土壤结构和力学性质

1、关于土壤结构与力学性质第一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月教学目标了解土壤的颗粒大小与性质掌握土壤质地类别与不同质地土壤肥力特点了解土壤的三相组成与计算方法理解土壤是一个复杂的多相体系了解土壤结构体的种类及其重要性掌握土壤团粒结构在土壤肥力上的意义了解土壤力学性质和土壤耕性第二张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第一节 土壤颗粒第三张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土粒：土壤中的颗粒。 根据土粒的成分，可分为：矿物质土粒和有机质土粒。 前者的数目占绝对优势，而且在土壤中长期稳定地存在，构成土壤固相骨架； 后者或者是有机残体的碎屑，极易被小动物吞噬和微生物分解掉，或

2、者是与矿质土粒结合而形成复粒，因而很少单独地存在。一、土壤粒级（一）土壤颗粒的概念 通常所指土粒，是专指矿质土粒。第四张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月单粒和复粒 固相骨架中的矿质土粒可以单个地存在，称为单粒，在质地轻而缺少有机质的土壤中，单粒在数目上占优势。 在质地粘重及有机质含量较多的土壤中，许多单粒相互聚集成复粒。通常所说的土粒，均指矿质土粒中的单粒第五张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土粒土粒土粒Ca2+腐殖质第六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土粒土粒土粒Fe2+腐殖质Fe3+Al3+第七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月单个土粒团聚体微团粒

3、第八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤粒级：土粒的大小差别很大，为了便于研究不同大小颗粒的特性，人们将一系列大小不同的土粒，区分为若干组，称为土壤粒级（粒组）。 （二）土壤粒级（粒组）第九张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第十张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月1、当量粒径与理想土壤土壤中的颗粒的形状各异；当量粒径、有效粒径、理想土壤的概念来自土壤机械分析（颗粒分析）时采用的假设和方法。当量粒径（有效粒径） 粗粒部分：过筛分级，如0.5-1.0mm。 细粒部分：根据斯托克斯定律，把土粒看做光滑的实心圆球，取与此粒级沉降速率相同的圆球直径，作为其当量粒径。理想土壤

4、：由光滑实心圆球各级土粒堆积的土壤 与实际情况相差甚远（尤其是对片状粘粒来说），但在土壤学、土工学研究及应用中这种圆球堆积的“理想土壤”沿用已久第十一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月这种粒径划分就是矿质土粒的分级2、土粒的大小分级粒级 组内粒径大小、成分及性质基本相近 而组间则有明显的差异粒级（粒组）：根据土粒直径的大小和性质上的差异，将矿物质土粒划分为若干粒径等级，每一等级就叫一个粒级。第十二张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月表6-1 常见的土壤粒级制 （P109 ）当量粒径 (毫米) 中国制 (1987) 卡钦斯基制 (1957) 美国农部制 (1951) 国际制 (

5、1930) 3-2 石 砾 石 砾 石 砾 石 砾 2-1 极粗砂粒 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 细砂粒 0.2-0.1 细砂粒 性 细砂粒 0.1-0.05 砂 极细砂粒 细砂粒 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 细粉粒 理 细粉粒 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 细粘粒 粒 粒 细粘粒 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由国内外主要土粒分级制可见，土粒一般可分为311级，其基本级只有石砾、砂粒、粉粒和粘粒4级。第十四张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月注意两点：一、各粒级间的界限多少是人为定的，尽量选择其理化性质变化较明显的转折处；二、不同粒级制是与对土粒的概念和机械组成分析的前处理方法相联系的。第十五张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月1、土粒的矿物

7、组成2、土粒的化学组成和化学性质3、土粒的物理性质4、不同粒级土粒的基本特征（三）各级土粒的矿物组成和化学组成第十六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月1、土粒的矿物组成图6-1 土壤粗细颗粒的矿物组成示意图 第十七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月粒级（mm）化学组成（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黑钙土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 两种代表性土壤各粒级的化学组成 2、土粒的化学成分和化学性质第十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月3、土粒的物理性质表6-3 红壤及其各粒级的物理性质 粒级（mm）相对密度容重（g/cm3）浸水容重（g/cm3）吸湿系数（%）流限（%）塑限（%）塑性指数膨胀（ml/g）抗压强度（kg/cm2）全土（1）2.721.250.669.7442.125.816.30.093.1510.252.661.521.330.34无

10、无无0.030.250.052.681.461.250.59无无无0.030.050.012.691.301.310.14无无无-0.040.010.0052.681.201.490.20无无无-0.060.0050.0022.871.221.370.65无无无-0.040.120.0020.0012.761.101.172.1341.223.617.60.060.280.05 mm）（1）颗粒大，所含矿物为原生矿物。（2）含石砾和砂粒较多的土壤疏松多孔，通气透水好，排 水通畅，胀缩性小。（3）比表面积小，无粘结性，粘着性、可塑性，耕性好。（4）吸水保肥能力弱，养分易随水流失，升温快，养分易转

