一、课程中文名称：环境土壤物理学

二、课程英文名称：Environmental Soil Physics

三、课程编码：ZB0621020

四、课程性质：专业必修课

五、学时数、学分数、开课学期

学时数：32   学分数：2.0   开课学期：第五学期

六、课程目的与要求

土壤物理学是应用物理学的原理和方法研究土壤特性及土水系统的物理原理和过程，研究土壤中各种物质（水、气、热与溶质）的迁移、状态的变化和伴随发生能量转化的学科。学习土壤物理学的目的，就是通过研究和掌握土壤中物质和能量的状态及转移、变化等规律，以期最大限度发挥土壤和土壤水资源以及外加物（包括灌溉水、施入肥等）的经济效益，直接或间接为工业、农牧业生产和科研服务，为水资源评价、水环境评估和预测模拟提供必要的参数和理论依据。

要求：土壤物理学是农田水利学、水文水资源专业的一门重要的专业基础课，它侧重于利用数学模型定量模拟或预测包括物质迁移和能量转换在内的土壤物理过程。要求员工具有较好的数学基础和相关知识。

七、本课程与其它课程的联系

土壤物理学是农业水利工程专业的一门专业基础课，在基础课和专业课之间起着承上启下的作用。高等数学、物理学、工程数学、水力学、计算机应用是学习土壤物理学必要的先行课程；土壤物理学是水资源评价、生态水文学等课程的基础内容，要用到土壤物理学的基本理论和方法；土壤物理学与农田水利学、水资源评价和管理、植物栽培和管理学、陆地水文学和水利计算专业课所研究的内容关系密切；水文地质学、地下水动力学、土壤水动力学、地理学等学科的研究，都涉及到SPAC系统中水分循环，地下水-土壤水-地表水-植物水-大气水的相互补给和转化。

八、教学方法：授课、多媒体教学与实验相结合

九、考核方法：闭卷考试

十、选用教材参考书目：

²      秦耀东，《土壤物理学》，高等教育出版社

²      李法虎，《土壤物理化学》，化学工业出版社

²      《环境土壤学》、《土壤学》、《土壤水动力学》

十一、教学进程安排表

十二、主要教学内容、重点和难点

第一章 土壤的三相组成及其基本的物理特性

一、学习目的

通过本章的学习，了解土壤物理学的概念、土壤的三相组成和基本物理特性及物理指标的测定，本章计划2学时。

二、课程内容

第一节 土壤的三相组成及其作用

（一）土壤固相及其特性

（二）土壤液相及其特性

（三）土壤气相及其特性

第二节 土壤质地及其分类

（一）土壤的粒级及分类标准

（二）土壤粒径级配及其测定方法

（三）土壤的质地及其分类

（四）土壤质地的鉴定方法

第三节 土壤的基本物理性质及其物理特性指标和测定

（一）土壤的基本物理性质

（二）土壤的基本物理特性指标

（三）土壤的基本物理特性指标的测定方法与仪器

三、重点、难点提示和教学手段

（一）教学重点

土壤的质地及其分类，土壤基本物理特性指标及测试计算方法

（二）教学难点

土壤质地分类标准及级配计算判定方法

（三）教学手段及教学环节

多媒体幻灯片

四、思考与练习

²      试述土壤的主要特征。

²      砂性土、壤土和粘性土具有哪些主要特征？

²      土壤质地对土壤的那些物理性质有重要影响？试举例说明。

²      土壤的三相组成。

²      土壤粒级的分类标准。

²      粒径级配测定方法。

²      阳离子代换吸附对土壤理化性质的影响。

²      土壤含水量的表示方法及相互关系。

第二章 土壤水的基本物理特性

一、学习目的

通过本章的学习了解土壤水的毛细现象和渗透作用，本章计划2学时。

二、课程内容

第一节 土壤三相界面的作用和毛细现象

（一）气-液界面上的表面张力

（二）固-液表面间的接触角和浸润现象

（三）液面形状和附加压强

（四）毛细现象

第二节 水汽、湿度和水汽压

（一）蒸发与凝结

（二）水汽压、饱和水汽压和饱和差

（三）绝对湿度和相对湿度

（四）露点

三、重点、难点提示和教学手段

（一）教学重点：

毛细现象产生的机理，产生渗透压的机理

（二）教学难点

毛细现象产生的机理

（三）教学手段及教学环节

多媒体幻灯片

四、思考与练习

²      什么是毛细现象？有何作用？

²      在研究盐碱土及植物吸水时，为什么要考虑土壤水渗透压的作用？

第三章 土壤持水和土壤水能态

一、学习目的

通过本章的学习了解土壤持水机制和土壤水分的形态分类，掌握土壤水分的能态和测定方法，重点掌握土壤水分特征曲线的概念、测定方法和用途，了解土壤水分常数和有效性。本章计划8学时。

