农业工程概论.ppt

1 讲稿 教材 农业工程概论 张伟主编 中国农业出版社 1997年 第一版 主要参考书 1 农业物料学 周祖锷主编 农业出版社 1994年 2 农业生物环境工程 崔引安主编 农业出版社 1994年 3 农产品加工机械与贮藏 沈再春主编 农业出版社 1995年 4 农业系统工程 朱永达主编 农业出版社 1993年 农业工程概论 2 绪论 一农业工程与农业的发展1 农业的发展 时代的划分 从2000多年以前 19世纪中叶 原始农业 古代农业 19世纪中叶 20世纪40年代 二战结束 传统农业 近代农业 20世纪40年代 至今 现代农业 3 原始农业 完全靠刀耕火种 传统农业 有了引水灌溉和施用农家肥 现代农业 有了工业产品的武装 化肥 农药 机械 国外之所以称为 近代农业 是因为那时也有了少量的半机械化 机械化农具 2 农业工程的发展 1889年 美国人伯格首先发明了底盘与蒸汽机底盘相似的拖拉机 巴加 号拖拉机 由芝加哥的查特煤气机械公司试制成功 1892年 美国衣阿华州的约翰 M 弗罗利奇 在辛辛那提市制造出第一台作为农用牵引机的内燃发动机式拖拉机 这是一台真正实用的拖拉机 是著名的约翰 迪尔式拖拉机前身 4 5 6 1892年的拖拉机 7 8 1904年 加利福尼亚的工程师霍尔特设计了界上第一台履带式拖拉机 1907年 霍尔特创办的拖拉机制造公司制造出世界上最早的以汽油内燃机为动力的履带式拖拉机 这种拖拉机是当时最成功的拖拉机 并成为数年后英国研制世界上第一种坦克时所参考的样车 轮式拖拉机的发明 最初是在钢轮外加一层橡胶保护层 汽车轮胎诞生后 人们先后给拖拉机使用了实心和充气胎 但汽车轮胎并不完全适用于拖拉机 一是汽车轮胎的沟纹过于浅细 二是人们发现拖拉机在轮胎气不足时反而比气很足时的软地行驶性能更好 1932年 美国的菲尔斯当轮胎和橡胶公司生产出一种大尺寸的高花纹低压充气橡胶轮胎 这是第一种真正适用于农用拖拉机轮胎 9 1908年产的履带拖拉机 25HP 10 1908年产的履带拖拉机 L20 11 1912年的履带拖拉机 Holt30 12 1914年的履带拖拉机 Holt30 13 1917年产的履带拖拉机 40HP 14 1917年Holt产的实验性履带拖拉机 15 1918年产的履带拖拉机 Holt45 16 1928年产的毛毛虫 Caterpillar L20履带拖拉机 17 1929年产的履带拖拉机 毛毛虫60 18 1977年毛毛虫D10 19 1913年的金属轮拖拉机 20 1932年的橡胶轮胎拖拉机 21 22 20世纪30 50年代 发达国家已经实现了机械化 然后农业工程向更高层次发展 即设施农业 打破了季节性 地域性的限制 农副产品加工 贮运 农业环境与资源保护 保护性耕作 精确农业 23 温室最早起源于中国 据 前汉书 召信臣传 记载 距今2000多年前的西汉时 当时的皇都西安已在生有暗火的屋子里种植葱 韭一类蔬菜 可在冬季为皇宫提供新鲜蔬菜 这是世界上最早的温室 发展到清代 温室的形式和栽培技术已较成熟 除用于种植黄瓜等多种蔬菜外 还生产许多名贵花卉 在欧洲 公元1世纪罗马帝国已使用一种用云母片装配的温床 促成水果早熟和为宫廷生产黄瓜 1599年 在荷兰建成一栋栽培热带植物的温室 这是欧洲最早的温室之一 直到19世纪 温室才在欧洲普及开来 当时有许多博物学家从热带地区把多种植物新种带回北方寒冷的家乡 同时玻璃制造技术发达也使建造框架式的日光温室成为可能 24 1836 1841年 英国德温公爵的园丁领班帕克顿在备德贝郡查兹沃斯府邸建了一具大型温室 在铁 木框架上共镶有7000多平方米的玻璃 1851年 在英国举办世界上首次万国博览会时 