第二篇 土壤物理性质分析 - 图文

第二篇 土壤物理性质分析

第一章 土粒密度、土壤容重（土壤密度）和孔隙度的测定

1.1 测定意义

土壤基质是土壤的固体部分，它是保持和传导物质（水、溶质、空气）和能量（热量）的介质，它的作用主要取决于土壤固体颗粒的性质和土壤孔隙状况。土粒密度指单位体积土粒的质量；土壤容重系指单位容积原状土壤干土的质量；孔隙度是单位容积土壤中孔隙所占的百分率。土粒密度、土壤容重、孔隙度是反映土壤固体颗粒和孔隙状况最基本的参数，土粒密度反映了土壤固体颗粒的性质；土粒密度的大小与土壤中矿物质的组成和有机质的数量有关，利用土粒密度和土壤容重可以计算土壤孔隙度，在测定土壤粒径分布时也须要知道土粒密度值；土壤容重综合反映了土壤固体颗粒和土壤孔隙的状况，一般讲，土壤容重小，表明土壤比较疏松，孔隙多，反之，土粒密度大，表明土体比较紧实，结构性差，孔隙少；土壤孔隙状况与土壤团聚体直径、土壤质地及土壤中有机质含量有关，它们对土壤中的水、肥、气、热状况和农业生产有显著影响。

习惯上，常用基质中三相物质比表达土壤三相之间的关系，并用来定义土壤的一些物理参数，常用质量或容积为基础表示。下图为一幅示意图，图右侧表示固、液、气三相物质的质量，用m表示，图左侧表示各相位置的容积，用V表示。m，V的下标分别用s、w、a表示土壤的固相、液相和气相，Vp表示孔隙容积，mt和Vt分别表示土壤基质的总质量和总容积。

容积关系 质量关系

Va 空气 ma

Vw 水 mw

Vt mw

Vs 固体 ms

1.2土粒密度的测定（比重瓶法）

严格而言，土粒密度应称为土壤固相密度或土粒平均密度，用符号ρs表示。其含义是：

?s?ms Vs绝大多数矿质土壤的ρs在2.6g·cm-3～2.7 g·cm-3之间，常规工作中多取平均值2.65

g·cm-3。这一数值很接近砂质土壤中存在量丰富的石英的密度，各种铝硅酸盐粘粒矿物的密度也与此相近。土壤中氧化铁和各种重矿物含量多时则ρs增高，有机质含量高时则ρs降低。

文献中传统常用比重一词表示ρs，其准确含义是指土粒的密度与标准大气压下4℃时水的密度之比又叫相对密度（（ds=ρs·ρw-1）。一般情况下，水的密度取1.0 g·cm-3，故比重在数值上与土粒密度ρs相等，但量纲不同，现比重一词已废止。

1.2.1方法选择

测定土粒[密度通常采用比重瓶法。

1.2.2测定原理

将已知质量的土样放入水中（或其他液体），排尽空气，求出由土壤置换出的液体的体积。以烘干土质量（105℃）除以求得的土壤固相体积，即得土粒密度。 1.2.3仪器和设备

天平（感量0.001g）；比重瓶（容积50mL）；电热板；真空干燥器；真空泵；烘箱。 1.2.4操作步骤

1、称取通过2mm筛孔的风干土样约10g（精确至0.001g），倾入50mL的比重瓶内。另称10.0g土样测定吸湿水含量，由此可求出倾入比重瓶内的烘干土样重ms。

2、向装有土样的比重瓶中加入蒸馏水，至瓶内容积约一半处，然后徐徐摇动比重瓶，驱逐土壤中的空气，使土样充分湿润，与水均匀混合。

3、将比重瓶放于砂盘，在电热板上加热，保持沸腾1h。煮沸过程中经常要摇动比重瓶，驱逐土壤中的空气，使土样和水充分接触混合。注意，煮沸时温度不可过高，否则易造成土液溅出。

