《土壤學》課件第4章 土壤物理性質

1、1第三章 土壤物理性質第一節(jié) 土壤孔性第二節(jié) 土壤結構第三節(jié) 土壤力學性質與耕性第四節(jié) 土壤水分第五節(jié) 土壤空氣第六節(jié) 土壤熱量2第一節(jié) 土壤孔性一、土壤密度與容重1、土壤密度定義單位：Mg/m3， g/cm3常數(shù) 2.65 g/cm3 3土壤礦物和腐殖質的密度名稱密度名稱密度正長石2.542.58斜長石2.622.76石英2.602.70白云母2.763.10黑云母2.803.20角閃石、輝石2.903.60方解石2.712.90白云石2.802.90磷灰石3.163.22赤鐵礦4.905.30褐鐵礦3.604.00高嶺石2.602.65蒙脫石2.532.74腐殖質1.201.80不同土壤的

2、密度都近似為 2.65 g/cm34第一節(jié) 土壤孔性2、土壤容重（Bulk Density）定義：自然狀態(tài)下單位體積土壤（包括孔隙體積）的烘干重單位： g/cm3范圍：0.91.7影響因素：質地、 O.M,、結構、松緊、耕作一、土壤密度與容重5第一節(jié) 土壤孔性3、土壤容重的應用1）判斷土壤肥力狀況的指標之一2）計算土壤重量例：每畝耕層土壤重量= 667m20.18m1.25 Mg/m3150 Mg一、土壤密度與容重6第一節(jié) 土壤孔性3）換算土壤水分、養(yǎng)分含量每畝耕層土壤每年可供N素=150Mg1.5 g/kg2%=4.5 kg容重1.3，含水量15%，20 cm耕層土壤，1公頃土壤貯存的水量=

3、10000 m20.2 m1.315=390 m34）計算土壤孔隙度 3、土壤容重的應用7第一節(jié) 土壤孔性二、土壤孔隙度（Soil Porosity）土壤孔隙體積占土壤體積的百分數(shù)孔隙總的數(shù)量狀況50%左右為宜，過大過小均不好一般不直接測定 8第一節(jié) 土壤孔性二、土壤孔隙度（Soil Porosity）土壤三相比空氣體積水體積固相體積孔隙體積土壤體積9第一節(jié) 土壤孔性三、土壤孔隙類型土壤中的毛細管當量孔徑1、非毛管孔隙大孔隙0.1mm毛細管現(xiàn)象弱，持水能力弱通氣透水通氣孔隙10第一節(jié) 土壤孔性三、土壤孔隙類型2、毛管孔隙（Capillary Pore）對水分有明顯毛管作用活性孔隙, 0.10.

4、03 mm非活性孔隙，10%較好大孔隙:小孔隙=1:24 較好 12第一節(jié) 土壤孔性土壤孔性：孔隙數(shù)量及孔隙大小分布質地結構四、影響土壤孔性的因素13第二節(jié) 土壤結構一、概念 1、結構體單個土粒（總是）相互膠結成各種形狀和大小不一的土團無結構土壤 2、結構性結構體的類型、數(shù)量、穩(wěn)定性、孔性影響水、肥、氣、熱狀況和耕性土壤結構體1415第二節(jié) 土壤結構1、塊狀、核狀塊狀：3cm，邊面不明顯大塊、小塊、碎塊、碎屑核狀：邊面棱角明顯，似立方體大、中、小水、肥、氣、熱及耕性均差多在質地粘重、O.M.含量少的土壤中出現(xiàn)二、土壤結構類型與性質16第二節(jié) 土壤結構2、柱狀、棱柱狀體型較大，縱軸橫軸柱狀：邊角

5、不分明 棱柱狀：邊角分明結構體之間有明顯裂縫水田的心土、底土，干濕交替作用下形成心土層中會導致漏水、漏肥二、土壤結構類型與性質17柱狀結構18棱柱狀結構19第二節(jié) 土壤結構3、片狀水平狀結殼、結皮、板結犁底層土粒排列緊湊透水通氣極差水田犁底層片狀結構有利于托水保肥二、土壤結構類型與性質20片狀結構21第二節(jié) 土壤結構二、土壤結構類型與性質 4、團粒團粒：0.2510 mm，三軸長度近似微團粒0.25mm，水耕條件下、表層形成稻田肥力高低的指標之一土壤表層理想的土壤結構團粒結構土壤：70為團粒狀22團粒狀結構辨認土壤結構2324第二節(jié) 土壤結構三、土壤結構的穩(wěn)定性概念：抵抗機械破壞與水的分散而不

