第五章 土壤孔性、结构性和耕性.ppt

第五章土壤孔性、结构性和耕性,土壤是多孔介质。土壤的多孔性为植物生长创造三个必要条件：1、根系穿插并支撑地上部分；2、水分和养分保持和运输；3、根际的气体交换。土壤颗粒和团聚体的排列情况，直接影响土壤中孔隙的大小、形状、连续性。进而影响土壤多孔隙性状以及由此产生的一系列物理性质。因此，了解土壤孔性、结构性和耕性，才为采取有效措施为植物生长创造良好的环境条件。土壤孔性、结构性和耕性是土壤非常重要的三个物理性状。,第一节土壤孔性,一、土壤的密度和容重,1、土壤密度和比重单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的质量（实用上多以重量代替，克/厘米3）称为土壤密度。土壤密度与4时水的密度的比值，称为土壤比重。无量纲。,土壤孔隙：指土壤固相土粒或土团之间的空隙。土壤孔性：土壤孔隙数量的多少、大小及其搭配比例情况。通常，土壤孔隙的容积是根据土壤的密度和容重计算出来的，因此，先介绍土壤的密度和容重。,土壤密度值的大小，主要决定于土壤的矿物组成和腐殖质含量。多数土壤的密度为2.62.7克/厘米3，在机械分析中计算各级土粒的沉降速率时，一般采用“常用密度值”：2.65克/厘米3。,表51土壤中常见组分的密度（gcm-3）,土壤容重（假比重）：单位容积原状土壤（包括孔隙）的重量（烘干重）。单位是(克/厘米3或吨/米3），土壤容重介于1.0-1.5克/厘米3之间,夯实的土壤容重则可高达1.8-2.0克/厘米3,2、土壤容重,影响土壤容重的因素：土壤质地：质地粘重的土壤，小孔隙发达，总孔隙量较大，容重较低；质地较轻的土壤，大孔隙发达，总孔隙量较小，容重较高。有机质含量和结构性：有机质含量高的土壤，结构性好，团粒发达，疏松多孔，容重较低。有机质含量低的土壤，结构性差，团粒较少，容重较高。,土壤容重的用处：,（2）计算耕层土壤及其各组分的数量,容重大，土壤紧实，结构不良，通透性差、根系下扎困难，会造成Eh值下降，出现有毒物质和不利养分释放。容重小，土壤疏松多孔，结构性好。但容重过小，大孔隙数量多，有机质会加速分解，植物扎根不牢，易倒伏。一般来说，旱田耕层容重在1.11.3gcm3之间能适应多种作物生长发育要求。砂质土壤适宜的容重数值可高些，而富含腐殖质的黑土则可适当低些。,（1）反映土壤的松紧度,案例：某土壤的耕层厚0.20m，容重为1.15tm3，有机质含量为1.5，含水量为8，试计算每亩（667m2）地耕层土壤的重量和有机质含量。灌水含水量达28时，每亩应灌多少立方米水？则：每亩耕层土壤重量=面积耕层厚度容重=6670.201.15=150吨（15万公斤）每亩有机质含量：15万（公斤）1.5%=2250（公斤）每亩应灌水量：15万（公斤）（288）=3万（公斤）30（立方米）,二、土壤孔性,(一）壤孔隙度和孔隙比,土壤孔性：孔隙度大小，孔径大小比例以及在各土层中的分布状况。,土壤孔隙度：土壤孔隙总体积占整个土壤体积的百分数。,1、土壤孔隙度及其计算,由于：土粒体积=土粒重量/密度，土壤体积=土粒重量/容重，故：,土壤孔隙度与容重呈负相关,土壤孔隙比：土壤中孔隙体积与土粒体积的比值。,2、土壤孔隙比,孔隙比=,土壤孔隙度大，则表明土壤比较疏松，能容纳水分和空气的容积就大。土壤孔隙度一般在4070之间变动。砂土孔隙度一般为3045，壤土为4050，粘土为4560。结构良好的土壤，孔度一般为5560，甚至达到70，而紧实的底土可低至2530，富含有机质的泥炭土的孔隙度可超过80。