土壤物理

第一節土壤質地

國立台灣師範大學地理學系 

吳進喜教授

 

 

 

一、土壤質地與分級

1.土壤質地

土壤固相部份係由礦物質與有機質所組成,土壤質地(soil texture)專指礦物的基本粒子組成的比例(不涉及粒團,故實驗時必須將土粒分散),土壤礦物的基本粒子可劃分為:砂粒sand particle)、坋粒silt particle)及粘粒clay particle)等組粒徑。

2.土粒的分級

土壤礦物的基本粒子之分級及其名稱如表4-1所示。美國農業部及臺灣對土壤礦物粒度分級如圖4-1所示。

4-1、各種學科對自然結構物粒徑之分級及其名稱

名稱

粒徑(mm)

備註

名稱

粒徑(mm)

備註

礫石(gravel)

2

土壤粒徑分級(按:USDA分類系統分級)

粉砂粒(silt)

0.0625

地質學使用

砂粒(sand)

2-0.05

黏土(clay)

不強調粒徑

指黏土礦物之集合體

坋粒(silt)

0.05-0.002

(mud)

0.05

水文地質(地下水)使用

黏粒(clay)

0.002以下

(earth, soil)

0.05

膠體(colloid)

0.0002

化學及土壤學使用

泥土

0.05

(dust)

0.0625

地質學使用(風成物質)

黏土(clay)

0.05

USDA:為美國農業部的英文縮寫。

3.土壤質地三角圖

1    

土壤質地三角圖可用以表示各級土壤質地分布的範圍,目前臺灣的土壤質地分級係以USDA的分法為準,將土壤質地分為12級。土壤質地名稱翻譯成中文則有:3字、4字與5字的稱呼,其中3字與4字者較前者為形容詞,最後者為名詞。

(1)二字稱呼:有砂土(sand)、坋土  

(slit)、壤土(loam)、黏土(clay)等四

種。

(2)四字稱呼:有坋質黏土(silty clay)、砂質黏土(sandy clay)、黏質壤土(clay loam)、坋質壤土(silty loam)、砂質壤土(sandy loam)、壤             4-1、土壤質地三角圖

質砂土(loamy sand)等六種。

(3)五字稱呼:坋質黏壤土(slity clay loam)、砂質黏壤土(sandy clay loam)兩種。

4.土壤質地分析方法

(1)機械分析:土壤質地所採用的機械分析方法有,土篩法、鮑氏比重計分析法、離心機分析法、雷射粒度分析儀。


Stokes定律

V2/9〔(dpdgr2η

其中:V為沉降速度(cm/sec);g為重力加速度(cm/sec2);dp為粒子密度(g/cm3

d為液體密度(g/cm3);r為粒子半徑(cm);η為液體之絕對黏度(如此液體通常為水,是指水20℃時的黏度,單位:Dyne–sec/cm2

  • 土篩法:土篩法可分為「乾篩法」及「溼篩法」兩種,網目2mm之土篩可用以分離石頭與土壤(粒徑≧2mm者稱為石頭,以下則是土壤);濕篩法是一面注水於土篩中,一面使用搖篩機振動。即便是使用濕篩法,也僅能分離粒徑0.05mm(砂粒)以上的質地,這是土篩法的最大缺點。
    • 鮑氏比重計法及離心機分析法:鮑氏比重計法顧名思義係力利用鮑氏比重計量測粒徑,是傳統上使用之土壤質地法。其原理是利用不同粒徑土粒有不同的沉降速度(稱為Stokes定律),分時採取相同深度土壤溶液中的土粒。此法最大的缺點在於費時,從採樣到完成分析,至少須耗時4-5日;其次,由於黏粒(0.002mm以下)多為黏土礦物,黏土礦物的晶體構造為扁平狀,與顆粒為圓球狀的實驗假設,有些出入。使用離心機分析法的目的係利用離心加速土粒沉澱速度,其他操作程序同於鮑氏比重計法。
    • 雷射粒度分析儀法:顧名思義,係利用雷射粒度分析儀量測坋粒(粒徑≦0.05mm)以下的粒徑,0.05mm以上的粒徑仍使用土篩法分離。雷射粒度分析儀法的缺點是儀器昂貴且嬌嫩,操作較為複雜,但對於微粒的量測準確度,較鮑氏比重計及離心機法為高。

(2)手觸感覺分析法:

  • 砂土:砂粒以手觸之有明顯之砂感,肉眼可見,構造等級(後詳)幾為零。
    • 坋土:坋粒的大小肉眼看不見,以指摩擦,在指間滑過,有強烈的粉末狀感覺,但加水後無黏性卻為具塑性,濕時可搓成條狀,但易斷裂。
      • 黏土:黏粒具有黏性,濕時在兩指間稠黏而有拉力,雙指分開時,指面留有黏粒斷裂與收縮造成的小突點,濕時可搓成細長土條,不易斷裂。
      • 壤土:可以感覺砂土、坋土、黏土三者的特徵,但較上述三者不明顯。
      • 壤質砂土:感覺上兼具砂土及壤土的局部感覺,但砂感遠比壤土明顯。
      • 砂質壤土:感覺上兼具砂土及壤土的局部感覺,但壤土感遠比砂感明顯。。
      • 坋質壤土:感覺上兼具砂土及壤土的大部性狀,而模稜兩可於此二者之間。
      • 黏質壤土:感覺上兼具壤土及黏土的大部特色,而模稜兩可於此二者之間。
      • 砂質黏土:感覺上有砂質壤土的觸感,但黏性強烈甚多,但仍不至於到黏土的程度。
      • 坋質黏土:感覺上有坋質壤土的味道,但黏性強烈甚多,但仍不至於到黏土的程度。
      • 砂質黏壤土:感覺介於砂質壤土和砂質黏土之間。
      • 坋質黏壤土:感覺介於坋質壤土和砂質黏土之間。

5.土壤質地分類方式,不能完全適用於「有機質土」(organic soils),有機質土的劃分皆依其分解程度,且土粒之大小與組成份子有關,這是學習者應特別注意的概念。

有機質土:粘粒≧60%,有機質≧31%或;幾不含粘粒,有機質≧20.6%或;粘粒<60%,有機質>20.6%&<31%;有機質層厚度>=40%(USDA分類)

 

4-2、聯合國、歐盟、美國農業部及臺灣對土壤礦物粒度的分級

二、土壤質地分析的重要性

1.一般的情形下,底土之質地較表土之質地為細,此與淋溶作用有密切關聯。此種上粗下細的土壤質地助長了土層側向的水流(側滲流)。

2.土壤質地對植物生長的影響

(1)假設其他環境條件類似,以中等質地如壤質土(Loamy soil)對植物生長最有利。

(2)在乾燥或半乾燥地區,若為上粗下細的土壤質地,植物根部已深入細質地土層中,當有利於植物生長(防止風蝕與保水)。

(3)在乾燥或半乾燥地區,細質地土壤常較有利於草類植物生長;帶若干砂性土,則較有利於森林植物生長。

(4)一般而言,底土中的黏粒含量增加至某一程度,可增進水分與養分的儲存,但質地太黏會導致排水不良。

3.倘黏粒在底土中大量聚集而形成黏土磐(claypan),或鐵、錳、鋁、鈣、有機質在底土中大量聚集而造成各種磐層(pan layers),皆可妨礙通氣與水流,除了增加地中逕流外,嚴重者可造成還原物質之聚積而有毒害於植物。

 

第二節、土壤構造

 

一、土壤構造之定義

土壤構造(soil structure)是指上述土壤粒子所結合形成的自然土團或土塊(peds)(稱為「粒團」(aggregates),這些粒團所構成的形狀稱之;土壤構造也因化育程度的差異而加以分級。土壤構造之化育與下列土壤特性有關:

1.陽離子種類之影響

石灰與有機質能增進土壤物理性變佳早為眾所週知,鹼土之惡劣構造,如以Ca+2替換其吸附性Na+,則可變為較優良的構造。黏粒懸浮液常因鈣鹽之加入而獲絮聚,變為較優良的構造。Ca+2H+對膠體的絮聚作用,從過去諸多的實驗上來看,兩者差異不大。實驗結果也證實:乾時Ca+2型腐植質比H+型腐植質更具可逆性;由此可以想像H+型腐植質在水中應更具穩定性(與水分子的雙極性有關)。

             分散                       絮聚

黏粒

 

黏粒

 

                   Na                            (洗失)