6、破碎的能力機械穩(wěn)定性粘粒和無機鹽膠結塊狀、柱狀、核狀、片狀水穩(wěn)定性鐵鋁氧化物膠結、有機質膠結團粒結構生物穩(wěn)定性25第二節(jié) 土壤結構四、團粒結構的形成多級團聚過程單粒微團聚體團粒26第二節(jié) 土壤結構四、團粒結構的形成膠結作用膠體的凝聚：帶電的粘土礦物和有機物有機質膠結：帶電膠結、粘結無機鹽膠結：碳酸鈣、硫酸鈣結晶沉淀水膠結：水膜張力27第二節(jié) 土壤結構四、團粒結構的形成外力切割作用干濕交替凍融交替根系穿插動物穿行、吞食、排泄耕作28第二節(jié) 土壤結構五、團粒結構的意義大小孔隙協(xié)調水氣協(xié)調團粒之間：透水團粒內部：蓄水保水供肥與保肥協(xié)調具有良好的耕性穩(wěn)定性高，抗蝕能力強29第二節(jié) 土壤結構性六、土壤結

7、構的管理1、增施有機肥2、合理耕作耕作時期：含水量耕作方法：次數(shù)、深度3、輪作與間套種水與旱禾木科與豆科4、改良鹽堿土：降低鈉鹽含量5、適當應用結構改良劑（soil conditioner）30第三節(jié) 土壤力學性質與耕性一、粘結性土粒之間相互吸引粘結的性能分子力氫鍵靜電引力水膜張力影響因素土壤表面積土壤含水量有機質含量抵抗外力破碎，對耕作產生阻力31第三節(jié) 土壤力學性質與耕性二、粘著性土壤粘附外物的性能增加耕作阻力，降低耕作質量在適量含水量時才產生32第三節(jié) 土壤力學性質與耕性三、塑性任意改變和保持成各種形狀的性能原因顆粒之間的粘結力受質地、有機質、離子組成等影響下塑限（塑限）：上塑限（流限）

8、：塑性指數(shù)：上下塑限含水量之差33各種質地土壤塑性值（含水量）質地下塑限（塑限）上塑限（流限）塑性值（塑性指數(shù)）粘土233041501820粘壤土162228401217壤土10151727712砂壤土10168 h優(yōu)缺點快速烘干法二、土壤含水量的測定烘干稱重法第四節(jié) 土壤水分2、中子儀法慢中子數(shù)量含水量二、土壤含水量的測定第四節(jié) 土壤水分3、時域反射儀法（TDR）測量土壤的介電常數(shù)主流方法體積含水量二、土壤含水量的測定時域反射儀50時域反射儀（TDR）51時域反射儀頻域反射儀第四節(jié) 土壤水分三、土壤水分類型1、吸附水受土粒表面引力吸持的水。吸附力：分子力、氫鍵、靜電引力1）吸濕水從氣態(tài)中吸持

9、的水，最小土壤顆粒含量多少與質地、相對濕度、O.M.含量有關吸濕系數(shù)（最大吸濕量）特點：吸力最強：31大氣壓呈固態(tài)，不能移動不能溶解溶質大于根系吸水力，屬于無效水第四節(jié) 土壤水分1、吸附水2）膜狀水吸濕水外層上吸附著的一層液態(tài)水膜特點：吸力很大， 6.2531 大氣壓呈液態(tài)，移動慢能溶解溶質部分可被根系吸收，屬難效態(tài)萎蔫系數(shù)（萎蔫點）最大分子持水量：含最大量膜狀水時的含水量第四節(jié) 土壤水分2、毛管水毛管水：依靠毛管引力保持在土壤毛管孔隙里的水特點：移動速率快能溶解溶質可被根系吸收，屬易效態(tài)是植物利用土壤水分的主要形態(tài)第四節(jié) 土壤水分2、毛管水毛管水上升高度（理論）茹林公式 h(cm)=3/d

10、(mm)當量孔徑實際壤土上升高度最大根據(jù)地下水位毛管上升（支持）水毛管懸著水田間持水量=最大毛管懸著水第四節(jié) 土壤水分3、重力水概念：在重力作用下沿大孔隙能自上而下滲漏的水分飽和含水量=孔隙度特點：移動速率快，難以保持在土壤中可被根系吸收占據(jù)大孔隙，影響通氣性對旱作屬多余水土壤水分類型58吸附水毛管水重力水萎蔫系數(shù)田間持水量第四節(jié) 土壤水分四、土壤水分的能態(tài)為什么要用能態(tài)表示土壤水分狀況？1、土壤水勢（土水勢）指土壤水分所具有的勢能（自由能）表征土壤水分在各種力的作用下自由能的變化是相對值規(guī)定水池純水自由能=0土壤水勢壤土砂土同一水吸力時，含水量：粘土壤土砂土第四節(jié) 土壤水分5、土壤水分特征曲