11、化。不同粒级土粒的基本特征B 粘粒（0.002 mm或80结构良好的壤土和粘土的孔度高达55-65%，甚至在70以上。（3）土壤总孔度的变化范围第三十六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤孔度通常不是直接测定的，而是根据土壤的密度和容重来计算：第三十七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月2、土壤孔隙的类型（1）毛管孔隙和非毛管孔隙 1864年德国学者舒马赫（W. Schumacher）提出。 客观分界：田间持水量（2）通气孔度、毛管孔度与非活性孔度 近年来，把大小孔隙分为三级：非毛管孔度（通气孔度，P气）毛管孔度（P毛，也称活性孔度）束缚水占孔隙（P束=P紧束+P松束，也称

12、非活性孔度）第三十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第三十九张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月通气孔隙：当量孔径0.02 mm的孔隙, 其中0.2 mm的粗孔植物的细根可伸入其中；0.20.02 mm的中孔是原生动物、真菌和根毛的栖身地。毛管孔隙：当量孔径为0.020.002mm的孔隙, 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。非活性孔隙： 当量孔径0.002mm的孔隙，根毛和微生物不能进入此孔隙。第四十张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（3）土壤孔隙分级 美国土壤学会（2001）根据土壤孔隙的大小将孔隙分为五级：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 ）、和隐孔隙（Cryptopore， 3cm,肥力较差2）核状结构比块状结构小坷垃蒜瓣土第六十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月2、棱柱状结构和柱状结构立土质地粘重且缺乏有机质的心土层较多第六十九张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月3、片状结构卧土、平搓土第七十张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月4、团粒（粒状和小团块）结构1、团粒结构： 0.25-10mm2、

14、微团粒：0.25mm蚂蚁蛋、米糁子第七十一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（三）土壤结构性的评价1、土壤结构体的孔隙状况不良结构：块状、核状、柱状、棱柱状和片状结构体总孔隙度小，主要是小的非活性孔隙和毛管孔隙，结构体之间大的通气孔隙，往往成为漏水漏肥的通道。植物根系很难穿扎，干裂时常扯断根系。良好结构：团粒结构体不仅总孔隙度大，而且内部有多级大量的大小孔隙，团粒之间排列疏松，大孔隙较多，兼有蓄水和通气的双重作用。第七十二张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤团粒体第七十三张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月机械稳定性：也称力稳性，是指土壤结构体抵抗机械压碎的能力。

15、生物稳定性：指结构体抵抗微生物分解的能力。水稳定性：结构体浸水后不易分散的性能。水稳性结构体和非水稳性结构体。2、土壤结构的稳定性（Structure stability)第七十四张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月Baver提出用平均重量直径（mean weight diameter，MWD）作为评定土壤团聚体的指标。式中：MWD为团聚体平均重量直径（mm）；Xi为每一粒级团聚体的平均直径（mm）；Wi为每一粒级团聚体的重量百分含量。一般来说，MWD值大，结构好；相反，则较差。第七十五张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月 由单粒凝聚成复粒；由复粒相互粘结形成微团、团粒。 在机

16、械力的作用下，大块土垡破碎成各种大小、形状各异的粒状或团粒状结构体。二、土壤团粒结构第七十六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（一）团粒的形成过程单粒微凝聚体微团聚体团聚体成型动力作用黏结胶结微凝聚体粘聚1、粘结团聚过程黏结过程和团聚过程的综合。土壤团粒的多级团聚过程包括化学作用和物理化学作用，如胶体凝聚作用、黏结和胶结作用以及有机-矿质胶体的复合作用等，并有生物参与。第七十七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土粒土粒土粒Ca2+腐殖质土粒土粒土粒Fe2+腐殖质Fe3+Al3+第七十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月砂粒砂粒粉粒粉粒粘粒腐殖质第七十九张，PPT共

17、一百零九页，创作于2022年6月单个土粒团聚体微团粒第八十张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤团聚体第八十一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月1）凝聚作用：指土壤胶体相互凝聚在一起的作用。2）无机物质的黏结作用：土壤颗粒或团聚体间因胶结物质的物理状态的改变或化学组成的变化而相互团聚在一起。常见的无机胶结物质有碳酸钙、硫酸钙以及无定形的硅酸、氧化铁和氧化铝胶体等。3）有机物质的胶结作用与复合作用：有机物质是土壤中的重要胶结物质。如腐殖质、木质素、蛋白质以及微生物活动中产生的分泌物和真菌、丝状菌菌丝等。4）有机-矿质复合体：铁铝键结合和钙键结合两类。5）蚯蚓和其他小动物的作用

