04第四章 土壤物理性质
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
比重計法 (hydrometer method)
• 首先將膠結物質去掉(有機物、鐵鋁氧化物、鹽類)，以分 散劑將土壤粒子分散，將分散之土壤粒子懸浮在1 Liter沈 降筒內自然沈降。 • 依一定時間內，將比重計放入懸浮液，測定其比重，由其 讀數(g/L)可計算求得土壤樣品中之砂粒、坋粒及粘粒之含 量百分比，進而可決定土壤質地之名稱。
• 容積比重(Bd): 一般土壤為 1.1～1.5 Mg/m3 • 真比重(Particle density, Pd)一般為 2.65 Mg/m3 • 孔隙率＝(1 - Bd/Pd) x 100% • 質地越粗，其孔隙率越大，污染物越容易向下移動。
Calculation of soil weight per unit: If one ha, 1.5 Mg/m3, and 15-cm depth are given, please calculate the soil wight: 100 × 100 × 1.5 × 0.15=2250 Mg (ton)
第四章 土壤物理性質 (Soil physical properties)
土壤顏色 (Soil color)
• 顏色會影響土壤對幅射的吸收量，但探討土壤顏色之主要 目的則是因它代表著許多土壤性質之涵意。 • 造成土色的原因為： (1) 有機物 (變暗); (2) 氧化鐵 (變紅); (3) 碳酸鹽類 (變白); (4) 氧化狀態 (鐵還原後土色變灰 綠) 。
Porosity
• In general: 40-60% • Influence factors: • 1.土粒排列狀態 • 2.質地與構造 • 3.剖面孔隙分佈 • 4.耕犛 • 5.有機質含量
團粒穩定度 (Aggregate Stability)
• 定義：由個別土粒因膠結所形成的團粒，其對抵抗外界分 散之能力。 • 機械或踐踏等外力會造成壓實作用(cmpaction)；降雨及過 度耕犛(tillage)也會破壞 土壤構造而造成壓實。真菌菌絲 (fungal hyphae)對團粒穩定度的提高特別有用，尤其是菌 根菌(mycorrhizae).
促進團粒化之因素
• 微生物分泌之多醣體 (Microbial polysaccharides) • 腐植質(Humus) • 多價陽離子 (Ca, Mg) • 合成聚合物 (土壤改良劑)
當團粒化變差時
• 形成結皮 (Hard crusts) ：降低水分的入滲(infiltration) 、 阻礙種子發芽與減少土壤通氣性。
土壤顏色：孟氏色帖 (Munsell Color Chart)
• 色彩 (hue), 色值 (value), 色度 (chroma) • 乾的土較濕的土有較高的色值
土壤質地 (Soil Texture)
• • • 定義：土壤中砂粒、坋粒與粘粒之含量百分比。 礫石 (> 2 mm) 與有機物被幈除在外。sand (2 mm to 0.05 mm), silt (0.05 mm to 0.002 mm), and clay (smaller than 0.002 mm). 質地影響土壤的表面積(Specific Surface Area, 比表面積：單位體積 或重量土壤所佔之表面積) 。SSA大小影響土壤吸水、氣體交換、礦 物風化、陽離子交換及微生物活性。 • • 砂粒與坋粒多為石英(quartz)等初生礦物：粘粒多為 矽酸鹽(silicate) 等次生礦物. 上述三者百分比可以由感覺法或沉降原理(feel methods or sedimentation principle)來決定，再藉質地三角圖(textural triangle chart)劃分質地等級(textural class) 。
吸管法 (pipette method)
• 將膠結物質去掉，以分散劑將土壤粒子分散，以濕篩法將 砂粒分離，將坋粒及粘粒移入沈降筒內自然沈降。 • 依據 Stokes law，計算求得不同粒徑之取樣時間與取樣位 置，即可計算求得樣品中之砂粒、坋粒及粘粒之含量百分 比，進而可決定土壤質地。
Stokes’ law-sedimentation principle
