土壤的理化性质ppt课件.ppt

第二篇土壤的理化性质 1 第六章土壤质地 结构和孔隙状况SoilTexture StructureandPorosity 2 Contents第一节土壤质地Soiltexture第二节土壤结构Soilstructure第三节土壤孔性和土体构造Soilporosityandsoilconstruction 3 第一节土壤质地Soiltexture 4 一 土粒和粒级 土粒Soilparticle 土壤颗粒 土粒 通常指矿质土粒 Soiparticlesarethefundamentalofsoilstructureformation Functionofsoilparticlesisdeterminedbyitscomposition structureandbehavior 多孔结构的骨架吸 保 供 调土壤肥力的实体 按土粒成分分为矿物质土粒和有机质土粒 土壤矿粒大小不均 形状多样 有的成片成块 有的成粒成尘 有的单个存在 称为单粒 有的相互粘结为聚集体 称为复粒 5 标准土壤Standardsoil 土粒 光滑实心圆球 6 当量粒径Equivalentgrainsizeofsoilparticle与其静水沉降速度相同的圆球直径 原理 Stokeslaw 1845颗粒沉降速度与有效直径有关 影响因子 重力加速度g颗粒密度 s液体的密度 f液体的黏度 颗粒半径r 7 土粒大小分级 粒级sizecategoryTheprincipalpropertiesofsoilmineralparticlesinanenvironmentcontextaretheirsize shape natureofsurface orientationandmineralogy Soilparticlesarevarydramaticallyinsizefromlargeboulders severalmindiameter throughcobblesandpebbles severalcmindiameter tosand siltandclay 2mmindiameter Soilscientistsareconcernedtheparticleswiththe 2mmsizerange whichisreferredtoasthefinefractionorfineearth 土粒分级是根据矿物质单粒的大小来划分 不考虑化学成分的差异 Theproportionbyweightofthesizecategoriesisdefinedastheparticlesizedistribution 土壤中不同大小颗粒的组成比例在土壤学上称为颗粒组成 或机械组成 8 共同点 均为四级 gravel砾石 sand砂粒 silt粉粒和clay黏粒 分级标准 国际制 internationalsystem 美国制 U Ssystem 中国制 Chinasystem 卡庆斯基制 Kachinskyclassificationsystemofsoiltexture 9 常见土壤粒级制 10 11 二 各级土粒的组成和性质 Introduction 土粒成分既继承了岩石和母质的特点 又有别于母质 包含了生物活动的产物 反映了地区水 热条件带来的物质迁移 转化和富集特点 12 1 各粒级土粒的矿物组成各粒级土粒的矿物组成有明显差别 土粒越粗 石英越多 土粒越细 云母 角闪石等明显增多 不同粒级土粒的矿物组成 2 各粒级土粒的化学成分 各粒级土粒的矿物组成不同 决定其化学成分存在差异 随着土壤单粒由大到小 磷 钾 钙 镁 铁等养分含量逐渐增加 而SiO2含量逐渐减少 不同土壤粒级的化学成分 平均 3 各级土粒的基本特征砾石和砂粒 0 02mm 风化碎屑 矿物成分和母岩基本一致 不能充分反映土壤形成条件 特性 粒径大 比表面积小 无可塑性和粘结性 养分释放慢 有效养分缺乏 土粒表面吸湿性和吸肥性很小 粒间孔隙大 透水 排水快 胀缩性小 易溶性养分亦随水流失 因此 砾石和砂粒对水热缺乏保存和调节能力 保水性极差 热容量小而保温能力也很差 功能 构成土体的粗骨架和大孔隙 使土体具有良好通透性 为根系插入与深扎 空气与水进入土体提供方便通道 通过水分入渗传导热量 砾石和砂粒含量高的土壤易冷易热 易干易湿 容易受到污染 土壤侵蚀得只剩下砾石和砂粒 是生态环境恶化的重要指标 如山区 石山化 平原 沙漠化 等 15 粉 砂 粒 0 02 0 002mm 颗粒大小介于黏粒和砂粒之间 岩石矿物物理风化的极限产物 矿物成分有原生的 也有次生的 特性很多性质介于黏粒和砂粒之间 只有微弱的可塑性 胀缩性和毛管力 粘结力在湿时明显 干时微弱 粉粒很容易进一步风化 是土壤养料的潜在供应力 这与其矿物组成有一定关系 粉粒含量高的土壤往往是地区性水土流失和干旱威胁的内在原因 土壤含有适量粉粒 对黏土来说有利于 化块 促进大土块分裂 形成较小土团 对沙土而言能增加其保水 保肥和保温能力 16 黏粒 0 002mm 颗粒细小 是矿物化学风化的产物 也可能是土壤溶液中化学反应的生成物 矿物质成分与原来母质有所不同 属于次生矿物 化学成分中二氧化硅含量比砂粒和粉粒要少得多 功能黏粒是土壤形成过程中的新生产物 是土壤胶体的主要组成部分 它的类型和性质能反映出土壤形成的条件和作用 