第四章、土壤物理学

第四章、土壤物理学 土壤地理学 37 第四章、土壤物理学 第一节、土壤质地 一、土壤质地与分级 1.土壤质地 土壤固相部份系由矿物质与有机质所组成土壤质地soil texture专指矿物的基本粒子组成的比例不涉及粒团故实验时必须将土粒分散土壤矿物的基本粒子可划分为砂粒sand particle、坋粒silt particle及粘粒clay particle等组粒径。 2.土粒的分级 土壤矿物的基本粒子之分级及其名称如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 4-1所示。美国农业部及台湾对土壤矿物粒度分级如图4-1所示。 表4-1、各种学科对自然结构物粒径之分级及其名称 名称 粒径mm 备注 名称 粒径mm 备注 砾石gravel 2 土壤粒径分级按USDA分类系统分级 粉砂粒silt 0.0625 地质学使用 砂粒sand 2-0.05 黏土clay 不强调粒径 指黏土矿物之集合体 坋粒silt 0.05-0.002 泥mud 0.05 水文地质地下水使用 黏粒clay 0.002以下 土earth soil 0.05 胶体colloid 0.0002 化学及土壤学使用 泥土 0.05 尘dust 0.0625 地质学使用风成物质 黏土clay 0.05 USDA为美国农业部的英文缩写。 3.土壤质地三角图 土壤质地三角图可用以表示各级土壤质地分布的范围目前台湾的土壤质地分级系以USDA的分法为准将土壤质地分为12级。土壤质地名称翻译成中文则有3字、4字与5字的称呼其中3字与4字者较前者为形容词最后者为名词。 1二字称呼有砂土sand、坋土 slit、壤土loam、黏土clay等四 种。 2四字称呼有坋质黏土silty clay、砂质黏土sandy clay、黏质壤土clay loam、坋质壤土silty 土壤地理学 38 loam、砂质壤土sandy loam、壤 图4-1、土壤质地三角图 质砂土loamy sand等六种。 3五字称呼坋质黏壤土slity clay loam、砂质黏壤土sandy clay loam两种。 4.土壤质地分析方法 1机械分析土壤质地所采用的机械分析方法有土筛法、鲍氏比重计分析法、离心机分析法、雷射粒度分析仪。 Stokes定律 V2/9〔dpdgr2η〕 其中V为沉降速度cm/secg为重力加速度cm/sec2dp为粒子密度g/cm3 d为液体密度g/cm3r为粒子半径cmη为液体之绝对黏度如此液体通常为水是指水20?时的黏度单位Dyne–sec/cm2 土筛法土筛法可分为「乾筛法」及「湿筛法」两种网目2mm之土筛可用以分离石头与土壤粒径?2mm者称为石头以下则是土壤湿筛法是一面注水於土筛中一面使用摇筛机振动。即便是使用湿筛法也仅能分离粒径0.05mm砂粒以上的质地这是土筛法的最大缺点。 鲍氏比重计法及离心机分析法鲍氏比重计法顾名思义系力利用鲍氏比重计量测粒径是传统上使用之土壤质地法。其原理是利用不同粒径土粒有不同的沉降速度称为Stokes定律分时采取相同深度土壤溶液中的土粒。此法最大的缺点在於费时从采样到完成分析至少须耗时4-5日其次由於黏粒0.002mm以下多为黏土矿物黏土矿物的晶体构造为扁平状与颗粒为圆球状的实验假设有些出入。使用离心机分析法的目的系利用离心加速土粒沉淀速度其他操作程序同於鲍氏比重计法。 雷射粒度分析仪法顾名思义系利用雷射粒度分析仪量测坋粒粒径?0.05mm以下的粒径0.05mm以上的粒径仍使用土筛法分离。雷射粒度分析仪法的缺点是仪器昂贵且娇嫩操作较为复杂但对於微粒的量测准确度较鲍氏比重计及离心机法为高。 2手触感觉分析法 砂土砂粒以手触之有明显之砂感肉眼可见构造等级后详几为零。 坋土坋粒的大小肉眼看不见以指摩擦在指间滑过有强烈的粉末状感觉但加水后无黏性却为具塑性湿时可搓成条状但易断裂。 黏土黏粒具有黏性湿时在两指间稠黏而有拉力双指分开时指面留有黏粒断裂与收缩造成的小突点湿时可搓成细长土条不易断裂。 