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同学们好！
前面我们学完了土壤的组成及其特征，从总体上了解了土壤。下面我们来具体看看与土壤有关的重要问题，首先，我们来看看土壤的物理性质。
土壤物理性质是最基本的性质，在很大程度上决定着土壤的其它性质，例如土壤养分的保持、土壤生物的数量等。它包括土壤的颜色、密度和容重、质地和孔隙、结构、水分、热容量等等。下面我们来分别进行介绍。
拿到土壤样品，我们首先看到的是其颜色，这可作为判断和研究土壤成土条件、成土过程、肥力特征和演变的依据。一般，根据颜色，可以进行一些判定：这是黑色土壤。黑色程度与腐殖质含量呈正相关；白色土壤，白色与土壤中的石英、高岭石、碳酸盐、长石、石膏和可溶性盐有关；红色土壤，红色是土壤中含较高赤铁矿或水化赤铁矿；黄色土壤，黄色是水化氧化铁造成的。
土壤密度和容重。密度大家都明白，就是单位体积的质量。但正如我们前面所说，土壤由固、液、气三相组成，含有空气、水、矿物质和有机质。而且，正如我们这张图所看到，不同的土壤，疏密程度有很大差别。所以，在定义土壤密度的时候，会明确说明是单位体积土壤烘干后的重量，这排除了液相物质，同时还不含土壤孔隙，就排除气相物质，也就是只剩下单位容积固体土粒的质量。但在实际使用中，为了方便，我们以田间自然垒结状态下单位容积土体的质量称为土壤容重，这是包括土壤孔隙和水分的，是一个假的密度或者比重。而土壤的真正密度，应称为土壤固相密度或土粒平均密度。土粒，就是土壤的最小单位。
那么如何测定土壤的密度呢？当然，必须要知道土壤固体和土粒的总质量和总体积，然后二者相除就可以了。质量好说，将土壤在105摄氏度烘干称重就是了，之所以用105摄氏度，那是为了保证水分都完全蒸发。问题是，如何测土粒的体积呢？最方便的方法就是比重瓶排水法，也就是将已知质量的土样放入水中或其他液体中，排尽空气，求出由土壤置换出的液体的体积。然后，以烘干土的质量除以所求得的土壤固体体积，即得土粒密度。
我们来比较一下一些相关物质的参数。岩石的密度为2.5～3.3克/立方厘米；土壤为2.6～2.8克/立方厘米；土壤容重呢，是1.01.5克/立方厘米。土壤容重，可以反映土壤的肥瘦和耕作质量。土壤容重高，说明土壤紧实，孔隙数量少，土壤的水分、空气、热量状况较差。所以，土壤容重小的土壤相对比较好。
土粒的大小通常以其平均直径的大小来表示，简称粒径，又称粒度。根据粒径，可分为砂粒（sand）、粉砂（silt）和黏粒（clay）。
在汉语当中，有两个字，沙和砂，他们有什么区别呢？不知道你想过这个问题没有。如果没有，现在想想，然后弄清楚也不迟。
土壤质地，是土壤颗粒的组合特征，一般分为砂土、壤土和黏土。砂土主要是大粒径的土粒组成，抗旱能力弱，易漏水漏肥，缺乏有机质，保肥性能弱。如果施用速效肥，易随雨水和灌溉水流失，因此砂土上要增施有机肥，并适时追肥。粘土则相反，主要是小粒径的土粒组成，有机质含量高，养分不易被雨水和灌溉水淋失，保肥性能好，但排水性能和通气性差，有雨水或灌溉时，水分在土体中难以下渗，影响作物根系的生长，也会阻碍根系对土壤养分的吸收。对此类土壤，在生产上要注意开沟排水，降低地下水位；壤土的质地，则介于黏土和砂土之间，兼有黏土和砂土的优点，通气透水、保水保温性能都较好，是较理想的农业土壤。
由于壤土是砂土和黏土的组合，根据其组合比例的不同，又可分为砂壤土、轻壤土、中壤土和重壤土四类。在野外，有一个简单的方法进行测定，土壤加水充分湿润后，看能否搓成小球、小细条和小环。砂土，是无论加多少水，也不能搓成球的；壤土，可搓成小球，小细条，甚至小环，但弯曲的长度和易断裂程度不一样。粘土，可搓成小球、细长条，弯成小环，压扁后还没有破裂和缝隙。
