土壤学第六章-土壤结构与力学性质ppt课件

1、6 土壤结构与力学性质学习目标 掌握有关“土壤颗粒”、“土壤质地”、“土壤结构”的重要概念、基本原理和计算方法，以及土壤的力学性质，了解土壤的耕性和耕作。2022/7/211 6 土壤结构与力学性质 6-1 土壤颗粒 一、土壤粒级 二、土壤密度和容重 三、土壤空隙6-2 土壤质地 一、土壤机械组成 二、土壤质地类型 三、不同质地土壤的肥力特点和改良利用6-3 土壤结构 一、土壤结构体 二、土壤团粒结构 三、土壤结构改良 6-4 土壤力学性质 一、土壤黏结和黏着性 二、土壤可塑性 三、土壤胀缩性 四、土壤的抗剪强度 五、土壤压缩与压实 6-5 土壤耕性和耕作 一、土壤耕作 二、土壤耕性和耕作力学

2、 三、土壤保护性耕作技术2022/7/2126 土壤结构与力学性质 土壤结构：土壤中不同颗粒的排列和组合形式。 土壤结构是成土过程或利用过程中由物理的、化学的和生物的多种因素综合作用而形成，按形状可分为块状、片状和柱状三大类型；按其大小、发育程度和稳定性等，再分为团粒、团块、块状、棱块状、棱柱状、柱状和片状等结构。 土壤力学：研究力与土壤相互作用的学科。研究力学和水力学原理在土方工程上的应用。 土壤力学性质：土壤的机械物理性质。2022/7/2136 土壤结构与力学性质6-1 土壤颗粒一、土壤粒级(一)土壤颗粒的概念 土壤颗粒是构成土壤固相骨架的基本颗粒。 土壤颗粒的种类(按土粒的成分)：矿物

3、质土粒(占土壤固相重量的95%以上)、有机质土粒、有机质与无机质复合的群体。 土壤固体物质大小和形态各异，一般都视为球体，称为矿物质土粒或矿质土粒，简称土粒。常所指土粒，是专指矿质土粒。 土壤颗粒单粒(原生土粒)：固相骨架中的矿质土粒单个存在。 土壤颗粒复粒(次生土粒)：单粒相互聚集而成。 土壤颗粒的主要作用：起着支撑植株生长的作用，其粒径大小、组合比例与排列状况直接影响土壤的基本性状。2022/7/214 6 土壤结构与力学性质(二)土壤粒级 按土粒大小，分为若干组，称为土壤粒级(粒组)。 石砾： 1mm 砂粒： 1-0.05mm 粉粒： 0.05-0.002mm 粘粒： 0.002mm 物

4、理性砂粒：粒径在10.01 mm之间的土粒。 物理性粘粒：粒径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：0.02 mm的孔隙(土壤水吸力0.2 mm的粗孔植物的细根可伸入其中；0.2-0.02 mm的中孔是原生动物、真菌和根毛的栖身地。3.土壤空隙分级4.土壤孔性的影响因素 质地；结构；土壤有机质含量；土粒排列；自然因素与土壤管理 6 土壤结构与力学性质 (1)非活性孔隙 当

5、量孔径1.5105 Pa)，根毛和微生物不能进入此孔隙。(2)毛管孔隙 当量孔径为0.020.002 mm的孔隙(土壤水吸力1.5105 Pa-1.5104 Pa), 植物细根、原生动物和真菌不能进入毛管孔隙中，但根毛和细菌可在其中生活。2022/7/2115 6 土壤结构与力学性质6-2 土壤质地一、土壤机械组成 各粒级土粒在土壤中的相对比例(质量百分数)称为土壤机械组成(或土壤颗粒组成)。 由土壤机械组成确定土壤质地。二、土壤质地类型(一)土壤质地的概念 按照土壤中不同粒级土粒的相对比例(土壤机械组成的差异)把土壤分成若干组合，每一组合即为一种土壤质地。 土壤质地对土壤性状如养分含量、通气