二、课程内容

第一节 土壤持水机制和含水率

（一）土壤持水机制和含水率

（二）物理点概念

（三）土壤含水率的表示方法和换算

第二节 土壤水分的形态分类

第三节 土壤水分的能量状态及测定方法

（一）土水势

（二）土壤水吸力

（三）土水势（或吸力）的单位及换算

（四）土水势（或吸力）的测定

第四节 土壤水分特征曲线及其测定

（一）土壤水分特征曲线的概念

（二）实效孔径

（三）土壤水分特征曲线的性质及滞后现象

（四）影响土壤水分特征曲线的因素

（五）土壤水分特征曲线在科研、生产中的应用与意义

（六）土壤水分特征曲线的测定

第五节 土壤水分常数及土壤水的有效性

（一）土壤水分常数

（二）土壤水的有效性

三、重点、难点提示和教学手段

（一）教学重点

土壤水分的形态分类

土壤水分的能态及计算方法

土壤水分特征曲线的含义、性质、用途

影响土壤水分特征曲线的因素

测定水分特征曲线的方法

（二）教学难点

土壤水分的能量状态及土水势的确定和单位，实效孔径概念及滞后现象

（三）教学手段及教学环节

多媒体幻灯片、实验室演示

四、思考与练习

²      土壤含水率的表示方法。

²      土壤水分的形态分类。

²      土壤水分的能量分类与计算。

²      为什么滞后作用的两个不同的过程中土壤基质势与含水率达不到平衡？

²      目前国内常见的水分特征曲线测试方法有哪几种？

²      所说的土壤水分常数有哪些？它们的物理意义是什么？

第四章 土壤水、盐运动

一、学习目的

通过本章的学习了解土壤水分运动模型、盐分（溶质）运移模型的主要特点及基本方程，掌握非饱和土壤水分运动方程的不同形式及应用条件及求解方法和步骤，掌握模型参数的物理意义和测定方法，为今后的科学研究和生产奠定基础。本章计划10学时。

二、课程内容

第一节 非饱和土壤水流的达西定律

（一）达西定律的概念

（二）土壤孔隙对土壤水分运动的影响

第二节 土壤水分的主要特点及基本方程

（一）土壤水分运动的主要特点

（二）土壤水分运动基本方程及推导过程

（三）非饱和土壤水分运动基本方程的其它形式及适用条件

第三节 非饱和土壤水分运动基本方程的求解

（一）解析解法

（二）数值解法

（三）国内外模型软件的介绍

第四节 非饱和土壤导水率和扩散率的测定方法

（一）导水率的测定

（二）扩散率的测定

第五节 土壤中的溶质运移

（一）溶质的对流运动

（二）溶质的水动力弥散

（三）溶质运移的基本方程

三、重点、难点提示和教学手段

（一）教学重点

土壤水分运动的主要特点、土壤水分运动基本方程的导出过程，非饱和土壤水分运动方程的不同形式及适用条件，溶质运移方程及求解过程，模型参数的测定方法及物理意义。

（二）教学难点

土壤水分运动基本方程的导出过程，非饱和土壤水分运动方程的不同形式及适用条件，溶质运移方程及求解过程

（三）教学手段及教学环节

多媒体幻灯片、实验室演示

四、思考与练习

²      物理点是如何定义的？

²      达西定律的适用范围。

²      土壤水分运动的主要特点。

²      土壤水分运动基本方程的适用条件和推导过程。

²      不同形式的非饱和土壤水分运动基本方程的建立和适用条件是什么？

²      什么是Boltzmann变换。

²      非饱和流基本方程的求解方法。

²      测定土壤导水率K(θ)和扩散率D(θ)的方法有哪些？具体操作步骤有哪些？

²      溶质机械弥散的机理。

²      溶质运移基本方程的推导。

第五章 土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的水分循环

一、学习目的

理解土壤—植物—大气连续体的含义，掌握SPAC系统水分循环机理及水下渗的物理过程、剖面湿润情况以及影响入渗率的因素。土壤水分再分配过程中的不同环节予以了解，掌握田间水量平衡过程及计算步骤，为水资源分析和评价提供支撑。本章计划4学时。

二、课程内容

第一节 SPAC系统的组成和基本概念

第二节 土壤水的入渗

（一）入渗概念

（二）入渗过程及水分剖面分布

（三）入渗过程的数学模型

（四）入渗条件下入渗率及累计入渗量的计算

（五）影响渗吸过程的因素

第三节 土壤水分的再分配

（一）水分再分配过程

（二）水分再分配过程中水分的变化及滞后现象

（三）水分再分配过程的数学模型

（四）影响再分配过程的因素

第四节 土壤水蒸发

（一）水分蒸发过程

（二）水分蒸发条件下的土壤水分运动数学模型

（三）蒸发率及蒸发率的计算

（四）影响土面蒸发的因素

第五节 植物的蒸腾

（一）植物蒸腾的概述

（二）植物体内水分的作用

（三）植物蒸腾水分的机理

（四）影响蒸腾的因素

第六节 田间水量平衡与能量平衡

（一）SPAC系统中的水流通量平衡方程

（二）田间水量平衡

（三）田间能量平衡

（四）SWAP 模型介绍与应用

三、重点、难点提示和教学手段

（一）教学重点

土壤—植物—大气连续体的含义、水下渗的物理过程、剖面湿润情况、影响入渗率的因素，SPAC系统，土壤水分的再分配、影响因素及其意义，土壤水蒸发的过程

（二）教学难点

水分蒸发条件下的土壤水分运动数学模型，SPAC系统中的水流通量平衡方程

（三）教学手段及教学环节

多媒体幻灯片

四、思考与练习

²      简述土壤水蒸发的机理。

²      各蒸发阶段的特点有哪些？

²      入渗率的计算题。

²      简述土壤水分再分配的过程。

²      叙述植物蒸腾的物理过程。

²      植物水分蒸腾的机理。