土壤物理
土壤物理
土壤物理主要指土壤固、液、氣三相體系中所產生的各種物理現象和過程。土壤物理性質制約土壤肥力水平，進而影響植物生長，是制訂合理耕作和灌排等管理措施的重要依據。
目錄
土壤物理性質與土壤化學性質和土壤生物活動密切相關，互有影響。如鈣飽和的土壤所形成的土壤結構遠優於鈉飽和的土壤；植物根系和蚯蚓的活動、有機質的分解產物則是形成土壤良好結構性的基礎。反之，土壤的物理性質也直接或間接地影響土壤養分的保持、移動和有效性，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分的能力。
土壤物理性質除受自然成土因素影響外，人類的耕作活動(包括耕作、輪作、灌排和施肥等)也能使之發生深刻的變化。因此可在一定條件下，通過農業措施、水利建設以及化學方法等對土壤不良的物理性質進行改良、調節和控制。
土壤物理包括土壤的顏色、質地、孔隙、結構、水分、熱量和空氣狀況，土壤的機械物理性質和電磁性質等方面。各種性質和過程是相互聯繫和制約的，其中以土壤質地、土壤結構和土壤水分居主導地位，它們的變化常引起土壤其他物理性質和過程的變化。
土壤顏色
土壤物理性質之一。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組分和土壤的水熱狀況，可作為鑒別土壤肥沃程度的指標。如具深色表土的土壤常較淺色表土者肥沃；腐殖質含量高的土壤呈暗黑色；不同形態的鐵可使土壤分別呈紅、棕、黃、藍、綠等色；在排水良好情況下多呈紅、棕色，反之則現灰藍色等。
土壤顏色通常用A.H.芒賽爾創建的土壤顏色標記系統來確定，稱為芒賽爾土色卡。這個系統是由色調、亮度和彩度三要素所組成。色調指不同的顏色，分紅 (R)、黃紅(YR) 、黃(Y) 、灰黃(GY)、灰(G)、藍灰(BG)、藍(B)、紫藍(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。亮度指對光反射的程度，由黑到白分為 0～10個等級（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個等級（在土色卡中取1～8）。表示土壤顏色的通用符號是色調亮度／彩度。完整的命名法是顏色名稱（色調亮度／彩度）,例如紅(10RS/6)（圖1）。
土壤質地
土壤物理性質之一。指土壤中不同大小直徑的礦物顆粒的組合狀況。土壤質地與土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易有密切關係；土壤質地狀況是擬定土壤利用、管理和改良措施的重要依據。
土壤顆粒分級 土壤中的礦物顆粒可按其直徑大小分為若干等級。各國的分級標準不一，常見的分級標準見表 1。不同直徑的礦物顆粒在物理和物理化學性質上有明顯差異。各等級的主要特徵是：石塊 岩石崩解的碎塊。對土壤耕作和植物生長都不利，應設法除去。
石礫 由母岩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農機具的磨損程度。
粉粒 顆粒的大小和性質均介於砂粒和粘粒之間。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，粉粒級的礦物組成與土壤養分的潛在供應能力有一定關係。
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，保水保肥力也較強；但由於粘粒內孔隙小，且脹縮性大，通氣和透水性較差。粘粒的性質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。
基本土壤質地類型 公認的土壤基本質地分3組，即砂土組、壤土組和粘土組。各自的特點如下述。
砂土組 保水和保肥能力較差，養分含量少，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，養分含量較豐富，土溫變化小；但通氣透水性差，粘結力強，犁耕阻力大，耕作較困難，且有強烈的脹縮性，干時硬結，濕時泥濘，適耕期短。