帕克斯顿以他建造的温室为蓝本 为博览会的主展馆设计了著名的 水晶宫 在现代的大型温室中 已经配有带热风或湿冷风的混风设备 并采用喷灌 滴灌和地下灌溉等技术 有的还使用无土栽培法 有的温室还装备有电脑控制系统 以变化的光照强度为中心 随时调节室温和空气中二氧化碳浓度 或辅以湿度 风速 温度场乃至营养液中无机盐含量的调节 从而为作物创造适合生长的最佳环境 25 26 27 28 中国农产品加工业的历史源远流长 早在战国 西周 西汉的文献资料中 对粮食制饴 葡萄酿酒 煎蔗为糖 大豆生产豆腐 酱油 牛奶制作奶酒等食品技术就有记载 29 1976年在河南新郑裴李岗出土的石磨盘 据考证 为7000年前的新石器时期早期 比仰韶文化还要早 30 在沈阳 老龙口 出土的正面为 阴阳鱼 造型的石磨群 是山西商人孟子敬于清代康熙元年 1662年 在沈阳小东门外建的制酒作坊的遗物 31 32 5000年前 神农氏 的榨油工具 33 风力车 石磨等 34 晋代的水磨 35 36 37 38 公元前5000多年 中国就有了石磨 39 龙骨提水车 又叫翻车 是东汉灵帝 公元168 189年 毕岗创造的 直到20世纪50年代末 在江南农村还能见到 40 筒车 41 井车 42 保护性耕作是以保水保土为核心的少耕免耕 残茬覆盖 生物覆盖和作物轮作相结合的技术体系 起源于20世纪30年代的美国基本概念 用大量秸秆残茬覆盖地表 将耕作减少到只要能保证种子发芽即可 并主要用农药来控制杂草和病虫害的一种耕作技术 保护性耕作的起源与发展 43 保护性耕作的四项关键技术 免耕播种技术深松技术秸秆残茬覆盖处理技术杂草控制技术 44 1 免耕法能够形成小气候优势2 保护性耕作改善土壤结构 保蓄更多水分 提高土壤水分利用效率 增加作物产量3 作物根茬覆盖能固定表土 阻止土粒 沙尘的移动 防止土壤风蚀 有效扼制沙尘暴的发生4 少免耕法减少机具在田间的耕作次数 降低成本 提高燃油利用率与经济效益 保护性耕作的意义 45 46 大型多梁牵引式免耕播种机 47 48 49 精确农业 PrecisionAgriculture 技术研究发展的驱动力 是在所有耕地中发现的作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性 精确种植的基本技术至少要具备以下四项功能 随时间或 及 空间变化采集数据 根据数据绘制数据电子地图 即田间状态图 并加工 处理 形成管理设计 或作业执行电子地图 即对策图 精确控制田间作业 对精确种植的农业效果 经济效益及环境效益进行评估 50 精确种植的技术包括以下内容 全球定位系统GPS 地理信息系统GIS 计算机控制器 传感器及遥感系统RS 变量投入设备 绘制电子地图及数据处理加工软件 专家系统ES及决策支持系统DSS等软件及硬件 GIS GeographicalInfromationSystem 地理信息系统 GPS G1obalPositioningSystem 全球定位系统 RSS RemoteSensingSystem 遥感系统 SS SimulationSystem 模拟系统 ES ExpertSystem 专家系统 DSS DecisionSupportSystem 决策支持系统 ICS IntelligenceContro1System 智能控制系统 51 52 53 二农业工程学科的性质与任务1 学科的发展 1896年 美国内布拉斯加大学农学院 开设 农业工程概论 课程 1907年 在美国的麦迪逊 成立美国农业工程学会 AmericaSocietyofAgriculturalEngineering ASAE 随后 在以后的10多年里 美国 加拿大的许多大学都成立了 