西北农林科技大学土壤学10土壤物理机械性质

第十章土壤物理机械性质soilmechanics,土壤物理机械性质关系到土壤耕性问题,Settlingoffoundationduetounstablesoilduetohighshrinkswellpotential土壤物理机械性能关系到建筑材料与建筑体的稳定性,土壤物理机械性的意义,第一节土壤物理机械性质,土壤物理机械性质：当土壤受到外力作用（如耕作）时发生的形变、显示出一系列动力学特性（dynamicproperty)叫做土壤物理机械性质。它是多项土壤动力学性质的统称，包括了一下性质：一.土壤粘结性（soilcohesion）（一）概念：指土壤颗粒之间被此粘结在一起的性质。又称为“土壤内聚力”。它使土壤具有抵抗外力（机械破坏和根系穿插时）而不被破坏的能力。粘结性强弱的表示指标为粘结力：单位面积的粘结力。其单位为N/cm2。颗粒的粘结力有范德华力、库仑力、水膜的表面张力等物理引力，以及氢键、各种化学胶结力。,（二）影响粘结力的因素：1.土壤颗粒的比表面积：比表面积越大，粘接力越强。（1）土壤质地：粘性土壤质土砂质土（2）粘土矿物的类型2：1矿物1:1型矿物（3）代换性阳离子组成：土壤上代换性Na+（盐渍土）越高，粘结力越强（白僵土、不毛毡）。（4）土壤颗粒的团聚化程度：结构性强的土壤粘结性差2.土壤水分含量在适度含水量时粘结力最大。水分的变化过程也会影响到粘结力（见图）“湿时一团糟，干时一把刀”；“宁可干耕勿湿耕”道理要理解。3.有机质缺乏的土壤，粘结性强。,第一节土壤物理机械性质,C表明由干土到湿土粘结力变化A(Clay）、B（sand）从湿到干变化中粘结力变化,各种土壤的粘结力及对铁片的粘着力(Schubler),第一节土壤物理机械性质,不同质地土壤、有机质含量不同土壤粘结性、粘着性差异,二.粘着性（adhesion)：(一）概念：土壤颗粒粘附外物（农机具）的性能。是土粒分子与外物之间通过水分子吸引力而产生的性质粘结性是农业机具表面进行镀金属处理的主要依据。粘着性用粘着力表示，单位面积粘着力（N/cm2)(二）影响土壤粘着性因素（同粘接性）就含水量而言,开始出现粘着性的含水量要比开始出现粘结性的含水量高。也就是说，在低含水量下，可能只有粘接性，而无粘着性，当含水量较高时，粘接性和粘着性同时出现。在土壤湿润时产生粘着性（土壤含水量达到全蓄水量的45%左右）；水分过多时（超过全蓄水量80%左右）粘着性下降。（1）粘着点：土壤开始出现粘着性是的含水量。（2）脱粘点：土壤因含水量增加而不再粘覆外物时的含水量。,第一节土壤物理机械性质,三.可塑性（plasticity）：(一）概念：土壤在适宜水分范围内在外力的作用下变形，当外力撤消后和干燥后仍能保持这种变形的特性，也称可塑性。传统的泥塑艺术工艺，就是利用粘土的这一特性形成的。原因：粘粒成薄片状，在有水存在的条件下，粘粒表面被包一层水膜，外力揉搓时，片状的粘粒重新排列且粘结固定，由于粘结力的存在，失水后能保持原状。粘结性关系到土壤耕作质量。,第一节土壤物理机械性质,土壤表现塑性的含水量范围是土粒间的水膜已厚到允许土粒滑动变形，但又没有丧失其粘结性的范围（二）影响可塑性的因素凡影响粘结性的因素都影响可塑性（1）下塑限（塑限）（lowerplasticlimit）：土壤呈现塑性的最小含水量（2）上塑限（upperplasticlimit):土壤因含,水量增多而丧失塑性，并开始成为流体时的含水量。也有人叫流限（liquidlimit）（3）塑性值（塑性指数）plasticindex:上塑限与下塑限的差值。在这一含水量范围内，土壤才会有塑性。它也是土壤可塑性强弱的指标。,第一节土壤物理机械性质,几种土壤质地的塑性值,土壤塑性值直接影响到土壤的适耕期长短,可塑性与土壤质地关系,各种质地土壤的塑性值（含水量）,第一节土壤物理机械性质,钙或钠饱和的粘粒矿物的塑限(含水量%),第一节土壤物理机械性质,土壤矿物类型和代换性阳离子与土壤可塑性关系,第一节土壤物理机械性质,土壤的结持性（soilconsistence）土壤抗拒外力而变形的能力。土壤结持性在土力学方面具有重要价值。土壤的结持常数：也叫阿德堡极限（Atterberglimits）最早由Atterberg（1911，1912）提出，土壤显示粘结性粘着性、可塑性的含水量范围（上、下限），对于每种土壤都是一定的值。因此，叫常数。结持常数包含有：下塑限、上塑限、塑性值、粘着点、脱粘点等，均以含水量表示，而且都是可以具体测定的。土壤结持性描述方法：有人按照干湿程度分：湿、潮、干。湿时粘、潮时坚、干时硬。又有人依据土壤湿度由干到湿依次分为1.坚固结持性2.酥软（或酥脆）结持性3.可塑结持性4.粘韧结持性5.浓浆结持性6.薄浆结持性,第一节土壤物理机械性质,第一节土壤物理机械性质,四.土壤胀缩性(龟裂）（soilswellingandshrinkage）土壤胀缩性主要发生在可塑性强的土壤上。它干时收缩、湿时膨胀。土壤胀缩性影响因子1.