壤土組 是介於砂土和粘土之間的一種土壤質地類型。性質上也兼備砂土和粘土的優點：通氣透水、保水保肥能力都較好，適合多數作物生長，適耕範圍較寬，耕作方便，易於調節，是農業生產上理想的土壤質地類型。
土壤質地分類系統 根據土壤中礦物顆粒組合特點將土壤分為若干類型的檢索系統。常見的有：
國際制分類系統 該系統將土壤質地分為 4組（砂土、壤土、粘壤土和粘土）13級，並按等邊三角表進行檢索（圖 2）。其方法是：①以粘粒含量為主要標準＜15％為砂土和壤土質地組；15～25％為粘壤土組；＞25％為粘土組。②當土壤含粉粒達45％以上時，在各組質地的名稱前均冠以“粉質”。③當砂粒含量在55～85％時，則冠以“砂質”；如超過85％，則稱為壤質砂土，其中砂粒達90％者稱砂土。美國制分類系統 與國際制基本相似，所不同的是它將土壤質地分為4組12級（圖3）。蘇聯制分類系統 由蘇聯卡欽斯基擬定，採用雙級分類制，即按物理性砂粒和物理性粘粒含量將土壤質地分為 3組9級（表2）。
除上述3個分類系統外，還有些國家結合自己國家土壤的特點制訂了各自的土壤質地分類系統。
土壤質地的調節 肥沃的土壤不僅要求耕層的質地良好，還要求有良好的質地剖面。雖然土壤質地主要決定於成土母質類型，有相對的穩定性，但耕作層的質地仍可通過耕作、施肥等活動進行調節。摻和粘土和增施有機肥料是調節和改良砂土類質地組不良性質的主要措施；相反，摻和砂土以及增施有機肥料、設置排水設施和採用高畦、窄壠等種植方法則是改善粘土質地組不良性質的主要途徑。
土壤孔隙
土壤物理性質之一。指土壤固體顆粒間的空隙，是容納水分和空氣的場所。土壤孔隙狀況通常用孔隙度和孔隙直徑表徵。
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容積的百分數。通常按下式計算：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)中絕對乾燥時的重量，單位為克／厘米3 。其數值大小與土壤質地、結構和有機質含量有關。通常，礦質土壤的容重為1.40～1.70克／厘米3；有機土壤為1.10～1.25克／厘米3;粘質土壤為1.10～1.60克／厘米3；砂質土為1.3～1.5克／厘米3；肥沃的耕層土壤為1.00～1.20克／厘米 3；緊實土壤為1.50～1.80克／厘米 3。容重值低的土壤表明其孔隙多，反之則孔隙少。容重除作為計算土壤孔隙度的必要參數外，也是計算土壤空氣容量，換算田間土壤重量以及土體內水分、養分、鹽分和有機質貯量的必要參數。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）的絕對乾燥重量與同體積水4 ℃時重量的比值。土壤比重數值的大小與礦物組成和有機質含量有關。土壤礦物的比重一般在2.40～2.80之間；有機質比重一般在1.2～1.4之間。土壤的平均比重為2.65。土壤比重是計算土壤孔隙度的必要參數；也可作為大致判別土壤礦物類型的依據。
土壤孔隙度一般為50％左右；鬆散土壤可高至55～65％；緊實土壤可低至35～40％。
土壤孔隙直徑 指土壤孔隙的大小。測定的方法很多，常按土壤吸力值的大小用下式計算：
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、形狀及其穩定程度與土壤結構有關。土壤孔隙直徑不同，其通氣、排水能力也不同。一般認為，直徑大於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烈；直徑0.01～ 0.005毫米的小孔隙，具有很強的持水能力；直徑小於 0.005毫米的細微孔隙對土壤水分、空氣的調節無效，對植物生長也無益。有時，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）。前者指由毛管水佔據的孔隙；後者指能通氣的孔隙。土壤內大、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境條件而異。
土壤結構