                     CaSO4                   CaNa2SO4

                   Na

2.黏粒之交互作用之影響

(1)黏粒間的內聚力:黏粒間的內聚力促進較

強韌的土壤構造,依凡德瓦力即可解釋。

(2)濕與乾之變換:土壤膠體之乾燥引起土壤物質收縮(粒團體積變小)及土粒膠結;濕時土塊內因空氣壓縮而產生壓力,土壤水分促使內聚力降低,乾濕引起不等量之膨脹所產生的應力及拉力。

(3)冰凍與解凍作用:冰凍與解凍變換產生之粒團與乾濕變換產生者相同,這些粒團之穩定性不強,除非有充足之有機質存在使其穩定。                                4-3、土壤構造性與水熱條件的關係

3.鐵鋁氧化物之膠結作用之影響

水化氧化物是一種水和膠體,其特性為當脫水後,其化學反應幾乎是完全不可逆的。此種不可逆性對某土壤產生穩定性粒團是重要素,紅土含有大量之氧化鐵,且具有高度的粒團化。鐵鋁氧化物與腐植質間的反應對穩定性粒團之形成是很重要的。

4.生物作用之影響

有機質在土壤粒團作用中擔任一個重要的角色,其對土壤粒團作用之有利影響起源於微生物、動物及植物等多方面的活動。微生物活動會合成一些複雜的有機化合物(如多醣類),促進黏粒有機複合物的形成,有利於土壤膠結。

草類根部生長活動具有促進穩定粒團之作用,

根部分泌物及根部本身之殘體也提供土壤有機質的主要來源。

蚯蚓吞食土壤,混合土壤及部分的分解有機質,其排泄物成為地面上之圓土土團或亞表土中之堆積物,且形成及促進土壤通透性之孔道系統(粗孔隙),這些活動的綜合影響為促進良好之土壤構造。

二、土壤構造之類型與粗細等級

土壤構造之類型與粗細等級描述。土壤構造體的形狀係根據水平垂直二軸的相對短長,可概略分為:碟狀(水平軸遠大於垂直軸)、柱狀(垂直軸遠大於水平軸)、塊狀(外觀呈塊狀,相鄰之構造體幾乎多可平貼者)及似球狀(垂直軸約等於水平軸)等四大類。當土壤構造強度弱到幾乎已經無法辨識的情況下,則稱為單粒狀構造。次級土壤構造名稱及型態可參見表4-2、表4-3及圖4-3

4-2、土壤構造體之類型與粗細等級

粗細等級

類型

碟形

柱狀

塊形

似球形*

碟狀

稜柱狀

圓柱狀

稜塊狀

亞稜塊狀

團粒狀

屑粒狀

極小或極薄

極薄碟狀(<1mm)

極小稜柱狀(<10mm)

極小柱狀(<10mm)

極小稜塊狀(<5mm)

極小亞稜塊狀(<5mm)

極小團粒狀(<1mm)

極小屑粒狀(<1mm)

小或薄

薄碟狀

(1-2mm)

小稜柱狀

(10-20mm)

小柱狀

(10-20mm)

小稜塊狀(5-10mm)

小亞稜塊狀(5-10mm)

小團粒狀

(1-2mm)

小屑粒狀(1-2mm)

中等

中碟狀

(2-5mm)

中稜柱狀

(20-50mm)

中柱狀

(20-50mm)

中稜塊狀

(10-20mm)

中亞稜塊狀

(10-20mm)

中團粒狀

(2-5mm)

中屑粒狀

(2-5mm)

大或厚

厚碟狀

(5-10mm)

厚稜柱狀(

50-100mm)

厚柱狀(50

-100mm)

厚稜塊狀

(20-50mm)

厚亞稜塊狀

(20-50mm)

厚團粒狀

(5-10mm)

 

極大或極厚

極厚碟狀

(>10mm)

極厚稜柱狀(>100mm)

極厚柱狀

(>100mm)

極厚稜塊狀(>50mm)

極厚亞稜塊狀(>50mm)

極厚團粒狀(>10mm)

 

改自郭魁士,1986427

*似球形狀的次級分類也有再區分出丸粒狀構造(shot structure)者,「丸粒狀構造和團粒狀構造相似,唯形狀特別圓,球面亦較光滑亮麗。」(王明果、謝兆申,1991


4-3、代表性土壤構造體之定義與其經常出現之土層

構造名稱

定義或一般描述

常存在之土壤層

單粒狀構造(single particle structure)

屑粒狀構造

(crumb structure)

團粒狀構造(granular structure)

碟狀構造

(platelike structure)

塊狀構造

(blocklike structure)

  • 亞稜塊狀構造(sub-

angular blocky structure)

  • 稜塊狀構造(angular   blocky structure)
  • 柱狀構造(prismlike

structure)

  • 稜柱狀構造(prismatic structure)
  • 圓柱狀構造(columnar structure)

為幾近無化育,缺乏土壤粒團之構造。

 

近球形,粒團體積小,內部多孔隙,與相鄰之粒團不互相連接。

近球形,粒團體積較上述稍大或同大,內部孔隙較少,與相鄰之粒團不互相連接。

近薄板狀,或稱板狀、片狀構造,常有多層重疊,滲透性弱。

接觸面不規則形狀之土塊集合體,為弱到中度化育之土壤。

  • 又稱小核狀(nuciform)為較小之稜塊形,與其他粒團接觸面具平滑而彎曲之面,常構成土塊集合體。
  • 又稱核狀(nutty)稜塊形土塊,與其他粒團接觸面具銳角,各軸長不相等。

縱軸長於橫軸之長條型構造,為強度化育之土壤。

  • 柱形但頂部非呈圓形,常與稜柱狀粒團形成土塊集合體,破壞時常呈稜塊狀。
  • 柱形頂部呈圓形,側面與鄰接之柱狀粒團接觸形成土塊集合體。

海岸地帶沙丘土壤及黏性較強水田亞表土之土層。

森林、花圃、菜圃及砂土之表土。

同上及老沖積土水田土壤之表土。

灰壤、灰化土之表土層;層狀母岩之土層。

 

 

  • 沖積平原水田土壤之底土。

 

  • 黃壤之表、底土、Bt層;老沖積土之土層。

 

 

  • 紅壤之表、底土、Bt層。

 

  • 鹼土之底土、Bt層。

改自張仲民,1992258

三、土壤構造之強弱及強弱之描述

土壤構造體除了形狀的描述之外,也應包括:大小及強弱等兩個向度,如此才是完整的土壤構造之描述。歸納描述如表5-1。其次,土壤的外在表徵常與土壤含水狀態有關,比對土壤構造時最好是在相同的物理條件下,會得到較適切的結果。土壤構造強度愈明顯,表示土壤化育程度愈高,田間辨識土壤發育程度共分為4級。

1.0

「無構造」(structure less)。粒團作用不明顯或無規則之自然土塊界線,可以形容為「一盤散沙」。臺灣西部海岸沙丘所化育的土壤,土壤化育的時間只有數年~數十年,加上高鈉含量的絮散作用影響,土壤呈現「單粒狀」構造。

2.1

「弱構造」(weak structure)。自然土塊構造不明顯,在原位置難以辨別,取出置於手掌中,稍動即破壞或不能維持原構造狀態,新竹南寮地區水田利用之新沖積土                4-4、土壤構造之圖示

的表土層,即是屬於此等級的構造強度。

3.2

「中度構造」(moderate structure)。自然土塊相當穩定,而且具耐久性。在未翻動土壤中,雖不十分顯著,惟自土壤中取出置於手掌,尚可辨認。臺灣平原地區水田土壤之底土層,大致屬於此等級的構造強度。

4.3

「強度構造」(strong structure)。為耐久不易破壞之自然土塊,即在未經翻動之土壤中亦十分明顯,個體間附著力弱,自土壤中取出置於手掌,稍有硬的感覺。臺灣中北部之洪積紅壤之表土及底土,均屬於此等級的構造強度。

