第六章-土壤结构与力学性质

第六章土壤结构与力学性质根据土粒的成分，可分为：矿质颗粒和有机颗粒两种。通常所指土粒，是专指矿质土粒。土壤颗粒有：单粒和复粒之分。（一）土壤颗粒的概念第一节土壤颗粒土壤颗粒（土粒）是指构成土壤固相骨架的基本颗粒。•（二）土壤粒级（粒组）•按土粒的大小，分为若干组，称为土壤粒级（粒组）。•1、当量粒径与理想土壤•把土粒看作光滑的实心圆球，取与此粒级沉降速度相同的圆球直径，作为其当量粒径。•斯托克斯定律：•斯托克斯定律是按光滑实心圆球的沉降得到的，把各级土粒都当作光滑实心圆球，与实际情况相差甚远，但在土壤学、土工学研究及应用中把这种堆积的圆球称为“理想土壤”。2)(92grws•2、土粒的大小分级—粒级制一般分为石砾、砂粒、粉粒和黏粒4组。•（1）国际粒级制（1930）：分为4个基本粒组，即砾、砂、粉和黏。•（2）美国农部粒级制（1951）：是把黏粒上限从5um下降至2um，这是根据当时对胶体的认识而定的。•（3）卡钦斯基粒级制（1957）：把0.01mm作为“物理性砂粒”与“物理性黏粒”的分界线。•（4）中国粒级制：土壤颗粒土壤颗粒土壤颗粒分级：(mm)直径国际制美国制卡庆斯制中国制石砾2211砂粒2-0.022-0.051-0.051-0.05粉粒0.02-0.0020.05-0.0020.05-0.0010.05-0.002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（三）各级土粒的矿物组成和化学组成•1、土粒的矿物组成2、土粒的化学组成和化学性质3、土粒的物理性质砂粒和粉粒是不规则的多角形,有的近乎球形状，云母颗粒则呈片状，黏粒多为片状和棒状。二、土壤的密度和容重（一）土壤密度(Soildensity)单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的质量（实际上都以重量代替，克/厘米3）称为土壤密度(比重)。表4-1土壤中常见组分的密度(克/厘米3)石英正长石斜长石白云母黑云母角闪石辉石纤铁矿2.60～2.682.54～2.572.62～2.762.77～2.882.70～3.102.85～3.573.15～3.903.60～4.10赤铁矿磁铁矿三水铝石高岭石蒙皂石伊利石腐殖质4.90～5.305.03～5.182.30～2.402.61～2.682.53～2.742.60～2.901.40～1.80多数土壤的密度为2.6～2.7克/厘米3，在机械分析中计算各级土粒的沉降速率时，往往采用“常用密度值”即常用土壤密度值：2.65克/厘米3。注意在同一土壤中,不同大小土粒的腐殖质含量和矿物组成不同，因而其密度也不同。表4－2一种森林土壤表层各级土粒的密度粒级（粒径毫米）腐殖质（克/千克)密度(克/厘米3)全土样0.10～0.050.05～0.010.01～0.0050.005～0.0010.00129.504.314.853.764.22.622.662.662.622.592.59（二）土壤容重1.土壤容重(Soilbulkdensity)田间自然垒结状态下单位容积土体（包括土粒和孔隙）的质量或重量(克/厘米3或吨/米3），称为土壤容重,曾称土壤假比重。它的数值总是小于土壤密度，两者的质量均以105－110℃下烘干土计算。或:单位容积原状土壤（包括孔隙）的质量。土壤容重值多介于1.0-1.5克/厘米3范围内,夯实的土壤容重则可高达1.8-2.0克/厘米3土壤容重的用途：①计算土壤孔隙度根据实测土壤的容重与密度，按下式计算：密度容重－孔隙度＝1②计算工程土方量③估算各种土壤成分储量④计算土壤储水量及灌水（或排水）定额2、浸水容重：浸水容重=（干土质量/沉淀容积）3.影响容重值的因素质地、结构、有机质含量以及各种自然因素和人工管理措施（一）三相组成和孔隙度三、土壤孔隙土壤固、液、气三相的容积分别占土体容积的百分率，称为固相率、液相率（即容积含水量或容积含水率，可与质量含水量换算）和气相率。