04第四章 土壤物理性质
土壤物理性质
中質地壤性土
例題 1
有一濕土壤質量為1000克，體積為640立方公 分，置於烘箱中乾燥後，質量為800克，假 設其固體密度(s)為2.65克/立方公分。
試計算其總體密度(b)、孔隙率()、空孔比 (e)、含水率()、飽和度(s) 、質量濕度(w) 。
M t 1000g ; Vt 640cm3 ; s 2.65 g cm3
質地分量(texture fraction)
國際土壤學會(International Soil Science Society, ISSS)
土壤(<2mm)，石礫(>2mm) 砂粒(sand) (20μm ～2mm) 坋粒(silt)(2μm ～20μm) 黏粒(clay)(<2μm)
質地分量(texture fraction)
Sandy clay loam （砂質黏壤土）
練習
例二：
25 % sand， 60 % silt ， 15 % clay
Silt loam （坋 質壤土）
練習
例三：
20 % sand， 30 % silt ，50 % clay
Clay （黏土）
黏
細質地黏性土
粗質地砂性土
體積濕度與飽和度之關係
s
f when s 100%
then f 1 b s
土壤質地(soil texture)
係指土壤中顆粒粒徑範圍而言 組成特定土壤之顆粒是大、是小，或是
中等，或其粒徑範圍 土壤中各粒徑範圍間質量的比例，為土
壤的永久屬性，用以表示其物質組成之 特徵
飽和度(degree of saturation)
土壤中水分體積與孔隙體積之相對值 乾燥土壤為0，完全飽和時為100% 完全飽和很少能達到，縱使在極濕之土
土壤物理性质(四)
土壤物理性质（四）(五)土壤力学性质与耕性土壤受外力作用(如耕作)时，显示出一系列动力学特性．统称土壤力学性质(又称物理机械性)。
主要包括黏结性、黏着性和塑性等。
耕性是上壤在耕作时所表现的综合性状，如耕作的难易，耕作质量的好坏，宜耕期的长短等。
土壤耕性是土壤力学性质的综合反映。
1．土壤黏结性和黏着性 (1)概念土壤黏结性是土粒与土粒之间因为分子引力而互相黏结在一起的性质。
这种性质使土壤具有反抗外力破裂的能力，是耕作阻力产生的主要缘由。
干燥土壤中，黏结性主要由土粒本身的分子引力引起。
而在潮湿时，因为土壤中含有水分，土粒与土粒的黏结经常是通过水膜为媒介的，所以事实上它是土粒-水膜-土粒之间的黏结作用。
同时，粗土粒可以通过细土粒(黏粒和胶粒)为媒介而黏结在一起，甚至通过各种化学胶结剂为媒介而黏结。
土壤黏结性的强弱，可用单位面积上的黏结力(g/cm2)来表示。
土壤的黏结力，包括不同来源和土粒本身的内在力。
有范德华力、库仑力以及水膜的表面张力等物理引力，有氢键的作用，还往往有如化学胶结剂(腐殖质、多糖胶和等)的胶结作用等化学键能的参加。
土壤黏着性是土壤在一定含水量范围内，土粒黏附在外物(农具)上的性质，即土粒-水-外物互相吸引的性能。
上壤黏着力大小仍以g/cm2等表示。
土壤开头展现豁着性时的最小含水量称为黏着点；上壤丧失黏着性时的最大含水量，称为脱黏点。
(2)结性与瓤着性的影响因素土壤赫结性和载着性均发生于土粒表面，同属表面现象，其影响因素相同，主要有土壤比表面大小和含水量凹凸两个方面。
1)土壤比表面及其影响因素土壤质地、黍占粒矿物种类和交换性阳离子组成，以及土壤团圆化程度等。
都是影响土壤黏结性和黏着性离子大小的因素。
土壤质地愈黏重，黏粒含量愈高，尤其是2:1型黏粒矿物含量高，交换性钠在交换性阳离子中占的比例大，而使土粒高度簇拥等，则黏结性与黏着性增加；反之，土粒团圆化降低了彼此间的接触面，所以有团粒结构的土壤就整体来说黏结力与黏着性削弱。
第四章 土壤物理性质
一、土粒密度 单位容积固体土粒（ 单位容积固体土粒（不包括粒 间孔隙的容积）的质量（ 间孔隙的容积）的质量（实用上多 以重量代替)称为土粒密度 称为土粒密度。 以重量代替 称为土粒密度。 单位为Mg·m-3或g·cm-3 单位为