三、促進土壤構造發達之原因

1.Ca+2促進土壤的絮聚作用,而Na+促進土壤的絮散作用。故,Ca+2的含量愈多,Na+的含量愈少,促進土壤粒團作用,促進土壤構造之成形,反之則反。

2.粘粒含量比例愈高,愈易形成穩定之粒團構造,促進土壤構造之成形,反之則反。

3.土壤乾時比土壤濕時有更佳的粒團構造;而潮濕之氣候區比乾燥氣候區易產生較高程度之粒團構造。

4.有機質愈多的土壤,土壤粒團作用愈發達,促進土壤構造之成形,反之則反。

5.土壤膠體含量愈高,土壤粒團作用愈明顯,促進土壤構造之化育,反之則反。

6.冷濕氣候環境中,凍結與融冰之交互作用有促進粒團作用之功能,促進土壤構造之化育。

7.乾濕季節明顯的環境,土壤中的水合鐵、鋁氧化物有脫水作用,而促使土粒相互連接,形成高度粒團化作用,促進土壤構造之成形,反之則反。

8.植物之根越多越有效導致土壤粒團之形成;草類植物為最有效促進粒團形成的植物種類。

9.微生物活動愈旺盛愈有助於粒團作用,促進土壤構造之成形,反之則反。

10.耕作時機械操作易破壞土壤構造;農藥減少土壤動物的活動力,進而減緩粒團作用;土壤添加土壤改良劑(石灰等)助於團結土粒及穩定土壤構造。

四、土壤構造分析的的重要性

1.可藉以觀察土壤化育特性與化育狀況。

(1)表土呈團粒狀、稜塊狀與稜柱狀構造為較佳的土壤構造,表示土壤化育程度較高。

(2)化育程度高的土壤剖面其土壤構造化育程度亦高。

(3)不同的土壤化育層會顯現不同的土壤構造。

2.可以藉以判斷土壤通氣、排水與逕流的狀況

(1)發育良好之構造,使土壤有良好的透水性而不致黏閉與積水。

(2)發育良好之構造,使土壤有適宜的孔隙與孔隙率。

3.可以作為土壤團粒穩定度的指標,判斷其受沖蝕威脅的程度:

(1)發育良好之構造,使土壤有良好的入滲能力,易於吸收雨水,而得以減少逕流與沖蝕。

(2)發育良好之構造,可減輕風蝕之災害。

4.可做為判別(廣義)土壤肥沃度的指標之一

(1)發育良好之構造,可減少水分蒸發,使土壤有適當的保水力,以供作物長期吸收水分。

(2)發育良好之構造,使作物獲得適於吸收水分與養分之環境。

(3)發育良好之構造,使土壤通氣良好,便於植物根部之呼吸及有益微生物之活動與繁殖。

(4)發育良好之構造,具有保溫效果。

(5)發育良好之構造,使植物根容易伸展與穿透。

(6)發育良好之構造,有減低土壤侵蝕的功用,進而減少土壤養分的流失。

 

第三節、土壤結持度

 

土壤結持度(soil consistence)又稱為土壤結構,係說明土壤在各種含水量時,所表現的內聚性及黏著性等物理力量,這些表現包括:(1)對重力、壓力、刺力及拉力等的反應;(2)土體對於其他物體之黏著趨勢;(3)觀察者把土體放置在手上的感覺。簡而言之,就是造成自然土塊或粒團之力或抵抗外力破壞或變形之各種性質。

一、土壤水份田間操作試驗之區別與結持度

1.乾土(dry soils)

係指土壤水份處於風乾狀態,手觸之幾無水的感覺,土色較淺淡,土壤可能呈現粉狀或硬塊。在土壤結持度上常表現硬度、縮收性與破裂特性。乾土可再細分為:風乾土(air-dry soil)及烘乾土(oven-dry soil)。風乾土的量化定義是:必須加15bar以上的壓力,才可使水分脫離土塊的含水狀態。

2.潤土(moist soils)

係指土壤水份含量在風乾與田間容水量之間的狀態。此時土壤孔隙內含水份稍多,毛管孔隙多已有水,但粗孔隙含水甚少,手觸之已有水的感覺,土色較暗。在土壤結持度上常表現易碎性。濕土的量化定義是:只要加15bar0.01barpF4.5pF1)的壓力,便可使水分脫離土塊的含水狀態。

3.濕土(wet soils)

係指土壤水份含量處於或高於田間容水量。此時土壤細孔隙內含水更多,粗孔隙中亦有水之存在,手觸之有濕的感覺,且土壤出現閃光。在土壤結持度上常表現粘性與塑性。濕土的量化定義是:只要加£0.01bar£1pF)的壓力,便可使水分脫離土塊的土壤含水狀態。(refer to: compiled and edited by Hodgson J. M., 1985: 28-29

二、各種土壤結持度的定義

各種土壤結持力的操作型量化等級,請參閱《土壤地理野外調查手冊》,本處略

1.強度(soil strength

強度是指土塊對抗外來壓碎力的能耐。其測量方法係以身體所能展現的各種力道加以破壞,來區隔其強弱等級。

2.破壞特性(characteristics of failure

破壞特性指土塊因對抗外來壓力所產生的變形特性,只針對極潤(very moist)或濕(wet)土進行測試,測試方法是以手擠壓土壤觀察。

3.膠結性(cementation

層中之局部或全部土壤物質為腐植質或石灰或矽、鐵、鋁等氧化物等天然膠結劑所膠結,之致呈現各種不等程度的堅硬固結等狀態者稱之。膠結性測試方法的第一步是以浸水觀察粒團的鬆弛狀況;其次再以手擠壓土壤觀察;若過於堅硬則以全身力量或鐵鎚等工具敲擊。

4.土壤結持力

土壤結持力係針對一土塊中土粒相互間的吸引力大小進行測試,其反應隨田間實際之土壤水分狀態而有所不同,故表示方法須先記錄土壤水分狀態。

(1)乾土時,須測試其「堅硬度」,其測試方法仍是以手擠壓土壤觀察。

(2)潤土時,須測試其「密實度」,其測試方法也是以手擠壓土壤觀察。

(3)濕土時,包括「最大黏性」(maximum stickiness)及「最大塑性」(maximum plasticity)兩種。

  • 黏性:黏性之測試目的在於研判土壤物質對其他物體的黏附特性,田間調查時可藉姆、食指擠按土壤當時的張合感覺加以定性判斷。
  • 塑性:承受外力受變形與外力解除後恢復原來形狀的程度,稱之。田間調查時可藉姆、食二指搓揉,當土樣搓成長度4cm的土條而不斷裂變形之時,配合此時土條的厚度加以定性分級。

5.融性(smeariness)和流性(fluidity

(1)融性:土壤融性的測試目的主要在研判該土壤是否具有「搖溶性」(thixotropy)。所謂搖溶性意指在如擾動(agitation)、剪力(shearing),甚至超音波等外力侵擾下,其構造會一副「潰不成軍」似的土崩瓦解;而一旦干擾的外力解除,稍稍靜置,旋即又自動回復原貌。

(2)流性:土壤流性的測試目的主要在預估該土壤若處於水飽和之濕態情況下的承載力(bearing capacity)和排水後,可能發生下陷的嚴重後遺程度。在實驗室裡,通常以N值的計算作為研判之依據。但在田間則以手掌盈握4cm´8cm大小蛋形土塊,根據手指五爪施壓後,土泥從指縫間隙外流量的多少,區分成兩級。

N=(A0.2R)/(L3H………………………………(1)

其中,A:田間狀態下土壤水分含量的%

R:土壤樣品中,坋粒、砂粒含量%之和;

L:土壤樣品中,黏粒含量的%

H:土壤樣品中,有機質含量的%(有機碳´1.72)。

6.韌性(toughness

韌性與塑性相關,其操作型定義為:欲將一處或接近塑性限度之土塊用手指搓揉至直徑為3mm之細土條所需的力量(單位:牛頓(N))。

7.穿刺阻力(penetration resistance

土壤的穿刺阻力係指土壤拮抗硬物體刺穿其中的能耐,測試土壤穿刺阻力所用的工具形狀級尺寸規格等都須先做聲明。一般在田間可用「山中式土壤硬度計」(分為尖頭與平頭兩種)測試。

8.開挖困難度(excavation difficulty

開挖困難度,顧名思義是指動手以徒手或借助圓鍬、鶴嘴鋤、怪手等工具挖掘的相對困難度。開挖困難度的描述可以指某一單一土層,也可以指整體土壤剖面而言。

9.漲縮勢能(shrink-swell potential

受黏粒種類及交換性陽離子的種類影響,自然土塊會表現乾縮及濕脹的現象,如同這些因子影響土壤塑性一般。漲縮勢能可用線性延展度(LElinear extensibility)求得。

土塊之線性延展度(LE)

LE%=〔(潤土塊長度-烘乾土塊長度)/(烘乾土塊長度)〕´100%……………..(2)

COLE(Coefficient of linear extensibility)=LE100…………….(3)