6、透水性、保水保肥性以及耕作性状等都有很大的影响，所以，在阐明土壤肥力时，土壤质地是首先考虑的因素之一 2022/7/21166 土壤结构与力学性质1.国际制（2）依据砂粒、粉粒和粘粒三种粒级的数量() 细分为12级 （1）以粘粒(0.002mm)含量判定4类：45% 粘土类(二)土壤质地分类制2022/7/21176 土壤结构与力学性质粘粒(0.01mm），物理粘粒（0.01mm）卡钦斯基土壤质地分类(简明方案) 注：在分析工作中不包括大于1mm的石砾，这一部分含量另行计算。2022/7/21206 土壤结构与力学性质4. 中国质地分类(三元)我国土壤质地分类标准 （1985, 1996） 中

7、国制的三元粒级互不衔接，不能构成三角质地图，不便查用2022/7/21216 土壤结构与力学性质土壤的生产性状：指土壤质地的差异在林业生产中的反应肥力状况： 植物在生长过程中，土壤的水、肥、气、热、扎根条件以及有无产生毒害物质的协调程度；耕作性状： 耕作时的难易程度、阻力大小、耕作质量好坏以及宜耕期的长短等。三、不同质地土壤的肥力特点和改良利用(一)土壤质地与肥力的关系2022/7/21226 土壤结构与力学性质 泛指与砂土性状相近的一类土壤，物理粘粒含量45%，质地细(粘重)， 包括粘土以及和类似粘土性质的重壤土和部分中壤土。 2. 粘质土（1） 通透性差（2）保蓄性强（3） 养分含量丰富，

8、转化速度慢（4）土温变幅小（5） 耕性差（6） 有毒物质多（7） 发大苗不发小苗2022/7/2124 6 土壤结构与力学性质砂粘比例6:4 主要分布于黄土高原、华北平原、松辽平原、长江中下游平原、珠江三角洲、河间平原以及河流两岸间冲积平原。3. 壤质土（1 ）大小孔隙比例分配较合理（2 ）保水保肥（3 ）养分含量充足，有机质转化速度快（4 ）水肥气热以及扎根条件协调（5 ）耕性好（6 ）发大苗又发小苗2022/7/2125 6 土壤结构与力学性质(二)土壤质地剖面与肥力的关系 许多土壤上下层的质地差别很大，呈现土壤质地层次性。形成原因有自然条件（冲积性母质发育的土壤）和人为耕作等（犁底层）

9、质地层次性对土壤肥力的影响，侧重在致低层次排列方式和层次厚度上，特别是土体1m内的层次特点。上砂下粘：胶泥底、上浸地，托水又托肥蒙金土；上粘下砂：砂砾底、菜蓝地，漏水又漏肥倒蒙金。沙 性 土壤性土黏性土2022/7/2126 6 土壤结构与力学性质(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(表6-8) 2.土壤质地改良客土法改良 土壤粘重，透气和透水性比较差，作物生长比较困难，人为加沙。 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2022/7/21276 土壤结构与力学性质2022/7/2128 6 土壤结构与

10、力学性质6-3 土壤结构一、土壤结构体(一)土壤结构的概念土壤结构：土粒(单粒和复粒)的排列、组合形式。土壤结构体：土粒(单粒和复粒)互相团聚和排列成为一定形状和大小的土 块或土团。土壤结构性：土壤结构体的种类、数量及结构体内外的孔隙状况等产生的 综合性质。(二)土壤结构体分类(表6-9) 块状结构和核状结构 柱状结构和棱柱状结构 片状结构和板状结构 团粒结构和微团粒结构 关心的问题：形状,大小,产生部位 2022/7/2129 6 土壤结构与力学性质块状结构：其长、宽、高三轴大体近似，边面不明显。在黏重土壤的表下层。核状结构：长、宽、高三轴大体近似,边面梭角明显,较块状结构小。黏重心底土中。

