(急)土壤孔隙率和滲透率的關係
可以分別解釋滲透率和孔隙率的定義
並解釋他們兩著之間的關係
ex.孔隙率小和滲透率大時的組合
或孔隙率大滲透率小的組合
或是兩者平衡之類的狀況下,土壤的狀態
今天一定要答案
20點!!
謝謝
並解釋他們兩著之間的關係
ex.孔隙率小和滲透率大時的組合
或孔隙率大滲透率小的組合
或是兩者平衡之類的狀況下,土壤的狀態
今天一定要答案
20點!!
謝謝
- 2008-01-16 17:04:29 補充那是什麼東西.....
我問的東西跟水池沒關係阿!!
是土壤耶~老大!
地下水的含量及流動與土壤岩石的孔隙率與滲透度有關。孔隙率(porosity)係指土壤岩石內空隙體積與總體積的比值，如式(2)，孔隙率愈高，含水量愈高。滲透度是指岩石容許地下水通過的難易程度，滲透度愈大，地下水愈容易流動。一個孔隙率與滲透度均良好的地層，可以供應豐富的地下水資源，即可稱之為含水層(aquifer)。一般而言，砂層及礫石層多屬較佳之含水層，而黏土層則多屬較差之含水層。
檢視圖片
檢視圖片n 為孔隙率， Vv 為土樣孔隙體積， Vs 為土樣顆粒體積，V 為土樣總體積。不同土壤組成則有不同之孔隙率，一般水成岩孔隙率範圍如表分布
檢視圖片土壤之滲透度與滲透係數直接相關，高滲透係數代表地下水流經土壤流速較快，也代表有較佳之出水量。由達西定率可知流量為：
檢視圖片式中，K 為水力傳導係數，I 為水力坡降，A 為有效斷面積及 Q 為流量。K 值大小因不同土壤質地而異，一般參考值可由表查得。如果查得值為 -1，代表 K 值為10cm/s，若值為5，代表 K 值為0.00001cm/s，即表式此區地下水流速是非常緩慢。
http://pc183.hy.ntu.edu.tw/groundwater2.php
孔隙率porosity定義：岩石的總體積和其所含孔隙的總體積的比率
公式：porosity＝Va/Vo100% 岩石中孔隙部分的體積/（岩石中孔隙部分的體積＋岩石中固體部分的體積）100%
孔隙率隨岩石性質不同而有不同，和組成岩石顆粒的形狀、排列、淘選度（顆粒大小一致的程度）與膠結度有關。顆粒愈圓、排列愈整齊、淘選度愈佳、膠結度愈低，則岩石的孔隙率愈高。砂和礫的孔隙率較高，可以到達12%～45%，但是新沉積的黏土的孔隙率可以到達80%，所以顆粒大小與孔隙率的關係很小。
土壤孔隙為水與空氣存在之場所，亦為水與空氣進入或排出之通路，水與空氣為植物生長所必需，故土壤中孔隙所占之體積百分率（孔隙度）及孔隙之粗細對植物生長極關重要。
http://proxy.yphs.tp.edu.tw/~ypr/h34.htm
參考資料
請問達西定律是什麼?
請問達西定律是什麼?
達西定律
Darcy' s law
類別： 水質保護/水污染防治 縮寫：
別名：
定義 計算地下水流速常用公式，於1856年由法國工程師達西所提出。當流體流經透水性物質時，水體流速雨水頭損失成正比，且與流經距離成反比，可用下式表示：
V=Q/A=K•（h1-h2）/L
K為導水係數，L為長度h1、h2為兩端水頭。
Darcy' s law
類別： 水質保護/水污染防治 縮寫：
別名：
定義 計算地下水流速常用公式，於1856年由法國工程師達西所提出。當流體流經透水性物質時，水體流速雨水頭損失成正比，且與流經距離成反比，可用下式表示：
V=Q/A=K•（h1-h2）/L
K為導水係數，L為長度h1、h2為兩端水頭。
參考資料 http://edb.epa.gov.tw/edr/term_list2.asp?identifier=850
達西再做研究時他將砂子填塞在管子中，將河水引進填砂的管子，水中的懸浮顆粒經填砂過濾後，水變得澄清，這是都市自來水過濾處理的先例。達西在淨水處理成功後，他進而研究通過砂子濾層的水流流速是受什麼因子影響。他將填塞砂的管子一端給予較大的水壓力，另一端流出水的速度就加快，因此他提出：「流速的增加與壓力有關，壓力愈大通過砂層孔隙的流速就愈快。」這就是後來非常有名的「達西定律」（Darcy's Law）。他提出的地下水特性也與砂子的粗、細大小有關，含粗的砂子，通過水的流速也愈快，達西用一個參數去代表砂層的導透水特性，他稱此為「透水係數」（Hydraulic Conductivity）。
參考資料：http://www.ciche.org.tw/semimonth/vol36/36-19.asp
水不一定由乾往濕流
在一般人的印象中，水的流動當然是由濕的地方，往乾的地方流，水怎麼會由乾的地方往濕的地方流呢？在乾的地方，水都已經不夠了，怎麼可能還有多出來的水份，再往濕的地方流，這個問題太離譜了！因為一般人是這樣想，所以在十九世紀以前，大家都以為土地是乾燥的，所以土地以下會有地下水存在，是與乾燥的地表無關，水絕對不可能由乾的地表，移動到濕的地下水去。首先指出世人想法是錯誤的，「水份的移動與土地的乾、濕無關，而是與水份所承受的力（force）有關。」這是人類史上對地下水理論，貢獻最巨的達西（Henri - Philibert - Gaspard Darcy）所提出來的。
達西是一個科學界的傳奇人物，今天流體力學裏許多關鍵性的名詞，都是他首先使用的，例如受到黏滯性影響的水流流況，他稱為「層流」（Laminar flow），不受黏滯性影 響的水流流況，他稱為「亂流」（Turbulent flow），他稱水在地面上的流動，是均質（homogeneous）流體，但是水在地下流動是在岩石斷裂面，或是沈積顆粒的孔隙中移動，達西稱這種移動的水流為「孔隙介質流」（porous media flow）。達西認為水對地球上的生物這麼重要，而且許多國家的基本建設，如橋梁、渠道、堤坊、水庫、渡槽、水塔、暗管、港口等，都需要對水的流動有深刻的認識才能建造出來。達西向法國政府申請了大筆經費，在第容（Dijon）的伯肯寧（Burgundian）水道與歐及（Ouche）河之間設計了一 條596.5公尺長的人工河流，這是人類工程史上重要的一步，達西成立了第一個「水工實驗室」（Hydrotech laboratory）。
奇特的運河
當這一條人工河流建造完成時，很多官員看了以後責備達西浪費公帑，因為這一條人工河道有一段是矩形斷面，又有一段是長方形斷面，再過去更讓人傻了眼，還有半圓形斷面，與橢圓形斷面。「沒有一條船，能夠在你建的河道上行駛嘛！」出錢的大官抗議道。達西回答：「這條河道不要給船行駛的，是要精確的量測水流在不同河川斷面上的流速變化。」達西是有遠見的，但是知音很少，當時的人沒有辦法瞭解怎麼會有一條河流，是故意做來不讓船航行的，而其目的竟是要幫助所有其他河流，能讓船航行的更好。達西的壓力太大，他沒有想到一個科學家與外界有太多金錢來往時，他要面對的不再是單純的研究，而是複雜的人與錢的問題。達西在五十歲以後，開始有憂鬱的癥狀，二年後有精神分裂的傾向。
這時達西推掉一切的外務與工作，專心以地下水作為他最後的一個研究。他將砂子填塞在管子中，將河水引進填砂的管子，水中的懸浮顆粒經填砂過濾後，水變得澄清，這是都市自來水過濾處理的先例。達西在淨水處理成功後，他進而研究通過砂子濾層的水流流速是受什麼因子影響。他將填塞砂的管子一端給予較大的水壓力，另一端流出水的速度就加快，因此他提出：「流速的增加與壓力有關，壓力愈大通過砂層孔隙的流速就愈快。」這就是後來非常有名的「達西定律」（Darcy's Law）。他提出的地下水特性也與砂子的粗、細大小有關，含粗的砂子，通過水的流速也愈快，達西用一個參數去代表砂層的導透水特性，他稱此為「透水係數」（Hydraulic Conductivity）。
重力的影響
由砂層的淨水實驗，達西推想到地下水的流動，也是受水的壓力與含水層透水係數的影響。這個達西定律就成為後來地下水理論的基礎。既然水的流動主要是受力的影響，就與土壤水份的乾燥或潮濕無關。所以水份的移動不一定是濕往乾處流，而是由力較大的地方，流向力較小的地方。
達西的發現影響普世對於地下水的維護與使用，「未來要使用地下水，今天必須要有足夠的水維持在地面上，讓其有機會流進土壤， 未來才有地下水。」地下水資源像是一個銀行，必須要有存放，未來才有水可以支出。今天我們注重的「水土保持」，標榜的「水資源永續利用」，關懷的「森林集水區管理」，都是源自達西的理論，要讓地表面的水有足夠的機會進入地下水中。
