第四章 土壤物理性质

第四章土壤物理性质第一节土壤孔性

土壤液、气共同存在于土壤孔隙中。

一、土壤密度(soildensity)

1.概念单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙)的质量。(g/cm3)2.影响土壤密度的因素矿物组成、有机质含量、土壤质地。土壤密度一般取平均值2.65g/cm3。组分密度(g/cm3)组分密度(g/cm3)石英2.60～2.68赤铁矿4.90～5.30正长石2.54～2.57磁铁矿5.03～5.18斜长石2.62～2.76三水铝石2.30～2.40白云母2.77～2.88高岭石2.61～2.68黑云母2.70～3.10蒙脱石2.53～2.74角闪石2.85～3.57伊利石2.60～2.90辉石3.15～3.90腐殖质1.40～1.80纤铁矿3.60～4.10表4－1土壤中常见组分的密度表4－2某森林土壤表层各级土粒密度粒径(mm)全土样0.10～0.050.05～0.010.01～0.0050.005～0.001＜0.001腐殖质(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)土壤密度与4℃时纯水密度之比。一般取2.65

。单位体积自然状态土壤体（原状土）（含粒间孔隙）的重量（干重）。（g/cm3）环刀法测定土壤容重(2)计算工程土方量2、土壤容重(soilbulkdensity)作用(1)计算土壤孔隙度(soilporosity)

孔隙度＝（1－容重/比重）×100%土壤重量=土壤体积×土壤容重

设耕层厚度0.2m，容重1.3t/m3，有机质含量15g/kg=0.015t/t，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t。1hm2(104m2)0.2m土层计：(3)估算各种土壤成分储量土壤=10000×0.2×1.3=2600t有机质储量=2600×0.015=39.0t全氮储量=2600×0.00075=1.95t1hm2的1m土层储水量=10000m2×1m×1.3t/m3×25%=3250t3250t/1t/m3(水密度)=3250m33250m3/hm2=325mm

设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3t/m3。(4)计算土壤储水量及灌水（或排水）定额公式3、影响容重的因素(主要通过影响孔隙影响容重)质地(texture)结构(structure)有机质含量(organicmattercontent)紧实度(degreeofcompaction)三、土壤孔性（一）概念土壤总孔度、大小孔隙分配、孔隙在土体中分布。（二）孔隙度(soilporosity)土壤全部孔隙容积(porevolume)占土体容积的百分率。水和空气共存并充满于土壤孔隙中。小孔隙大孔隙

土壤是一个疏松多孔体，既有颗粒与颗粒之间的粒间孔隙，也有团聚体与团聚体之间的结构孔隙。孔隙的大小、几何形状、多少以及在土壤不同层次中分配关系都是极为复杂的。所以，土壤孔隙具有发生学特征和意义。2.土壤三相组成及孔度计算总孔度(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%气相(gasphase)＝(总孔度－液相)×100%土壤三相比＝固相:液相:气相3.土壤三相组成的适宜范围(comfortzone)多数旱地作物适宜的土壤固、液、气三相比为：0.50∶0.25～0.30∶0.15～0.25

（三）孔隙的分级1.当量孔径与土壤水吸力相当的孔隙直径称为当量孔径。T=3/DD为孔隙直径（毫米）。T为水吸力，可理解为土壤对水的吸力，单为厘米或百帕（hpa）。2、孔度分级（1）非活性孔隙(inactivepore)

：孔径小于0.03mm几乎是束缚水占据的孔道，对作物无益。微生物和根毛都伸不进去，故叫无效孔隙。粘质物结构土壤居多。（2）毛管孔隙(capillarypore)

：土壤孔径0.1～0.03mm毛管作用非常明显，毛管作用活动强烈，水分传导顺畅，水分对植物完全有效。（3）通气孔隙(aerationpore)

（非毛管孔）：孔径>0.1mm水分受重力作用明显，灌溉时是水分入渗通道，日常是气体交换通道。透水通气，通常有空气存在其中，同时植物根毛、根系和微生物均可在通气孔隙中活动。3、影响土壤孔隙状况的因素（1）土粒排列状况大小颗粒相互填充是土壤孔隙度达到了最低值工程上先破坏土壤结构体，在将砂砾、粉砂粒、粘粒按照一定比例搭配才能形成较高容重的土层正立方体是排列是最松散的f=47.54三斜立方体排列是最紧密的f=25.95（2）土壤质地砂土（30~45%）<壤土（40~50%）<粘土（45~60%）（3）土壤结构（4）土壤有机质含量（5）耕作管理（6）土层状况有机质含量、耕作扰动及根系穿透团聚化作用越强，孔隙都愈大，主要增加了结构孔隙。团粒结构土壤的孔度比非团聚化土壤增加1/3至1/2左右。

有结构土壤孔隙意义还在于形成了多级的土壤孔度一、土壤结构体概念（soilconfiguration)第二节土壤结构(soilstructure)

1.土壤结构性(soilstructurality)

土壤中单粒、复粒的数量、大小、形状、性质及其相互排列和相应的孔隙状况等综合特性。

2.土壤结构体(soilconfiguration)

