[科普中國]-土壤物理

土壤物理性質(zhì)包括土壤結(jié)構(gòu)和孔隙性、土壤水分、土壤空氣、土壤熱量和土壤耕性等。其中，土壤水分、空氣和熱量作為土壤肥力的構(gòu)成要素直接影響著土壤的肥力狀況，其余的物理性質(zhì)則通過影響土壤水分、空氣和熱量狀況制約著土壤微生物的活動(dòng)和礦質(zhì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、存在形態(tài)及其供給等，進(jìn)而對(duì)土壤肥力狀況產(chǎn)生間接影響。學(xué)習(xí)和掌握土壤物理性質(zhì)的基本理論及其調(diào)控措施，對(duì)于持續(xù)培肥土壤、提高土壤生產(chǎn)力、實(shí)現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用等均具有十分重要的意義。1

概述土壤物理性質(zhì)與土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤生物活動(dòng)密切相關(guān)，互有影響。如鈣飽和的土壤所形成的土壤結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)優(yōu)于鈉飽和的土壤；植物根系和蚯蚓的活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)物則是形成土壤良好結(jié)構(gòu)性的基礎(chǔ)。反之，土壤的物理性質(zhì)也直接或間接地影響土壤養(yǎng)分的保持、移動(dòng)和有效性，制約土壤生物特性以及植物根系的定植、穿插和攝取土壤中水分和養(yǎng)分的能力。

土壤物理性質(zhì)除受自然成土因素影響外，人類的耕作活動(dòng)(包括耕作、輪作、灌排和施肥等)也能使之發(fā)生深刻的變化。因此可在一定條件下，通過農(nóng)業(yè)措施、水利建設(shè)以及化學(xué)方法等對(duì)土壤不良的物理性質(zhì)進(jìn)行改良、調(diào)節(jié)和控制。

土壤物理包括土壤的顏色、質(zhì)地、孔隙、結(jié)構(gòu)、水分、熱量和空氣狀況，土壤的機(jī)械物理性質(zhì)和電磁性質(zhì)等方面。各種性質(zhì)和過程是相互聯(lián)系和制約的，其中以土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分居主導(dǎo)地位，它們的變化常引起土壤其他物理性質(zhì)和過程的變化。

土壤顏色土壤物理性質(zhì)之一。指土壤表面光照反射的色光所組成的混合色。在土壤諸物理性質(zhì)中最為直觀。土壤顏色在一定程度上反映了土壤的主要化學(xué)組分和土壤的水熱狀況，可作為鑒別土壤肥沃程度的指標(biāo)。如具深色表土的土壤常較淺色表土者肥沃；腐殖質(zhì)含量高的土壤呈暗黑色；不同形態(tài)的鐵可使土壤分別呈紅、棕、黃、藍(lán)、綠等色；在排水良好情況下多呈紅、棕色，反之則現(xiàn)灰藍(lán)色等。

土壤顏色通常用A.H.芒賽爾創(chuàng)建的土壤顏色標(biāo)記系統(tǒng)來確定，稱為芒賽爾土色卡。這個(gè)系統(tǒng)是由色調(diào)、亮度和彩度三要素所組成。色調(diào)指不同的顏色，分紅 (R)、黃紅(YR) 、黃(Y) 、灰黃(GY)、灰(G)、藍(lán)灰(BG)、藍(lán)(B)、紫藍(lán)(PB)、紫(P)和紫紅(PR)共10組，每組又分成2.5、5.0、7.5和10共4級(jí)。亮度指對(duì)光反射的程度，由黑到白分為 0～10個(gè)等級(jí)（在土色卡中取1～8）。彩度指光譜的純度，按顏色從暗濁到鮮艷分為 0～12個(gè)等級(jí)（在土色卡中取1～8）。表示土壤顏色的通用符號(hào)是色調(diào)亮度/彩度。完整的命名法是顏色名稱（色調(diào)亮度/彩度）,例如紅(10RS/6)（圖1）。

土壤質(zhì)地土壤物理性質(zhì)之一。指土壤中不同大小直徑的礦物顆粒的組合狀況。土壤質(zhì)地與土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易有密切關(guān)系；土壤質(zhì)地狀況是擬定土壤利用、管理和改良措施的重要依據(jù)。

土壤顆粒分級(jí)土壤中的礦物顆?？砂雌渲睆酱笮》譃槿舾傻燃?jí)。各國的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不一，常見的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表 1。不同直徑的礦物顆粒在物理和物理化學(xué)性質(zhì)上有明顯差異。各等級(jí)的主要特征是： 石塊 巖石崩解的碎塊。對(duì)土壤耕作和植物生長都不利，應(yīng)設(shè)法除去。

石礫由母巖碎片和粗粒礦物組成。其大小和含量直接影響土壤耕作的難易和對(duì)農(nóng)機(jī)具的磨損程度。

砂粒由母質(zhì)碎屑、原生礦物和石英等組成。其中氧化硅的含量高達(dá)80%以上。含砂粒多的土壤較松散、通氣好、無脹縮性，但保水保肥力弱，磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分含量低。

粉粒顆粒的大小和性質(zhì)均介于砂粒和粘粒之間。氧化硅和鐵鋁氧化物的含量分別為60～80%和 5～18%；其礦物組成既有原生礦物也有次生礦物；有微弱的可塑性和脹縮性，粉粒級(jí)的礦物組成與土壤養(yǎng)分的潛在供應(yīng)能力有一定關(guān)系。