特性黏粒细 比表面积大 粒间孔隙很小 其中的水分难于移动 1 m的细孔 微生物无法进入生存 基本失去孔隙的意义 表面吸湿性强 有显著毛管作用和强烈的吸水膨胀 失水收缩的特点 有较强的持水性能 透水缓慢 排水困难 透气不畅 黏粒有很强的粘结性 可塑性等 黏粒相互粘结形成土壤团聚体 土团或土块 干时土块易于龟裂 遇水分散 微细的黏粒还有胶体特征 能吸附养料 含黏粒多的土壤保水 保肥力强 有效养分储量较多 17 土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式 据Pierzynski 2000 18 三 土壤的机械组成和质地 一 土壤机械组成Soilmechanicalcomposition 土壤中各级土粒的百分含量 又称土壤颗粒组成 估算土壤比表面积确定土壤质地评价土壤结构性其它 测定土壤颗粒组成 或机械组成 的方法 称为土壤颗粒分析 或机械分析 主要用途 19 测定方法首先把土壤样品进行前处理 取粒径小于2mm的组分 去掉有机质 充分分散 加分散剂 过筛和沉降直径大于0 05 0 02mm的部分用过筛的方法区分直径小于0 05 0 02mm的部分用沉降的方法确定 沉降原理 Stokeslaw 1845颗粒沉降速度与有效直径有关 20 21 ShawPipetusedforparticle sizeanalysisofthe 2 mmfractionattheUSDA NRCSSoilSurveyLaboratory 22 CoulterLS230ParticleSizeAnalyzer 23 二 土壤质地Soiltexture 按土壤颗粒组成进行分类 将颗粒组成相近而土壤性质相似的土壤划分为一类并给予一定名称 称为土壤质地 Soiltexture 质地相同的土壤 颗粒组成基本相似 但不完全相同 这些土壤常具有类似的一些理化性质和肥力特征 每种土壤有一个质地名称 它概括反映了土壤内在的某些基本特性 24 国际制Internationalsystem 黏土 clay 类 根据黏粒 clay 含量将质地分为三类 15 黏壤土 clayloam 类 黏粒含量 砂土 sand 类 壤土 loam 类 15 25 25 凡砂粒含量大于55 的 在质地名称前冠 砂质 sandy 根据粉砂粒 silt 含量 凡粉砂粒含量大于45 的 在质地名称前冠 粉砂质 siltyclay 根据砂粒 sand 含量 1 土壤质地分类系统 25 国际制土壤质地分类 Clay 0 002mm Sand0 05 2mm Silt0 002 0 05mm 等边三角形的三个边分别表示砂粒 粉粒 黏粒的含量 根据土壤中砂粒 粉粒 黏粒的含量 在图中查出其点位再分别对应其底边作平行线 逆时针方向 三条平行线的定点即为该土壤的质地 美国制AmaricansystemTriangulargraph 三角图 27 28 卡钦斯基制Kachinskyclassificationsystemofsoiltexture 根据物理性黏粒 physicalclay 含量将土壤分为三大质地类型九种质地 根据砂粒 砂质 粗粉粒 粗粉质 中细粉粒 粉质 黏粒含量 黏质 进一步划分质地 确定质地详细名称 第二优势粒级 第一优势粒级 质地名称 根据石砾 gravel 含量 查下表 冠在质地详细名称前 大于1毫米的石砾含量 石质程度10 0重石质土 29 川农大农场几种类型土壤的颗粒组成及详细质地命名 卡氏制 土壤名称颗粒组成 质地名称物理性黏粒砂粒粗粉粒中细粉粒黏粒石砾白鳝泥 苹果园 62 410 926 728 833 60粉黏质轻黏土黄泥小土 张家坪 43 838 218 031 012 80粉砂质中壤土白鳝泥 张家坪 49 524 226 331 318 20粉质重壤土半泥砂 沙湾 38 029 033 018 020 00粗粉质中壤土石骨子土 老板山 31 056 412 619 211 830重石质粉砂质 中国制Chinasystem 中国制土壤质地分类 31 2 质地的定性确定 凭手接触的感觉 搓条法等取少量土样 加适量水湿润 然后放在手上 用手来回搓 搓至均匀能检测为度 砂土 握时成团 放开松散 不能搓成条 砂壤土 搓条时只能搓成大于3毫米的短条 轻壤土 搓成大于3毫米细条 但容易断裂 中壤土 能搓成完整细条 弯曲时易断裂 重壤土 土能搓成完整细条 弯曲成圆圈时有裂缝 黏土 能搓成完整细条 能弯曲成圆圈 32 3 不同质地土壤的肥力特征 砾质土 水 粒间孔隙大 毛管作用弱 透水性强而保水性弱 水气易扩散 易干不易涝 表层石砾可减少水分蒸发 气 大孔隙多 通气性好 一般不会累积还原物质 热 水少气多 温度容易上升 称为热性 有利于早春作物播种 养分含量少 保肥力弱 肥效快 肥劲猛 但不持久 易造成作物后期脱肥早衰 肥 少石砾 对机具有一定磨损 中砾石土应将粗石块除去 多砾石土需进行改良 耕性 33 砂质土Sandysoil 水 粒间孔隙大 毛管作用弱 透水性强而保水性弱 水气易扩散 易干不易涝 气 大孔隙多 通气性好 一般不会累积还原物质 热 水少气多 温度容易上升 称为热性有利于早春作物播种 养分含量少 保肥力弱 肥效快 肥劲猛 但不持久 易造成作物后期脱肥早衰 肥 松散易耕 耕性 34 黏质土Claysoil 