達西的看法，當時的人認為是癡人夢話，是精神病患者的無稽之談。一八五七年達西病逝，九年以後，他的作品「水力研究集」（Reckerchs hydrauliques）才被整理，發表出去。今天，世界各國的自來水淨水處理，地下水資源管理，都是建立在這一個被誤解的精神病患上面。
在一般人的印象中，水的流動當然是由濕的地方，往乾的地方流，水怎麼會由乾的地方往濕的地方流呢？在乾的地方，水都已經不夠了，怎麼可能還有多出來的水份，再往濕的地方流，這個問題太離譜了！因為一般人是這樣想，所以在十九世紀以前，大家都以為土地是乾燥的，所以土地以下會有地下水存在，是與乾燥的地表無關，水絕對不可能由乾的地表，移動到濕的地下水去。首先指出世人想法是錯誤的，「水份的移動與土地的乾、濕無關，而是與水份所承受的力（force）有關。」這是人類史上對地下水理論，貢獻最巨的達西（Henri - Philibert - Gaspard Darcy）所提出來的。
達西是一個科學界的傳奇人物，今天流體力學裏許多關鍵性的名詞，都是他首先使用的，例如受到黏滯性影響的水流流況，他稱為「層流」（Laminar flow），不受黏滯性影 響的水流流況，他稱為「亂流」（Turbulent flow），他稱水在地面上的流動，是均質（homogeneous）流體，但是水在地下流動是在岩石斷裂面，或是沈積顆粒的孔隙中移動，達西稱這種移動的水流為「孔隙介質流」（porous media flow）。達西認為水對地球上的生物這麼重要，而且許多國家的基本建設，如橋梁、渠道、堤坊、水庫、渡槽、水塔、暗管、港口等，都需要對水的流動有深刻的認識才能建造出來。達西向法國政府申請了大筆經費，在第容（Dijon）的伯肯寧（Burgundian）水道與歐及（Ouche）河之間設計了一 條596.5公尺長的人工河流，這是人類工程史上重要的一步，達西成立了第一個「水工實驗室」（Hydrotech laboratory）。
奇特的運河
當這一條人工河流建造完成時，很多官員看了以後責備達西浪費公帑，因為這一條人工河道有一段是矩形斷面，又有一段是長方形斷面，再過去更讓人傻了眼，還有半圓形斷面，與橢圓形斷面。「沒有一條船，能夠在你建的河道上行駛嘛！」出錢的大官抗議道。達西回答：「這條河道不要給船行駛的，是要精確的量測水流在不同河川斷面上的流速變化。」達西是有遠見的，但是知音很少，當時的人沒有辦法瞭解怎麼會有一條河流，是故意做來不讓船航行的，而其目的竟是要幫助所有其他河流，能讓船航行的更好。達西的壓力太大，他沒有想到一個科學家與外界有太多金錢來往時，他要面對的不再是單純的研究，而是複雜的人與錢的問題。達西在五十歲以後，開始有憂鬱的癥狀，二年後有精神分裂的傾向。
這時達西推掉一切的外務與工作，專心以地下水作為他最後的一個研究。他將砂子填塞在管子中，將河水引進填砂的管子，水中的懸浮顆粒經填砂過濾後，水變得澄清，這是都市自來水過濾處理的先例。達西在淨水處理成功後，他進而研究通過砂子濾層的水流流速是受什麼因子影響。他將填塞砂的管子一端給予較大的水壓力，另一端流出水的速度就加快，因此他提出：「流速的增加與壓力有關，壓力愈大通過砂層孔隙的流速就愈快。」這就是後來非常有名的「達西定律」（Darcy's Law）。他提出的地下水特性也與砂子的粗、細大小有關，含粗的砂子，通過水的流速也愈快，達西用一個參數去代表砂層的導透水特性，他稱此為「透水係數」（Hydraulic Conductivity）。
重力的影響
由砂層的淨水實驗，達西推想到地下水的流動，也是受水的壓力與含水層透水係數的影響。這個達西定律就成為後來地下水理論的基礎。既然水的流動主要是受力的影響，就與土壤水份的乾燥或潮濕無關。所以水份的移動不一定是濕往乾處流，而是由力較大的地方，流向力較小的地方。
達西的發現影響普世對於地下水的維護與使用，「未來要使用地下水，今天必須要有足夠的水維持在地面上，讓其有機會流進土壤， 未來才有地下水。」地下水資源像是一個銀行，必須要有存放，未來才有水可以支出。今天我們注重的「水土保持」，標榜的「水資源永續利用」，關懷的「森林集水區管理」，都是源自達西的理論，要讓地表面的水有足夠的機會進入地下水中。
達西的看法，當時的人認為是癡人夢話，是精神病患者的無稽之談。一八五七年達西病逝，九年以後，他的作品「水力研究集」（Reckerchs hydrauliques）才被整理，發表出去。今天，世界各國的自來水淨水處理，地下水資源管理，都是建立在這一個被誤解的精神病患上面。
參考資料：http://www.ciche.org.tw/semimonth/vol36/36-19.asp
（Mg相對很小故常省略）
：體積水分含量。
：殘餘水分含量。
：飽和水分含量。
：matric suction 
：air-entry suction
,10-3~10-2；
or
：流量
：水頭差，水頭=重力頭+壓力頭，H= z+h
：水力梯度
：未飽和時為基質吸力，(飽和時可為壓力或壓力頭)
.
第一章 緒 論
第一節 前言
1.
希伯來文
(1) “adama” means “earth” “soil”
(2) “ha-adam” implies “of the soil”＝＞ Adam and Hava
(3) “Adam” ：人類的生命來自土壤亦歸於土壤。
(4) “Hava(Eva)”:：賦予生命。
2.
拉丁文
(1)“homo” 源自“humus”：土壤中的生命物質。
(2)“human” implies “of the soil”
3.
古希臘
(1)“the earth was Gaea”
(2)“geology” “geophysics”
(3)“George”means “working the soil”
4.
不同領域之觀點
(1) 地質學家和工程師：土壤是岩石碎裂後之細顆粒礦物組成。
(2) 水文學家：土壤是集水區內影響水文循環及水平衡之暫時貯蓄體。
(3) 生態學家：土壤是許多微生物及小動物棲息之地。可提供植物養分及生長之介質。
(4) 農民：土壤會影響作物之生長及家畜之健康。
第二節 土壤簡介
1.
定義：土壤 ( soil )為覆蓋於地球陸地表面，為岩石經風化作用再經一定程序所形成之自然物質，由細碎礦物質和有機質組成。
說明：土壤是一種複雜之動態生態系，具有結構性與生物性質。具植物生長所需之養分、水分及空氣，並含有令生命物質循環之大量微生物族群。
說明：土壤是一種複雜之動態生態系，具有結構性與生物性質。具植物生長所需之養分、水分及空氣，並含有令生命物質循環之大量微生物族群。
2.
土壤的組成：
(1) 土壤具有三相四組成
(2) 礦物質 (固相)：是土壤之物質基礎主要成分為SiO2
(3) 有機質 (固相)：由動植物之殘餘物質在不同分解狀態之成分所組成
(4) 土壤溶液 (土壤水分) (液相)：含有鈉、鉀、鈣、鎂、鋁等陽離子氯、硝酸根、硫酸根等陰離子
(5) 土壤空氣 (氣相)：主要成分為氮、氧、二氧化碳及水蒸氣
(6) 土壤之固相部分一般稱為土壤基質(soil matrix)
(7) 土壤孔隙：土壤中鬆散固體粒子或粒團之間有孔隙之存在。土壤孔隙為水與空氣存在之場所，亦為水與空氣進入或排出之通路。
3.
土壤的功能
(1) 植物生長之介質
(2) 動物活動之基礎（生物棲息地）
(3) 物質能量循環場所
(4) 涵養水源、淨化水質
(5) 工程建物之材料及基礎
(6) 廢棄物堆置場
4.
成土因子(土壤的生成因子)
(1) 氣候(climate) ：降雨、溫度。
(2) 生物(Organism) ：
a. 植生：
(a) 改變微氣候
(b) 降低沖蝕、穩定土壤
(c) 增加透水性、加強淋洗
(d) 供應有機質
(e) 元素及水分之提升轉移
b. 微生物：
(a) 協助岩石風化
(b) 分解有機質
(c) 固氮
(3) 地形(topography) (坡度、坡向、高低)：
a. 坡地易受沖蝕
b. 高地易排水，易氧化，有機質少
c. 低窪地間歇浸水，有機質不易分解
(4)
母質(parent material) 為非固結物質，經外力運移之堆積岩石或風化之岩層：
a. 決定土壤化學成分與礦物成分
b. 質地
c. 構造
d. 透水性
(5)
時間(time)：影響風化及化育之完整性
5.