农业工程系 农业工程系一般由工程学院和农学院共同领导 起初分两个科目 1 农业工程 农业工程科学 2 农业机械化 农业工程技术 54 学科的发展 机械应用与管理 耕作土壤动力学 农业物料的工程性质 农田水利学 农村能源 农村电气化 农副产品加工 农业系统工程 计算机模拟 专家系统等 1996年以前 农业工程学科包括9个本科专业 1 农业机械化 2 农业建筑与环境工程 3 农业电气化与自动化 55 4 农田水利工程 5 土地规划与利用 6 农村能源开发与利用 7 农产品贮运与加工 8 水产品贮藏与加工 9 冷冻冷藏工程 1996年以后合并为4个本科专业 1 农业机械化及其自动化 2 农业电气化与自动化 56 3 农业建筑环境与能源工程 4 农田水利工程 2 性质与任务农业工程学科 是应用物理科学 化学和生物科学及工程技术来研究 解决农业生产及其过程的工程科学与工程技术 即 农业工程学科是将农业与工程联系起来 研究 生物 生产 生态 与 物力 化学 管理 的边缘学科 性质 57 农业工程 中国农业百科全书 农业工程卷 中指出 农业工程是改善农业生产手段 生态环境和农村生活设施的各种工程技术 工程管理 工程理论的总称 任务 三 农业工程师的素养和农业工程学的研究方法1 必须具备农业生产及生物学基础知识 生物系统的特点 随时间变化 对环境有自适应性 2 必须具备工程理论和工程训练 掌握系统分析方法 能力 58 农业工程属于应用学科 要会综合 会做科学试验 综合 实践 创新 本课程的目的 提供 有关农业工程的基本概念 常识 基本方法 进一步深入了解各方面内容的必要线索 59 世界农业科技变革趋势 1 由 平面式 向 立体式 发展2 由 石油型 向 生态型 发展3 由 自然式 向 设施式 发展4 由 机械化 向 自动化 发展5 由 农场式 向 公园式 发展6 由 化学化 向 生物化 发展7 由 单向性 向 综合性 发展 60 我国农业战略布局 沿海地区和大中城市郊区要大力发展高效农业 中部粮食主产区要抓住主销区腾出部分粮食市场的机遇 扩大优质粮食生产 提高粮食的综合效益和市场竞争力 西部地区要发展特色农业 旱作农业和生态农业 61 第一章农业物料的工程性质 1研究的意义 农业物料 一般指 动植物产品 加工成品 半成品 以及与农业作业有关的土壤 肥料 农药等 即 产品和作业对象 意义 有利于正确的设计工艺与设备 质量的评估 2农业物料的形态特征 一 尺寸和形状尺寸和形状 62 一 圆形和球形 圆度 式中 圆度表示与理想圆的接近程度 r指各棱角的曲率半径 R值最大内接圆的半径 P6图1 1 63 64 对于类球体 球度 di dc 式中 di指类球体的最大投影面积图形的最大内切圆直径dc指类球体的最大投影面积图形的最小外接圆直径 对于椭球 球度 65 二 尺寸的表示 1 粒径 非类球物料 66 测定计算平均粒径的简易方法 粗颗粒的平均粒径 可以一粒一粒的分拣 按表1 2的算法会存在d3 d2 d1 d7 d4 d5 d6的不同结果 粉状物的平均粒径 取为50 100g试样 67 68 调和平均粒径 或用算术平均粒径 相邻筛子之间物粒的名义直径 69 Xi为d i下方 d i 1上方的物料占总质量的百分数 权重 应根据测定的目的选用 如 2 单项尺寸的测定 用 70 三 尺寸分布 可代表一批物料粒径的平均尺寸 71 二 密度 一 真实密度 truedensity 成分 水含量等 测量方法主要有 72 二 容积密度 bulkdensity 与孔隙率 度 物料总质量与视在体积或称虚表容积之比 孔隙度 率 孔隙所占体积与整个物料所占体积之比 孔隙比 孔隙体积与物料固体物质体积之比 73 三 农业物料形态特征在农业工程中的应用 