《土壤学》课件第4章 土壤物理性质

1、1第三章 土壤物理性质第一节 土壤孔性第二节 土壤结构第三节 土壤力学性质与耕性第四节 土壤水分第五节 土壤空气第六节 土壤热量2第一节 土壤孔性一、土壤密度与容重1、土壤密度定义单位：Mg/m3， g/cm3常数 2.65 g/cm3 3土壤矿物和腐殖质的密度名称密度名称密度正长石2.542.58斜长石2.622.76石英2.602.70白云母2.763.10黑云母2.803.20角闪石、辉石2.903.60方解石2.712.90白云石2.802.90磷灰石3.163.22赤铁矿4.905.30褐铁矿3.604.00高岭石2.602.65蒙脱石2.532.74腐殖质1.201.80不同土壤的

2、密度都近似为 2.65 g/cm34第一节 土壤孔性2、土壤容重（Bulk Density）定义：自然状态下单位体积土壤（包括孔隙体积）的烘干重单位： g/cm3范围：0.91.7影响因素：质地、 O.M,、结构、松紧、耕作一、土壤密度与容重5第一节 土壤孔性3、土壤容重的应用1）判断土壤肥力状况的指标之一2）计算土壤重量例：每亩耕层土壤重量= 667m20.18m1.25 Mg/m3150 Mg一、土壤密度与容重6第一节 土壤孔性3）换算土壤水分、养分含量每亩耕层土壤每年可供N素=150Mg1.5 g/kg2%=4.5 kg容重1.3，含水量15%，20 cm耕层土壤，1公顷土壤贮存的水量=

3、10000 m20.2 m1.315=390 m34）计算土壤孔隙度 3、土壤容重的应用7第一节 土壤孔性二、土壤孔隙度（Soil Porosity）土壤孔隙体积占土壤体积的百分数孔隙总的数量状况50%左右为宜，过大过小均不好一般不直接测定 8第一节 土壤孔性二、土壤孔隙度（Soil Porosity）土壤三相比空气体积水体积固相体积孔隙体积土壤体积9第一节 土壤孔性三、土壤孔隙类型土壤中的毛细管当量孔径1、非毛管孔隙大孔隙0.1mm毛细管现象弱，持水能力弱通气透水通气孔隙10第一节 土壤孔性三、土壤孔隙类型2、毛管孔隙（Capillary Pore）对水分有明显毛管作用活性孔隙, 0.10.

4、03 mm非活性孔隙，10%较好大孔隙:小孔隙=1:24 较好 12第一节 土壤孔性土壤孔性：孔隙数量及孔隙大小分布质地结构四、影响土壤孔性的因素13第二节 土壤结构一、概念 1、结构体单个土粒（总是）相互胶结成各种形状和大小不一的土团无结构土壤 2、结构性结构体的类型、数量、稳定性、孔性影响水、肥、气、热状况和耕性土壤结构体1415第二节 土壤结构1、块状、核状块状：3cm，边面不明显大块、小块、碎块、碎屑核状：边面棱角明显，似立方体大、中、小水、肥、气、热及耕性均差多在质地粘重、O.M.含量少的土壤中出现二、土壤结构类型与性质16第二节 土壤结构2、柱状、棱柱状体型较大，纵轴横轴柱状：边角

5、不分明 棱柱状：边角分明结构体之间有明显裂缝水田的心土、底土，干湿交替作用下形成心土层中会导致漏水、漏肥二、土壤结构类型与性质17柱状结构18棱柱状结构19第二节 土壤结构3、片状水平状结壳、结皮、板结犁底层土粒排列紧凑透水通气极差水田犁底层片状结构有利于托水保肥二、土壤结构类型与性质20片状结构21第二节 土壤结构二、土壤结构类型与性质 4、团粒团粒：0.2510 mm，三轴长度近似微团粒0.25mm，水耕条件下、表层形成稻田肥力高低的指标之一土壤表层理想的土壤结构团粒结构土壤：70为团粒状22团粒状结构辨认土壤结构2324第二节 土壤结构三、土壤结构的稳定性概念：抵抗机械破坏与水的分散而不

