土壤結構和力學性質

1、關于土壤結構與力學性質第一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月教學目標了解土壤的顆粒大小與性質掌握土壤質地類別與不同質地土壤肥力特點了解土壤的三相組成與計算方法理解土壤是一個復雜的多相體系了解土壤結構體的種類及其重要性掌握土壤團粒結構在土壤肥力上的意義了解土壤力學性質和土壤耕性第二張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 土壤顆粒第三張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土粒：土壤中的顆粒。 根據(jù)土粒的成分，可分為：礦物質土粒和有機質土粒。 前者的數(shù)目占絕對優(yōu)勢，而且在土壤中長期穩(wěn)定地存在，構成土壤固相骨架； 后者或者是有機殘體的碎屑，極易被小動物吞噬和微生物分解掉，或

2、者是與礦質土粒結合而形成復粒，因而很少單獨地存在。一、土壤粒級（一）土壤顆粒的概念 通常所指土粒，是專指礦質土粒。第四張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月單粒和復粒 固相骨架中的礦質土?？梢詥蝹€地存在，稱為單粒，在質地輕而缺少有機質的土壤中，單粒在數(shù)目上占優(yōu)勢。 在質地粘重及有機質含量較多的土壤中，許多單粒相互聚集成復粒。通常所說的土粒，均指礦質土粒中的單粒第五張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土粒土粒土粒Ca2+腐殖質第六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土粒土粒土粒Fe2+腐殖質Fe3+Al3+第七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月單個土粒團聚體微團粒

3、第八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤粒級：土粒的大小差別很大，為了便于研究不同大小顆粒的特性，人們將一系列大小不同的土粒，區(qū)分為若干組，稱為土壤粒級（粒組）。 （二）土壤粒級（粒組）第九張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、當量粒徑與理想土壤土壤中的顆粒的形狀各異；當量粒徑、有效粒徑、理想土壤的概念來自土壤機械分析（顆粒分析）時采用的假設和方法。當量粒徑（有效粒徑） 粗粒部分：過篩分級，如0.5-1.0mm。 細粒部分：根據(jù)斯托克斯定律，把土?？醋龉饣膶嵭膱A球，取與此粒級沉降速率相同的圓球直徑，作為其當量粒徑。理想土壤

4、：由光滑實心圓球各級土粒堆積的土壤 與實際情況相差甚遠（尤其是對片狀粘粒來說），但在土壤學、土工學研究及應用中這種圓球堆積的“理想土壤”沿用已久第十一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月這種粒徑劃分就是礦質土粒的分級2、土粒的大小分級粒級 組內(nèi)粒徑大小、成分及性質基本相近 而組間則有明顯的差異粒級（粒組）：根據(jù)土粒直徑的大小和性質上的差異，將礦物質土粒劃分為若干粒徑等級，每一等級就叫一個粒級。第十二張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月表6-1 常見的土壤粒級制 （P109 ）當量粒徑 (毫米) 中國制 (1987) 卡欽斯基制 (1957) 美國農(nóng)部制 (1951) 國際制 (

5、1930) 3-2 石 礫 石 礫 石 礫 石 礫 2-1 極粗砂粒 1-0.5 粗砂粒 粗砂粒 粗砂粒 粗砂粒 0.5-0.25 物 中砂粒 中砂粒 0.25-0.2 理 細砂粒 0.2-0.1 細砂粒 性 細砂粒 0.1-0.05 砂 極細砂粒 細砂粒 0.05-0.02 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 細粉粒 理 細粉粒 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 細粘粒 粒 粒 細粘粒 2 2 1 1砂粒 2-0.02

6、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由國內(nèi)外主要土粒分級制可見，土粒一般可分為311級，其基本級只有石礫、砂粒、粉粒和粘粒4級。第十四張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月注意兩點：一、各粒級間的界限多少是人為定的，盡量選擇其理化性質變化較明顯的轉折處；二、不同粒級制是與對土粒的概念和機械組成分析的前處理方法相聯(lián)系的。第十五張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、土粒的礦物