 

第四節、土壤孔隙與土壤密度

 

一、土壤孔隙率

1.土壤中固體粒子或粒團間的空隙稱為孔隙(pores),孔隙中常為水與空氣共存狀態。

2.土壤孔隙率(soil porosity)

一定體積的土壤中孔隙所佔全部體積的%,稱為土壤孔隙率(或稱孔隙度)。

土壤總孔隙率=(孔隙體積)(土壤總體積)´100%……………………(4)

3.土壤孔隙粗細的分級

(1)粗孔隙(macropores):又稱非微細管孔隙(non-capillary pores),指孔隙直徑在0.06mm60mm)以上的土壤孔隙,其性質為通氣容易與透水迅速。在土壤水分的管理上,扮演「排水」及「通氣」的角色。

(2)細孔隙(micropores):又稱微管孔隙(capillary pores),指孔隙直徑在0.06mm以下的土壤孔隙,毛細管作用明顯,其水份的移動不受地心引力影響,係依靠微管作用移動。在土壤水分的管理上,扮演「保水」及「保肥」的角色。

二、土壤密度

1.土壤密度(Soil density)或土壤比重(Soil specific gravity

土壤比重係指烘乾土壤固體部份所佔之比重,又稱「土粒密度」(Particle density)或「真比重」。

2.總體密度

「總體密度」(Bulk density)又稱「容重」(Volume weight),也稱「假比重」。指包含土壤氣、固及液態三相的總體積為體積之土壤比重。

總體密度=〔(烘乾土重)/(未經擾動之天然狀態土壤體積)〕………………….(5)

潤土總體密度(moist bulk density)=〔(潤土重)/(未經擾動之天然狀態土壤體積)〕……(6)

4-4、土塊密度的田間辨識法

土塊密度

田間特徵

低(1   1.40g/cm3

1.單粒潤土時,呈鬆散狀(loose)

2.(fine)到中(medium)的土塊,可輕易分離。

3.潤土時土塊或土壤強度(soil strong)為弱的(weak)

中(2  14.0-1.75g/cm3

1.既非強(strong)也非鬆散(loose)的結持度(consistence)

2.土塊不能輕易分離,也許能保持良好形狀(well formed)

3.弱度(weakly)發育的細(fine)到中(medium)土塊,或強度(strongly)發育的粗(coarse)土塊,帶有許多粗孔隙及中等堅硬(moderately firm)的土塊強度(strength)

高(3   1.75g/cm3

1.密實的單粒土塊。

2.粗土塊(團粒狀(angular)或柱狀(prismatic)),且土壤構造(structure)為普通的弱度發育。

3.土壤構造為強度發育,有堅固(firm)或強(strong)的土塊強度,且有極少量的粗孔隙(在A層極少碰到,除非是黏土或黏質壤土質地)。

Translate from: Hodgson J. M. (compile and edit), 1985:39, table4.

3.土塊密度(Packing density)

土塊密度是指潤土狀態(本處指:土壤水分含量介於0.05-15bar吸力間),也是粗孔隙(孔隙直徑>60mm,亦即空氣容量在15bar吸力時)水份被排除狀態之土壤密度。土塊密度的田間特徵比總體密度容易辨識(如表4-4所示),因此操作性的實用性價值較高。

土塊密度(g/cm3)潤土總體密度+0.009´(黏粒所佔的%)………………………(7)[1]

三、土壤孔隙率的計算

土壤中固體物質所佔體積%=〔(不含孔隙之土壤體積)/(含孔隙之土壤體積)〕

=〔(不含孔隙之土壤體積)/(烘乾土重)〕/〔(含孔隙之土壤體積)/(烘乾土重)〕´100

=〔(容重)/(比重)〕´100…………………….(8)

土壤中固體物質體積%+土壤孔隙率=100…………………….(9)

孔隙率=100%-固體物質體積%

100%-〔(容重)/(比重)〕´100%

=〔1-(容重/比重)〕´100%…………………….(10)

四、土壤孔隙率的變化

1.土壤中有機質含量越多,則孔隙率越大,反之則反。

2.土壤質地愈粗則孔隙愈大,但由於質地粗者孔隙率愈小,反之則反。

3.土壤構造呈單粒、塊狀、碟狀及柱狀者孔隙率均小(因較密實);呈稜塊狀、亞稜塊狀、團粒狀及屑粒狀者孔隙率較大(較疏鬆)。粒團較粗者有較大的孔隙率。

4.表層土壤孔隙率較大,深層土壤因被壓緊,孔隙率常較小。

5.翻土整地可暫時增加孔隙率,長年耕作有機質分解消失,且土壤構造遭受破壞,孔隙率較未耕作者為低。

4-5、各種質地的土壤之總體密度與孔隙率之列舉

土壤的處理方式及類別

總體密度(g/cm3)

孔隙率(%)

岩性坋質壤土(白楊森林覆蓋下)

1.62

40

壤質沙土(表土)

1.5

43

埋積的泥碳(低土粒密度)

0.66

65(?)

棉花田

耕犁表土

農機輪子通過的表土

農機輪子通過所形成的土磐(25cm)

農機輪子通過但未被擾到的底土(粘質壤土)

 

1.3

1.67

1.7

1.5

 

51

37

36

43

含卵石黏土(英國Suffolk地區)

3年的牧草耕地

3年的大麥耕地(沒有農機行駛)

3年的大麥耕地(正常農機行駛)

 

1.13

1.3

1.63

 

57

51

37

長期使用的砂質壤土地(奈及利亞)

15-20年的灌木地

3年玉米栽種,後2年沒有耕作

5年玉米栽種,傳統耕作

 

1.15

1.42

1.51

 

57

46

43

來自冰河漂石的含碎磐(fragipan)土壤(俄亥俄州)

耕作表土(砂質壤土)

30cm深的土層(壤土)

50cm深的土層(壤土)

在碎磐下的125cm深的土層(壤土)

 

1.47

1.65

1.76

1.85

 

45

38

34

30

水稻土,黏土(菲律賓)

0-15cm(9個套環的平均值)

15-30cm(9個套環的平均值)

 

0.66

0.91

 

75

66

奧克拉荷馬州Granfield地區

耕犁A(Ap),細沙質壤土

低的底土(subsoil)

 

1.72

1.80

 

35

32

威斯康新州

耕犁A(Ap),邁阿密坋質壤土

低的底土(subsoil)

 

1.28

1.43

 

52

46

德州

耕犁A(Ap),休斯頓粘土

低的底土(subsoil)

 

1.24

1.51

 

53

43

巴西

耕犁A(Ap),氧化土粘土

低的底土(subsoil)

 

0.95

1.00

 

64

62

資料來源: R. W. Miller & R. L. Donahue, 1995: 105

 

第五節、土壤水

 

本處之「土壤水」等於土壤水溶液,為存於土壤孔隙中的可以自由移動的水份,而存於土壤內部,在自然狀態無法釋出水分的「結合水」(combined water)(土壤化合物的一部份,故又稱化合水),以及引力為正值的「地下水」的一般是不列入討論的。

一、土壤含水狀態的分類

1.依物理土壤母體對水的引力(matric force)(位能)分類

飽和帶中的土壤水之引力處於負壓狀態,土壤母體對土壤孔隙間的水分會產生潛在的引力,這種「潛在的引力」的強弱,可視為土壤水位能。

(1)結合水位能(combined water potential):指水分子以化合物形式存在於土壤中,除非發生化學變化才會釋出,一般不視為土壤水,其引力大於10,000大氣壓(大於pF7)。

(2)吸著水位能(hygroscope water potential):包圍固體粒子最近的一層水膜,約10,000大氣壓(pF7)至31大氣壓間的引力(pF7.0-4.5),為非流動的土壤水,在自然狀態下除非是經過野火燒著,一般是不會釋出來的。吸著水不能供植物攝取,為對植物生長的無效水份。

(3)毛管水位能(capillary water potential):微管水能保存於土壤孔隙中,不受地心引力影響,而不致向下滲漏,但能在孔隙中發生移動,且將因蒸發散作用而喪失。微管水可供植物吸收,故也稱為有效水。微管水所承受的引力為31-1/3大氣壓(pF4.5-2.54)。

(4)重力水位能(gravitational water potential):凡承受土壤引力小於1/3大氣壓(pF2.54以下)之水,常受地心引力吸引,而向下滲漏的土壤水份稱為重力水。

 