土壤生成過程
(1)
風化作用(weathering)：地表或近地表之岩石與空氣和水分接觸，或因生物活動而產生物理化學之變化，使岩石碎裂或形成新礦物
a. 物理風化(崩解作用)
(a) 溫度變化
(b) 水、冰之相變
(c) 風、水之摩擦
b. 化學風化(化學分解作用) 改變礦物成分
(a) 氧化還原作用
(b) 水合作用
(c) 水解作用
(d) 溶解
c. 生物風化：岩石或其中之礦物受生物之生長、活動、殘餘物或分解產物作用下，所產生的風化過程：
(a) 物理性：根之延展、森林火災、風壓
(b) 化學性：鹽基之釋放、微生物代謝、蚯蚓之吞食、根之呼吸
(2)
淋溶作用(leaching)：可溶性物質自土壤中移出之過程。
(3)
洗出作用(eluviation)：土壤中可溶性或懸浮性物質，隨水由上層移至下層之作用。
(4)
洗入作用(illuviation)：自上層土壤洗出之土壤物質澱積於下層土壤中。
(5)
其他：
a. 灰(壤)化作用
b. 鈣化作用
c. 紅壤化作用
d. 鐵鋁化作用
e. 鹽土化作用
f. 鹼土化作用
6.
土壤剖面：經由各種成土作用，土壤會逐漸具有分層現象，從地表由上而下之垂直切面，稱為土壤剖面。從土壤剖面可清楚地看到顏色、質地及結構都不同的數個層次，可顯示各種成土作用的強弱、成土時間的長短等，也是土壤分類的重要依據之一。
(1)
O層：有機質層
(2)
A層：洗出層
(3)
B層：洗入層
(4)
C層：母質(未固結岩石)
(5)
R層：岩床
7.
土壤學之研究
(1)
理論土壤學(pedology)
土壤生成、土壤化育、土壤形態、土壤生態、土壤分類
土壤物理、土壤化學、土壤物理化學、土壤微生物、土壤膠體、土壤礦物
(2)
應用土壤學(edophology)
土壤肥力、土壤管理、土壤改良、土地利用、土壤調查
森林土壤、溼地土壤、土壤力學、土壤復育
第三節 土壤物理簡介
1.
土壤物理為土壤科學之分支，針對土壤物理性質之研究，包括物理過程之量測、預測與控制。著重於物質能量之狀態及變化。
2.
土壤物理基本性質：
(1)
土壤質地—粒徑分佈
(2)
土壤結構—顆粒及孔隙之排列
(3)
土壤水分—入滲、重新分佈、水分特性曲線、飽和及未飽和水分移動等
(4)
土壤通氣性—根域與大氣氣體之交換
(5)
土壤溫度及熱量—熱傳及熱域
3.
土壤物理的研究
(1)
傳輸現象
a.
水分(未飽和及飽和水分移動)
b.
溶質(養分化學物質之移動)
c.
空氣(氧氣之移動)
d.
熱量(土壤溫度及熱通量之變化)
e.
顆粒
f.
病菌
(2)
蒸發散
(3)
灌溉排水
(4)
土壤壓密
(5)
土壤性質之時空變異
(6)
量測技術
(7)
地理資訊系統
(8)
模式模擬
4.
土壤物理的發展
(1)
4000年前—灌溉排水
(2)
17世紀末—逐漸形成一門學問
(3)
19世紀 —成為農業研究重要部分
(4)
1930年代—完成數學基本架構
5.
土壤物理與相關課程
(1)
數學
(2)
物理
(3)
氣象學
(4)
水文學
(5)
植物學
(6)
生態學
(7)
沖蝕原理
(8)
土壤力學
6.
學習土壤物理之領域
(1)
水土資源保育(水土保持)
(2)
農業工程
(3)
土砂災害防治
(4)
土壤環境
第二章 土壤基本物理性質
第一節 基本土壤物理量
1.
土壤的質量與體積
（Mg相對很小故常省略）
2.
密度：物體質量除以體積的值
(1) 水的密度
一般假設在土壤裡
1
=1000
。實際上土壤中均為水溶液。
1=1000。實際上土壤中均為水溶液。
(2) 土壤顆粒密度(土粒密度)(soil particle density)
一般礦物
2600~2850平均值2700
2600~2850平均值2700
有機物質1200~1500平均值1400
1200~1500平均值1400
土壤固相(前述二項之混合)
2600~2700平均值2650
2600~2700平均值2650
註:已知礦物成分之土壤，其顆粒密度為固定值。
(3) 土壤乾總體密度(soil dry bulk density)
一般 
1000~1800
1000~1800
砂土 1600
1600
黏土 1100
1100
有機土800~1000
800~1000
(4) 土壤溼總體密度(soil wet bulk density)
3.
孔隙
(1)
孔隙率(孔隙度)(porosity)
a. 孔隙率為土壤孔隙體積之指標
b. 一般土壤孔隙度介於0.3~0.6m3 /m3之間。通常以百分比表示(30%~60%)
c. 孔隙率會隨土壤深度減
d. 粗質地土壤之總孔隙率較細質地土壤小，但個別孔隙大。
(2)
氣體孔隙率(aeration porosity) ：表示空氣在孔隙中之體積分率，隨著體積水分含量而變。
4.
水分含量
重量水分含量(質量溼度) (gravimetric water content)：
土壤中水分質量與乾土質量之比。
土壤中水分質量與乾土質量之比。
乾土：土壤在105℃ 環境，烘乾至水分平衡。
(2)
體積水分含量(體積溼度)(volumetric water content)：
土壤中水分體積與總體積之比。
土壤中水分體積與總體積之比。
(3)
飽和度(degree of saturation)
飽和(saturation)：土壤孔隙充滿水分，s
100%。
100%。
未飽和(unsaturation)：土壤孔隙部分充滿水，s<100%。
(4)
有效飽和度(無因次水分含量)
：體積水分含量。：殘餘水分含量。：飽和水分含量。
5.
相關等式
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
證明: 
6.
例題：
(1)
有一土壤總體密度為1200，顆粒密度為2650，取其土壤樣品100克 ，經烘乾後乾土重80克 ，試求其孔隙率、重量水分含量及體積水分含量。
，顆粒密度為2650，取其土壤樣品
(2)
有一農地面積1公頃 ，土層深5公尺 ，若孔隙率為40%，試求此面積之土壤完全飽和時可容納多少體積之水。若某次降雨下了200m m的雨水，則飽和之有效土深為多少。
(3)
已知自野外取回土壤樣品時，其重量為30 g ，體積為20
，在室內經105℃ 烘乾24小時後，其重量剩25 g ，設此土壤具有之土粒密度為2.6
。試求：總體密度、孔隙率、重量水分含量、體積水分含量及飽和度。
，在室內經。試求：總體密度、孔隙率、重量水分含量、體積水分含量及飽和度。
(4)
What is the equivalent depth of
water contained in a soil profile 1 m
depth if the wetness of the upper 0.4 m
is 15% and that of the lower 0.6 m
is 25%?
Sol: Assume bulk density of1200
kg /m2 in
the upper layer and 1400 kg /m3 in the lower layer.
Sol: Assume bulk density of
第三章 土壤質地
第一節 質地
1.
土壤質地即是土壤顆粒的粒徑分佈(Particle Size Distribution)情形。
2.
土粒一般不為球形，此處所謂粒徑係指在分析時(過篩或沉降法)，相當於球形土粒之直徑，或稱為等效直徑（Equivalent
diameter）。
3.
大部分的土壤和泥沙是由不同粒徑的土粒混合組成。
4.
粒徑分析為利用土粒粒徑大小將土壤分成砂粒(Sand)、坋粒(Silt)、黏粒(Clay)等三種類別。傳統分析方法是由一組孔徑不同的篩子，將不同尺寸範圍的土粒分離。
5.
土壤質地分類是根據砂、坋、黏粒所占之相對比例表示。
6.
土壤分類系統：
USDA
|
ISSS
|
USCS
|
|
礫石(Gravel)
|
>
|
>
|
7.62~
|
砂粒(Sand)
|
2~
|
2~
|
4.75~
|
坋粒(Silt)
|
0.05~
|
0.02~
|
<
|
黏粒(Clay)
|
<
|
<
|
<
|
美國農部USDA:U.S.
國際土壤學會ISSS: International Soil
Science Society
統一土壤分類USCS: Unified Soil
Classification
7.
美國農部之土壤質地三角圖
8.
美國農部之土壤質地三角圖將土壤分為12類：
(1) 粗質地之土壤:砂土、壤質砂土、砂質壤土。
(2) 細緻質地之土壤:黏土、坋質黏土、砂質黏土。
(3) 中等質地之土壤:壤土、坋質壤土、坋土、黏質壤土、砂質黏壤土、坋質黏壤土。
9.
壤土在三角圖中的中間位置，表示其是由粗細土粒混合而成。且具有一定比例的砂土、坋土及黏土性質。
10.