4、从砂盘上取下比重瓶，稍冷却，再把预先煮沸排除空气的蒸馏水加入比重瓶，至比重瓶水面略低于瓶颈为止。待比重瓶内悬液澄清且温度稳定后，加满已经煮沸排除空气并冷却的蒸馏水。然后塞好瓶塞，使多余的水自瓶塞毛细管中溢出，用滤纸擦干后称重（精确到0.001g），同时用温度计测定瓶内的水温t1（准确到0.1℃），求得mbws1。

5、将比重瓶中的土液倾出，洗净比重瓶，注满冷却的无气水，测量瓶内水温t2。加水至瓶口，塞上毛细管塞，擦干瓶外壁，称取t2时的瓶、水合重（mbw2）。若每个比重瓶事先都经过校正，在测定时可省去此步骤，直接由t1在比重瓶的校正曲线上求得t1时这个比重瓶的瓶、水合重mbw1，否则要根据mbw2计算mbw1。

6、含可溶性盐及活性胶体较多的土样，须用惰性液体（如煤油、石油）代替蒸馏水，用真空抽气法排除土样中的空气。抽气时间不得少于0.5h，并经常援动比重瓶，直至无气泡逸出为止。停止抽气后仍需在干燥器中静置15min以上。

7、真空抽气也可代替煮沸法排除土壤中的空气，并且可以避免在煮沸过程中由于土液溅出而引起的误差，同时较煮沸法快。

8、风干土样都含有不同数量的水分，需测定土样的风干含水量；用惰性液体测定比重的土样，须用烘干土而不是风干土进行测定，且所用液体须经真空除气。

9、如无比重瓶也可用 50mL，容量瓶代替，这时应加水至标线。 1.2.5结果计算

1、用蒸馏水测定时可按下式计算：

?s?ms ?w1m?m?msbw1bws1

式中：ρs—— 土粒密度，g·cm-3； ρw1—— t1℃时蒸馏水密度，g·cm-3；

ms—— 烘干土样质量，g；

mbw1—— t1℃时比重瓶+水质量，g；

mbws1—— t1℃时比重瓶+水质量+土样质量，g。

当t1≠t2 ，必须将t2时的瓶、水合重（mbw2）校正至t1℃时的瓶、水合重（mbw1） 由表1-1查得t1和t2时水的密度，忽略温度变化所引起的比重瓶的胀缩，t1和t2时水的密度差乘以比重瓶容积（V）即得由t2换算到t1时比重瓶中水重的校正数。比重瓶的容积由下式求得：

V?mbw2?mb?w2

式中：mb—— 比重瓶质量，g； ρw2——t2时水的密度，g·cm-3。

温度（℃） 密度g·cm 0.9999 0.0～1.5 1.0000 2.0～6.5 0.9999 7.0～8.0 0.9998 8.5～9.5 0.9997 10.0～10.5 0.9996 11.0～11.5 0.9995 12.0～12.5 13.0 0.9994 0.9993 13.5～14.0 14.5 0.9992 15.0 0.9991 0.9990 15.5～16.0 16.5 0.9989 17.0 0.9988 17.5 0.9987 18.0 0.9986 18.5 0.9985 19.0 0.9984 19.5 0.9983 20.0 0.9982 -31-1 不同温度下水的密度（g·cm） 温度（℃） 密度g·cm 20.5 0.9981 21.0 0.9980 21.5 0.9979 22.0 0.9978 22.5 0.9977 23.0 0.9976 23.5 0.9974 24.0 0.9973 24.5 0.9972 25.0 0.9971 25.5 0.9969 26.0 0.9968 26.5 0.9967 27.0 0.9965 27.5 0.9964 28.0 0.9963 28.5 0.9961 29.0 0.9960 29.5 0.9958 30.0 0.9957 -3-3

温度（℃） 密度g·cm 30.5 0.9955 31.0 0.9954 31.5 0.9952 32.0 0.9951 32.5 0.9949 33.0 0.9947 33.5 0.9946 34.0 0.9944 34.5 0.9942 35.0 0.9941 35.5 0.9939 36.0 0.9937 36.5 0.9935 37.0 0.9934 37.5 0.9932 38.0 0.9930 38.5 0.9928 39.0 0.9926 39.5 0.9924 40.0 0.9922 -32、用惰性液体测定时，按下式计算：