,（二）土壤孔隙的分级,孔隙度只是说明土壤孔隙的总数量，而不能说明土壤保水和通气的性质如何。正确地评价必须进一步了解孔隙的粗细以及它们的比例关系。传统上，按孔隙中水分被土壤吸持的力的大小将土壤孔隙划分为三类：,1、当量孔径的概念与一定的土壤水吸力相当的孔径，叫做当量孔径。它与孔隙的形状及其均匀性无关。d=0.3/Td为孔隙的当量孔径，单位为mm。T是土壤水所承受的吸力（“土壤水吸力”），单位为千帕(kPa)。,2、土壤孔隙的分级,（1）非活性孔隙（无效孔隙）土壤中最微细的孔隙，当量孔径在0.0002mm以下，根毛不能深入，土壤水吸力在1500Kpa（15bar）以上，其中的水分几乎为吸附水，移动慢，为无效水。非活性孔隙占总孔度的百分数称为非活性孔隙度。,（2）毛管孔隙当量孔径为0.020.0002mm，土壤水吸力为151500kPa（0.15-15bar)。具有毛管作用，水的毛管传导率大，易于被植物吸收利用。毛管孔隙占总孔度的百分数称为毛管孔隙度。,（3）通气孔隙（非毛管孔隙）当量孔径大于0.02mm，土壤水吸力15kPa(0.15bar)。不具有毛管作用，其中的水分可在重力作用下排出，而为空气通道。通气孔隙体积占土壤体积的百分数称为通气孔度。,土壤总孔度（%）=非活性孔度（%）+毛管孔度（%）+通气孔度（%）,土壤孔隙的层次性与植物生长有密切关系。犁底层土壤处于粘闭状态，非活性孔隙多，通气孔隙少，通透性不良，妨碍根系下扎。反之，剖面下部有砂层存在时，通气孔隙偏多，容易造成漏水漏肥。上层土壤质地稍轻，有适量通气孔隙，下层质地较粘，毛管孔隙占优势，有利于保水保肥，是比较理想的土体孔隙分布类型。,4、影响土壤孔性的因素,（1）质地：砂土孔隙度一般为3045，壤土为4050，粘土为4560。（2）结构：相同质地土壤，有了团粒结构后，土壤孔隙度显著增加。,最松排列的孔度为47.46%，最紧排列的孔度为24.51。,土粒由不团聚，经一级、二级到三级团聚，孔隙度增加的顺序是：26455970。,图5-3土壤的空气孔隙度和甜菜产量的关系,5、土壤孔性与作物生长,适于作物生长的耕层孔性指标：总孔度为5060，通气孔度810以上，毛管孔度/通气孔度：2:14:1。,小麦、玉米等根系穿透能力较强，可耐较紧实的土壤条件，而蔬菜和块根、块茎适于高孔度土壤。孔隙度过大也不利于作物生长，除水分易散失的原因外，可能是由于根土接触密度小，阻碍了水分和养分向根部传导，再有土壤过松对根系的固定效果不好。,似块状结构团粒结构似板状结构（也称片状结构）似柱状结构,图5-4主要结构体类型,第二节土壤结构的概念、类型和作用,一、土壤结构性的概念土壤结构性是指土壤中单粒和复粒（包括结构体）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。,二、土壤结构体的类型及特性,1、土壤结构体的类型,表52美国农田土壤调查局的土壤结构分类表（1951）,自然土壤中的结构体类型,从结构体内部和结构体间的孔隙情况考察：块状、片状、柱状、棱柱状、板状结构体内部致密，为非活性孔隙，根系很难穿扎，有效水分少，空气难于流通。而结构体间的裂隙多为大孔隙，成为漏水漏肥的通道。所以，这些结构体的孔性不良。团粒结构体的内部有大量小孔隙，可蓄水，团粒间的接触面积小，排列疏松，多为大孔隙，空气流通快，具有理想的孔性。,机械稳定性：结构体抵御机械破碎的能力。生物稳定性：结构体抵御生物分解的能力。水稳定性：结构体抵御水分散的能力。