第四章 土壤物理性質(zhì)

1、第四章第四章 土壤物理性質(zhì)土壤物理性質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 土壤孔性土壤孔性 土壤液、氣共同存在于土壤孔隙中。土壤液、氣共同存在于土壤孔隙中。 一、土壤密度一、土壤密度(soil density) 1. 概念概念 單位容積固體土粒單位容積固體土粒(不包括粒間孔隙不包括粒間孔隙)的質(zhì)的質(zhì)量。量。(g/cm3) 2. 影響土壤密度的因素影響土壤密度的因素 礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地。礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地。土壤密度一般取平均值土壤密度一般取平均值2.65g/cm3。組分組分密度密度(g/cm3)組分組分密度密度(g/cm3)石英石英2.602.68赤鐵礦赤鐵礦4.905.30正長石正長石2.5

2、42.57磁鐵礦磁鐵礦5.035.18斜長石斜長石2.622.76三水鋁石三水鋁石2.302.40白云母白云母2.772.88高嶺石高嶺石2.612.68黑云母黑云母2.703.10蒙脫石蒙脫石2.532.74角閃石角閃石2.853.57伊利石伊利石2.602.90輝石輝石3.153.90腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)1.401.80纖鐵礦纖鐵礦3.604.10表表41土壤中常見組分的密度土壤中常見組分的密度表表42某森林土壤表層各級土粒密度某森林土壤表層各級土粒密度粒徑粒徑(mm)全土樣全土樣0.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)(g/kg)29.504.

3、314.853.764.2密度密度(g/cm3)2.622.662.662.622.592.59二、土壤容重二、土壤容重(bulk density of soil)1 1、概念、概念3 3、土壤比重、土壤比重 (soil specific gravity)土壤密度與土壤密度與44時純水密度之比。一般取時純水密度之比。一般取2.652.65 。單位體積自然狀態(tài)土壤體（原狀土）（含粒間孔隙）的單位體積自然狀態(tài)土壤體（原狀土）（含粒間孔隙）的重量（干重）。（重量（干重）。（g/cm3）環(huán)刀法測定土壤容重(2)(2)計(jì)算工程土方量計(jì)算工程土方量2 2、土壤容重、土壤容重(soil bulk densi

4、ty)作用作用(1)(1) 計(jì)算土壤孔隙度計(jì)算土壤孔隙度(soil porosity) 孔隙度（孔隙度（1 1容重容重/ /比重）比重）100%100%土壤重量土壤重量=土壤體積土壤體積土壤容重土壤容重 設(shè)耕層厚度設(shè)耕層厚度0.2m0.2m，容重，容重1.3t/m31.3t/m3，有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)含量 15g/kg=0.015t/t15g/kg=0.015t/t，全氮量，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t0.75g/kg=0.00075t/t。 1hm1hm2 2(10(104 4m m2 2)0.2m)0.2m土層計(jì)：土層計(jì)：(3)(3)估算各種土壤成分儲量估算各種土壤成分儲量土

5、壤土壤=100000.21.3=2600t有機(jī)質(zhì)儲量有機(jī)質(zhì)儲量=26000.015=39.0t全氮儲量全氮儲量=26000.00075=1.95t1hm2的的1m土層儲水量土層儲水量 =10000m21m1.3 t/m325%=3250t3250t/1t/m3(水密度水密度)=3250m33250m3/hm2= 325mm 設(shè)土層厚度設(shè)土層厚度1m，土壤含水量，土壤含水量25%，容重為，容重為1.3 t/m3。(4)(4)計(jì)算土壤儲水量及灌水（或排水）定額計(jì)算土壤儲水量及灌水（或排水）定額公公式式3 3、影響容重的因素影響容重的因素 (主要通過影響孔隙影響容重主要通過影響孔隙影響容重)質(zhì)地質(zhì)地

