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1、土壤 学,第 四 章 土 壤 质 地 和 结 构,S o i l s c i e n c e,第一节 土壤三相(three phases of soil)组成,土壤固、液、气三相容积比，反映土壤水、气关系。,water,organic matter,mineral,atmosphere,三相比示意图,一、土壤的密度和容重,（一）土壤密度(soil density)1、概念单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙)的质量。(g/cm3),2、影响土壤密度的因素,表51土壤中常见组分的密度,表52某森林土壤表层各级土粒密度,（二）土壤容重(bulk density of soil)1、概念,3、土壤比重(
2、soil specific gravity),土壤密度与4时纯水密度之比。一般取2.65。,单位体积自然状态土壤体(含粒间孔隙)的重。(g/cm3),(2)计算工程土方量,2、土壤容重(soil bulk density)作用,(1)计算土壤孔隙度(soil porosity),孔隙度（1容重/比重）100%,土壤重量=土壤体积土壤容重,设耕层厚度0.2m，容重1.3t/m3，有机质含量 15g/kg=0.015t/t，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t。1hm2(104m2)0.2m土层计：,(3)估算各种土壤成分储量,土壤=100000.21.3=2600t有机质储量=26000
3、.015=39.0t全氮储量=26000.00075=1.95t,1hm2的1m土层储水量=10000m21m1.3 t/m325%=3250m3/hm2=325mm,设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3 t/m3。,(4)计算土壤储水量及灌水（或排水）定额,公式,3、浸水容重(water immersed soil density),反映土壤在浸水条件下的结构状态和紧实度。,4、影响容重的因素(主要通过影响孔隙影响容重),质地(texture),结构(structure),有机质含量(organic matter content),紧实度(degree of compaction)
4、,二、土壤三相(three phases of soil)和孔度,1、土壤孔度(soil porosity),土壤全部孔隙容积(pore volume)占土体容积的百分率。,总孔度(total porosity)(1容重/比重)100%固相(solid phase)(容重/比重)100%液相(liquid phase)(水分重量百分率容重)100%气相(gas phase)(总孔度液相)100%,2、土壤三相组成及孔度计算,多数旱地作物(upland field crop)适宜的土壤固、液、气三相比为：,3、土壤三相组成的适宜范围(comfort zone),0.50.250.30.150.2
5、5,土壤三相比固相:液相:气相,第二节土壤质地(soil texture),一、土粒(soil particle)和粒级(soil particle),1、土粒(soil particle),土壤颗粒土粒，通常专指矿物颗粒。大小以粒径为标准，土粒形状大多不是球形，只能用当量粒径（即与其静水沉降(quiescent settling)速度相同的圆球直径）代替之。,2、土粒的大小划分粒级(size fraction),分级标准,国际制(international system),美国制(U.S system),卡庆斯基制(Kachinsky classification system of soi
6、l texture),中国制(China system),表53常见土壤粒级(soil fractions)制,粘土(clay)类,（1）国际制(international system),根据粘粒(clay)含量将质地分为三类：,15%,粘壤土(clay loam)类,粘粒含量,砂土(sand)类、壤土(loam)类,15%25%,25%,凡砂粒含量大于55%的，在质地名称前冠“砂质(sandy)”,根据粉砂粒(silt)含量:,凡粉砂粒含量大于45%的，在质地名称前冠“粉砂质(silty clay)”,根据砂粒(sand)含量:,(2)美国制(Soil Taxonomy),等边三角形的三个