由于地球上的土壤有很大的区域差别，因此许多国家都有自己的土壤质地分类标准，但一般都做成一个土壤质地分类三角图。我们以美国农业部的土壤质地三角图为例来进行说明。总体上，根据粉粒、砂粒和粘粒等三种粒级含量的比例进行划定，可从三角图上查质地名称。比如，现在有一个土壤样品，经测定，粉粒占40%，砂粒占35%，粘粒占25%，那么它是什么呢？我们可以按三个粒级含量，分别做各顶点对应的三角形的三条底边的平行线，三线相交点，即为所查的质地，壤土。
土壤结构，是土粒的排列、组合形式。土壤结构体，是土粒互相排列和团聚成为一定形状和大小的土块或土团。可用于分析土壤颗粒的胶结情况，分团粒、块状、核状、柱状、棱状和片状结构等。其中，块状结构体，长、宽、高大体相似，无明显的棱角，有机物质缺乏；对应地，核状结构体，也是长、宽、高大体相似，有机物质缺乏，但有明显的棱角。片状结构体，结构体呈扁平状，是由于流水沉积或某些机械压力所造成的，土壤有机物质贫乏。柱状结构体，棱角不很明显，主要发生在碱化层中；棱状结构，属于干旱、半干旱地区的一种土壤结构类型；棱柱状结构，则是在干湿交替频繁的情况下所形成的。这些结构体总孔隙度小，而且是非活性孔隙，结构体间通气孔隙大，成为漏水漏肥通道。在这样的土壤中，植物根系很难穿扎，干裂时常扯断根系，属于不良结构体。
而土壤的团粒状结构体，是经过多次复合团聚而形成的。一般，先是单个土粒，相互凝聚成复粒或粘团，再经过逐级粘结作用，依次形成微团聚体，微团粒，然后再经过多次团聚形成较大的团粒。具有团粒结构体的土壤，是良好的结构体，总孔隙度大，内部有多级大量的大小孔隙，小孔隙能保持水分，大孔隙则保持通气，保证植物根的良好生长，适于作物栽培。
如果土壤质地或者结构不好，怎么办？有时候，我们可以通过添加土壤改良剂来对土壤结构进行改良，主要用于改良土壤的物理、化学和生物性质，使其更适宜于植物生长，这与提供植物养分的肥料是不一样的。这些改良剂有人工的，也有天然的。如施用人工合成的高分子化合物的聚丙烯酰胺，除改良土壤结构外，还可蓄水保墒。天然的，有从有机物中提取的腐殖酸盐、树脂胶、多糖醛类。另外，施石灰调整酸性土壤pH值；施石膏抑制土壤中的Na+、HCO3-和CO32-等离子；施用有益微生物来提高土壤生物活性。
近些年，生物炭作为一种土壤改良剂，也日益受到了重视。生物炭可以改良酸性土壤，增加土壤有机碳含量，调控营养元素的循环，生物炭本身的孔隙度，对土壤保持养分离子的能力有很重要的作用，其孔隙结构及水肥吸附作用，也使其成为土壤微生物的良好栖息环境。我们知道，土壤不论是植物还是动物，在没有氧气的情况下燃烧，都可以形成木炭。而我们这里说的生物炭，它不是一般的木炭，是可以垃圾废料生产生物炭。如农业生产中产生的大量动植物废料，麦秆、种壳和粪便等，以及人类制造的垃圾，如污泥甚至生活垃圾都能派上用场。所以，生物炭被认为是具有双重减碳效果。但也有人反对推广生物炭，因为他们认为目前还没有持久而严格的证据表明，生物炭能使土壤更为肥沃，生产生物炭的过程，也会增加化石燃料的燃烧，还会排放氧化亚氮这样威力强大的温室气体。
根据水分在土壤中的存在方式，通常可分为结合水、吸持水和重力水。结合水是靠水分子氢键的作用紧紧地附着在土粒表面的，成为一层水膜，植物一般无法利用，所以是植物无效水。吸持水，是当膜状的吸湿水充满土壤毛细孔隙后，靠毛细管力而保持的土壤水分。植物能利用这些水，是植物有效水。植物如果出现缺水征兆，甚至萎蔫（粘）时，土壤所含的残留水量，是土壤有效水与无效水的分界点，这一点称为萎蔫点。而重力水，是存在于大孔隙中的水因重力作用而下移，进入地下水潜水层。重力水停留在土壤中的时间短，植物的利用有限，属于植物过剩水。重力水排除后留下的可供植物利用的含水量，则称为田间持水量。我们可以理解的是，田间持水量，等于植物有效水量，加上植物萎蔫点。
