第六章 土壤结构与力学性质ppt课件.ppt

第六章土壤结构与力学性质,根据土粒的成分，可分为：矿质颗粒和有机颗粒两种。通常所指土粒，是专指矿质土粒。土壤颗粒有：单粒 和复粒之分。,（一）土壤颗粒的概念,第一节 土壤颗粒,土壤颗粒（土粒）是指构成土壤固相骨架的基本颗粒。,（二）土壤粒级（粒组）按土粒的大小，分为若干组，称为土壤粒级（粒组）。1、当量粒径与理想土壤把土粒看作光滑的实心圆球，取与此粒级沉降速度相同的圆球直径，作为其当量粒径。斯托克斯定律：斯托克斯定律是按光滑实心圆球的沉降得到的，把各级土粒都当作光滑实心圆球，与实际情况相差甚远，但在土壤学、土工学研究及应用中把这种堆积的圆球称为“理想土壤”。,2、土粒的大小分级粒级制 一般分为石砾、砂粒、粉粒和黏粒4组。（1）国际粒级制（1930）：分为4个基本粒组，即砾、砂、粉和黏。（2）美国农部粒级制（1951）：是把黏粒上限从5um下降至2um，这是根据当时对胶体的认识而定的。（3）卡钦斯基粒级制（1957）：把0.01mm作为“物理性砂粒”与“物理性黏粒”的分界线。（4）中国粒级制：,土壤颗粒,土壤颗粒,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 0.05-0.002 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,（三）各级土粒的矿物组成和化学组成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,砂粒和粉粒是不规则的多角形,有的近乎球形状，云母颗粒则呈片状，黏粒多为片状和棒状。,二、土壤的密度和容重,（一）土壤密度(Soil density)单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的质量（实际上 都以重量代替，克/厘米3）称为土壤密度(比重)。,多数土壤的密度为2.62.7克/厘米3，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：2.65克/厘米3。,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(Soil bulk density)田间自然垒结状态下单位容积土体（包括土粒和孔隙）的质量或重量(克/厘米3或吨/米3），称为土壤容重,曾称土壤假比重。它的数值总是小于土壤密度，两者的质量均以105110下烘干土计算。或:单位容积原状土壤（包括孔隙）的质量。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,土壤容重的用途：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 2、浸水容重：浸水容重=（干土质量/沉淀容积）,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,（一）三相组成和孔隙度,三、土壤孔隙,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,2、土壤孔隙度(或孔度)：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,（二）土壤孔性土壤孔隙（简称孔性）是土壤中固相部分所占容积以外的空间。这包括固相颗粒或结构体之间和生物穴道，由水气所占据。1、土壤孔度 自然状况下，单位容积的土壤中孔隙容积所占的百分数。（1）总孔度：所有孔隙体积的总和占整个土壤体积的比例（%）。总孔度的测定和计算：土壤总孔度（%）=（孔隙体积/土壤体积）100=孔隙体积/（土粒体积+孔隙体积）100（2）“理想土壤”（假定土粒是相同大小的刚性圆球）的总孔度：最松排列（立方体）的孔度为：47.46%。最紧排列（三斜六面体）的孔度为：24.51%。,最松和最紧的排列,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）（3）土壤总孔度的变化范围：砂土的孔度为30%45%；壤土为40%50%；粘土为45%60%。,土壤团粒结构是由土粒聚成微团粒，再由微团粒形成团粒，具有多种大小不同的孔隙。,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：土壤孔度=（1-容重/密度）100%此式的来源推导：,2、土壤孔隙的类型（1）毛管孔隙与非毛管孔隙毛管水占据的孔隙称为毛管孔隙。毛管水不能占据的大孔隙则称为非毛管孔隙。用田间持水量来划分毛管孔和非毛管孔，它是指远离地下水面的土层达到最大悬着毛管水量时的土壤含水量。