土壤物理性質之一。指土壤顆粒（包括團聚體）的排列形式。但學術界關於土壤結構的定義並不完全一致。蘇聯學者H.A.卡欽斯基認為土壤結構是土壤中不同大小、形狀、孔隙性、力穩性和水穩性團聚體的綜合。美國學者L.D.貝弗則認為土壤結構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特徵，從而影響土壤中水、熱、氣的保持和運行，植物根系的穿插，微生物的活動以及養分的有效性和供應速率，最終直接或間接地影響植物的生長和土壤的生產性能。
結構類型 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；另一類是以復粒(又稱次生顆粒)為單位的排列。根據結構體的形態、大小或性質還可分成若干類型。1927年，蘇聯學者C.A.扎哈羅夫根據結構體形態提出了土壤結構的分類方案並幾經修改。1951年美國農部提出的土壤結構分類表（表3）是目前使用較為廣泛的一個分類系統。在此系統中，按土壤結構體的形態特徵將土壤結構分為4個類型；根據結構體的大小每種類型又分為5級；根據結構體自身和結構體之間粘結力的大小每級又分為 4個發育程度。土壤結構還可根據受水浸泡或外力作用后的不同反應而分為水穩性、力穩性或非水穩性和非力穩性結構。前二者統稱為穩定性結構；后二者統稱為非穩定性結構。穩定性結構的形成主要依賴於對土壤顆粒具有較強的膠結力的物質的存在。結構形成 主要指土壤中團聚體（耕層以下通常稱結構體）的形成，通常有3個途徑，原生顆粒通過凝聚等作用形成次生顆粒（或稱微團聚體、復粒或有機無機複合體）；次生顆粒再經有機質等膠結物質的作用而進一步形成團聚體，或原生顆粒直接由膠結物質粘結成團聚體；緻密的土體通過根系活動、乾濕交替、結凍融凍等各種外應力的作用而崩解成團聚體。有機物分解的中間產物多糖和多價陽離子在形成穩定性團聚體中也有重要作用。近年又提出粘團學說，認為粘團是粘粒的小集團群，由粘粒本身定向排列而成，形如片狀，其直徑一般小於 5微米。粘團彼此間可通過鋁鍵和有機聚合物的作用使團面與團面、團邊與團邊以及團面與團邊相結合而形成團聚體的基本單元，再由基本單元聚合而成團聚體。圖 6表示團聚體中粘團－有機質－砂粒的結合形式。結構與肥力 土壤結構除影響植物根系的生長，微生物的活動以及土壤中空氣、水分和養分的協調外，還影響土壤的一系列機械物理特性。20世紀30年代，蘇聯土壤學家B.P.威廉斯提出團粒結構學說，認為由胡敏酸鈣結合的直徑為10～0.25毫米的水穩團聚體(又稱團粒)含量達70％以上時，即為有結構的土壤。這種土壤同時具備團聚體之間的非毛管孔隙和團聚體內的毛管孔隙，因而能協調土壤中水分、空氣、養分的保持與釋放的矛盾；同時可減少地表徑流，防止水土流失。但以後的研究者認為，土壤中0.25～10毫米水穩性團聚體的數量和最佳粒徑應依不同的生物氣候條件而異。在濕潤多雨地區，為便於通氣排水，水穩性團聚體的含量宜略高，直徑也可略偏大；而在乾旱少雨地區，圖7則水穩性團聚體含量略低、粒徑略小的有利保墒。近期的研究還認為，在評價土壤結構時，除團聚體的形狀、大小和數量外，還要考慮與土壤結構密切有關的其他一些性質，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的土壤持水量和生物活性等。結構的改良 由於土壤表層經常受到不合理的耕作和灌溉的影響，土壤結構易被破壞，從而導致土壤物理性質惡化。為了保護和改善土壤結構狀況，保持和提高土壤肥力，可以採取的措施包括：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，以及增施有機肥料等。施用結構改良劑則可達到快速改善土壤結構狀況的目的。目前已知的土壤結構改良劑有聚乙烯醇，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醯胺等。其中聚丙烯醯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製劑也有明顯效果。
土壤水分
以固、液、氣三態存在於土壤顆粒表面和顆粒間孔隙中的水分，來源於大氣降水、灌溉水以及隨毛細管上升的地下水和凝結水。氣態水存在於土壤顆粒之間尚未被液態水所佔據的孔隙之中；液態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聚體內部未被空氣佔據的孔隙中；固態水只在氣候寒冷地區及冬季出現，是液態水在攝氏零度(0℃）以下時結成的冰。土壤含水量一般用烘乾法、張力計法、電阻塊法或中子法等方法測定。