11、線作用吸力（基質勢）與含水量換算反映土壤持水、供水性能計算當量孔徑，反映土壤中大小孔隙的分布土壤水分運動參數(shù)計算第四節(jié) 土壤水分土壤水分總是從能量高的地方向能量低的地方運動總是從吸力小的地方向吸力大的地方運動。不一定是從含水量高的地方向含水量低的地方流動。植物可以吸收吸力小于15 bar的水分。 SPAC理論四、土壤水分的能態(tài)第四節(jié) 土壤水分五、土壤水的有效性有效水無效水1、土壤有效水的上限是毛管水達最大貯量時的土壤含水量也就是田間持水量是旱地灌水上限土壤水吸力1030 KPa第四節(jié) 土壤水分五、土壤水的有效性 2、土壤有效水的下限凋萎系數(shù)：植物發(fā)生永久凋萎時的土壤含水量吸力約 1.5 MPa

12、如用%表示則不同質地土壤不同粘土壤土砂土第四節(jié) 土壤水分二、土壤水的有效性3、土壤有效水含量最大有效水含量田間持水量凋萎系數(shù)砂土、粘土有效水少，壤土有效水多有效水含量當前含水量凋萎系數(shù)有效水的三種經(jīng)典認識有效水的三種經(jīng)典認識2、在有效水范圍內，隨含水量降低，有效性降低1、在有效水范圍內，同等有效3、在有效水范圍內，臨界點以上，同等有效；臨界點 以下，隨含水量降低，有效性降低有效性含水量土壤水分能量和有效性的關系吸濕系數(shù)凋萎系數(shù)最大分子持水量毛管斷裂含水量田間持水量毛管上升水飽和含水量水分常數(shù)水分能量水分形態(tài)有效性12萬3116156.250.50.080.001吸濕水膜狀水毛管水重力水無效水難

13、效水速效水多余水(旱地)有 效 水第四節(jié) 土壤水分六、土壤水分運動1、飽和水分運動飽和流：水分飽和、滲漏、地下水達西（Darcy）定律第四節(jié) 土壤水分1、飽和水分運動決定于土壤孔隙狀況(導水率K)和水壓梯度(H/L)飽和導水率（滲透系數(shù)）是土壤透水性能指標，決定于土壤孔隙狀況水流速率與孔隙半徑的 4 次方成正比砂質比粘質土飽和導水率大許多不同質地土壤的滲透系數(shù)（飽和導水率）土壤m(xù)m/hrm/d砂土5.00.120砂壤土3.20.077輕壤土2.90.070中壤土2.50.060重壤土1.50.036粘土0.50.012（數(shù)據(jù)僅供參考，實際導水率需要測量）第四節(jié) 土壤水分1、飽和水運動4）飽和水

14、分運動(滲漏)的意義更新土壤空氣輸送養(yǎng)分排除有毒物質 第四節(jié) 土壤水分2、非飽和水分運動包括膜狀水和毛管水運動膜狀水運動意義不大運動速度比飽和運動小得多對地面蒸發(fā)、水分分布、植物供應有重大意義土壤水勢大小決定運動方向1）水的運動方向濕（毛管力小）干（毛管力大）大毛管小毛管第四節(jié) 土壤水分2、非飽和水分運動2）上升運動毛管水上升高度與毛管孔徑有關在一定孔隙大小范圍內與孔徑成反比理論上可計算H=0.3/r (茹林公式) r 為毛管直徑實際中較復雜上升高度以壤質土最高一般地下水上升高度不會超過3m有時會引起表土鹽化第四節(jié) 土壤水分3、入滲和再分布1）入滲地表水進入土壤的過程入滲速率土壤入滲性能降水或