6、破碎的能力机械稳定性粘粒和无机盐胶结块状、柱状、核状、片状水稳定性铁铝氧化物胶结、有机质胶结团粒结构生物稳定性25第二节 土壤结构四、团粒结构的形成多级团聚过程单粒微团聚体团粒26第二节 土壤结构四、团粒结构的形成胶结作用胶体的凝聚：带电的粘土矿物和有机物有机质胶结：带电胶结、粘结无机盐胶结：碳酸钙、硫酸钙结晶沉淀水胶结：水膜张力27第二节 土壤结构四、团粒结构的形成外力切割作用干湿交替冻融交替根系穿插动物穿行、吞食、排泄耕作28第二节 土壤结构五、团粒结构的意义大小孔隙协调水气协调团粒之间：透水团粒内部：蓄水保水供肥与保肥协调具有良好的耕性稳定性高，抗蚀能力强29第二节 土壤结构性六、土壤结

7、构的管理1、增施有机肥2、合理耕作耕作时期：含水量耕作方法：次数、深度3、轮作与间套种水与旱禾木科与豆科4、改良盐碱土：降低钠盐含量5、适当应用结构改良剂（soil conditioner）30第三节 土壤力学性质与耕性一、粘结性土粒之间相互吸引粘结的性能分子力氢键静电引力水膜张力影响因素土壤表面积土壤含水量有机质含量抵抗外力破碎，对耕作产生阻力31第三节 土壤力学性质与耕性二、粘着性土壤粘附外物的性能增加耕作阻力，降低耕作质量在适量含水量时才产生32第三节 土壤力学性质与耕性三、塑性任意改变和保持成各种形状的性能原因颗粒之间的粘结力受质地、有机质、离子组成等影响下塑限（塑限）：上塑限（流限）

8、：塑性指数：上下塑限含水量之差33各种质地土壤塑性值（含水量）质地下塑限（塑限）上塑限（流限）塑性值（塑性指数）粘土233041501820粘壤土162228401217壤土10151727712砂壤土10168 h优缺点快速烘干法二、土壤含水量的测定烘干称重法第四节 土壤水分2、中子仪法慢中子数量含水量二、土壤含水量的测定第四节 土壤水分3、时域反射仪法（TDR）测量土壤的介电常数主流方法体积含水量二、土壤含水量的测定时域反射仪50时域反射仪（TDR）51时域反射仪频域反射仪第四节 土壤水分三、土壤水分类型1、吸附水受土粒表面引力吸持的水。吸附力：分子力、氢键、静电引力1）吸湿水从气态中吸持

9、的水，最小土壤颗粒含量多少与质地、相对湿度、O.M.含量有关吸湿系数（最大吸湿量）特点：吸力最强：31大气压呈固态，不能移动不能溶解溶质大于根系吸水力，属于无效水第四节 土壤水分1、吸附水2）膜状水吸湿水外层上吸附着的一层液态水膜特点：吸力很大， 6.2531 大气压呈液态，移动慢能溶解溶质部分可被根系吸收，属难效态萎蔫系数（萎蔫点）最大分子持水量：含最大量膜状水时的含水量第四节 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点：移动速率快能溶解溶质可被根系吸收，属易效态是植物利用土壤水分的主要形态第四节 土壤水分2、毛管水毛管水上升高度（理论）茹林公式 h(cm)=3/d

10、(mm)当量孔径实际壤土上升高度最大根据地下水位毛管上升（支持）水毛管悬着水田间持水量=最大毛管悬着水第四节 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渗漏的水分饱和含水量=孔隙度特点：移动速率快，难以保持在土壤中可被根系吸收占据大孔隙，影响通气性对旱作属多余水土壤水分类型58吸附水毛管水重力水萎蔫系数田间持水量第四节 土壤水分四、土壤水分的能态为什么要用能态表示土壤水分状况？1、土壤水势（土水势）指土壤水分所具有的势能（自由能）表征土壤水分在各种力的作用下自由能的变化是相对值规定水池纯水自由能=0土壤水势壤土砂土同一水吸力时，含水量：粘土壤土砂土第四节 土壤水分5、土壤水分特征曲