壤土可以感觉砂土、坋土、黏土三者的特徵但较上述三者不明显。 壤质砂土感觉上兼具砂土及壤土的局部感觉但砂感远比壤土明显。 砂质壤土感觉上兼具砂土及壤土的局部感觉但壤土感远比砂感明显。。 坋质壤土感觉上兼具砂土及壤土的大部性状而模稜两可於此 二者之间。 土壤地理学 39 黏质壤土感觉上兼具壤土及黏土的大部特色而模稜两可於此二者之间。 砂质黏土感觉上有砂质壤土的触感但黏性强烈甚多但仍不至於到黏土的程度。 坋质黏土感觉上有坋质壤土的味道但黏性强烈甚多但仍不至於到黏土的程度。 砂质黏壤土感觉介於砂质壤土和砂质黏土之间。 坋质黏壤土感觉介於坋质壤土和砂质黏土之间。 5.土壤质地分类方式不能完全适用於「有机质土」organic soils 有机质土的划分皆依其分解程度且土粒之大小与组成份子有关这是学习者应特别注意的概念。 有机质土粘粒?60有机质?31或几不含粘粒有机质?20.6或粘粒lt60有机质gt20.6amplt31有机质层厚度gt40。依USDA分类 图4-2、联合国、欧盟、美国农业部及台湾对土壤矿物粒度的分级 土壤地理学 40 二、土壤质地分析的重要性 1.一般的情形下底土之质地较表土之质地为细此与淋溶作用有密切关联。此种上粗下细的土壤质地助长了土层侧向的水流侧渗流。 2.土壤质地对植物生长的影响 1假设其他环境条件类似以中等质地如壤质土Loamy soil对植物生长最有利。 2在乾燥或半乾燥地区若为上粗下细的土壤质地植物根部已深入细质地土层中当有利於植物生长防止风蚀与保水。 3在乾燥或半乾燥地区细质地土壤常较有利於草类植物生长带若干砂性土则较有利於森林植物生长。 4一般而言底土中的黏粒含量增加至某一程度可增进水分与养分的储存但质地太黏会导致排水不良。 3.倘黏粒在底土中大量聚集而形成黏土磐claypan或铁、锰、铝、钙、有机质在底土中大量聚集而造成各种磐层pan layers皆可妨碍通气与水流除了增加地中迳流外严重者可造成还原物质之聚积而有毒害於植物。 第二节、土壤构造 一、土壤构造之定义 土壤构造soil structure是指上述土壤粒子所结合形成的自然土团或土块peds称为「粒团」aggregates这些粒团所构成的形状称之土壤构造也因化育程度的差异而加以分级。土壤构造之化育与下列土壤特性有关 1.阳离子种类之影响 石灰与有机质能增进土壤物理性变佳早为众所周知碱土之恶劣构造如以Ca2替换其吸附性Na则可变为较优良的构造。黏粒悬浮液常因钙盐之加入而获絮聚变为较优良的构造。Ca2与H对胶体的絮聚作用从过去诸多的实验上来看两者差异不大。实验结果也证实乾时Ca2型腐植质比H型腐植质更具可逆性由此可以想像H型腐植质在水中应更具稳定性与水分子的双极性有关。 分散 絮聚 Na 洗失 CaSO4 CaNa2SO4 Na 黏粒 黏粒 土壤地理学 41 2.黏粒之交互作用之影响 1黏粒间的内聚力黏粒间的内聚力促进较 强韧的土壤构造依凡德瓦力即可解释。 2湿与乾之变换土壤胶体之乾燥引起土壤物质收缩粒团体积变小及土粒胶结湿时土块内因空气压缩而产生压力土壤水分促使内聚力降低乾湿引起不等量之膨胀所产生的应力及拉力。 3冰冻与解冻作用冰冻与解冻变换产生之粒团与乾湿变换产生者相同这些粒团之稳定性不强除非有充足之有机质存在使其稳定。 图4-3、土壤构造性与水热条件的关系 3.铁铝氧化物之胶结作用之影响 水化氧化物是一种水和胶体其特性为当脱水后其化学反应几乎是完全不可逆的。此种不可逆性对某土壤产生稳定性粒团是重要素红土含有大量之氧化铁且具有高度的粒团化。铁铝氧化物与腐植质间的反应对稳定性粒团之形成是很重要的。 4.生物作用之影响 有机质在土壤粒团作用中担任一个重要的角色其对土壤粒团作用之有利影响起源於微生物、动物及植物等多方面的活动。微生物活动会合成一些复杂的有机化合物如多醣类促进黏粒—有机复合物的形成有利於土壤胶结。 草类根部生长活动具有促进稳定粒团之作用 根部分泌物及根部本身之残体也提供土壤有机质的主要来源。 