50第四章 土壤物理性质

第四章土壤物理性质第一节土壤孔性土壤液、气共同存在于土壤孔隙中。一、土壤密度(soildensity)1.概念单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙)的质量。(g/cm3)2.影响土壤密度的因素矿物组成、有机质含量、土壤质地。土壤密度一般取平均值2.65g/cm3。组分密度(g/cm3)组分密度(g/cm3)石英2.60～2.68赤铁矿4.90～5.30正长石2.54～2.57磁铁矿5.03～5.18斜长石2.62～2.76三水铝石2.30～2.40白云母2.77～2.88高岭石2.61～2.68黑云母2.70～3.10蒙脱石2.53～2.74角闪石2.85～3.57伊利石2.60～2.90辉石3.15～3.90腐殖质1.40～1.80纤铁矿3.60～4.10表3－1土壤中常见组分的密度表3－2某森林土壤表层各级土粒密度粒径(mm)全土样0.10～0.050.05～0.010.01～0.0050.005～0.001＜0.001腐殖质(g/kg)29.504.314.853.764.2密度(g/cm3)2.622.662.662.622.592.59土壤学3.土壤比重(soilspecificgravity)土壤密度与4℃时纯水密度之比，一般取2.65。二、土壤容重(bulkdensityofsoil)1.概念:单位体积自然状态土壤体（原状土）（含粒间孔隙）的重量（干重）。（g/cm3）2.土壤容重(soilbulkdensity)作用(1)计算土壤孔隙度(soilporosity)孔隙度＝（1－容重/密度）×100%(2)计算工程土方量土壤重量=土壤体积×土壤容重（3）估算各种土壤成分储量设耕层厚度0.2m，容重1.3t/m3，有机质含量15g/kg=0.015t/t，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t。1hm2（104m2）0.2m土层计：土壤=10000×0.2×1.3=2600t有机质储量=2600×0.015=39.0t全氮储量=2600×0.00075=1.95t（4）计算土壤储水量及灌水（或排水）定额设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3t/m3。1hm2的1m土层储水量=10000m2×1m×1.3t/m3×25%=3250m3/hm2=325mm（5）判断土壤肥力3.影响土壤容重的因素质地、结构、有机质含量、紧实度等。主要通过影响孔隙而影响容重。三、土壤孔性（一）概念土壤总孔度、大小孔隙分配、孔隙在土体中分布。（二）孔隙度(soilporosity)土壤全部孔隙容积(porevolume)占土体容积的百分率。水和空气共存并充满于土壤孔隙中。2.土壤三相组成及孔度计算总孔度(totalporosity)＝(1－容重/密度)×100%固相(solidphase)＝(容重/密度)×100%液相(liquidphase)＝(水分重量百分率×容重)×100%气相(gasphase)＝(总孔度－液相)×100%土壤三相比＝固相:液相:气相3.土壤三相组成的适宜范围(comfortzone)多数旱地作物适宜的土壤固、液、气三相比为：0.5∶0.25～0.3∶0.15～0.25（三）孔隙的分级1.当量孔径与土壤水吸力相当的孔隙直径称为当量孔径。T=3/DD为孔隙直径（毫米）。T为水吸力，可理解为土壤对水的吸力，单为厘米或百帕（hpa）。2.孔度分级（1）非活性孔隙(inactivepore)又称无效孔隙，孔径0.002mm（0.0002mm）。水分水吸力T=3/0.002=1500百帕，土壤对水的吸力很强，水分对植物基本无效。（2）毛管孔隙(capillarypore)孔径0.02（0.06）—0.002（0.0002）mm。水分水吸力在T=3/0.06=50百帕至T=3/0.002=1500百帕之间，对植物是有效的，而且植物的根系和微生物都可在其中生长和活动。