11、线作用吸力（基质势）与含水量换算反映土壤持水、供水性能计算当量孔径，反映土壤中大小孔隙的分布土壤水分运动参数计算第四节 土壤水分土壤水分总是从能量高的地方向能量低的地方运动总是从吸力小的地方向吸力大的地方运动。不一定是从含水量高的地方向含水量低的地方流动。植物可以吸收吸力小于15 bar的水分。 SPAC理论四、土壤水分的能态第四节 土壤水分五、土壤水的有效性有效水无效水1、土壤有效水的上限是毛管水达最大贮量时的土壤含水量也就是田间持水量是旱地灌水上限土壤水吸力1030 KPa第四节 土壤水分五、土壤水的有效性 2、土壤有效水的下限凋萎系数：植物发生永久凋萎时的土壤含水量吸力约 1.5 MPa

12、如用%表示则不同质地土壤不同粘土壤土砂土第四节 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间持水量凋萎系数砂土、粘土有效水少，壤土有效水多有效水含量当前含水量凋萎系数有效水的三种经典认识有效水的三种经典认识2、在有效水范围内，随含水量降低，有效性降低1、在有效水范围内，同等有效3、在有效水范围内，临界点以上，同等有效；临界点 以下，随含水量降低，有效性降低有效性含水量土壤水分能量和有效性的关系吸湿系数凋萎系数最大分子持水量毛管断裂含水量田间持水量毛管上升水饱和含水量水分常数水分能量水分形态有效性12万3116156.250.50.080.001吸湿水膜状水毛管水重力水无效水难

13、效水速效水多余水(旱地)有 效 水第四节 土壤水分六、土壤水分运动1、饱和水分运动饱和流：水分饱和、渗漏、地下水达西（Darcy）定律第四节 土壤水分1、饱和水分运动决定于土壤孔隙状况(导水率K)和水压梯度(H/L)饱和导水率（渗透系数）是土壤透水性能指标，决定于土壤孔隙状况水流速率与孔隙半径的 4 次方成正比砂质比粘质土饱和导水率大许多不同质地土壤的渗透系数（饱和导水率）土壤mm/hrm/d砂土5.00.120砂壤土3.20.077轻壤土2.90.070中壤土2.50.060重壤土1.50.036粘土0.50.012（数据仅供参考，实际导水率需要测量）第四节 土壤水分1、饱和水运动4）饱和水

14、分运动(渗漏)的意义更新土壤空气输送养分排除有毒物质 第四节 土壤水分2、非饱和水分运动包括膜状水和毛管水运动膜状水运动意义不大运动速度比饱和运动小得多对地面蒸发、水分分布、植物供应有重大意义土壤水势大小决定运动方向1）水的运动方向湿（毛管力小）干（毛管力大）大毛管小毛管第四节 土壤水分2、非饱和水分运动2）上升运动毛管水上升高度与毛管孔径有关在一定孔隙大小范围内与孔径成反比理论上可计算H=0.3/r (茹林公式) r 为毛管直径实际中较复杂上升高度以壤质土最高一般地下水上升高度不会超过3m有时会引起表土盐化第四节 土壤水分3、入渗和再分布1）入渗地表水进入土壤的过程入渗速率土壤入渗性能降水或