蚯蚓吞食土壤混合土壤及部分的分解有机质其排泄物成为地面上之圆土土团或亚表土中之堆积物 且形成及促进土壤通透性之孔道系统粗孔隙这些活动的综合影响为促进良好之土壤构造。 二、土壤构造之类型与粗细等级 土壤构造之类型与粗细等级枋觥土壤构造体的形状系根据水平垂直二轴的相对短长可概略分为碟状水平轴远大於垂直轴、柱状垂直轴远大於水平轴、块状外观呈块状相邻之构造体几乎多可平贴者及似球状垂直轴约等於水平轴等四大类。当土壤构造强度弱到几乎已经无法辨识的情况下则称为单粒状构造。次级土壤构造名称及型态可参见表4-2、表4-3及图4-3。 表4-2、土壤构造体之类型与粗细等级 粗细等级 类型 碟形 柱状 块形 似球形 碟状 稜柱状 圆柱状 稜块状 亚稜块状 团粒状 屑粒状 土壤地理学 42 极小或极薄 极薄碟状lt1mm 极小稜柱状lt10mm 极小柱状lt10mm 极小稜块状lt5mm 极小亚稜块状lt5mm 极小团粒状lt1mm 极小屑粒状lt1mm 小或薄 薄碟状 1-2mm 小稜柱状 10-20mm 小柱状 10-20mm 小稜块状5-10mm 小亚稜块状5-10mm 小团粒状 1-2mm 小屑粒状1-2mm 中等 中碟状 2-5mm 中稜柱状 20-50mm 中柱状 20-50mm 中稜块状 10-20mm 中亚稜块状 10-20mm 中团粒状 2-5mm 中屑粒状 2-5mm 大或厚 厚碟状 5-10mm 厚稜柱状 50-100mm 厚柱状50 -100mm 厚稜块状 20-50mm 厚亚稜块状 20-50mm 厚团粒状 5-10mm 极大或极厚 极厚碟状 gt10mm 极厚稜柱状gt100mm 极厚柱状 gt100mm 极厚稜块状gt50mm 极厚亚稜块状gt50mm 极厚团粒状gt10mm 改自郭魁士1986427。 魄蛐巫吹拇渭斗掷嘁灿性偾殖鐾枇,垂乖靤hot structure者「丸粒状构造和团粒状构造相似唯形状特别圆球面亦较光滑亮丽。」王明果、谢兆申1991 土壤地理学 43 表4-3、代表性土壤构造体之定义与其经常出现之土层 构造名称 定义或一般描述 常存在之土壤层 ◎单粒状构造single particle structure ◎屑粒状构造 crumb structure ◎团粒状构造granular structure ◎碟状构造 platelike structure ◎块状构造 blocklike structure 亚稜块状构造sub- angular blocky structure 稜块状构造angular blocky structure 柱状构造prismlike structure 稜柱状构造prismatic structure 圆柱状构造columnar structure ◎为几近无化育缺乏土壤粒团之构造。 ◎近球形粒团体积小内部多孔隙与相邻之粒团不互相连接。 ◎近球形粒团体积较上述稍大或同大内部孔隙较少与相邻之粒团不互相连接。 ◎近薄板状或称板状、片状构造常有多层重叠渗透性弱。 ◎接触面不规则形状之土块集合体为弱到中度化育之土壤。 又称小核状nuciform为较小之稜块形与其他粒团接触面具平滑而弯曲之面常构成土块集合体。 又称核状nutty稜块形土块与其他粒团接触面具锐角各轴长不相等。 ◎纵轴长於横轴之长条型构造为强度化育之土壤。 柱形但顶部非呈圆形常与稜柱状粒团形成土块集合体破坏时常呈稜块状。 柱形顶部呈圆形侧面与邻接之柱状粒团接触形成土块集合体。 ◎海岸地带沙丘土壤及黏性较强水田亚表土之土层。 ◎森林、花圃、菜圃及砂土之表土。 ◎同上及老冲积土水田土壤之表土。 ◎灰壤、灰化土之表土层层状母岩之土层。 冲积平原水田土壤之底土。 黄壤之表、底土、Bt层老冲积土之土层。 红壤之表、底土、Bt层。 碱土之底土、Bt层。 改自张仲民1992258。 三、土壤构造之强弱及强弱之描述 土壤构造体除了形状的描述之外也应包括大小及强弱等两个向度如此才是完整的土壤构造之描述。归纳描述如表5-1。其次土壤的外在表徵常与土壤含水状态有关比对土壤构造时最好是在相同的物理条件下会得到较适切的结果。