粘粒是土壤顆粒組成中最活躍的部分。主要由次生硅鋁鹽組成。顆粒小，呈片狀，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，保水保肥力也較強(qiáng)；但由于粘粒內(nèi)孔隙小，且脹縮性大，通氣和透水性較差。粘粒的性質(zhì)還隨粘土礦物類型的不同而異。 2:1型蒙脫類粘土的脹縮性和吸水性較1:1型的高嶺類粘土大得多。

土壤質(zhì)地類型公認(rèn)的土壤基本質(zhì)地分3組,即砂土組、壤土組和粘土組。各自的特點(diǎn)如下述。

砂土組 保水和保肥能力較差，養(yǎng)分含量少，土溫變化較大；但通氣透水良好，容易耕作。

粘土組 保水和保肥力較強(qiáng)，養(yǎng)分含量較豐富，土溫變化??；但通氣透水性差,粘結(jié)力強(qiáng)，犁耕阻力大,耕作較困難,且有強(qiáng)烈的脹縮性，干時(shí)硬結(jié)，濕時(shí)泥濘,適耕期短。

壤土組 是介于砂土和粘土之間的一種土壤質(zhì)地類型。性質(zhì)上也兼?zhèn)渖巴梁驼惩恋膬?yōu)點(diǎn)：通氣透水、保水保肥能力都較好,適合多數(shù)作物生長，適耕范圍較寬,耕作方便，易于調(diào)節(jié)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上理想的土壤質(zhì)地類型。

土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)根據(jù)土壤中礦物顆粒組合特點(diǎn)將土壤分為若干類型的檢索系統(tǒng)。常見的有：

國際制分類系統(tǒng) 該系統(tǒng)將土壤質(zhì)地分為 4組（砂土、壤土、粘壤土和粘土）13級(jí)，并按等邊三角表進(jìn)行檢索（圖 2）。其方法是：①以粘粒含量為主要標(biāo)準(zhǔn)25%為粘土組。②當(dāng)土壤含粉粒達(dá)45%以上時(shí)，在各組質(zhì)地的名稱前均冠以“粉質(zhì)”。③當(dāng)砂粒含量在55～85%時(shí)，則冠以“砂質(zhì)”；如超過85%，則稱為壤質(zhì)砂土，其中砂粒達(dá)90%者稱砂土。 美國制分類系統(tǒng) 與國際制基本相似，所不同的是它將土壤質(zhì)地分為4組12級(jí)（圖3）。 蘇聯(lián)制分類系統(tǒng) 由蘇聯(lián)卡欽斯基擬定，采用雙級(jí)分類制，即按物理性砂粒和物理性粘粒含量將土壤質(zhì)地分為 3組9級(jí)（表2）。

除上述3個(gè)分類系統(tǒng)外,還有些國家結(jié)合自己國家土壤的特點(diǎn)制訂了各自的土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)。

土壤質(zhì)地的調(diào)節(jié)肥沃的土壤不僅要求耕層的質(zhì)地良好，還要求有良好的質(zhì)地剖面。雖然土壤質(zhì)地主要決定于成土母質(zhì)類型，有相對(duì)的穩(wěn)定性，但耕作層的質(zhì)地仍可通過耕作、施肥等活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。摻和粘土和增施有機(jī)肥料是調(diào)節(jié)和改良砂土類質(zhì)地組不良性質(zhì)的主要措施；相反，摻和砂土以及增施有機(jī)肥料、設(shè)置排水設(shè)施和采用高畦、窄垅等種植方法則是改善粘土質(zhì)地組不良性質(zhì)的主要途徑。

土壤孔隙土壤物理性質(zhì)之一。指土壤固體顆粒間的空隙，是容納水分和空氣的場(chǎng)所。土壤孔隙狀況通常用孔隙度和孔隙直徑表征。

土壤孔隙度又稱土壤總孔隙度。指土壤孔隙的容積占土壤總?cè)莘e的百分?jǐn)?shù)。通常按下式計(jì)算： 式中的土壤容重又稱土壤假比重。是指單位體積土壤(包含孔隙在內(nèi))中絕對(duì)干燥時(shí)的重量，單位為克/厘米 。其數(shù)值大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。通常,礦質(zhì)土壤的容重為1.40～1.70克/厘米；有機(jī)土壤為1.10～1.25克/厘米;粘質(zhì)土壤為1.10～1.60克/厘米；砂質(zhì)土為1.3～1.5克/厘米；肥沃的耕層土壤為1.00～1.20克/厘米 ；緊實(shí)土壤為1.50～1.80克/厘米 。容重值低的土壤表明其孔隙多，反之則孔隙少。容重除作為計(jì)算土壤孔隙度的必要參數(shù)外，也是計(jì)算土壤空氣容量，換算田間土壤重量以及土體內(nèi)水分、養(yǎng)分、鹽分和有機(jī)質(zhì)貯量的必要參數(shù)。 式中的土壤比重又稱土壤真比重。是指單位體積土壤顆粒（不包括孔隙在內(nèi)）的絕對(duì)干燥重量與同體積水4 ℃時(shí)重量的比值。土壤比重?cái)?shù)值的大小與礦物組成和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。土壤礦物的比重一般在2.40～2.80之間；有機(jī)質(zhì)比重一般在1.2～1.4之間。土壤的平均比重為2.65。土壤比重是計(jì)算土壤孔隙度的必要參數(shù)；也可作為大致判別土壤礦物類型的依據(jù)。

土壤孔隙度一般為50%左右；松散土壤可高至55～65%；緊實(shí)土壤可低至35～40%。

土壤孔隙直徑指土壤孔隙的大小。測(cè)定的方法很多，常按土壤吸力值的大小用下式計(jì)算：

孔隙直徑（毫米）=3/土壤吸力(水柱高度，厘米)

