第四章 土壤物理性質

第四章土壤物理性質第一節(jié)土壤孔性

土壤液、氣共同存在于土壤孔隙中。

一、土壤密度(soildensity)

1.概念單位容積固體土粒(不包括粒間孔隙)的質量。(g/cm3)2.影響土壤密度的因素礦物組成、有機質含量、土壤質地。土壤密度一般取平均值2.65g/cm3。組分密度(g/cm3)組分密度(g/cm3)石英2.60～2.68赤鐵礦4.90～5.30正長石2.54～2.57磁鐵礦5.03～5.18斜長石2.62～2.76三水鋁石2.30～2.40白云母2.77～2.88高嶺石2.61～2.68黑云母2.70～3.10蒙脫石2.53～2.74角閃石2.85～3.57伊利石2.60～2.90輝石3.15～3.90腐殖質1.40～1.80纖鐵礦3.60～4.10表4－1土壤中常見組分的密度表4－2某森林土壤表層各級土粒密度粒徑(mm)全土樣0.10～0.050.05～0.010.01～0.0050.005～0.001＜0.001腐殖質(g/kg)29.504.314.853.764.2密度(g/cm3)2.622.662.662.622.592.59二、土壤容重(bulkdensityofsoil)

1、概念

3、土壤比重

(soilspecificgravity)土壤密度與4℃時純水密度之比。一般取2.65

。單位體積自然狀態(tài)土壤體（原狀土）（含粒間孔隙）的重量（干重）。（g/cm3）環(huán)刀法測定土壤容重(2)計算工程土方量2、土壤容重(soilbulkdensity)作用(1)計算土壤孔隙度(soilporosity)

孔隙度＝（1－容重/比重）×100%土壤重量=土壤體積×土壤容重

設耕層厚度0.2m，容重1.3t/m3，有機質含量15g/kg=0.015t/t，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t。1hm2(104m2)0.2m土層計：(3)估算各種土壤成分儲量土壤=10000×0.2×1.3=2600t有機質儲量=2600×0.015=39.0t全氮儲量=2600×0.00075=1.95t1hm2的1m土層儲水量=10000m2×1m×1.3t/m3×25%=3250t3250t/1t/m3(水密度)=3250m33250m3/hm2=325mm

設土層厚度1m，土壤含水量25%，容重為1.3t/m3。(4)計算土壤儲水量及灌水（或排水）定額公式3、影響容重的因素(主要通過影響孔隙影響容重)質地(texture)結構(structure)有機質含量(organicmattercontent)緊實度(degreeofcompaction)三、土壤孔性（一）概念土壤總孔度、大小孔隙分配、孔隙在土體中分布。（二）孔隙度(soilporosity)土壤全部孔隙容積(porevolume)占土體容積的百分率。水和空氣共存并充滿于土壤孔隙中。小孔隙大孔隙

土壤是一個疏松多孔體，既有顆粒與顆粒之間的粒間孔隙，也有團聚體與團聚體之間的結構孔隙?？紫兜拇笮?、幾何形狀、多少以及在土壤不同層次中分配關系都是極為復雜的。所以，土壤孔隙具有發(fā)生學特征和意義。2.土壤三相組成及孔度計算總孔度(totalporosity)＝(1－容重/密度)×100%固相(solid

phase)＝(容重/密度)×100%液相(liquidphase)＝(水分重量百分率×容重)×100%氣相(gasphase)＝(總孔度－液相)×100%土壤三相比＝固相:液相:氣相3.土壤三相組成的適宜范圍(comfortzone)多數(shù)旱地作物適宜的土壤固、液、氣三相比為：0.50∶0.25～0.30∶0.15～0.25

（三）孔隙的分級1.當量孔徑與土壤水吸力相當?shù)目紫吨睆椒Q為當量孔徑。T=3/DD為孔隙直徑（毫米）。T為水吸力，可理解為土壤對水的吸力，單為厘米或百帕（hpa）。2、孔度分級（1）非活性孔隙(inactivepore)

：孔徑小于0.03mm幾乎是束縛水占據(jù)的孔道，對作物無益。微生物和根毛都伸不進去，故叫無效孔隙。粘質物結構土壤居多。（2）毛管孔隙(capillarypore)