11、团粒结构：通常是指土壤中近于圆状小团聚体，其粒径为0.25-10mm。农业生产上最 理想的团粒结构粒径为2-3mm。 在表土中。片状结构：结构体的水平轴特别发达，即 沿长、宽方向发展呈薄片状， 厚度稍薄，且结构体间较为弯 曲者称为鳞片状结构，片状结 构的厚度可小于1cm与大于5cm 不等。在冲积性土壤的老耕地 的犁底层。柱状结构：结构体的垂直轴特别发达，呈 立柱状。在半干旱地带的心土 和底土中。棱柱状结构：棱角明显。在半干旱地带的 心土和底土中。2022/7/2130 6 土壤结构与力学性质 (三)土壤结构性的评价 1.土壤结构体的孔隙状况孔性是土壤结构性好劣的主要指标。 块状、核状、柱状和片

12、状结构内部致密，孔隙细小，有效水分少，空气难以流通，林木根系难以穿扎； 团粒结构是经过多级复合团聚而成，总孔隙度较高，团粒内部主要是毛管孔隙，团粒之间主要是空气孔隙，大、小孔隙并存，搭配得当。 从养分状况看，团粒内部的小孔隙，有利于嫌气性微生物活动和有机质适当积累，而团粒之间充满空气，有利于好气性微生物活动，可提供必要的速效养分。团粒结构多为有机、无机胶体团聚形成，腐殖质和养分含量较高，阳离子交换量大，保肥供肥性强，具有“小肥料库”之称。 从水分状况看，当降水或灌水时，水分可迅速进入土壤并被毛管孔隙所保持，过多的水分则通过团粒间的大孔隙渗入土壤下层，减少地面径流，防止土壤冲刷。晴天，地表团粒失

13、水收缩，阻断土层中水分沿毛管孔隙上升至地表，减少水分蒸发，使土壤耐旱。 2土壤结构的稳定性 土壤结构体的机械稳定性越大，在耕锄管理过 程中被破坏的程度就越少。 力稳定性、生物稳定性、水稳定性、团聚性。2022/7/21316 土壤结构与力学性质 粘结团聚过程： 凝聚作用 胶结作用(有机，无机) 土壤动物作用 二、土壤团粒结构(一)土壤团粒的形成过程切割造型过程： 根系切割 干湿交替 冻融交替 耕作2022/7/2132 6 土壤结构与力学性质明确土壤团聚体形成的条件: 1.足够的细碎土粒：细小的土粒包括微团聚体和单粒。土粒越细其粘结力越大，越有利于复粒的形成。过砂的土壤不能形成团聚体。 2.胶

14、结作用：指土粒通过有机和矿质胶体而结合在一起的过程。土壤中胶结物质有两大类：一类是有机胶结物质。如有机质中的多糖、胡敏酸、蛋白质等。一类是矿质胶结物质，如硅酸，含水氧化铁、铝及粘土矿物等。腐殖质是最理想的胶结剂（主要是胡敏酸）与钙结合形成不可逆凝聚状态，其团聚体疏松多孔，水稳性强。含水氧化铁、铝、粘粒形成的团聚体是非水稳性团聚体。 3.凝聚作用：指土粒通过反荷离子等作用而紧固的过程。带负电荷的土壤胶粒相互排斥呈溶胶状态，但在Ca2+、Fe3+等阳离子的作用下，使胶粒相互靠近凝聚而形成复粒，这是形成团聚体内的基础。 4.团聚作用：指由于各种力的作用使土粒团聚在一起的过程。主要的外力有：植物根系及

