土壤质地和结构

Organicmatter壤土粘土（1.01.5）2）土壤结构特征：团聚良好的土壤小于结构不良的土壤3）土壤松紧程度:根孔、虫孔较多容重较小;耕层小于底土。4）有机质含量：含量高的土壤容重小；反之，则大。5）各种自然因素6）人工管理措施,（1）是土壤松紧程度的重要判据之一,土壤松紧程度是土壤重要物理性质之一，它直接影响到土壤肥力状况，植物根系的发育。过松的土壤，使之根须难以扎稳、保水力弱、易跑风漏墒；过紧实的土壤，通气透水性差、易产生地面径流、微生物活性受到限制。依据作物类型适度调节很重要。一般来说，旱作土壤耕层的土壤容重在1.11.3g/cm3的范围内，能适应多种作物的生长发育的要求。,1.1.4容重的意义与作用,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,（2）计算土壤重量（AFSacrefurrowslice),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，计算耕层土壤各种养分储量。1hm2（104m2）0.2m土层计：土壤=100000.21.3=2600t有机质储量=26000.015=39.0t全氮储量=26000.00075=1.95t,（3）计算土壤各组分的数量,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3t/m31hm2的1m土层储水量=10000m21m1.3t/m325%=3250t（m3/hm2）=325mm,（5）计算土壤孔隙度,（4）计算土壤储水量和灌溉定额,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,1.1.5土壤容重的测量技术（测定必须用原状土样）(1)环刀法:进行田间原状土壤测定。由Coile于1936年首先提出。,环刀(cuttingring)法测定土壤容重,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,Themethodofdeterminingbulkdensityisbyusingsoilcores.Theseareobtainedwithaprobethatforcesacylinderintothesoil.Thesoilcanberemovedfromthiscylinderandcutintosectionsandplacedinanothercylinderfortransportationbacktothelaboratory.Careneedstobetakentoavoidcompactingthesoilduringandafterobtainingthecore.,(2)蜡封法(结构体容重测定和易破裂和形状不规则的坚硬土壤)(3)土木工程上采用灌水法和灌砂法等,适于测定砂质土壤。(4)湿容重用中子仪和射线仪测定（Beer定律）,符合荷兰试行标准的土心切取工具,取土工具,容重和密度比较,1）三相组成指标：土壤的固相(solidphase)、液相(liquidphase)和气相(gas/gaseousphase)的容积分别占土壤容积的百分率称为固相率、液相率和气相率，三者之比叫土壤三相比。固相率（固相容积/土体容积）100液相率（容积含水率）（液相容积/土体容积）100气相率（气相容积/土体容积）100,1.2土壤的三相和孔隙,1.2.1三相组成和孔隙度(porosity),第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,1.2.2土壤孔隙度(soilporosity，f)：土壤孔隙容积占土壤总容积的百分数。,注意！孔度是土壤孔隙的一个总量概念，它并没有反映孔隙质量（孔径大小）；砂质土壤孔径很大，但孔隙总体积占的比例少，粘质土壤孔径虽小，但孔隙总量占的体积较大。所以，不能用孔度大小来描述土壤的通气、透水性强弱。,孔度既可以表示成百分数，也可以表示成纯小数。