水文学概论|土壤物理性质

1.土壤的机械组成

土壤中的一个个固态颗粒（绝大部分是矿物）称为土粒。土粒按其大小可分为若干组（在同一组内其成分具有相似性），称为土粒颗粒分级。土壤中各粒级之间的组合比例（相对含量），称为土壤的机械组成或土壤质地。它是土壤的一种较稳定的自然属性，影响到土壤的吸水、持水、输水和给水等水理性质，因此被普遍用来作为反映土壤物理性质的特征。

土壤的固体物质由大小不同的矿物颗粒组成，其粒径相差很大，从几微米到几厘米。不同粒径的颗粒，物理性质差别很大，按土壤颗粒的粒径大小，可将土粒分为砂粒、粉粒和黏粒。砂粒（粒径2～0.02mm），比表面积（单位重量土粒的表面积）小，土粒间接触点小、孔隙大，因此，透水性强、毛管上升高度小、遇水不膨胀、干燥时不收缩、无黏着性；粉粒（粒径0.02～0.002mm），颗粒较小、比表面积大、孔隙较小、透气透水性不强、毛管上升高度较大；黏粒（粒径小于0.002mm），颗粒很细、比表面积很大、形成的孔隙甚小而量大、透气透水性很弱、毛管上升高度大，但上升速度缓慢、遇水膨胀、干燥收缩。

天然土壤并不是由单一粒径的土粒组成，而是由各种颗粒的土粒组合而成。按土壤颗粒的大小及其组合情况，土壤质地大致可分为砂土、壤土和黏土3大类。砂土，砂粒含量在80%以上，粒间孔隙一般较大、透水性强、持水能力弱、毛管孔隙较大、毛管上升高度较小，因孔隙较大，有利于水汽扩散运行，水分蒸发较快；黏土，粘粒含量在60%以上，颗粒间孔隙很小，孔隙相互沟通形成曲折的毛细管孔隙，其透水性差，但持水性强、土壤水分运行缓慢、毛管上升高度大；壤土，含砂粒和黏粒，介于上述两者之间，是我国大部分地区常见的土壤，其水分物理性质也介于上述两者之间，透水性、持水性均属中等。

2.土壤结构

土壤结构是指土壤颗粒的排列形式，它是影响土壤水分物理特性的重要指标。任何土壤颗粒之间都有孔隙。这些孔隙有大有小，连续或不连续，均取决于土壤颗粒的类型和排列形式。土壤颗粒紧密结合在一起，形成一种团聚体，称为团粒结构。土壤又由很多团聚体所组成。而土壤颗粒的排列形式会因土壤团聚体的数量及性质而有所不同。这样，土壤的结构就直接影响土壤的孔隙特性，从而影响到土壤的持水、透水等水分物理性质。例如团粒结构的土壤可以使土壤孔隙度提高到55%～65%，甚至更高。团聚体的大小和形状可分成很多类型，土壤颗粒和团聚体的类型与排列不同，构成了土壤孔隙不同的分布状况。团粒和团粒之间存在着许多非毛管孔隙，这些大的孔隙是良好的水流通道。毛管的大小和分布状况，是土壤水运动的重要条件。

3.土壤物理特性的基本指标

土壤的密度和容重是衡量土壤物理特性的基本指标，另外还有一些特征数值，分述如下。

（1）土壤密度ρ。指单位体积内（除掉孔隙）干燥土粒实体的质量，即

式中　ρ——土壤密度，kg/m3；

m——土壤质量，kg；

V0——除掉孔隙的土粒实有体积，m3。

（2）土壤干容重γ0。在自然条件下，单位体积（包括孔隙在内）的干土重量，简称容重，表示为

式中　γ0——土壤干容重，kg/m3；

V——土壤体积，m3；

Ws——自然条件下土壤体积V中的干土重量，kg。

（3）土壤孔隙比e。指土样中的孔隙体积与固体颗粒体积的比值。(www.xing528.com)

式中　e——孔隙比；

VV——土样中的孔隙体积，m3；

Vs——土样中固体颗粒体积，m3。

（4）孔隙度（率）np。指土样中的孔隙体积VV占土样体积V的百分比。

式中　np——孔隙度，%；

V——土样体积，m3。

np与e可以互相转换，即

一般情况下不直接测定土壤孔隙度，可以用土壤密度ρ和容重γ0来求np。由于土壤密度与容重之差值等于孔隙部分所相当的土壤重量，即

所以　

例如，测得土壤密度为2.65t/m3，容重为1.25t/m3，则

自然条件下，孔隙不是被水充填就是为空气所占据，土壤中水分形态、特性及运行都与土壤孔隙的特性有着密切关系，所以，土壤孔隙是土壤物理特征的综合反映。

土壤孔隙率的大小，还不足以反映孔隙对水分运行的作用。例如黏土的孔隙度比砂土大，但孔隙的直径小，所以黏土的持水能力强，透水性弱；砂土则相反。从水分运行的观点来看，孔隙可分为以下3种类型：

1）无效孔隙（孔径小于0.001mm）。这种小孔隙只要几个或几十个水分子就可以将它堵塞，孔隙中的水分子受到很大的吸力而保持在孔隙中，所以它既不通水汽，所持的水分子也不参与水分的运行，故称为无效孔隙。

2）毛管孔隙（孔径为（0.001～8mm）。它能产生显著的毛管力作用，有相当大的持水和输水能力。

3）非毛管孔隙（孔径大于8mm）。其孔隙不具有毛细管作用，不能保持水分，但却是水和空气的良好通道。

土壤孔隙率与土壤的类型、耕作情况、植被情况和离地面的深度有关，一般在30%～60%之间变化。位置越深，土壤越密实，孔隙率越小，但通常在地面80cm以下孔隙率的变化就不大了。