第四章 土壤物理性質(zhì)

第四章土壤物理性質(zhì)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(zhì)量。(g/cm3)2.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。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(zhǎng)石2.54～2.57磁鐵礦5.03～5.18斜長(zhǎng)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(zhì)1.40～1.80纖鐵礦3.60～4.10表4－1土壤中常見(jiàn)組分的密度表4－2某森林土壤表層各級(jí)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(zhì)(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(shí)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(cè)定土壤容重(2)計(jì)算工程土方量2、土壤容重(soilbulkdensity)作用(1)計(jì)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(shè)耕層厚度0.2m，容重1.3t/m3，有機(jī)質(zhì)含量15g/kg=0.015t/t，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t。1hm2(104m2)0.2m土層計(jì)：(3)估算各種土壤成分儲(chǔ)量土壤=10000×0.2×1.3=2600t有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量=2600×0.015=39.0t全氮儲(chǔ)量=2600×0.00075=1.95t1hm2的1m土層儲(chǔ)水量=10000m2×1m×1.3t/m3×25%=3250t3250t/1t/m3(水密度)=3250m33250m3/hm2=325mm

設(shè)土層厚度1m，土壤含水量25%，容重為1.3t/m3。(4)計(jì)算土壤儲(chǔ)水量及灌水（或排水）定額公式3、影響容重的因素(主要通過(guò)影響孔隙影響容重)質(zhì)地(texture)結(jié)構(gòu)(structure)有機(jī)質(zhì)含量(organicmattercontent)緊實(shí)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(mǎn)于土壤孔隙中。小孔隙大孔隙

土壤是一個(gè)疏松多孔體，既有顆粒與顆粒之間的粒間孔隙，也有團(tuán)聚體與團(tuán)聚體之間的結(jié)構(gòu)孔隙。孔隙的大小、幾何形狀、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(jí)1.當(dāng)量孔徑與土壤水吸力相當(dāng)?shù)目紫吨睆椒Q(chēng)為當(dāng)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(duì)水的吸力，單為厘米或百帕（hpa）。2、孔度分級(jí)（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(duì)作物無(wú)益。微生物和根毛都伸不進(jìn)去，故叫無(wú)效孔隙。粘質(zhì)物結(jié)構(gòu)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(dòng)強(qiáng)烈，水分傳導(dǎo)順暢，水分對(duì)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(shí)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(shí)植物根毛、根系和微生物均可在通氣孔隙中活動(dòng)。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(dá)到了最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f=47.54三斜立方體排列是最緊密的f=25.95（2）土壤質(zhì)地砂土（30~45%）<壤土（40~50%）<粘土（45~60%）（3）土壤結(jié)構(gòu)（4）土壤有機(jī)質(zhì)含量（5）耕作管理（6）土層狀況有機(jī)質(zhì)含量、耕作擾動(dòng)及根系穿透團(tuán)聚化作用越強(qiáng)，孔隙都愈大，主要增加了結(jié)構(gòu)孔隙。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)土壤的孔度比非團(tuán)聚化土壤增加1/3至1/2左右。

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

1.土壤結(jié)構(gòu)性(soilstructurality)

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

2.土壤結(jié)構(gòu)體(soilconfiguration)

土粒在膠結(jié)物(有機(jī)質(zhì)、碳酸鈣、氧化鐵)的作用下，相互團(tuán)聚在一起形成大小、形狀、性質(zhì)不同的土團(tuán)。土壤結(jié)構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)體土壤結(jié)構(gòu)性大小形狀不良性狀結(jié)構(gòu)體理性結(jié)構(gòu)體塊狀結(jié)構(gòu)片狀結(jié)構(gòu)，鱗片狀結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)，棱柱狀結(jié)構(gòu)核狀結(jié)構(gòu)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)微團(tuán)聚體孔性穩(wěn)定性肥力特性水力學(xué)穩(wěn)定性機(jī)械學(xué)穩(wěn)定性生物學(xué)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的能力和改善耕性能力孔隙度和孔隙級(jí)別土壤結(jié)構(gòu)：土粒在內(nèi)外因素的綜合作用下，形成了大小不一、形狀不同、性質(zhì)各異的團(tuán)聚體或團(tuán)塊。無(wú)結(jié)構(gòu)（Singlegrained）二、土壤結(jié)構(gòu)體種類(lèi)（soilconfigurationtype）

