第六章土壤结构与力学性质ppt课件.ppt

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1、第六章土壤结构和力学性质,教学目标,了解土壤的颗粒大小与性质掌握土壤质地类别与不同质地土壤肥力特点了解土壤的三相组成与计算方法理解土壤是一个复杂的多相体系了解土壤结构体的种类及其重要性掌握土壤团粒结构在土壤肥力上的意义了解土壤力学性质和土壤耕性,第一节 土壤颗粒,土粒：土壤中的颗粒。 根据土粒的成分，可分为：矿物质土粒和有机质土粒。 前者的数目占绝对优势，而且在土壤中长期稳定地存在，构成土壤固相骨架； 后者或者是有机残体的碎屑，极易被小动物吞噬和微生物分解掉，或者是与矿质土粒结合而形成复粒，因而很少单独地存在。,一、土壤粒级,（一）土壤颗粒的概念, 通常所指土粒，是专指矿质土粒。,单粒和复粒

2、固相骨架中的矿质土粒可以单个地存在，称为单粒，在质地轻而缺少有机质的土壤中，单粒在数目上占优势。 在质地粘重及有机质含量较多的土壤中，许多单粒相互聚集成复粒。,通常所说的土粒，均指矿质土粒中的单粒,土粒,土粒,土粒,Ca2+,腐殖质,土粒,土粒,土粒,Fe2+,腐殖质,Fe3+,Al3+,单个土粒,团聚体,微团粒,土壤粒级：土粒的大小差别很大，为了便于研究不同大小颗粒的特性，人们将一系列大小不同的土粒，区分为若干组，称为土壤粒级（粒组）。,（二）土壤粒级（粒组）,1、当量粒径与理想土壤,土壤中的颗粒的形状各异；当量粒径、有效粒径、理想土壤的概念来自土壤机械分析（颗粒分析）时采用的假设和方法。当

3、量粒径（有效粒径） 粗粒部分：过筛分级，如0.5-1.0mm。 细粒部分：根据斯托克斯定律，把土粒看做光滑的实心圆球，取与此粒级沉降速率相同的圆球直径，作为其当量粒径。理想土壤：由光滑实心圆球各级土粒堆积的土壤,与实际情况相差甚远（尤其是对片状粘粒来说），但在土壤学、土工学研究及应用中这种圆球堆积的“理想土壤”沿用已久,这种粒径划分就是矿质土粒的分级,2、土粒的大小分级粒级, 组内粒径大小、成分及性质基本相近 而组间则有明显的差异,粒级（粒组）：根据土粒直径的大小和性质上的差异，将矿物质土粒划分为若干粒径等级，每一等级就叫一个粒级。,表6-1 常见的土壤粒级制 （P109 ）,极细砂粒,细砂粒

4、,0.05,-,0.0,2,粗粉粒,粒,粗粉粒,0.02,-,0.01,粉,粒,0.01,-,0.005,中粉粒,物,中粉粒,粉,粒,0.005,-,0.002,细粉粒,理,细粉粒,0.002,-,0.001,粗粘粒,性,0.001,-,0.0005,粘,粘,粗粘粒,粘,粒,粘,粒,0.0005,-,0.0001,细粘粒,粒,粒,细粘粒,0.0001,胶质粘粒,美国制,苏联制,土壤颗粒分级：(mm)直径 国际制 美国制 卡庆斯制 中国制石砾 2 2 1 1砂粒 2-0.02 2-0.05 1-0.05 1-0.05 粉粒 0.02-0.002 0.05-0.002 0.05-0.001 0.0

5、5-0.002 粘粒 0.002 0.002 0.001 0.002 物理性砂粒： 1-0.01mm物理性粘粒： 0.01mm,由国内外主要土粒分级制可见，土粒一般可分为311级，其基本级只有石砾、砂粒、粉粒和粘粒4级。,注意两点：一、各粒级间的界限多少是人为定的，尽量选择其理化性质变化较明显的转折处；二、不同粒级制是与对土粒的概念和机械组成分析的前处理方法相联系的。,1、土粒的矿物组成2、土粒的化学组成和化学性质3、土粒的物理性质4、不同粒级土粒的基本特征,（三）各级土粒的矿物组成和化学组成,1、土粒的矿物组成,图6-1 土壤粗细颗粒的矿物组成示意图,表6-2 两种代表性土壤各粒级的化学组成