多数土壤的土粒密度为 2.6-2.7 Mg·m-3
常用密度值: 常用密度值 2.65 Mg·m-3
土粒密度 2.65Mg·m-3
土壤密度 1.325Mg·m3
1.0m33 0.5m
二、土粒密度与土壤密度
土 壤 密 度 的 用 途
计算土壤孔隙度：根据实测土壤的容重与密度， 计算土壤孔隙度：根据实测土壤的容重与密度， 按下式计算：孔隙度=1-土壤密度 土壤密度/土粒密度 按下式计算：孔隙度 土壤密度 土粒密度
计算题
需运来多少吨该新鲜土？ （1）需运来多少吨该新鲜土？ 需施有机质含量为400 g/kg的有 （2）需施有机质含量为 的有 机肥多少吨？ 机肥多少吨 ？ 才能达到土壤有机质含量 12 g/kg（可以不考虑腐殖化系数）。 （可以不考虑腐殖化系数）
土壤的孔性与孔度 田间土壤孔性可从两方面了解： 田间土壤孔性可从两方面了解： 一是土壤孔隙总量(总孔度 总孔度); 一是土壤孔隙总量 总孔度 二是大小孔隙分配（分级孔度）， 二是大小孔隙分配（分级孔度）， 包含其连通情况和稳定程度。 包含其连通情况和稳定程度。与之 有关的还有一个“土体构造” 有关的还有一个“土体构造”即上下 土层的孔隙分布、连通的问题。 土层的孔隙分布、连通的问题。
土的物理性质及计算说明
土的物理性质及计算说明土是一种自然界广泛存在的物质，具有许多独特的物理性质。
本文将介绍土的物理性质及其计算说明。
1.颜色：土的颜色是由其中的有机物、氧化物和矿物质组成决定的。
常见的土壤颜色有黑色、褐色、红色、黄色等。
颜色反映了土壤的有机质含量、氧化还原状态、矿物质成分等。
2.质地：土壤的质地是指土壤中各种粒子的相对含量和颗粒大小。
根据国际土壤分类系统，土壤的颗粒大小可分为粉砂、细砂、中砂、粗砂、细砾石、粗砾石和卵石等七个级别。
质地直接影响土壤的通透性、持水能力和肥力等。
3.密度：土壤的密度是指土壤体积单位质量，也可理解为空气和水以外的土壤物质所占的体积。
计算土壤密度需要先称量一定体积的土样，然后根据质量和体积计算得出密度。
4.孔隙度：土壤中颗粒间的空隙被称为孔隙。
孔隙度是指土壤中孔隙容积与总体积之比。
孔隙度反映了土壤的通气性、水分保持能力等。
常见的孔隙度有总孔隙度、实际体积和饱和孔隙度等。
5.含水量：土壤中含水量是指土壤含有的水分与土壤质量的比值。
常见的表示方式有体积含水量和重量含水量。
体积含水量是指一定体积土壤中所含水分的体积占比，重量含水量是指一定质量土壤中所含水分的质量占比。
6.存水量：土壤的存水量是指土壤在一定条件下能储存的水分量。
计算土壤存水量需要考虑土壤的质地、孔隙度等因素。
常见的计算方法包括黏性土法、重测土法和定容法等。
7.渗透性：土壤的渗透性是指水分在土壤中传导的能力。
计算土壤的渗透性可以使用定浸方法，即在一定条件下，测定在单位时间内通过一定土壤层的水分量。
8.多孔介质传热：土壤是典型的多孔介质，能够通过孔隙传导、对流和辐射等方式进行热传导。
计算土壤的传热性质需要考虑土壤的热导率、比热容等参数。
9.弹性模量：土壤的弹性模量是指土壤在受到外力作用下对形变进行恢复的能力。
计算土壤的弹性模量需要进行应力-应变试验，并通过斯托克斯公式进行计算。
10.力学性质：土壤的力学性质是指土壤的抗剪强度、压缩性和承载力等。
土壤的物理性质
2、卡庆斯基土壤质地分类标准
这是一种2级分类法。按物理性砂粒和物理性粘 粒含量，将土壤划分为9级。详见表。
5
3、我国土壤质地分类标准
中国科学院南京土壤研究所，针对我国南、北 方土壤质地名称和差异，综合划分为3类12种， 质地名称详见表。
6
沙性土 壤性土 黏性土
7
（三）不同质地土壤的肥力特点 1、砂质土：
教学要求
1、掌握土壤质地概念和不同质地土壤的肥力特点。 2、掌握土壤孔隙度、比重、容重、土壤黏结性、 黏着性、可塑性和耕性等有关概念。 3、掌握土壤容重在农业中的应用。 4、掌握耕作对土壤的影响。 5、了解改善土壤质地和土壤结构的相关措施。 6、了解土壤团粒结构的形成和所需的条件。 7、熟悉土壤结构的类型及基特性。