15、掘土动物。对土粒的穿插、切割、挤压而促使土块破裂，根系、掘土动物在土壤中的活动，微生物、菌丝体对土粒的缠绕起到成型动力的作用。 5.土壤耕作的作用：定时的合理耕作、中耕、耙、镇压等措施具有切碎、挤压等作用，有利于促进团聚体的形成。 6.土壤的干湿交替、冻融交替作用：干湿交替指土壤反复经受干缩和湿胀的过程，冻融交替指土壤反复经受冷冻和热融的过程。农民对板结的土壤常以晒垡（犁冬晒白）、冻垡来改善土壤结构，就是这个道理。2022/7/2133 6 土壤结构与力学性质晒垡(犁冬晒白)： 农作物秋收结束后及时进行犁冬晒白，是一项重要的农事活动。犁冬晒白可以改良土壤结构和理化性状，提高土壤肥力，消灭越冬病

16、虫源，为来年的农业生产创造良好的土壤条件。农谚“耕田不犁冬，来年禾仓空”，说的就是这个道理。为了提高犁冬的质量和效果，进行犁冬晒白时应注意如下几个方面： 1.早犁晒透。早犁冬可使土壤充分利用冬季阳光和北风晒透、风化，改良土壤结构；促进土壤有益微生物更新换代，加快有机养分分解，提高土壤肥力；破坏越冬虫生存条件，减少来年病虫害发生，有利于来年作物增产增收。一般宜在秋收结束后10天内，约11月上中旬进行。此时土壤湿度适中，翻犁容易，犁后泥坯完整，堆排有规律，晒白效果好。 2.适当犁深耕作层。耕层深厚，有利于作物根系伸展、吸水、吸肥，增强土壤保水保肥能力，从而提高作物产量。冬翻的深度应视田土情况而定。

17、土质黏、上下层肥力较一致的可深些，反之应浅些，一般以1520厘米为宜；沙石底、咸酸底不宜深耕的农田，宜用客土入泥的办法增厚耕作层。如施入塘泥、土杂肥等，能起到培肥地力的作用，效果很好。 3.对冷浸山坑田。开深沟排积水晒冬，可散发土壤毒性物质，减轻禾苗坐蔸黄化的发生。 2022/7/2134 6 土壤结构与力学性质 (二)团粒的多级孔性1.形态 团粒结构，粒状，近似球形疏松多孔的小土团。粒径0.25-10mm，表面粗糙不光滑。 微团粒结构，粒径小于0.25mm，进一步团聚，形成团粒结构，水田中，淹水条件起重要作用。2.团粒结构多级孔性 单粒复粒(初级团聚体)微团粒 (二、三级团聚)团粒(大团聚体

18、) 从小到大逐级团聚，形成孔隙也由小到大,总孔度大小比例适合。2022/7/2135 6 土壤结构与力学性质(三)团粒形成的微观机制1.黏团说 2.等电凝聚说(略)(1)黏团-团粒的基本单元 黏团是形成微团粒和团粒的基本单元。 黏团是由黏粒的定向排列和静电引力而形成的一种直径小于5m的土体，它可细分为重叠状黏团和内生状黏团，前者的黏土片间可分开，而后者的黏土片间由晶格相连不易分开。 (2)黏团的形成 黏团是以片状黏粒相互缔合而成的，片状黏粒之间的缔合方式有“面一面”(FF)、“面一边”(FE)和“边一边”(EE)等。有机胶体常常参与黏团的形成，并进一步促进黏团与黏团的团聚。粉粒和砂粒也可通过黏

19、团和有机胶体而参与团粒的形成。A砂粒-有机胶体-砂粒 B砂粒-有机胶体-黏团C黏团-有机胶体-黏团(C1面对面 C2边对面 C3边对边)D黏团-黏团 边对面 2022/7/2136 6 土壤结构与力学性质(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 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、土壤结构改良 1.增施有机肥料 2.实行合理轮作 3.合理的耕作、水分管理及施用石灰或石膏 4.土壤结构改良剂的应用 5.盐碱土电流改良2022/7/2137 6 土壤结构与力学性质 6-4 土