6、,2、土粒的化学成分和化学性质,3、土粒的物理性质,表6-3 红壤及其各粒级的物理性质,A 石砾和砂粒（0.05 mm）（1）颗粒大，所含矿物为原生矿物。（2）含石砾和砂粒较多的土壤疏松多孔，通气透水好，排 水通畅，胀缩性小。（3）比表面积小，无粘结性，粘着性、可塑性，耕性好。（4）吸水保肥能力弱，养分易随水流失，升温快，养分易转化。,不同粒级土粒的基本特征,B 粘粒（0.002 mm或0.001 mm ）（1）颗粒细小，属胶体范围，矿物成分主要为次生矿物。（2）通气透水性弱，排水不畅，易造成土壤积水和内涝。（3）比表面大，粘结性，粘着性、可塑性均强，耕性不良 ，干时结块龟裂，湿时泥泞。（4）

7、粘粒本身养料丰富，吸水保肥能力强，潜在养分储量 多，但土温较低，养分不易转化。,C 粉粒（0.05 mm0.002 mm） 颗粒大小及其性质位于砂粒和粘粒之间。,二、土壤密度和容重,（一）土壤密度 单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的质量（实用上 多以重量代替，克/厘米3）称为土壤密度。,表6-4 土壤中常见组分的密度,多数土壤的密度为2.62.7g/cm3，在机械分析中计算各级土粒的沉降速率时，往往采用“常用密度值”即 常用土壤密度值： 2.65g/cm3。,注意,在同一土壤中,不同大小土粒的腐殖质含量和矿物组成不同，因而其密度也不同。,（二）土壤容重 1、土壤容重：田间自然垒结状态下

8、单位容积土体（包括土粒和孔隙）的质量或重量(克/厘米3或吨/米3），曾称土壤假比重。 土壤容重总是小于土壤密度，两者的质量均以105110下烘干土计。 土壤容重值多介于1.0-1.5克/厘米3范围内, 夯实的土壤容重则可高达1.8-2.0克/厘米3,计算土壤孔隙度 根据实测土壤的容重与密度，按下式计算：,计算工程土方量估算各种土壤成分储量计算土壤储水量及灌水（或排水）定额,土壤容重的用处：,2、浸水容重：反应浸水条件下土壤结构状态和淀实程度的指标。 测定方法：磨细的风干土样称重后，放入盛水的大量筒中，浸泡分散，搅拌，静置，待土粒下沉到筒底，记下沉淀容积；另取一份风干土样测定含水量，由此计算筒内

9、土样的干质量，再由公式计算浸水容重：,3、影响容重值的因素质地、结构、有机质含量以及各种自然因素和人工管理措施。,三、土壤孔隙,小孔隙,大孔隙,（一）三相组成和孔隙度,土壤固、液、气三相的容积分别占土体容积的百分率，称为固相率、液相率（即容积含水量或容积含水率，可与质量含水量换算）和气相率。三者之比即是土壤三相组成,1、三相组成指标,三相组成的测定及计算 先测定土壤的固相率、液相率，再用差减法计算其气相率。 1）固相率 由实测的土壤密度和土壤容重计算之：,2）液相率（容积含水率）,土壤含水率（容积）土壤含水量（质量）土壤容重,3）气相率,气相率=孔隙度容积含水率,4）土壤三相比三相比固相率：容

10、积含水率：气相率,适宜的土壤三相比为： 固相率50%左右， 容积含水率25-30%， 气相率15-25%。,单位土壤容积内孔隙所占的百分数。 孔隙度1固相率 液相率气相率,2、土壤孔隙度(土壤孔度),土壤孔隙性质（简称孔性）指土壤孔隙总量及大、小孔隙分布状况；是指能够反映土壤孔隙总容积的大小，孔隙的搭配及孔隙在各土层中的分布状况等的综合特性。孔性好坏取决于土壤质地、松紧度、有机质含量和结构等。,（二）土壤孔性,土壤孔性可以从三方面理解：一是土壤孔隙总量（总孔度）；二是大小孔隙分配（分级孔度）；三是“土体构造”即上下土层的孔隙分布、连通问题。,所有孔隙体积的总和占整个土壤体积的比例，叫做土壤总孔