4-5、生物性及物理性的土壤分類之圖示

2.依生物土壤含水常數分類

土壤含水常數(soil moisture constants)是農業上常用以表示的土壤含水狀態的各種常數。

(1)烘乾土(oven dry weight soil):將土壤置於烘箱中以105oC高溫持續烘乾達約48小時以上(土壤明顯轉成較淺的顏色,肉眼可辨識),此時烘乾狀態相當於相對濕度近於0%或引力近於pF7

(2)風乾水份量(air dry weight soil):將田間採集的土壤樣品剝開平鋪於淺盤內,放置於空氣流通之室內(應儘量保持恆溫恆濕狀態),任其水份充分蒸發至土壤顏色變淺,即風乾土狀態,此時土中所承受的引力約在pF4.5-7間(多能達到pF6)。

(3)吸濕係數(hygroscope coefficient):將風乾土置於密閉的容器中(乾燥器(desiccators)下面放置3.3H2SO4CaSO4飽和溶液,相對溼度可維持在98%,控制氣溫在25℃狀態),使土壤樣品充分吸收空氣中的水氣,直至吸水達飽和為止。此時土壤所含的水量,其引力約在pF4.5左右,稱為吸溼係數,吸濕係數代表土壤含吸著水之全量。以相同土塊之烘乾土重與吸濕係數土重之差值,可計算吸濕係數,如公式(11)所示:

吸濕係數=100%×(吸濕係數土重)(烘乾土重)〕/〔烘乾土重〕……..(11)

(4)凋萎係數或凋萎點(wilting coefficient; wilting point):土壤水份少到某一限度時,作物不能繼續攝取而開始呈凋萎現象,稱為凋萎點。其中,如移出置於潮濕空氣中即能解除凋萎現象,則稱為「暫時凋萎點」(temporary wilting point),是假性的凋萎點,表示尚未達到真正的凋萎點;如移出置於潮濕空氣中仍繼續凋萎,則稱「永久凋萎點」(permanent wilting point),又有人稱之為植物生長的臨界點(critical point)。以相同土塊之烘乾土重與永久凋萎點土重之差值,可計算凋萎係數,如公式(12)所示:

凋萎係數=100%×(永久凋萎點土重)(烘乾土重)〕/〔烘乾土重〕……..(12)

凋萎係數與土壤質地及植物之耐旱程度有關,未必有定數,故其絕對臨界值以土壤引力pF4.2為上限,故一般而言,凋萎係數的引力要比吸濕係數略高一些。有些學者也試圖建立凋萎係數與吸濕係數間的數學關係,如公式(13)所示:

凋萎係數含水%≒(吸濕係數含水%´1.34…………………….(13)

4-6、各種土壤質地之吸濕係數與凋萎係數之比較

土壤質地

吸濕係數%

凋萎係數%

0.5

0.9

1.9

3.0

砂質壤土

4.0

5.6

細砂壤土

6.5

9.7

   

8.8

12.1

黏質壤土

11.4

16.3

資料來源:郭魁士,1997514

4-7、不同土壤質地及不同作物之凋萎係數(%

作物

粗砂土

細砂土

砂質壤土

壤土

黏質壤土

水稻

0.96

2.7

5.6

10.1

13.1

大麥

1.04

2.9

6.2

10.5

14.2

小麥

0.88

3.3

6.3

10.3

14.5

黑麥

0.91

2.9

5.9

9.6

14.4

燕麥

1.01

3.1

6.1

10.5

14.8

玉米

1.07

3.4

6.6

10.2

15.5

蘆粟

0.95

3.3

6.8

9.6

13.9

蕃茄

1.11

3.3

6.9

11.7

15.3

南瓜

1.21

2.6

6.4

9.4

15.1

豌豆

1.02

3.3

6.9

12.4

16.6

資料來源:郭魁士,1997513

(5)田間容量(field capacity):亦稱「田間水容量」,指土壤經大雨或充分灌溉後(或土壤充分浸濕),經過2-3天後,讓土壤中的過剩水充分由重力排除(滲漏),土壤含水量到達一個穩定狀態,此時之土壤含水量稱為田間容量。以相同土塊之烘乾土重與永久田間容量時土重之差值,可計算田間容量,如公式(14)所示:

田間容量=100%×(田間容量時土重)(烘乾土重)〕/〔烘乾土重〕……..(14)

土壤受到土壤粒子間的分子力及毛細管作用力所影響,不同性質的土壤其開始產生重力排水的水份含量臨界值未必在相同的pF。而由於是藉由重力排水,故其引力重力水位能(pF1.82.54),只能說是一個概數,涵義不夠精確,因此,田間容量的概念已普遍被土壤學者所捨棄。

吸濕係數、凋萎係數、田間容量三者均有共同之趨勢就是:土壤含有機質愈多,或質地愈細,則其含水%愈大。

田間容量與凋萎係數間的含水狀態(pF2.54-4.2)為植物可利用之有效水分,如土壤含水量超過田間容量,則常有排水之需要,不符合水資源使用的效率。其次,由於:〔(田間容量含水量%)(凋萎係數含水量%)〕或〔(水分當量含水量%)(凋萎係數含水量%)〕之數值(有效土壤水分),大致在15%上下擺盪,這可以解釋為何桑士偉法(Thornthwaite method)求可能蒸發散量(potential evapotranspiration)時,習慣假設有效土壤水分為有效土壤深度之10%的原因了(假設土壤總體密度≒1.5g/cm3,重量之15%換算成體積≒10%)。

(6)水分當量(moisture equivalent):過份潮濕土壤,以1,000倍地心引力的離心力(每分鐘2240轉的速度轉動40分鐘或1000轉的速度轉動30分),剩下的水稱為水分當量,引力接近1/3大氣壓,pF2.7。水分當量與田間容量並無一定的關係,但兩者之含水量及為相近,所以常有人以水分當量之測定代替田間容量。也有些學者也試圖建立凋萎係數與水份當量間的數學關係,如公式(13)所示:

凋萎係數含水%=(水份當量含水%)/1.84…………………….(15)

(7)飽和含水量(saturation percentage)或最大容水量(maximum water holding capacity):即土壤所能含水份的最大量。將烘乾土用滴管滴水於其中,一面滴純水;一面用特製之竹片攪拌,直至土壤表面反光為止。此時土壤已成糊狀,並具流動性,表示所有孔隙均已充滿水。此時土壤水的引力接近pF0。在測量土壤水的化學成分時,係以吸取飽和溶液,再進行過濾,萃取其水溶液,來進行相關分析。

4-8、美國幾種土壤的各種含水量數值(%)

土壤

有機質%

吸濕係數

水分當量

毛管水量

飽和水量

有效水分*

西部土壤

 

 

 

 

 

 

砂壤土

1.22

3.3

7.9

4.6

34.2

4.6

紅壤

1.07

10.0

19.2

9.2

49.0

9.2

坋質壤土

4.93

10.2

27.8

17.8

60.9

17.6

黑色龜裂土

2.22

12.9

25.8

12.9

60.3

12.9

愛荷華州土壤

 

 

 

 

 

 

Dickinson細壤土

2.13

3.4

7.6

4.2

44.5

4.2

Clarion砂壤土

3.01

6.9

15.5

8.6

58.0

8.6

Marshall坋質壤土

3.58

10.4

24.0

13.6

76.5

13.6

Wabash坋質壤土

5.91

16.1

30.4

14.3

87.0

14.3

*「有效水分」是指植物能吸收的土壤水分含量的範圍,本處「有效水分」之數值係以〔(水分當量)(吸濕係數)〕替代〔〔凋萎係數〕-(田間容量)〕。

資料來源:改自郭魁士,1997517

二、土壤含水量的表示方式

1.引力的表示法(pF

土壤固體物質與土壤水之間有引力存在,使水附著於土粒或粒團上。pFSchofield設計應用水柱高度的對數來表示引力,這是自由能差的一個對數值(logarithm of a free-energy difference),其數學關係為「使土壤水脫離,所需加的壓力(以水柱高度)的對數值,所表示者為土壤水的負壓力」,故一大氣壓pF3

pFlog…………………..(16)

h:水柱高度(cm

2.絕對含水量

烘乾土是指在105℃經過48小時的乾土重量,絕對含水量=〔(水之重量)(烘乾土重量)〕。

        HmMwMs´100%………………………(17)

        Hm:絕對含水量(%)

        Ms105℃烘乾土之重量(g)

        Mw:水之重量(g)