三者之比即是土壤三相组成%100%100%100土体容积空气容积气相率土体容积水容积液相率土体容积固相容积固相率1、三相组成指标2、土壤孔隙度(或孔度)：单位土壤容积内孔隙所占的百分数。孔隙度＝1－固相率＝液相率＋气相率•（二）土壤孔性•土壤孔隙（简称孔性）是土壤中固相部分所占容积以外的空间。这包括固相颗粒或结构体之间和生物穴道，由水气所占据。•1、土壤孔度•自然状况下，单位容积的土壤中孔隙容积所占的百分数。•（1）总孔度：所有孔隙体积的总和占整个土壤体积的比例（%）。•总孔度的测定和计算：土壤总孔度（%）=（孔隙体积/土壤体积）×100=[孔隙体积/（土粒体积+孔隙体积）]×100•（2）“理想土壤”（假定土粒是相同大小的刚性圆球）的总孔度：最松排列（立方体）的孔度为：47.46%。最紧排列（三斜六面体）的孔度为：24.51%。最松和最紧的排列方体排列的孔度为47.46%（左）三斜六面体排列的孔度为24.51％（右）（3）土壤总孔度的变化范围：砂土的孔度为30%~45%；壤土为40%~50%；粘土为45%~60%。•土壤团粒结构是由土粒聚成微团粒，•再由微团粒形成团粒，具有多种大小不同的孔隙。•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：•土壤孔度=（1-容重/密度）×100%•此式的来源推导：密度容重－＝土粒体积土重土壤体积土重－＝土重土粒体积土壤体积土重－＝土重土壤体积土重土粒体积－＝土壤体积土粒体积－＝土壤体积土壤体积－土粒体积＝土壤体积孔隙体积土壤孔度＝11111•2、土壤孔隙的类型•（1）毛管孔隙与非毛管孔隙•毛管水占据的孔隙称为毛管孔隙。•毛管水不能占据的大孔隙则称为非毛管孔隙。•用田间持水量来划分毛管孔和非毛管孔，它是指远离地下水面的土层达到最大悬着毛管水量时的土壤含水量。•（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）和束缚水占孔隙（P束=P紧束+P松束），后者也称为非活性孔度。•（3）土壤孔隙分级•根据土壤孔隙大小将孔隙分为大孔隙、中孔隙、微孔隙、超微孔隙和隐孔隙五级。•3、当量孔径：是指与一定的土壤水吸力相当的孔径，又称为有（有）效孔径。•它与孔隙的形状及其均匀性无关。•（一）圆管假设•（二）茹林公式•式中，h为水在毛管中的上升高度（cm）；σ为水的表面张力；r为毛管半径（cm）；ρ为水的密度；g为重力加速度；θ为水与土壤孔隙壁间的接触角。•当测定时水的温度为20℃时，上式可简化为茹林公式：d=3/h式中d为当量孔隙直径（mm）；h为土壤水分吸力（以cm水柱高表示）。•根据上述公式，可计算出不同大小当量孔隙的分布。grhr...cos..22grhcos2第二节土壤质地一、土壤机械组成根据土壤机械分析，分别计算各粒级的相对含量，即为机械组成（或称颗粒组成）。二、土壤质地类型•（一）土壤质地(Soiltexture)的概念•土壤质地是根据机械组成划分的土壤类型。•(二)质地分类制：•1、国际制：•根据砂粒(2-0.02毫米)、粉粒(0.02-0.002毫米)和粘粒(0.002毫米)三粒级含量的比例，划定12个质地名称，可从三角图上查质地名称。•查三角图的要点为：以粘粒含量为主要标准，•15%者为砂土质地组和壤土质地组;•15％－25％者为粘壤组;•25%者为粘土组。•当土壤含粉粒45%时，“粉质”；•当砂粒含量在55%-85%时，“砂质”，•当砂粒含量85%时，则称壤砂土或砂土•2、美国农部质地制：根据砂（2~0.05mm)、粉粒(0.05~0.002)和粘粒(0.002mm)的比例划定12个质地名称。查黏粒%含量是用平行于砂粒轴而得，查粉粒%含量是平行于黏粒轴，其余是砂粒（也就是平行于粉粒轴）。