大小孔隙的相对比率（以土壤孔隙度为100计）
持水隙度 85～90 70～80 60～70 50～60 40～50 25～40 重壤土 中壤土 轻壤土 砂壤土 砂 土
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4、孔隙在土壤中的分布
一般土壤耕层（0-15cm）的总孔隙度为50-60%， 其中通气孔隙度为15-20%。底层（15-30cm）分 别为50%（总）和10%（气）为宜。
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不同质地的土壤孔隙状况％
土壤质地 土壤孔隙度 粘 土 50～60 45～50 45～50 45～50 40～45 30～35
在干燥状态下，以手掌中研磨时的感觉来初步 判断土壤属于那一类质地。
砂土：松散易碎，砂粒可辨，搓揉时发出沙沙声，即 土粒分散不成团。 粗砂土：很粗糙，沙声强，主要是粗砂粒。
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土壤的物理化学性质
土壤的物理化学性质壤是发育于地球陆地表面具有生物活性和孔隙结构的介质，是地球陆地表面的脆弱薄层土壤是各种陆地地形条件下的岩石风化物经过生物、气候诸自然要素的综合作用以及人类生产活动的影响而发生发展起来的。
接下来店铺为你整理了土壤的物理化学性质，一起来看看吧。
土壤的物理性质(1)土壤质地和结构土壤是由固体、液体和气体组成的三相系统，其中固体颗粒是组成土壤的物质基础，约占土壤总重量的85%以上。
根据固体颗粒的大小，可以把土粒分为以下几级：粗砂(直径2.0~0.2mm)、细砂(0.2~0.02mm)、粉砂(0.02~0.002mm)和粘粒(0.002mm以下)。
这些大小不同的固体颗粒的组合百分比称为土壤质地。
土壤质地可分为砂土、壤土和粘土三大类。
砂土类土壤以粗砂和细砂为主、粉砂和粘粒比重小，土壤粘性小、孔隙多，通气透水性强，蓄水和保肥性能差，易干旱。
粘土类土壤以粉砂和粘粒为主，质地粘重，结构致密，保水保肥能力强，但孔隙小，通气透水性能差，湿时粘、干时硬。
壤土类土壤质地比较均匀，其中砂粒、粉砂和粘粒所占比重大致相等，既不松又不粘，通气透水性能好，并具一定的保水保肥能力，是比较理想的农作土壤。
土壤结构是指固体颗粒的排列方式、孔隙和团聚体的数量、大小及其稳定度。
它可分为微团粒结构(直径小于0.25mm)、团粒结构(0.25~10mm)和比团粒结构更大的各种结构。
团粒结构是土壤中的腐殖质把矿质土粒粘结成0.25~10mm直径的小团块，具有泡水不散的水稳性特点。
具有团粒结构的土壤是结构良好的土壤，它能协调土壤中水分、空气和营养物质之间的关系，统一保肥和供肥的矛盾，有利于根系活动及吸取水分和养分，为植物的生长发育提供良好的条件。
无结构或结构不良的土壤，土体坚实，通气透水性差，土壤中微生物和动物的活动受抑制，土壤肥力差，不利于植物根系扎根和生长。
土壤质地和结构与土壤的水分、空气和温度状况有密切的关系。
(2)土壤水分土壤水分能直接被植物根系所吸收。
土壤的物理性质
土壤的物理性质1、 土壤的温度：土壤的温度在土壤中的分布于变化时是土壤热量状况的反映。
土壤温度状况也是土壤系统分类中的重要诊断特性。
2、 土壤的孔隙（1） 土壤孔隙度： 土壤的孔隙状况取决于土壤的质地和土壤的结构，土壤的孔隙度在不同类型的土壤和同一类型土壤不同发生层中都是不相同的。
土壤孔隙度通常不直接测定，而是通过土壤相对密度和容量的数据来计算获取的。
%100-1⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=土壤相对密度土壤容量土壤孔隙度 （2） 影响土壤孔隙的因素土壤孔隙度、孔径大小和大小孔隙的比例，决定与土粒的粗细以及土粒排列和团聚的形式。
影响土壤孔隙状况的因素主要有以下几种。
