变性土具有独特的矿物、形态，黏粒含量以及理化特征。这些特性的存在会使变性土有问题或不适合农业可持续发展。然而，在世界各地，变性土被用作耕地，被认为是可持续发展农业的重要资源。中国华北的砂姜黑土是典型的低产土壤，它具有变性土的特性，含有大量蒙脱石粘粒。特殊的黏土矿物组成和高粘粒含量会导致土壤耕作艰难及其物理特征变差，还将直接影响其他土壤特性和作物产量。作为中国华北重要的土壤资源，需从土壤的、土壤物理力学等阐明土壤不良性质导致的土壤低产原因，并探索土壤改良技术，为低产土壤改良和促进土壤持续生产力提供科学依据。主要研究结果如下:　　1)粘土矿物的矿物学研究　　粘粒矿物在土壤养分的循环、物理化学性质、土体的形成和污染物的迁移方面有重要的作用。为了更好地理解这些土壤过程和功能的复杂性，利用纳米Zetasizer、X-射线衍射（XRD）、高分辩透射电子显微镜(HRTEM)等技术对黏土矿物的粒度分布(PSD)、矿物学组成、形态和晶格条纹等进行了研究。粒径分析值显示，研究剖面的粘土矿物的粒度大小呈正态分布和单峰分布的状态，粘土矿物的尺寸从纳米到微生米尺度。粘土矿物的XRD分析显示，黏土矿物组成以蒙脱石、蛭石及高岭石为主，土壤中的蒙脱石和蛭石是其收缩膨胀行为的主要原因。TEM显微照片显示粘土矿物的大小从十几至上百纳米。HRTEM观察到粘土矿物轮廓清晰的晶格条纹，显示其有一定形状和良好结晶。变性土壤中粘土矿物的综合分析，对进一步理解土壤的机械物理性质提供了基础。　　2)变性土的机械物理性质和开裂特征　　对变性土的机械物理性质和开裂特征，包括粒度分布(PSD)、线性膨胀系数(COLE)、抗压强度(TS)、抗剪强度(SS))和开裂参数等进行了测定，并试图建立这些机械物理性质与土壤粘粒含量和粘土矿物的关系。结果表明:变性土具有较高的COLE值和抗压强度，在测定的剖面中抗压强度在剖面AH-05、AH-09、SD-01、HN-03和HN-10中随深度的增加而增加;在剖面AH-05、AH-09、HN-03和HN-10中抗剪强度的内聚力随深度的增加而增加，而内聚角呈减小趋势。通过测定裂缝面积、宽度和长度等参数，描述了变性土开裂的发生规律和形态特征。不同温度下变性土开裂试验表明在高温(50℃)下裂缝会增大，强烈的蒸发和抗压强度是导致开裂的主要原因;裂缝的发展随含水量的增高而降低，当土壤含水量达到45％时形成主次裂缝并开始整合。主成分分析(PCA)显示抗压强度、粘聚力、开裂特征、粘粒含量及线性膨胀系数相互之间呈正相关，而与内摩擦角呈负相关，表明这些性质受粘粒含量和蒙脱石含量的影响，这些相互关系可能是导致土壤产生不良物理性质导致农作物低产的主要原因。土壤改良剂能够显著改善变性土的开裂属性，秸秆生物炭处理能够显著降低变性土裂纹长度，而粉煤灰能显著降低变性土的开裂长度。　　3)变性土的孔隙及孔隙大小的分布及其与土壤有机质的关系　　土壤孔隙大小分布直接影响土壤的许多物理、化学和生物性状。进一步了解土壤孔隙的分布知识有益于对土壤的许多功能和过程的理解。本研究中利用氮气吸附法(NA)和压汞仪(MIP)法测定了六个土壤剖面不同土层深度的土壤孔隙分布状况，并分离不同大小土壤团聚体分析了不同大小团聚体中的孔隙大小分布，通过去除团聚体中的有机质比较了去除前后的孔隙率和孔隙大小分布。土壤孔隙的剖面分布表明，在剖面AH-05，AH-09，HN-03和HN-10中总孔隙及总体积随剖面深度下降而降低，而剖面AH-05和Ah-09的大孔隙及超大孔隙增加。孔隙大小分布(pore size distribution)曲线表明，大孔和中孔在土壤上层占支配地位，而剖面下层的超微细孔比例增大。氮气吸附法测定表明，变性土中孔隙直径＜0.01微米占0.001-0.1微米孔隙范围的比例超过50％。压汞仪法测定的poresize distribution曲线有明显的三个峰值，孔径范围分别为60到100微米，0.3到0.4微米和0.009到0.012微米。变性土中以超微孔隙(3.75-0.1μm)为主要孔隙（平均占35.5％），依次分别为大孔隙(＞75μm，占31.4％)，0.007-0.1μm孔隙占(16.0％、微孔隙(5-30μm，占9.7％)和中孔隙(30-75μm，占7.3％)。有机质去除前后的土壤孔隙大小分布曲线比较发现，土壤有机质显著影响团聚体中的孔隙结构和孔径分布，尤其是去除有机质会降低5-100微米大小的孔体积和孔隙度，而增加5-2和2-0.25mm团聚体中＜5微米的孔体积和孔隙度，这些孔隙的变化可能与有机质通过黏结作用改变土壤结构从而影响团聚体内和团聚体间的孔隙有关。　　4)变性土机械物理性能和开裂的改良　　变性土中不良的机械物理性质如膨胀收缩、僵硬、干燥开裂等是引起农作物生长困难的主要原因，利用不同的土壤改良剂对改善变性土的机械物理性能是主要途径。试验利用生物炭(秸秆生物炭(SB)、木屑生物炭(WCB)，污泥生物炭(WSB)和粉煤灰(FA)等土壤改良剂的培育试验，比较了不同土壤改良剂的改良效果。施用土壤改良剂后土壤物理参数如:土壤结持性（塑限PL，液限LL和塑性指数PI）、抗压强度(TS)、抗剪强度(C和ψ)、膨胀势(SP)和膨胀压力(SPr)的测定结果显示，土壤改良剂对上述物理参数均起到一定的改善作用。施用土壤改良剂可显著降低土壤膨胀系数(p≤0.05)，其中废水污泥生物炭和粉煤灰效果尤为明显。应用木屑生物体、污泥生物炭和粉煤灰都能显著降低土壤的抗压强度，而用秸秆生物炭能更大程度的降低抗压强度，按浓度2％，4％和6％的添加量，降低的幅度分别为37％，43.99％和61.32％。黏聚力（C值）在所有改良剂中均有明显降低，尤其是生物炭改良剂（SB和WCB），然而内摩擦系数(ψ)没有明显变化。由于改良剂的应用，土壤的膨胀势(SP)和膨胀压力(SPr)均表现为减小趋势。应用粉煤灰会使土壤膨胀势降低的程度更大，按浓度2，4和6％比例添加，与空白相比分别降低24％，22％和19％。相关性分析显示所有的物理参数如COLE，TS，C，ψ，SP和SPr相互呈极显著关系。聚类分析分别将LL、PL、C和ψ指标归为一类，将SP、SPr、COLE和TS归为另一类。相关研究表明，湿胀干缩现象会对土壤的各种物理参数产生影响，同时，改良剂的使用也会改善变性土的性质。