很容易理解的是，土壤持水特征与土壤质地有关。一般来说，土壤粒径越小，土壤颗粒的总量和孔隙总量就愈大，土壤田间持水量也会随之增加。但由于结合水增加，植物萎蔫点也随之增加，所以，在较粘的土壤中，植物的有效水量反而会降低。如此看来，土壤有效水量最高的土壤，只能是介于砂土和粘土之间的壤土了，也就是这个图上靠近中央的部分。
墒，指土壤适宜植物生长发育的湿度。墒情，指土壤湿度的情况，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示。或者是土壤含水量相当于田间持水量的百分比，或者相对于饱和水量的百分比等相对含水量来表示。当今，由于传感器技术的发展，已经有专门的土壤湿地传感器进行实时的原位测量，其工作原理就是测定两个电极间电阻的变化。一般来说，土壤湿度越大，电阻越小。不知道大家注意没有，土壤湿度传感器是横插入土壤的，而且会平行在不同深度插入好几个。这是因为，土壤湿度随深度增加变化很大。
再来看看土壤空气。土壤，由于局部孔隙的存在，不易交换，所以空气是不连续的，孔隙之间的空气组成往往也不同。土壤空气来源于大气，它存在于未被水分占据的空隙中，但其性质与大气圈中的空气明显不同。土壤空气中的CO2含量高于大气，土壤空气中的O2含量低于大气，这是由于植物根系的呼吸，以及土壤微生物对有机残体的好气性分解，消耗了土壤孔隙中的O2，同时产生了大量CO2。土壤与大气中N2的含量大致相当。土壤空气中的水汽含量一般高于大气，在土壤含水量适宜时，土壤空气的相对湿度接近100%。土壤空气中还含有较多的还原性气体。
土壤通气性，在很大程度上取决于土壤的孔隙度、孔隙分布以及充水孔隙的比例。孔隙度高的土壤，在水分长期过多时通气性也会很差，而中等以下孔隙度的土壤在水分适宜和孔隙大小适中时，其通气性也可很好。随着土壤深度增加，土壤空气中CO2含量增加，O2含量减少。如果地上覆膜，则土壤会比裸露地的CO2浓度高，O2含量也会减少。
土壤的热容量，是随土壤容重和含水量的增加而增大的。对于特定土壤来说，其固相物质的容重变化很小，而其含水量变化就比较大了，又加上水的热容量本身就比较大，所以水分对土壤热容量的影响很大那就可想而知了。
中国大部分地区，冬季温度比较低。为了在这个时期能提高土壤温度，保持土壤水分，维持土壤结构，往往在农田中会覆盖地膜。这样，一方面改进了近地面的光热条件，另一方面还可以防止害虫侵袭作物和某些微生物引起的病害，促进植物生长。而且，地膜对于那些刚出土的幼苗来说，具有护根促长的作用。
2006年，我国的青藏铁路实现了全线贯通。如何使长达550公里的冻土层保持稳定，成为青藏铁路建设成败的关键。冻土在夏季会因融化而体积缩小，这样路基会出现破裂或塌陷。为了解决这一难题，青藏铁路在修建过程中，在铁路两侧插了很多叫做“热棒”的柱子，如图所示。这也应该算是中国工程师的伟大发明了。说破了原理，就比较简单。在这些热棒里装有液态氮，当夏季的白天路基温度升高时，液态氮蒸发吸热，变成气态氮，气态氮上升到热棒的上端，通过散热片，将热量传递给空气。而到了夜间，温度降低，气态氮又冷凝成液态氮，沉入棒底。这样，通过热棒的单向导冷作用，使冻土维持低温。大家注意呀，这里是高压下的氮，所以夜间的低温足以将氮气液化。
好，有关土壤的物理性质到此结束。同学们，再见！
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