一 品质评定 1 谷物成熟程度 与尺寸有关 杂质含量 均匀度等与有关 土壤紧实程度2 牛奶放置时间长 变大 二 确定物料清选和分级工艺 74 根据 球度的大小影响滚动性 尺寸形状的差异影响选择分选方法的设备由尺寸的分布规律 确定分选的可能性及筛孔的大小等 1 分选可能性 分离程度 和孔型 图1 4不同的物料的尺寸 频率分布曲线 2 筛孔 窝眼 大小的选择 根据分选的目的和要求确定 图1 5 三 设计计量装置或容器 根据容积密度 75 76 3 农业物料的机械特性 一 应力 应变与破坏有助于选择加工方法 一 应力与应变 农业物料的流变特性是研究物料在外力作用下产生的变形和流动 以及载荷作用的时效 77 变形 弹性变形 流动 流变特性用应力 应变和时间三个参数表示 应力松弛 指物料突然地变形到给定值并保持不变时 应力随时间变化的函数关系 与蠕变对应 东农303马铃薯的应力松弛模量方程 P11 图1 7 弹性模量 78 79 80 农业物料的应力 应变关系 因农业物料通常 等特点 而变得非常复 P12 图1 8 具有 二 农业物料的破坏 1 破坏的原因 机械力 挤压 切断 碰撞 颠簸等 谷粒的损伤与受力大小和水分高低密切相关 P12 图1 9 其他应力 物理化学的作用 热应力 烘干与冷却过程 乙醇促使苹果边熟腐烂 湿应力 西瓜番茄水分过大的裂口 81 82 物料自身的生化作用 呼吸代谢作用 在温度湿度较高条件下 受伤后速度变快 导致生命缩短而坏死 呼吸加快 营养消耗加快 甘薯受伤后呼吸量加大 P13 图1 10 83 2 破坏的类型 切断 正切 斜切 歪切 滑切 粉碎 击磨 玉米 压磨 小麦 大蒜 去壳 克剥 核桃 热胀应力 松籽 板栗 撞击 葵花籽 碎土 弯曲 犁地 有害性破坏的防止 84 85 二 流体动力学特性 流体 以空气 水 形变介质 为载运体 与物料的输送 装卸 分离等作业有关系 一 流体对农业物料的作用力 阻力与阻力系数根据因次 量纲 分析 流体的总阻力 C为阻力系数 一般由试验确定 86 A为物体垂直于平面内的投影面积 为流体密度g cm3V为流体和物体的相对速度m s阻力系数 87 88 动力粘度的定义 P21 单位面积 单位速度梯度时所受到的剪力 1Pa S 帕 秒 10P 泊 达因 S cm2 克 cm S 1000CP 厘泊 毫帕 秒 C f Re 的关系复杂 一般为3 4个区域 89 物料在流体 形变介质 中的临界速度 即 重力 浮力 阻力时的相对速度V0 球状物体重力 浮力 时 球体的体积和投影面积分别为 d3 6和 d2 4 一般情况下 C 0 44 90 非球状物体 实验证明 当Re 50 一般不规则形状的物体的阻力系数C与球体的阻力系数C相差很小 见P14 图1 12 当达到临界速度时 不规则物体和当量球体所受的重力和浮力相等 故二者的阻力也相等 工程中 先求当量球体 质量和密度相同的球体 的临界速度 然后加以修正 求不规则物体的临界速度 即 91 当量球体 92 K 球形折合系数 形状修正系数 P15 表1 3给出了一般谷粒的K 值 93 有限空间对临界速度的影响例如 物料在管道中 使流体的通过面积减小 周边流速增高 产生局部阻力 静压差变大 导致临界速度减小 据乌斯吕斯基试验 钢球 得出经验公式 D为管道直径 ds为物体直径 V0为无限空间时的临界速度 94 群体物料 浓度 对临界速度的影响相互摩擦和碰撞 激起紊流 改变了混 液 体的密度等 将导致临界速度减小 是一个很复杂的问题 钱宁对均匀沙粒所做实验表明 V0 单粒的临界速度 m0 沙粒的体积浓度 实验值为5 25 值见P15表1 4 此公式适用于非粘性粗粒泥沙 95 二 物料流体动力学特性在农业工程中的应用 