3.水份體積百分率

水份體積百分率=〔(土壤水分的體積)/(土壤不含孔隙的體積)〕´100%

        HvHm´(Pb/Pw)´100%………………………(18)

由於水之密度≒1g/cm3(11)式可簡化成:

        HvHm´Pb´100%…………………………(19)

        Hv:水份體積百分率(%)

        Pb:土粒密度(g/cm3)

        Pw:水之密度(g/cm3)

4土壤水深

土壤水深是指單位體積的土體之水份所佔的深度(mm)

        Hdepth=Hv´d……………………………...(20)

        d:土壤深度(mm)

5.含水相對飽和百分率

「水份體積百分率」與「土壤孔隙率」的比值,表示土壤孔隙蓄水率的大小。

        Hrs=〔Hv/(孔隙率)〕´100%……..………………..(21)

三、土壤水的粘度、溶解度、表面張力、毛細管作用

1.粘度

粘度(viscosity)係指其內部摩擦力引起其抵抗流動之性質(黏滯性)。其單位為:1poise=1Dyne–sec/cm2。粘度不容易從單位上觀察其定義,但如果取其倒數,其意義成為「易流動性」,其物理定義可解釋成:「對流體施加單位作用力,在單位時間內所能擴散的面積」,如此再倒過來看粘度的意涵就容易多了。

就低分子的液體而言,水的黏度是很大的,其原因是由於氫鍵的關係(冰之黏度≒12×1013poises)。溫度與土壤水粘度關係至為密切,水之粘度隨溫度之升高而降低,通常以20℃之黏度為加權標準(表4-9)。

2.溶解度

純水是良好的溶劑,其對於土壤某些成分(如養分)之洗滌與移動,對土壤之化育極具重要性。如表4-9所示,水能溶解較多的CO2,水又與CO2結合成碳酸,酸對鹽基物質具有強化溶解能力的功能,故多雨成為土壤淋溶作用(leaching)中最重要的影響因素。其次,氣溫低比氣溫高時有更高的溶解度,顯示冷濕比暖濕的環境下,淋溶作用更為旺盛。

土壤水中如溶解過多的電解質(可溶性鹽類),則滲透壓(osmotic pressure)大為提高,因而加大土壤與水分子間的引力,當土壤水的引力過大植物攝取土壤中之水時,則植物難以吸收水分,甚至導致植物體內之反被析出以至於枯死。

 

4-9、溫度與水之黏度的關係

溫度

水之黏度(centipoise

比黏度(某溫度0℃

0

4

5

10

15

20

1.792

1.567

1.519

1.308

1.140

1.005

1.000

 

 

 

 

0.561

25

30

40

50

75

100

0.894

0.801

0.656

0.549

0.830

0.282

 

 

 

0.307

 

0.158

郭魁士,1997494

4-10、氣體在水中之溶解度(g/100g

溫度

N2

O2

CO2

0

0.002942

0.006945

0.3346

50

0.001216

0.002657

0.0761

郭魁士,1997495

3.表面張力

流體的表面呈現一層伸展且具有彈性的極似薄膜界面,稱為表面張力(surface tension),可以說是由於分子引力(內聚力)所引起的一種向內拉力,內聚力不一致又趨向於改變其界面形狀,驅使流體表面達到最小面積。表面張力之單位為:ergs/cm2dynes/cm

4.毛細管作用

毛細管作用一方面依賴液體的內聚力;另一方面依賴液體對固體管壁之黏著力,液體上昇高度則依表面張力及液柱之重量而異。所有毛細管內壁四周之工作是吸引水分子,因此形成凹的曲面,其結果產生一種表面張力。受到壓力平衡的原理,液體下拉之力一定要等於上昇之力,因此:

4-11、土壤質地與毛管水頭高度

土壤質地

毛管水頭高度(cm)

粗砂

2-5

中砂

12-35

細砂

35-70

坋土

70-150

黏土

200-400以上

資料來源:改自:徐義人,1995179

hDgπr2S2πrcosα Þ h(2Scosα)(Dgr);或h(4Scosα)(Dgd)………….(22)

其中:h為毛管內液面高於自由液體之高度   D為液體之密度

g為重力加速度                     πr2為直筒毛管之橫剖面積

S為表面張力                       cosα為接觸面之餘弦

r為直筒毛管之半徑                   d為直筒毛管之直徑

對水而言,接觸角是小到cosα幾乎等於120時之水密度為0.998g/cm3g981cm/sec2S72.75dynes/cm,則公式(21)可改寫成:h0.297/d0.3/d……………(23)

 

4-6、土壤孔隙、土粒與土壤水分移動的關係

四、土壤水份的移動

()水在飽和帶中移動

土壤水份的移動可分為飽和與不飽和的兩種移動情況,水在飽和狀態時的移動情形,其壓力梯度主要依水頭差而發生。

飽和土壤水之移動(可視為飽和帶地下水的流動形式),可用Poiseulle定律及Darcy定律說明之。Poiseulle定律解釋飽和水在窄管中的移動,從公式(24)可了解,當管徑減唯一半時,水的流量隨之減為原來的1/16,據此可推論:毛管孔隙(直徑<0.0625mm)內水的移動量是十分微小的;其次,質地愈粗以及土壤構造愈發達(粗孔隙)愈發達,則其土壤飽和移動速率愈大。

Q(Pπr4)(8LS)……………(24)

其中:Q:窄管內液體移動之流量(cm3/sec)       P:壓力差(dynes/cm2)

S:表面張力(dynes/cm)                  L:窄管之長度(cm)

r:窄管之半徑(cm)

Darcy定律以水力坡降(hydraulic gradient)為基礎,假設穿過多孔質媒體中之飽和水移動速率與水力坡降成一次方正比,如公式(25)所示。Darcy定律不適用黏土質媒體,可能是因黏度的影響。

VµI Þ VKI……………….(25)

其中:V為水流速度(cm/sec)                   I為水力坡降(無單位)

K為滲透係數(permeability coefficient)(cm/sec)

()水在不飽和帶(土壤)中移動

1.水在不飽和狀態時的移動情形

(1)依毛細管作用而移動(參見公式(22)及公式(23)):公式(22)及公式(23)均可說明毛管內水位上升的高度與管徑成反比關係外,研究者也發現:水之上昇在粗細不一的混合砂粒中較快,大小一致的砂粒中較慢;在經過濕土時較快而經過乾土時較慢。

(2)類似熱流及電流之流動方式:即流動密度或流動強度與壓力差及導流性(conductance)之乘積成正比。由於水之流動常自高勢能往低勢能方向發生,故其勢能梯度之方向相反(以負值表示),如公式(26)所示:

V=-K gradπ;或V=-K gradΦ…………………(26)

其中:V:流動速度

gradπ:勢能梯度

gradΦ:總勢能梯度

K:滲透係數(與管徑四次方成正比;與其長度成反比)

2.土壤水作用力

土壤水作用力(等溫條件下)分成三種:母體吸力(matric suction)、滲透力(osmotic force)與體積力(body force),其中母體吸力包括毛管力(capillary force)與吸著力;體積力包括重力(gravitational force)與離心力,土壤中因這些作用力的均衡而保持一定量的水份。

從基準面或海平面起z的高度時,每一單位質量的重力勢能(ψg,gravitational potential),ψggz,其中g為重力加速度。故ψg與土壤水所處的基準面或標高有關,且均為正值,愈高者ψg愈大,最小為零。

壓力勢能(ψp)=ψmψa………………..(27)

其中ψa為空氣壓縮勢能(pneumatic potential),表示土壤空氣壓力變化,在降水時ψa會急速上昇,但在雨後數日之後,ψa的影響已經小到可以忽視(參:楊萬全,1993183192)。ψp在地下水面以上為正值;在地下水面的位置為零,因毛管力而保持在地下水面以上的水份為負值。

當土壤水中有溶質存在時,其勢能會減低相當於滲透勢能(ψo,osmotic potential)的部分,在自然界中,因ψo而產生的水流通常予以忽視。若農地上之農作物均已經收穫,植物根系與土壤間的交互作用對ψo的影響,應可忽視。

因此,φψpψg………………..(28)

此處φ為水理勢能(hydraulic potential)(楊萬全,1993191)。若將ψ以重力加速度為單位而用水頭(water head)表示時如下式:

φ/ghzψ……………….(29)