15、灌溉速度2）土壤水再分布入滲結束后，土壤剖面水分的繼續(xù)運動再分布一直在進行，土壤水是動態(tài)的對田間持水量的再認識第四節(jié) 土壤水分4、水汽運動1）以擴散方式，在大孔隙中運動氣態(tài)水運動2）移動方向水汽壓高水汽壓低水汽壓決定于土壤濕度與溫度梯度土壤水汽壓一般近飽和，故主要決定于溫度白天：表層下層3）夜潮現(xiàn)象夜晚，下層(溫度高)水汽表層(溫度低) 第四節(jié) 土壤水分4、水汽運動4）土壤蒸發(fā)表土水分以氣態(tài)形式向地面大氣中擴散受氣象和土壤影響，非常復雜土壤蒸發(fā)3個階段大氣蒸發(fā)力控制階段（能量控制）土壤剖面控制階段（導水率控制）水汽擴散控制第四節(jié) 土壤水分5、田間土壤水分平衡和管理土壤水分收支項目降水(P)、灌

16、溉(I)滲漏(D)徑流(R)土面蒸發(fā)(E)植物蒸騰(T)水量平衡公式土壤水分變化=收入項-支出項W=(P+I)-(E+T+R+D)W=(P+I)-(E+T)ET=(P+I)-W第五節(jié) 土壤空氣一、含量和組成1、含量受土壤水分控制2、組成與大氣組成基本一致O2、N2為主，少量CO284氣體O2 (%)CO2 (%)N2 (%)其它氣體(%)大氣20.940.0378.050.98土壤空氣18.0-20.030.15-0.6578.8-80.240.98第五節(jié) 土壤空氣一、含量和組成3、組成特點O2略低于大氣過低影響出苗、根系生長CO2是大氣的幾十倍與O2相互消長，促進地上部光合過多有害有部分還原

17、性氣體CH4、H2S、SO2、H2有毒害作用水汽處于飽和狀態(tài)85第五節(jié) 土壤空氣二、土壤空氣運動 1、對流土壤空氣與大氣之間整體的氣體交流由氣壓、風、溫度、降水等產生 2、擴散個別氣體成分（如O2）與大氣間存在濃度差而移動如：O2大氣土壤；CO2土壤大氣遵循Fick擴散定律3、旱地、水田空氣交換方式不一樣旱地以擴散為主水田空氣溶解、排水空氣進入第五節(jié) 土壤空氣二、土壤空氣運動 4、土壤通氣性指標充氣孔隙度總孔度-體積含水量旱地需要10%氧擴散率單位氧梯度單位時間通過單位截面積的氧氣量土壤氧化還原電位土壤氧化和還原物質濃度第五節(jié) 土壤空氣三、土壤通氣性的調節(jié) 1、土壤通氣性對植物的影響影響種子萌

18、發(fā)影響根系生長影響?zhàn)B分有效性影響有害物質積累2、土壤通氣性的調節(jié)排水改善土壤結構水旱輪作第六節(jié) 土壤熱量一、土壤熱量的意義1、植物種子發(fā)芽、根系生長需要在一定土溫下進行各種作物的適時播種常以土溫決定2、土壤熱量影響土壤中的生命活動和化學過程微生物，O.M.分解、累積、礦物風化3、土壤熱狀況是土壤肥力因素之一第六節(jié) 土壤熱量二、土壤熱量來源1、太陽輻射能是土壤熱量的主要來源太陽常數(shù) 1.90卡/cm2/min 反射、散射、大氣吸收50%到地面反射、熱輻射30%到土壤中R=太陽總輻射（1-）-地面長波輻射2、生物熱微生物分解O.M.放熱作用有限是溫床育苗的原理3、地熱地殼導熱能力差，地表獲熱很少，

19、地殼每cm2每年獲地熱高緯度、海拔低高海拔南坡北坡、陽坡平地2、地面反射率土壤顏色、含水量、植被等3、地面有效輻射云霧、水汽、風海拔地表特征地面覆蓋第六節(jié) 土壤熱量五、土壤熱性質1、土壤熱容量C單位土壤每升高1所需熱量C（質量熱容量）：焦/（克度）Cv（容積熱容量）：焦/（cm3度）主要決定于含水量多少以水調溫早春晴天排水增溫，雨天灌水保溫；夏天灌水降溫土壤成分C (J g-1-1)Cv (J cm-3-1)礦物質0.750.962.052.43腐殖質2.002.51空氣1.000.0013水4.184.18第六節(jié) 土壤熱量2、土壤導熱率單位厚度土層單位溫差時，單位時間經(jīng)單位斷面通過的熱量數(shù)。單位：J/(cms) 礦物水 空氣慢（小）：干土、疏松土壤含水分少、空氣多快（大）：潮濕土、緊實土壤，含水多空氣少冬季、早春灌水防凍第六節(jié) 土