土壤中孔隙的大小、形狀及其穩(wěn)定程度與土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤孔隙直徑不同，其通氣、排水能力也不同。一般認(rèn)為,直徑大于0.2毫米的粗大孔隙能保證土壤的通氣性;直徑0.2～0.03毫米的較大孔隙既能供水又能排水；直徑0.03～0.01毫米的中等孔隙其毛管作用強(qiáng)烈；直徑0.01～ 0.005毫米的小孔隙，具有很強(qiáng)的持水能力；直徑小于 0.005毫米的細(xì)微孔隙對(duì)土壤水分、空氣的調(diào)節(jié)無效，對(duì)植物生長也無益。有時(shí)，土壤中的孔隙也可分為毛管孔隙（或稱持水孔隙）和非毛管孔隙（或稱通氣孔隙）。前者指由毛管水占據(jù)的孔隙；后者指能通氣的孔隙。土壤內(nèi)大、中、小孔隙的比例因生物氣候條件以及特定作物所需的物理環(huán)境條件而異。

土壤結(jié)構(gòu)土壤物理性質(zhì)之一。指土壤顆粒（包括團(tuán)聚體）的排列形式。但學(xué)術(shù)界關(guān)于土壤結(jié)構(gòu)的定義并不完全一致。蘇聯(lián)學(xué)者H.A.卡欽斯基認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)是土壤中不同大小、形狀、孔隙性、力穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的綜合。美國學(xué)者L.D.貝弗則認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)是土壤中原生顆粒和次生顆粒（包括孔隙）排列成的一定形式。

土壤顆粒的大小及其不同排列形式，使土壤孔隙呈各種幾何學(xué)特征，從而影響土壤中水、熱、氣的保持和運(yùn)行，植物根系的穿插，微生物的活動(dòng)以及養(yǎng)分的有效性和供應(yīng)速率，最終直接或間接地影響植物的生長和土壤的生產(chǎn)性能。

結(jié)構(gòu)類型土壤顆粒的排列形式大致可分兩類：一類是以單粒（又稱原生顆粒）為單位的排列；另一類是以復(fù)粒(又稱次生顆粒)為單位的排列。根據(jù)結(jié)構(gòu)體的形態(tài)、大小或性質(zhì)還可分成若干類型。1927年，蘇聯(lián)學(xué)者C.A.扎哈羅夫根據(jù)結(jié)構(gòu)體形態(tài)提出了土壤結(jié)構(gòu)的分類方案并幾經(jīng)修改。1951年美國農(nóng)部提出的土壤結(jié)構(gòu)分類表（表3）是使用較為廣泛的一個(gè)分類系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，按土壤結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征將土壤結(jié)構(gòu)分為4個(gè)類型;根據(jù)結(jié)構(gòu)體的大小每種類型又分為5級(jí);根據(jù)結(jié)構(gòu)體自身和結(jié)構(gòu)體之間粘結(jié)力的大小每級(jí)又分為 4個(gè)發(fā)育程度。土壤結(jié)構(gòu)還可根據(jù)受水浸泡或外力作用后的不同反應(yīng)而分為水穩(wěn)性、力穩(wěn)性或非水穩(wěn)性和非力穩(wěn)性結(jié)構(gòu)。前二者統(tǒng)稱為穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)；后二者統(tǒng)稱為非穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的形成主要依賴于對(duì)土壤顆粒具有較強(qiáng)的膠結(jié)力的物質(zhì)的存在。

結(jié)構(gòu)形成主要指土壤中團(tuán)聚體（耕層以下通常稱結(jié)構(gòu)體）的形成，通常有3個(gè)途徑,原生顆粒通過凝聚等作用形成次生顆粒（或稱微團(tuán)聚體、復(fù)?；蛴袡C(jī)無機(jī)復(fù)合體）；次生顆粒再經(jīng)有機(jī)質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)的作用而進(jìn)一步形成團(tuán)聚體，或原生顆粒直接由膠結(jié)物質(zhì)粘結(jié)成團(tuán)聚體；致密的土體通過根系活動(dòng)、干濕交替、結(jié)凍融凍等各種外應(yīng)力的作用而崩解成團(tuán)聚體。有機(jī)物分解的中間產(chǎn)物多糖和多價(jià)陽離子在形成穩(wěn)定性團(tuán)聚體中也有重要作用。近年又提出粘團(tuán)學(xué)說，認(rèn)為粘團(tuán)是粘粒的小集團(tuán)群，由粘粒本身定向排列而成，形如片狀，其直徑一般小于 5微米。粘團(tuán)彼此間可通過鋁鍵和有機(jī)聚合物的作用使團(tuán)面與團(tuán)面、團(tuán)邊與團(tuán)邊以及團(tuán)面與團(tuán)邊相結(jié)合而形成團(tuán)聚體的基本單元，再由基本單元聚合而成團(tuán)聚體。圖 6表示團(tuán)聚體中粘團(tuán)－有機(jī)質(zhì)－砂粒的結(jié)合形式。