式中:h=水理水頭(hydraulic head

z=重力水頭(gravitational head

ψ=壓力水頭(pressure head

故在雨後連續晴日時,土壤水層之ψ即以毛管力與吸著水為主,且為負壓力,可使土壤水向上移動;z為正壓力,使土壤水向下移動。兩者相加平衡後所得之h,可決定土壤水為向下(h為正值)或是向上(h為負值)運動。當土壤水向上移動時,z會變大,反之當土壤水向下移動時,z會變小。因此,不飽和帶中會存在土壤水流束(flux,單位剖面的流量)為零的平衡點零流束面(zero flux plane)(參:楊萬全,1993190-191)。

當連續晴天時,保留在地表附近的土壤水,一部份因蒸發散而消失於大氣中;在裸露地,當土壤面蒸發時,土壤中因毛管力所保持的水份向蒸發面以薄膜移動。此種因土壤蒸發乾燥導引土壤水份向上移動而蒸發離開土壤面的作用,稱為出滲(exfiltration),此蒸發影響的出滲深度,可由土壤水的水理水頭梯度的量測得知(楊萬全,1993189)。

臺灣地區年雨量相當豐沛狀況下,土壤受到雨水淋洗作用的影響,把陽離子自A層洗出,至B層洗入,因此在理論上B層的電導度會大於A層。一旦土壤因為毛細管作用,土壤水因出滲而逸散,將鹽份累積於土表,則此時A層的電導度質會高過B層,而發生表土鹽度提高,且此種現象易於發生在臺灣西南部沿海的秋冬季。

()土壤水文狀態

土壤水文特性的操作型量化等級,請參閱《土壤地理野外調查手冊》,本處略。

1.土壤含水狀態

指特定化育層裡的土壤含水現況,分為:乾、潤、濕三種情形(本章第三節已說明)。

2.自由水境況

可分為土壤剖面土表上方暫時全為水所淹沒的「外部積水」(inundation);以及自由水只明顯存於土壤剖面內的某一段厚度土壤中的「內部積水」。據此可根據積水退去速度,定出土壤之自然排水等級。

3.外部排水與內部排水

地面逕流的外流的相對速度稱為外部排水(external soil drainage);土壤內之過剩水份可以往下排的性質稱為內部排水(interior soil drainage)

4.飽和導水度(saturated hydraulic conductivity)

本處所指的飽和「導水度」應同義於上述所稱之「滲透係數」。

5.土壤之滲浸作用(infiltration)及通透性(permeability

本處之「滲浸作用」應同義於水文學所用之「入滲」,指地面逕流流入土表之內的快慢情形;「土壤通透性」應同於水文學所用之「側滲」(lateral seepage),但非下滲(percolation)之意。其間的差異國內部分土壤學者似未加以釐清。

6.洪泛(flooding

短期河湖水位暴漲或潮汐的漲淹之淹水現象稱為洪泛,洪泛的記錄必須包括:頻率(frequency)、持續時間(duration)及可能發生時間(probable dates)三方面。

五、土壤水份對耕作的影響

植物成長過程必須有水來支持其發育,植物吸收的水份絕大部分來自土壤水,當土壤含水狀態低於植物能吸收的能力時,植物就會枯死。土壤水份過多會使土壤通氣不佳,並使營養鹽隨水流失,降低土壤肥力。土壤孔隙塞滿水對土壤動物更為不利,常使動物因缺氧或淹水而死亡;作物的根部也會因長期泡水也會腐爛,作物栽種的種類選擇受到相當的限制。

西部沿海原本地勢低窪,加上地層下陷嚴重,淺層地下水位已經接近地面1.0-0.5m,長達乾8半年的乾季的毛細管作用,將水導引到地表附近而透過出滲作用(exfiltration)蒸發,以及海水倒灌的威脅,導致土壤鹽度提高,已經危及到水稻的生長與產量,其他旱作更不容易存活。

「臺灣黏土」分布區於嘉南平原內陸地區,土壤黏重,導致雨水及逕流長年蓄存於底土層之上(於浸水的菱角田向下開挖約30cm,其土壤竟然不是處於濕土狀態),以致在地面下0.5-1.0m形成一層棲留(地下)水(perched water)。利用一年所蓄存的土壤水,可栽種第二期水稻,在嘉南大圳未完成之前,臺灣黏土區是嘉南平原少有能種稻的看天田。當地部分農民在1984年以後,隨政府水稻轉作的政策的輔導與獎勵下,利用臺灣黏土的保水特性,栽植適地性的菱角。臺灣黏土區在栽植果樹時,農民必須先將表土刨除,將所客之土填充到底土上方,再重新覆蓋原有的表土層,如此作法,一則可墊高地基;一則可改善底土積水的情況。

 

第六節、土壤溫度

 

一、土壤溫度與植物生長的關係

大多數作物在10-35℃的溫度範圍內其生長速度隨溫度的升高而加快,例如向日葵的呼吸作用在土壤溫度低於10℃或高於25℃時,都會明顯減弱。(孫儒泳等,199458

1.土壤溫度影響土壤微生物之活動與繁殖

土壤中有機質之分解與NPS等營養元素之礦質化作用常隨土溫之增高而增強,固氮作用及硝化作用等的進行都需要有較高的土溫。鉀自非交換狀態釋放出來之量在30℃以上時為多。

2.土溫能影響土壤水分及植物養分效率

水之自由能隨溫度之升高而增大,當土溫升高時,水對植物成為更有效,直達到一個生理的限度為止。施肥對作物之效應常以高溫季節中為大。

3.土溫對植物種子發芽之關係

雖然不同植物之種子在低溫時發芽的能力有差異,但低溫的土壤發芽都是緩慢的。當土溫增高時發芽速度隨之增高,直到某一定的最適溫度為止。

4.植物生長受土溫之影響

雖然植物對土溫之需要依其種類而異,但溫度增高根部吸收養分及水分之效率更大。

5.土壤凍結的影響

土溫對於土壤水、土壤構造及土壤凍結所引起的現象,間接對植物生長均有影響。

二、土壤溫度的變化

土壤溫度的測定以地溫計、熱電偶及電熱調節器。國際氣象組織建議測定土溫之標準深度為10, 20, 50, 100cm。土壤溫度除了有週期性的日變化和季節變化外,還有空間上的垂直變化。一般說來,夏季的土壤溫度隨深度的增加而下降,冬季的情形則相反;白天的土壤溫度隨深度的增加而下降,夜間的情形則相反。土壤溫度在35100cm深度以下無晝夜變化,30m以下無季節變化。(孫儒泳等,199458

1.地球緯度對土壤溫度的影響

2.土壤溫度的日變化

3.不同土壤深度的土溫變季節的化

 

4-7、在西半球土溫依緯度而起的變化

 

4-8、不同土壤深度的土溫變化

 

4-9、土壤深度各月土溫的變化

4.植被與土壤溫度的關係

4-12、漠地灌叢與土壤溫度的關係

植被條件

遠離灌叢的裸露地

低灌木下凋落物中

高灌木下之土壤中

凋落物層中

土壤溫度

48

29

27

23

說明

在全光下土壤表面會熱到高溫。

低灌木的遮陰使土壤表面低於最高溫。

高灌叢有較大葉片面積及較多枝條可攔截較多的陽光,產生最涼快溫度。

凋落物層更能降低最高溫。

改自:金恆鑣等譯,200287:圖4-3

三、土壤系統熵與熱容量

1.土壤系統熵(林景亮、陳清碩,1987

S=〔有機質礦化釋出能量(joule)-作物產出能量(joule)〕/〔有機質礦化形成有效氮質量(kg)………………………(26)

S:土壤系統之熵值(joule/kg)

2.土壤熱容量

土壤熱容量(heat capacity or thermal capacity)係指單位質量的土壤在降低單位溫度時所釋出的熱量。

H=SD………………………..(27)

H:熱容量(cal)

m:質量(g)

S:比熱

Dt:變化溫度(°C)

 

 

第七節、土壤顏色

 

一、土壤顏色指涉的對象

廣義的土壤顏色是指:(1)斑點或斑紋(mottling)(2)土體綜合顏色,等兩種顏色的表現,狹義的土壤顏色則僅指後者。此外,也可包含岩石顏色(rock color)的描述。

1.土體綜合顏色在土壤調查描述時,必須註明是屬於何種條件:如潤土顏色(moist soil color)、土塊表面顏色(ped face color)、風乾土顏色(air-dry color)或切磨之新鮮土色(rubbed color)。