?s?ms?k

mm?ms?bkbk1式中： ρs—— 土粒密度，g·cm-3；

ρk—— t1℃时煤油或其他惰性液体的密度，g·cm-3； ms—— 烘干土样质量，g；

mbk—— t1℃时比重瓶+煤油质量，g；

mbk1—— t1℃时比重瓶+煤油质量+土样质量，g。 用煤油功其他惰性液体不知其密度时，可将此液体注满比重瓶称重，并测定液体温度，以液体质量除以比重瓶容积，便可求得此液体在该温度下的密度。

1.2.6测定允许误差

样品须进行两次平行测定，取其算术平均值，小数点后取两位。两次平行测定结果允许差为0.02。

1.2.7附录：比重瓶的校正

1、仪器

比重瓶（容量50mL）；天平（感量0.001g）；温度计（±0.01℃）；电热板；恒温槽。 2、操作步骤

（1）冼净比重瓶，置于烘箱中（105℃）烘干，取出放入干燥器中，冷却后称其质量（精确至0.001g）。

（2）向比重瓶内加入煮沸过并已冷却的蒸馏水（或煤油），使水面近至刻度。 （3）将盛水的比重瓶全部放入恒温水槽中，控制温度，使槽中水的温度自5℃逐步升高到35℃。在各不同温度下，调整各比重瓶液面到标准刻度（或达到瓶塞口），然后塞紧瓶塞，擦干比重瓶外部，称其质量（精确至0.001g）。

（4）用上述称得的各不同温度下相应的瓶+水（或煤油）质量的数值作纵坐标，以温度为横坐标，绘制出比重瓶校正曲线。每一比重瓶都必须做相应的校正曲线。

1.3 土壤容重的测定

严格的讲土壤容重应称干容重，又称土壤密度，用符号表示，土工上也称干幺重。其含意是干基物质的质量与总容积之比：

?s?mmss? VVVVats?w?总容积Vt包括基质和孔隙的容积，大于Vs，因而ρb必然小于ρs。若土壤孔隙Vp占土壤总容

量Vt的一半，则ρb为ρs的一半，约为1.30g·cm-3～1.35g·cm-3左右。压实的砂土ρb可高达1.60g·cm-3，不过即使最紧实的土壤ρb也显著低于ρs，因为土粒不可能将全部孔隙堵实，土壤基质仍保持多孔体的特征。松散的土壤，如有团粒结构的土壤或耕翻耙碎的表土，ρb可低至1.10g·cm-3～1.00g·cm-3。泥炭土和膨胀的粘土，ρb也低。所以ρb可以作为表示土壤松紧程度的一项尺度。

1.3.1 方法选择

测定的土壤容重通常用环刀法。此外，还有蜡封法，水银排出法，填砂法和射线法（双放射源）等。蜡封法和水银排出法主要测定一些呈不规则形状的坚硬和易碎土壤的容重。填砂法比较复杂费时，除非是石质土壤，一般大量测定都不采用此法。射线法需要特殊仪器和防护设施，不易广泛使用。

1.3.2 测定原理

用一定容积的环刀（一般为100）切割未搅动的自然状态土样，使土样充满其中，烘干后称量计算单位容积的烘干土重量。本法适用一般土壤，对坚硬和易碎的土壤不适用。 1.3.3 仪器

环刀（容积为100）；天秤（感量为和）；烘箱；环刀托；削土刀；钢丝锯；干燥器。

1.3.4 操作步骤

在田间选择挖掘土壤剖面的位置，按使用要求挖掘土壤剖面。一般如只测定耕层土壤容重，则不必挖土壤剖面。

用修土刀修平土壤剖面，并记录剖面的形态特征，按剖面层次，分层取样，耕层4个，下面层次每层重复3个。

将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁稍擦上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满土样为止。

用修土刀切开环周围的土样，取出已充满土的环刀，细心削平环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土。同时在同层取样处，用铝盒采样，测定土壤含水量。 把装有土样的环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。随即称重（精确到0.01g），并记录。