土粒在胶结物(有机质、碳酸钙、氧化铁)的作用下，相互团聚在一起形成大小、形状、性质不同的土团。土壤结构土壤结构体土壤结构性大小形状不良性状结构体理性结构体块状结构片状结构，鳞片状结构柱状结构，棱柱状结构核状结构团粒结构微团聚体孔性稳定性肥力特性水力学稳定性机械学稳定性生物学稳定性协调水、肥、气、热的能力和改善耕性能力孔隙度和孔隙级别土壤结构：土粒在内外因素的综合作用下，形成了大小不一、形状不同、性质各异的团聚体或团块。无结构（Singlegrained）二、土壤结构体种类（soilconfigurationtype）

形状：立方体型，纵轴和横轴大体相等，边面不明显，内部紧实。

产生条件：熟化度较低的表层土壤或缺乏有机质而粘重的底土多为块状结构。

大小划分：大块状结构,直径>10cm;小块状结构直径5～10cm。1、块状结构(cloddystructure)

2、团块状(crumbystructure)

形状：与块状相似，较块状结构小，略呈圆形，表面不平。大小划分：大团块结构，直径5～3cm；团块状结构，直径3～1cm；小团块状结构，直径<1cm。

形状：立方体型，边面明显的多棱角碎块，内部紧实，泡水后不易散碎。产生条件：在粘重的心土层或由氢氧化铁胶结土粒后形成核状结构。

大小划分：大核状，直径>1cm；核状，直径7～10mm；小核状，5～7mm。

3、核状结构(nuttystructure)

形状：侧面，横断面形状不规则。产生条件：柱状结构是碱化土壤的标志特征，常在干旱半干旱地带的底土出现。

大小划分：大柱状结构，>5cm；柱状结构，3～5cm；小柱状结构，<3cm。4、柱状(columnarstructure)形状：同柱状结构，棱角尖锐明显，横断面略呈三角形。产生条件：粘重土壤的底土，由于干湿交替频繁形成棱柱状结构。（水稻土）大小划分：大棱柱状结构，>5cm；棱柱状结构，3～5cm；小棱柱状结构，<3cm。5、棱柱状结构(primaticstructure)

形状：横轴远大于纵轴，呈扁平状结构体。产生条件：雨后土壤表面结壳或老耕作土壤犁底层。大小划分：>3mm者为板状，<3mm者为片状。6、片状、板状结构(platystructure)

形状：近似于球形，疏松多孔的小土团称团粒结构，是含有机质丰富肥沃土壤的标志特征。大小划分：一般为0.25～10mm，<0.25mm者称微团粒(microaggregate)，水稻土中多为微团粒结构。7、团粒结构(granularstructure)土壤团粒体不良结构体：

块状、核状、柱状、棱柱状和片状结构体总孔隙度小，主要是小的非活性孔隙，结构体之间大的通气孔隙，往往成为漏水漏肥的通道。植物根系很难穿扎，干裂时常扯断根系。共性：质地粘重，有机质贫乏。问题：孔隙组成单一，均属于不良性状的结构体良好结构体：团粒结构体不仅总孔隙度大，而且内部有多级大量的大小孔隙，团粒之间排列疏松，大孔隙较多，兼有蓄水和通气的双重作用。三、土壤结构的稳定性

土壤结构的稳定性包括力稳定性、生物稳定性和水稳定性。力稳定性也称机械稳定性，是指土壤结构体抵抗机械压碎的能力。（块状、柱状、核状、片状）水稳定性是指结构体浸水后不易分散的性能。（团粒结构、氧化铁、铝胶结）生物稳定性是指结构体抵抗微生物分解的能力。

第一阶段是土粒在自身的粘结、凝聚或和外物胶结作用下粘聚形成次生复粒(secondarycompoundparticle)(微团聚体(microaggregate))或致密土体；

第二阶段是团聚体(aggregate)进一步粘结形成结构体或致密土体（团粒结构）。四、土壤结构体（soilconfiguration)的形成单个土粒团聚体微团粒（1）阳离子凝聚(cationcoagulation)

土壤胶粒(soilcolloid)通常带有负电荷，带负电荷的土壤胶粒在阳离子(cation)作用下，发生相互凝聚。a、高价离子凝聚能力大于低价离子;b、水化半径大的离子凝聚能力弱，反之则较强。

1、土粒粘聚（粘结团聚过程）常见阳离子凝聚能力：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>H+>NH4+>K+>Na+

农业生产(agriculturalproduction)中，常施用石灰(酸性土)或石膏(碱性土)，利用Ca2+的作用促进土粒凝聚。增加介质中电解质浓度也可促进胶粒凝聚。

(2)水膜(waterfilm)的粘结作用

土粒在水膜的作用下，在土粒接触处形成弯月面，由于弯月面内侧的负压，把相邻的土粒团聚在一起，形成土团。（无水稳性）

农业生产中，常采用排水晒田、晒垄、冻垄等措施，提高土壤溶液电解质的浓度，促进土壤胶粒凝聚。(3)胶结作用(cementation)

a、简单的无机胶体(simplesoilmineralcolloid)

