粒在水流运动中的侵蚀和淤积规律；大孔隙被小土粒填实变化规律，是土壤物理学基本定律。上述定律反映了土壤固相、液相和气相的运动特性，并且得到了科学实验验证。上述基本定律对土壤物理性质能够做到定量分析，并且合理地解释了传统土壤物理学中似是而非的许多难题。

上述结论的验证实验方法和数据是本书作者在科研工作中直接获取的。