對於農業及植物的生長而言，壤土常是最佳的選擇。它對於水及養分的涵養量較砂土好，同時它的排水性通氣性及農耕性質也比黏土來的合適
11. 土壤質地是一種土壤的自然屬性，為重要之土壤物理性質，可決定土壤排水、通氣、保肥等作物生長因子是否適宜。
12. 質地之粗細，不易使用人為方法改變。
第二節 粒徑分佈的分析(.Determination of Particle Size Distribution)
1.
機械(力學) 分析：決定土壤粒徑分佈的方法。
2.
自然狀態下土壤甚少以單粒存在，大多以次級土粒或團粒（Aggregates）狀態存在。即許多粒子經由粘著(結合)劑（Cementing agents）之作用，結合成穩定之土粒。
3.
機械分析的步驟：
(1)
分散土粒
(2)
測定粒徑分佈
4.
分散土粒：
(1)
分散作用又可分兩部份：
a.
除去粘著(結合)劑
b.
絮散土粒
(2) 土粒聚合之粘著劑
a.
黏粒或其他膠體
b.
有機質
c.
鐵、鋁之氧化物
d.
矽之化合物
e.
碳酸鈣與碳酸鎂
(3) 物理方法:
i.
震盪(含聲波)
ii.
攪拌（不規則）
iii.
旋轉（固定）
iv.
用噴嘴撹動
v.
煮沸法
(4) 化學方法
a.
用過氧化氫（雙氧水）破壞有機鏈結
b.
用醋酸鈉去除碳之鏈結
c.
檸檬酸鈉溶液可溶解鐵之鏈結
d.
偏磷酸鈉：以鈉取代吸附於土壤黏粒表面之陽離子(H+及Ca+2)，但加太多會發生絮聚作用。
5.
測定土樣粒徑分佈(土樣分離)
(1)
篩分析(乾篩或溼篩)
標準篩號
Sieving size
|
mm
|
#4
|
4.76
|
#8
|
2.36
|
#10
|
2.00
|
#20
|
0.85
|
#40
|
0.425
|
#60
|
0.25
|
#100
|
0.15
|
#140
|
0.106
|
#200
|
0.075
|
#325
|
0.045
|
(2)
沉降法
Stokes定律：
有一球狀顆粒落入水中，所受力量計有重力、浮力及摩擦阻力。
a.
重力 
b.浮力 
c.
摩擦阻力與顆粒之半徑、下降速度及流體的黏滯係數成比例。
最初重力大於浮力，合力不等於0，故速度加快，摩擦阻力亦加大。
直到合力為0，此時顆粒以終端速度下降。
例題：
h=0.2m
T=30℃ （η=0.0008 kg /ms）
g=9.81m /s2
ρs=2.65×103 kg/m3
ρw=1000
kg/m3 d=50μm
Sol:
Stokes定律之基本假設
(1)
顆粒夠大，不受流體分子熱運動(布朗(Brownian)運動)影響。
(2)
顆粒為剛性、光滑之球體
(3)
所有顆粒具有相同之密度
(4)
懸浮液需充分稀釋，使顆粒不相互干擾，可獨立沉降。
(5)
顆粒周圍的流體之流動為層流，在此狀態下沒有任何顆粒，超過紊流之臨界流速。
6.
例題：
Diameter
|
seperate
|
M（g）
|
P（﹪）
|
ΣP（﹪）
|
2000~1000
|
Very coarse
|
1.2
|
0.6
|
100
|
1000~500
|
Coarse
|
2.6
|
1.3
|
99.4
|
500~250
|
Medium
|
4.8
|
2.4
|
98.1
|
250~100
|
Fine
|
19.4
|
9.7
|
95.7
|
100~50
|
Very fine
|
22.6
|
11.3
|
86
|
50~20
|
coarse
|
70.8
|
35.4
|
74.7
|
20~5
|
Medium
|
46.6
|
23.3
|
39.3
|
5~2
|
Fine
|
10.2
|
5.1
|
16
|
<2
|
clay
|
21.8
|
10.9
|
10.9
|
第三節 比表面積
1.
表面積之種類：
(1)
單位土粒質量之表面積：
（m2/kg）
（m2/kg）
(2)
單位土粒體積之表面積：
（m2/m3）
（m2/m3）
(3)
單位總體積之表面積：
（m2/m3）
（m2/m3）
2.
砂土之 am 常小於 1m2 /g（10-3m2 /kg），粘土之am >100
m2 /g（0.1
m2 /kg）
3.
同體積下顆粒越小表面積越大
4.
黏粒表面積大帶電荷多，故黏土保水力強。
5.
長方體 球體
第四章 黏粒的性質和行為
第一節 介紹
1.
黏土是粒徑<0.002m m的土粒，或是大部分顆粒組成在此粒徑範圍內的土體。
2.
砂土與坋土主要是由抵抗風化能力較佳的原生礦物組成。
3.
黏土主要是次生礦物所組成。
※ 原生礦物:礦物組成與母岩相同者（物理作用）。
※ 次生礦物:由原生礦物分解，再重新組合之礦物。
第二節 黏土礦物的結構
1.
溫帶地區的黏土多含鋁矽酸鹽，而熱帶地區的黏土多含水合的氧化鐵鋁。
2.
典型的鋁矽酸黏土會呈現層狀的微結晶構造，此結晶主要由兩種基本構造單位組成：
(1)
四面體(Tetrahedron)：四個端點上各有一個氧原子，中間有一陽離子，此離子通常為矽。
(2)
八面體(Tetrahedron)：六個氧原子，包圍一個半徑較大、價數較低的陽離子，此陽離子通常為鋁或鎂。
3.
同型取代(置換)(Isomorphous
replacement)：
(1)
礦物在結晶時，陽離子被另一相近尺寸的陽離子取代。『同形』之意為此取代不易改變結晶的形狀，只有合適的陽離子使得結晶穩定 (不造成結構變形的陽離子才能同形取代 )。
(2)
土壤中之矽離子為大小類似之鋁、鎂離子所取代。
4.
四面體的黏土結構，其端點為氧原子，以共角方式形成一六邊的網絡，進而構成一僅0.493nm厚的平面
5.
八面體的黏土結構以共邊方式形成近似三角形的構造，其厚度約為0.505nm
6.
主要黏土礦物可分為具結晶有結構之型式及未定形。層狀的鋁矽酸黏土，依其四面體和八面體的結構比例，可分為1:1及2:1兩 種主要類型
7.
1:1 型
(1)
高嶺石
(2)
多水高嶺石
(3)
狄克石
8.
2:1 膨脹型
(1)
蒙特石
(2)
多鋁蒙特石
(3)
蛭石
9.
2:1 非膨脹型
(1) 伊來石
第三節 表面電荷
1.
表面電荷
甲、
矽酸礦物因同型取代而帶負電。
乙、
在結晶邊緣(斷鍵)有多餘的負離子存在。
丙、
—OH及—COOH之氫離子解離而帶負電。
2.
土壤可吸附陽離子以中和負電。吸附的陽離子包括Na+、K+、H+、Mg2+、Ca2+和Al2+，上述陽離子並非土壤結構，在土壤溶液中的陽離子可取代之。
3.
靜電雙重層(electrostatic double layer)（電雙層）
甲、
當膠體顆粒近乾燥時，中和之逆離子會吸附在其表面。
乙、
濕潤時，部分離子會從土粒表面游離至溶液中。
丙、
顆粒表面的多重陰離子及附近游離的陽離子，形成靜電雙重層(電雙層)。
4.
電雙層中的陽離子可分為兩層，一為Stern層（聚集層），聚集在顆粒表面附近之陽離子，不易移動；另一為Gouy層（擴散層），此層的陽離子分布在離顆粒表面越遠，含量百分比越小，濃度降低。
5.
擴散電雙層之厚度：為黏粒表面陽離子濃度與溶液濃度相近時之距離。
6.
電雙層之厚度隨陽離子價數增加，厚度變小；溶液陽離子濃度增加，厚度變小。
第四節 離子交換
1.
電雙層中的陽離子被溶液中的陽離子取代或替換
2.
陽離子交換量(cation exchange capacity)：土壤表面可能保持之陽離子數量，稱為陽離子交換量亦稱為陽離子吸附量(cation
adsorption capacity)。一般以kmol / m3 (舊制me/100g )表示之。
3.
在電中性的狀態下，可交換的陽離子總電價數幾近定值，與陽離子的種類無關，與黏粒含量、黏土種類有關，理論上等於土壤之比表面積乘表面電荷密度。
4.
陽離子交換量會影響
甲、
土壤離子的移動與保持，進而影響植物生長及環境污染物的傳輸。
乙、
土壤膠體的絮聚-絮散過程。
5.
陽離子交換反應之大小為 Al3+>>Ca2+>Mg2+>>NH+>K+>H+>Na+>Li+。
例: Na2〔Clay〕+Ca2+→Ca〔Clay〕+2Na+
i.
半徑愈小價數愈高，吸附力愈大。
ii.
水合度愈大，吸附力愈小(鈉的水合度高)。
第五節 水合與膨脹
1.
水合機制(hydration mechanism)：
i.
