Курс физики почв: Учебник

Учебник содержит основные теоретические положения физики твердой, жидкой и газообразной фаз почвы, теплофизики и реологии почв.

Рассмотрены современные подходы и методы оценки физических свойств почв, почвенной влаги и структуры почв.

Проанализированы и описаны с помощью математического аппарата основные закономерности движения влаги в почве, в системе почва-растение-атмосфера, движения солей и тепла, газообмена почв, процесса деформации почв под нагрузкой, а также основы создания и функционирования физически обоснованных математических моделей переноса влаги, солей, тепла и газов в почве.

Для студентов и аспирантов, обучающихся в институтах и университетах по специальности и направлениям почвоведения, природопользования, а также широкого круга работников соответствующих специальностей.
Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Фундаментальные законы

2. Принципы изучения почвы как природного естественно-исторического тела

3. Почва как физическое тело. Предмет физики почв

Часть I ПОЧВА - ГЕТЕРОГЕННАЯ, МНОГОФАЗНАЯ, ПОРИСТАЯ, СИCТEМА

1. Фазы почвы, их соотношение

2. Плотность твердой фазы, почвы, агрегатов

3. Порозность почв, агрегатов, межагрегатная

4. Типичные значения плотности и порозности почв

5. Плотность почвы и урожай

6. Экологическое значение плотности почв

7. Размеры пор и их функции. Дифференциальная порозность почв

8. Методы определения плотности почв, агрегатов, твердой фазы

Часть II. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ

1. Элементарные почвенные частицв

2. Фракции элементарных почвенных частиц

3. Состав и свойства фракций гранулометрических элементов

4. Интегральные и дифференциальные кривые гранулометрического состава. Количественные характеристики распределения частиц по размерам

5. Классификации почв по гранулометрии

6. Гранулометрический состав почвенного профиля

7. Гранулометрический анализ почв

Часть III. СТРУКТУРА ПОЧВЫ

1. Микроагрегатный состав почв

2. Понятие о структуре почвы как об ее агрегатном составе

3. Оценка структуры. Ситовой анализ

4. Оценка структуры почвы

5. Структура почвы и урожай

6. Оптимальные диапазоны содержания воды и воздуха

7. Формирование почвенной структуры

7.1. Строение агрегата

7.2. Основные теории структуруобразования

7.3. Значение амфифильных свойств почвенного органического вещества

Часть IV. УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПОЧВ

1. Полная, внутренняя и внешняя удельные поверхности почв

2. Изотерма адсорбции паров воды почвами. Уравнение БЭТ

3. Определение и анализ данных по удельной поверхности

4. Принципы методов определения удельной поверхности

Часть V. ВЛАЖНОСТЬ ПОЧВЫ. ФОРМЫ ВОДЫ И ПОЧВЕННО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ

1. Влажность. Различные формы выражения

2. Формы воды в почве и энергетические константы

3.Почвенно-гидрологические константы

4.Методы определения влажности почвы

4.1. Прямые методы: термостатно-весовой

4.2. Косвенные методы

Часть VI. ДАВЛЕНИЕ (ПОТЕНЦИАЛ) ВЛАГИ В ПОЧВЕ

1. Понятие о капиллярно-сорбционном (матричном) давлении влаги в почве

2. Составляющие полного давления влаги в почве

3. Термодинамическое обоснование потенциала влаги. Полный потенциал влаги и его составляющие

4. О методах определения потенциала влаги в почве

Часть VII. ОСНОВНАЯ ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

1. Зависимость между капиллярно-сорбционным (матричным) давлением влаги и влажностью - основная гидрофизическая характеристика (ОГХ). Физическая сущность и формы представления

2. Зависимость ОГХ от фундаментальных свойств почв

3. Использование ОГХ

4. Гистерезис ОГХ

5. О методах определения ОГХ

6. Педотрансферные функции

Часть VIII. ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В ПОЧВЕ

1. Движение воды в НАСЫЩЕННОЙ влагой почве (фильтрация)

1.1. Закон Дарси

1.2. Виды фильтрации и фильтрационных задач

1.3. Отклонения от закона Дарси

2. Водопроницаемость. Впитывание (инфильтрация) воды в почву

3. Коэфицент фильтрации и впитывания: экспериментальные определения и расчеты

4. Движение воды в не насыщенной влагой почве

4.1. Функция влагопроводности (коэффициент влагопроводности или ненасыщенной гидравлической проводимости)