結(jié)構(gòu)與肥力土壤結(jié)構(gòu)除影響植物根系的生長，微生物的活動(dòng)以及土壤中空氣、水分和養(yǎng)分的協(xié)調(diào)外，還影響土壤的一系列機(jī)械物理特性。20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)土壤學(xué)家B.P.威廉斯提出團(tuán)粒結(jié)構(gòu)學(xué)說，認(rèn)為由胡敏酸鈣結(jié)合的直徑為10～0.25毫米的水穩(wěn)團(tuán)聚體(又稱團(tuán)粒)含量達(dá)70%以上時(shí)，即為有結(jié)構(gòu)的土壤。這種土壤同時(shí)具備團(tuán)聚體之間的非毛管孔隙和團(tuán)聚體內(nèi)的毛管孔隙，因而能協(xié)調(diào)土壤中水分、空氣、養(yǎng)分的保持與釋放的矛盾；同時(shí)可減少地表徑流，防止水土流失。但以后的研究者認(rèn)為，土壤中0.25～10毫米水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和最佳粒徑應(yīng)依不同的生物氣候條件而異。在濕潤多雨地區(qū)，為便于通氣排水，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量宜略高，直徑也可略偏大；而在干旱少雨地區(qū),圖7則水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量略低、粒徑略小的有利保墑。近期的研究還認(rèn)為，在評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)時(shí)，除團(tuán)聚體的形狀、大小和數(shù)量外，還要考慮與土壤結(jié)構(gòu)密切有關(guān)的其他一些性質(zhì)，如土壤孔隙的大小分配、土壤的通氣性和透水性以及不同水分吸力時(shí)的土壤持水量和生物活性等。 結(jié)構(gòu)的改良 由于土壤表層經(jīng)常受到不合理的耕作和灌溉的影響，土壤結(jié)構(gòu)易被破壞，從而導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)惡化。為了保護(hù)和改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，保持和提高土壤肥力，可以采取的措施包括：合理耕作，改多耕為少耕或免耕；合理灌溉，改漫灌為噴灌、滴灌或底土滲灌；合理輪作、施肥，在輪作制中安排一定比例的綠肥或牧草，以及增施有機(jī)肥料等。施用結(jié)構(gòu)改良劑則可達(dá)到快速改善土壤結(jié)構(gòu)狀況的目的。已知的土壤結(jié)構(gòu)改良劑有聚乙烯醇，聚醋酸乙烯脂，水解聚丙烯，聚丙烯酸，醋酸乙烯脂 -嘎丁烯二酸共聚物，二甲胺基乙基丙烯酸鹽以及聚丙烯酰胺等。其中聚丙烯酰胺已開始在西歐較大面積上使用。此外，瀝青乳劑和各種類型的胡敏酸鹽制劑也有明顯效果。

土壤水分以固、液、氣三態(tài)存在于土壤顆粒表面和顆粒間孔隙中的水分，來源于大氣降水、灌溉水以及隨毛細(xì)管上升的地下水和凝結(jié)水。氣態(tài)水存在于土壤顆粒之間尚未被液態(tài)水所占據(jù)的孔隙之中；液態(tài)水被吸著在土壤顆粒的表面，或受水分表面張力的影響被保持在土粒之間或團(tuán)聚體內(nèi)部未被空氣占據(jù)的孔隙中；固態(tài)水只在氣候寒冷地區(qū)及冬季出現(xiàn)，是液態(tài)水在攝氏零度(0℃）以下時(shí)結(jié)成的冰。土壤含水量一般用烘干法、張力計(jì)法、電阻塊法或中子法等方法測(cè)定。

土壤水分是成土過程的重要因素,對(duì)礦物的風(fēng)化,有機(jī)物質(zhì)的合成和分解，元素的富集、遷移和淋失等產(chǎn)生影響，并是植物生長所需水分的主要給源。

土壤水分保持進(jìn)入土壤中的水分在各種力的作用下，有一部分被保存在土壤中。土壤保持水分能力的強(qiáng)弱，受土壤孔隙的大小、形狀以及連通性等的影響，也與土壤顆粒表面積的大小有關(guān)。土壤的含水量是不斷變化的，從只能保持一層相當(dāng)于幾個(gè)水分子直徑厚的水膜，到土壤完全為水分所飽和，甚至地表出現(xiàn)積水。土壤的特征性含水量通常稱為水分常數(shù)，包括：①飽和含水量。這時(shí)全部土壤孔隙都充滿水分，水分吸力為零。②田間持水量。是土壤被降水或灌溉水所飽和，經(jīng)2～3天或更長一些時(shí)間后，水分向下運(yùn)動(dòng)的速度逐漸減小，直至可以忽略不計(jì)時(shí)所保持的水量。通常用 1/3大氣壓時(shí)的含水量代表；但由于土壤的差異，往往不能用同一吸力值來表征這一含水量。③萎蔫系數(shù)。指根系不能迅速吸取到能滿足蒸騰需要的水分，植物開始出現(xiàn)永久萎蔫時(shí)的土壤含水量。一般以15個(gè)大氣壓時(shí)的含水量代表。④吸濕系數(shù)，大約相當(dāng)于吸力為31個(gè)大氣壓時(shí)所保持的水量。各水分常數(shù)之間的水分對(duì)植物的有效性是不同的。

土壤含水量的多少，雖然關(guān)系到水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)狀況和植物生長狀況;但土壤水分的能量狀態(tài),即水分被土壤保持的牢固程度，往往比水分含量更為重要。水分的能量可以水分吸力、張力或水勢(shì)表示。一個(gè)平衡的土－水體系所具有的能夠作功的能力稱為該體系的土壤水勢(shì)能，簡稱土水勢(shì)。并可借助張力計(jì)或壓力膜，在原地或?qū)嶒?yàn)室中測(cè)定。

土壤總水勢(shì)土壤總水勢(shì)由以下幾個(gè)分勢(shì)組成：①基質(zhì)勢(shì)，由與土壤固體特性有關(guān)的各種力（包括表面吸附力、土粒間孔隙的毛管力等）引起，是水－氣界面的曲率半徑的函數(shù)；②壓力勢(shì)，由土－水體系中的壓力超過參比態(tài)下的壓力引起；③溶質(zhì)勢(shì)，由土－水體系中各種溶質(zhì)共同引起；④重力勢(shì)，主要由重力場(chǎng)引起。