土壤密度 (soil density, Mg/m3)
• Bulk density (總體密度、容積比重、假比重) ，Bd • Particle density (顆粒密度、真比重、絕對比重) ，Pd • 孔隙率 (porosity)︰﹝ 1-(Bd/Pd) ﹞×100%
Bd=Ms/Vs+L+A • Ms: Solid weight • Vs: Solid volume • L: liquid volume • A: air volume
• • • • • • •
土壤構造 (soil structure)
• 土粒藉由膠結劑(有機物、氧化物、粘粒及無定型物質等) 產生自然結合或排列的狀態 • 土壤構造種類:稜柱狀(粘粒多、水分少)、柱狀(鈉鹽多)、 稜塊狀(粘粒多)、亞稜塊狀(中質地)、碟狀(壓實作用)、團 粒狀(有機物與水分多)、整塊狀(浸水)、屑粒狀(砂土) • 土壤構造描述:大小、強度及種類
土壤質地分析(Soil texture analysis)
• 又稱粒徑分析(particle-size distribution analysis) ； 機械分析 (mechanical analysis) • 沉降原理 (Stocks law, 史托克斯定律) ：比重計法 (hydrometer method)、吸管法(pipette method)
改善土壤構造與促進團粒化之策略
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 儘量減少耕犛(tillage) 僅在最適水分狀態時才耕犛 使地表維持較多的植物殘株與凋落物 增加土壤腐植質 實施草生(sod crops)栽培法 運用綠肥(green manure)與覆蓋作物(cover crops) 添加石膏(gypsum)與土壤改良劑(soil conditioners)
•
在大多數情形下，各地區不同的土壤顏色反映其中腐植質及不 同形態(Forms)鐵化合物的含量 -有機質含量高，黑土 -氧化鐵含量高，紅土
•
土壤中紅色、黃色及灰色斑點的來源，是由於不同形態及濃度 的鐵化合物 -紅色是指鐵為氧化的狀態且不水合 -黃色是指鐵為水合狀態及少許的氧化 -灰色是指由於浸水及缺氧導致鐵的化學還原作用
V= 2 gr 2 (d p − d m )
9η
V：沈降速度（cm/sec） g：重力加速度（cm/sec） r：粒子半徑（cm） dp：粒子密度（g/mL） dm：液體密度 (g/mL) η：液體之絕對粘度（poise）
沉降法的限制
• 土粒必須完全分散 • 土壤懸浮液必須稀薄 • 土粒假設為圓滑 • 沉降不受容器壁影響 • 溫度要一定 • 所有土粒密度一致
土壤工程特性(Engineering Properties )
• 土壤結持度(consistence) ：土壤在不同水分狀態下對抵抗外力破壞的 能力；乾燥時有，硬(hard) 、鬆(loose) 、軟(soft) ；濕時有，粘性 (sticky)與塑性(plastic) 。 結持性(Consistency)：工程上描述土壤對抗外力穿透之能力。 土壤強度(Soil strength) ： 阿太堡極限(Atterberg limits) 縮限(Shrinkage limit): 由固體變成半固體之水分含量(%), SL 塑限(plastic limit):由半固體變塑性體之水分含量(%), PL 液限(liquid limit):由塑性體變成流體之水分含量(%), 塑性指數(plasticity index, PI) = LL-PL (土壤能塑性變形之最少水分含 量) 乾濕收縮係數 (COLE): (LM-LD/LM) ×100
土壤總體密度測定
• 土罐法(soil core)：以土罐(core)在野外取得自然土壤，以 烘箱將其烘乾(110 ℃) 24hr，可求得土罐內定體積土壤之 烘乾乾重。容積比重(bulk density, Bd)＝土罐中土壤之乾重 /土罐之體積。
石蠟塊法 (parafilm method)
• 用細線綁好土塊，將土塊輕放入液化之石蠟油（約60℃） 浸幾下（直至parafiim完全包住土塊外圍）不能有空隙， 在浮力天平上秤重為A。 • 將此被paraffin 包裹之土塊，全部浸入水中在浮力天秤上 秤重為B。 • 利用浮力原理，求得自然土塊之體積。