（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）和束缚水占孔隙（P束=P紧束+P松束），后者也称为非活性孔度。（3）土壤孔隙分级根据土壤孔隙大小将孔隙分为大孔隙、中孔隙、微孔隙、超微孔隙和隐孔隙五级。,3、当量孔径：是指与一定的土壤水吸力相当的孔径，又称为有（有）效孔径。它与孔隙的形状及其均匀性无关。（一）圆管假设（二）茹林公式式中，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（cm）；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。当测定时水的温度为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cm水柱高表示）。根据上述公式，可计算出不同大小当量孔隙的分布。,第二节 土壤质地,一、土壤机械组成,根据土壤机械分析，分别计算各粒级的相对含量，即为机械组成（或称颗粒组成）。,二、土壤质地类型,（一）土壤质地(Soil texture)的概念土壤质地是根据机械组成划分的土壤类型。(二)质地分类制：1、国际制：根据砂粒(2-0.02毫米)、粉粒(0.02-0.002毫米)和粘粒(25%者为粘土组。当土壤含粉粒45%时，“粉质”；当砂粒含量在55%-85%时，“砂质”，当砂粒含量85%时，则称壤砂土或砂土,2、美国农部质地制：根据砂（20.05mm)、粉粒(0.050.002)和粘粒(0.002mm)的比例划定12个质地名称。,查黏粒%含量是用平行于砂粒轴而得，查粉粒%含量是平行于黏粒轴，其余是砂粒（也就是平行于粉粒轴）。,3、卡钦斯基质地制,（4）中国质地制,黏性土,壤性土,沙性土,(一)土壤质地和肥力的关系1、砂质土：(1)砂粒多而粘粒少；砂粒大于50%；（2）砂质土养分少；（3）砂质土含水少；（4）砂质土通气性好；（5）砂质土体松散。(6)发小苗不发老苗，适合花生、西瓜等块根、块茎作物。,三、不同质地土壤的肥力特点和利用改良,2、黏质土：（1）粘粒含量高而砂粒含量少；（2）矿质养分丰富；（3）排水、通气性不良；（4）蓄水多、热容量大；（5）有机质少的粘土往往粘结成大土块；（6）湿胀干缩剧烈,耕性差，发老苗不发小苗，适合于禾谷类作物。,3、壤质土：粗粉粒在60%-80%以上 北方称为二合土；性质介于黏土与砂土之间。,客土法地改良案例：江苏省里下河地区,深耕、深翻、人造塥土壤质地主要是继承母质的性质，很难改变。但是，质地不是决定土壤肥力的唯一因素施用有机肥,(二）土壤质地剖面与肥力的关系土壤剖面中质地层次排列对水分运行及其他肥力因素都有影响。（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：,一、土壤结构体（一）土壤结构的概念 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：结构体和结构性。通常所说的土壤结构多指结构性。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。,第三节 土壤结构,(二)土壤结构体分类,1、块状结构和核状结构2、棱柱状结构和柱状结构3、片状结构（板状结构）4、团粒（粒状和小团块）结构,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,二、土壤团粒结构 通常所说的“土壤结构体”，往往是指团粒结构。,（一）团粒的形成过程1、黏结团聚过程：（1）凝聚作用；（2）无机物质的粘结作用；（3）有机物质的胶结作用及复合作用；（4）有机-矿质复合体；（5）蚯蚓和其它小动物的作用。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,（三）团粒形成的微观机制1、粘团说：（1）粘团-团粒的基本单元：粘团是由粘粒的定向排列和静电引力而形成的一种小于5m的土体。粘团是形成微团粒和团粒的基本单元。（2）粘团的形成：2、等电凝聚说,（四）团粒结构在土壤肥力上的意义1、团粒结构土壤的大小孔隙兼备,团粒愈大，则土壤的总孔度和非毛管孔度也同步增加。,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耕层构造三、土壤结构的改良1、增施有机肥 2、实行合理轮作3、合理的耕作、水分管理及施用石灰和石膏4、土壤结构改良剂的应用：1）人工合成高分子聚合物制剂；2）自然有机制剂；3）无机制剂。5、盐碱土电流改良,第四节 土壤力学性质,一、土壤黏结性和黏着性(一)土壤黏结性，原来是指同种物质或同种分子相互吸引而粘结的性质。