：土壤孔徑0.1～0.03mm毛管作用非常明顯，毛管作用活動強烈，水分傳導順暢，水分對植物完全有效。（3）通氣孔隙(aerationpore)

（非毛管孔）：孔徑>0.1mm水分受重力作用明顯，灌溉時是水分入滲通道，日常是氣體交換通道。透水通氣，通常有空氣存在其中，同時植物根毛、根系和微生物均可在通氣孔隙中活動。3、影響土壤孔隙狀況的因素（1）土粒排列狀況大小顆粒相互填充是土壤孔隙度達到了最低值工程上先破壞土壤結構體，在將砂礫、粉砂粒、粘粒按照一定比例搭配才能形成較高容重的土層正立方體是排列是最松散的f=47.54三斜立方體排列是最緊密的f=25.95（2）土壤質地砂土（30~45%）<壤土（40~50%）<粘土（45~60%）（3）土壤結構（4）土壤有機質含量（5）耕作管理（6）土層狀況有機質含量、耕作擾動及根系穿透團聚化作用越強，孔隙都愈大，主要增加了結構孔隙。團粒結構土壤的孔度比非團聚化土壤增加1/3至1/2左右。

有結構土壤孔隙意義還在于形成了多級的土壤孔度一、土壤結構體概念（soilconfiguration)第二節(jié)土壤結構(soilstructure)

1.土壤結構性(soilstructurality)

土壤中單粒、復粒的數(shù)量、大小、形狀、性質及其相互排列和相應的孔隙狀況等綜合特性。

2.土壤結構體(soilconfiguration)

土粒在膠結物(有機質、碳酸鈣、氧化鐵)的作用下，相互團聚在一起形成大小、形狀、性質不同的土團。土壤結構土壤結構體土壤結構性大小形狀不良性狀結構體理性結構體塊狀結構片狀結構，鱗片狀結構柱狀結構，棱柱狀結構核狀結構團粒結構微團聚體孔性穩(wěn)定性肥力特性水力學穩(wěn)定性機械學穩(wěn)定性生物學穩(wěn)定性協(xié)調水、肥、氣、熱的能力和改善耕性能力孔隙度和孔隙級別土壤結構：土粒在內外因素的綜合作用下，形成了大小不一、形狀不同、性質各異的團聚體或團塊。無結構（Singlegrained）二、土壤結構體種類（soilconfigurationtype）

形狀：立方體型，縱軸和橫軸大體相等，邊面不明顯，內部緊實。

產生條件：熟化度較低的表層土壤或缺乏有機質而粘重的底土多為塊狀結構。

大小劃分：大塊狀結構,直徑>10cm;小塊狀結構直徑5～10cm。1、塊狀結構(cloddystructure)

2、團塊狀(crumbystructure)

形狀：與塊狀相似，較塊狀結構小，略呈圓形，表面不平。大小劃分：大團塊結構，直徑5～3cm；團塊狀結構，直徑3～1cm；小團塊狀結構，直徑<1cm。

形狀：立方體型，邊面明顯的多棱角碎塊，內部緊實，泡水后不易散碎。產生條件：在粘重的心土層或由氫氧化鐵膠結土粒后形成核狀結構。

大小劃分：大核狀，直徑>1cm；核狀，直徑7～10mm；小核狀，5～7mm。

3、核狀結構(nuttystructure)

形狀：側面，橫斷面形狀不規(guī)則。產生條件：柱狀結構是堿化土壤的標志特征，常在干旱半干旱地帶的底土出現(xiàn)。

大小劃分：大柱狀結構，>5cm；柱狀結構，3～5cm；小柱狀結構，<3cm。4、柱狀(columnarstructure)形狀：同柱狀結構，棱角尖銳明顯，橫斷面略呈三角形。產生條件：粘重土壤的底土，由于干濕交替頻繁形成棱柱狀結構。（水稻土）大小劃分：大棱柱狀結構，>5cm；棱柱狀結構，3～5cm；小棱柱狀結構，<3cm。5、棱柱狀結構(primaticstructure)

形狀：橫軸遠大于縱軸，呈扁平狀結構體。產生條件：雨后土壤表面結殼或老耕作土壤犁底層。大小劃分：>3mm者為板狀，<3mm者為片狀。6、片狀、板狀結構(platystructure)