水分子具雙極性，與黏粒表面間之電荷具靜電引力。
ii.
水分子與結晶邊緣之氧原子形成氫鍵。
iii.
吸附在黏粒上之陽離子具親水性，有助於黏粒的水合作用。
2.
土粒不可能完全乾燥，在標準烘乾狀態下(使用105℃ 的溫度連續烘乾24小時)，土粒內依然含有少許水分。
3.
風乾土壤內部的重量水分含量取決於土壤的多寡及種類，以及週遭空氣的溼度。
4.
在烘乾狀態下，水與黏粒間的黏結非常緊密，可視為黏粒的一部分。當水分增加，水膜會逐層增加、變厚，黏粒對水的吸力逐漸減弱。
5.
水合對黏土整體的物理性質之影響
i.
強度
ii.
塑性
iii.
水之傳導
iv.
導熱性
6.
受局限之黏粒(乾燥土壤)吸水時，會展開吸附於其上之陽離子群，相鄰之黏粒即會相互排斥，而產生內部膨脹及外部膨脹。
7.
單價陽離子因易於開展，膨脹排斥力最大。
8.
影響膨脹量之因素：
i.
黏粒種類及數量
ii.
顆粒之排列
iii.
粘著劑(結合劑)：鐵鋁氧化物、碳酸鹽、腐植質
iv.
吸附之陽離子及土壤溶液之鹽度
第六節 絮聚及分散
1.
在黏粒之懸浮液中，黏粒間同時具有引力及斥力，斥力大時為分散狀態，或稱膠溶，引力明顯時呈絮聚現象，此現象近似於有機物之膠結。
2.
力學機制：
i.
土壤在水溶液中，黏粒間因電雙層陽離子之延展，故黏粒相互排斥。
ii.
受外力使黏粒接近至15埃時，陽離子會混合形成單一層，吸引兩側之黏粒。
iii.
當土粒間隔非常靠近（如乾燥或夯實狀態下），土粒間會產生另一種吸引力，即倫敦—凡德瓦(London-van der
Walls)力。
iv.
當土粒接近到開始碰撞時，會產生一阻擋土粒碰觸之力，稱為鮑恩(Born)力，此力只會在土粒間距非常接近時才會發生。
3.
易分散之條件：
i.
在安定的稀釋溶液，膠粒間的排斥力明顯
ii.
pH高的強鹼溶液中
iii.
單價陽離子電雙層會完全展開
iv.
機械振盪
4.
易絮聚之條件：
i.
含高價陽離子
ii.
溶液陽離子濃度高時小
第七節 有機質
1.
有機質(organic matter)由動、植物之殘餘物質在不同分解階段之成分所組成，主要為植物之枯枝、落葉等物質。
2.
腐植質(humus)：動植物殘餘物質分解後，形成暗棕色、複雜非結晶(無定形)之膠體、並含有土壤生物的混合物，為較安定之有機質。不包含未分解或部分分解之殘餘物。
3.
腐植化作用：動植物殘餘物受生化分解時
(1)
部分為微生物所吸收，成為微生物之一部分組成。
(2)
部分可分解成為無機物。
(3)
難分解的物質與微生物混合組成腐植質。
4.
腐植質主要元素為碳、氧及氫。結合而成之主要成份(化合物)
(1)
變質之木素：如樹脂、木素
(2)
木素蛋白：木素與蛋白質含氮有機物結合
(3)
多醣醛酸聚合物：微生物死亡後不易分解之組織
5.
另依溶於酸鹼可分為
(1)
腐植素：不溶於酸鹼
(2)
腐植酸：溶於鹼
(3)
黃酸：溶於酸
6.
腐植質之性質：
(1)
因碳基（－COOH)或苯基之分解而帶負電
(2)
陽離子交換量較黏粒大，且隨pH值之增加而變大
(3)
在土壤水分、溫度及通氣性改變時，會受微生物作用而改變
7.
有機質之功能
(1)
物理方面
a.
改變土壤之視質地
(a)
增加入滲能力
(b)
增加保水力
(c)
提高土壤溫度
b.
促進團粒之結合，形成穩定構造
(2)
化學方面
a.
增加陽離子交換量
b.
提供植物養分
c.
穩定微量元素
(3)
生物方面
a.
微生物之食物
b.
充當生長素
(4)
礦物方面
a.
減少鐵錳結核之形成
8.
影響有機質分解之功能
(1)
通氣性：通氣性佳有機質少
(2)
水分：水分高有機質多
(3)
溫度：溫度高分解速度快
(4)
養分：含氮高有機物分解快
(5)
碳氮比：碳氮比低有機物分解快
第五章 土壤構造及團粒
第一節 介紹
1.
土壤基質(soil matrix)：
i. 土壤的固體部分。
ii. 不同壤顆粒聚合，並膠結成一具有空間性質的連續網路系統。
2.
土壤構造(soil structure)：
i. 土壤顆粒排列所構成的形態。
ii. 土粒間結合或排列以組成團粒之情形
iii. 土粒藉由膠結劑(有機物、氧化物、粘粒及無定型物質等)產生自然結合或排列的狀態。
3.
土壤構造的類型
i. 單粒(single grain)：土壤顆粒間缺乏內聚力，相互不結合，構造疏鬆。如粗顆粒之砂土或未固結堆積物
ii. 整體(集塊)(massive)：內聚力強之土粒，堆積成緊密土塊，如乾燥之黏土—青灰岩。
iii. 團粒(aggregated)：含適當黏粒之土壤中，初生礦物自然結合成較穩定的構造單位，介於單粒與整體構造之間。各種自然團粒合稱為自然土塊(peds)
第二節 團粒的形狀
1.
板狀(platy)：橫軸>縱軸：由細扁的團粒形成的水平夾層，狀於夾心餅
2.
柱狀（prismlike）：縱軸>橫軸，切面通常為六邊形，頂面直徑15公分 ，此種結構普遍存在於B層之中。
甲、
稜柱狀(prismatic) ： 頂面平坦者
乙、
圓柱狀（columnar）：圓頂
3.
塊狀（blocklike）：縱軸≒橫軸，近似於立方體，頂面積10c m見方，此種結構普遍存在於B層上方
甲、
稜塊狀（angular blocky）
乙、
亞稜塊狀（subangular blocky）
4.
球狀（spheroidal）：縱軸≒橫軸，形狀為圓形，直徑不超過2公分 ，通常存在鬆散的A當中。
甲、
粒狀（granular）
乙、
屑粒狀（crumb）
第三節 團粒的形成與破壞
1.
團粒形成的過程
(1)
單粒經絮聚作用(flocculation)形成粒團
(2)
再經膠結作用(cementation)形成團粒
2.
影響團粒形成的因子
(1)
黏粒內聚力
(2)
鐵鋁氧化物
(3)
有機質
a.
蚯蚓等小型動物之活動
b.
微生物活動(分泌多醣體)
c.
腐植質
d.
根系的伸展
(4)
其他因子
a.
耕作方式
b.
水的乾溼交替
c.
人工土壤改良劑
3.
團粒的破壞
(1)
根系的伸展
(2)
水的乾溼交替
(3)
雨滴打擊
(4)
逕流沖刷
(5)
風力侵蝕
(6)
人類活動:含耕作方式及工程
4.
團粒穩定度：團粒受外力破壞的難易程度
(1)
團粒在水中相當安定，但在外力作用下仍會破壞
(2)
團粒的形成與破壞是隨時變動的
5.
團粒穩定度的測定方法
(1)
多重溼篩法
(2)
水滴法
(3)
……
第四節 土壤結殼
1.
土壤結殼：表土團粒受破壞，團粒崩潰，於溼潤狀態下，分散之顆粒堵塞粗孔隙，形成厚達數公分之光滑土層，阻礙水分及空氣之流通，乾燥時，形成密實堅硬之殼。
2.
交換性鈉百分率高，低鹽分之土壤，膠體易分散，易形成結殼。
第五節 土壤孔隙
1.
土壤孔隙：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.
單粒土壤之孔隙分佈為單峰分佈，團粒土壤之孔隙分佈為雙峰分佈。
3.
粗孔隙：土壤團粒間之孔隙
4.
微孔隙：土壤團粒內之孔隙
5.
粗孔隙(macropores)：通常肉眼可見，其大小由數mm到cm不等，為水分及空氣流動之通道 。
6.
微孔隙(micropores)：黏土之微孔隙大小在μm左右，具保持水分及溶質之能力，微孔隙內的水不連續且不易流動。此種水分常稱為「吸附水」或「殘餘水」。
7.
毛管孔隙：為中等質地土壤的典型孔隙，其尺寸範圍從μm至mm不等。
第六章 土壤水分含量及勢能
第一節 介紹
1.
土壤水分的重要性
1.
礦物風化及有機質腐爛所需
2.
植物生長之重要因子
a.
供給植物生長所需
b. 降低植物體之溫度
c.
輸送養分
2.
水分對土壤性質的影響
1.