11、隙度（简称总孔度或孔度），以百分数（）或小数表示。,1、土壤孔度,（1）总孔度的测定和计算,（2）“理想土壤”的总孔度,图6-2 理想土壤的最松（左）和最紧（右）排列,方体排列的孔度为47.46%（左）三斜六面体排列的孔度为24.51（右）,团粒结构土壤的孔度比非团聚化土壤增加1/3至1/2左右。,砂 土 3045壤 土 40-50%粘 土 45-60%泥炭土 80结构良好的壤土和粘土的孔度高达55-65%，甚至在70以上。,（3）土壤总孔度的变化范围,土壤孔度通常不是直接测定的，而是根据土壤的密度和容重来计算：,2、土壤孔隙的类型,（1）毛管孔隙和非毛管孔隙 1864年德国学者舒马赫（W.

12、Schumacher）提出。 客观分界：田间持水量（2）通气孔度、毛管孔度与非活性孔度,近年来，把大小孔隙分为三级：非毛管孔度（通气孔度，P气）毛管孔度（P毛，也称活性孔度）束缚水占孔隙（P束=P紧束+P松束，也称非活性孔度）,通气孔隙：当量孔径0.02 mm的孔隙, 其中0.2 mm的粗孔植物的细根可伸入其中；0.20.02 mm的中孔是原生动物、真菌和根毛的栖身地。毛管孔隙：当量孔径为0.020.002mm的孔隙, 植物细根、原生动物和真菌不能进入毛管孔隙中，但根毛和细菌可在其中生活。非活性孔隙： 当量孔径0.002mm的孔隙，根毛和微生物不能进入此孔隙。,（3）土壤孔隙分级 美国土壤学会

13、（2001）根据土壤孔隙的大小将孔隙分为五级：大孔隙（Macropore，0.085mm）、中孔隙（Mesopore， 0.030.08mm ）、微孔隙（Micropore， 0.0050.03mm ）、超微孔隙（Ultramicropore， 0.0010.005mm ）、和隐孔隙（Cryptopore， 0.001mm ）。（4）土壤薄片观察,适宜的孔隙状况：耕层土壤（015cm）的总孔隙度为50 60%，其中通气孔隙度为15 20%，底层土壤（15 30 cm）分别为50%和10%。,3、当量孔径 指与一定的土壤水吸力相当的孔径。,（1）圆管假设 把土壤孔隙看做一组平行的笔直圆管，采用逐

14、步加压法或负压抽吸法测定。（2）茹林公式最早有美国学者理查兹（L. A. Richards）提出，其中：h为水在毛管中的上升高度（cm）；为水的表面张力；r为毛管半径（mm）；为水的密度；g为重力加速度；为水与土壤孔隙壁间的接触角；表面张力系数。测定水在20时，上式可简化为茹林公式：d=3/h式中：d为当量孔隙直径（mm）；h为土壤水分吸力（以cmH2O高表示）。,4、土壤孔性的影响因素,（1）质地 质地重，无效孔隙和毛管孔隙占优势，总孔度高； 质地轻，通气孔隙为主，总孔度低； 壤土，孔隙度居中，孔隙大小分配较为适当，水气关系协调。（2）结构 团粒结构多，土壤疏松，孔隙状况好。（3）土壤有机质

15、含量 含量高，总孔度高，疏松多孔。（4）土粒排列（5）自然因素和土壤管理对孔隙的影响。 降水、灌溉、重力作用使土壤沉实，孔度降低； 耕作和施有机肥可调节土壤松紧度，增加土壤孔度。,疏松排列,紧密排列,47.46%,24.51%,孔隙度,A）耕地土壤孔隙：1、小孔隙，主要是团聚体中的毛管孔隙，在湿润时充满水；2、中等大小的孔隙（小室，通道），当湿润时会有一小段时间充水，但随着水的再吸收，空气填充之；3、毛管孔隙；4、大孔隙，团聚体之间，充满空气。B）土壤团聚体中的可见孔隙（北方黑钙土）：1、微团聚体；2、可见孔隙。,according to Kachinskii et al., 1950,第二节