水 粒间孔隙小 毛管细而曲折 透水性差 易产生地表径流 保水抗旱力强 易涝不易旱 气 小孔隙多 通气性差 容易累积还原性物质 热 水多气少 热容量大 温度不易上升 称冷性土 对早春作物播种不利 养分含量较丰富且保肥力强 肥效缓慢 稳而持久 有利于禾谷类作物生长 籽实饱满 早春低温时 由于肥效缓慢易造成作物苗期缺素 肥 耕性差 粘着难耕 耕性 35 壤质土Loamysoil 土壤性质兼具黏质土和砂质土的优点 而克服了它们的缺点 耕性好 宜种广 对水分有回润能力 是较理想的质地类型 36 优良组合 choicenesscombination 4 土壤质地层次性 由于母质 土壤物质淋溶淀积和人为耕作管理等原因 土壤剖面中不同质地层次的排列组合 不良组合 badnesscombination 黏盖砂 砂盖黏 37 38 5 土壤质地改良 soiltextureimprovement 清雍正河北玉田围田水利工程示意图 第二节土壤结构Soilstructure 41 Conceptofsoilstructure Soilstructureisdefinedintermsofthesize shape andarrangementofparticles aggregatesandpores 土壤结构是土粒相互之间的结合状态 有不同大小和形状 个体内部的小孔隙和个体之间的大孔隙同时存在于土层而发挥其调控水 气流通和保持的作用 土壤结构通过孔隙调配达到水分与空气及热量的同时存储 土壤结构是土粒 单粒和复粒 的排列 组合形式 42 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 土壤结构体Soilstructuralunit 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 43 一 土壤结构体1 土壤结构体类型 块状 团块状 核状 柱状 棱柱状 片状 板状 团粒结构 44 块状结构Cloddystructure blocky 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黏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 45 团块状结构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 46 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 在黏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 47 柱状结构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 48 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 黏重土壤的底土 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 49 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 50 团粒结构Granularstructure aggregate 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 51 良好团粒结构具备的条件有一定的结构形态和大小 有多级孔隙 有一定的稳定性 有抵抗微生物分解破碎的能力 52 2 土壤剖面上结构体的形态Morphologyofsoilstructuralunitinsoilprofile 53 54 3 土壤结构体的稳定性 土壤结构的稳定性包括力稳定性 生物稳定性和水稳定性 结构体的力稳定性也称机械稳定性 是指土壤结构体抵抗机械压碎的能力 生物稳定性是指结构体抵抗微生物分解的能力 水稳定性是指结构体浸水后不易分散的性能 二 土壤团粒结构的形成及原理土壤团聚体形成分两个阶段 原生土粒 分散的单粒 在自身的粘结 凝聚或和外物胶结作用下粘聚形成致密土团或次生复粒 secondarycompoundparticle 微团聚体 microaggregate 复粒进一步粘结 或由土体在机械力作用下破裂成型 变为各种大小和形状的结构体 56 一 团粒的形成过程Formingprocessesofgranular aggregate 切割造型过程 粘结团聚过程 多级团聚说 胶体凝聚作用 无机物质的粘结作用 有机物质的胶结作用及复合作用 水的作用 生物参与 冻融交替 根系切割 干湿交替 耕作 动物作用 57 胶体的凝聚作用土壤胶粒 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 增加介质中电解质浓度也可促进胶粒凝聚 58 水膜 waterfilm 的胶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 Soilparticle Soilparticle 59 土壤胶体的胶结作用 cementation a 简单的无机物质土壤中CaCO3 