6、(texture)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(structure)有機(jī)質(zhì)含量有機(jī)質(zhì)含量(organic matter content)緊實(shí)度緊實(shí)度(degree of compaction)三、土壤孔性三、土壤孔性（一）概念（一）概念土壤總孔度、大小孔隙分配、孔土壤總孔度、大小孔隙分配、孔隙在土體中分布。隙在土體中分布。（二）孔隙度（二）孔隙度(soil porosity) 土壤土壤全部全部孔隙容積孔隙容積(pore volume)占土體容積的百分率。占土體容積的百分率。 水和空氣共存并充滿于土水和空氣共存并充滿于土壤孔隙中。壤孔隙中。小小孔孔隙隙大大孔孔隙隙 土壤是一個疏松多孔體，既土壤是一個疏松多孔體，既有

7、顆粒與顆粒之間的有顆粒與顆粒之間的粒間孔隙粒間孔隙，也有團(tuán)聚體與團(tuán)聚體之間的也有團(tuán)聚體與團(tuán)聚體之間的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)孔隙孔隙?？紫兜拇笮?、幾何形狀、?？紫兜拇笮　缀涡螤?、多少以及在土壤不同層次中分配多少以及在土壤不同層次中分配關(guān)系都是極為復(fù)雜的。所以，土關(guān)系都是極為復(fù)雜的。所以，土壤孔隙具有發(fā)生學(xué)特征和意義。壤孔隙具有發(fā)生學(xué)特征和意義。 2. 土壤三相組成及孔度計(jì)算土壤三相組成及孔度計(jì)算 總孔度總孔度(total porosity) (1容重容重/密度密度) 100% 固相固相(solid phase)(容重容重/密度密度) 100% 液相液相(liquid phase)(水分重量百分率水分重量百分

8、率容重容重) 100% 氣相氣相(gas phase)(總孔度液相總孔度液相) 100% 土壤三相比固相土壤三相比固相:液相液相:氣相氣相3. 土壤三相組成的適宜范圍土壤三相組成的適宜范圍(comfort zone) 多數(shù)旱地作物適宜的土壤固、液、氣三相比為：多數(shù)旱地作物適宜的土壤固、液、氣三相比為： 0.500.250.250.300.150.300.150.250.25 （三）孔隙的分級（三）孔隙的分級1. 當(dāng)量孔徑當(dāng)量孔徑 與土壤水吸力相當(dāng)?shù)目紫吨睆椒Q為當(dāng)量孔徑。與土壤水吸力相當(dāng)?shù)目紫吨睆椒Q為當(dāng)量孔徑。T=3/D D為孔隙直徑（毫米）。為孔隙直徑（毫米）。T為水吸力，可理解為為水吸力，可

9、理解為土壤對水的吸力，單為厘米或百帕（土壤對水的吸力，單為厘米或百帕（hpa）。）。 2、 孔度分級孔度分級（1 1）非活性孔隙）非活性孔隙(inactive pore) ：孔徑小于：孔徑小于0.03mm0.03mm 幾乎是束縛水占據(jù)的孔道，對作物無益。微生物和根幾乎是束縛水占據(jù)的孔道，對作物無益。微生物和根毛都伸不進(jìn)去，故叫無效孔隙。粘質(zhì)物結(jié)構(gòu)土壤居多。毛都伸不進(jìn)去，故叫無效孔隙。粘質(zhì)物結(jié)構(gòu)土壤居多。（2 2）毛管孔隙）毛管孔隙(capillary pore) ：土壤孔徑：土壤孔徑0.10.10.03mm0.03mm 毛管作用非常明顯，毛管作用活動強(qiáng)烈，水分傳導(dǎo)順暢，毛管作用非常明顯，毛管作

10、用活動強(qiáng)烈，水分傳導(dǎo)順暢，水分對植物完全有效。水分對植物完全有效。（3 3）通氣孔隙）通氣孔隙(aeration pore) （非毛管孔）：孔徑（非毛管孔）：孔徑0.1mm0.1mm 水分受重力作用明顯，灌溉時是水分入滲通道，日常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。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、影響土壤孔隙狀況的因素（1）土粒排列狀況）土粒排列狀況大小顆粒相互填充是大小顆粒相互填充是土壤孔隙度達(dá)到了最