比重計法 (hydrometer method)
• 首先將膠結物質去掉(有機物、鐵鋁氧化物、鹽類)，以分 散劑將土壤粒子分散，將分散之土壤粒子懸浮在1 Liter沈 降筒內自然沈降。 • 依一定時間內，將比重計放入懸浮液，測定其比重，由其 讀數(g/L)可計算求得土壤樣品中之砂粒、坋粒及粘粒之含 量百分比，進而可決定土壤質地之名稱。
• 容積比重(Bd): 一般土壤為 1.1～1.5 Mg/m3 • 真比重(Particle density, Pd)一般為 2.65 Mg/m3 • 孔隙率＝(1 - Bd/Pd) x 100% • 質地越粗，其孔隙率越大，污染物越容易向下移動。
Calculation of soil weight per unit: If one ha, 1.5 Mg/m3, and 15-cm depth are given, please calculate the soil wight: 100 × 100 × 1.5 × 0.15=2250 Mg (ton)
第四章 土壤物理性質 (Soil physical properties)
土壤顏色 (Soil color)
• 顏色會影響土壤對幅射的吸收量，但探討土壤顏色之主要 目的則是因它代表著許多土壤性質之涵意。 • 造成土色的原因為： (1) 有機物 (變暗); (2) 氧化鐵 (變紅); (3) 碳酸鹽類 (變白); (4) 氧化狀態 (鐵還原後土色變灰 綠) 。
Porosity
• In general: 40-60% • Influence factors: • 1.土粒排列狀態 • 2.質地與構造 • 3.剖面孔隙分佈 • 4.耕犛 • 5.有機質含量
團粒穩定度 (Aggregate Stability)
• 定義：由個別土粒因膠結所形成的團粒，其對抵抗外界分 散之能力。 • 機械或踐踏等外力會造成壓實作用(cmpaction)；降雨及過 度耕犛(tillage)也會破壞 土壤構造而造成壓實。真菌菌絲 (fungal hyphae)對團粒穩定度的提高特別有用，尤其是菌 根菌(mycorrhizae).
促進團粒化之因素
• 微生物分泌之多醣體 (Microbial polysaccharides) • 腐植質(Humus) • 多價陽離子 (Ca, Mg) • 合成聚合物 (土壤改良劑)
當團粒化變差時
• 形成結皮 (Hard crusts) ：降低水分的入滲(infiltration) 、 阻礙種子發芽與減少土壤通氣性。
土壤顏色：孟氏色帖 (Munsell Color Chart)
• 色彩 (hue), 色值 (value), 色度 (chroma) • 乾的土較濕的土有較高的色值
土壤質地 (Soil Texture)
• • • 定義：土壤中砂粒、坋粒與粘粒之含量百分比。 礫石 (> 2 mm) 與有機物被幈除在外。sand (2 mm to 0.05 mm), silt (0.05 mm to 0.002 mm), and clay (smaller than 0.002 mm). 質地影響土壤的表面積(Specific Surface Area, 比表面積：單位體積 或重量土壤所佔之表面積) 。SSA大小影響土壤吸水、氣體交換、礦 物風化、陽離子交換及微生物活性。 • • 砂粒與坋粒多為石英(quartz)等初生礦物：粘粒多為 矽酸鹽(silicate) 等次生礦物. 上述三者百分比可以由感覺法或沉降原理(feel methods or sedimentation principle)來決定，再藉質地三角圖(textural triangle chart)劃分質地等級(textural class) 。
吸管法 (pipette method)
• 將膠結物質去掉，以分散劑將土壤粒子分散，以濕篩法將 砂粒分離，將坋粒及粘粒移入沈降筒內自然沈降。 • 依據 Stokes law，計算求得不同粒徑之取樣時間與取樣位 置，即可計算求得樣品中之砂粒、坋粒及粘粒之含量百分 比，進而可決定土壤質地。
Stokes’ law-sedimentation principle
土壤密度 (soil density, Mg/m3)