CaSO4及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 黏粒 clay 黏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 organicmatter 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 60 二 团粒的多级孔性 团粒结构是经过多级复合 团聚形成的 单粒复粒 初级为团聚体 微团粒 二 三级微团聚体 团粒 大团聚体 每一级复合和团聚 产成相应大小的一级孔隙 因此团粒内部有从小到大的多级 3 5级 孔隙 61 三 团粒形成的微观机制Micromechanismofgranular aggregate formation 黏团说 黏团是由黏粒的定向排列和静电引力而形成的直径小于5 m的土体 是形成微团粒和团粒的基本单元 黏团是以片状黏粒相互缔合 面 面 面 边 边 边 而成的 有机胶体常参与黏团形成 粉粒和砂粒也可通过黏团和有机胶体而参与黏团形成 62 土壤团粒形成的微观机制Soilaggregationmodel 63 等电凝聚说 黏粒矿物颗粒以带负电荷为主 但有局部的正电荷 腐殖质和铁 铝氧化物等可变电荷胶体在低pH 等电点以下 时呈正电性 因此在土壤微域可同时出现正 负电荷点儿相互凝聚 多次等电凝聚可形成多级微团粒 等电凝聚机制在较小微团粒形成中可起重要作用 64 土壤结构体的类型影响土壤通气透水能力 及土壤水分有效性 结构体状况影响土壤松紧程度 影响根系伸展 发育 影响物质迁移 转化和能量的流动 土壤结构体的类型 数量及其稳定性还决定着土壤抗蚀能力 三 土壤结构性的评价 1 一般性评价块状 柱状 片状 核状等结构体通常是由单粒直接粘结而成 没有多级孔隙 不能协调水 气 而团粒结构体是经过多次复合和团聚而成 称为良好的结构体 66 1 水分方面 既能较好地接受降水 蓄积水分 减少土壤冲刷 又能使土壤水分蒸发减慢 从而使水分得到充分利用2 养分方面 是很好的养分保存和供应场所 并且能协调而持久地供应 3 空气方面 不同大小的孔隙共存且搭配得当 使水气协调 4 热量方面 水气协调 土温也比较稳定 5 耕作阻力小 耕作质量好 2 团粒结构在土壤肥力上的意义Theimportanceofgranularstructureonsoilfeitility 68 四 土壤结构性与土壤侵蚀 在水 风等因素的作用下 土粒随地表径流沿坡面或侵蚀沟向下流失的现象成为土壤侵蚀 当降水强度大时 地表土壤 特别是裸露坡地的土壤容易发生侵蚀 土壤因子对侵蚀的影响可概括地用下式表示 E KD A P p 式中E 土壤侵蚀度 K 比例常数 D 土壤分散系数A 土壤表层的渗入量 P 土层的渗透度 p 表示土壤颗粒大小 暴雨继续时 降水量远远超过土壤的渗透能力 土壤侵蚀作用就取决于表层土壤颗粒与其下部颗粒的结合力大小 团聚化程度高 垒结疏松的土壤反而比表面平滑紧密的土壤易受侵蚀 颗粒越小 粘结力越强 越有利于抵抗侵蚀 土壤结构性与土壤侵蚀的关系 暴雨初期 结构性好的土壤由于透水性强 不易形成径流 在结构性差的土壤上才容易产生径流 并把细碎的土粒带走 在土壤团聚化程度高 抗分散能力强的地方 即使产生微弱径流 水中含有的细土量也很少 71 土壤结构管理Soilstructuremanagement施用有机肥合理耕作与晒垡 冻垡合理轮作水分管理施用石膏或石灰 调节土壤阳离子组成施用土壤结构改良剂 soilconditioner 72 土壤孔隙性质 孔性土壤孔隙总量 总孔度 大 小孔隙分配 分级孔度 包括连通情况和稳定程度土壤孔性决定于土壤的质地 松紧度 有机质含量和结构等 土体构造 上下土层的孔隙分配 连通情况 第三节土壤孔性和土体构造Soilporosityandsoilconstruction 73 一 土粒密度 比重 和土壤密度 容重 Soildensityandbulkdensity 一 土粒密度 土壤比重 Soilparticledensity单位容积固体土粒 不包括粒间孔隙 的质量 g cm3 影响因素 多数土粒密度为2 6 2 7g cm3 常用密度值2 65g cm3 74 土壤中常见组分的密度 75 二 土壤密度 土壤容重 Soilbulkdensity 田间自然垒结状态下单位容积土体 含土粒和粒间孔隙 的质量或重量 g cm3 土壤容重受土壤密度和孔隙两方面的影响 一般情况下 土壤容重值多介于1 0 1 5g cm3范围内 土粒密度和土壤容重均以105 110 下烘干土计 76 土壤容重的用途 计算土壤孔隙度 soilporosity 孔隙度 1 容重 密度 100 土壤重量 土壤体积 土壤容重 计算工程土方量 77 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 估算各种土壤成分储量 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 1hm2 104m2 0 2m土层计 78 1hm2的1m土层储水量 10000m2 1m 1 3t m3 25 3250m3 hm2 325mm 设土层厚度1m 土壤含水量25 容重为1 3t m3 计算土壤储水量及灌水 或排水 定额 