7、边分别表示砂粒、粉粒、粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量，在图中查出其点位再分别对应其底边作平行线，三条平行线的定点即为该土壤的质地。,(3)卡庆斯基制(Kachinsky classification system of soil texture),表5-4卡庆斯基土壤质地基本分类,按表54，卡庆斯基质地分类步骤如下：,、根据物理性粘粒(physical clay)含量将土壤分为三大质地类型九种质地,、根据砂粒(砂质)、粗粉粒(粗粉质)、中细粉粒(粉质)、粘粒含量(粘质)，进一步划分质地，确定质地详细名称:,第二优势粒级第一优势粒级质地名称,大于1毫米的石砾含量%石质程度 10.0
8、 重石质土,、根据石砾(gravel)含量，查下表，冠在质地详细名称前,(4)中国制,分为砂土、壤土、粘壤和粘土4组共22种质地,川农大农场几种类型土壤的颗粒组成及详细质地命名（卡氏制）,土壤名称 颗粒组成（%）质地名称 物理性粘粒 砂粒 粗粉粒 中细粉粒 粘粒 石砾白鳝泥（苹果园）62.4 10.9 26.7 28.8 33.6 0 粉粘质轻粘土黄泥小土(张家坪)43.8 38.2 18.0 31.0 12.8 0 粉砂质中壤土白鳝泥（张家坪）49.5 24.2 26.3 31.3 18.2 0 粉质重壤土半泥砂（沙湾）38.0 29.0 33.0 18.0 20.0 0 粗粉质中壤土石骨子
9、土(老板山)31.0 56.4 12.6 19.2 11.8 30 重石质粉砂质,二、各级土粒(soil particle)的组成和性质,（一）矿物组成(mineral composition),以原生矿物(primary mineral)为主，最多的是石英(quartz),砂粒(sand),除原生矿物(primary mineral)外,还有一些风化后形成的次生矿物(secondary mineral),粉粒(silt),则以次生矿物(secondary mineral)为主,粘粒(clay),（二）化学组成(chemical composition),表55土壤各粒级的化学组成,随粒径由大
10、到小，SiO2含量由多到少,R2O3(即Fe2O3与Al2O3的总称)与SiO2相 反，随粒径由大到小，R2O3含量由少到多,CaO、MgO、P2O5、K2O随土粒由大到小,含量增加,两个概念：,又称“Saf值”。土壤粘粒(clay)部分SiO2与R2O3分子数之比。以SiO2/R2O3 表示。,硅铝铁率(silica-sesquioxide ratio),定义,硅铝率(silica-alumina ratio),又称“Sa值”。土壤粘粒(clay)部分SiO2与Al2O3分子数之比。以SiO2/Al2O3 表示,定义,（三）各级土粒的物理性质,土粒由大到小,保水能力(表4-5中)最大吸湿量、
11、最大分子持水量 毛管水上升高度增加，但通透性(表4-5中)渗透系数降低,土壤膨胀性(soil swelling)和可塑性(plasticity)增加，对耕作(tillage)带来不利影响,表56 各级土粒的水分性质和物理性质,三、土壤质地（soil texture）,1、土壤机械组成(soil mechanical composition),按土壤颗粒组成进行分类，将颗粒组成相近而土壤性质相似的土壤划分为一类并给予一定名称，称为土壤质地(Soil texture)。,2、土壤质地概念,土壤中各级土粒的百分含量，又称土壤颗粒组成(soil particle composition)。,3、土壤质
12、地分类(soil texture classification)制,四、不同质地土壤的肥力特征和利用改良,（一）不同质地土壤的肥力特征,1、砂质土类(sandy soil great group),（1）水,粒间孔隙大，毛管作用弱，透水性 强而保水性弱，水气易扩散，易干不易涝,（2）气,大孔隙多，通气性好，一般不会累积还原物质,（3）热,水少气多，温度容易上升，称为热性有利于早春作物播种。,养分含量少，保肥力弱，肥效快，肥劲猛，但不持久，易造成作物后期脱肥早衰,（4）肥,松散易耕,（5）耕性(tilth),2、粘质土类(clayed soil great group),粒间孔隙小，毛管细而曲折
13、，透水性差，易产生地表径流,保水抗旱力强，易涝不易旱,（1）水,（2）气,小孔隙多，通气性差，容易累积还原性物质,水多气少，热容量大，温度不易上升，称冷性土，对早春作物播种不利,（3）热,养分含量较丰富且保肥力强，肥效缓慢，稳而持久，有利于禾谷类作物生长，籽实饱满。早春低温时，由于肥效缓慢易造成作物苗期缺素,(4)肥,耕性差，粘着难耕,（5）耕性,土壤性质兼具粘质土和砂质土的优点，而克服了它们的缺点。耕性好，宜种广，对水分有回润能力，是较理想的质地类型。,3、壤质土类(loamy soil great group),优良组合(choiceness combination),（二）土壤质地剖面(