清选分离中的应用气流分选P16 图1 14 15 16 17 物料输送中的应用 96 97 98 三 流变特性 rheologicbehaviour 一 流变特性的某些特点 用应力 应变 时间三个参数描述 具有应力松弛或蠕动 的表现 99 1 基本元件 弹性元件 弹簧Spring 或 卷簧的剪切公式 二 流变模型 100 塑性元件 滑杆 只要有变形 就有 P F 即拉力大于等于最大摩擦力 101 粘性元件 牛顿液体阻尼器 即应力等于动力粘度乘以应变速率 102 2 粘弹性物料的流变模型 麦克斯韦尔模型 Maxwell实质是流体模型 应力相等 应变相加 P19 图1 21 应力松弛 stressrelaxation 时间 应力松弛至初始应力的1 e时所需的时间 103 104 开尔文模型 Kelvin实质是固体模型 如纺织 塑料绳等 应变相等 应力相加 弹簧的运动是非线性的 延迟弹性变形 P19 图1 22 23 弹性滞后时间 retardationelasticity 应变达到最终应变的 1 1 e 时所需的时间 105 106 典型粘弹性体的受力与变形 1 Y点屈服点 yieldpoint 2 屈服强度 elasticlimit 直线O LL段的斜率 LL点称作弹性极限点 3 R点称为破断点 引起物质破碎或断裂的点 107 其他模型A 广义麦克斯韦尔模型 多个麦克斯韦尔单体并联 主要描述复杂的应力松弛现象 广义麦克斯韦模型 108 B 广义开尔文模型 多个开尔文单体串联 主要描述具有一个以上松弛 或延迟 时间的物 109 C 伯格斯模型 Burgers 在外力作用下 同时呈现出瞬时弹性变形 延迟弹性变形和粘性流动的性质 是用来预测物料蠕变特性最著名的流变模型之一 110 D 宾汉模型 Bingham 用来表描述外力超过屈服应力时 物料才开始流动的现象 如 粘泥 果酱 油漆等 111 三 流变特性的应用 调节和利用物料的表观粘度 指非牛顿液体在不同剪切速率或剪切应力下动力粘度 倚时性非牛顿液体具有触稠性 如肉丸 和触稀性的特点 在某一剪切应力 i作用下 非牛顿液体的粘度为 112 物料品质检验纯蜂蜜和假蜂蜜的粘度不同 牛奶的粘度与脂肪含量成比 利用粘弹性物体拉伸后回缩的特性进行模口设计 P20 图1 24 113 四 摩擦特性 一 固体物料的摩擦库仑定律 摩擦力 正压力的影响 影响凹凸不平的平面上凸峰的变形 F的变化 速度的影响 物料变形 磨掉芒毛 F 产生静电等 114 水分的影响 含水物料与钢板 一般为不易吸水材料 等接触时 会产生粘附力 则 其他影响 滑动摩擦角 物料的方向性 尘埃等影响 二 流动物料的摩擦 指流体与非流体以及各流体层之间的剪切应力 某些流体的粘度值见1 6 三 散粒物料的摩擦 115 四 摩擦特性的应用 改变物料的运动状态 刹车片 千斤顶 地轮 减少打滑 禾秆夹持等 合理设计料仓 评定物料质量 休止角 116 117 4农业物料的热特性 一 热量的传输过程 二 农业物料的具体热特性 一 比热 单位质量的物质温度每升高或降低一度 K 所吸收或放出的热量 118 依据加热过程有 含水量的波动及影响 计算方法 果蔬的比热计算 119 表1 7农业物料的比热值 120 二 导热系数 导热率 单位面积 单位时间 单位温度梯度传导的热量 W m K 随温度的升高 C略有增大 表示导热的能力 121 物料的密度对导热系数有影响 固体 液体 气体 水的导热系数为0 06W m K 果蔬的导热系数 肉类 0 0798 0 00517M 当温度为0 60 含水率60 80 时 三 导温系数 热扩散系数 反映导热过程中物料导热能力和储热能力间的关系 是衡量物料受热后温度传导能力的重要参数 