18、：土居小动物如蚯蚓、蚁类和一些昆虫的活动也可促进土壤团粒结构的形成，特别是蚯蚓的作用甚大，其排泄物本身就是富含有机质和养分的团粒。第八十二张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月2、切割造型过程1）根系的切割；2）干湿交替；3）冻融交替；4）耕作第八十三张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（二）团粒的多级孔性1、具有多级孔性2、能协调水分和空气的矛盾3、能协调保肥和供肥性能4、具有良好的物理性和耕性团粒结构是土壤水、肥、气、热的“调节器”。第八十四张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第八十五张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（三）团粒形成的微观机制1、黏团说2、等

19、电凝聚说第八十六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（四）团粒结构在土壤肥力上的意义团粒结构是土壤水、肥、气、热的“调节器”。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第八十七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月良好的团粒结构体： 具有一定的大小； 具有大小不同的多级孔隙； 具有一定的水稳性、机械稳性和生物稳定性。第八十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月三、土壤结构改良1、深耕结合施用有机肥2、合理轮作3、合理耕作4、土壤结构改良剂5、盐碱土电流改良第八十

20、九张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月小结一、核心名词 1. 土壤密度 2. 土壤容重 3. 土壤孔隙度 4. 当量粒径 5. 当量孔径 6. 土壤结构体 7. 土壤结构性 8.团粒结构 9.土壤质地第九十张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月1、团粒结构在土壤肥力方面作用和意义有哪些? 2、为什么说粒状团粒状结构是农业生产上比较理想的结构?培育良好结构的有效途径是什么?3、不同质地土壤的肥力特性？二、思考题第九十一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第四节 土壤力学性质土壤耕作的质量、农机具的作用性质、地基的稳定性以及作物根系的伸长等都与土壤力学性质（土壤物理机械性）密

21、切相关，其包括土壤结持特性（粘结性、粘着性、塑性）、胀缩性、压板和阻力（穿透阻力和牵引阻力）、流变性、固结等。第九十二张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月一、土壤黏结和黏着性 （一）土壤粘结性土粒与土粒之间由于各种引力（范德华力、水膜表面张力、库伦力、氢键等）而相互粘结在一起的性质。（二）土壤粘着性土壤在一定含水量的情况下，土粒粘着在外物表面的性能。 第九十三张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月影响土壤粘结性和粘着性的因素有： 土壤质地土壤含水量 土壤结构土壤腐殖质含量 第九十四张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤可塑性指土壤在一定含水量范围内，可被外力造形，当外力

22、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粘粒及其水膜造成的。二、土壤可塑性(plasticity)第九十五张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月上塑限(upper plastic limit)：土壤呈现塑性的最大含水量，又称液限（liquid limit）。下塑限(lower plastic limit)：土壤呈现塑性的最小含水量，又称塑限(plastic limit )。塑性值(plastic index)：上塑限和下塑限的差值，又称塑性指数（plasticity number）。（二）塑性指数塑性值愈大表示土壤塑性愈强。上塑限、下塑限和塑性值均以

23、含水量表示之，它们的数值随着粘粒含量的增加而增大。第九十六张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（三）影响土壤可塑性的因素水分含量 土壤质地 代换性阳离子土壤有机质第九十七张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月黏性土由于含水量的增加而发生体积增大的性能称膨胀性（Soil swelling)；由于土中水分蒸发而引起体积减小的性能称收缩性（soil shrinkage）；两者统称胀缩性。（一）土壤膨胀原因：黏粒的水化作用、黏粒表面双电层的形成、扩散层增厚等。（二）土壤收缩水分蒸发引起的容积减小过程。（三）影响土壤胀缩性的因素土壤胀缩性与片状黏粒有关。主要有阳离子作用、土壤质地和腐殖质含

24、量。三、土壤胀缩性第九十八张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月土壤抗剪强度是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。抗剪切力等于内摩擦力或粒间摩擦力加黏结力。测定土壤抗剪强度有直接测定和三轴剪切测定两种方法。土壤抗剪强度是组成牵引阻力的主要因素之一，在耕作上十分重要，也是农机具设计和土建工程中的主要参数。四、土壤的抗剪强度(soil shear strength)第九十九张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月五、土壤压缩与压实（一）土壤压缩土壤的压缩性（soil compression）是指在压力作用下土壤体积减小的过程。（二）土壤压实（soil compaction）压实作用是指负荷或施压所造成的土壤容重增加和孔隙度降低的过程。第一百张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月第五节 土壤耕性和耕作第一百零一张，PPT共一百零九页，创作于2022年6月（一）土壤耕作的概念土壤耕作(soil tillage)是在作物种植以前或在作物生长期间，为了改善作物生长条件而对土壤进行的机械操作。作用：改良土壤耕作层的物理状况，调整固液气三相比，改善耕层构造；根据当地自然条件的