形狀：近似于球形，疏松多孔的小土團稱團粒結構，是含有機質豐富肥沃土壤的標志特征。大小劃分：一般為0.25～10mm，<0.25mm者稱微團粒(microaggregate)，水稻土中多為微團粒結構。7、團粒結構(granularstructure)土壤團粒體不良結構體：

塊狀、核狀、柱狀、棱柱狀和片狀結構體總孔隙度小，主要是小的非活性孔隙，結構體之間大的通氣孔隙，往往成為漏水漏肥的通道。植物根系很難穿扎，干裂時常扯斷根系。共性：質地粘重，有機質貧乏。問題：孔隙組成單一，均屬于不良性狀的結構體良好結構體：團粒結構體不僅總孔隙度大，而且內部有多級大量的大小孔隙，團粒之間排列疏松，大孔隙較多，兼有蓄水和通氣的雙重作用。三、土壤結構的穩(wěn)定性

土壤結構的穩(wěn)定性包括力穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。力穩(wěn)定性也稱機械穩(wěn)定性，是指土壤結構體抵抗機械壓碎的能力。（塊狀、柱狀、核狀、片狀）水穩(wěn)定性是指結構體浸水后不易分散的性能。（團粒結構、氧化鐵、鋁膠結）生物穩(wěn)定性是指結構體抵抗微生物分解的能力。

第一階段是土粒在自身的粘結、凝聚或和外物膠結作用下粘聚形成次生復粒(secondarycompoundparticle)(微團聚體(microaggregate))或致密土體；

第二階段是團聚體(aggregate)進一步粘結形成結構體或致密土體（團粒結構）。四、土壤結構體（soilconfiguration)的形成單個土粒團聚體微團粒（1）陽離子凝聚(cationcoagulation)

土壤膠粒(soilcolloid)通常帶有負電荷，帶負電荷的土壤膠粒在陽離子(cation)作用下，發(fā)生相互凝聚。a、高價離子凝聚能力大于低價離子;b、水化半徑大的離子凝聚能力弱，反之則較強。

1、土粒粘聚（粘結團聚過程）常見陽離子凝聚能力：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+

農業(yè)生產(agriculturalproduction)中，常施用石灰(酸性土)或石膏(堿性土)，利用Ca2+的作用促進土粒凝聚。增加介質中電解質濃度也可促進膠粒凝聚。

(2)水膜(waterfilm)的粘結作用

土粒在水膜的作用下，在土粒接觸處形成彎月面，由于彎月面內側的負壓，把相鄰的土粒團聚在一起，形成土團。（無水穩(wěn)性）

農業(yè)生產中，常采用排水曬田、曬壟、凍壟等措施，提高土壤溶液電解質的濃度，促進土壤膠粒凝聚。(3)膠結作用(cementation)

a、簡單的無機膠體(simplesoilmineralcolloid)

土壤中Fe2O3·xH2O、Al2O3·yH2O、SiO2·zH2O等，濕潤時常以膠膜形態(tài)包被在一起，形成的結構體。往往是致密緊實的結構體，如核狀結構，對協(xié)調水肥的能力極差。干燥脫水后成土塊，如大塊狀結構和棱柱狀結構。土粒Fe2+腐殖質Fe3+Al3+土粒土粒b、粘粒(clay)

粘粒具有巨大的表面積，粘結力很強，并可通過帶正電和帶負電邊面的靜電引力使其團聚。c、有機質(organicmatter)

土壤中的腐殖質、多醣類、蛋白質、木質素以及許多微生物的分泌物和菌絲均有團聚作用。（1）干濕交替作用(alternationofdryingandwetting)

蒙脫石類的膨脹收縮性強，而水云母類和高嶺石類的膨脹收縮性則較弱。土塊越干，驟然灌水濕潤，這種作用愈明顯，有如“爆破”一樣。促使土體破碎形成結構。2、土壤結構的成型（切割造型過程）a、當干濕交替時，由于脹縮性的差異使土體產生不等的變形而依脆弱線開裂成小塊b、當土體吸水時，由于孔隙中閉蓄的空氣所產生的壓力，使土體破碎（2）凍融交替作用

(alternationoffreezingandthawing)