14、soil texture profile),土壤剖面(soil profile)中不同质地层次的排列组合(permutation and combination)。,不良组合(badness combination),粘盖砂,砂盖粘,(三)土壤质地改良(soil textureimprovement),一、土壤结构体（soil configuration)（一）土壤结构体概念 1、土壤结构性(soil structurality)土壤中单粒、复粒的数量、大小、形状、性质及其相互排列和相应的孔隙状况等综合特性。,第三节土壤结构(soil structure),2、土壤结构体（soil confi
15、guration）土粒在胶结物(有机质、碳酸钙、氧化铁)的作用下，相互团聚在一起形成大小、形状、性质不同的土团。,1、块状结构(cloddy structure)形状：立方体型，纵轴和横轴大体相等，边面不明显，内部紧实。产生条件：熟化度较低的表层土壤或缺乏有机质而粘重的底土多为块状结构。大小划分：大块状结构,直径10cm;小块状结构直径510cm。,(二)土壤结构体种类（soil configuration type）,2、团块状(crumby structure)形状：与块状相似，较块状结构小，略呈圆形，表面不平。大小划分：大团块结构，直径53cm；团块状结构，直径31cm；小团块状结构，直
16、径1cm。,3、核状结构(nutty structure)形状：立方体型，边面明显的多棱角碎块，内部紧实，泡水后不易散碎。产生条件：在粘重的心土层或由氢氧化铁胶结土粒后形成核状结构。大小划分：大核状，直径1cm；核状，直径710mm；小核状，57mm。,4、柱状(columnar structure)形状：侧面，横断面形状不规则。产生条件：柱状结构是碱化土壤的标志特征，常在干旱半干旱地带的底土出现。大小划分：大柱状结构，5cm；柱状结构，35cm；小柱状结构，3cm。,5、棱柱状结构(primatic structure)形 状：同柱状结构，棱角尖锐明显，横断面略呈三角形。产生条件：粘重土壤的
17、底土，由于干湿交替频繁形成棱柱状结构。大小划分：大棱柱状结构，5cm；棱柱状结构，35cm；小棱柱状结构，3cm。,6、片状、板状结构(platy structure)形 状：横轴远大于纵轴，呈扁平状结构体。产生条件：雨后土壤表面结壳或老耕作土壤犁底层。大小划分：3mm者为板状，3mm者为片状。,7、团粒结构(granular structure)形状：近似于球形，疏松多孔的小土团称团粒结构，是含有机质丰富肥沃土壤的标志特征。大小划分：一般为0.2510mm，0.25mm者称微团粒(microaggregate)，水稻土中多为微团粒结构。,二、土壤结构体（soil configuration)
18、的形成 第一阶段是土粒在自身的粘结、凝聚或和外物胶结作用下粘聚形成致密土体或次生复粒(secondary compound particle)(微团聚体(microaggregate)；第二阶段是团聚体(aggregate)进一步粘结形成结构体或致密土体。,1、土粒粘聚(soil particle coagulation)（1）阳离子凝聚(cation coagulation)土壤胶粒(soil colloid)通常带有负电荷，带负电荷的土壤胶粒在阳离子(cation)作用下，发生相互凝聚。a、高价离子凝聚能力大于低价离子;b、水化半径大的离子凝聚能力弱，反之则较强。,常见阳离子凝聚能力：,F
19、e3+Al3+Ca2+Mg2+H+NH4+K+Na+,农业生产(agricultural production)中，常施用石灰(酸性土)或石膏(碱性土)，利用Ca2+的作用促进土粒凝聚。增加介质中电解质浓度也可促进胶粒凝聚。,(2)水膜(water film)的粘结作用 土粒在水膜的作用下，在土粒接触处形成弯月面，由于弯月面内侧的负压，把相邻的土粒团聚在一起，形成土团。,农业生产中，常采用排水晒田、晒垄、冻垄等措施，提高土壤溶液电解质的浓度，促进土壤胶粒凝聚。,(3)胶结作用(cementation)a、简单的无机胶体(simple soil mineral colloid)土壤中Fe2O3x
20、H20、Al2O3y H20、SiO2z H20等，常以胶膜形态包被在一起，形成的结构体。往往是致密紧实的结构体，如核状结构，对协调水肥的能力极差。,b、粘粒(clay)粘粒具有巨大的表面积，粘结力很强，并可通过带正电和带负电边面的静电引力使其团聚。c、有机质(organic matter)土壤中的腐殖质、多醣类、蛋白质、木质素以及许多微生物的分泌物和菌丝均有团聚作用。,2、土壤结构的成型（1）干湿交替作用(alternation of drying and wetting)蒙脱石类的膨胀收缩性强，而水云母类和高岭石类的膨胀收缩性则较弱。土块越干，骤然灌水湿润，这种作用愈明显，有如“爆破”一样