4.2. Модифицированный закон Дарси

4.3. Основное уравнение движения почвенной влаги

4.4. Расчет движения воды в не насыщенной влагой почве

4.4.1. Расчет с использованием основной гидрофизической : характеристики (ОГХ) и функции влагопроводности

4.4.2. Расчет с использованием гидрологических констант

5. Термовлагоперенос

5.1. Термопароперенос

5.2. Совместный парожидкостный перенос влаги в неизотермических условиях

5.3. Перенос влаги в замерзающих почвах

Часть IX. ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В СИCТEМЕ "ПОЧА-РАСТЕНИЕ-АТМОСФЕРА"

1. Понятие о влагообеспеченности растений. Транспирация

2. Термодинамический подход к описанию передвижения влаги в системе "почва-растение-атмосфера"

3. Критическое давление влаги в почве. Научные основы регулирования водного питания растений

4. Зависимость критического давления от различных факторов

Часть Х. ВОДНЫЙ РЕЖИМ И БАЛАНС ПОЧВ

1. Водный режим почв

1.1. Динамика влажности в почве. Водный режим почв

1.2. Различные формы представления водного режима: распределение влажности по глубине, послойные динамики, хроно- и топизоплетов

2. Водный баланс почв

2.1. Составляющие и уравнение водного баланса

2.2. Оценка некоторых составляющих водного баланс

2.2.1. Испарение с поверхности почвы. Транспирация

2.2.2. Внутрипочвенный отток

2.2.3. Конденсация

Часть XI. ПЕРЕНОС РАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

1. Конвективный перенос. Уравнение неразрывности

2. Диффузия

3. Гидродинамическая дисперсия. Уравнение конвективно-диффузионного пере носа

4. "Выходные кривые"

4.1. Анализ процессов при движении ионов в почве

4.2. Кинетическая сорбция (ДЕСОРБЦИЯ) веществ

4.3. Значение проточных и застойных зон порового пространства почв

5. Основные процессы и параметры переноса растворимых веществ в почве

6. Термодинамические подходы к совместному переносу веществ, тепла, электрических зарядов. Принцип Онсагера

Часть XII. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ И ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ

1. Основные этапы моделирования

2. Понятие о расчетных схемах, начальных, граничных условиях и экспериментальном обеспечении моделей

3. Процесс моделирования: "наполнение" модели экспериментальными данными, поливариантные расчеты

4. Использование моделей

Часть XIII. ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

1. Основные понятия: аэрация и порозность аэрации, воздухообмен, воздухоносная порозность, дыхание почв

2. Газовый состав почвенного воздуха. Газообмен с атмосферой

3. Перенос газов в почве

3.1. Конвекция

3.2. Диффузия

4. Методы исследования газового состава почвенного воздуха

Часть XIV. ТЕПЛОФИЗИКА ПОЧВ

1. Радиационный и тепловой баланс

1.1. Радиационный баланс

1.2. Тепловой баланс

2. Перенос тепла в почве. Основные механизмы

3. Теплофизические свойства почв

4. Тепловой и температурный режимы почв

5. Температурные оптимумы

6. Классификация тепловых режимов

7. Методы изучения составляющих радиационного баланса и теплофизических свойств почв

Часть XV. РЕОЛОГИЯ ПОЧВ

1. Типы связей и структур межчастичного взаимодействия

2. Основные понятия

3. Реологические законы для идеальных систем

4. Основные реологические модели, применяемые к почве

5. Пределы Аттерберга. Взаимосвязь реологических состояний с ОГХ

6. Тиксотропия. Реопексия. Дилатансия

Часть XVI. ДЕФОРМАЦИИ ПОЧВ

1. Основные понятия

2. Деформации сжатия (растяжения)

3. Деформации сдвига

4. Природные и антропогенно обусловленные Физико-механические явления при деформациях сжатия и сдвига

5. Прогноз уплотнения почв

6. Сопротивление пенетрации

Часть XVII. НАБУХАНИЕ И УСАДКА ПОЧВ. ЛИПКОСТЬ ПОЧВ

1. Набухание

2. Усадка почв и почвенных агрегатов

3. Липкость почв

Часть XVIII. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ПОЧВ

1. Преимущественные потоки влаги и веществ в почве

2. Пространственная неоднородность физических свойств и процессов

3. Многокомпонентный перенос в зоне аэрации и в грунтовых водах

4. Конструирование почв

СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