基質(zhì)勢(shì)和含水量的關(guān)系曲線稱為土壤水分特征曲線（圖8）。它受土壤性質(zhì)的影響，據(jù)此可算出植物有效含水量，還可根據(jù)曲線上的斜率，估算出不同水勢(shì)時(shí)的吸水和釋水性。 土壤水的運(yùn)動(dòng) 土壤水處在不斷的運(yùn)動(dòng)之中。降水或灌溉水到達(dá)地表后，在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)等梯度作用下漸次進(jìn)入土表以下各土層。土壤水分達(dá)到飽和狀態(tài)后，多余的水分就在重力勢(shì)作用下向下滲漏,補(bǔ)給地下水;如土壤水分處于不飽和狀態(tài)，水分就在重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)等梯度作用下向下或向其他方向滲吸，補(bǔ)充土壤水儲(chǔ)量。滲漏或滲吸不良時(shí)，水分就形成地表徑流流失。當(dāng)降水或灌溉停止、滲吸結(jié)束后，水分仍繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行再分配。土壤水也可在水勢(shì)梯度作用下向上運(yùn)動(dòng)，通過地表蒸發(fā)或植物葉面的蒸騰返回大氣中。在地下水鹽分濃度高時(shí)，水分的向上運(yùn)動(dòng)往往導(dǎo)致土壤鹽漬化。

水分在由勢(shì)能高的地方向勢(shì)能低的地方運(yùn)動(dòng)時(shí)，不管土壤水飽和程度如何，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的水的容積總是與水流方向上的水力勢(shì)梯度成正比。這可用達(dá)西方程表示： 式中V 為單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于水流方向的單位面積的水的容積；K 為水力傳導(dǎo)度或毛管傳導(dǎo)度，是單位水力勢(shì)梯度下水流的容積；為水力勢(shì)梯度，包括重力勢(shì)梯度和基質(zhì)勢(shì)梯度，是水分運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。重力的大小一定，方向向下，基質(zhì)勢(shì)的大小和方向是可變的。

土壤中的氣態(tài)水由于水汽壓力梯度的不同而進(jìn)行擴(kuò)散，它們通過充氣孔隙從水汽壓大的地方向水汽壓小的地方運(yùn)動(dòng)；從濕土層向干土層、從比較熱的土層向比較冷的土層運(yùn)動(dòng)。

水分與植物生長的關(guān)系適宜的土壤水分為植物蒸騰和維持正常生長所必需。土壤水分過多往往使植物生長受阻、造成濕害;過少則導(dǎo)致植物凋萎。一般認(rèn)為,土壤吸力小于1～2大氣壓時(shí)的水分，是植物最易吸收的水分。

20世紀(jì)60年代以來，在評(píng)價(jià)土壤水分與植物的關(guān)系問題上的根本性變化，在于認(rèn)為土壤、植物和大氣之間是一個(gè)物理學(xué)上統(tǒng)一的、動(dòng)態(tài)的連續(xù)體系。在此體系中，各種不同的水流過程象鏈條中的各個(gè)環(huán)節(jié)一樣相互關(guān)聯(lián)。植物吸收水分的速率和數(shù)量不單是土壤含水量或土水勢(shì)的單值函數(shù)，而是與根系從土壤吸收水分的能力，以及土壤按蒸騰要求的速率向根系輸送水分的能力有關(guān)；能力的大小取決于植物和土壤的性質(zhì)，并在相當(dāng)程度上取決于小氣候條件。水分從體系中勢(shì)能高處流向勢(shì)能低處；兩點(diǎn)間的勢(shì)能差，是促使水分流動(dòng)的原因。流經(jīng)植物體的水流量(y)可用下式表示：

y=墹ψ1/R1=－墹ψ2/R2=－墹ψ3/R3

式中墹ψ1是土壤到根部的水勢(shì)降減,墹ψ2是植物體內(nèi)根到葉部的水勢(shì)降減；墹ψ3是葉部與大氣間的水勢(shì)降減。墹ψ1、墹ψ2約等于 10×10 帕；1墹ψ3約等于 500×10帕。R1、R2和R3分別為相應(yīng)分段中水流的阻力。

只要根系吸水的速率與蒸騰速率平衡，水流就繼續(xù)進(jìn)行，植物保持充分的水脹狀態(tài)；一旦吸水速率低于蒸騰速率時(shí)，植物就開始失水，失去膨壓而凋萎。在大氣蒸發(fā)力高時(shí)，即使土水勢(shì)較高，植物也可能無法維持較高的相對(duì)蒸騰率而開始凋萎；在大氣蒸發(fā)力低時(shí)，即使土水勢(shì)較低，相對(duì)蒸騰率仍可能較高，而使植物不致凋萎。所以土壤中水分能否滿足植物生長的需要，取決于土壤、植物和大氣諸因子的綜合影響。

水分不僅直接影響植物的蒸騰和土壤中養(yǎng)分對(duì)植物的有效性，而且也影響根系生長與耕作的難易。通過合理的耕作管理，增加和保持土壤有效水，減少地表徑流和滲漏，減少無效蒸騰，以及在水分過多時(shí)進(jìn)行農(nóng)田排水等措施都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)（見植物水分關(guān)系）。

土壤熱性質(zhì)土壤物理性質(zhì)之一。指影響熱量在土壤剖面中的保持、傳導(dǎo)和分布狀況的土壤性質(zhì)。包括3個(gè)物理參數(shù):土壤熱容量、導(dǎo)熱率和導(dǎo)溫率。土壤熱性質(zhì)是決定土壤熱狀況的內(nèi)在因素,也是農(nóng)業(yè)上控制土壤熱狀況,使其有利于作物生長發(fā)育的重要物理因素，可通過合理耕作、表面覆蓋、灌溉、排水以及施用人工聚合物等措施加以調(diào)節(jié)。