7、組成2、土粒的化學組成和化學性質3、土粒的物理性質4、不同粒級土粒的基本特征（三）各級土粒的礦物組成和化學組成第十六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、土粒的礦物組成圖6-1 土壤粗細顆粒的礦物組成示意圖 第十七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月粒級（mm）化學組成（占干重%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2MnOCaOMgOK2ONa2OP2O5灰色森林土0.10.0189.903.900.940.510.060.610.352.210.810.040.010.00582.638.132.390.970.060.951.942.771.450.140.0050.00

8、176.7511.323.951.340.041.001.053.321.300.250.00158.0323.4010.190.730.170.442.403.150.240.46全土85.105.962.460.530.120.920.682.380.750.11黑鈣土0.10.0188.125.751.290.450.040.740.291.991.210.020.010.00582.177.962.731.000.020.941.192.311.840.120.0050.00167.3717.167.511.380.030.751.773.041.380.230.00157.4722.

9、6611.540.660.080.382.483.170.190.39全土71.5213.745.520.700.182.211.732.670.750.21表6-2 兩種代表性土壤各粒級的化學組成 2、土粒的化學成分和化學性質第十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月3、土粒的物理性質表6-3 紅壤及其各粒級的物理性質 粒級（mm）相對密度容重（g/cm3）浸水容重（g/cm3）吸濕系數(shù)（%）流限（%）塑限（%）塑性指數(shù)膨脹（ml/g）抗壓強度（kg/cm2）全土（1）2.721.250.669.7442.125.816.30.093.1510.252.661.521.330.34無

10、無無0.030.250.052.681.461.250.59無無無0.030.050.012.691.301.310.14無無無-0.040.010.0052.681.201.490.20無無無-0.060.0050.0022.871.221.370.65無無無-0.040.120.0020.0012.761.101.172.1341.223.617.60.060.280.05 mm）（1）顆粒大，所含礦物為原生礦物。（2）含石礫和砂粒較多的土壤疏松多孔，通氣透水好，排 水通暢，脹縮性小。（3）比表面積小，無粘結性，粘著性、可塑性，耕性好。（4）吸水保肥能力弱，養(yǎng)分易隨水流失，升溫快，養(yǎng)分易轉

11、化。不同粒級土粒的基本特征B 粘粒（0.002 mm或80結構良好的壤土和粘土的孔度高達55-65%，甚至在70以上。（3）土壤總孔度的變化范圍第三十六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤孔度通常不是直接測定的，而是根據(jù)土壤的密度和容重來計算：第三十七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月2、土壤孔隙的類型（1）毛管孔隙和非毛管孔隙 1864年德國學者舒馬赫（W. Schumacher）提出。 客觀分界：田間持水量（2）通氣孔度、毛管孔度與非活性孔度 近年來，把大小孔隙分為三級：非毛管孔度（通氣孔度，P氣）毛管孔度（P毛，也稱活性孔度）束縛水占孔隙（P束=P緊束+P松束，也稱

12、非活性孔度）第三十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十九張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月通氣孔隙：當量孔徑0.02 mm的孔隙, 其中0.2 mm的粗孔植物的細根可伸入其中；0.20.02 mm的中孔是原生動物、真菌和根毛的棲身地。毛管孔隙：當量孔徑為0.020.002mm的孔隙, 植物細根、原生動物和真菌不能進入毛管孔隙中，但根毛和細菌可在其中生活。非活性孔隙： 當量孔徑0.002mm的孔隙，根毛和微生物不能進入此孔隙。第四十張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）土壤孔隙分級 美國土壤學會（2001）根據(jù)土壤孔隙的大小將孔隙分為五級：大孔隙（Macro

13、pore，0.085mm）、中孔隙（Mesopore， 0.030.08mm ）、微孔隙（Micropore， 0.0050.03mm ）、超微孔隙（Ultramicropore， 0.0010.005mm ）、和隱孔隙（Cryptopore， 3cm,肥力較差2）核狀結構比塊狀結構小坷垃蒜瓣土第六十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月2、棱柱狀結構和柱狀結構立土質地粘重且缺乏有機質的心土層較多第六十九張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月3、片狀結構臥土、平搓土第七十張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月4、團粒（粒狀和小團塊）結構1、團粒結構： 0.25-10mm2、