2.斑點或斑紋發生的原因乃由於溶解及懸浮作用,使土壤物質沿土壤孔隙下移,形成與周圍土壤性質、顏色相異的塊狀或條狀物,尤以鐵、錳化合物澱積底土為然,因Fe+2Mn+2皆較Fe+3Mn+3~+7)等高價離子易溶於水而由表土層被淋溶,而澱積至底土層。

二、土色發生之要素

土色之表現以各成份之總面積的比例表現,總面積等於各成份之比面積乘其體積%,故膠體物質對土色的影響最大。最明顯的例子為水化氧化鐵及腐植質。

 

1.土壤母質顏色對土色的影響                        黑色(有機質)

臺灣的土壤多半屬年輕,故能相當

程度地反應母質顏色。石英為白色,方

解石為白色、灰色或橄欖青色,長石多             栗色                灰色

為灰白帶紅色,角閃石為黑色,綠泥石                         

為綠色,白雲母為銀白色,黑雲母為灰                    棕色

黑色,砂岩多為淡灰色至棕灰色,板岩

由灰棕色至灰色,頁岩、片岩等多為灰

黑色,洪積地層為洋紅色到黃灰色。       紅色(氧化鐵)      粉紅色        白色

2.有機殘體與腐植質對土色的影響                               (SiO2,Al2O3,CaCO3)

有機殘體與腐植質通常表現出黑色     4-10、土壤母質要素所呈現顏色及混和色

、棕色,一般而言,黑色的強度由表土

表面向下遞減,有機質下移動染黑其下層土壤的作用稱之為黑(色)化作用(melanization)

3.鋁、鐵、錳的氧化、還原作用對土色的影響

鋁在排水(通氣)良好的氧化環境下,氧化鋁呈銀白色反應;氧化鐵與水合氧化鐵化合物呈紅色系列反應;氧化錳呈黑色至棕黑色反應。當在排水不良的還原環境下,亞鐵(Fe+2)呈淺綠色至藍綠色(視Fe+2的濃度而定,濃度愈高,則愈趨向藍綠色)反應;錳(Mn+2)呈粉紅色反應。

4.土壤水分含量對土色的影響

乾土呈相對淡色、濕土與潤土受多量水份吸光的影響,呈相對暗色反應(按:濕土與潤土之色澤相差甚微),肉眼可辨。乾濕顏色相差程度,不僅在於明度(value),甚至色相(hue)也可相差到色帖之一頁以上。

三、土壤顏色的表示法

土壤顏色的分類係以孟氏色譜(Munsell Color Chart)分類法為依據,拿著「土色帖」現地比對。

1.色相(色彩、色度)(hue

色相係指土壤反射光之波長所反應出的優勢顏色。

土壤之色相計有24種(24頁),可以頁作為計量單位,包括7.5R(紅色系)10R(褐色系)2.5YR(橙色系)5YR(橙色系)7.5YR(橙色系)10YR(黃橙色系)2.5Y(淺黃色系)5Y(淺黃色系)7.5Y(橄欖色系)10Y(橄欖灰色系)N(灰色系)2.5GY(橄攬灰色系)5GY(橄欖灰色系)7.5GY(綠灰色系)10GY(綠灰色系)5G(綠灰色系)10G(綠灰色系)5BG(青灰色系)10BG(青灰色系)5B(青灰色系)5PB(青灰色系)5P(紫灰色系)5RP(紫灰色系)5R(紅灰色系)等。

2.明度(色值)(value

明度表示光之總量,為光由白到暗(黑)的階段。全暗的明度為10;純白的明度為0。然而,土壤不可能出出現全暗(10)或純白(0)的明度,土色帖上的明度值僅從28

3.彩度(色彩)(chroma

彩度為「優勢顏色」(光波長)之強度或飽和度(即相對純度),相對純度越高色彩越亮麗,例如水彩所某色相的量愈多,則彩度愈高,顏色愈鮮豔;反之加水愈多顏色愈淡,表示彩度降低。

4.土色之描述

田間之土色測定以潤土為宜,如果不是,則應註明乾、潤濕等字樣。測定時應以晴天太陽陰影下為佳(亦可在實驗室以充足之日光燈下的陰影),如果不是,則最好註明當時之天氣狀況。

俗名(色相明度/彩度,土壤含水狀態)或

color namehue valuechroma, soil water

灰棕色(10YR 52,乾)或

grayish brown(10YR 52, dry)

 

四、土色對土壤的影響

1.基於輻射原理白天暗色土比淺色土趨於溫暖,結果也使蒸發快速,夜晚反之。故必須覆蓋或敷蓋或灌溉以保持土溫。土色對溫帶乾燥、半乾燥或半濕潤地區的影響較熱帶地區為大。

2.土色與自然環境之關係

(1)紅色:多見於熱帶及副熱帶濕潤且乾濕季交替明顯氣候區,紅色也是此種氣候區高度化育的臺地土壤顏色。

(2)黃色系列則顯示出過渡性色彩,如:

  • 臺灣地區之1,000-2,000m的中海拔坡地:土壤處於較涼濕的氣候環境,土壤含較多量的還原鐵;
  • 低位階地:土壤化育處於弱育到極育的過渡期,土壤色澤沒有高位階地上紅土的紅;
    • 丘陵地帶:在台灣不管是第三紀或第四紀的丘陵區,土壤受侵蝕作用的影響,土壤一直處於弱育到中度化育的情況,無法進展到極育的紅色。

(3)粉紅色:粉紅色為退化紅壤的顏色,表示該地之紅壤曾經有一段時間泡水的時期,導致土壤中的氧化鐵還原,進而位移流失到其他低地,。

(4)灰色:多見於溫帶濕潤氣候與寒帶的灰壤及灰化土。臺灣地區水田土壤之表土,由於鐵、錳及鹽基物質的流失,也多呈現灰色系列反應。

(5)熱帶及副熱帶濕潤且乾濕季交替明顯氣候區之石灰岩臺地,由於多雨及土壤化育時間長,淋洗作用強,故土壤仍然呈現紅色反應。

(6)低窪地區因含多量有機質,土壤顏色肯定比鄰近高地土壤顏色為暗,例如臺灣地區以「烏塗」為名的地名,多半是當地相對低漥之區位。

(7)鹼性土的顏色比酸性土的顏色為暗。這自然也是氣候環境反映土壤化育程度差異的結果。

3.土壤顏色與生產力之關係

土壤顏色與生產力之減低依序(僅能作為參考)大致為:黑>棕>銹棕>灰棕>紅>灰>黃>灰白。

 

 

 

第八節、土壤深度

 

一、土壤有效深度的分級與描述

土壤學所稱的土壤深度一般多用「有效土壤深度」(soil effective depth),指植物的根系可以自由無限伸展的最大深度,應是以生化深度為準,然而不同植物的根系有不同伸展深度,在野外也很難切確認定,大致是以〔(A層厚度)+(B層厚度)〕即是所謂的「土體」(solum)。工程與建築上的土壤有效深度多暫指,地表而下之以圓鍬奮力開挖可及的厚度,即物理性深度,籠統地說就是:〔(A層)+(B層)+C層)〕的厚度。

1.美國農業部(USDA)土壤有效深度分類系統

4-13USDA土壤有效深度分類系統

等級區分

厚度範圍(cm)

極淺(very shallow)

<25

(shallow)

25-50

稍深(moderately deep)

50-100

(deep)

100-150

極深(very deep)

>150

2.臺灣「山坡地土地可利用限度分類」的分類系統

「山坡地土地可利用限度分類」係立法院通過的一條法律,以土壤有效深度區分為四級,配合平均坡度區分為五級,將臺灣地區的山坡地,此二個指標區分為六大等級的「山坡地土地可利用限度」區。

4-14、「山坡地土地可利用限度分類」之土壤有效深度分類

等級區分

厚度範圍(cm)

極淺(very shallow)

<20

(shallow)

20-50

(deep)

50-90

極深(very deep)

>90

二、土壤有效深度分析的目的

1.作為山坡地土地可利用限度分類及土壤保育的依據。

2.作為土壤肥沃度的指標之一,深者肥沃度較高。

3.作為土壤保水力多寡的指標之一,土壤保水力與土壤厚度成正比例關係。

4.作為土壤化育的參考指標,深者為發育較久,化育環境較佳。

 

4-11、土壤及作物的健康

 

4-12、土壤的各種性質與平衡地力

 

 



[1]Modify from: Hodgson J. M. (compile and edit), 1985: 38-39.

lifeexplorer 發表在 痞客邦 PIXNET 留言(0) 人氣()