土壤构造强度愈明显表示土壤化育程度愈高田间辨识土壤发育程度共分为4级。 1.0级 「无构造」structure less。粒团作用不明显或无规则之自然土块界线可以形容为「一盘散沙」。 台湾西部海岸沙丘所化育的土壤土壤化育的时间只有数年数十年加上高钠含量的絮散作用影响土壤呈现「单粒状」构造。 2.1级 土壤地理学 44 「弱构造」weak structure。自然土块构造不明显在原位置难以辨别取出置於手掌中稍动即破坏或不能维持原构造状态新竹南寮地区水田利用之新冲积土 图4-4、土壤构造之图示 的表土层即是属於此等级的构造强度。 3.2级 「中度构造」moderate structure。自然土块相当稳定而且具耐久性。在未翻动土壤中虽不十分显著惟自土壤中取出置於手掌尚可辨认。台湾平原地区水田土壤之底土层大致属於此等级的构造强度。 4.3级 「强度构造」strong structure。为耐久不易破坏之自然土块即在未经翻动之土壤中亦十分明显个体间附著力弱自土壤中取出置於手掌稍有硬的感觉。台湾中北部之洪积红壤之表土及底土均属於此等级的构造强度。 三、促进土壤构造发达之原因 1.Ca2促进土壤的絮聚作用而Na促进土壤的絮散作用。故Ca2的含量愈多Na的含量愈少促进土壤粒团作用促进土壤构造之成形反之则反。 2.粘粒含量比例愈高愈易形成稳定之粒团构造促进土壤构造之成形反之则反。 3.土壤乾时比土壤湿时有更佳的粒团构造而潮湿之气候区比乾燥气候区易产生较高程度之粒团构造。 4.有机质愈多的土壤土壤粒团作用愈发达促进土壤构造之成形反之则反。 5.土壤胶体含量愈高土壤粒团作用愈明显促进土壤构造之化育反之则反。 6.冷湿气候环境中冻结与融冰之交互作用有促进粒团作用之功能促进土壤构造之化育。 7.乾湿季节明显的环境土壤中的水合铁、铝氧化物有脱水作用而促使土粒相互连接形成高度粒团化作用促进土壤构造之成形反之则反。 8.植物之根越多越有效导致土壤粒团之形成草类植物为最有效促进粒团形成的植物种类。 9.微生物活动愈旺盛愈有助於粒团作用促进土壤构造之成形反之则反。 10.耕作时机械操作易破坏土壤构造农药减少土壤动物的活动力进而减缓粒团作用土壤添加土壤改良剂石灰等助於团结土粒及稳定土壤构造。 四、土壤构造分析的的重要性 1.可藉以观察土壤化育特性与化育状况。 1表土呈团粒状、稜块状与稜柱状构造为较佳的土壤构造表示土壤化育程度较高。 2化育程度高的土壤剖面其土壤构造化育程度亦高。 3不同的土壤化育层会显现不同的土壤构造。 2.可以藉以判断土壤通气、排水与迳流的状况 土壤地理学 45 1发育良好之构造使土壤有良好的透水性而不致黏闭与积水。 2发育良好之构造使土壤有适宜的孔隙与孔隙率。 3.可以作为土壤团粒稳定度的指标判断其受冲蚀威胁的程度: 1发育良好之构造使土壤有良好的入渗能力易於吸收雨水而得以减少迳流与冲蚀。 2发育良好之构造可减轻风蚀之灾害。 4.可做为判别广义土壤肥沃度的指标之一 1发育良好之构造可减少水分蒸发使土壤有适当的保水力以供作物长期吸收水分。 2发育良好之构造使作物获得适於吸收水分与养分之环境。 3发育良好之构造使土壤通气良好便於植物根部之呼吸及有益微生物之活动与繁殖。 4发育良好之构造具有保温效果。 5发育良好之构造使植物根容易伸展与穿透。 6发育良好之构造有减低土壤侵蚀的功用进而减少土壤养分的流失。 第三节、土壤结持度 土壤结持度soil consistence又称为土壤结构系说明土壤在各种含水量时所表现的内聚性及黏著性等物理力量这些表现包括1对重力、压力、刺力及拉力等的反应2土体对於其他物体之黏著趋势3观察者把土体放置在手上的感觉。简而言之就是造成自然土块或粒团之力或抵抗外力破坏或变形之各种性质。 一、土壤水份田间操作试验之区别与结持度 1.乾土dry soils 系指土壤水份处於风乾状态手触之几无水的感觉土色较浅淡土壤可能呈现粉状或硬块。在土壤结持度上常表现硬度、缩收性与破裂特性。乾土可再细分为风乾土air-dry soil 及烘乾土oven-dry soil。