形狀：立方體型，縱軸和橫軸大體相等，邊面不明顯，內(nèi)部緊實(shí)。

產(chǎn)生條件：熟化度較低的表層土壤或缺乏有機(jī)質(zhì)而粘重的底土多為塊狀結(jié)構(gòu)。

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

2、團(tuán)塊狀(crumbystructure)

形狀：與塊狀相似，較塊狀結(jié)構(gòu)小，略呈圓形，表面不平。大小劃分：大團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，直徑5～3cm；團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，直徑3～1cm；小團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，直徑<1cm。

形狀：立方體型，邊面明顯的多棱角碎塊，內(nèi)部緊實(shí)，泡水后不易散碎。產(chǎn)生條件：在粘重的心土層或由氫氧化鐵膠結(jié)土粒后形成核狀結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)(nuttystructure)

形狀：側(cè)面，橫斷面形狀不規(guī)則。產(chǎn)生條件：柱狀結(jié)構(gòu)是堿化土壤的標(biāo)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(jié)構(gòu)，>5cm；柱狀結(jié)構(gòu)，3～5cm；小柱狀結(jié)構(gòu)，<3cm。4、柱狀(columnarstructure)形狀：同柱狀結(jié)構(gòu)，棱角尖銳明顯，橫斷面略呈三角形。產(chǎn)生條件：粘重土壤的底土，由于干濕交替頻繁形成棱柱狀結(jié)構(gòu)。（水稻土）大小劃分：大棱柱狀結(jié)構(gòu)，>5cm；棱柱狀結(jié)構(gòu)，3～5cm；小棱柱狀結(jié)構(gòu)，<3cm。5、棱柱狀結(jié)構(gòu)(primaticstructure)

形狀：橫軸遠(yuǎn)大于縱軸，呈扁平狀結(jié)構(gòu)體。產(chǎn)生條件：雨后土壤表面結(jié)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(jié)構(gòu)(platystructure)

形狀：近似于球形，疏松多孔的小土團(tuán)稱(chēng)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：一般為0.25～10mm，<0.25mm者稱(chēng)微團(tuán)粒(microaggregate)，水稻土中多為微團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。7、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)(granularstructure)土壤團(tuán)粒體不良結(jié)構(gòu)體：

塊狀、核狀、柱狀、棱柱狀和片狀結(jié)構(gòu)體總孔隙度小，主要是小的非活性孔隙，結(jié)構(gòu)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(shí)常扯斷根系。共性：質(zhì)地粘重，有機(jī)質(zhì)貧乏。問(wèn)題：孔隙組成單一，均屬于不良性狀的結(jié)構(gòu)體良好結(jié)構(gòu)體：團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體不僅總孔隙度大，而且內(nèi)部有多級(jí)大量的大小孔隙，團(tuán)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

土壤結(jié)構(gòu)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(chēng)機(jī)械穩(wěn)定性，是指土壤結(jié)構(gòu)體抵抗機(jī)械壓碎的能力。（塊狀、柱狀、核狀、片狀）水穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)體浸水后不易分散的性能。（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、氧化鐵、鋁膠結(jié)）生物穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)體抵抗微生物分解的能力。

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

第二階段是團(tuán)聚體(aggregate)進(jìn)一步粘結(jié)形成結(jié)構(gòu)體或致密土體（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)）。四、土壤結(jié)構(gòu)體（soilconfiguration)的形成單個(gè)土粒團(tuán)聚體微團(tuán)粒（1）陽(yáng)離子凝聚(cationcoagulation)

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

1、土粒粘聚（粘結(jié)團(tuán)聚過(guò)程）常見(jiàn)陽(yáng)離子凝聚能力：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(agriculturalproduction)中，常施用石灰(酸性土)或石膏(堿性土)，利用Ca2+的作用促進(jìn)土粒凝聚。增加介質(zhì)中電解質(zhì)濃度也可促進(jìn)膠粒凝聚。

(2)水膜(waterfilm)的粘結(jié)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(nèi)側(cè)的負(fù)壓，把相鄰的土粒團(tuán)聚在一起，形成土團(tuán)。（無(wú)水穩(wěn)性）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常采用排水曬田、曬壟、凍壟等措施，提高土壤溶液電解質(zhì)的濃度，促進(jìn)土壤膠粒凝聚。(3)膠結(jié)作用(cementation)

a、簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)膠體(simplesoilmineralcolloid)