将装有土样的铝盒烘干称重（精确到0.01g），测定土壤含水量。或者直接从环刀筒中取出土样测定土壤含水量。

1.3.5 结果计算

b=

m

V(1??m)式中：ρb ------土壤容重， m----环刀内湿样质量， V----环刀容积（），一般为100

θ

，%。 m样品含水量（质量含水量）

1.3.6 测定误差

允许平行绝对误差＜0.03g，取算术平均值。（中国科学南京土壤研究所，1978） 土壤孔隙度的测定（计算法）

土壤孔隙度也称孔度，指单价单位容积土壤中孔隙容积所占的分数或百分数，可用下式计算：

Vt?VsVpf??

VtVt大体上，粗质地土壤孔隙度较低，但粗孔隙较多，细质地土壤正好相反。团聚较好的土壤和松散的土壤（容重较低）孔隙度较高，前者粗细孔的比例适合作物的生长。土粒分散和紧实的土壤，孔隙度较低且细孔隙较多。

土壤孔隙度一般都不直接测定，而是由土粒密度和容重计算求得。由上式，可得

Vp?bf??1?

Vt?s

判断土壤孔隙状况优劣，最重要的是看土壤孔径分布，即大小孔隙的搭配情况，土壤孔径分布在土壤水分保持和运动，以及土壤对植物的供水研究中有非常重要的意义。

参考文献

中国科学院南京土壤研究所，1978，土壤理化分析，512，上海科学出版社

中国科学院南京土土壤研究所土壤物理研究室，1978，土壤物理性质测定法，10，科学出版社。

华孟，王坚，1993，土壤物理学，38，北京农业大学出版社。 李酉开等，1983，土壤农业化学常规分析方法，17，科学出版社。

第二章 土壤粒径分布和分析

2.1 分析意义

土壤粒径分析过去也称机械分析，是土壤科学最古老的测定技术之一。土壤基质由不同比例的、粒径粗细不一，形状和组成各异的颗粒（通称土粒）组成，一般分为砾、砂、粉粒和粘粒4级。

砾是最粗的土粒，我国主要农区土壤并不多见，只是在土石区，近河滩的山坡土壤中才出现砾，以致影响土壤的基质特征。

粗砂的比表面积小，表面只能吸附少量水分子（包括水汽分子），在其表面形成极薄的水分子导。粗砂粒间的孔隙粗，大多超过毛管孔径，所以它所保持的水是在粗砂粒间的接触点，为弯月面力所保持。在与植物根接触时也能被吸收。这种情况在砂砾混合或以砾为主时更为明显。

细砂和粗粉粒的矿物组成与砂粒类似，两者的性质相近。它们已有明显 的表面吸附分子能力，颗粒间孔隙的孔径表现为最活跃的毛管作用，毛管水上升迅速，上升高度可达2～3。中、细粉粒的矿物组成仍与砂粒相同，但表面积增大，表现出不同程度的属粘粒范围的若干性质。表面吸附水分子的力和毛管力都较强。毛管水毛管水上升运动缓慢，上升高度可能相当高，但需时间很长，速度过慢，实践意义不大。

粘粒是土壤中最细部分，粘粒矿物是扁平的片状或盘状，具有极大的比表面积，粘粒表面有负电荷与其邻近的土壤水中的阳离子形成双电层。巨大的表面积和表面负荷使粘粒有极强的吸附水分子能力，形成与其粒径比较相对厚的水层或水膜。粘粒间的孔隙极细，粘粒吸附的水膜就有可能充满或堵塞这些极细的孔隙。粘粒孔隙在吸附水膜外侧可能还有少许空间借助毛管作用保持少量水分，在水膜不堵塞孔隙的前提下，孔隙越细毛管力越强。不言而喻，粘粒在一定含水量范围表现极强的粘结性、粘着性和可塑性，干缩湿胀的程度极高，经湿润后的干粘粒容易出现较厚的结皮，并且形成坚硬的坷垃和土块，要极大的力量才能调皮敲破打碎，因而需要很高的耕作技术才能得到较好耕作质量。所有粘粒含量较高的土壤，尽管有较多的作物养分却很难管理。但在田间情况下，除碱土外，粘粒大多会团聚成才粒或团粒，可以一定程度上缓角耕作难的情况。

