土壤的三相组成及其基本的物理特性.ppt

第 一 章土 壤 的 三 相 组 成及其基本的物理特性,第一节 土壤颗粒、土壤溶液 和土壤空气,土壤是由多相物质组成的复杂、多孔、疏松而分散的体系。其组成包括固相、液相、气相三相物质。其中固相即土壤颗粒约占土壤体积的50。固相包括38的矿物质和12的有机质。液相为土壤溶液，体积约占15-35气相即土壤空气，其体积约占35-15。,土壤的三相组成(容积百分数),一、土壤固相,土壤固相也称土壤基质。土壤固相的成分对土壤的各种物理力学性质起着重要的、决定性的影响。(一)矿物质 土壤矿物质占固相部分重量的95左右。它包括原生矿物、次生矿物及其它一些无机物质。,1.组成(1)原生矿物 土壤中的原始矿物，在岩石风化和成土过程中，没有改变原来的成分、结构和性质，只是遭到机械破碎。(2)次生矿物 是原生矿物受到风化作用，改变了原来的成分、形态和性质，重新结合生成的一种新矿物，亦称其为粘土矿物。次生矿物主要有硅酸盐次生矿物、三氧化物次生矿物和非品质矿物等。硅酸盐次生矿物又可有高岭土类、蒙特土类和水云母类等之分。,2.次生矿物对土壤理化、力学性质的影响(1)比表面积与阳离子交换量 具有巨大的表面是分散体系的首要特性。由于次生矿物颗粒极细，故有较大的比表面积，颗粒愈细小，比表面积愈大。,土壤的比表面积为单位质量土粒的总表面积Am，或单位容积土粒的总表面积Av，即 Am=A/MAv=A/VAm,Av分别表示土壤质量比表面积和容积比表面积；A土粒的总表面积(cm2)；M土粒的质量(g)；V土粒的容积(cm3)。,土壤比表面积的大小除主要取决于土壤粒径的大小而外，还与土壤颗粒的形状有很大关系。扁平或细长的土粒，显然要比同样体积的球形或正方体的土粒比表面积大。土壤中大部分粘土矿物是片状的。次生矿物特别是其中的无机胶体颗粒，表面通常带负电性，与从土壤溶液中吸附的阳离子相平衡，被吸附的阳离子还可以与溶液牛的某些离子互相交换，这种现象称为土壤的离子代换吸收，交换性阳离子总量称阳离子交换量(CEC)。,硅酸盐次生矿物比表面积和阳离子交换量,(2)亲水性 粘土颗粒表面可以吸附水分形成水膜的性能称为亲水性。(3)膨胀与收缩 土壤吸水后，体积：净增加，这种性能谓之土壤的膨胀性，亦称为湿胀性。相反，当土壤失去水分后(如蒸发失水)，体积将缩小，称这种性能为收缩性，亦称干缩性。(4)透水性 水分从土壤颗粒间隙通过的性能称为土壤的透水性。(5)压缩性(6)强度,（二）有机质 1.组成 土壤中有机质的含量一般占土壤基质重量的5左右，虽然含量不多，但它却是土壤肥力高低的主要因素。土壤有机质的成分，主要是碳氢氧化合物，还有含氮的化合物。2土壤有机质对农业生产的意义及对土壤理化、力学性质的影响 土壤有机质是植物所需养分的主要来源。农民视有机质为土中之宝，因此有机质含量的多少是土壤肥力的重要标志之一。,土壤有机质对对土壤理化、力学性质的有着重要的影响，主要可归纳为以下几个方面：（1）理化吸收性能（2）有机质可以改善土壤的结构状况，蛋白质、氨基酸糖类等是水稳定团粒结构良好的胶结剂（3）腐殖质可以使土壤的颜色加深，有利于土壤吸热增温，有利于春播作物的早发、速长,（4）由于有机质一般都是带电胶体，可以提高土壤对酸碱变化的缓冲性；（5）有机质对土壤的力学性质也有很大影响，它可以降低土壤的抗剪强度，增加土壤的压缩性，减少土壤的粘着力等。