力學性質：如結持性、塑性、強度、夯實度、穿透性、黏著性、承載度。
2.
黏土的膨脹與收縮。
3.
空氣含量與氣體交換：間接影響根系呼吸作用、微生物活性、土壤化學狀態。
3.
土壤水分：水分以水氣或液態存於土壤中。
4.
最低土壤水分含量：自然條件下為風乾；實驗室中為烘乾。
5.
最高土壤水分含量：飽和狀態；即土壤內的孔隙全部充滿水，此狀態在膨脹性土壤不易界定。
6.
土壤水分含量
1.
重量水分百分率(重量水分含量)(mass wetness)：
2.
體積水分百分率(體積水分含量)(volume wetness)：
3.
4.
土壤水分等效深度
甲、
土壤深度乘體積水分百分率
乙、
降雨、入滲、蒸發散、灌溉、逕流水深等常用相同單位表達
7.
早期土壤水分分類
1.
結晶水(crystalline water)：或稱結構水，存於礦物結晶中，無法移動，約在400℃ 至800 ℃ 才釋出。
2.
吸著水(hydroscopic water)：或稱束縛水
甲、
水分子以層狀方式吸附在膠體表面，形成水膜
乙、
主要力量為凡德瓦力
丙、
內層不易與結構水區分，外層可為乾旱植物所利用
丁、
水分含量少時不易移動，以氣態方式移動
戊、
約在110℃ 至160 ℃ 可移除
3.
毛細水(毛管水)(capillary
water)：藉毛細力移動保存之水分，處於未飽和狀態，粗質地土壤的吸水方式(水之內聚力、水與土壤之附著力，二力平衡時形成毛細力)。
4.
重力水(gravitational water)：
甲、
在飽和或近飽和狀態下，粗孔隙所含之水分，因本身重量而移動。
乙、
大雨過後，田間土壤可自然排除之水
8.
特定水分含量
1.
田間容水量(field capacity)
甲、
大雨過後自然排水後所剩的水含量
乙、
大雨過後48小時土壤所含的水量
丙、
約1/3bar時土壤之含水量
2.
永久凋萎點(wilt point)
甲、
植物開始凋萎，無法自土壤中吸收水分時之土壤水分含量
乙、
指標作物為蕃茄及向日葵
3.
有效水分(available water)：田間容水量-永久凋萎點，為植物可利用之水分。
第二節 土壤水分之量測
1.
土壤水分量測之場所
甲、
實驗室
甲、 擾動土樣
乙、 重模土柱
丙、 未擾動土柱
丁、 植物容器
乙、
室外
i. 田間植物需水量測
ii. 試驗區土壤
iii. 集水區尺度
2.
土壤水分量測
甲、
熱重量法 (取樣及乾燥)
i.
用來測定重量水分含量的傳統方式，為直接量測法之一。
ii.
量測取樣之土壤整體
iii.
步驟：
1.
土樣置於隔熱容器
2.
稱重
3.
以定溫105
℃ 烘亁24小時以上
4.
置於乾燥器冷卻
5.
4小時後質量變化不超過1%
6.
稱重
7.
計算土壤水分百分率
iv.
注意事項
1.
烘箱熱量需均勻
2.
土樣約50克 至100克
3.
未擾動土柱則至少20立方公分
v.
含礫石土，有機質土，含揮發性物質之土可能會有誤差。
vi.
優點：簡單、可靠、費用低、可校正其他儀器
vii.
缺點：破壞樣品、耗時、需大量土樣
乙、
中子測定法
i.
以鐳鈹或錒鈹混合物作為放射源
ii.
放出快速中子
iii.
撞擊水分時會變為慢速中子
iv.
量測慢速中子之數量計算水分含量
v.
量測範圍以中子源為中心0.2至0.5公尺 之球狀區域
vi.
優點：迅速、不破壞土壤、可重覆量測、不受溫度壓力影響
vii.
缺點：成本高、具放射性、不連續之水分無法量測
丙、
時域反射儀
i.
利用電磁波在不同介質傳遞時間之差異，量測土壤之介電常數，再決定土壤水分。
ii.
只能測平均水分含量
丁、
遙感探測：
i.
核磁共振成像
ii.
衛星影像
第三節 土壤水分勢能
1.
重力勢能(gravitational potential)：
i. 因重力所產生之能量(位能)，隨位置而定
ii. 需選定參考位置，作為重力勢能之零位面
iii. 一般在田間以地表為零位面，或以地下水面為零位面，實驗室則常以土柱底端為零位面
2.
壓力勢能(pressure potential)：
i. 由水所產生之能量
ii. 自由水面上勢能為0
iii. 靜水壓大於大氣壓力時為正
iv. 靜水壓小於大氣壓力時為負，或稱張力
v. 毛細管上升之水，在自由水面上故為負壓力勢能
3.
基質勢能(matric potential)
i. 或稱基質吸力，毛細勢能
ii. 由土壤基質毛細力及吸附力所產生
iii. 這些力量會使水的勢能低於自由水面，常視為負壓力勢能
4.
滲透勢能
i. 土壤中因有溶質存在，會影響水的熱力性質並降低勢能
ii. 量測時需有半透膜存在
5.
總勢能：於一定高度及大氣壓下，等溫且可逆的自純水槽運送微量水至土壤觀測位置，單位水量所需做的功，為各勢能之和。
6.
水分勢能之表達方式：
i. 能量
ii. 單位質量之能量
iii. 單位體積之能量
iv. 單位重量之能量
1. 常以總水頭(水力頭)表總勢能
2. 總水頭=重力頭+壓力頭(張力頭) H=Hg+Hp
7.
土壤水分勢能之量測：
(1)張力計：含多孔性磁杯、壓力計。
8.
1atm=76cmHg=760mmHg=10336kgw/m2=10.336m water
=1.013×105N/m2=1.013×105 Pa =101.3Kpa=0.1013Mpa=1013hPa=1.013bar=1013mbar
=1.013×105N/m2=1.013×105 Pa =101.3Kpa=0.1013Mpa=1013hPa=1.013bar=1013mbar
1Kpa=0.102m water，1Mpa=102m water，1bar=0.987atm
第四節 土壤水分特性曲線
1.
土壤水分特性曲線(Soil moisture
characteristic curve)(Soil water retention curve)：土壤水分在平衡時，與勢能(基質吸力)(張力)間具有函數關係，此關係以實驗量測，以圖形表示。
2.
在高基質吸力時，水分特性曲線受土壤質地影響，因表面積之不同造成吸附力之差異。
3.
在低基質吸力時，受土壤構造影響，因毛細效應及孔隙分佈影響所保持之水量。
4.
土壤水分特性曲線的形狀與範圍取決於土壤質地。
5.
夯實會降低多孔性，尤其是內部團粒的孔隙體積
6.
經驗式
（1）
Visser（1966）
：matric suction
θ：volumetric
wetness
f
：porosity 0.4~0.6
a,b,c：constant ,a=0~3
b=0~10
（2）
Brooks and Corey（1966）
：air-entry suction
λ ：pore size
distribution index
θm：maximum wetness
by volume （saturation or near saturation）
θr：residual wetness
by volume
（3）
Gardner et al （1970）
（4）
van Genuchten（1980）
,10-3~10-2；
n>1, n=1.2~4
0<m<1
7.
空氣進入吸力值(air entry suction)：或稱進氣潛能，進氣吸力值。對飽和土壤之水分施於吸力時，水分不會立即流出，吸力大於某一界限值時，水分被空氣取代，粗孔隙開始排水，此臨界吸力稱為「進氣吸力」。
8.
遲滯現象：土壤由乾燥狀態吸水至溼潤時所得之水分特性曲線(吸水曲線) ，與排水時所得排水曲線並不一致之現象，稱為遲滯現象
9.
平衡狀態下，排水之吸力比吸水之吸力大，此現象即為遲滯現象
1.
幾何不均勻→墨水瓶效應
2.
接觸角效應
3.
空氣在不相通的孔隙被壓縮
4.
膨脹、壓縮或老化現象
10.
土壤水分特性曲線的斜率稱為比水容量(specific water
capacity)
or第七章 飽和土壤水分移動
第一節 介紹
1. 理想流體：
(1)
穩態
(2)
不可壓縮(密度固定)
(3)
無黏滯性(不考慮摩擦)
2. 實際流體：鄰近的流動層有切應力及分子間的吸引力使流速減緩。
(1)
非穩態
(2)
可壓縮(在土壤水分流動時仍常忽略)
(3)
具黏滯性
a. 考慮液層間之剪應力
b. 考慮液體界面之剪應力
3. 土壤中飽和水分流動
(1)
因土壤孔隙狹窄，水流流速低，故可視為層流
(2)
考慮摩擦損失
4. 土壤中飽和水分流動的模型：
(1)
模式一：Poiseuille law
將土壤孔隙視為一束毛細管之組合
(2)
模式二：宏觀模式—達西定律
a. 將土壤視為均勻介質
b. 考慮整體流動之平均流速
c. 流動斷面包含孔隙及固體
第二節 達西定律
1.