土壤熱容量又稱土壤比熱，即每單位土壤當(dāng)溫度升高 1℃時(shí)所需的熱量。以土壤重量為單位時(shí)稱土壤重量熱容量(Cp)；以土壤容積為單位時(shí)稱土壤容積熱容量(Cv)。干燥土壤的容積熱容量等于土壤重量熱容量與土壤容重的乘積。

土壤各組分的熱容量不同。其中以水的熱容量為最大，空氣的容積熱容量最小，因而土壤水是影響熱容量的主導(dǎo)因素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常通過水分管理來調(diào)節(jié)土壤溫度，如低洼易積水地區(qū)在早春采取排水措施促使土壤增溫，以利種子發(fā)芽等。

土壤導(dǎo)熱率是表征土壤導(dǎo)熱性質(zhì)的物理參數(shù)或?qū)嵯禂?shù),即在穩(wěn)態(tài)條件下每秒鐘通過截面積為1平方厘米、長度為1厘米、兩端溫差為1℃的土柱時(shí)所需的熱量。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中λ為導(dǎo)熱率;Q為T 時(shí)間內(nèi)、流經(jīng)厚度為d、橫截面積為A的土柱的熱量;t1和t2為土柱兩端的溫度,(t1-t2)/d為溫度梯度。

土壤各組分的導(dǎo)熱率不同：礦物的導(dǎo)熱率最大，其次為水，空氣的導(dǎo)熱率最小。

土壤導(dǎo)熱性的調(diào)節(jié)主要依靠土壤水，如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過灌水增加土壤含水量以防霜凍等。

土壤導(dǎo)溫率是表征土壤導(dǎo)溫性的物理參數(shù)（或?qū)嵯禂?shù)），有時(shí)也稱溫度擴(kuò)散率或溫度擴(kuò)散系數(shù)。其物理含義是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，在土層垂直方向單位土壤容積中，流入相當(dāng)于導(dǎo)熱率λ時(shí)的熱量后所增高的溫度，單位為平方厘米/秒。其與導(dǎo)熱率的關(guān)系式： 式中Kt為導(dǎo)溫率；Cv為容積熱容量。

土壤水分對(duì)土壤導(dǎo)溫性有明顯影響，一般呈雙曲線關(guān)系，即從干土變?yōu)闈裢習(xí)rKt值不斷增加，但當(dāng)土壤水分含量超過一定限度時(shí)Kt值即不斷下降，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)因土而異。耕層土壤的 Kt常數(shù)低于底層。如南京黃棕壤0～50厘米土層的Kt為3.11×10厘米2/秒，而50～100厘米土層的Kt值為4.92× 10厘米2/秒，上下土層間Kt的差異較大。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了解土壤剖面不同深度在不同時(shí)間內(nèi)土壤溫度的變化規(guī)律，常需測(cè)定土壤導(dǎo)溫率。

由于土壤是一個(gè)不均質(zhì)體，其組分的變化常受時(shí)間和空間變化的影響，決定土壤熱性質(zhì)的各個(gè)參數(shù)只是相對(duì)穩(wěn)定，并不是絕對(duì)常數(shù)。

土壤空氣存在于土壤顆粒表面、未被水分占據(jù)的孔隙中和溶于土壤水中（溶液中）的空氣。土壤空氣的數(shù)量、組成和更新狀況對(duì)植物生長，特別是對(duì)根系的發(fā)育和生長影響極大；土壤的生物學(xué)過程、化學(xué)過程和養(yǎng)分的有效性也與土壤空氣有關(guān)。

土壤通氣狀況常根據(jù)土壤的空氣含量、通氣孔隙、通氣量、氧化還原電位、氣體擴(kuò)散系數(shù)，土壤空氣中氧的含量、氧擴(kuò)散率、二氧化碳分壓，呼吸系數(shù)，還原性物質(zhì)總量或土壤的顏色和氣味等加以判斷。

來源與存在狀態(tài)土壤空氣主要來源于近地表的大氣。但也有部分是土壤呼吸過程和有機(jī)質(zhì)分解過程的產(chǎn)物。根據(jù)空氣在土壤中存在的狀態(tài)分為自由態(tài)（即游離態(tài)）,吸附態(tài)和溶解態(tài)3種。自由態(tài)空氣指存在于土壤中未被水分占據(jù)的孔隙中的氣體，其容量主要取決于土壤顆粒的排列狀況和水分的含量；吸附態(tài)空氣指吸附，土壤顆粒表面的氣體，其容量決定于土壤顆粒的比表面積和氣體分子結(jié)構(gòu)的偶極矩；溶解態(tài)空氣指溶解于土壤水（或溶液）中的氣體，其容量受氣體分壓、溫度和氣體成分的溶解度決定。 3種狀態(tài)中以自由態(tài)空氣最為活躍，其次是溶解態(tài)。

組成土壤空氣的組成大體上與大氣組成相近似。早在1852年，法國學(xué)者J.B.布森戈就首先確定了土壤空氣組成的容積百分含量:氮為78.80～80.24%;氧為10.35～20.03%；二氧化碳為0.74～9.74%。與大氣相比,其氧含量較低,而氮和二氧化碳含量較高。漬水土壤的空氣中還含有一定數(shù)量的還原性氣體如甲烷、硫化氫和氫，有時(shí)還有磷化氫、二硫化碳、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷等。但土壤空氣的組成常隨季節(jié)、晝夜、土壤深度、土壤水分、作物種類和生長期的不同而變化。