3、卡钦斯基质地制表4－6卡钦斯基土壤质地基本分类（简制）质地组质地名称不同土壤类型的0.01毫米粒级含量(%)灰化土草原土壤、红黄壤碱化土、碱土砂土松砂土紧砂土0～55～100～55～100～55～10壤土砂壤轻壤中壤重壤10～2020～3030～4040～5010～2020～3030～4545～6010～1515～2020～3030～40粘土轻粘土中粘土重粘土50～6565～808060～7575～858540～5050～6565（4）中国质地制黏性土壤性土沙性土(一)土壤质地和肥力的关系1、砂质土：•(1)砂粒多而粘粒少；砂粒大于50%；•（2）砂质土养分少；•（3）砂质土含水少；•（4）砂质土通气性好；•（5）砂质土体松散。•(6)发小苗不发老苗，适合花生、西瓜等块根、块茎作物。三、不同质地土壤的肥力特点和利用改良2、黏质土：•（1）粘粒含量高而砂粒含量少；•（2）矿质养分丰富；•（3）排水、通气性不良；•（4）蓄水多、热容量大；•（5）有机质少的粘土往往粘结成大土块；•（6）湿胀干缩剧烈,耕性差，发老苗不发小苗，适合于禾谷类作物。3、壤质土：•粗粉粒在60%-80%以上•北方称为二合土；•性质介于黏土与砂土之间。①客土法地改良案例：江苏省里下河地区②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③施用有机肥(二）土壤质地剖面与肥力的关系土壤剖面中质地层次排列对水分运行及其他肥力因素都有影响。（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2、土壤质地改良：一、土壤结构体（一）土壤结构的概念土壤结构是土粒（单粒和复粒）的排列、组合形式。这个定义，包含着两重含义：结构体和结构性。通常所说的土壤结构多指结构性。土壤结构体或称结构单位，它是土粒（单粒和复粒）互相排列和团聚成为一定形状和大小的土块或土团。第三节土壤结构(二)土壤结构体分类•1、块状结构和核状结构•2、棱柱状结构和柱状结构•3、片状结构（板状结构）•4、团粒（粒状和小团块）结构不良结构：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。土壤团粒体二、土壤团粒结构通常所说的“土壤结构体”，往往是指团粒结构。（一）团粒的形成过程•1、黏结团聚过程：•（1）凝聚作用；•（2）无机物质的粘结作用；•（3）有机物质的胶结作用及复合作用；•（4）有机-矿质复合体；•（5）蚯蚓和其它小动物的作用。•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•（二）团粒的多级孔性•（三）团粒形成的微观机制•1、粘团说：•（1）粘团--团粒的基本单元：粘团是由粘粒的定向排列和静电引力而形成的一种小于5μm的土体。粘团是形成微团粒和团粒的基本单元。•（2）粘团的形成：•2、等电凝聚说•（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,团粒愈大，则土壤的总孔度和非毛管孔度也同步增加。•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、土壤结构的改良•1、增施有机肥2、实行合理轮作•3、合理的耕作、水分管理及施用石灰和石膏•4、土壤结构改良剂的应用：1）人工合成高分子聚合物制剂；2）自然有机制剂；3）无机制剂。•5、盐碱土电流改良第四节土壤力学性质一、土壤黏结性和黏着性(一)土壤黏结性，原来是指同种物质或同种分子相互吸引而粘结的性质。在土壤学中，土粒通过各种引力而粘结起来，就是粘结性。力学本质：范德华力、氢键、库仑力、水膜表面张力。粘结性的影响因素：1、土壤比表面及其影响因素2、土壤含水量(二)土壤黏着性二、土壤可塑性（一）土壤塑性的产生塑性是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