水分結冰時體積膨脹增大約9%，對周圍的土體產生壓力而使土壤崩裂?？讖接。渲兴直c愈低。造成膨壓的差異使土體產生裂痕，一旦融化，土壤就會沿裂痕酥散。(3)生物作用(biologicaleffect)

a、植物根系的穿插擠壓，可使土體破碎形成結構。b、土壤中的蚯蚓、昆蟲、蟻類等，對土壤結構形成均有一定作用。(4)土壤耕作(soiltillage)

通過合理耕作，在機械壓力作用下，土體破碎形成結構。同時耕作使土肥相融、促進良好結構的形成。團粒結構具有小水庫、小肥料庫、空氣走廊的作用，協(xié)調水氣狀況能力強，因而是理想的結構體。五、團粒結構在土壤肥力上的意義

團粒結構透水性好，可接納大量降水(precipitation)和灌溉水(irrigationwater)；而團粒內部保水性強，天旱(drought)時還可防止水分蒸發(fā)(evaporation)。

天旱時表層蒸發(fā)失水后，土體收縮切斷與下層毛管連通性，水分不會由大孔隙流向小孔隙而蒸發(fā)損失。1、小水庫(reservoir)2、小肥料庫

具有團粒結構的土壤，通常有機質含量豐富。團粒結構表面（大孔隙，和空氣接觸）為好氣作用，有利于有機質的礦質化，釋放養(yǎng)分。團粒內部（毛管孔隙，儲水通氣不良）則有利于腐殖化，保存養(yǎng)分。

3、空氣走廊

由于團粒之間的孔隙較大，有利于空氣流通(ventilation)。六、土壤良好結構體的培育1、大量施用有機肥（團聚劑）2、實行合理耕作3、實行合理輪作4、施用石膏或石灰5、施用土壤結構改良劑(soilconditioner)（一）、土壤粘結性

1.概念：土粒通過各種引力而粘結起來，就是粘結性。2.粘結力(cohesion)力學本質：范德華力、氫鍵、庫侖力、水膜表面張力。3.粘結性的影響因素

(1)土壤比面及其影響因素(2)土壤含水量一、土壤力學性質第三節(jié)土壤力學性質與土壤耕性各種土壤的粘結力及對鐵片的粘著力(Schubler)土壤干土的相對粘結力(以灰色純粘土作為100)濕土對鐵片的粘著力(磅/英尺2)

1.硅質純砂土2.腐殖質3.菜園土4.砂粘土5.壤粘土6.灰色純粘土0.08.77.657.368.8100.03.88.86.47.910.617.2（二）、土壤粘著性1.概念:土壤粘著性是土粒粘附在外物（農具）上的性質。粘著性實際上是指土粒－水－外物相互吸引的性能。2.影響因素（1）土壤活性表面（2）土壤含水量開始出現(xiàn)粘著性的含水量要比開始出現(xiàn)粘結性的含水量為大。土壤粘著性也是在一定含水量范圍內表現(xiàn)。（三）、土壤塑性

(soilplasticity)

1.概念:塑性是指土壤在外力的作用下變形，當外力撤消后仍能保持這種變形的特性，也稱可塑性。傳統(tǒng)的泥塑藝術工藝，就是利用粘土的這一特性形成的。土壤塑性是片狀粘粒及其水膜造成的。土壤表現(xiàn)塑性的含水量范圍是土粒間的水膜已厚到允許土?；瑒幼冃?，但又沒有喪失其粘結性的范圍。上塑限(upperplasticlimit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最大含水量，又稱流限。下塑限(lowerplasticlimit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最小含水量，又稱塑限。塑性值(plasticindex)：上塑限和下塑限的差值，又稱塑性指數(shù)。塑性值愈大表示土壤塑性愈強。上塑限、下塑限和塑性值均以含水量％表示之，它們的數(shù)值隨著粘粒含量的增加而增大。2.影響因素（1）粘粒含量質地愈粘重的土壤，塑性愈強。（2）交換性陽離子交換性陽離子對粘粒礦物的塑性強弱的影響很大。鈉離子使蒙脫石的上下塑限和塑性值大大增加，而對高嶺石的影響較小。（3）有機質有機質能提高土壤上、下塑限，但幾乎不改變其塑性值。

下塑限上塑限塑性值粘土粘壤土壤土砂壤土砂土23～3016～2210～15<10041～5028～4017～27<16018～2012～177～12