（3）通气孔隙(aerationpore)孔径＞0.02（0.06）mm，透水通气，通常有空气存在其中，同时植物根毛、根系和微生物均可在通气孔隙中活动。3.影响土壤孔隙状况的因素（1）土粒排列状况（2）土壤质地粘土壤土砂土（3）土壤结构（4）土壤有机质含量（5）耕作管理（6）土层状况第二节土壤结构一、土壤结构体概念1.土壤结构性(soilstructurality)土壤中单粒、复粒的数量、大小、形状、性质及其相互排列和相应的孔隙状况等综合特性。2.土壤结构体(soilconfiguration)土粒在胶结物(有机质、碳酸钙、氧化铁)的作用下，相互团聚在一起形成大小、形状、性质不同的土团。二、土壤结构体类型1.块状结构(cloddystructure)形状：立方体型，纵轴和横轴大体相等，边面不明显，内部紧实。产生条件：熟化度较低的表层土壤或缺乏有机质而粘重的底土多为块状结构。大小划分：大块状结构,直径10cm;小块状结构直径5～10cm。2.团块状(crumbystructure)形状：与块状相似，较块状结构小，略呈圆形，表面不平。大小划分：大团块结构，直径5～3cm；团块状结构，直径3～1cm；小团块状结构，直径1cm。3.核状结构(nuttystructure)形状：立方体型，边面明显的多棱角碎块，内部紧实，泡水后不易散碎。产生条件：在粘重的心土层或由氢氧化铁胶结土粒后形成核状结构。大小划分：大核状，直径1cm；核状，直径7～10mm；小核状，5～7mm。4.柱状(columnarstructure)形状：侧面，横断面形状不规则。产生条件：柱状结构是碱化土壤的标志特征，常在干旱半干旱地带的底土出现。大小划分：大柱状结构，5cm；柱状结构，3～5cm；小柱状结构，3cm。5.棱柱状结构(primaticstructure)形状：同柱状结构，棱角尖锐明显，横断面略呈三角形。产生条件：粘重土壤的底土，由于干湿交替频繁形成棱柱状结构。大小划分：大棱柱状结构，5cm；棱柱状结构，3～5cm；小棱柱状结构，3cm。6.片状、板状结构(platystructure)形状：横轴远大于纵轴，呈扁平状结构体。产生条件：雨后土壤表面结壳或老耕作土壤犁底层。大小划分：3mm者为板状，3mm者为片状。7.团粒结构(granularstructure)形状：近似于球形，疏松多孔的小土团称团粒结构，是含有机质丰富肥沃土壤的标志特征。大小划分：一般为0.25～10mm，0.25mm者称微团粒(microaggregate)，水稻土中多为微团粒结构。三、土壤结构体的稳定性1.概念2.种类（1）水稳定性（2）机械稳定性（3）生物稳定性四、土壤结构体的形成第一阶段是土粒在自身的粘结、凝聚或和外物胶结作用下粘聚形成次生复粒(微团聚体)或致密土体；第二阶段是团聚体进一步粘结形成结构体或致密土体。1.土粒粘聚(soilparticlecoagulation)（1）阳离子凝聚(soilcationcoagulation)土壤胶粒(soilcolloid)通常带有负电荷，带负电荷的土壤胶粒在阳离子作用下，发生相互凝聚。a、高价离子凝聚能力大于低价离子。b、水化半径大的离子凝聚能力弱，反之则较强。常见阳离子凝聚能力：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+H+NH4+K+Na+农业生产中，常施用石灰(酸性土)或石膏(碱性土)，利用Ca2+的作用促进土粒凝聚。增加介质中电解质浓度也可促进胶粒凝聚。农业生产中，常采用排水晒田、晒垄、冻垄等措施，提高土壤溶液电解质的浓度，促进土壤胶粒凝聚。（2）水膜(waterfilm)的粘结作用土粒在水膜的作用下，在土粒接触处形成弯月面，由于弯月面内侧的负压，把相邻的土粒团聚在一起，形成土团。（3）胶结作用(cementation)a、简单的无机胶体(simplesoilmineralcolloid)土壤中Fe2O3·xH20、Al2O3·yH20、SiO2·zH20等，常以胶膜形态包被在一起，形成的结构体。往往是致密紧实的结构体，如核状结构，对协调水肥的能力极差。b、粘粒粘粒具有巨大的表面积，粘结力很强，并可通过带正电和带负电边面的静电引力使其团聚。