土壤中Fe2O3·xH2O、Al2O3·yH2O、SiO2·zH2O等，湿润时常以胶膜形态包被在一起，形成的结构体。往往是致密紧实的结构体，如核状结构，对协调水肥的能力极差。干燥脱水后成土块，如大块状结构和棱柱状结构。土粒Fe2+腐殖质Fe3+Al3+土粒土粒b、粘粒(clay)

粘粒具有巨大的表面积，粘结力很强，并可通过带正电和带负电边面的静电引力使其团聚。c、有机质(organicmatter)

土壤中的腐殖质、多醣类、蛋白质、木质素以及许多微生物的分泌物和菌丝均有团聚作用。（1）干湿交替作用(alternationofdryingandwetting)

蒙脱石类的膨胀收缩性强，而水云母类和高岭石类的膨胀收缩性则较弱。土块越干，骤然灌水湿润，这种作用愈明显，有如“爆破”一样。促使土体破碎形成结构。2、土壤结构的成型（切割造型过程）a、当干湿交替时，由于胀缩性的差异使土体产生不等的变形而依脆弱线开裂成小块b、当土体吸水时，由于孔隙中闭蓄的空气所产生的压力，使土体破碎（2）冻融交替作用

(alternationoffreezingandthawing)

水分结冰时体积膨胀增大约9%，对周围的土体产生压力而使土壤崩裂。孔径愈小，其中水分冰点愈低。造成膨压的差异使土体产生裂痕，一旦融化，土壤就会沿裂痕酥散。(3)生物作用(biologicaleffect)

a、植物根系的穿插挤压，可使土体破碎形成结构。b、土壤中的蚯蚓、昆虫、蚁类等，对土壤结构形成均有一定作用。(4)土壤耕作(soiltillage)

通过合理耕作，在机械压力作用下，土体破碎形成结构。同时耕作使土肥相融、促进良好结构的形成。团粒结构具有小水库、小肥料库、空气走廊的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结构体。五、团粒结构在土壤肥力上的意义

团粒结构透水性好，可接纳大量降水(precipitation)和灌溉水(irrigationwater)；而团粒内部保水性强，天旱(drought)时还可防止水分蒸发(evaporation)。

天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔隙而蒸发损失。1、小水库(reservoir)2、小肥料库

具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰富。团粒结构表面（大孔隙，和空气接触）为好气作用，有利于有机质的矿质化，释放养分。团粒内部（毛管孔隙，储水通气不良）则有利于腐殖化，保存养分。

3、空气走廊

由于团粒之间的孔隙较大，有利于空气流通(ventilation)。六、土壤良好结构体的培育1、大量施用有机肥（团聚剂）2、实行合理耕作3、实行合理轮作4、施用石膏或石灰5、施用土壤结构改良剂(soilconditioner)（一）、土壤粘结性

1.概念：土粒通过各种引力而粘结起来，就是粘结性。2.粘结力(cohesion)力学本质：范德华力、氢键、库仑力、水膜表面张力。3.粘结性的影响因素

(1)土壤比面及其影响因素(2)土壤含水量一、土壤力学性质第三节土壤力学性质与土壤耕性各种土壤的粘结力及对铁片的粘着力(Schubler)土壤干土的相对粘结力(以灰色纯粘土作为100)湿土对铁片的粘着力(磅/英尺2)

1.硅质纯砂土2.腐殖质3.菜园土4.砂粘土5.壤粘土6.灰色纯粘土0.08.77.657.368.8100.03.88.86.47.910.617.2（二）、土壤粘着性1.概念:土壤粘着性是土粒粘附在外物（农具）上的性质。粘着性实际上是指土粒－水－外物相互吸引的性能。2.影响因素（1）土壤活性表面（2）土壤含水量开始出现粘着性的含水量要比开始出现粘结性的含水量为大。土壤粘着性也是在一定含水量范围内表现。（三）、土壤塑性

(soilplasticity)

1.概念:塑性是指土壤在外力的作用下变形，当外力撤消后仍能保持这种变形的特性，也称可塑性。传统的泥塑艺术工艺，就是利用粘土的这一特性形成的。土壤塑性是片状粘粒及其水膜造成的。土壤表现塑性的含水量范围是土粒间的水膜已厚到允许土粒滑动变形，但又没有丧失其粘结性的范围。上塑限(upperplasticlimit)：土壤呈现塑性的最大含水量，又称流限。下塑限(lowerplasticlimit)：土壤呈现塑性的最小含水量，又称塑限。塑性值(plasticindex)：上塑限和下塑限的差值，又称塑性指数。塑性值愈大表示土壤塑性愈强。上塑限、下塑限和塑性值均以含水量％表示之，它们的数值随着粘粒含量的增加而增大。2.影响因素（1）粘粒含量质地愈粘重的土壤，塑性愈强。（2）交换性阳离子交换性阳离子对粘粒矿物的塑性强弱的影响很大。钠离子使蒙脱石的上下塑限和塑性值大大增加，而对高岭石的影响较小。（3）有机质有机质能提高土壤上、下塑限，但几乎不改变其塑性值。

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