,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,孔隙度1固相率液相率气相率,1.2.3孔隙比(voidratio,e)：孔隙容积与固相容积之比,定义式：,计算式：,因为密度一般是容重的2倍，所以，e取值在1左右。孔隙比主要应用在土力学和土木工程方面。,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,e值是多少？为什么？,先测定土壤的固相率、液相率，再用差减法计算其气相率。1）固相率:由实测的土壤密度和土壤容重计算之：固相率（容重/密度）1002）液相率（容积含水率）液相率土壤含水量（质量）土壤容重土壤含水量（容积）土壤含水量（质量）/干土质量,1.2.4三相组成和孔度的测定及计算,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,3）气相率气相率孔隙度容积含水率1-固相率-液相率孔隙度1-固相率1容重/密度4）实容积率：土壤的固、液两相的容积合称为实容积。用实容积仪可测定土壤实容积和容积含水率。固相率实容积率容积含水率气相率1实容积率土壤三相比固相率：容积含水率（液相率）：气相率,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,适宜的土壤三相比为：固相率50%左右容积含水率25-30%气相率15-25%旱作土壤耕层的土壤总孔隙度为50%-56%，通气孔度不低于10%，大小孔隙之比在1:2-1:4，较为合适。,第一节土壤三相组成Soilthree-phasecomposition,作业：,一个湿重为1000g，容积为640cm3的土壤样品烘干后，其干重为800g。设矿质土壤的土粒密度的代表值为2.65g/cm3，计算容重，孔隙度f，孔隙比e，质量湿度W，容积湿度？,SoilTexture,第二节土壤质地,2.1矿质土粒mineral(soil)particle,岩石矿物,风化作用,母质,成土作用,土粒,物理风化化学风化生物风化,原生矿物次生矿物,由于风化的强弱不同，成土条件不同，形成的土壤颗粒大小是否相同？,1)矿质土粒的来源,第二节土壤质地Soiltexture,NO,2)土粒概念soilparticle,依据存在的状态：单粒primeparticle复粒compoundgrain,土粒：土壤中各种粒径的固相颗粒,依据土粒的成分：矿物质土粒/mineralparticle有机质土粒/organicparticle,土壤固体物质大小和形态各异，一般都视为球体，称为矿物质土粒或矿质土粒，简称土粒。通常所指土粒，专指矿质土粒。,第二节土壤质地Soiltexture,3）土壤粒级classification,(1)概念：土壤颗粒的大小分级(2)划分依据：粒级划分的表观依据（或依赖的指标）：依据单个颗粒的粒径大小进行。,第二节土壤质地Soiltexture,土壤颗粒绝非标准球形，是各种不规则形状的，那么，粒径的含义就并非它们的真实直径或半径。-当量直径当量直径（有效直径,equivalentdiameter）:与同质的标准球形颗粒沉降速度相同的土粒直径或半径（建立在颗粒分析方法上）。,(3)分类制土壤颗粒大小是连续分布的，要确定土壤颗粒的分级，需要研究土壤颗粒大小和形状间关系，找到由量变到质变分界点、突变点，就可以作为划分类别的依据。受人为因素的影响，当前土壤粒级分类制有：国际制、美国制、苏联制(卡庆斯基分类制)、中国制,第二节土壤质地Soiltexture,土壤粒级分类系统,第二节土壤质地Soiltexture,由苏联土壤学家卡庆斯基（）依据土粒的矿物组成和化学组成及其某些理化性状，如阳离子交换量、最大吸湿量、持水量、膨胀和收缩性的变化规律，于1957年将11级分类制归并为两个大组。被我国和东欧诸国普遍采用。,第二节土壤质地Soiltexture,注意：采用不同的分类制，颗粒分析时样品处理要求通过不同级别的筛孔。以上粒级划分都是以当量直径为依据.,注意：物理性砂粒和砂粒的区别；物理性粘粒和粘粒的区别,砂,泥,上限为1mm,第二节土壤质地Soiltexture,4)土粒的基本性状,(1)粒级不同矿物组成不同,第二节土壤质地Soiltexture,(2)表面特性不同：表面能,第二节土壤质地Soiltexture,(3)物理性状不同,表45各级土粒的水分性质和物理性质,第二节土壤质地Soiltexture,(4)化学组成不同,颗粒愈小，氧化物多，营养程度高；颗粒愈粗，SiO2多，土壤愈贫瘠。