14、微團粒：0.25mm螞蟻蛋、米糝子第七十一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）土壤結構性的評價1、土壤結構體的孔隙狀況不良結構：塊狀、核狀、柱狀、棱柱狀和片狀結構體總孔隙度小，主要是小的非活性孔隙和毛管孔隙，結構體之間大的通氣孔隙，往往成為漏水漏肥的通道。植物根系很難穿扎，干裂時常扯斷根系。良好結構：團粒結構體不僅總孔隙度大，而且內(nèi)部有多級大量的大小孔隙，團粒之間排列疏松，大孔隙較多，兼有蓄水和通氣的雙重作用。第七十二張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤團粒體第七十三張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月機械穩(wěn)定性：也稱力穩(wěn)性，是指土壤結構體抵抗機械壓碎的能力。

15、生物穩(wěn)定性：指結構體抵抗微生物分解的能力。水穩(wěn)定性：結構體浸水后不易分散的性能。水穩(wěn)性結構體和非水穩(wěn)性結構體。2、土壤結構的穩(wěn)定性（Structure stability)第七十四張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月Baver提出用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）作為評定土壤團聚體的指標。式中：MWD為團聚體平均重量直徑（mm）；Xi為每一粒級團聚體的平均直徑（mm）；Wi為每一粒級團聚體的重量百分含量。一般來說，MWD值大，結構好；相反，則較差。第七十五張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月 由單粒凝聚成復粒；由復粒相互粘結形成微團、團粒。 在機

16、械力的作用下，大塊土垡破碎成各種大小、形狀各異的粒狀或團粒狀結構體。二、土壤團粒結構第七十六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）團粒的形成過程單粒微凝聚體微團聚體團聚體成型動力作用黏結膠結微凝聚體粘聚1、粘結團聚過程黏結過程和團聚過程的綜合。土壤團粒的多級團聚過程包括化學作用和物理化學作用，如膠體凝聚作用、黏結和膠結作用以及有機-礦質膠體的復合作用等，并有生物參與。第七十七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土粒土粒土粒Ca2+腐殖質土粒土粒土粒Fe2+腐殖質Fe3+Al3+第七十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒腐殖質第七十九張，PPT共

17、一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月單個土粒團聚體微團粒第八十張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤團聚體第八十一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月1）凝聚作用：指土壤膠體相互凝聚在一起的作用。2）無機物質的黏結作用：土壤顆?；驁F聚體間因膠結物質的物理狀態(tài)的改變或化學組成的變化而相互團聚在一起。常見的無機膠結物質有碳酸鈣、硫酸鈣以及無定形的硅酸、氧化鐵和氧化鋁膠體等。3）有機物質的膠結作用與復合作用：有機物質是土壤中的重要膠結物質。如腐殖質、木質素、蛋白質以及微生物活動中產(chǎn)生的分泌物和真菌、絲狀菌菌絲等。4）有機-礦質復合體：鐵鋁鍵結合和鈣鍵結合兩類。5）蚯蚓和其他小動物的作用

18、：土居小動物如蚯蚓、蟻類和一些昆蟲的活動也可促進土壤團粒結構的形成，特別是蚯蚓的作用甚大，其排泄物本身就是富含有機質和養(yǎng)分的團粒。第八十二張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月2、切割造型過程1）根系的切割；2）干濕交替；3）凍融交替；4）耕作第八十三張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）團粒的多級孔性1、具有多級孔性2、能協(xié)調(diào)水分和空氣的矛盾3、能協(xié)調(diào)保肥和供肥性能4、具有良好的物理性和耕性團粒結構是土壤水、肥、氣、熱的“調(diào)節(jié)器”。第八十四張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十五張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）團粒形成的微觀機制1、黏團說2、等

19、電凝聚說第八十六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）團粒結構在土壤肥力上的意義團粒結構是土壤水、肥、氣、熱的“調(diào)節(jié)器”。1、團粒結構土壤的大小孔隙兼?zhèn)?、團粒結構土壤中水、氣矛盾的解決3、團粒結構土壤的保肥與供肥協(xié)調(diào)4、團粒結構土壤宜于耕作5、團粒結構土壤具有良好的耕層構造第八十七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月良好的團粒結構體： 具有一定的大小； 具有大小不同的多級孔隙； 具有一定的水穩(wěn)性、機械穩(wěn)性和生物穩(wěn)定性。第八十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月三、土壤結構改良1、深耕結合施用有機肥2、合理輪作3、合理耕作4、土壤結構改良劑5、鹽堿土電流改良第八十