Darcy於1856年於法國Dijon進行飲水過濾系統工程時提出，水分在砂柱或土柱飽和流動的方程式。
2.
流量：
：流量：水頭差，水頭=重力頭+壓力頭，H= z+h：水力梯度
3.
流通量(flux)：單位時間單位面積所流過的水量
在水流穩定的狀態下，流通量會與水力梯度成比例，
K：水力傳導度
4.
微分型式
一維：
三維：
5.
飽和水力傳導度Ks (saturated hydraulic conductivity)
(1)
流通量與水力梯度之比值
(2)
於單位梯度時，流通量等於水力傳導度
(3)
飽和砂土 
m/s。
m/s。
(4)
坋粒在
~
m/s，
~m/s，
(5)
飽和黏土 
m/s。
m/s。
6.
影響水力傳導度之因子
(1)
水力傳導度為通透性與流體性之乘積
(2)
土壤性質(通透性)：構造—土壤孔隙的幾何形狀，包含孔隙率、孔隙大小、分佈、曲折度、孔隙瓶頸。
註：曲折率(度)(Tortuosity)：實際流動的路徑與直線之比
註：曲折率(度)(Tortuosity)：實際流動的路徑與直線之比
(3)
流體性質(流體性)：密度、黏滯性
7.
常用飽和水力傳導度關係式
(1)Kozeny Carman equation
f ：孔隙率
a ：比表面積
c ：形狀係數
8.
介質特性：
(1)
均質性(Homogeneous)：物理性質不隨空間變化，每一點之物理性質均相同。
(2)
等向性(Isotropic)：各方向之物理性質均相同。
9.
飽和水力傳導度的種類
(1)
均質等向
(2)
非均質等向
(3)
均質非等向
(4)
非均質非等向
10. 飽和水力傳導度的測定
(1)
定水頭
(2)
變水頭
11. 達西定律之限制：
(1)
適用於層流
(2)
不適用之條件：
a.
流速太快(雷諾數大於1)，大孔隙會有紊流產生
b.
流速太慢，小孔隙水分受強吸附力作用，幾近凍結
第八章 未飽和土壤水分移動
第一節 介紹
1. 土壤中勢能梯度(推動力) 引起水分流動，由勢能高往趨能低流動
2. 流通量(flux)與勢能梯度成正比，且受孔隙通道幾何形狀及性質之影響
3. 飽和流動之推動力為正壓勢能之梯度
4. 未飽和流動之推動力為負壓勢能梯度：
(1) 水分自水膜厚處被曳引至水膜薄處，即基質吸力小移動至基質吸力大處
(2) 基質吸力包含土粒對水之吸附力及孔隙之毛細力
5. 未飽和流動過程中，水分不斷變化，土壤吸力亦隨時變動，加上遲滯現象，使得水分流動更加複雜
6. 溼鋒(wetting front) 為水分在土壤中移動之前緣，一般指水分進入乾土時乾溼之交接處，為一移動之過渡帶，非單純之直線或平面。溼鋒之勢能梯度最大，在水分進入乾土時，吸力梯度可達動力之數千倍。
第二節 未飽和土壤水分流動
1.
Richards在1931年將Darcy’s law推廣至未飽和流動，且令K為之函數，故在未飽和時，達西定律可寫成
之函數，故在未飽和時，達西定律可寫成
一維：
或
三維： 
H：總水頭，可表為 
：未飽和時為基質吸力，(飽和時可為壓力或壓力頭)
若不考慮遲滯效應時，亦可表為
2.
連續性方程式—質量守恒定律
一維 
三維 
3.
未飽和土壤水分流動方程式
(1)
一維水平
(2)
一維鉛直
(3)
三維
4.
水分移動方程—水力擴散型式
(1)
一維水平
(2)
一維鉛直
(3)
三維
5.
水分移動三參數
K：水力傳導度(hydraulic
conductivity)
C：比水容量(specific
water capacity)
D：水力擴散度(hydraulic
diffusivity)
D之值大約在
~
最大值約為1。
~最大值約為1。
6.
K-和-具有高度之非線性，只有在特殊條件下始有解析解，一般皆用數值方法來解此方程式。
和-具有高度之非線性，只有在特殊條件下始有解析解，一般皆用數值方法來解此方程式。第三節 未飽和水力傳導度(unsaturated hydraulic conductivity)
1.
飽和流動與未飽和流動的區別，可用參數水力傳導度作為代表
2.
飽和時因孔隙充滿水分，可連續不斷傳導水分，故傳導度最大。
3.
未飽和水力傳導度遠小於飽和水力傳導度之原因：
(1) 未飽和時部分孔隙為空氣所佔據，可傳導之面積變小
(2) 加上基質吸力變大，土壤大孔隙水分極易排空，水分僅在小孔隙中流動
(3) 且排空之孔隙使水分移動路徑之曲折度增加，水分常沿著土粒表面以水膜方式移動
4.
砂土孔隙率較黏土小，但大孔隙較黏土多，故飽和時砂土之水力傳導度大於黏土，即在砂土中水分移動較快
5.
未飽和時情況相反，黏土中水分移動較快。土壤變為未飽和時，砂土大孔隙排空，黏土小孔隙仍充滿水。較乾燥時黏土基質吸力大。
6.
未飽和時細質地土壤中的砂層會阻礙土壤水分移動。
7.
由飽和轉為未飽和時，基質吸力由0增加至1bar時，傳導度之變化可達數千倍。
8.
常見經驗方程式
(1) 
Richards,1931
Richards,1931
(2) 
Wind,1955;
Gardner and Gardner
Wind,1955;
(3) 
Gardner
(4) 
(5) 
Child
and Collis-George,1950; Hillel,1998;
Child
and Collis-George,1950; Hillel,1998;
(6) 
Gardner
第九章 溶質傳輸
第一節 介紹
1.
溶質(solute)：泛指溶於水(溶劑)中之化學物質、鹽類、肥料、農藥、污染物等。
2.
溶劑(solvent)：一般為液體，在土壤中為水。
3. 溶液(solution)：含有化學物質之溶劑。
第二節 溶質移動的機制
1.
移流(convection)：溶質隨著水而移動，隨水速度、方向而變。
2.
擴散(diffusion)：分子因熱運動或因碰撞而產生之隨機運動，宏觀上由高濃度移至低濃度。
3.
延散(流散)(dispersion)：
(1)
原因：
a. 孔隙中央水流速度較土粒邊緣快
b. 孔隙形狀大小的改變
c. 流動平均線的變動
(2)
現象：使得溶質濃度不平均而混合
(3)
延散與擴散在宏觀上不易區分合稱動力延散
4.
吸附(adsorption)
(1)
負吸附：為物理性吸附，吸附力為靜電力，不與土壤顆粒接觸
(2)
特性吸附：離子進入stern層，甚難移動
(3)
正吸附：或稱吸著，與土壤顆粒接觸。
(4)
吸收：分子進入到土壤內部。
(5)
離子交換：溶質與土壤進行離子之取代
5.
混合取代：一液體進入含有另一液體之多孔體時，若二液可混合，在取代過程中，於交界面形成過渡帶，過渡帶會隨時間地點變化，此過程稱為混合取代。
6.
突破曲線(貫穿曲線)(breakthrough
cure)：在進行混合取代之實驗或觀測時，常於出水口量測溶液之濃度，濃度會由零逐漸增加，以時間為坐橫坐標，濃度為縱坐標，所得之曲線稱為突破曲線
7.
溶質對水力傳導度的影響：使土壤膨脹或分散，降低土壤通透性
(1)
黏粒具有水合作用，稀釋的溶液會使土壤膨脹。
(2)
低鹽分高交換性鈉，亦會引起土壤膨脹。
第三節 土壤鹽度與鹼度
1.
土壤的酸性、中性、鹼性等性質，稱為土壤反應（Soil reaction），常以pH表之。
(1) pH為氫離子濃度的負對數，pH=-log[H
]。
]。
(2)
pH=7中性，pH<7酸性(H之濃度大)，pH>7鹼性。
之濃度大)，pH>7鹼性。
(3)
酸的來源：pH 5.5以上主要為H ；pH 5.5以下主要為Al
；pH 5.5以下主要為Al
(4)
鹼的來源：pH<8.3表示土壤含Ca
、Mg多；pH>8.3表示土壤含Na多。
、Mg多；pH>8.3表示土壤含Na多。
2.
可溶性鹽：Na、Ca、Mg、Cl
、SO
、Ca、Mg、Cl、SO
3.
鹽分地：發生鹽分問題多在乾燥、半乾燥地區，且大多數之鹽分由Na、Ca、Mg及Cl、SO所組成。石膏CaSO
‧2H
O易溶於水，有時形成表面鹽斑。
、Ca、Mg及Cl、SO所組成。石膏CaSO‧2HO易溶於水，有時形成表面鹽斑。
4.