a. 土壤质地b. 土粒排列松紧与土壤结构c. 有机物质（3） 土壤相对密度和容重以动态观点及非线性动力学理论和方法来探索地质环境演化在自然因素与人为因素双重的作用下环境产生变化, 而这些因素的变化在许多情况下是无序的,是一个非线性问题。
非线性动力学理论和方法研究,在国际上已成为热点问题。
要了解和掌握这些因素变化, 就要通过长期的连续的对环境各要素进行监测, 取得必要的资料,从而来认识它。
因此, 国际上非常重视建立不同级别的(即全球性的、国家级的、地区性的) 长期的环境监测网站。
收集环境变化记录资料, 作为全球环境变化研究的科学依据,也是地球系统科学的重要组成部分。
这种以研究环境和生态系统为目的的不同级别的长期监测网站的建立已成为国际性趋势。
例如美国的长期生态研究网络、亚洲—太平洋地区的全球变化网络、中国生态系统研究网络、欧洲全球变化研究网络等等(方精云等, 2000) [10 ] 。
以各类环境监测数据为基础, 采用动态观点及非线性动力学理论和方法, 综合性地来探索地质环境演化的特点和地质环境灾变预报的可能性。
212 从不同空间尺度研究地球环境演化着眼于地球是个复杂系统, 是个多层次结构,以及通过各圈层相互作用的演化过程, 来研究全球性环境变化。
既研究现代的, 也研究过去地质历史时期(如晚更新世以来, 尤其是全新世时期的古环境变迁) , 同时对21 世纪内全球变化趋势进行预测。
土壤物理性质
2、土壤通气性的度量指标
1）空气孔度 一般将非毛管孔隙度≥10%作为土壤通气性良好 而且分布比较均匀时，作为土壤通气性良好的 标志。
的指标；或将土壤空气孔度占总孔度的1/5～2/5，
2）土壤氧扩散率
即氧被呼吸消耗或被水排出后重新恢复的速率， 单位mg/(cm2 ·min)。一般要求在30×10-5 ～ 40 ×10-5mg/(cm2 ·min)以上，植物才可良好 生长。
②
含水氧化铁、铝胶体
包括晶质的褐铁矿、针铁矿、水铝石和三水铝石。 它们均属两性胶体，所带电荷随pH值变化有很大 不同，在溶液偏酸时，解离出OH-，成为 Al(OH)2+带正电。 在溶液偏碱时，解离出H+，成为Al(OH)2O-带负电。
③ 层状铝硅酸盐粘土矿物
高岭石（kaolinite）
＊带电原因： 一部分电荷是晶格破裂产生的； 另外晶格表面的—OH和—OH2在土壤呈强碱性条 件下，释放出氢质子，导致高岭石带负电荷（可 变电荷）。 ＊带电量的多少：高岭石所带电荷数量较少。
各种阴离子被土壤胶体吸附的顺序如下： F->草酸根>柠檬酸根>PO43-〉AsO43->HCO3>H2BO3->CH3COO->SCN->SO42->Cl->NO3-
根据阴离子吸收的特点，在施肥时，应采取相应措施， 磷肥施用时应防止固定，硝酸态氮肥应防止流失。
Ⅳ 离子吸收代换作用的意义
1、使土壤具有保持和供应养分的能力
（2）意义： 阳离子交换量是评价土壤肥力的一 个指标。它直接反应土壤可以提供速效养分的 数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大 小。
一般认为：<10 cmol/kg，保肥力弱；
土壤的物理性质
土壤的物理性质
1.2土壤孔隙性
(4)计算土壤储水量及灌水（或排水）定额
设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3 t/m3。
公 式
1hm2的1m土层储水量 =10000m2×1m×1.3 t/m3×25% =3250m3/hm2= 325mm
1.1土壤质地与土壤结构
土壤质地
物理性粘粒 （＜0.01mm）%
物理性沙粒 （＞0.01mm）%
组别
名称
灰化土类
草原土及 红黄壤土
碱土及 强碱化土
灰化土 类
草原土及 红黄壤土
碱土及 强碱化土
砂土
松砂土 紧砂土
壤土
砂壤土 轻壤土 中壤土 重壤土
粘土
轻粘土 中粘土 重粘土
0–5 5 – 10
10 – 20 20 – 30 30 – 40 40 – 50
90 – 80 80 – 70 70 – 60 60 – 50
90 – 80 80 – 70 70 – 55 55 – 40