122 单位 m2 s 三 农业物料热特性的应用 一 设计烘干和冷却工艺参数和规范供热和升温与比热有关物料层的厚度和加热均匀度与导热系数有关热特性跟温度和水分的关系等 二 品质检验 如牛奶比热C 0 93若偏离过大即为掺假或变质 123 5农业物料的电磁辐射特性 不同的物料对不同波有不同的反射 折射 绕射 衍射 散射和吸收作用 能引起内部组织和结构的变化 124 一 农业物料的可见光特性 约为0 4 0 77 m 一 反射特性 I0和IR分别表示射向物料总辐射强度和反射回的辐射强度 即单位面积上的光通量 W m2 P27 图1 31 125 126 不同物料或同物料的不同发育阶段其R不相同 二 光透射特性透射率 T IT I0 100 实际应用中 常采用吸光度 127 能够同时反映物料的外表特征和内部密度等 三 延迟发光特性物料经过照射 使叶绿素分子离子化 产生自由电子 使最低能级的叶绿素放出延迟光然后 逐渐衰减 P27 图1 32 128 二 农业物料的其它光辐射特性 红外光 0 77 1000 m 紫外光 0 04 0 39 m 红外线辐射有显著的热效应和较强的穿透力 红外辐射特性 R T A等 与物料的厚度 结构 密度 水分以及照射条件有关 129 远红外探测器 可探测森林火灾 作物长势和预报病虫害等 紫外线辐射 0 04 0 39 m 有激发光现 不同物质发出不同颜色的荧光 用于分拣 鉴定纯度等 用近红外光谱分析法 可以快速 准确测定物料的品质和成分 生物受适当强度的紫外光照射 可促进维生素D的转化 有利于健康 过强的紫外线能消毒杀菌 但有害于健康 130 三 农业物料的其它电磁辐射特性 一 微波 0 1 0 01 m 辐射特性 R T A等 比短波显著 1 原理 通过极性水分子振荡 导致细胞膜破裂和细胞间的氢键松弛破坏而难以存活 但有时可能激活细胞 增加种子发芽率等 二 X射线和放射性辐射波1 原理 穿透力强 使水和其它物质电离 从而影响新陈代谢 131 2 用途 推迟果菜完熟期 推迟蘑菇破膜开伞 诱变育种 杀菌保鲜 大蒜 四 电磁辐射的应用 见P29 表1 10 132 133 134 6农业物料的电特性和磁特性一 生物电受精蛋两端电位差 植株受伤部分和完整部分间存在电位差 且伤势严重 则电位升高 135 0和C0为真空介电常数和电容 表示提高电容量的能力 表示物料在交流电场中吸收电能转化为热能的能力 二 介电特性 介电常数 D E D 电通量密度 E 电场强度 介质损耗角正切 136 137 充满理想电解质的电容器没有能量消耗 其电流Ic超前电压V为900 由于有了损耗 使电流I与电压V的相位角减小 损耗角 增加 通常 在任何给定频率下 电介质可用理想电容和电阻R组成的并联电路表示 见上图 总电流I与外加电压V之间的角度 称为相位角 cos 称为功率系数 在 很小时 tg cos 138 图1 34稻谷介电常数与含水率的关系 139 三 电阻率 m 水分传感器原理 a b为物料特性常数 f 品种 密度 温度等 西瓜电阻率与含糖量的关系 P31 图1 35 140 141 四 磁特性 用磁化水灌溉 可以增强根系的吸水性 有利于叶茎的生长 磁化的主要表现 作用 作物增产 例如 在播前6 12天 将小麦种子在30 60mT 毫特斯拉 磁感应强度下进行处理数秒 能够提高净光合速率 142 减少耕翻作业的能耗 在犁铧处安装强磁性源 可以使阻力 11 3 阻力波动小 波动系数由6 95 到1 99 增强土粒凝聚性 土壤磁化率与有机质的关系 X 28 6 14 6Om 相关系数r 0 902 磁化率 磁化强度 磁感应强度 磁感应强度 磁性物质中单位体积的磁矩 143 电阻率 