21、。促使土体破碎形成结构。,a、当干湿交替时，由于胀缩性的差异使土体产生不等的变形而依脆弱线开裂成小块b、当土体吸水时，由于孔隙中闭蓄的空气所产生的压力，使土体破碎,（2）冻融交替作用(alternation of freezing and thawing)水分结冰时体积膨胀增大约9%，对周围的土体产生压力而使土壤崩裂。,孔径愈小，其中水分冰点愈低。造成膨压的差异使土体产生裂痕，一旦融化，土壤就会沿裂痕酥散。,(3)生物作用(biological effect)a、植物根系的穿插挤压，可使土体破碎形成结构。b、土壤中的蚯蚓、昆虫、蚁类等，对土壤结构形成均有一定作用。(4)土壤耕作(soil ti
22、llage)通过合理耕作，在机械压力作用下，土体破碎形成结构。同时耕作使土肥相融、促进良好结构的形成。,三、团粒结构(granular structure)在土壤肥力(soil fertility)上的意义 团粒结构具有小水库、小肥料库、空气走廊的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结构体。,1、小水库(reservoir)团粒结构透水性好，可接纳大量降水(precipitation)和灌溉水(irrigation water)，而团粒内部保水性强，天旱(drought)时还可防止水分蒸发(evaporation)。天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔
23、隙而蒸发损失。,2、小肥料库 具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰富。团粒结构表面为好气作用，有利于有机质的矿质化(mineralization)，释放养分。团粒内部则有利于腐殖化(humification)，保存养分。,3、空气走廊 由于团粒之间的孔隙较大，有利于空气流通(ventilation),四、土壤良好结构体的培育 1、大量施用有机肥 2、实行合理耕作 3、实行合理轮作 4、施用石膏或石灰 5、施用土壤结构改良剂(soil conditioner),第四节 土壤孔性,一、土壤孔性与孔度(porosity)(一)土壤总孔度(total porosity)和孔隙比(void ratio)
24、,1、总孔度（total porosit)所有孔隙体积(pore volume)的总和占整个土壤体积的比例。2、孔隙比(void ratio),（二）土壤孔度分级1、当量孔径(equivalent pore)与土壤水吸力相当的孔隙直径称为当量孔径。T=3/D,D为孔隙直径（毫米）。T为水吸力，可理解为土壤对水的吸力，单位为厘米或百帕（hpa）,2、孔度分级（1）非活性孔隙(inactive pore)又称无效孔隙，孔径0.002mm(0.0002mm)水分水吸力T=3/0.002=1500百帕，土壤对水的吸力很强，水分对植物基本无效,(2)毛管孔隙(capillary pore)孔径：0.02
25、(0.06)0.002(0.0002)mm。水分水吸力在T=3/0.06=50百帕至T=3/0.002=1500百帕之间，对植物是有效的，而且植物的根系和微生物都可在其中生长和活动。,(3)通气孔隙(aeration pore)孔径0.02(0.06)mm，透水通气，通常有空气存在其中，同时植物根毛、根系和微生物均可在通气孔隙中活动。,二、团粒结构的多级孔度模型1、初级团聚体（复粒）：孔度24.5%47.7%2、次级团聚体（微团粒）：孔度43%(最紧)60%(中间)72%(最松)3、多级团聚体（团粒）：三、四级团聚体,三、土体构造,1、耕层构造 耕层三相比和上下层紧实状况，人为耕作活动创造对生
26、产有利的耕层构造。2、质地剖面(texture profile),（1）上砂下粘（上松下紧）（2）上粘下砂（上紧下松）（3）砂夹粘或粘夹砂（夹层型）（4）特殊夹层型 红壤铁结核层和铁盘层（5）均一的砂土型或粘土型（松散型或紧实型）,剖面质地层次组合情况:,3、结构剖面(structure profile)与质地剖面关系密切。耕层结构受人为活动影响大，心土、底土结构主要是自然过程的产物，改良难度大。,（1）淹育层（A层）(submergenic horizon)（2）渗育层（P层）(percogenic horizon)（3）潴育层（W层）(waterloggogenic horizon)（4）潜育层（G层）(gley horizon),4、孔度剖面 主要决定于质地剖面和结构剖面。作物适宜的土壤孔度剖面：上虚下实。耕层上部(015cm),总孔度5056%,通气孔度1015%。耕层下部(1530cm),总孔度50%左右,通气孔度10%左右。,南京土壤所研究表明：高产水稻田种麦（旱作）期间，耕层总孔度55%以上。在田间持水量(field capacity)时，通气孔度8%10%以上。,