土壤水分是成土過程的重要因素，對礦物的風化，有機物質的合成和分解，元素的富集、遷移和淋失等產生影響，並是植物生長所需水分的主要給源。
土壤水分保持 進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。土壤的含水量是不斷變化的，從只能保持一層相當於幾個水分子直徑厚的水膜，到土壤完全為水分所飽和，甚至地表出現積水。土壤的特徵性含水量通常稱為水分常數，包括：①飽和含水量。這時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2～3天或更長一些時間后，水分向下運動的速度逐漸減小，直至可以忽略不計時所保持的水量。通常用 1/3大氣壓時的含水量代表；但由於土壤的差異，往往不能用同一吸力值來表徵這一含水量。③萎蔫係數。指根系不能迅速吸取到能滿足蒸騰需要的水分，植物開始出現永久萎蔫時的土壤含水量。一般以15個大氣壓時的含水量代表。④吸濕係數，大約相當於吸力為31個大氣壓時所保持的水量。各水分常數之間的水分對植物的有效性是不同的。
土壤含水量的多少，雖然關係到水分在土壤中的運動狀況和植物生長狀況；但土壤水分的能量狀態，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、張力或水勢表示。一個平衡的土－水體系所具有的能夠作功的能力稱為該體系的土壤水勢能，簡稱土水勢。並可藉助張力計或壓力膜，在原地或實驗室中測定。
土壤總水勢由以下幾個分勢組成：①基質勢，由與土壤固體特性有關的各種力（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；②壓力勢，由土－水體系中的壓力超過參比態下的壓力引起；③溶質勢，由土－水體系中各種溶質共同引起；④重力勢，主要由重力場引起。
基質勢和含水量的關係曲線稱為土壤水分特徵曲線（圖8）。它受土壤性質的影響，據此可算出植物有效含水量，還可根據曲線上的斜率，估算出不同水勢時的吸水和釋水性。土壤水的運動 土壤水處在不斷的運動之中。降水或灌溉水到達地表后，在重力勢和基質勢等梯度作用下漸次進入土表以下各土層。土壤水分達到飽和狀態后，多餘的水分就在重力勢作用下向下滲漏，補給地下水；如土壤水分處於不飽和狀態，水分就在重力勢和基質勢等梯度作用下向下或向其他方向滲吸，補充土壤水儲量。滲漏或滲吸不良時，水分就形成地表徑流流失。當降水或灌溉停止、滲吸結束后，水分仍繼續向下運動，進行再分配。土壤水也可在水勢梯度作用下向上運動，通過地表蒸發或植物葉面的蒸騰返回大氣中。在地下水鹽分濃度高時，水分的向上運動往往導致土壤鹽漬化。
水分在由勢能高的地方向勢能低的地方運動時，不管土壤水飽和程度如何，單位時間內通過單位面積的水的容積總是與水流方向上的水力勢梯度成正比。這可用達西方程表示：式中V 為單位時間內通過垂直於水流方向的單位面積的水的容積；K 為水力傳導度或毛管傳導度，是單位水力勢梯度下水流的容積；為水力勢梯度，包括重力勢梯度和基質勢梯度，是水分運動的驅動力。重力的大小一定，方向向下，基質勢的大小和方向是可變的。
土壤中的氣態水由於水汽壓力梯度的不同而進行擴散，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動；從濕土層向干土層、從比較熱的土層向比較冷的土層運動。
水分與植物生長的關係 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；過少則導致植物凋萎。一般認為，土壤吸力小於1～2大氣壓時的水分，是植物最易吸收的水分。