公式 79 影响容重的因素 80 土壤固 液 气三相容积比 反映土壤水 气关系 二 土壤的三相和孔隙 81 土壤固 液 气三相的容积分别占土体容积的百分数 称固 液 气 相率 三者之比即为土壤三相比 1 土壤三相比threephaseratio 多数旱地作物 适宜的固 液 气三相比为 0 5 0 25 0 3 0 15 0 25 82 总孔度SoilporosityPorosityisameasureofthepercentagevolumeofporespace andcanbedeterminedindirectlyfromparticleandbulkdensityasfollows 2 土壤孔性与孔度 所有孔隙体积的总和占整个土壤体积的比例 土壤孔性是指能反映土壤孔隙总容积的大小 孔隙的搭配及孔隙在各土层中的分布状况等的综合特性 83 84 土壤总孔度大体上可以反映土壤的松紧程度于孔隙密度 利用土壤比重和容重就可以计算出土壤总孔隙度 根据土壤容重就可以大体判断土壤的总孔度与松紧程度 从而略知土壤结构状况 土壤比重2 65是不同容重的土壤总孔隙度 V V 85 土壤孔隙比土壤中孔隙容积与土粒容积的比值 固相率 solidphaseratio 容重 比重 100 液相率 liquidphaseratio 水分重量百分率 容重 100 气相率 gasphaseratio 孔度 液相比 100 86 土壤孔度分级按照土壤中孔隙的大小及功能进行分类 与土壤水吸力相当的孔隙直径称为当量孔径 T 3 D D为孔隙直径 mm T为水吸力 可理解为土壤对水的吸力 单位为厘米或百帕 hpa 当量孔径 equivalentporediameter 茹林公式 87 非活性孔隙 inactivepore 又称无效孔隙 孔径 0 002mm 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 毛管孔隙 capillarypore 孔径 0 02 0 002mm 水分水吸力在T 3 0 02 150百帕至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 通气孔隙 aerationpore 孔径 0 02mm 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 土壤孔隙 非活性孔度 调萎系数 土壤容重调萎系数 最大吸湿量 1 5 2 0 毛管孔度 毛管持水量 调萎系数 土壤容重 通气孔度 总孔度 毛管孔度 非活性孔度 88 3 土壤孔隙的影响因素 质地黏土孔隙小 以无效孔隙和毛管孔隙占优势 但孔隙数量多 土壤总孔隙度高 砂土以通气孔隙为主 但数量少 土壤总孔隙度低 壤土的孔隙度居中 结构团粒结构多土壤疏松 孔隙状况好土壤有机质含量含量多的土壤总孔隙度高土粒排列自然因素和土壤管理 47 46 24 51 91 92 93 三 土体构造 耕层构造 耕层三相比和上下层紧实状况 人为耕作活动创造对生产有利的耕层构造 三项比2 1 1较合适 质地剖面 textureprofile 主要有上砂下黏 上松下紧 上黏下砂 上紧下松 和夹层型 结构剖面 structureprofile 与质地剖面关系密切 耕层结构受人为活动影响大 心土 底土结构主要是自然过程的产物 改良难度大 孔度剖面 主要决定于质地剖面和结构剖面 作物适宜的土壤孔度剖面 上虚下实 通气孔度8 10 以上 94 本章小结 一 核心名词 1 土壤容重2 土壤比重3 土壤结构体4 土壤结构性5 土壤孔度6 当量孔径7 团粒结构8 毛管孔隙 95 什么是土壤容重 土壤容重有哪些用途 什么是土壤质地 不同质地土壤的特性如何 如何改良土壤质地 2 什么是土壤孔隙度 土壤孔隙有哪些类型 各有何特点 3 土壤结构类型有哪些 团粒结构在土壤肥力上有何作用 4 计算容重为1 2g cm3 含水量为25 的土壤的固 液 气三相比 土壤比重2 65 二 思考题 96 一 土壤的力学性质二 土壤的耕性 第七章土壤力学性质与耕性 一 土壤的力学性质土壤的力学性质指土壤颗粒之间及土壤与外物之间的相互作用 包括 粘结性粘着性塑性胀缩性耕作阻力 1 土壤粘结性和粘着性cohesivenessandadhesiveness 土壤粘结性是土粒间通过各种引力而粘结在一起的性质 这种性质使土壤具有抵抗外力破碎的能力 也是耕作时产生阻力的主要原因之一 土壤粘着性是土壤在一定含水量条件下 土粒粘附在外物 如农具 上的性质 土壤过湿耕作 土粒粘着农具 增加土粒与金属间的摩擦阻力 使耕作困难 影响土壤粘结性和粘着性的因素 土壤质地 土壤愈细 接触面愈大 粘结性和粘着性愈强 土壤含水量 含水量愈少 土粒距离愈近 分子引力愈大 粘结性愈强 故干燥土块破碎甚为困难 土壤结构 团粒结构可使土团接触面减少 因而其粘结性和粘着性降低 土壤疏松易耕 土壤腐殖质含量 腐殖质含量增加可减弱黏土的粘结性 因为腐殖质在土粒外围形成薄膜 改变了黏粒接触面的性质 土壤代换性阳离子的组成 不同的阳离子种类可影响土粒的分散和团聚 100 2 土壤塑性 soilplasticity 概念 1 塑性 plasticity 指土壤可塑性是指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 