16、 土壤质地,一、土壤机械组成,各种粒级土粒的配合比例，或各粒级土粒占土壤重量的百分数，也叫土壤机械组成（soil mechanical composition）。用途：土壤比表面积估算确定土壤质地土壤结构性评价各种物理数学模型,二、土壤质地类型,（一）土壤质地的概念 土壤质地是根据土壤机械组成划分的土壤类型。质地是土壤的一种十分稳定的自然属性，反映母质来源及成土过程某些特征，对肥力有很大影响，常被用作土壤分类系统中基层分类的依据之一。,（二）质地分类制,粘粒20%、粉粒40%、砂粒40%,质地三角图：,先找到该颗粒顶点（100%），按3个粒级含量分别做各顶点对应的三角形的3条底边的平行线，3线

17、相交点，即为所查质地区。,我国将土壤质地分为砂土、壤土和粘土三大组，每组再细分。一般常用的质地种类有： 砂土、砂壤土、轻壤土、 中壤土、重壤土、粘土,黏性土,壤性土,砂性土,1、砂质土（Sand Soil） 通透性能好，保蓄性能差； 养分含量低，施肥见效快； 温度变幅大，热性土； 宜耕期长； 发小苗不发老苗； 无有毒物质。,（轻、薄、暖）,（一）土壤质地与肥力的关系,三、不同质地土壤的肥力特点和利用改良,2、黏质土（Clay Soil）：通透性能差，保蓄性能强；养分含量高，肥效时间长；温度变幅小，冷性土；耕作性能差；发老苗不发小苗；可能有毒害物质。,（重、壮、冷）,3、壤质土（Loam Soi

18、l）：性质兼有砂土类和粘土类的优点，介于粘土与砂土之间，是农业生产较为理想的土壤质地。,（柔、沃、温）,夹砂层,夹粘层,（二）土壤质地剖面与肥力的关系,表6-8 主要作物的适宜土壤质地范围,（三）不同质地土壤的利用和改良 1、各种作物对土壤质地的要求,2、土壤质地改良,对不同质地的土壤，首先要强调因土制宜地耕作和管理。 对过砂或过黏的无法种植的土壤也可以通过以下几种途径进行改良：1、客土法2、耕翻法（翻淤压砂，翻砂压淤）3、引洪放淤、引洪漫沙4、增施有机肥5、根据不同质地采用不同的耕作管理措施,第三节 土壤结构,土壤结构是土粒（单粒和复粒）的排列、组合形式。这个定义，包含着两重含义：结构体和结

19、构性。土壤结构体或称结构单位，它是土粒（单粒和复粒）互相排列和团聚成为一定形状和大小的土块或土团。通常所说的土壤结构多指结构性（structurality）:由土壤结构体的种类、数量（尤其是团粒结构的数量）及结构体内外的孔隙状况等产生的综合性质。,一、土壤结构体,（一）土壤结构的概念,土壤结构体,（二）土壤结构体分类,粒状,柱状,块状,扁平状,1、块状结构和核状结构1）块状结构3cm,肥力较差2）核状结构比块状结构小,坷垃,蒜瓣土,2、棱柱状结构和柱状结构,立土,质地粘重且缺乏有机质的心土层较多,3、片状结构,卧土、平搓土,4、团粒（粒状和小团块）结构1、团粒结构： 0.25-10mm2、微团

20、粒：0.25mm,蚂蚁蛋、米糁子,（三）土壤结构性的评价,1、土壤结构体的孔隙状况,不良结构：块状、核状、柱状、棱柱状和片状结构体总孔隙度小，主要是小的非活性孔隙和毛管孔隙，结构体之间大的通气孔隙，往往成为漏水漏肥的通道。植物根系很难穿扎，干裂时常扯断根系。良好结构：团粒结构体不仅总孔隙度大，而且内部有多级大量的大小孔隙，团粒之间排列疏松，大孔隙较多，兼有蓄水和通气的双重作用。,土壤团粒体,机械稳定性：也称力稳性，是指土壤结构体抵抗机械压碎的能力。生物稳定性：指结构体抵抗微生物分解的能力。水稳定性：结构体浸水后不易分散的性能。水稳性结构体和非水稳性结构体。,2、土壤结构的稳定性（Structu