20、壤力学性质 土壤力学性质(机械物理性质)：当土壤受到外力作用 (如耕作) 时发生形变，显示出的一系列动力学特性，称为土壤的物理机械性。它是多项土壤动力学性质的统称(土壤结持性、胀缩性、压板和阻力等)。 一、土壤黏结和黏着性(一)土壤黏结性 原意：指同种物质或同种分子相互吸引而黏结的性质。在土壤中，土粒通过各种引力而黏结起来，称为土壤黏结性(g/cm2 或 磅/英尺2)。1.黏结力 范德华力、库伦力、氢键、化学键 水膜黏结力(表面张力): k常数，r土壤颗粒半径，是表面张力，液体与土壤颗粒的接触角，d土壤颗粒之间的距离的距离。2022/7/2138 6 土壤结构与力学性质 2.影响黏结性的因素

21、(1)土壤比表面(单位质量土粒所具有的总面积 )及其影响因素 土壤质地愈黏重，黏粒含量愈高(尤其是2:1型黏粒矿物，黏粒比表面大),其黏结性愈强；反之黏结力愈弱(砂地)。腐殖质的黏结力比黏粒小，但比砂粒大，可增强砂土的黏结性。 (2)土壤含水量 土壤含水量的多少，对黏结性的强弱的影响很大，在适度的含水量时土壤黏结性最强。一个完全干燥和分散的土粒，彼此间在常压下不表现出黏结力。当水膜分布均匀并在所有土粒接触点上都出现接触点水的弯月面时，黏结力达最大值。随着含水量的增加，水膜不断加厚,土粒之间的距离不断增大,黏结力便愈来愈弱。2022/7/2139 6 土壤结构与力学性质(二)土壤黏着性 土壤粘着

22、性：土粒粘附在外物(农具) 上的性质。 粘着性实际上是指土粒水外物 相互吸引的性能(g/cm2 或 磅/英尺2)。二、土壤可塑性 土壤可塑性：土壤在一定含水量范围内，可被外力造形，当外力消失或土壤干燥后，仍能保持其塑形不变的性能。(一)土壤塑性的产生 土壤塑性是片状黏粒及其水膜造成的。土壤只有在一定含水量范围内才具有塑性。完全没有黏结性的土壤没有塑性(砂土)。土壤塑性的强弱与黏粒含量及种类有关，2:1型的蒙脱类矿物的塑性强，而氧化铝(铁)胶粒几乎无塑性。2022/7/21406 土壤结构与力学性质(二)塑性指数 PL：土壤刚刚开始表现出可塑性的含水量下塑限 LL：土壤失去塑性，并开始成流体流动

23、时的土壤含水量上塑限 PI：上、下塑限之间的含水量称为塑性范围。其含水量差值称为塑性值(或塑性指数)。 PI = LL - PL 各种质地土壤的塑性值(含水量)下塑限上塑限塑性值粘 土粘壤土壤 土砂壤土砂 土2330162210151004150284017271601820121771217，塑性土(壤土)717，弱塑性土(砂壤)7，无塑性土(砂)0(三)影响土壤可塑性的因素 土壤的比表面、土壤质地、黏土矿物类型、交换性离子组成、有机质含量和组成、土壤结构、土壤溶液组成等。2022/7/2141 6 土壤结构与力学性质三、土壤胀缩性 土壤膨胀性：黏性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能 土

24、壤收缩性：土壤水分蒸发而引起其体积减小的性能。 两者统称胀缩性。(一)土壤膨胀 土体膨胀原因：黏粒的水化作用、黏性表面双电层的形成、扩散层增厚等 土体膨胀分两个阶段：第一阶段是干黏粒表面吸附单层水分子，“晶层间膨胀”或“粒间膨胀”；第二阶段是由于双电层的形成，使黏粒或晶层进一步推开，“渗透膨胀”。 膨胀率膨胀系数(ep) ep= V/V。=( V-V。)/V。 ep(线膨胀率)=( h-h。)/h。 膨胀力(Pp)：土样膨胀时产生的最大压力(kPa) Pp=10W/A w为施加在试样上的总平衡荷载(N)；A为试件面积(cm2)。 土壤线胀系数(COLE):风干土样吸水线胀的长度与原长度之比。