40 –50
50 – 60 ＞65
50 –35
35 – 20 ＜20
40 –25
25 – 15 ＜15
100 – 95 95 – 90
90 – 85 85 – 80 80 – 70 70 – 60
土壤的物理性质
1.3土壤物理机械性质与耕性
土壤物理机械性质
土壤粘结性
土壤粘着性
土壤可塑性
土壤的物理性质
1.3土壤物理机械性质与耕性 土壤黏结性：土粒与土粒之间相互黏结在一起，抵抗机械破碎 的性能
土壤的物理特性
土壤的物理特性
土壤的物理性质主要指土壤固、液、气三相体系中所产生的各种物理现象和过程。
主要包括土壤的颜色、质地、孔隙、结构、水分、热量（热性质）和空气状况，以及土壤的机械物理性质和电磁性质等方面。
土壤颜色：
土壤颜色在物理性质中最为直观，在一定程度上反映了土壤的主要化学组分和土壤的水热状况，可作为鉴别土壤肥沃程度的指标，如菜农朋友熟悉的深色土壤常较浅色土壤肥沃、腐殖质含量高的土壤往往呈暗黑色等等；
土壤质地;
指土壤中不同大小、直径的矿物颗粒的组合状况，与土壤通气、保肥、保水状况及耕作的难易有密切关系，菜农比较熟悉的土壤质地有砂土、壤土、粘土、沙壤土等等；
土壤孔隙:
土壤固体颗粒间的空隙，是容纳水分和空气的场所。
土壤中孔隙的大小、形状及其稳定程度与土壤结构有关，通常适合植株生长的土壤孔隙状况为“上松下紧”的孔隙构形；
土壤结构；
指土壤颗粒(包括团聚体)的排列形式，如团粒和粒状结构、块状和核状结构、柱状和棱柱状结构、片状结构等，其中团粒结构是蔬菜获得高产高效的最佳结构体；
土壤水分：
指固液气三相存在于土壤颗粒表面和颗粒间孔隙中的水分，来源于降水、灌溉水以及随毛细管上升的地下水和凝结水；
土壤热性质：
指影响热量在土壤剖面中的保持、传导和分布状况，是决定土壤热状况的内在因素，也是设施蔬菜上控制土壤热状况，使其有利于植株生长发育的重要物理因素；
土壤空气;
指存在于土壤颗粒表面、未被水分占据的孔隙中和溶于土壤水中(溶液中)的空气，主要来源于近地表的大气，也有部分是土壤呼吸过程和有机质分解过程的产物。
土壤物理性质
A
5
土壤物理性质
（一）土壤质地 （二）土壤孔性和结构性 （三）土壤水分特性 （四）土壤通气性 （Байду номын сангаас）土壤力学性质与耕性
A
6
（四）土壤通气性
1、土壤通气性的定义及其重要性 土壤通气性是泛指土壤空气与大气进行交换以 及土体内部允许气体扩散和通气的能力。 土壤通气性的好坏，主要决定于土壤的总孔度， 特别是空气孔度的大小。
700-750 400-750
0-5 0 0
400 130-400
15-150 1-50
90-150 5-40 10-45 25-30
130-400
700-850 400-800 90-150
5-40 10-45
430 260-800
总之：2：1型粘土矿物和有机质的含量越高，土壤的比表面积越大。
A
21
＊表面能：产生于两相介质上分子所受各方面的分
子引力不均衡，因而表面分子具有一定数量的自 由能。
物质的比面愈大，表面能也愈大。由于土壤胶体 有巨大的比表面，所以会产生巨大的表面能。
A
20
表 土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-1） 胶体成分 内表面积 外表面积 总表面积
蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石
土壤物理性质
（一）土壤质地 （二）土壤孔性和结构性 （三）土壤水分特性 （四）土壤通气性 （五）土壤力学性质与耕性
A
1
（三）土壤水分特征
1、土壤水分特征曲线
Sa又称进气吸力 或进气值 一般来说，粗质 地砂性土壤Sa较小， 而细质地粘性土壤 Sa较大
A
2
2、影响因素
《土壤物理性质》课件
由颗粒聚集形成的土壤结构，影响土壤通气性 和水分调节。
结论和要点
1 土壤物理性质
2 土壤质地和颗粒组成
土壤物理性质决定了土壤的结构和功能， 对植物生长和生态系统的运行起重要作用。