粒径分析的目的，就是为了测定不同直径土壤颗粒的组成，并进而确定土壤的质地。土壤颗粒组成在土壤形成和土壤的农业利用中具有重要意义。农业实践表明，土壤质地直接影响土壤水、肥、气、热的保持和运动，并与作物的生长发育有密切的关系。

2.2土粒的粒级和土壤的质地 2.2.1土粒的粒级

土壤基质中土粒的粗细不同，不但比表面积有巨大差异，而且土粒间孔隙的孔径也有显区别。土粒由粗到细是连续变化的，并没有截然分明的界限，为了研究和应用方便，人们按自己的目的将土粒分为若干级别，每一粒径范围称为一个粒级，本世纪以来粒级的划分才逐渐有明确的尺度。粒级的划分人为的，随研究者的目的而不同，因而就有不同的划分标准，如在水利、建筑和地质学科就有与土壤学科不完全相同的划分标准。另外，有两点必须注意：一是各粒级的界限并不是绝对的，即不是超出这个界限边缘的土粒就有完全不同的性质和组成，而是在这个界限范围内的绝大部分土粒具有某些特定的性质和组成；二是土粒的形状级不规则，已知粘粒是扁平状的，粗一些的土粒则形状各异。在实际工作中，粗土粒（粒径>0.25mm）用不同孔径的筛加以

分离；细土粒（粒径<0.25mm）用其在静态介质（水）中的沉降速度加以区分。土粒在不中的沉降速度因其大小、形状而异，而土粒的形状又很不一样，因此其计算都是采用与土粒沉降速度相同的球体的直径为其粒径。即当量粒径。同理，区分粗土粒的筛孔的孔径也是区分它们的界限，但在文献中不常这样明确说明。

表2-1 国际制、美国制、前苏联制和中国制（暂行）的土壤粒级划分方案 国际制 粒级名称 粒级 石砾 >2 粗砂 2～0.2 细砂 0.2～0.02 粉(砂)粒0.02～0.002 粘粒 <0.002 美国制 前苏联制 中国制（暂行） 粒级名称 粒级 粒级名称 粒级 粒级名称 粒级 石块 >3 粗砾 3～2 极粗砂粒 2～1 粗砂粒 1～0.5 中砂粒 0.5～0.25 细砂粒 0.25～0.1 极细砂粒 0.1～0.05 粉(砂)粒0.05～0.002 粘粒 <0.002 石块 >3 石砾 3～1 粗砂粒 1～0.5 中砂粒 0.5～0.25 细砂粒 0.25～0.05 粗粉粒0.05～0.01 中粉粒0.01～0.005 细粉粒0.005～0.001 粗粘粒0.001～0.0005 (粘质的) 细粘粒0.0005～0.0001 (胶质的) 胶体<0.0001 石砾 3～1 粗砂粒 1～0.25 细砂粒 0.25～0.05 粗粉粒 0.05～0.01 细粉粒 0.01～0.05 粗粘粒 0.005～0.001 粘粒 <0.001 世界各国大都按土粒粗细分为砾、砂粒、粉粒和粘粒4个粒级，但具体界限和每个粒级的进一步划分有一定差异。我国自30年代引进近代实验科学的土壤学以来，因种种原因未能进行土粒分级的基础研究，而是借用美国、前苏联和国际土壤学会通过的分级方案，1975年，中国科学院南京土壤研究所制定了一个暂行的粒级分级方案。他们的划分尺度如上表。

2.2.2土壤质地

在西方国家，砂粒、粉粒和粘粒的质量比是确定土壤质地的基础。美国农业部的土壤质地分组和西欧大多数国家质地分组都是按照它们各自粒径分级的标准划分的，西欧所采用的国际制土粒分级已将粘粒的上限放宽为50μm，与美国相同。这两种质地分组的具体数值，美欧工作者们很早就提出了他们各自的质地三角图（图2-1、 图2-2）。