土壤中Fe2O3·xH2O、Al2O3·yH2O、SiO2·zH2O等，濕潤(rùn)時(shí)常以膠膜形態(tài)包被在一起，形成的結(jié)構(gòu)體。往往是致密緊實(shí)的結(jié)構(gòu)體，如核狀結(jié)構(gòu)，對(duì)協(xié)調(diào)水肥的能力極差。干燥脫水后成土塊，如大塊狀結(jié)構(gòu)和棱柱狀結(jié)構(gòu)。土粒Fe2+腐殖質(zhì)Fe3+Al3+土粒土粒b、粘粒(clay)

粘粒具有巨大的表面積，粘結(jié)力很強(qiáng)，并可通過(guò)帶正電和帶負(fù)電邊面的靜電引力使其團(tuán)聚。c、有機(jī)質(zhì)(organicmatter)

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

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

(alternationoffreezingandthawing)

水分結(jié)冰時(shí)體積膨脹增大約9%，對(duì)周?chē)耐馏w產(chǎn)生壓力而使土壤崩裂。孔徑愈小，其中水分冰點(diǎn)愈低。造成膨壓的差異使土體產(chǎn)生裂痕，一旦融化，土壤就會(huì)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(jié)構(gòu)。b、土壤中的蚯蚓、昆蟲(chóng)、蟻類(lèi)等，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)形成均有一定作用。(4)土壤耕作(soiltillage)

通過(guò)合理耕作，在機(jī)械壓力作用下，土體破碎形成結(jié)構(gòu)。同時(shí)耕作使土肥相融、促進(jìn)良好結(jié)構(gòu)的形成。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有小水庫(kù)、小肥料庫(kù)、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)構(gòu)體。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(precipitation)和灌溉水(irrigationwater)；而團(tuán)粒內(nèi)部保水性強(qiáng)，天旱(drought)時(shí)還可防止水分蒸發(fā)(evaporation)。

天旱時(shí)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(huì)由大孔隙流向小孔隙而蒸發(fā)損失。1、小水庫(kù)(reservoir)2、小肥料庫(kù)

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（毛管孔隙，儲(chǔ)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(tuán)粒之間的孔隙較大，有利于空氣流通(ventilation)。六、土壤良好結(jié)構(gòu)體的培育1、大量施用有機(jī)肥（團(tuán)聚劑）2、實(shí)行合理耕作3、實(shí)行合理輪作4、施用石膏或石灰5、施用土壤結(jié)構(gòu)改良劑(soilconditioner)（一）、土壤粘結(jié)性

1.概念：土粒通過(guò)各種引力而粘結(jié)起來(lái)，就是粘結(jié)性。2.粘結(jié)力(cohesion)力學(xué)本質(zhì)：范德華力、氫鍵、庫(kù)侖力、水膜表面張力。3.粘結(jié)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(xué)性質(zhì)第三節(jié)土壤力學(xué)性質(zhì)與土壤耕性各種土壤的粘結(jié)力及對(duì)鐵片的粘著力(Schubler)土壤干土的相對(duì)粘結(jié)力(以灰色純粘土作為100)濕土對(duì)鐵片的粘著力(磅/英尺2)

1.硅質(zhì)純砂土2.腐殖質(zhì)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(nóng)具）上的性質(zhì)。粘著性實(shí)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(kāi)始出現(xiàn)粘著性的含水量要比開(kāi)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)。（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(dāng)外力撤消后仍能保持這種變形的特性，也稱(chēng)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。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?dòng)變形，但又沒(méi)有喪失其粘結(jié)性的范圍。上塑限(upperplasticlimit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最大含水量，又稱(chēng)流限。下塑限(lowerplasticlimit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最小含水量，又稱(chēng)塑限。塑性值(plasticindex)：上塑限和下塑限的差值，又稱(chēng)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(zhì)地愈粘重的土壤，塑性愈強(qiáng)。（2）交換性陽(yáng)離子交換性陽(yáng)離子對(duì)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，而對(duì)高嶺石的影響較小。（3）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