更新土壤空氣的更新主要是靠土壤空氣與大氣間的相互交換，包括氣體質(zhì)流和氣體擴(kuò)散。前者服從于達(dá)西定律，后者服從于費(fèi)克定律。影響土壤中氣體質(zhì)流的因素包括氣象因子（溫度、氣壓、風(fēng)和降水等）、土壤因子(結(jié)構(gòu)性、水分含量和通氣孔隙等)、生物因子（動(dòng)植物和微生物的活動(dòng)等）和人類生產(chǎn)活動(dòng)因子（耕作、施肥和排灌等）。1904年E.白金漢提出土壤氣體擴(kuò)散常數(shù)D與土壤自由孔隙度S的平方成正比:D=KS。式中比例常數(shù) K為擴(kuò)散系數(shù)。1940年H.L.彭曼提出土壤氣體擴(kuò)散的基本方程:。式中D為土壤氣體的擴(kuò)散系數(shù)；D0為氣體在大氣中的擴(kuò)散系數(shù)；S為孔隙度；L為氣體通過的直線距離；Le為氣體通過的實(shí)際距離；用相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)作為氣體擴(kuò)散的指標(biāo)。近期的研究多圍繞土粒的粗細(xì)、形狀以及孔隙的大小、形狀和質(zhì)量等因素對(duì)彭曼方程提出種種修改。

調(diào)節(jié)土壤空氣的含量主要取決于土壤的通氣性，而土壤通氣性則受土壤中孔隙的多少和大小比例決定。通常合理耕作，輪作和灌水、排水等措施可以達(dá)到調(diào)節(jié)土壤空氣含量和組成的目的。

土壤機(jī)械物理性質(zhì)土攘物理性質(zhì)之一。又稱土壤動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。指決定土壤對(duì)外力反應(yīng)的物理性質(zhì)，主要包括土壤結(jié)持度、土壤強(qiáng)度、土壤流變性和土壤壓縮性等。土壤機(jī)械物理性質(zhì)既影響植物根系的分布和生長，也是決定土壤耕作和農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計(jì)的重要因素。

土壤結(jié)持度指土壤在不同含水量情況下表現(xiàn)出不同結(jié)持性（土壤顆粒之間的相互吸引力）和粘著性（土壤顆粒借助于表面的水膜與外物之間的吸引力）的物理狀態(tài)。可分4種狀態(tài):硬性結(jié)持、酥性結(jié)持、可塑性結(jié)持和粘滯性結(jié)持(圖9)，分別由收縮限、塑性下限和塑性上限(液限)3個(gè)臨界含水量（又稱結(jié)持常數(shù)）作它們之間的界限。收縮限是土壤從明顯濕潤向明顯干燥轉(zhuǎn)變的交界點(diǎn)；塑性下限是土壤顆粒表面的水膜剛能滿足土壤顆粒正常移動(dòng)時(shí)所需的最低含水量；塑性上限，指土粒在作用力下剛發(fā)生流動(dòng)時(shí)的含水量。塑性下限和收縮限含水量的差值稱酥軟指數(shù)。塑性上限和塑性下限含水量的差值為塑性指數(shù)。土壤處于硬性結(jié)持度時(shí)，耕作土壤阻力大，易形成大土塊或粉末狀；土壤處于粘滯結(jié)持度時(shí)的土壤承載強(qiáng)度低，機(jī)具難以運(yùn)行，易破壞土壤結(jié)構(gòu)；土壤處于塑性結(jié)持度時(shí),耕作中易發(fā)生粘閉。土壤上述3種結(jié)持度對(duì)土壤耕作均不理想，只有處于酥性結(jié)持度時(shí)才適宜耕作。

土壤強(qiáng)度指土壤抵抗或支持外加力的能力，隨作用力的方式不同而異。常以剪強(qiáng)度表示。剪強(qiáng)度由土壤內(nèi)聚力（或稱粘結(jié)力）和內(nèi)摩擦力等參數(shù)所構(gòu)成。根據(jù)莫爾-庫倫方程，剪強(qiáng)度@T(02525)與內(nèi)聚力C 和內(nèi)摩擦力的關(guān)系如下式：

τ=C+σtanσ

式中σ是垂直應(yīng)力；φ是內(nèi)摩擦角。如果剪切面上不存在垂直應(yīng)力，則τ=C。試驗(yàn)表明,內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力與土壤性質(zhì)和含水量都有關(guān)。決定剪強(qiáng)度的垂直應(yīng)力的是有效應(yīng)力,即土壤骨架承受的應(yīng)力;垂直載荷下的飽和土壤則孔隙水也承受壓力，因而將減低有效應(yīng)力。孔隙水承受的壓力稱為孔隙水壓力。精確計(jì)算各種類型土壤的剪強(qiáng)度，常借助三軸剪力儀。

土壤流變性指土壤在外力作用下產(chǎn)生變形或流動(dòng)時(shí)存在的應(yīng)力與變量之間的關(guān)系。分兩種情況：①處于干燥狀態(tài)的粘土因有彈性性質(zhì)，應(yīng)力與變形量成直線關(guān)系，即：

τ=Gr

式中τ為應(yīng)力；G為彈性系數(shù)；r為變形量。②稀薄的穩(wěn)定泥漿，應(yīng)力和應(yīng)變量無單值關(guān)系。當(dāng)有效應(yīng)力增加時(shí)，變形以較高的速度連續(xù)發(fā)生。應(yīng)力與變形速度之間成直線關(guān)系的液體稱牛頓液體。當(dāng)泥漿達(dá)到一定濃度后即產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，這時(shí)體系具有一定強(qiáng)度(稱非牛頓液體)。體系受到擾動(dòng)時(shí)強(qiáng)度減低的現(xiàn)象稱為觸變。使其發(fā)生流動(dòng)所必須施加的應(yīng)力即為塑變值。田間土壤多呈塑性體；此外也有粘彈體，包括固體粘彈體（固結(jié)的砂質(zhì)粘土）和液體粘彈體。