21、re stability),Baver提出用平均重量直径（mean weight diameter，MWD）作为评定土壤团聚体的指标。,式中：MWD为团聚体平均重量直径（mm）；Xi为每一粒级团聚体的平均直径（mm）；Wi为每一粒级团聚体的重量百分含量。一般来说，MWD值大，结构好；相反，则较差。,由单粒凝聚成复粒；由复粒相互粘结形成微团、团粒。 在机械力的作用下，大块土垡破碎成各种大小、形状各异的粒状或团粒状结构体。,二、土壤团粒结构,（一）团粒的形成过程,单粒微凝聚体,1、粘结团聚过程黏结过程和团聚过程的综合。土壤团粒的多级团聚过程包括化学作用和物理化学作用，如胶体凝聚作用、黏结和胶结作用

22、以及有机-矿质胶体的复合作用等，并有生物参与。,砂粒,砂粒,粉粒,粉粒,粘粒,腐殖质,单个土粒,团聚体,微团粒,土壤团聚体,1）凝聚作用：指土壤胶体相互凝聚在一起的作用。2）无机物质的黏结作用：土壤颗粒或团聚体间因胶结物质的物理状态的改变或化学组成的变化而相互团聚在一起。常见的无机胶结物质有碳酸钙、硫酸钙以及无定形的硅酸、氧化铁和氧化铝胶体等。3）有机物质的胶结作用与复合作用：有机物质是土壤中的重要胶结物质。如腐殖质、木质素、蛋白质以及微生物活动中产生的分泌物和真菌、丝状菌菌丝等。4）有机-矿质复合体：铁铝键结合和钙键结合两类。5）蚯蚓和其他小动物的作用：土居小动物如蚯蚓、蚁类和一些昆虫的活动

23、也可促进土壤团粒结构的形成，特别是蚯蚓的作用甚大，其排泄物本身就是富含有机质和养分的团粒。,2、切割造型过程,1）根系的切割；2）干湿交替；3）冻融交替；4）耕作,（二）团粒的多级孔性,1、具有多级孔性2、能协调水分和空气的矛盾3、能协调保肥和供肥性能4、具有良好的物理性和耕性,团粒结构是土壤水、肥、气、热的“调节器”。,（三）团粒形成的微观机制,1、黏团说2、等电凝聚说,（四）团粒结构在土壤肥力上的意义,团粒结构是土壤水、肥、气、热的“调节器”。,1、团粒结构土壤的大小孔隙兼备2、团粒结构土壤中水、气矛盾的解决3、团粒结构土壤的保肥与供肥协调4、团粒结构土壤宜于耕作5、团粒结构土壤具有良好的

24、耕层构造,良好的团粒结构体： 具有一定的大小； 具有大小不同的多级孔隙； 具有一定的水稳性、机械稳性和生物稳定性。,三、土壤结构改良,1、深耕结合施用有机肥2、合理轮作3、合理耕作4、土壤结构改良剂5、盐碱土电流改良,小结,一、核心名词,1. 土壤密度 2. 土壤容重 3. 土壤孔隙度 4. 当量粒径 5. 当量孔径 6. 土壤结构体 7. 土壤结构性 8.团粒结构 9.土壤质地,1、团粒结构在土壤肥力方面作用和意义有哪些? 2、为什么说粒状团粒状结构是农业生产上比较理想的结构?培育良好结构的有效途径是什么?3、不同质地土壤的肥力特性？,二、思考题,第四节 土壤力学性质,土壤耕作的质量、农机具

25、的作用性质、地基的稳定性以及作物根系的伸长等都与土壤力学性质（土壤物理机械性）密切相关，其包括土壤结持特性（粘结性、粘着性、塑性）、胀缩性、压板和阻力（穿透阻力和牵引阻力）、流变性、固结等。,一、土壤黏结和黏着性,（一）土壤粘结性土粒与土粒之间由于各种引力（范德华力、水膜表面张力、库伦力、氢键等）而相互粘结在一起的性质。（二）土壤粘着性土壤在一定含水量的情况下，土粒粘着在外物表面的性能。,影响土壤粘结性和粘着性的因素有：,土壤质地土壤含水量 土壤结构土壤腐殖质含量,土壤可塑性指土壤在一定含水量范围内，可被外力造形，当外力消失或土壤干燥后，仍能保持其塑形不变的性能。（一）土壤塑性的产生土壤塑性是