• Bulk density (總體密度、容積比重、假比重) ，Bd • Particle density (顆粒密度、真比重、絕對比重) ，Pd • 孔隙率 (porosity)︰﹝ 1-(Bd/Pd) ﹞×100%
Bd=Ms/Vs+L+A • Ms: Solid weight • Vs: Solid volume • L: liquid volume • A: air volume
• • • • • • •
土壤構造 (soil structure)
• 土粒藉由膠結劑(有機物、氧化物、粘粒及無定型物質等) 產生自然結合或排列的狀態 • 土壤構造種類:稜柱狀(粘粒多、水分少)、柱狀(鈉鹽多)、 稜塊狀(粘粒多)、亞稜塊狀(中質地)、碟狀(壓實作用)、團 粒狀(有機物與水分多)、整塊狀(浸水)、屑粒狀(砂土) • 土壤構造描述:大小、強度及種類
土壤質地分析(Soil texture analysis)
• 又稱粒徑分析(particle-size distribution analysis) ； 機械分析 (mechanical analysis) • 沉降原理 (Stocks law, 史托克斯定律) ：比重計法 (hydrometer method)、吸管法(pipette method)
改善土壤構造與促進團粒化之策略
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 儘量減少耕犛(tillage) 僅在最適水分狀態時才耕犛 使地表維持較多的植物殘株與凋落物 增加土壤腐植質 實施草生(sod crops)栽培法 運用綠肥(green manure)與覆蓋作物(cover crops) 添加石膏(gypsum)與土壤改良劑(soil conditioners)
•
在大多數情形下，各地區不同的土壤顏色反映其中腐植質及不 同形態(Forms)鐵化合物的含量 -有機質含量高，黑土 -氧化鐵含量高，紅土
•
土壤中紅色、黃色及灰色斑點的來源，是由於不同形態及濃度 的鐵化合物 -紅色是指鐵為氧化的狀態且不水合 -黃色是指鐵為水合狀態及少許的氧化 -灰色是指由於浸水及缺氧導致鐵的化學還原作用
V= 2 gr 2 (d p − d m )
9η
V：沈降速度（cm/sec） g：重力加速度（cm/sec） r：粒子半徑（cm） dp：粒子密度（g/mL） dm：液體密度 (g/mL) η：液體之絕對粘度（poise）
沉降法的限制
• 土粒必須完全分散 • 土壤懸浮液必須稀薄 • 土粒假設為圓滑 • 沉降不受容器壁影響 • 溫度要一定 • 所有土粒密度一致
土壤工程特性(Engineering Properties )
• 土壤結持度(consistence) ：土壤在不同水分狀態下對抵抗外力破壞的 能力；乾燥時有，硬(hard) 、鬆(loose) 、軟(soft) ；濕時有，粘性 (sticky)與塑性(plastic) 。 結持性(Consistency)：工程上描述土壤對抗外力穿透之能力。 土壤強度(Soil strength) ： 阿太堡極限(Atterberg limits) 縮限(Shrinkage limit): 由固體變成半固體之水分含量(%), SL 塑限(plastic limit):由半固體變塑性體之水分含量(%), PL 液限(liquid limit):由塑性體變成流體之水分含量(%), 塑性指數(plasticity index, PI) = LL-PL (土壤能塑性變形之最少水分含 量) 乾濕收縮係數 (COLE): (LM-LD/LM) ×100
土壤總體密度測定
• 土罐法(soil core)：以土罐(core)在野外取得自然土壤，以 烘箱將其烘乾(110 ℃) 24hr，可求得土罐內定體積土壤之 烘乾乾重。容積比重(bulk density, Bd)＝土罐中土壤之乾重 /土罐之體積。
石蠟塊法 (parafilm method)
• 用細線綁好土塊，將土塊輕放入液化之石蠟油（約60℃） 浸幾下（直至parafiim完全包住土塊外圍）不能有空隙， 在浮力天平上秤重為A。 • 將此被paraffin 包裹之土塊，全部浸入水中在浮力天秤上 秤重為B。 • 利用浮力原理，求得自然土塊之體積。