,表44土壤各粒级的化学组成,第二节土壤质地Soiltexture,(5)生物性状不同,不同粒级颗粒上微生物类型和数量、酶等的差异是当今研究的热点。,大颗粒是土壤的骨骼，细小的粘粒是肌肉，要特别重视小颗粒尤其是胶体颗粒（纳米土壤或土壤中纳米材料研究）,第二节土壤质地Soiltexture,第二节土壤质地Soiltexture,2.2土壤机械组成和质地soilmechanicalcompositionandsoiltexture,第二节土壤质地Soiltexture,2.2.1土壤机械组成soilmechanicalcomposition,概念：不同粒级颗粒的组成比例（百分比）。注意:这里仅仅是一个定量化的概念，实质就是三种粒级颗粒的重量百分比。简单地从粒径大小把土壤颗粒分为砂粒、粉砂粒，粘粒3级，再分别称重，获得百分含量比，没有依赖任何其它性状，故叫机械组成。,土壤机械组成数据的用途主要有三个方面：土壤比表面估算、确定土壤质地和土壤结构性评价。由这三者，又可衍生出许多其它用途。,第二节土壤质地Soiltexture,soiltextureclassification,Soiltextureassessmentisusuallycarriedoutbymanualworkingofasoilsample.Theresultsallowtheclassificationofthesoilintotexturegroupsegsands,sandyloams,loams,clayloams,lightclaysandmedium-heavyclays.,Sand:coarse-texturedLoam:Aloamsoilcontainsconsiderableamountsofsand,siltandclay.Itisthepreferredtextureforhorticulturebecauseofitseaseofworkability.Clay:fine-textured,Threebasicsoiltexture,第二节土壤质地Soiltexture,1)特点:质地既有定量概念(以机械组成为依据划分的)，也有定性的内容(如人的感觉和它的生产性状)质地主要表达的是土壤中占优势粒级的颗粒，但任何质地类型土壤绝非由一种粒级的颗粒组成。,2.2.2质地texture：根据机械组成划分的土壤类型。,第二节土壤质地Soiltexture,质地属于土壤的静态物理性质（因为相对变化较小，但绝不是永远不变的）质地是以土壤机械组成为指标体系，以基本理化性状为科学依据进行分类的。相同的质地类型却有粒级变化，是在规定的范围内变化的，因而也有人为因素参与，目前有许多分类制。,2.2.2质地texture,第二节土壤质地Soiltexture,分类制？,(1)国际分类制,第二节土壤质地Soiltexture,1.Sandandloamysand2sand3loam4Siltyloam5Sandyclayloam6Clayloam7SiltyClayloam8Sandyclay9Loamyclay10Siltyclay11clay12.heavyclay,2)质地分类制,(2)美国分类制,第二节土壤质地Soiltexture,第二节土壤质地Soiltexture,第二节土壤质地Soiltexture,Sand+Silt+Clay=100%,Texture=Clay,20%Sand,30%Silt,50%Clay,50%Sand20%Silt30%Clay,Texture=sandyclayloam,第二节土壤质地Soiltexture,(3)卡庆斯基二级分类制,第二节土壤质地Soiltexture,目前普遍采用的是卡庆斯基制和国际制。注意：在研究工作中选择分类体系是极其重要的第一步。关系到样品的准备。