20世紀60年代以來，在評價土壤水分與植物的關係問題上的根本性變化，在於認為土壤、植物和大氣之間是一個物理學上統一的、動態的連續體系。在此體系中，各種不同的水流過程象鏈條中的各個環節一樣相互關聯。植物吸收水分的速率和數量不單是土壤含水量或土水勢的單值函數，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；能力的大小取決於植物和土壤的性質，並在相當程度上取決於小氣候條件。水分從體系中勢能高處流向勢能低處；兩點間的勢能差，是促使水分流動的原因。流經植物體的水流量(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降減，墹ψ2是植物體內根到葉部的水勢降減；墹ψ3是葉部與大氣間的水勢降減。墹ψ1、墹ψ2約等於 10×105 帕；1墹ψ3約等於 500×105帕。R1、R2和R3分別為相應分段中水流的阻力。
只要根系吸水的速率與蒸騰速率平衡，水流就繼續進行，植物保持充分的水脹狀態；一旦吸水速率低於蒸騰速率時，植物就開始失水，失去膨壓而凋萎。在大氣蒸發力高時，即使土水勢較高，植物也可能無法維持較高的相對蒸騰率而開始凋萎；在大氣蒸發力低時，即使土水勢較低，相對蒸騰率仍可能較高，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，取決於土壤、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分對植物的有效性，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，以及在水分過多時進行農田排水等措施都是農業生產的重要環節（見植物水分關係）。
土壤物理性質之一。指影響熱量在土壤剖面中的保持、傳導和分佈狀況的土壤性質。包括3個物理參數:土壤熱容量、導熱率和導溫率。土壤熱性質是決定土壤熱狀況的內在因素，也是農業上控制土壤熱狀況，使其有利於作物生長發育的重要物理因素，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節。
土壤熱容量 又稱土壤比熱，即每單位土壤當溫度升高 1℃時所需的熱量。以土壤重量為單位時稱土壤重量熱容量(Cp)；以土壤容積為單位時稱土壤容積熱容量(Cv)。乾燥土壤的容積熱容量等於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因素。農業生產上常通過水分管理來調節土壤溫度，如低洼易積水地區在早春採取排水措施促使土壤增溫，以利種子發芽等。
土壤導熱率是表徵土壤導熱性質的物理參數或導熱係數，即在穩態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℃的土柱時所需的熱量。數學表達式為：式中λ為導熱率;Q為T 時間內、流經厚度為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。
土壤各組分的導熱率不同：礦物的導熱率最大，其次為水，空氣的導熱率最小。
土壤導熱性的調節主要依靠土壤水，如在農業生產中通過灌水增加土壤含水量以防霜凍等。
土壤導溫率 是表徵土壤導溫性的物理參數（或導熱係數），有時也稱溫度擴散率或溫度擴散係數。其物理含義是在標準狀況下，在土層垂直方向單位土壤容積中，流入相當於導熱率λ時的熱量后所增高的溫度，單位為平方厘米／秒。其與導熱率的關係式：式中Kt為導溫率；Cv為容積熱容量。
土壤水分對土壤導溫性有明顯影響，一般呈雙曲線關係，即從干土變為濕土時Kt值不斷增加，但當土壤水分含量超過一定限度時Kt值即不斷下降，其轉折點因土而異。耕層土壤的Kt常數低於底層。如南京黃棕壤0～50厘米土層的Kt為3.11×10-3厘米2/秒，而50～100厘米土層的Kt值為4.92× 10-3厘米2/秒，上下土層間Kt的差異較大。在工農業生產中為了解土壤剖面不同深度在不同時間內土壤溫度的變化規律，常需測定土壤導溫率。
由於土壤是一個不均質體，其組分的變化常受時間和空間變化的影響，決定土壤熱性質的各個參數只是相對穩定，並不是絕對常數。
土壤空氣
存在於土壤顆粒表面、未被水分佔據的孔隙中和溶於土壤水中（溶液中）的空氣。土壤空氣的數量、組成和更新狀況對植物生長，特別是對根系的發育和生長影響極大；土壤的生物學過程、化學過程和養分的有效性也與土壤空氣有關。