26、片状粘粒及其水膜造成的。,二、土壤可塑性(plasticity),上塑限(upper plastic limit)：土壤呈现塑性的最大含水量，又称液限（liquid limit）。下塑限(lower plastic limit)：土壤呈现塑性的最小含水量，又称塑限(plastic limit )。塑性值(plastic index)：上塑限和下塑限的差值，又称塑性指数（plasticity number）。,（二）塑性指数,塑性值愈大表示土壤塑性愈强。上塑限、下塑限和塑性值均以含水量表示之，它们的数值随着粘粒含量的增加而增大。,（三）影响土壤可塑性的因素,水分含量 土壤质地 代换性阳离子土壤有

27、机质,黏性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性（Soil swelling)；由于土中水分蒸发而引起体积减小的性能称收缩性（soil shrinkage）；两者统称胀缩性。（一）土壤膨胀原因：黏粒的水化作用、黏粒表面双电层的形成、扩散层增厚等。（二）土壤收缩水分蒸发引起的容积减小过程。（三）影响土壤胀缩性的因素土壤胀缩性与片状黏粒有关。主要有阳离子作用、土壤质地和腐殖质含量。,三、土壤胀缩性,土壤抗剪强度是土壤对土粒移动所产生的最大内阻力，即土壤彼此滑动和滑越时的阻力。抗剪切力等于内摩擦力或粒间摩擦力加黏结力。测定土壤抗剪强度有直接测定和三轴剪切测定两种方法。土壤抗剪强度是组成牵引阻

28、力的主要因素之一，在耕作上十分重要，也是农机具设计和土建工程中的主要参数。,四、土壤的抗剪强度(soil shear strength),五、土壤压缩与压实,（一）土壤压缩土壤的压缩性（soil compression）是指在压力作用下土壤体积减小的过程。（二）土壤压实（soil compaction）压实作用是指负荷或施压所造成的土壤容重增加和孔隙度降低的过程。,第五节 土壤耕性和耕作,（一）土壤耕作的概念土壤耕作(soil tillage)是在作物种植以前或在作物生长期间，为了改善作物生长条件而对土壤进行的机械操作。作用：改良土壤耕作层的物理状况，调整固液气三相比，改善耕层构造；根据当地自

29、然条件的特点和不同作物的栽培要求，使地面保持符合农业要求的状态。,一、土壤耕作,（二）土壤耕作的方法常规耕作少免耕,二、 土壤耕性和耕作力学,（一）土壤耕性(soil tilth),土壤耕性：土壤在耕作时所表现的特性，是一系列土壤物理性质和物理机械性的综合反映。耕性好坏反映土壤的熟化程度，直接关系到能否给植物创造一个合适的土壤环境和提高劳动效率。,土壤结持性与宜耕性的关系土壤宜耕性是指土壤适于耕作的性能，与土壤的结持性密切相关。,（二）土壤压板问题,犁耕过程在疏松土壤的同时，由于机械的行走对土壤有压实作用。过度的压实会影响耕作质量，对作物生长不利，这种过度压实又称为土壤压板问题。1、土壤压板过

30、程和影响因素 含水量、有机质含量和代换性阳离子种类等。2、土壤压板的防止增加土壤本身的抗压缩性减少外力对土壤的压强：农机具改进、避免在过湿时进行田间作业。,（三）水田土壤的黏闭及其防止,1、土壤黏闭湿耕湿耙可减少犁耙阻力，但也会破坏土壤的团聚化程度，严重时土壤转化为单粒状的均质土体，这种状态称为土壤黏闭。2、黏闭对土壤环境的影响破坏土壤结构,三、保护性耕作技术,少耕：对土壤的耕翻次数和强度比常规少的土壤利用方式。 免耕：基本上不对土壤进行耕翻，直接播种作物。 优点：改善表土结构，促进水分下渗，减少水土流失，降低表土蒸发，减少能源使用，减小表土温度变化，提高表土有机质含量。 缺点：杂草和作物病虫害严重。,未来土壤耕作的发展方向！,概念：粘结性、粘着性、可塑性、耕性如何衡量土壤耕性的好坏？影响土壤耕性的因素有哪些？,复习思考题,