,第二节土壤质地Soiltexture,(4)中国质地分类制,中国土壤质地分类（邓时琴，1985、1996）,第二节土壤质地Soiltexture,中国土壤质地分布规律,第二节土壤质地Soiltexture,中国科学院南京土壤研究所编制，1：1400万,2.2.3不同质地土壤的肥力特点及利用改良,1)不同土壤质地类型的肥力特点,第二节土壤质地Soiltexture,(1)土壤剖面质地层次性产生的原因A.自然因子：河流沉积，季节性水流产生，紧出砂慢出泥，不紧不慢出两合；风成；土壤形成过程产生残积粘化和淀积粘化。剖面质地层次性反映了土壤形成特征和气候变迁问题。B.人为因素:客土法、平整土地、引洪淤灌等,2)土壤质地层次性,第二节土壤质地Soiltexture,(2)土壤剖面质地层次性基本类型,蒙金土上层为砂壤-轻壤，而下层为中壤到重壤较理想-蒙金土的剖面构型（或叫上轻下重型）,第二节土壤质地Soiltexture,(1)掺砂掺粘，客土法改良（客土加入本土）(2)翻淤压砂或翻砂压淤(3)引洪漫淤或引洪漫砂（一年洪水三年肥）-宁夏的灌淤土(4)增施有机肥料改良质地性(5)因土种植(6)生物改良:营造农田防护林网，种植绿肥作物等防风固沙,3)土壤质地改良,第二节土壤质地Soiltexture,“黄泥巴（粘土）见了砂，好像孩子见了妈”“红胶泥河面砂，糊里糊涂大石八”。-因地制宜。事例：河套平原用红泥就地固沙丘，用风砂土改良红泥土,根据作物土宜特性安排种植能收到增产效果。一般认为：薯类、花生、西瓜、棉花、豆类、杏等较适宜于砂壤土；小麦、玉米、水稻、高粱等较适宜于粘质土壤。,1)概念:测定土壤颗粒粒级组成的方法叫颗粒分析，也叫机械分析2)技术路线,土壤机械分析主要依赖于两个方面:样品分散情况和准确分级定量,2.2.4土壤颗粒分析,第二节土壤质地Soiltexture,3)土壤沉降分析,(1)沉降分析基本原理,Stockslaw，1845,这里d就是当量直径(equivalentdiameter),第二节土壤质地Soiltexture,（2）温度对颗粒沉降影响,不同温度下水的密度和粘滞系数,颗粒在200C中沉降速度比在100C中大30%，在300C时沉降速度比在250C时快12%.恒温也有助于防止器壁与悬液内部因温度差所产生的液体对流现象发生.,第二节土壤质地Soiltexture,（3）颗粒分析过程土样分散处理A.物理分散B.物理-化学分散国际法A(标准法)卡氏法C.化学分散沉降分级定量：吸管法、比重计法,第二节土壤质地Soiltexture,注意:自动吸管依靠两个串联瓶的落差产生负压进行,以保证吸取速度均匀平稳,吸管法,第二节土壤质地Soiltexture,比重计法,第二节土壤质地Soiltexture,乙种比重计,甲种比重计,第二节土壤质地Soiltexture,第三节土壤结构,土壤结构和土壤侵蚀及生态环境关系,土壤结构和沙漠化及生态环境关系,土壤与耕作和作物生产关系,3.1土壤结构概念,土壤结构：土粒（单粒primeparticle和复粒compoundgrain）的排列、组合形式。这个定义包含着两重含义：结构体(ped)和结构性(pedality/structurality)。,第三节土壤结构Soilstructure,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。土壤的结构性影响着土壤中水、肥、气、热状况，从而在很大程度上也反映了土壤肥力水平。,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。,土壤结构,土壤结构体,土壤结构性,大小,形状,不良性状结构体,理性结构体,块状结构,片状结构，鳞片状结构,柱状结构，棱柱状结构,核状结构,团粒结构,微团聚体,孔性,稳定性,肥力特性,水力学稳定性,机械学稳定性,生物学稳定性,协调水、肥、气、热的能力和改善耕性能力,孔隙度和孔隙级别,第三节土壤结构Soilstructure,3.2结构体(ped/structure)类型及特性,第三节土壤结构Soilstructure,土壤结构类型示意图,Image:CourtesyofNASA,SoilScienceEducationHomePage/globe/pvg/prop1.htm,accessed.,第三节土壤结构Soilstructure,CourtesyoftheSoilScienceSocietyofAmerica,SingleGrained:Soilisbrokenintoindividualparticlesthatdonotsticktogether.Alwaysaccompaniesalooseconsistence.Commonlyfoundinsandysoils.,3.2.1块状结构体blocky,1.