來源與存在狀態 土壤空氣主要來源於近地表的大氣。但也有部分是土壤呼吸過程和有機質分解過程的產物。根據空氣在土壤中存在的狀態分為自由態（即遊離態）,吸附態和溶解態3種。自由態空氣指存在於土壤中未被水分佔據的孔隙中的氣體，其容量主要取決於土壤顆粒的排列狀況和水分的含量；吸附態空氣指吸附，土壤顆粒表面的氣體，其容量決定於土壤顆粒的比表面積和氣體分子結構的偶極矩；溶解態空氣指溶解於土壤水（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種狀態中以自由態空氣最為活躍，其次是溶解態。
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量的還原性氣體如甲烷、硫化氫和氫，有時還有磷化氫、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、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，包括氣體質流和氣體擴散。前者服從於達西定律，後者服從於費克定律。影響土壤中氣體質流的因素包括氣象因子（溫度、氣壓、風和降水等）、土壤因子(結構性、水分含量和通氣孔隙等)、生物因子（動植物和微生物的活動等）和人類生產活動因子（耕作、施肥和排灌等）。1904年E.白金漢提出土壤氣體擴散常數D與土壤自由孔隙度S的平方成正比:D=KS2。式中比例常數K為擴散係數。1940年H.L.彭曼提出土壤氣體擴散的基本方程:。式中D為土壤氣體的擴散係數；D0為氣體在大氣中的擴散係數；S為孔隙度；L為氣體通過的直線距離；Le為氣體通過的實際距離；用相對擴散係數作為氣體擴散的指標。近期的研究多圍繞土粒的粗細、形狀以及孔隙的大小、形狀和質量等因素對彭曼方程提出種種修改。
調節 土壤空氣的含量主要取決於土壤的通氣性，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、排水等措施可以達到調節土壤空氣含量和組成的目的。
土壤機械物理性質
土攘物理性質之一。又稱土壤動力學性質。指決定土壤對外力反應的物理性質，主要包括土壤結持度、土壤強度、土壤流變性和土壤壓縮性等。土壤機械物理性質既影響植物根系的分佈和生長，也是決定土壤耕作和農業機具設計的重要因素。
土壤結持度 指土壤在不同含水量情況下表現出不同結持性（土壤顆粒之間的相互吸引力）和粘著性（土壤顆粒藉助於表面的水膜與外物之間的吸引力）的物理狀態。可分4種狀態：硬性結持、酥性結持、可塑性結持和粘滯性結持(圖9)，分別由收縮限、塑性下限和塑性上限(液限)3個臨界含水量（又稱結持常數）作它們之間的界限。收縮限是土壤從明顯濕潤向明顯乾燥轉變的交界點；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時所需的最低含水量；塑性上限，指土粒在作用力下剛發生流動時的含水量。塑性下限和收縮限含水量的差值稱酥軟指數。塑性上限和塑性下限含水量的差值為塑性指數。土壤處於硬性結持度時，耕作土壤阻力大，易形成大土塊或粉末狀；土壤處於粘滯結持度時的土壤承載強度低，機具難以運行，易破壞土壤結構；土壤處於塑性結持度時，耕作中易發生粘閉。土壤上述3種結持度對土壤耕作均不理想，只有處於酥性結持度時才適宜耕作。土壤強度 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。常以剪強度表示。剪強度由土壤內聚力（或稱粘結力）和內摩擦力等參數所構成。根據莫爾-庫倫方程，剪強度@T(02525)與內聚力C 和內摩擦力的關係如下式：
τ=C+σtanσ
式中σ是垂直應力；φ是內摩擦角。如果剪切面上不存在垂直應力，則τ＝C。試驗表明，內摩擦角和內聚力與土壤性質和含水量都有關。決定剪強度的垂直應力的是有效應力，即土壤骨架承受的應力；垂直載荷下的飽和土壤則孔隙水也承受壓力，因而將減低有效應力。孔隙水承受的壓力稱為孔隙水壓力。精確計算各種類型土壤的剪強度，常藉助三軸剪力儀。
土壤流變性 指土壤在外力作用下產生變形或流動時存在的應力與變數之間的關係。分兩種情況：①處於乾燥狀態的粘土因有彈性性質，應力與變形量成直線關係，即：