土壤质地和颗粒组成影响土壤的保水性、 通气性和渗透性等特性。
3 土壤水分运动及保持
4 土壤通气性和渗透性
合理管理土壤水分可以提高植物生长和土 壤质量。
良好的土壤通气性和渗透性有利于植物根 系的生长和土壤中水分的运动。
5 土壤温度调节
6 土壤表面性质和颗粒的聚结
土壤的热容量和热传导性能够调节气温变 化对植物生长的影响。
土壤的骨架和颗粒聚结能够影响土壤的结 构和稳定性。
土壤温度适宜性
土壤温度适宜范围对植物生 长、土壤微生物活动等具有 重要影响。
土壤表面性质和颗粒的聚结
土壤骨架
由颗粒聚结而成，对土壤的结构和稳定性起重 要作用。
土壤结壳
土壤表面形成的硬壳，降低土壤渗透性，影响 土壤水分的供应和植物根系的生长。
有机质
有机质可以增加土壤的肥力和保水性，提高土 壤的结构稳定性。
2 影响土壤通气性的
因素
土壤湿度、有机质含量 和土壤结构等因素会影 响土壤的通气性。
3 土壤渗透性
土壤渗透性是指水分在 土壤中传导的能力，受 土壤质地和孔隙度等因 素影响。
土壤温度调节
日变温
土壤能吸收并储存日间太阳 能量，晚上释放给周围环境， 起到调节作用。
季节变温
土壤具有较大的热容量，能 缓冲季节变化的温度波动， 保持较稳定的温度环境。
淤泥质土壤
淤泥颗粒较细腻，保水性能和肥力较好。
土壤密度和孔隙度
土壤密度
第四章 土壤物理性质
（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/D D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）。
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(soil porosity)
土壤全部孔隙容积(pore volume)占土体容积的百 分率。
水和空气共存并充满于土壤孔隙中。
2. 土壤三相组成及孔度计算 总孔度(total porosity)＝ (1－容重/密度) ×100% 固相(solid phase)＝(容重/密度) ×100% 液相(liquid phase)＝(水分重量百分率×容重) ×100% 气相(gas phase)＝(总孔度－液相) ×100% 土壤三相比＝固相:液相:气相
土粒后形成核状结构。 大 小 划 分 ： 大 核 状 ， 直 径 > 1 cm； 核 状 ， 直 径
7～10mm；小核状，5～7mm。
4. 柱状(columnar structure) 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。
表3－1 土壤中常见组分的密度
密度(g/cm3)
2.60～2.68 2.54～2.57 2.62～2.76 2.77～2.88 2.70～3.10 2.85～3.57 3.15～3.90 3.60～4.10
组分
赤铁矿 磁铁矿 三水铝石 高岭石 蒙脱石 伊利石 腐殖质
密度(g/cm3)
土壤学(第四章)土壤质地和结构
片状结构
土片较大，相互之间结合紧密，不易破碎。这种结构通常 出现在粘质土壤中。
团粒结构
土粒呈圆形或椭圆形的团聚体，团聚体之间有明显的粘结 性。这种结构是理想的土壤结构，能够提高土壤的通气透 水性能和保水保肥能力。
柱状结构
土柱上下粗细一致，通常出现在粘质土壤中。这种结构容 易造成土壤的板结和排水不良。
土壤结构对植物养分吸收的影响
土壤结构是指土壤颗粒的排列组合方式，包括 团聚体、块状结构、片状结构等。良好的土壤 结构有利于植物根系对养分的吸收。
团聚体结构是由微小的土壤颗粒粘结在一起形 成的较大颗粒，这种结构有利于养分的保持和 释放，使植物根系能够更好地吸收养分。
块状结构和片状结构则容易造成养分的不均匀 分布，影响植物对养分的吸收。
常见的土壤结构类型包括块 状结构、片状结构、团粒结 构等，每种结构类型都有其
特定的形成条件和特点。