土壤塑性是片状黏粒及其水膜造成的 2 上塑限 upperplasticlimit 土壤呈现塑性的最大含水量 又称流限 liquidlimit 3 下塑限 lowerplasticlimit 土壤呈现塑性的最小含水量 又称塑限 plasticlimit 4 塑性值 plasticindex 上塑限和下塑限的差值 又称塑性指数 plasticitynumber 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 它们的数值随着黏粒含量的增加而增大 101 土壤可塑性的影响因素 水分含量 干土没有可塑性 当水分含量逐渐增加时 土壤才表现出可塑性 下塑限 塑限 土壤开始呈现可塑状态时的水分含量称下塑限 上塑限 流限 土壤失去可塑性而开始流动时的土壤含水量称上塑限 土壤质地 土壤中黏粒愈多 质地愈细 塑性愈强 一般而言 代换性阳离子土壤有机质土壤含盐量等 102 各种质地土壤的塑性值 含水量 钙或钠饱和的黏粒矿物的塑限 含水量 3 胀缩性swellingandshrinking土壤含水量变化引起的或在含有水分的情况下因温度而变化引起的土壤体积的变化 土壤胀缩性强会对植物根系产生机械损伤 易拉断植物根系 土壤胀缩性的影响因素土壤胶体类型交换性阳离子质地结构 105 4 土壤耕作阻力 土壤的抗压性 抗楔性和抗位移等力学特性等 是构成土壤耕作阻力的主要因素 抗楔入性抗压性位移阻力受质地 结构 含水量等影响 106 二 土壤耕性及其改良 土壤耕性是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 土壤耕性包括 第一 耕作阻力 指土壤在耕作时产生的阻力大小 不同土壤的耕作阻力大小不同 如砂质土 有机质多或结构良好的土壤 耕作阻力小 相反 质地黏重 有机质少及结构不良的土壤 耕作阻力大 第二 耕作质量 指土壤在耕作后所表现的状况 凡是耕后土壤疏松 细碎 平整 孔隙状况适中 有利于种子发芽出土及幼苗生长者为耕作质量好 反之 为耕作质量差 第三 宜耕期 指土壤适于耕作的时间长短 也可以说是耕作对土壤水分状况要求的严格程度 土壤耕性与土壤的物理机械性能 土壤质地 结构 有机质和水分含量等因素有关 土壤的结持性consistence指不同含水量下土壤具有的粘结 粘着或抗变形 断裂的属性 土壤耕性的改良措施 增施有机肥料合理灌排 适时耕作客土法土壤少耕法 免耕法 少耕和免耕技术 少耕是指在常规耕作基础上尽量减少土壤耕作次数或全田间隔耕种 减少耕作面积的一类耕作方法 此方法有覆盖残茬 蓄水保墒和防水蚀 风蚀的作用 但在杂草危害严重时 应配合杂草防除措施 免耕又称零耕 直接播种 是指农作物播种前不用犁 耙整理土地 直接在茬地上播种 播后和农作物生育期间也不使用农具进行土壤管理的耕作方法 110 少耕 免耕的依据 用生物措施代替土壤耕作 用化学措施及其他新技术代替土壤耕作 采用先进的农机具代替土壤耕作 111 少耕 免耕的优点 少耕 免耕和覆盖 可减轻水蚀和风蚀以及土壤水分蒸发 秸秆覆盖使表土有机质增加 土壤好气性分解减慢 利于有机质积累 农耗时间减少 节约成本 112 少 免耕存在的问题 1 多年少免耕后多数土壤有变紧实的趋势 2 耕作表层有机质和养分富化而下层贫化 3 影响有机肥 化肥与残茬的翻埋 土肥难于融合 4 杂草虫害增多 5 残茬覆盖导致地温下降 113 第八章土壤热性质Soilheat 一 土壤热量来源二 土壤表面的辐射平衡及影响因素三 土壤的热量平衡四 土壤热性质五 土壤温度 114 土壤热状况也是土壤重要的肥力因素之一 直接或间接对植物生长产生影响 115 一 土壤热量来源Sourcesofheat土壤热量的最根本来源 太阳能的99 为短波辐射 当太阳辐射通过大气层时 一部分热量被大气吸收散射 一部分被云层和地面反射 而土壤只吸收其中一少部分 微生物分解有机质过程是放热过程 释放的热量一部分作为微生物能源 大部分用来提高土温 地壳传热能力差 对土壤温度影响极小 可忽略不计 太阳辐射能Solarradiantenergy 生物热Biologicalheat 地热Undergroundheat 116 二 土壤表面的辐射平衡及影响因素Radiationbalanceonsoilsurfaceanditsinfluencefactors地面辐射平衡Radiationbalance太阳直接短波辐射 I 地面短波反射 I H 天空 大气 短波辐射 H 地面长波辐射E逆辐射 长波辐射 G 以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的平衡差值R I H I H G E I H 1 rI H 投入地面的太阳总短波辐射 环球辐射 I H 被地面反射出的短波辐射 为反射率 r E G 是土壤向大气进行长波辐射量 E 与大气升温反向土壤辐射量 G 的差值 收入 支出 Sun I G E r H 大气吸收 云层散射 大气散射 云层吸收 117 地面辐射平衡的影响因素Influencefactors太阳的辐射强度Solarradiationintensity主要取决于气候 晴天比阴天的辐射强度大 天气条件相同条件下取决于太阳光在地面上的投射角 日照角 