土壤壓縮性指土壤容積在施加壓力下的變化。壓力和土壤孔隙比e（單位載荷的孔隙比）的關(guān)系為：

e=AlogPC

式中A為壓縮指數(shù)；P為載荷；C為常數(shù)。

壓縮的主要原因，是顆粒趨于定向排列和粘粒吸附水減少。水分飽和的土壤在載荷下產(chǎn)生的排水壓縮稱為固結(jié)。

土壤電磁土壤的兩種彼此關(guān)聯(lián)的物理性質(zhì)，即土壤電性和磁性的統(tǒng)稱。土壤電磁性的測(cè)定對(duì)于土壤發(fā)生分類的研究、土壤調(diào)查和制圖、土建工程的地基處理以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。

土壤電性指不同于土壤電化學(xué)性質(zhì)的土壤電物理性質(zhì)，包括土壤自然電場(chǎng)（電位）、電阻（電導(dǎo)）、電滲、介電常數(shù)等。其中，尤以土壤電阻和自然電場(chǎng)更為重要。土壤電阻是土壤電導(dǎo)的倒數(shù)，常用以確定土壤含水量或鹽漬度，進(jìn)而可確定某些土壤的分布界線等。土壤自然電場(chǎng)是土壤中各種帶電土粒和鹽類離子所具有電場(chǎng)。通過測(cè)定土壤自然電場(chǎng)，可以了解某些成土過程的信息、區(qū)分復(fù)域土壤、確定地下水位和流向等。成土過程和耕作、施肥、灌排等所造成的土壤鹽分離子的離解、解吸、淋溶、淀積、吸附等，可使剖面中自然電場(chǎng)產(chǎn)生分異，從而顯示其發(fā)生學(xué)特征。如堿土和淡栗鈣土等淋溶層的自然電場(chǎng)比淀積層高40～50毫伏，而淡栗鈣土淀積層的自然電場(chǎng)又比堿化層高15～25毫伏。各發(fā)生層的界面上的電位差較大。

土壤磁性按磁性特征，土壤組分可分反磁質(zhì)、順磁質(zhì)和亞鐵磁質(zhì)3類。由于反磁質(zhì)的磁性極其微弱,土壤磁性主要決定于后兩類，尤其是亞鐵磁質(zhì)。但土壤中的鐵、錳化合物多為順磁質(zhì)，只有磁鐵礦、磁赤鐵礦及其含鈦系列等少數(shù)幾種為亞鐵磁質(zhì)。土壤磁性與土壤礦物的組成關(guān)系密切。成土過程中土壤鐵、錳物質(zhì)的淋移、淀積和形態(tài)轉(zhuǎn)化，特別是順磁質(zhì)和亞鐵磁質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，是造成土壤磁性消長的原因。

土壤磁性包括磁化率、剩余磁化強(qiáng)度（剩磁）、飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等，以前二者更為重要。土壤磁化率用以量度磁化的難易，其含義可用下式表示：K=J/H。式中K為溶積磁化率，J為磁化強(qiáng)度（單位容積的磁矩），H為外磁場(chǎng)強(qiáng)度,為消除土壤松緊狀況的影響，則可用比磁化率表示： X=K/d。式中X為比磁化率；d為土壤容重剩余磁化強(qiáng)度，指物質(zhì)在外磁場(chǎng)中磁化后再撤離外磁場(chǎng)時(shí)，反磁質(zhì)和順磁質(zhì)的感應(yīng)磁性立即消失，而鐵磁質(zhì)和亞鐵磁質(zhì)仍可長久保持的一部分感應(yīng)磁化強(qiáng)度。土壤自然剩磁則是土壤形成過程中各種磁化作用保留下的剩磁，包括熱剩磁、沉積剩磁、化學(xué)剩磁和沉滯剩磁等的綜合。土壤剖面中各層的剩磁與感應(yīng)磁化強(qiáng)度（由現(xiàn)今的地磁場(chǎng)影響產(chǎn)生）的比值稱Q值，可作為土壤鑒定的依據(jù)。

土壤電磁性調(diào)節(jié)土壤電磁性的調(diào)節(jié)主要包括電改良和磁處理兩個(gè)方面。土壤電改良即利用人工直流電加速土壤中的電化學(xué)反應(yīng)和電滲過程，可用于促進(jìn)鹽堿土的淋鹽、脫堿和粘質(zhì)土的排水、加固，達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)的目的。進(jìn)行時(shí)一般將陽極置于土表、陰極置于排水溝底部,以利Na的淋洗。直流電引起陽極區(qū)的土壤溶液發(fā)生酸化，促使鈣的活化和鈉的排除，進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)聚化，可顯著提高土壤滲透性能。電流方向宜交替變換，以避免土壤的局部性酸化造成土體理化性質(zhì)的不均勻性，以及電極材料被腐蝕而產(chǎn)生金屬離子毒害。

土壤磁處理即將土壤置于外磁場(chǎng)中使其產(chǎn)生剩磁，或?qū)⒑F的工礦廢渣經(jīng)磁處理后用作土壤改良劑。前者可改善堿化土壤的微結(jié)構(gòu)性；后者可改善粘質(zhì)土壤，特別是潛育性土壤的理化性質(zhì)。

本書可作為土壤、農(nóng)田水利、環(huán)境保護(hù)類專業(yè)研究生的教科書，并可供有關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郭亮 - 副教授 - 中國海洋大學(xué)