25、湿土容重(Dbm) 风干土容重(Dbd)2022/7/2142 6 土壤结构与力学性质(二)土壤收缩 土壤收缩：由于土壤水分蒸发引起其容积减小的过程。黏土收缩过程的3个阶段： 结构收缩：水分饱和土壤的含水量开始减少，但土壤容积的减少小于水容积的减少；常态收缩：土壤容积的减少与失水容积的减少相同；剩余收缩：此时土壤容积的减少大于水容积的减少。 黏性土的收缩性指标可按收缩前后直线长短的变化或容积大小的变化来表示：(线收缩和容积收缩)。 线缩率(L)： L。为潮湿状态中的土样长度；L为土样经收缩后的长度 容积收缩率(V): V。为收缩前的体积(cm3)；V为收缩后的体积(cm3) (三)影响土壤胀缩

26、性的因素(片状黏粒有关) 阳离子对土壤膨胀作用的次序：Na+/K+Ca2+；Mg2+H+2022/7/2143 6 土壤结构与力学性质 四、土壤的抗剪强度 土壤抗剪强度(S)：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-抗剪强度；P-垂直于剪切面的有效压力；-摩擦角；tg-摩擦系数；C-土壤黏结力。 S砂土=ptg（C=0） 抗剪强度S由黏结力C和内摩擦力ptg两部分组成。砂土的抗剪强度等于其内摩擦力。 土壤抗剪强度的测定： 直接测定 三轴剪切测定 DLY-3型 粗粒土三轴剪切测定仪 将土样置于由上、下盒构成的“剪切盒”中，在其上加以垂直荷载，使土样在横断面上感受压应

27、力P，固定下盒，在上盒施以水平力，则土样在位于上、下盒之间的横断面上受到剪应力的作用，当剪应力超过一定值S时，土样便被剪断。这一定值S即称为土壤的抗剪强度。2022/7/2144 6 土壤结构与力学性质五、土壤压缩与压实(一)土壤压缩 土壤压缩性:在压力作用下土壤体积减小的过程。 若以纵坐标表示在各级压力下试样压缩稳定后的孔隙比e，以横坐标表示压力P，可绘制出压缩试验中孔隙比与压力的关系曲线，称压缩曲线。 e = A lgp - C A-压缩指数(dedlgp)；p-所施负荷和压力；C-常数(相当于单位负荷时的孔隙比(二)土壤压实 土壤压实：由于负荷或施压而造成的土壤容重增加和孔隙度降低的过程

28、。土壤容重的增加是压实力和含水量的函数。 随含土壤含水量增加，其愈易被压实，至土壤最适含水量时可使土壤容重达最大值。但土壤含水量进一步增加，则容重反而下降。在压实曲线上的峰值，称为最大容重，与之相对应的含水率，称为最优含水率(在一定压实功作用下，达到最大容重的含水率)。 2022/7/21456 土壤结构与力学性质二、土壤耕性和耕作力学(一)土壤耕性 土壤耕性：指土壤在耕作过程中表现出来的特性，它是土壤物理机械性能的综合表现。 土壤耕性的好劣判断： 耕作难易 耕作质量好劣 宜耕期长短 改善土壤耕性途径：改良耕作方法和调节土壤力学性质。调节土壤力学性质最现实的办法就是调节土壤湿度。2022/7/21466 土壤结构与力学性质(二)土壤压板问题 土壤压板：犁耕过程在疏松土壤的同时，由于机械的行走对土壤的压实作用。1土壤压板过程和影响因