15、灌溉速度2）土壤水再分布入渗结束后，土壤剖面水分的继续运动再分布一直在进行，土壤水是动态的对田间持水量的再认识第四节 土壤水分4、水汽运动1）以扩散方式，在大孔隙中运动气态水运动2）移动方向水汽压高水汽压低水汽压决定于土壤湿度与温度梯度土壤水汽压一般近饱和，故主要决定于温度白天：表层下层3）夜潮现象夜晚，下层(温度高)水汽表层(温度低) 第四节 土壤水分4、水汽运动4）土壤蒸发表土水分以气态形式向地面大气中扩散受气象和土壤影响，非常复杂土壤蒸发3个阶段大气蒸发力控制阶段（能量控制）土壤剖面控制阶段（导水率控制）水汽扩散控制第四节 土壤水分5、田间土壤水分平衡和管理土壤水分收支项目降水(P)、灌

16、溉(I)渗漏(D)径流(R)土面蒸发(E)植物蒸腾(T)水量平衡公式土壤水分变化=收入项-支出项W=(P+I)-(E+T+R+D)W=(P+I)-(E+T)ET=(P+I)-W第五节 土壤空气一、含量和组成1、含量受土壤水分控制2、组成与大气组成基本一致O2、N2为主，少量CO284气体O2 (%)CO2 (%)N2 (%)其它气体(%)大气20.940.0378.050.98土壤空气18.0-20.030.15-0.6578.8-80.240.98第五节 土壤空气一、含量和组成3、组成特点O2略低于大气过低影响出苗、根系生长CO2是大气的几十倍与O2相互消长，促进地上部光合过多有害有部分还原

17、性气体CH4、H2S、SO2、H2有毒害作用水汽处于饱和状态85第五节 土壤空气二、土壤空气运动 1、对流土壤空气与大气之间整体的气体交流由气压、风、温度、降水等产生 2、扩散个别气体成分（如O2）与大气间存在浓度差而移动如：O2大气土壤；CO2土壤大气遵循Fick扩散定律3、旱地、水田空气交换方式不一样旱地以扩散为主水田空气溶解、排水空气进入第五节 土壤空气二、土壤空气运动 4、土壤通气性指标充气孔隙度总孔度-体积含水量旱地需要10%氧扩散率单位氧梯度单位时间通过单位截面积的氧气量土壤氧化还原电位土壤氧化和还原物质浓度第五节 土壤空气三、土壤通气性的调节 1、土壤通气性对植物的影响影响种子萌

18、发影响根系生长影响养分有效性影响有害物质积累2、土壤通气性的调节排水改善土壤结构水旱轮作第六节 土壤热量一、土壤热量的意义1、植物种子发芽、根系生长需要在一定土温下进行各种作物的适时播种常以土温决定2、土壤热量影响土壤中的生命活动和化学过程微生物，O.M.分解、累积、矿物风化3、土壤热状况是土壤肥力因素之一第六节 土壤热量二、土壤热量来源1、太阳辐射能是土壤热量的主要来源太阳常数 1.90卡/cm2/min 反射、散射、大气吸收50%到地面反射、热辐射30%到土壤中R=太阳总辐射（1-）-地面长波辐射2、生物热微生物分解O.M.放热作用有限是温床育苗的原理3、地热地壳导热能力差，地表获热很少，

19、地壳每cm2每年获地热高纬度、海拔低高海拔南坡北坡、阳坡平地2、地面反射率土壤颜色、含水量、植被等3、地面有效辐射云雾、水汽、风海拔地表特征地面覆盖第六节 土壤热量五、土壤热性质1、土壤热容量C单位土壤每升高1所需热量C（质量热容量）：焦/（克度）Cv（容积热容量）：焦/（cm3度）主要决定于含水量多少以水调温早春晴天排水增温，雨天灌水保温；夏天灌水降温土壤成分C (J g-1-1)Cv (J cm-3-1)矿物质0.750.962.052.43腐殖质2.002.51空气1.000.0013水4.184.18第六节 土壤热量2、土壤导热率单位厚度土层单位温差时，单位时间经单位断面通过的热量数。单位：J/(cms) 矿物水 空气慢（小）：干土、疏松土壤含水分少、空气多快（大）：潮湿土、紧实土壤，含水多空气少冬季、早春灌水防冻第六节 土