投射角又受纬度和坡向坡度等影响 地面的反射率Reflectionratioofsoilsurface太阳入射角 日照高度 地面状况 地面状况又包括颜色 粗糙程度 含水状况 植被及其他覆盖物状况地面有效辐射Availableradiationofsurface云雾 水汽和风 强烈吸收和反射地面发出的长波辐射 减少有效辐射 118 三 土壤的热量平衡Heatbalanceofsoil 当土面获得太阳辐射能转换为热能时 大部分热量消耗于土壤水分蒸发和土壤与大气之间的湍流热交换 一小部分被生物活动所消耗 只有很少部分通过热交换传导至土壤下层 119 土壤热量收支SoilheatbudgetQ 单位时间内土壤实际获得或失掉的热量 R 辐射平衡 P 土壤与大气层之间的湍流交换量 LE 水分蒸发 蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加的量 S 土面与土壤下层的之间的热交换量 正负双重号表示不同情况下有土温增或减的不同方向一般情况下 白天Q为正值 即土壤温度升高 夜晚Q为负值 土表不断向外辐射损失热量 温度降低 Q R P LE S 120 1 土壤热容量Heatcapacityofsoil重量热容量 Cp 单位重量土壤温度升高1 所需的热量 J g 容积热容量 Cv 单位容积土壤温度升高1 所需的热量 J cm3 土壤组成分复杂 每种成分的热容量都不一样 Cv Cp soilbulkdensity 四 土壤热性质Soilheatproperties Soilmineralparticle mCv 1 9J cm3 Soilorganicmatter oCv 2 5J cm3 Soilwater wCv 4 2J cm3 Soilair aCv 1 26 10 3J cm3 121 mCv oCv wCv和aCv分别为土壤矿物质 有机质 水和空气的容积热容量 Vm Vo Vw和Va分别为土壤矿物质 有机质 水和空气体积百分数 气体的热容量可忽略 公式可简化为 影响土壤热容量组分中 土壤水有决定性作用 从土壤三相角度看 液相的土壤水分的热容量最大 气相最小 Cv 1 9Vm 2 5Vo 4 2Vw J cm3 Cv mCv Vm OCv Vo wCv Vw aCv Va 土壤热容量可用三相物质热容量和组成比例计算 固相中 腐殖质热容量与其他成分相比有明显优势 其他各组分热容量彼此差异不大 所以土壤热容量大小主要决定于土壤水分多少和腐殖质含量 但是有机质含量比较固定 很难在短期内改善 只有水分是易变量 可以通过灌排调节土温 122 2 土壤导热率Heatconductivityofsoil土壤具有的将所吸热量传到邻近土层的性质 单位厚度 1cm 土层 温差1 每秒经单位断面 1cm2 通过的热量焦耳数 J cm s 导热性 导热率 Q 流动的热量A 面积T 时间t1 t2 土层两端的温度d 土层厚度 热量传导方向 高温处低温处 123 土壤组分导热率Heatconductivityofdifferentsoilcomposition土壤固体部分Soilsolidparticle 8 4 10 3 2 5 10 2J cm s 土壤水Soilwater 5 439 10 3 5 858 10 3J cm s 土壤空气Soilair 2 301 10 4 2 343 10 4J cm s 水的导热率大于空气导热率 当土壤含水量低时 由于空气导热率很小 因此土壤导热率小 特别是疏松孔隙多土壤 导热率小 若含水量低但土壤紧实 热量可通过土粒 矿物质 传导 导热率则较大 124 土壤导热率的意义Importanceofheatconductivityofsoil导热性好的湿润表土层白天吸收的热量易于传导到下层 使表层温度不易升高 夜间下层温度又向上层传递以补充上层热量的散失 使表层温度下降也不致过低 因而导热性好的湿润土壤昼夜温差较小 125 土壤温度决定于土壤导热率和热容量 如果热量一定 土壤温度升高的快慢和难易决定于其热扩散率 标准状况下 在土层垂直方向上每厘米距离内 1 的温度梯度下 每秒流入1cm2土壤断面面积的热量 使单位体积 1cm3 土壤所发生的温度变化 以D表示 土壤导热率 J cm s Cv 土壤容积热容量 J cm3 D Cv cm2 s 3 土壤热扩散率Heatdiffusivityofsoil 126 影响 Cv和D的因素 质地 松紧度 结构及孔隙状况等土壤水 D 5 021 10 3 4 184土壤空气 D 2 092 10 4 1 255 10 3土粒 D 8 4 10 3 2 5 10 2 1 9土壤固相物质组成稳定 土壤热扩散率主要取定于土壤水和空气的比例 当土壤含水率由小增到某一值时 D逐渐增加至最大值 此时含水量再增加 D反而变小 因为前期含水量增加 和Cv都增大 但后期土壤含水量增大 虽然 增大 但Cv增大更快一些 所以D反而逐渐减小 Effectoftextureandwatercontentonheatdiffusivityofsoil 127 五 土壤温度Soiltemperature 土壤温度是太阳辐射平衡 土壤热量平衡和土壤热学性质共同作用的结果 Soiltemperatureisacombinedresultsofsolarradiationbalance