11、土壤孔隙度達(dá)到了最低值低值工程上先破壞土壤結(jié)構(gòu)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正立方體是排列是最松散的f=47.54f=47.54三斜立方體排列是最緊密的三斜立方體排列是最緊密的f=25.95f=25.95（2）土壤質(zhì)地）土壤質(zhì)地砂土砂土（3045%）壤土壤土（4050%）10cm;小塊狀結(jié)構(gòu)直徑小塊狀結(jié)構(gòu)直徑510cm。 4、柱狀、柱狀(columnar structure) 形狀：形狀：同柱狀結(jié)構(gòu)，棱角尖銳明顯，橫斷面略呈三同柱狀結(jié)構(gòu)，棱角尖銳明顯，橫斷面略呈三角形。角形。產(chǎn)生條件：產(chǎn)生條件：粘重土壤的底土，由于干濕交替頻繁形粘重土壤

12、的底土，由于干濕交替頻繁形成棱柱狀結(jié)構(gòu)。成棱柱狀結(jié)構(gòu)。（水稻土）（水稻土）大小劃分：大小劃分：大棱柱狀結(jié)構(gòu)，大棱柱狀結(jié)構(gòu)，5cm；棱柱狀結(jié)構(gòu)，；棱柱狀結(jié)構(gòu)，35cm；小棱柱狀結(jié)構(gòu)，；小棱柱狀結(jié)構(gòu)，3mm者為板狀，者為板狀， 3mm者為片狀。者為片狀。6、片狀、板狀結(jié)構(gòu)、片狀、板狀結(jié)構(gòu) 形狀：形狀：近似于球形，疏松多孔的小土團(tuán)稱近似于球形，疏松多孔的小土團(tuán)稱團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，是含有機(jī)質(zhì)豐富肥沃土壤的標(biāo)志特征團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，是含有機(jī)質(zhì)豐富肥沃土壤的標(biāo)志特征。 大小劃分：大小劃分：一般為一般為0.2510mm，Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+2+土粒土粒土粒土粒土粒土粒（1）干濕交替作用

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

14、的壓力，使土體破碎產(chǎn)生的壓力，使土體破碎（2）凍融交替作用）凍融交替作用 水分結(jié)冰時體積膨脹增大約水分結(jié)冰時體積膨脹增大約9%，對周，對周圍的土體產(chǎn)生壓力而使土壤崩裂。圍的土體產(chǎn)生壓力而使土壤崩裂。 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有小水庫、小肥料庫、空氣走廊小水庫、小肥料庫、空氣走廊的作用，協(xié)調(diào)水氣狀況能力強(qiáng)，因而是理想的結(jié)的作用，協(xié)調(diào)水氣狀況能力強(qiáng)，因而是理想的結(jié)構(gòu)體。構(gòu)體。五、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在土壤肥力上的意義五、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)在土壤肥力上的意義 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)透水性好，可接納大量降水團(tuán)粒結(jié)構(gòu)透水性好，可接納大量降水(precipitation)和灌溉水和灌溉水(irrigation water)；而團(tuán)；而團(tuán)粒內(nèi)部保

15、水性強(qiáng)，天旱粒內(nèi)部保水性強(qiáng)，天旱(drought)時還可防止水時還可防止水分蒸發(fā)分蒸發(fā)(evaporation)。 天旱時表層蒸發(fā)失水后，土體收縮切斷與下天旱時表層蒸發(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。蒸發(fā)損失。1、小水庫、小水庫(reservoir)2、小肥料庫、小肥料庫 具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤，通常有機(jī)質(zhì)含量豐富。團(tuán)具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤，通常有機(jī)質(zhì)含量豐富。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)表面（大孔隙，和空氣接觸）為好氣作用，有粒結(jié)構(gòu)表面（大孔隙，和空氣接觸）為好氣作用，有利于有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，釋放養(yǎng)分。團(tuán)粒內(nèi)部（毛管孔利于有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化