有机质在土壤中的含量，常以烘干土的百分数表示。自然土壤中有机质的含量差异很大，高的可达20以上，称为有机质土壤；低的不到 0.5。,二、土壤液相,(一)组成 土壤的液相即土壤溶液。它是由水和各种可溶及不可溶的物质组成，统称土壤水。土壤水是土壤三相组成中最活跃的物质，它直接参与土壤的形成、变化及作物的吸水吸肥等过程，它在土壤中的保持和运移状况对土壤各项物理性质产生重要的影响。因此，研究土壤水的各项性状是土壤物理学的重要内容。,(二)土壤水的主要化学性质 1水分子是偶极子、具有带电性,水分子结构图,由于水分子的偶极性，带负电的氧原子，能够吸引相邻的另一个水分子的氢原子，于是在水分子之间便形成氢键，所以，水是一种由氢键连接的多分子聚合物。,水分子之间的氢键连接,土壤中的次生粘土颗粒，以及土壤胶体的表面均带有电性而水分子又是偶极子，因此使之能强烈地受土壤颗粒及胶体表面或带电离子所吸引，围绕土粒、胶粒或离于形成水化膜，这种现象称为离子的水化。水分子的偶极性，使得水分子具有极高的溶解性能，所以水是良好的溶剂。,2.土壤溶液具有一定的浓度土壤溶液具有一定的浓度，一般为0.21，即200-1000ppm(ppm：浓度单位，表示一百万分之一)很少超过0.1，其渗透压往往低于一个大气压。3.土壤水有一定的酸碱度当H+(OH)l 时，溶液呈酸性；当H+(OH)1 时，呈碱性反应；当H+(OH)=1 时，为中性反应。我国土壤的酸碱反应，一般在pH5.53.5之间。,4土壤对酸碱变化具有缓冲性能 各种土壤在加入酸、碱物质以后，本身具有缓和酸碱反应变化的能力，称为土壤的缓冲性。一般粘土缓冲性最强，壤土次之，砂土最弱。5.土壤溶液对土壤物理吸收作用的影响物理吸收主要指土壤对分子态物质的吸收。土壤的物理吸收作用，不仅与胶体、腐殖质含量及土壤质地有关，而且与土壤溶液关系极大。,三、土壤气相,（一）组成土壤空气主要来源于与大气交换，其次还有少量土壤中生物化学过程产生的气体。（二）土壤空气与大气的差异 1.土壤空气的成分与大气不完全相同2.相对湿度不同 3.时空变化不同,（三）土壤通气性 土壤通气性一般要求表土20cm深的土壤空气每小时能完全得到更新；温度及大气压变化对土壤通气性影响很小，而风及扩散作用是土壤空气与大气交换的主要因素。一般在旱地土壤中通气孔隙占土壤体积的10以上时，才能保证土壤最低的通气要求。,第 二 节 土壤质地及其分类,一、土壤的粒级,由于土壤中的矿物质颗粒大小相差悬殊，对土壤的性状影响很大，所以，我们把各种矿物质颗粒按大小和性质的不同进行分组，划成若干等级，称为土壤的粒级，其大小以当量粒径表示。土壤粒级的分类标准很多，国内外不尽相同；土壤用途不同，粒级分类标准也不一样。,国际制、美国制、前苏联制和中国制（暂行）土壤粒级划分方案,二、粒径级配及其测定方法,土壤中所含各粒级的相对含量，以土粒总重的百分数表示；称为土壤的粒径级配。常用的颗分方法有两种，一是筛分法，一是沉淀法。沉淀法又可分为比重计法或吸管法。粒径大于0.1mm的土粒可用筛分法，而小于0.1mm的土粒只能用沉淀法。,粒径级配曲线,从粒径级配曲线的斜率，可以反映出级配是否良好。曲线越平缓，所包含的粒组越多，级配越良好；反之曲线斜率越大，土壤所包含的粒组越少，级配则不良。