图2-1 美国农业部土壤质地三角图 图2-2 国际制土壤质地三角图

我国自50年代初近40多年来广泛流行前苏联卡庆斯基的简化质地分组法。这个分组法的特点有：①卡庆斯基认为，粒径小于10μm的土粒已明显表现胶体的许多性质，故将土粒分为两级：粒径小于10μm的为物理性粘粒，粒径大于10μm的为物理性砂粒（表2-1）；②按物理性粘粒或物理性砂粒的数量进行质地分组，而不是象西方国家按砂、粉、粘粒三个粒级的质量比分组；③质地分组中考虑到土壤类型不同，对草原土壤及红黄壤、灰化土类和碱化及强碱化土壤有不同质地分组尺度。

卡氏还有较细致的分组法，但在我国未经常引用。

目前我国自己的土壤质地分组标准尚未正式出台，1975年中国科学家南京土壤研究所等单位在总结我国群众经验的基础上，拟定出我国土壤质地分组暂行方案，如表2-1，这里不再详细介绍。

本书拟介绍国际制土粒分级标准及其测定方法。若需增加粒级分析的档次，可按司笃克斯公式计算另外增加粒级吸取时间进行分析测定。

2.3土粒粒径分析

土壤基含有不同数量的各级土粒，完善的表达方式是用粒径分布曲线，曲线横坐标为粒径，一般用对数坐标。纵坐标为单位质量土小于某一粒级土粒含量的累积百分数，现以粘土、粉砂壤土和砂壤土为例。

2.3.1方法选择的依据

粒径分析 目前最为常用的方法为吸管法。吸管法操作繁琐，但较精确；比重计法操作较简单，适于大批量测定，但精度略差，计算也较麻烦。

近来也有用离心或其它方法进行土粒粒径分析的，并有不少这类仪器附有计算机等先进设备，但使用范围并不广泛。 2.3.2分析原理

无论是吸管法还是比重计法，土粒的粒径分析大致分为分散、筛分和沉降3个步骤。

2.3.2.1土粒分散

田间或自然土壤，除风砂土和碱土外，绝大部分或全部都是相互团聚成粒径不同的团粒，微团粒是粘直接凝聚而成，粗团粒则主要由腐殖质和某些情况下土壤的石灰物质、游离铁的作用胶结而成。在中性土壤中主要是交换性Ca2+起作用，在酸性土壤中还有交换性Al3+的作用，土壤溶液中盐类溶质浓度高也促进粘粒团聚。因此传统的分散

+

处理包括用H2O2—HCl处理和添加含Na的化合物作为分散剂。H2O2的作用不为了破坏有机质，稀HCl的作用是为了溶解游离的CaCO3和其他胶结剂，并用H+代换有凝聚作用的Ca2+、Al3+等和淋洗土壤溶液中的溶质。交换性H+也有凝聚作用，必须用分散粘粒的Na+代换之，所用Na+的数量不能超过土壤的交换量。

凡此种种，不仅手续繁杂费时，且在稀HCl淋洗中，也可能淋出一部分粘粒的组分，如无定形的二三氧化物和水合氧化硅等。因此需要收集稀HCl淋洗液进行化学分析测定。更重要的是腐殖质和碳酸盐也是土壤固相的一部分，若去除它们则与田间情况不一致。因此近来常对供分析的土样直接投入可固定Ca2+、Al3+离子的Na盐，通常是酸性土壤加氢氧化钠，中性土壤加草酸钠，碱性土壤加六偏磷酸钠，。然后用各种机械的方法进行搅拌，使其分散完全。常用的方法是煮沸法。也有用震荡法或高于大气压的气流激荡的方法。由于土样的分散处理尚无统一规定，因此分析报告中必须说明。

2.3.2.2粗土粒的筛分

粒径大于0.6mm的粗土粒，用孔径粗细不同的筛相继筛分经分散处理的土样悬液，可得到不同粒径的土粒数量。根据标准筛的情况，筛孔>0.6mm允许5%的筛孔偏离规定

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