土壤结构观察与描述的结果 可以用于指导土地利用和土 地保护，例如，根据土壤结 构类型选择适宜的土地利用 方式，避免过度开发和破坏
土壤结构。
04 土壤质地和结构对植物生 长的影响
土壤质地对植物根系生长的影响
土壤学（第四章土壤质地和结构
contents
目录
• 土壤质地 • 土壤结构 • 土壤质地和结构的测定方法 • 土壤质地和结构对植物生长的影响
01 土壤质地
土壤颗粒的分类
石块
直径大于2mm的颗粒，一般来源于岩石或 矿物的破碎。
粉粒
直径介于0.002-0.05mm之间的颗粒，主要 由粘土矿物和有机质组成。
土壤质地和结构对植物水分利用的影响
土壤质地和结构对植物的水分利用也有重要影响。一般来说，砂质土壤具有良好的 排水性和透气性，有利于植物对水分的吸收和利用。
土壤的物理性质
土壤是矿物质、有机物、水和空气的复杂混合物。
它由多种颗粒组成，包括沙子、淤泥和粘土，按大小分类。
土壤的物理特性很重要，因为它们会影响植物的生长方式以及水和空气穿过土壤的方式。
土壤的一些物理性质包括：
质地：这是指土壤中沙子、淤泥和粘土的相对含量。
沙子含量高的土壤往往排水良好且松散，而粘土含量高的土壤往往排水不良且重。
结构：这是指土壤中颗粒的排列方式。
结构良好的土壤团聚良好，外观呈易碎或颗粒状，而结构较差的土壤则容易侵蚀和压实。
孔隙率：这是指土壤中充满空气和水的空间量。
孔隙率高的土壤排水良好，持水能力好，而孔隙率低的土壤排水不良，持水能力低。
密度：这是指每单位体积土壤的重量。
密度高的土壤致密，根系不易穿透，而密度低的土壤多孔，更容易根系生长。
pH值：这是指土壤的酸度或碱度。
pH值低于7的土壤是酸性的，而pH值高于7的土壤是碱性的。
不同的植物有不同的pH 值偏好，土壤的pH 值会影响植物养分的可用性。
土的物理性质指标
土的物理性质指标土壤是地球表层的一种天然资源，具有多种物理性质指标。
这些指标描述了土壤的物理特性和其在环境中的行为。
本文将探讨土壤的一些重要物理性质指标，包括颗粒组成、密度、孔隙度、质地、渗透性和持水能力等。
首先是土壤的颗粒组成。
土壤颗粒主要分为砂、粉砂、黏土和有机质四种类型。
砂粒直径大于0.05毫米，多呈规则形状，与土壤质地的稳定性和透气性有关。
粉砂粒直径介于0.05-0.002毫米之间，属于细粒土壤，对保水性能和养分保存有重要影响。
黏土颗粒直径小于0.002毫米，常常层叠在一起形成胶体，对土壤的保水性和养分保存具有重要作用。
有机质是由植物和动物的遗物形成的，含有丰富的养分，能增加土壤肥力和改善土壤结构。
其次是土壤的密度。
土壤的密度是指单位体积土壤的质量。
固体颗粒、土壤充满的孔隙和水之间的相互作用使得土壤的密度产生差异。
土壤的容重则是指单位体积下的固体部分质量。
密度和容重显示了土壤的紧实程度和土壤重力状态，对植物生长和根系发育具有重要影响。
孔隙度是土壤中微观孔隙空间占据的百分比。
孔隙度直接影响土壤的透水性、渗透性和保水性能。
孔隙可以分为毛管孔隙和非毛管孔隙，前者由水的毛细力支撑，后者则可以根据气相和土壤颗粒之间的接触来阻止水的流动。
孔隙度高的土壤透水能力较好，植物根系得到更多的氧气和水分供给。
土壤质地是指土壤颗粒组成和相对含量的结合。
根据美国农业部所使用的土壤质地分类系统，土壤可分为黏土、壤土和砂土三大类。
黏土质地的土壤颗粒组成主要是黏土，具有较高的含水保持能力和较低的透气性。
砂质土壤则由大量砂粒组成，透水能力强，但保水能力较差。
壤土是颗粒组成均衡的土壤类型，适合农业生产。
渗透性是描述土壤水分移动能力的指标。
主要考虑土壤的渗透速度和渗透系数。
渗透速度是指水分通过单位面积土壤的时间，渗透系数是描述渗透速度的常数。
土壤渗透性受土壤颗粒组成、孔隙度、土壤结构、土壤水分含量和土壤温度等多种因素的影响。
土壤物理性质
块状结构的影响
块状结构较多时，结构间出现大孔 隙，漏水、透风、跑墒。冬季易受 干旱和冻害。
在这土壤上，播种发芽出苗---- 盐碱土上养“坷垃”-----减少表层盐
分的积累。
2.核状结构体