风乾土的量化定义是必须加15bar以上的压力才可使水分脱离土块的含水状态。 2.润土moist soils 系指土壤水份含量在风乾与田间容水量之间的状态。此时土壤孔隙内含水份稍多毛管孔隙多已有水但粗孔隙含水甚少手触之已有水的感觉土色较暗。在土壤结持度上常表现易碎性。湿土的量化定义是只要加15bar0.01barpF4.5pF1的压力便可使水分脱离土块的含水状态。 3.湿土wet soils 系指土壤水份含量处於或高於田间容水量。此时土壤细孔隙内含水更多粗孔隙中亦有水之存在手触之有湿的感觉且土壤出现闪光。在土壤结持度上常表现粘性与塑性。湿土的量化定土壤地理学 46 义是只要加0.01bar1pF的压力便可使水分脱离土块的土壤含水状态。refer to: compiled and edited by Hodgson J. M. 1985: 28-29 二、各种土壤结持度的定义 各种土壤结持力的操作型量化等级请参阅《土壤地理野外调查手册》本处略。 1.强度soil strength 强度是指土块对抗外来压碎力的能耐。其测量方法系以身体所能展现的各种力道加以破坏来区隔其强弱等级。 2.破坏特性characteristics of failure 破坏特性指土块因对抗外来压力所产生的变形特性只针对极润very moist或湿wet土进行测试测试方法是以手挤压土壤观察。 3.胶结性cementation 层中之局部或全部土壤物质为腐植质或石灰或矽、铁、铝等氧化物等天然胶结剂所胶结之致呈现各种不等程度的坚硬固结等状态者称之。胶结性测试方法的第一步是以浸水观察粒团的松弛状况其次再以手挤压土壤观察若过於坚硬则以全身力量或铁鎚等工具敲击。 4.土壤结持力 土壤结持力系针对一土块中土粒相互间的吸引力大小进行测试其反应随田间实际之土壤水分状态而有所不同故表示方法须先记录土壤水分状态。 1乾土时须测试其「坚硬度」其测试方法仍是以手挤压土壤观察。 2润土时须测试其「密实度」其测试方法也是以手挤压土壤观察。 3湿土时包括「最大黏性」maximum stickiness及「最大塑性」maximum plasticity两种。 黏性黏性之测试目的在於研判土壤物质对其他物体的黏附特性田间调查时可藉姆、食指挤按土壤当时的张合感觉加以定性判断。 塑性承受外力受变形与外力解除后恢复原来形状的程度称之。田间调查时可藉姆、食二指搓揉当土样搓成长度4cm的土条而不断裂变形之时配合此时土条的厚度加以定性分级。 5.融性smeariness和流性fluidity 1融性土壤融性的测试目的主要在研判该土壤是否具有「摇溶性」thixotropy。所谓摇溶性意指在如扰动agitation、剪力shearing甚至超音波等外力侵扰下其构造会一副「溃不成军」似的土崩瓦解而一旦干扰的外力解除稍稍静置旋即又自动回复原貌。 2流性土壤流性的测试目的主要在预估该土壤若处於水饱和之湿态情况下的承载力bearing capacity和排水后可能发生下陷的严重后遗程度。在实验室里通常以N值的计算作为研判之依据。但在田间则以手掌盈握4cm8cm大小蛋形土块根据手指五爪施压后土泥从指缝间隙外流量的多少区分成两级。 土壤地理学 47 NA0.2RL3H………………………………1 其中A田间状态下土壤水分含量的 R土壤样品中坋粒、砂粒含量之和 L土壤样品中黏粒含量的 H土壤样品中有机质含量的有机碳1.72。 6.韧性toughness 韧性与塑性相关其操作型定义为欲将一处或接近塑性限度之土块用手指搓揉至直径为3mm之细土条所需的力量单位牛顿N。 7.穿刺阻力penetration resistance 土壤的穿刺阻力系指土壤拮抗硬物体刺穿其中的能耐测试土壤穿刺阻力所用的工具形状级尺寸规格等都须先做声明。一般在田间可用「山中式土壤硬度计」分为尖头与平头两种测试。 8.开挖困难度excavation difficulty 开挖困难度顾名思义是指动手以徒手或借助圆锹、鹤嘴锄、怪手等工具挖掘的相对困难度。 开挖困难度的描述可.