16、，釋放養(yǎng)分。團(tuán)粒內(nèi)部（毛管孔隙，儲水通氣不良）則有利于腐殖化，保存養(yǎng)分。隙，儲水通氣不良）則有利于腐殖化，保存養(yǎng)分。 （一）、土壤粘結(jié)性（一）、土壤粘結(jié)性 1. 概念：概念：土粒通過各種引力而土粒通過各種引力而粘結(jié)起來，就是粘結(jié)性。粘結(jié)起來，就是粘結(jié)性。 2. 粘結(jié)力粘結(jié)力(cohesion) 力學(xué)本質(zhì)：范德華力、氫鍵、力學(xué)本質(zhì)：范德華力、氫鍵、庫侖力、水膜表面張力。庫侖力、水膜表面張力。3. 粘結(jié)性的影響因素粘結(jié)性的影響因素 (1)土壤比面及其影響因素土壤比面及其影響因素 (2)土壤含水量土壤含水量第三節(jié)第三節(jié) 土壤力學(xué)性質(zhì)與土壤耕性土壤力學(xué)性質(zhì)與土壤耕性各種土壤的粘結(jié)力及對鐵片的粘著力各種

17、土壤的粘結(jié)力及對鐵片的粘著力 (Schubler)土土 壤壤干土的相對粘結(jié)力干土的相對粘結(jié)力(以灰色純粘土作以灰色純粘土作為為100)濕土對鐵片的粘著濕土對鐵片的粘著力力(磅磅/英尺英尺2) 1.硅質(zhì)純砂土硅質(zhì)純砂土 2.腐殖質(zhì)腐殖質(zhì) 3.菜園土菜園土 4.砂粘土砂粘土 5.壤粘土壤粘土 6.灰色純粘土灰色純粘土0.08.77.657.368.8100.03.88.86.47.910.617.2（二）、土壤粘著性（二）、土壤粘著性1.概念概念:土壤粘著性是土粒粘附在外物（農(nóng)具）上的性土壤粘著性是土粒粘附在外物（農(nóng)具）上的性質(zhì)。質(zhì)。 粘著性實(shí)際上是指土粒水外物相互吸引的性能。粘著性實(shí)際上是指土粒

18、水外物相互吸引的性能。 2. 影響因素影響因素（1）土壤活性表面）土壤活性表面 （2）土壤含水量）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(jié)性的含水量為大。開始出現(xiàn)粘著性的含水量要比開始出現(xiàn)粘結(jié)性的含水量為大。 土壤粘著性也是在一定含水量范圍內(nèi)表現(xiàn)。土壤粘著性也是在一定含水量范圍內(nèi)表現(xiàn)。（三）、土壤塑性（三）、土壤塑性 (soil plasticity) 1.概念概念:塑性塑性是指土壤在外力的作用下變形，當(dāng)外力撤是指土壤在外力的作用下變形，當(dāng)外力撤消后仍能保持這種變形的特性，也稱可塑性。傳統(tǒng)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(shù)工藝，就是利用粘土的這一特性形成的。的泥塑

19、藝術(shù)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。土壤塑性是片狀粘粒及其水膜造成的。土壤表現(xiàn)土壤表現(xiàn)塑性的含水量范圍塑性的含水量范圍是土粒間的水膜已厚到允是土粒間的水膜已厚到允許土?；瑒幼冃危譀]有喪失其粘結(jié)性的范圍。許土?；瑒幼冃危譀]有喪失其粘結(jié)性的范圍。 上塑限上塑限(upper plastic limit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最大含水土壤呈現(xiàn)塑性的最大含水量，又稱流限。量，又稱流限。 下塑限下塑限(lower plastic limit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最小含水土壤呈現(xiàn)塑性的最小含水量，又稱塑限。量，又稱塑限。 塑性值塑性值(plastic index)：上塑限