等 与含水量的关系 二 物料干燥利用介电损耗原理 采用高频 1 150MHz 或超高频 微波 915 2450MHz 加热更加优越 如 含水量17 的蘑菇经微波处理5分钟 水分便可降到5 一下 而在一般烘房内则需6 8小时 利用电特性 电导率 五 农业物料电特性在农业工程中的应用 一 含水率测定 144 微波加热的原理 利用材料对电磁波的吸收进行加热 主要有高频波 10kHz 300MHz 微波 300MHz 300000MHz 两种电磁波 水分 蛋白质 糖类 脂肪等都属于电解质 在电磁场中都会发生极化反应 尤其是水分 是极性分子 在自由状态下 分子呈杂乱排列 不显电性 而在交变电场中 这些极性分子会随着电磁场方向的变化而转动 当这种变化频率增加 水分子极化运动加快 因此产生摩擦热 家用微波频率2450MHz 也就是说水分子在1s内发生1800的转动24 5亿次 145 水分子在微波长中极化运动示意图 146 三 质量评定测 细胞组织材料的阻抗与电流频率 147 148 用于 四 种子处理 149 7农业土壤的工程性质 周礼 中指出 万物自生焉则曰土 以人所耕而树艺焉则曰壤 古书 说文解字 对土的定义 土者 地之吐生物者也 并进一步解释 二 象地之上 地之中 即土壤位于岩石上 地面以下的大地表层 是 物出之形 表示土壤能够生长植物 两者合起来就是 土 本节主要内容 土壤的形成 土壤的组成 土壤的性质 土壤盐碱化及其危害 150 一 自然土与农业土壤的形成 一 自然土的形成 岩石 母质 微生物 植物 五大自然成土因素 母质 气候 生物 地形 时间 自然土 5层 151 二 农业土壤的形成 二 土壤孔隙度 土壤水和空气 土壤为三相体 见下图 152 一 土壤孔隙度土壤孔隙 153 土壤要求 总孔隙度为30 60 非毛管孔隙 10 毛管孔隙 含非活性孔隙 非毛管孔隙 2 4 1 土壤孔隙比 154 二 土壤水 气态水 孔隙中的水汽 吸湿水 土壤颗粒表面由空气中吸取的水分子 约20个水分子厚 密度为1 2 2 4 冰点为 78 薄膜水 包容在吸湿水外面的水膜 最大含量为吸湿水的2 4倍 外层膜状水可以被作物利用 但移动缓慢 毛管水 重力水 155 156 三 土壤含水率和土壤状态见P34 表1 12 P35 图1 38 含水量 由小 大状态 固体 塑体 流体力学特性 小 大 小 三 土壤空气 相对湿度大 氧气少 CO2多 是空气中的5 120倍 土壤空气增多 微生物活动旺盛 尤其温度较高时 有利于有机质分解 157 四 土壤的强度与破坏 土壤强度 不引起屈服应变和破坏的最大应力 外力 拉 压 剪 穿透等 破坏 断裂 压缩 塑流等 土壤强度是变化的 不是定值 质地 含水量的不同 由于孔隙的存在 难以准确地衡量有效截面积 158 159 一 抗剪强度 S 据摩尔 库伦经验公式 S C tg 类似于物料摩擦力公式 F fP 160 式中 C 粘结力 正应力 内摩擦角 粘附力 二 承压强度 支承能力 式中 P 载荷压强 Z 下陷深度 n 与土壤性质有关的常数 K 考虑到K与承载面积有关 故分为两部分 161 其中 Kc 内聚变形模量 与面积有关 K 摩擦变形模量 与面积无关 b 矩形支承面的短边或圆形半径 土壤下塑限 开始表现可塑性时的含水量 犁地的含水量应在下塑限以下 土壤上塑限 失去可塑性 开始流动时的含水量 两者之间的含水量范围称为可塑性范围 两者之差称为塑性值 塑性值大的土壤 可塑性强 五 土壤结持度 在不同水分下 土粒在外力作用下的难移动度 162 土壤结持度与含水量有关 水分影响土粒的粘结力和粘附力 P37 图1 43 163 土壤的状态从干燥 泥浆 其结持性依次为 坚固 酥软 可塑 粘韧 浓浆