,2、土壤结构的评价,(1)土壤结构体与孔性,(2)结构体的稳定性,形成途径主要有两个：1、多级团聚途径：由单粒凝聚成复粒，由复粒相互粘结形成微团粒、团粒。2、在机械力的作用下，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。涉及到的形成机制：1、胶体的凝聚作用；2、水膜的粘结作用；3、胶结作用；4、干湿交替，冻融交替；5、耕作措施；6、生物作用。,三、土壤结构体的形成,（一）多级团聚途径1、胶体的凝聚作用正点胶体和负电胶体通过电荷引力凝聚沉淀。是土壤结构体形成的重要途径。土壤中的阳离子含量及价数是影响胶体凝聚的重要因素。,形成阶段与步骤,2、水膜的粘结作用湿润土壤中，水分子可在土壤颗粒表面定向排列形成水膜，把相邻的土壤颗粒粘结在一起。水分进一步增加时，可形成弯月面，在弯月面内侧形成负压，把颗粒粘结在一起。,3、胶结作用,土壤颗粒或团聚体间因胶结物质物理状态和化学组成的变化而相互团聚在一起。土壤中的胶结物质主要有两大类：（1）无机胶体粘粒：有较大的比表面和表面能，脱水时颗粒相互接触紧密，通过范德华力粘结在一起。也可通过：“粘粒定向排列的水分子阳离子定向排列的水分子粘粒”的形式联结起来。简单无机胶体：无定形铁、铝、硅氧化物，碳酸钙，在湿润时起粘结作用，把土粒粘结在一起，脱水后，形成不同形状的结构体。,（2）有机胶体主要有：腐殖质、木质素、蛋白质、菌丝体、多糖例如腐殖质可通过多价阳离子的桥梁作用与粘粒结合成有机无机复合体。丘林称之为胶散复合体，因为作为阳离子桥的阳离子的种类不同，其稳定性也有很大差异。丘林把在中性盐（NaCl）作用下分散开来的复合体称之为钠分散复合体用G1来表示，把钠分散复合体分离后加研磨处理得到的复合体称之为研磨分散复合体用G2来表示。并认为G1是Ca+结合的复合体，G2是Fe3+、Al3+结合的复合体。后来我国学者又把G1中的能在水中分散的复合体分为G0组。多糖类物质主要是通过氢键与矿质颗粒结合成复合体。,G1组复合体,G2组复合体,土粒,土粒,土粒,Ca2+,腐殖质,G1组复合体,土粒,土粒,土粒,Fe2+,腐殖质,Fe3+,Al3+,G2组复合体,砂粒,砂粒,粉粒,粉粒,粘粒,腐殖质,（二）机械破碎途径1、干湿交替，冻融交替干湿交替：土壤胶体具有湿胀干缩的性质。湿土变干时，脱水速率不同，不同位点的胶结力不同，土块会发生破裂，形成小的的结构体。干土变湿时，各部位的吸水速率不同，不同位点的膨胀度不同，土块会发生不均衡的挤压和破裂，形成小的结构体。影响因素：土壤质地、有机质含量、阳离子组成、土壤含水量；由干变湿的速率。,冻融交替：孔隙结冰，体积增大，产生挤压力，使土块崩裂。（生产实践）影响因素：土壤含水量；温度变化的快慢。2、耕作措施合理耕作并结合有机肥料的施用可促进团粒结构的形成。否则会破坏土壤结构。3、生物作用土壤动物的掘土作用；蚯蚓粪便的排泄，及分泌物的胶结作用等；植物根系的穿插挤压作用；,1、团粒结构占优势的土壤大小孔隙兼备，水气协调；2、团粒结构占优势的土壤保肥供肥协调团粒之间为大孔隙，微生物活性强，有利于团粒表面养分的分解与释放；内部多为小孔隙，水分存在，通气不良，有利于养分贮存，增加结构的稳定性。3、团粒结构占优势的土壤耕性好表现在适耕期长，耕作阻力小，耕后质量好。4、团粒结构占优势的土壤一般具有良好的耕层构造剖面在上虚下实。5、团粒结构一般具有一定的水稳性、机械稳性和生物稳定性。,四、团粒结构在土壤肥力上的意义,1.耕作制度2.增施有机肥、合理施用化肥3.注意灌水方法4.播种绿肥或牧草5.合理耕作6.