τ=Gr
式中τ為應力；G為彈性係數；r為變形量。②稀薄的穩定泥漿，應力和應變數無單值關係。當有效應力增加時，變形以較高的速度連續發生。應力與變形速度之間成直線關係的液體稱牛頓液體。當泥漿達到一定濃度后即產生結構，這時體系具有一定強度(稱非牛頓液體)。體系受到擾動時強度減低的現象稱為觸變。使其發生流動所必須施加的應力即為塑變值。田間土壤多呈塑性體；此外也有粘彈體，包括固體粘彈體（固結的砂質粘土）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）的關係為：
e=AlogPC
式中A為壓縮指數；P為載荷；C為常數。
壓縮的主要原因，是顆粒趨於定向排列和粘粒吸附水減少。水分飽和的土壤在載荷下產生的排水壓縮稱為固結。
土壤電磁
土壤電性 指不同於土壤電化學性質的土壤電物理性質，包括土壤自然電場（電位）、電阻（電導）、電滲、介電常數等。其中，尤以土壤電阻和自然電場更為重要。土壤電阻是土壤電導的倒數，常用以確定土壤含水量或鹽漬度，進而可確定某些土壤的分佈界線等。土壤自然電場是土壤中各種帶電土粒和鹽類離子所具有電場。通過測定土壤自然電場，可以了解某些成土過程的信息、區分復域土壤、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、澱積、吸附等，可使剖面中自然電場產生分異，從而顯示其發生學特徵。如鹼土和淡栗鈣土等淋溶層的自然電場比澱積層高40～50毫伏，而淡栗鈣土澱積層的自然電場又比鹼化層高15～25毫伏。各發生層的界面上的電位差較大。
土壤磁性 按磁性特徵，土壤組分可分反磁質、順磁質和亞鐵磁質3類。由於反磁質的磁性極其微弱，土壤磁性主要決定於后兩類，尤其是亞鐵磁質。但土壤中的鐵、錳化合物多為順磁質，只有磁鐵礦、磁赤鐵礦及其含鈦系列等少數幾種為亞鐵磁質。土壤磁性與土壤礦物的組成關係密切。成土過程中土壤鐵、錳物質的淋移、澱積和形態轉化，特別是順磁質和亞鐵磁質的相互轉化，是造成土壤磁性消長的原因。
土壤磁性包括磁化率、剩餘磁化強度（剩磁）、飽和磁化強度、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為磁化強度（單位容積的磁矩），H為外磁場強度，為消除土壤鬆緊狀況的影響，則可用比磁化率表示：X=K/d。式中X為比磁化率；d為土壤容重剩餘磁化強度，指物質在外磁場中磁化后再撤離外磁場時，反磁質和順磁質的感應磁性立即消失，而鐵磁質和亞鐵磁質仍可長久保持的一部分感應磁化強度。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、化學剩磁和沉滯剩磁等的綜合。土壤剖面中各層的剩磁與感應磁化強度（由現今的地磁場影響產生）的比值稱Q值，可作為土壤鑒定的依據。
土壤電磁性調節 土壤電磁性的調節主要包括電改良和磁處理兩個方面。土壤電改良即利用人工直流電加速土壤中的電化學反應和電滲過程，可用於促進鹽鹼土的淋鹽、脫鹼和粘質土的排水、加固，達到改善土壤理化性質的目的。進行時一般將陽極置於土表、陰極置於排水溝底部，以利Na+的淋洗。直流電引起陽極區的土壤溶液發生酸化，促使鈣的活化和鈉的排除，進而促進土壤團聚化，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的不均勻性，以及電極材料被腐蝕而產生金屬離子毒害。
土壤磁處理即將土壤置於外磁場中使其產生剩磁，或將含鐵的工礦廢渣經磁處理後用作土壤改良劑。前者可改善鹼化土壤的微結構性；後者可改善粘質土壤，特別是潛育性土壤的理化性質。
參考書目
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R.J. Hanks and G.L. Ashcroft , Applied Soil Physics Soil Water and Temperature Applications,SpringerVerlag,New York,1980.
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