在土壤学中，土粒通过各种引力而粘结起来，就是粘结性。力学本质：范德华力、氢键、库仑力、水膜表面张力。,粘结性的影响因素：1、土壤比表面及其影响因素 2、土壤含水量,(二)土壤黏着性,二、土壤可塑性（一）土壤塑性的产生 塑性是指土壤在外力的作用下变形，当外力撤消后仍能保持这种变形的特性，也称可塑性。传统的泥塑艺术工艺，就是利用粘土的这一特性形成的。,土壤粘着性是土粒粘附在外物（农具）上的性质。土壤出现粘着性的含水量称为粘着点；失去粘着性时的含水量称为脱粘点。所以土壤粘着性也是在一定含水量范围内表现的性质。,土壤表现塑性的含水量范围是土粒间的水膜已厚到允许土粒滑动变形，但又没有丧失其粘结性的范围。,（二）塑性指数 土壤塑性只在适当的含水量范围内才出现。它有上塑限（或称流限），即土壤因含水量增多而失去塑性，并开始成流体流动时的土壤含水量；下塑限（或简称塑限），即土壤呈现塑性的最小含水量，也是土壤半固态结持性和可塑结持性的临界含水量。上塑限和下塑限的差值称塑性值（或叫塑性指数），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土壤含水量(%)表示之，它们的数值随着粘粒含量的增加而增大。各种质地土壤的塑性值如表6-10。上述用于描述土壤结持性状态的各项常数，称为土壤结持性常数，包括上塑限、下塑限、塑性值、粘着点和脱粘点等；它们是由阿德堡（Atterberg，1912）最早提出来的，所以又称为阿德堡极限（The Atterberg Limits）。,表6-10 各种质地土壤的塑性值（含水量）,三、土壤胀缩性,各种阳离子对膨胀的作用次序如下:,土壤胀缩性只在塑性土壤中出现，这种土壤干时收缩，湿时膨胀。土壤胀缩性与片状粘粒有关。土壤质地愈粘重，胀缩性愈强。,Na+、K+Ca2+、Mg2+H+,四、土壤的抗剪强度,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。,S=Ptg+CS为抗剪强度，为内摩擦角，tg为内摩擦系数，C为土壤的粘结力。,测定土壤抗剪强度有直接测定和三轴剪切测定两种方法,五、土壤压缩与压实,（一）土壤压缩土壤的压缩性是指在压力作用下土壤体积减小的过程。孔隙比与压力之间的关系是：e=A logp-C e为孔隙比,A 为压缩指数,p为压力,C为常数。粘土的压缩试验表明，土壤的压缩性与含水量的增加呈抛物线关系。,影响土壤压缩的因素除含水量外，还有土壤有机质含量和代换性阳离子种类等。,（二）土壤压实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。土壤容重的增加是压实力和含水量的函数。,第五节 土壤耕性和耕作,一、土壤耕作（一）土壤耕作的概念耕作是在作物种植以前或在作物生长期间，为了改善植物生长条件而对土壤进行的机械操作。,（二）土壤耕作的方法土壤耕作一般可分为常规耕作和少、免耕法两大类。主要包括翻耕、碎土、耙地、整地、镇压、开沟、铲地、耖地等作业。,二、土壤耕性和耕作力学,（一）土壤耕性 土壤耕性是指土壤在耕作过程中表现出来的特性，它包括：（1）耕作时土壤对农具操作的机械阻力，即耕作的难易问题；（2）耕作后与植物生长有关的土壤物理性状，即耕作质量问题；（3）宜耕期长短。,对土壤耕性的要求有：（1）耕作阻力尽可能小，以便于作业和节约能源。（2）耕作质量好，耕翻的土壤要松碎，便于根的穿扎和有 利于保温、保墒、通气和养分转化。（3）适耕期尽可能长。,表6-12 土壤结持性与宜耕性的关系,(二)土壤压板问题,1、土壤压板过程和影响因素 当土壤承受较重荷载时，受到压缩，表现为孔度减小、孔径缩小（主要是通气孔隙减少），土壤紧实度和容重增大等。影响土壤压板的因素除含水量外，还有土壤有机质含量和代换性阳离子种类等。,2、土壤压板的防止 尽可能减少作业次数，是减轻土壤压板、降低生产成本的有效措施。减少作业次数的主要途径之一，是采用少耕法及免耕法，实行经济合理的耕作。,（三）水田土壤的黏闭及其防止,1、土壤粘闭：湿耕湿耙会减少犁耕阻力，但也会破坏土壤的团聚化程度，严重时土壤转变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：黏闭过程首先是破坏土壤结构，使团聚状多孔土壤变成泥糊状土壤，其中几乎没有大孔隙。干耕燥整是防止土壤粘闭的重要耕作方法，尤其对质地较粘重的土壤。水田土壤的干耕燥整，主要在冬季进行。,三、土壤保护性耕作技术,土壤保护性耕作就是通过减少对土壤的耕作次数和秸秆残渣覆盖，从而增加土壤有机质，改善土壤结构，减少土壤侵蚀。1、秸秆根茬处理 2、免耕播种 3、杂草、病虫害防治 4、机械深松,The End,