人工结构改良剂的应用,五、土壤结构性的改善,第三节土壤结持性和耕性,土壤结持性：土壤结持性是影响耕性重要机械物理性质。是指在不同含水量（湿、润、干）条件下，土壤内聚力（粘结性），附着力（粘着性）和可塑性的综合表现。,一、土壤结持性,1、土壤粘结性,在土壤中，土粒通过各种引力作用而粘结起来，就是粘结性。土壤的粘结性主要是由两种力所促成：（1）颗粒间的分子引力，在干燥条件下它占主导作用。（2）土粒间水膜的引力，在湿润状态下占主要地位。土壤粘结性的强弱，可用单位面积上的粘结力（如gcm2或kgcm2）来表示。,(1)颗粒间的分子引力：土壤颗粒间的静电吸引力,土壤颗粒间的范德华力包括：极性力、诱导力、色散力,在一定的介质中，两个带电质点间的静电力（F）的大小。与它们之间的距离（r）的平方和介质的介电常数D成反比，而与正、负两个质点带电量ea、ec的乘积成正比：,（2）水膜的粘结力,在一定含水量下，半径为r的两个球形土壤颗粒的接触点，会形成一个具有两种曲率的双镜形环状水环，产生水膜引力。把两个颗粒紧紧牵引在一起。引力的大小，取决于土粒半径r的大小。,（1）土壤比表面及其影响因素土壤质地、粘粒矿物组成、阳离子种类等。,影响土壤粘结性的因素:,（2）土壤含水量,土壤含水量的多少，对粘结性的强弱影响很大，在适度含水量时土壤粘结性最强。,湿土变干：曲线A、B（砂土）干土变湿：曲线C(分散土粒）,表54土壤结构性对粘结力(g/cm2)的影响,2、土壤粘着性,土壤粘着性：土壤在湿润状态下，粘着外物的性能。粘着力的大小以gcm-2表示。,土粒水膜外物,粘性土只有在一定含水量条件下才会显现。当含水量很低时，水分子完全为土粒所吸收，此时主要产生土粒间的水膜拉力，即粘结力。当含水量继续增加时，超过土粒水化的要求，并在土粒表面与外物之间形成水膜层时，便产生了土壤的粘着性。,图5-10土壤粘着力、粘结力与含水量的关系,土壤开始呈现粘着性时的土壤含水量，称为该土的“粘着限”，土壤因含水量的增加，而失去粘着性时的土壤含水量，称为该土的“脱粘点”。,（三）土壤可塑性,土壤可塑性受含水量影响。水分过多，土壤变为流体，形状不能保持。水分过少，常会断裂，不能获得任意新形状。土壤的塑性和粘粒的片状结构有关。,土壤可塑性：土壤在一定含水量下，由于外力的作用，可任意改变其形状而不致断裂，并在外力作用消失后，仍能继续保持其所获得的新形状的性能。,土壤呈现可塑性的含水量范围，叫做塑性范围。当土壤开始表现可塑性时的最小含水量，称土壤的“下塑限”，也称塑性下限。使土壤失去可塑性而变成流体的最大含水量，称土壤的“上塑限”，也称塑性上限。上、下塑限之间的差值称“塑性值”或塑性指数。塑性值愈大，说明塑性愈强。反之，则塑性弱或无塑性。,土壤塑性值与土壤粘粒含量呈正相关。土壤质地越细，其塑性值越大。,表56各种质地土壤的塑性值(gkg-1),二、土壤耕性,土壤耕性：指在耕作过程中土壤各种土壤物理性质的综合反映及在耕作后的土壤外在表现。包括耕作阻力的大小，耕作质量的好坏，适耕期的长短。,1、土壤耕性与土壤结持状态,表58土壤结持性与土壤水分状况,下塑限,粘着限,上塑限,2、耕作时的土壤动力特性,（1）抗剪强度抗剪强度等于内摩擦力或粒间摩擦力加上粘结力。可用库仑公式表示：SPtg+C式中：S是抗剪强度，C是粘结力，P是垂直于剪切面的有效压力，是内摩擦角，tg是内摩擦系数。测定常采用盒形剪切法，当剪应力大于一定S值时，土样被剪断。,水平力,压缩是在施压力情况下，土壤体积的变化。压缩时，孔隙比与压力的关系为：孔隙比=AlogPC式中：A是压缩指数（孔隙比