20、和下塑限的差值，又稱上塑限和下塑限的差值，又稱塑性指數(shù)。塑性指數(shù)。塑性值愈大表示土壤塑性愈強(qiáng)。上塑限、下塑限和塑性塑性值愈大表示土壤塑性愈強(qiáng)。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。增加而增大。2.影響因素影響因素 （1）粘粒含量）粘粒含量 質(zhì)地愈粘重的土壤，塑性愈強(qiáng)。質(zhì)地愈粘重的土壤，塑性愈強(qiáng)。 （2）交換性陽離子）交換性陽離子 交換性陽離子對粘粒礦物的塑性強(qiáng)弱的影響很大。交換性陽離子對粘粒礦物的塑性強(qiáng)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

21、影響較小。對高嶺石的影響較小。 （3）有機(jī)質(zhì)）有機(jī)質(zhì) 有機(jī)質(zhì)能提高土壤上、下塑限，但幾乎不改變其塑有機(jī)質(zhì)能提高土壤上、下塑限，但幾乎不改變其塑性值。性值。 下塑限下塑限上塑限上塑限塑性值塑性值粘粘 土土粘壤土粘壤土壤壤 土土砂壤土砂壤土砂砂 土土2330162210151004150284017271601820121771270各種質(zhì)地土壤的塑性值（含水量）各種質(zhì)地土壤的塑性值（含水量） 鈣或鈉飽和的粘粒礦物的塑限鈣或鈉飽和的粘粒礦物的塑限(含水量含水量%) 鈣鈣 飽飽 和和鈉鈉 飽飽 和和 下塑限下塑限上塑限上塑限下塑限下塑限上塑限上塑限蒙脫石蒙脫石高嶺石高嶺石63361777397267

22、0052（四）、土壤脹縮性（四）、土壤脹縮性1. 概念概念 土壤干時收縮，濕時膨脹的特性。土壤干時收縮，濕時膨脹的特性。2. 影響因素影響因素（1）陽離子）陽離子 當(dāng)土壤膠體被強(qiáng)烈解離的陽離子（如鈉）飽和時，膨脹性當(dāng)土壤膠體被強(qiáng)烈解離的陽離子（如鈉）飽和時，膨脹性最強(qiáng)，如交換性最強(qiáng)，如交換性Na+被被Ca2+置換則膨脹性變?nèi)酢Ｖ脫Q則膨脹性變?nèi)酢?各種陽離子對膨脹的作用次序如下：各種陽離子對膨脹的作用次序如下：HMgCaKNa22、（2）土壤質(zhì)地）土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地愈粘重，即粘粒含量愈高，尤其是擴(kuò)展型粘粒礦物土壤質(zhì)地愈粘重，即粘粒含量愈高，尤其是擴(kuò)展型粘粒礦物（蒙脫石、蛭石等）含量愈高，則脹縮性愈強(qiáng)。（蒙脫石、蛭石等）含量愈高，則脹縮性愈強(qiáng)。腐殖質(zhì)本身吸水性強(qiáng)，但它能促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的形成而保持土腐殖質(zhì)本身吸水性強(qiáng)，但它能促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的形成而保持土壤疏松，因而土體脹縮不明顯。壤疏松，因而土體脹縮不明顯。脹縮性強(qiáng)的土壤，在吸水膨脹時使土壤密實(shí)而難以透水透氣，脹縮性強(qiáng)的土壤，在吸水膨脹時使土壤密實(shí)而難以透水透氣，在干燥收縮時也會拉斷植物的細(xì)胞和根毛，并造成透風(fēng)散在干燥收縮時也會拉斷植物的細(xì)胞和根毛，并造成透風(fēng)散熱的裂隙。熱的裂隙。（五）、土壤耕作阻力（五）、土壤耕作阻力土壤的抗壓性、抗