交换性阳离子类型：阳离子对膨胀的作用次序如下,2.土壤质地：轻壤质以上土壤3.矿物类型土壤胀缩用膨胀仪测定,Shrink/SwellPotential-,soilswithmorethan30%clayhaveahighShrinkSwellclaymoreS.S.Potential(ifclayis2:1)toavoidthisproblemsoilmustbecompactedandwatermustbekeptout.Withouttheabove-Shrink/swellwillcrackfoundationsandpavementsormovetelephonepoles.,一.土壤耕性指在耕作过程表现出的土壤物理性质以及耕作后土壤的表现。二.耕作时对土壤要求有（评价耕性的指标）1.耕作的难易程度：指土壤对机具的阻力大小。2.耕作质量：是指耕作后的土壤性状，对植物生长发育的影响。土壤疏松、细碎、平整、松紧适中有利于植物的生长，称为耕作质量好。3.适耕期长短适耕期：把耕作容易、耕作质量较高的土壤含水量变化范围较适耕期。掌握土壤的适耕期非常重要“紧三晌”：也叫“时晨土”。如粘土,适耕期非常短。早耕软、午耕硬，到了下午耕不动-掌握适耕期叫掌握“火候”砂质土壤：干好耕，湿好耕，不干不湿更好耕-适耕期长,第二节土壤耕性soiltillage,第二节土壤耕性soiltillage,第二节土壤耕性soiltillage,PurposesofTillage1.Seedbedpreparationa.Removecropresiduesfromthesurfaceb.Temporaryaerationofsoilc.Reducecrustingofproblemsoils2.Weedcontrola.Turnweedsunderb.Cultivationbetweenrowsc.Summerfallowing3.Improvetilth：Fluffsoil（疏松土壤）-reducebulkdensityofrootzone4.Cropresiduemanagementa.Speedsresiduedecompositionb.Destroysinsectanddiseaseorganismhabitat5.soilandwaterconservationSummerfallowing,第二节土壤耕性soiltillage,Conventionaltillage（传统耕作）Useofthemoldboardplowanddisk.Thesefarmimplementsinvertthesoilsurface,coveringweedsandcropresidues.应用带铧的犁具和圆盘式犁具进行，这里犁具把土壤翻倒把杂草和作物残茬翻入土壤。Advantages:-Tradition-Conventionaltillageisaforgivingsystem-Farmerstakeprideinclean,freshlyplowedfields（农民首选的)-Controlofweeds,residuesandsomepests.Disadvantages:-Increasedsoilerosion-Increasedcompaction-Destructionofsoilaggregates-Increasedenergyrequirementstopulltheplow,Tillageusesmoreenergythananyothercroppingprocedure.Tillagerequirestime,sinceliftingthesoilandmovingitcannotbedonerapidly.,ThePlowAplowisawedgethatisdraggedthroughthesoilbyadraftanimaloratractor.Itcutsawaythetoplayerofsoil.Theplowliftsandturnsoverthesoillayer.Inthisway,thesoilisbrokenupforplantingcrops.Theplowisoneofmankindsoldestmachines.Woodenplowshavebeeninuseforabout5000years.Metalplowsdatebacklessthan200years.,Tillage-old,DiskPlowing（圆盘犁地）,SimilartoChiselplowing（凿耕法）,someresidues（残茬）areturnedunderbythediskliftingandinvertingthesoil.,Tillage-Modern,第二节土壤耕性soiltillage,MinimumTillage（少耕）Thesoilistilledtodestroyweedsandtoloosenthesoilbutthecropresiduesareleftatthesurface.Sometimescalledstubblemulching.Advantages:-Lessenergyrequired-Reducedsoilerosionwithincreasedsurfacecover-ControlsweedsDisadvantages:_cropresiduesaccumulate-yieldsofsmallgrainsareoftenreduced,ChiselPlowing（凿耕）,第二节土壤耕性soiltillage,No-TillagesystemsThecropisplantedwithouttillageorwithjustsufficienttillagetoallowplacementandemergenceoftheseed.AdvantagesofNo-till-Reducedwindandwatererosiona.Lesssoilisdetached（减少土壤剥蚀）b.Plantresiduesactasamulchonthesurface.（植物残茬覆盖了表面）-Marginallandmaybecropped（边缘土地也可以被种植）a.Steeperslopespronetowatererosion（易遭水蚀的陡坡地）b.Sandysoilspronetowinderosion（易遭风蚀的砂质土）3.Reducedenergyrequirement4.Lesspreparationandplantingtimeisrequired5.Decreasedevaporationandincreasedinfiltration6.Lessinvestmentinmachinery（降低了机械投入）,第二节土壤耕性soiltillage,DisadvantagesofNo-Till1.Residuesprovidehabitatforinsects,rodents,anddiseaseorganisms.（残茬为病虫害提供了生境条件）2.GreatermanagementisrequiredNo-tillislessforgivingsystem3.Lowertemperatures4.Increasedcompactionofsomesoiltexture5.Reducedseedingemergence（出苗）6.Increaseduseofpesticides（农药）,第二节土壤耕性soiltillage,第二节土壤耕性soiltillage,Notill,Thisplantingsystempreparesaseedbed2incheswideorless,leavingmostofthesurfaceundisturbedandstillcoveredwithcropresidues.Theresultisawetter,colderenvironmentthatprotectstheseedandsoilwithitsinsulating（松软）effectofthesurfaceresidue.,NO-TillPlanting,ConservationTillage保护性耕作,energysavingtimesavingserosioncontrol,coldspringsoilsdiseaseandinsectproblemsloweryieldscompactionreliefOMincorporationweedcontrolharder,AdvantagesDisadvantages,ChiselPlowing（凿耕）,Thissystemdoesnotturnthesoilover,butratherleavesitroughwithclodsofsoil,withplentyofcropresidueremaining.（用凿型松土犁松土，不翻垄）Thesoildensityandamountofcoveringdependsonthedepth,size,shape,spacing,ofthechiselblades.Theresidueandrough,cloddysurfaceofthesoilreducesraindropsimpactandreducesrunoffvelocities,thusreducingerosion.,RidgeTillage（垄耕）,Theannualridgesareformedbyusingarollingdiskbedder,andplantingisdoneafteronlyminorspringseedbedpreparation.,Turf(草坪）TillageObjectivesImproveAerationIncreaseInfiltrationEaserootmovementProceduresCoring（刨心）Slicing（切片）,Coringandtop-dressinggolfgre