级配情况通常用不均匀系数“C”、表示:C=d 60/d 10 式中 d60、d10分别表示小于、等于该粒径的颗粒的重量占总重的60、10。曲线I的斜率大，C1值小，而曲线II的斜率，C2值大，土壤II的级配较土壤I的级配良好。习惯上把C 10的土壤称为级配良好的土壤。,三、土壤的质地及其分类,（一）土壤质地土壤质地是按土粒的大小和它们的组合比例而定的土壤名称，是反映土壤基质的本质的物理特性指标之一。土壤质地反映了土壤固相颗粒系列分布情况及土壤一定的物理力学特性，是土壤的一个稳定的自然属性。,（二）土壤质地的分类,土壤质地的分类方法有多种，农业、工程建筑和地质学等范畴不同，分类标准和方法也不尽相同。,卡庆斯基土壤质地划分标准,我国土壤质地分类,国际制土壤质地分类表,砂土类：土壤颗粒组成较粗，砂粒含量在50 以上，所以，大孔隙较多，土壤通透性好，毛管作用弱，保水蓄水能力差；有机质分解迅速，保肥耐肥性差，故一般肥力不高，肥劲不长，土壤热容量小，昼夜温差大。壤土类：土壤的物理性能良好，通气透水、保水保肥性能均较好，适种作物范围较广，耕种方便，适耕期较长，且抗旱能力强，是一组良好的土壤质地。,粘土类：以细粘粒为主，比表面积较大，干容重较小，持水能力强，通透性差，渗透性能差，含水率大，排水困难。粘性土的胀缩性、粘结性、粘着性和可塑性均很强，力学强度很低，压缩性大，用作地基时应加以处理。,四、土壤质地的鉴定方法,土壤质地的鉴定方法，依条件和要求不同，可分为两种。一种是野外测定手测法，手测又可分为干测和湿测两种，往往是干测湿测并用，以提高准确性。这种方法简单易行，是定性的测定，所以，准确程度取决于测定人员的经验和责任心。,土壤质地的田间鉴定法,在对土质资料要求较高的情况下，必须通过定量分析来鉴定，这就必须在实验室内进行颗粒分析，得出土样级配情况的准确结果，再按质地分类标准的规定来确定土壤类别。,第三节 土壤的基本物理性质及其物理特性指标和测定,一、土壤的基本物理性质,土壤三相物质在土壤中各占的比例，往往决定了土壤的各项物理特性。,土壤三相组成草图,(一)土壤的比重和容重1.土壤的比重土壤的比重即土粒的比重，指土粒的密度与大气压下4时水的密度之比。土壤中常见，对于有机质含量不太多的土壤，常以2.65作为比重值，而不必测定。MsVs 水 MsVs 土壤的比重为无因次量。,2.土壤的容重()土壤容重即单位体积自然状态(包括孔隙)的土壤质量。土壤容重的大小与土壤矿物成分、土壤质地、含水量、有机质含量以及土壤的松紧程度等关系密切。容重的单位为gcm3或tcm。砂性土孔隙体积小，容重较大，一般为；粘性土的孔隙体积大，容重较小，一般为；有机质含量多，结构好的耕作层土壤，容重多在1.0-1.2。,(1)湿容重()m MV（Ms+Mw)V(2)干容重(干)干 Ms V(3)饱和容重(s)s（Ms+VP 水)V,(二)土壤的孔隙性 土壤固相土团或土粒之间存在着大小不等的孔隙，其中孔径小于0.002mm的极细小孔隙被水膜（膜状水）所充满，称为无效孔隙；孔径在mm之间的孔隙，有明显的毛管作用，可吸持并传导水分，供作物生长需要，称为毛管孔隙；孔径大于0.4mm的孔隙，为空气所占据，通气透水，满足作物和微生物呼吸，称为通气孔隙。