20、九張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月小結一、核心名詞 1. 土壤密度 2. 土壤容重 3. 土壤孔隙度 4. 當量粒徑 5. 當量孔徑 6. 土壤結構體 7. 土壤結構性 8.團粒結構 9.土壤質地第九十張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、團粒結構在土壤肥力方面作用和意義有哪些? 2、為什么說粒狀團粒狀結構是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上比較理想的結構?培育良好結構的有效途徑是什么?3、不同質地土壤的肥力特性？二、思考題第九十一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 土壤力學性質土壤耕作的質量、農(nóng)機具的作用性質、地基的穩(wěn)定性以及作物根系的伸長等都與土壤力學性質（土壤物理機械性）密

21、切相關，其包括土壤結持特性（粘結性、粘著性、塑性）、脹縮性、壓板和阻力（穿透阻力和牽引阻力）、流變性、固結等。第九十二張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、土壤黏結和黏著性 （一）土壤粘結性土粒與土粒之間由于各種引力（范德華力、水膜表面張力、庫倫力、氫鍵等）而相互粘結在一起的性質。（二）土壤粘著性土壤在一定含水量的情況下，土粒粘著在外物表面的性能。 第九十三張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月影響土壤粘結性和粘著性的因素有： 土壤質地土壤含水量 土壤結構土壤腐殖質含量 第九十四張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤可塑性指土壤在一定含水量范圍內(nèi)，可被外力造形，當外力

22、消失或土壤干燥后，仍能保持其塑形不變的性能。（一）土壤塑性的產(chǎn)生土壤塑性是片狀粘粒及其水膜造成的。二、土壤可塑性(plasticity)第九十五張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月上塑限(upper plastic limit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最大含水量，又稱液限（liquid limit）。下塑限(lower plastic limit)：土壤呈現(xiàn)塑性的最小含水量，又稱塑限(plastic limit )。塑性值(plastic index)：上塑限和下塑限的差值，又稱塑性指數(shù)（plasticity number）。（二）塑性指數(shù)塑性值愈大表示土壤塑性愈強。上塑限、下塑限和塑性值均以

23、含水量表示之，它們的數(shù)值隨著粘粒含量的增加而增大。第九十六張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）影響土壤可塑性的因素水分含量 土壤質地 代換性陽離子土壤有機質第九十七張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月黏性土由于含水量的增加而發(fā)生體積增大的性能稱膨脹性（Soil swelling)；由于土中水分蒸發(fā)而引起體積減小的性能稱收縮性（soil shrinkage）；兩者統(tǒng)稱脹縮性。（一）土壤膨脹原因：黏粒的水化作用、黏粒表面雙電層的形成、擴散層增厚等。（二）土壤收縮水分蒸發(fā)引起的容積減小過程。（三）影響土壤脹縮性的因素土壤脹縮性與片狀黏粒有關。主要有陽離子作用、土壤質地和腐殖質含

24、量。三、土壤脹縮性第九十八張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月土壤抗剪強度是土壤對土粒移動所產(chǎn)生的最大內(nèi)阻力，即土壤彼此滑動和滑越時的阻力。抗剪切力等于內(nèi)摩擦力或粒間摩擦力加黏結力。測定土壤抗剪強度有直接測定和三軸剪切測定兩種方法。土壤抗剪強度是組成牽引阻力的主要因素之一，在耕作上十分重要，也是農(nóng)機具設計和土建工程中的主要參數(shù)。四、土壤的抗剪強度(soil shear strength)第九十九張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月五、土壤壓縮與壓實（一）土壤壓縮土壤的壓縮性（soil compression）是指在壓力作用下土壤體積減小的過程。（二）土壤壓實（soil compaction）壓實作用是指負荷或施壓所造成的土壤容重增加和孔隙度降低的過程。第一百張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 土壤耕性和耕作第一百零一張，PPT共一百零九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）土壤耕作的概念土壤耕作(soil tillage)是在作物種植以前或在作物生長期間，為了改善作物生長條件而對土壤進行的機械操作。作用：改良土壤耕作層的物理狀況，調(diào)整固液氣三相比，改善耕層構造；根據(jù)當?shù)刈匀粭l件的