soilheatbalanceandsoilheatproperties Soiltemperatureisanextremelydynamicproperty varyingdiurnallyandseasonally withtheeffectsbeingmostrapidandextremetowardsthesurface 128 土温日变化DiurnalchangeofsoiltemperatureOnadiurnaltime scale soilsareheatedduringthedayandtheeffectgraduallyextendsdownwards Atnightsoilscoolrapidlyatthesurfaceandheatistransferredupwardsfromwithinthesoil 土表温度最高值出现在当地时间13 14时 最低温出现在日出之前 土温日变幅以表土最大 至40 100cm深处变化幅度小甚至消失 129 亚热带地区裸露粉壤质土壤温度日变化图式 据ScottHD 2000 130 土温季节 年 变化SeasonalchangeofsoiltemperatureSeasonalheatingandcoolingcyclesoperateinasimilarmanner buttheypenetratedeeperintothesoilthandiurnalcyclesbecausethetime scaleismuchgreater diurnalcyclesusuallyaffectonlytheupper30cmorso whereasseasonalcyclescanpenetratetoadepthofseveralmetres 升温阶段 1月至7月 7月达最高 降温阶段 7月至次年1月 1月达最低 土层愈深 最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤 称为 时滞 温度的变幅也随土层深度而缩小 至5 20米深处 土温年变幅消失 131 132 纬度 坡向 坡度 北半球南坡接受太阳辐射最多 东南坡 西南坡次之 东坡 西坡 东北坡 西北依次递减 北坡最低 北半球中纬度地区 30 600 的南向坡 随着坡度增加 接受太阳辐射增加 纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度 随纬度由低到高 自南而北土壤表面接受的辐射强度减弱 土温由高到低 土温的影响因素InfluencedfactorsofsoiltemperatureSoiltemperatureisinfluencedbyanumberofsoilproperties inparticulartexture moistureandorganiccontent anditisalsoinfluencedbygeographicalcharacteristicsandsoilsurfacecharacteristics 133 地面覆盖后既减少吸热 也减少散热 海拔高度 土壤因素 地面覆盖 海拔增高 大气稀薄 透明度增加 散热快 土壤吸收热量增多 所以高山土温比气温高 由于高山气温低 地面裸露时 地面辐射增强 随着高度增加 土温比平地的低 影响土温变化的土壤因素 包括土壤结构 质地 松紧度 颜色 湿度 地表状态及土壤水汽含量等 134 土温测定SoiltemperaturedeterminationSoiltemperaturemustbemeasuredfrequentlyandatavarietyofdepths andareusuallyrecordedelectronicallyusingaseriesofthermistorslinkedtoanautomaticrecorder 135 土壤温度的调节耕作灌溉和排水覆盖温室效应 136 本章小结一 概念土壤热状况土壤热容量土壤导热率土壤热扩散率二问答题1 影响土壤温度状况的因素有哪些 2 调节土壤温度的措施有哪些 3 对土壤进行以水调温的理论依据是什么 137 第九章土壤胶体化学和表面反应SoilColloidalChemistryandSurfaceReaction 138 第一节土壤胶体的表面性质Surfacepropertiesofsoilcolloid第二节土壤胶体对阳离子的吸附交换反应Adsorptionandexchangeofcationsbysoilcolloids第三节土壤胶体对阴离子的吸附与交换Adsorptionandexchangeofanionsbysoilcolloids 139 ConceptsofsoilcolloidThecolloidisastateofmatterconsistingofveryfineparticlesthatapproachbutneverreachmolecularsizes 0 2 m 5nm Soilscontainlargeamountsofsoilmaterialinacolloidalstate Claycomprisesallinorganicsolidssmallerthan0 002mm 2 m ineffectivedia