,(1)孔隙度（P）土壤的孔隙度亦称孔隙率，指一定体积土壤中，孔隙体积占土壤总体积的百分数。f(%)=100 Vf/V=100(Vw+Va)/V土壤孔隙度与土壤质地有关，并受到土壤结构、有机质含量及耕作措施等因素的影响。一般砂土为33-45，壤土45-52，粘土为45-60。,孔隙比（）一定体积土壤中孔隙体积与固相体积之比称为土壤孔隙比。用“”来表示。即：VfVs（VwVa）Vs孔隙率与孔隙比的关系是：f=/(1+)=f/(1-f),(三)土壤的结构性 土壤中的固体颗粒在各种物理、机械、化学和生物力的作用下，以一定形式排列或相互团聚的性能称为土壤的结构性。土壤结构按颗粒的自然形态可分为单粒、团粒；片状、块状、柱状等不同类型。从农牧业生产上讲，一般就分为团粒结构和非团粒结构两大类型。,团粒结构是由单粒胶结而成为大小为0.25-l0mm的球状土团。,这种结构的特点是：团粒与团粒之间是较大的空气孔隙，而团粒内部小土粒之间是毛管孔隙这种同时兼有适当数量的空气孔隙和毛管孔隙的土壤，既具有持水能力，又具一定的透水性和通气性，因而能协调持水和透水的关系，水分和空气填充的关系，好气和嫌气分解的关系，以及供肥和保肥的关系。,(四)土壤的粘结性和粘着性、可塑性,1粘结性和粘着性 土壤粘结性是由于土粒之间或土粒与水分子之间的分子引力而粘结在一起，对外力具有抵抗能力，这种性质为其粘结性。粘着性是指土壤在湿润状态下，粘着于外物的性能。,粘结性及粘着性与土壤质地有密切关系，都随粘粒产量的增加而增大。同时，随含水率变化而变化，当土壤水分在饱和含水率的80以下时，粘着性随含水率的增加而增大，但是超过80以后，则开始减小。过于干燥或过于潮湿都不利耕作。,2可塑性可塑性是指土壤存一定的含水率条件下受外力作用而发生形变，当外力除去后，仍能保持此形态的性能。土壤的可塑性与土壤质地和含水率有密切关系。砂粒不具可塑性，有可塑性的土粒是粘粒，因此，质地愈细，粘粒愈多，可塑性愈强。含水过多或过少时，都不会有可塑性。,二、土壤的基本物理特性指标,能够定量地直接或间接地反映土壤的物理性质和状态的物理量，称为土壤的物理特性指际，亦称土壤的物理性状指标。常用土壤质地、容重、孔隙率、含水率等作为土壤的物理特性指标。,在灌区规划、设计和管理以及水资源评价等工作中，常以如下指标作为依据：1.土壤质地：反映固相颗粒大小及组成比例的物理量；2.土壤比重：反映固相矿物成分和有机质含量；3.干容重：反映土壤的质地及松紧程度、有机质含量等；4.孔隙率及孔隙比：表示土壤中孔隙所占体积的相对比例，反映土壤的松紧程度；,5.含水率(亦称含水量)：表示土壤液相的相对含量指标，反映了土壤湿度状况。含水率指标在实际应用中又有质量含水率和体积含水率。质量含水率又常称重量含水率，为土壤中的液相与固相的质量或重量比例百分数，即:mMw/Ms(gg或干土重)体积含水率也有称容积含水率的，它是土壤中液相体积占土壤总体积的百分比例。vVw/V(cm3cm3或),重量含水率m和体积含水率v二者的关系为:v m b/水 6.饱和度(G)：是指土壤中水分的体积占孔隙体积的百分数。反映土壤孔隙中水、气体积的比例。G 100 V w/V f v/f,7.土壤空气容量：亦称充气孔度，表示土壤空气占总体积的相对含量，是反映土壤通气性状况的指标。f=100V a/V=f-v,