鹽分之危害：
(1)
土壤中鹽分過高，會增加滲透，防礙植物吸水
(2)
有效水分因鹽分而降低
(3)
防礙植物養分之吸收
(4)
土壤物理性質改變
(5)
交換性鈉使土壤膠體分散，填塞孔隙
5.
鹽分地形成之因素
(1)
海水作用：潮汐或海風帶來鹽分，海水倒灌。
(2)
乾燥地區低窪地、易浸水區或排水不良處易累積鹽分
(3)
高地下水位將鹽分帶至表土
(4)
蒸發量大於降雨量
(5)
灌溉水質不良
(6)
整地不當
6.
鹽分地分類之依據
(1)
酸鹼度(pH值)
(2)
電導度(EC)
(3)
可交換性鈉百分比(ESC)
7.
鹽分地之分類
(1) 鹽土(saline soil)：可溶性鹽含量高，交換性鈉低，妨礙作物生長。
(2) 鹼土(alkali soil)：可溶性鹽含量低，交換性鈉高，妨礙作物生長。
(3) 鹽鹼土(alkali soil)：可溶性鹽含量高，交換性鈉高，妨礙作物生長。
soil group
|
EC(mmho/cm)
|
ESP(%)
|
pH
|
鹽土(saline)
|
>4
|
<15
|
<8.5
|
鹽鹼土(saline-alkali)
|
>4
|
>15
|
<8.5
|
鹼土(alkali)
|
<4
|
>15
|
>8.5
|
正常土(normal)
|
<4
|
<15
|
8.
鹽土之改良
(1)
通常灌溉洗鹽並排水即可改良。
(2)
地下水位高者，改以深溝或抽水機排水，降低地下水位。
9.
鹽鹼土之改良
(1)
若將鹽洗去，則pH升高，會變成鹼土，此種土壤之改良必需加入石膏（CaSO），若CaCO
<0.5﹪時，加石膏洗鹽無效，必須再加入石灰（Lime），利用Ca代換土壤之Na，使土粒不易分散，透水性增大。
），若CaCO<0.5﹪時，加石膏洗鹽無效，必須再加入石灰（Lime），利用Ca代換土壤之Na，使土粒不易分散，透水性增大。
10. 鹼土：因滲透性小，所以改良非常困難，因水鹽皆不易進入。
第十章 土壤空氣及流通
第一節 介紹
1. 土壤通氣性(soil aeration)：土壤內之空氣與大氣間氣體的交換。
2. 土壤通氣的作用：
(1)
影響植物生長：
a. 土壤通氣佳可防止根域缺氧。
b.
通氣不良會影響根系對水分的吸收。
(2)
影響微生物之活動。
(3)
土壤之通氣速率愈慢，有機質之含量愈高。
(4)
欠缺通氣性常引起錳、硫的還原，對植物會有毒害作用。
第二節 土壤空氣
1. 土壤空氣孔隙率：
2. 通氣孔隙率(田間容氣量)：
田間容水量時的空氣孔隙率，砂土約為25%，壤土約15%~20%，粘土小於10%。
3. 成分：
大氣中
|
土壤中
|
|
N
|
78﹪
|
78﹪
|
O
|
21﹪
|
<21～0﹪
|
CO
|
0.03﹪
|
>0.03﹪
|
稀有氣體
|
～1﹪
|
～1﹪
|
4.
氣體交換：
(1)集體流動（Mass flow）：因整體壓力差使得氣體交換。影響因子有
a. 風：在土壤表面空氣之流動，使地面壓力降低，產生了集體流動。
b. 土壤溫度：
(a)
土壤內各層間的溫度差：使土壤孔隙內空氣收縮與膨脹，且熱空氣具向上移動之趨勢，使各層間或與大氣產生氣體之交換。
(b) 土壤與大氣度溫度之差異：溫度差異會允許大氣與土壤空氣在居間的界面中發生氣體交換。
(2)擴散(Diffusion)：擴散乃由於分子之熱運動所造成。
O於空氣中之分壓大於土壤中之分壓，所以由空氣至土壤中。
於空氣中之分壓大於土壤中之分壓，所以由空氣至土壤中。
CO於土壤中之分壓大於空氣中，所以由土壤至空氣中。
於土壤中之分壓大於空氣中，所以由土壤至空氣中。
影響因子：
(a)
水分含量
(b)
孔隙大小分佈
(c)
構造：土壤團粒間之孔隙易通氣。團粒較多者，則通氣性較好。
第十一章 土壤溫度及土壤顏色
第一節 介紹
1.熱能的傳遞：輻射、對流、傳導。
2.輻射可分為
(1)長波輻射：紅外線(infrared)，在大氣層中易被水、水蒸氣或雲吸收，穿過大氣層時，其強度大量降低。陰天時易被吸收。
(2)可見光(visible light)
(3)短波輻射：紫外線(ultraviolet)，能量高。
3.地表能量來源
(1) 直接太陽輻射：短波輻射
(2) 天空輻射：大氣反射與散射而達地表
(3) 大氣吸收再輻射：長波
(4) 大氣傳導的能量：
4.地表能量散失
(1) 以長波輻射向大氣逸散
(2) 土壤含水時，以蒸發、擴散方式將能量帶走。
(3) 以傳導方式向下層土壤傳遞。含水高易傳導。
第二節 土壤溫度
1. 土壤溫度之作用：
(1) 影響種子發芽：在最適溫度前，土溫增高時發芽速度隨之增高。
(2) 影響植物的生長：一般生物生存適宜溫度為25℃ 。大多數作物在10-35℃ 的溫度範圍內，生長速度隨溫度的升高而加快。
(3)
影響微生物之活動、繁殖與有機質之分解：土溫增高愈易分解
(4)
影響礦物之風化：土溫高，N、P、S等營養元素之礦質化作用愈高。
(5)
土溫能影響土壤水分及植物養分效率，高溫季節施肥之效應較大。
2. 影響土壤溫度之因子：
(1) 外在因子
a.
太陽輻射：地表上能量的主要來源。
b.
緯度及海拔：與氣溫同樣，緯度及海沷愈高溫度愈低。
c.
地形：坡向及坡度決定了太陽輻射至土壤的多寡。
d.
地表覆蓋及敷蓋：減少土壤溫度的變化。夏季可降低最高溫，冬季可提高最低溫。
(2)
內在因子
a.
土壤的熱容及比熱
b.
土壤的熱傳導度
c.
土壤顏色：深色土壤易吸熱
d.
含水量：濕土較乾土溫度低
3. 土壤溫度之變化
(1) 土溫之日變化：白天深層土壤溫度的上昇較淺層緩和，夜間深層土壤溫度的下降，深層土壤亦較緩和。在35～100c m深度以下，幾無日夜變化
(2)土溫之季節變化
a.夏季的土壤溫度隨深度的增加而下降，冬季的情形則相反；
b.30m 以下幾無季節變化
4. 土溫的控制
(1)敷蓋（Mulching）
a . 淺色的敷蓋增加地面之反射率。
b. 白色敷蓋於熱的乾旱地區，增加反射，可降低蒸發。
c. 黑色敷蓋用於寒冷地區，增加吸收白天的輻射能及減少夜間的熱之損失。
(2)灌溉及排水
a.灌溉能增加土壤之熱容量，增高空氣之濕度，降低地面之氣溫及增強導熱性。
b.排水可減少濕土之熱容量，使土溫易增高，在冬季對土溫之提高有良好效果。
第三節、土壤顏色
1.
廣義的土壤顏色
(1) 土體顏色—狹義
a.
濕土或潤土顏色
b.
乾土顏色
c.
切面顏色
d.
土塊表面顏色
(2)斑點或斑紋：由於溶解及懸浮作用，使鐵、錳等化合物自表土向下移動，澱積於下層，形成與周圍土壤性質、顏色相異的塊狀或條狀物。
2.
影響土壤顏色的因子：
(1)
土壤母質顏色：如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，沖積土為紅色到黃灰色
(2)
有機質與腐植質：有機質與腐植質通常表現出黑色、棕色。
(3)
鋁、鐵、錳的氧化、還原作用：
a. 排水通氣良好環境下，氧化鋁呈銀白色。氧化鐵含量高呈紅色。
b.
排水不良的還原環境下，含鐵多具灰色黃色。
c.
氧化錳呈黑色至棕黑色或紫色。
(4)
土壤水分含量：乾土顏色較淡、濕土與潤土顏色較暗(水分會吸收光線)
3.
土壤顏色對土壤的影響
(1) 對輻射的吸收
(2) 影響蒸發散的速率。
4.
土色之決定
(1) 色調(相)(hue)：土壤反射光線占優勢之波長或顏色。
(2) 明度(value)：反射光的總量
(3) 彩度(chroma)：顏色飽和的程度或相對純度；純度愈高，土色愈亮。
5.
土色與自然環境之關係
(1)
紅色：熱帶及副熱帶多雨區濕潤且排水良好之區域
(2)
灰色、黃色：排水不良，鐵處於還原狀態
(3)
低窪地區有機質含量多，土壤顏色較暗。
.
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