c、有机质土壤中的腐殖质、多醣类、蛋白质、木质素以及许多微生物的分泌物和菌丝均有团聚作用。2.土壤结构的成型（1）干湿交替作用蒙脱石类的膨胀收缩性强，而水云母类和高岭石类的膨胀收缩性则较弱。a、当干湿交替时，由于胀缩性的差异使土体产生不等的变形而依脆弱线开裂成小块。b、当土体吸水时，由于孔隙中闭蓄的空气所产生的压力，使土体破碎。土块越干，骤然灌水湿润，这种作用愈明显，有如“爆破”一样。促使土体破碎形成结构。（2）冻融交替作用水分结冰时体积膨胀增大约9%，对周围的土体产生压力而使土壤崩裂。孔径愈小，其中水分冰点愈低。造成膨压的差异使土体产生裂痕，一旦融化，土壤就会沿裂痕酥散。(3)生物作用(biologicaleffect)a、植物根系的穿插挤压，可使土体破碎形成结构。b、土壤中的蚯蚓、昆虫、蚁类等，对土壤结构形成均有一定作用。(4)土壤耕作(soiltillage)通过合理耕作，在机械压力作用下，土体破碎形成结构。同时耕作使土肥相融、促进良好结构的形成。团粒结构具有小水库、小肥料库、空气走廊的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结构体。1.小水库团粒结构透水性好，可接纳大量降水和灌溉水，而团粒内部保水性强，天旱时还可防止水分蒸发。天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔隙而蒸发损失。五、团粒结构在土壤肥力上的意义3.空气走廊由于团粒之间的孔隙较大，有利于空气流通。具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰富。团粒结构表面为好气作用，有利于有机质的矿质化，释放养分。团粒内部则有利于腐殖化，保存养分。2.小肥料库六、土壤良好结构体的培育1.大量施用有机肥2.实行合理耕作3.实行合理轮作4.施用石膏或石灰5.施用土壤结构改良剂第三节土壤力学性质与土壤耕性一、土壤力学性质1.土壤粘结性（1）概念土粒通过各种引力而粘结起来，就是粘结性。（2）粘结力范德华力、库伦力、水膜的表面张力、氢键、化学键（3）粘结性的影响因素①土壤比面及其影响因素②土壤含水量2.土壤粘着性（1）概念土壤粘着性是土粒粘附在外物（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。（2）影响因素①土壤活性表面②土壤含水量开始出现粘着性的含水量要比开始出现粘结性的含水量为大。土壤粘着性也是在一定含水量范围内表现。3.土壤塑性（1）概念①塑性：指土壤在外力的作用下变形，当外力撤消后仍能保持这种变形的特性，也称可塑性。土壤塑性是片状粘粒及其水膜造成的。②上塑限：土壤呈现塑性的最大含水量，又称流限。③下塑限：土壤呈现塑性的最小含水量，又称塑限。③塑性值：上塑限和下塑限的差值，又称塑性指数。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含水量％表示之，它们的数值随着粘粒含量的增加而增大。（2）影响因素①粘粒含量（土壤质地）质地愈粘重的土壤，塑性愈强。下塑限上塑限塑性值粘土粘壤土壤土砂壤土砂土23～3016～2210～1510041～5028～4017～2716018～2012～177～1270②交换性阳离子交换性阳离子对粘粒矿物的塑性强弱的影响很大。钠离子使蒙脱石的上下塑限和塑性值大大增加，而对高岭石的影响较小钙或钠饱和的粘粒矿物的塑限(含水量%)钙饱和钠饱和下塑限上塑限下塑限上塑限蒙脱石高岭石633617773972670052③有机质有机质能提高土壤上、下塑限，但几乎不改变其塑性值。4.土壤胀缩性（1）概念土壤干时收缩，湿时膨胀的特性。（2）影响因素①阳离子当土壤胶体被强烈解离的阳离子（如钠）饱和时，膨胀性最强，如交换性Na+被Ca2+置换则膨胀性变弱。各种阳离子对膨胀的作用次序如下：HMgCaKNa22、、②土壤质地土壤质地愈粘重，即粘粒含量愈高，尤其是扩展型粘粒矿物（蒙脱石、蛭石等）含量愈高，则胀缩性愈强。5.土壤耕作阻力（1）抗楔入性（2）位移阻力二