长、宽、高三轴大体近似，边面 棱角分明，较块状为小，常见多棱 角的碎块，这种碎块系由石灰质、 氢氧化铁胶体胶结而成，表面光滑 内部十分紧实。俗称“蒜瓣土”
水稳定性(water stability)是指结构体浸水后不易分散的性能。水 稳定性强的结构体不易因降雨或灌溉而造成破坏。有的结构体 浸水后极易分散，称为水不稳定性结构体。
2.2.3 土壤结构体的形成
1、土壤结构体的形成 土壤结构体的形成可分为两个阶段：第一阶段是由原生土粒（分散的单粒）
土壤孔隙度
孔隙容积 土壤容积
100%
土壤容积 土粒容积 土壤容积
100%
1
土 土壤 粒容 容积 积
100%
1
土壤质量 土粒密度 土壤质量 土壤密度
100%
1
土 土粒 壤密 密度 度 100%
2.孔隙比
土壤孔隙的数量，也可以用孔隙比表示，它是指土壤中孔隙 容积和固相土粒容积的比值。
2、胶结物质
土壤中的胶结物质大体上有以下三类： （1）有机胶体 有机胶体是土壤中重要的胶结物质，在有机质的参与下形成的团粒
一般具有水稳性和多孔性。具有胶结作用的有机物质种类很多，如腐殖质、多糖类、 蛋白质等，许多微生物的分泌物和菌丝也具有团聚作用，其中腐殖质最为重要。腐 殖质中胡敏酸的缩合度高，相对分子量大，具有较强的胶结能力。 （2）无机胶体 包括层状硅酸盐类黏粒、含水氧化铁铝、硅酸及氧化锰的水合物等。 黏粒具有巨大的比表面和表面能，黏结力强，在结构形成中起重要作用。块状结构 或柱状结构均被无机物质黏结而成。氧化铁铝胶体脱水后不可逆或可逆缓慢，形成 牢固的结构体具有水稳性和力稳性。 （3）钙和其它阳离子 阳离子与土壤中带负电荷的胶体（腐殖质和黏粒等）相互吸 引，产生凝聚作用，胶结土粒。二价、三价阳离子的凝聚能力强，一价阳离子，凝 聚能力弱，土粒易分散。 在农业生产中常用Ga2+（石灰或石膏）来促进土壤凝聚，促进土壤结构的改善。
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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
•
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
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) 。
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。
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)
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
• 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)
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).
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)
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
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。
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。
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
土壤顏色：孟氏色帖 (Munsell Color Chart)
• 色彩 (hue),
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) 。
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