基本特征：（1）近似于立方体形，其长、宽、高三轴大体近似等长；（2）结构体棱角不明显，呈不规则浑圆形；（3）内部较为紧实，北方群众称作“土坷垃”，关中农民称作“胡基”。2.类别：按照其大小进行分类直径35cm叫大块状，高，呈薄片状，四周向上弯曲，类似鱼鳞，叫鳞片状结构。2.基本类型按照厚度分为板状（5cm）、片状、页状、叶状（Ca2+Mg2+H+NH4+K+Na+在生产上常采用钙促进土壤结构的改善与形成。如碱土使用CaCO3，酸性土使用CaSO4。2）增加电解质浓度：电解质浓度与双电层厚度关系为生产上采用的烤田、晒垡及冻垡，都是依靠提高局部电解质浓度，促进土壤胶体凝聚和团粒结构的形成。,第三节土壤结构Soilstructure,（2）水膜的粘结作用：土壤颗粒带电，水是极性分子和依靠水膜的作用凝聚颗粒。另外，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。但是，水膜粘结作用形成的土团是没有水稳性的，水分增多，会造成土粒分散。,第三节土壤结构Soilstructure,（3）胶结作用依靠有机胶体、无机胶体以及菌丝、根毛等的胶结作用。胶结剂类型有:A.简单的无机胶体Fe2O3nH2O、Al2O3nH2O、SiO2nH2O、MnO2nH2O的水合物。常以胶膜态形式包被在土粒的表面。形成土壤结构水稳性非常强。-南方土壤主要胶结方式。CaCO3和CaSiO3等无机化合物，是北方石灰性土壤主要胶结剂。B.粘粒粘粒具有巨大的表面积，粘结力很强，同时可通过带正电和带负电边面的静电引力使其团聚。,第三节土壤结构Soilstructure,C.有机胶体:腐殖质、多糖类、蛋白质和木质素等。腐殖质：不但直接能起胶结作用把粘团或微团粒联结到一起，而且更重要的是它可以通过多价离子与矿物质土粒形成有机无机复合体，丘林（1950）提出的模式有：a.I组团聚体（胡敏酸钙团粒G1组）：以钙离子为键桥b.II组团聚体（胡敏酸铁团粒G2组）：通过粘粒表面上铁铝为键桥连接多糖类：是一种线状的、绕曲的高分子聚合物。在链上有许多-OH基，与粘土颗粒之间通过氢键胶结而把土粒团聚起来。其它有机质：土壤中木质素、蛋白质均有不同程度链接作用；微生物的分泌物、代谢物、植物根系分泌物以及蚯蚓肠道粘液等都是有机胶结剂。,第三节土壤结构Soilstructure,a.I组团聚体（胡敏酸钙团粒G1组）以钙离子为键桥,这种胶结不牢固，可以被中性盐NaCl拆开，但属于水稳性的团聚体。,第三节土壤结构Soilstructure,砂粒,砂粒,粉粒,粉粒,粘粒,腐殖质,第三节土壤结构Soilstructure,土粒,土粒,土粒,Ca2+,腐殖质,第三节土壤结构Soilstructure,b.II组团聚体(胡敏酸铁团粒G2)：通过粘粒表面上铁铝为键桥连接,连接比较牢固，不能用NaCl拆开，只有用稀碱溶液处理或通过研磨，才能分散，同样也属于水稳性团聚体。,第三节土壤结构Soilstructure,土粒,土粒,土粒,Fe2+,腐殖质,Fe3+,Al3+,第三节土壤结构Soilstructure,2、切割造型过程（1）生物的作用：植物根系：密集根系具有穿插、切割、挤压作用，促进大块状结构的分离和团聚。草本根系大于木本植物的根系；根系的分泌物成为胶结剂；根系的残体是形成腐殖质等原材料。动物：蚯蚓、昆虫、蚂蚁、鼠类等土壤动物也有助于土壤结构的形成。微生物的作用：土壤中好气微生物活性强时，有机物质不易累积，不利于土壤结构形成（荒漠化）。威廉姆士认为，土壤好气与嫌气交替进行有利于土壤结构形成。,第三节土壤结构Soilstructure,（2）冻融交替作用（冻垡）利用水分物理形态的变化所引起的体积变化进行的（水结冰，体积增加9%）。-冬灌很重要（3）干湿交替作用（晒垡）利用水分数量变化所引起的膨胀与收缩作用改善土壤结构（孔隙内部封闭空气的爆破作用）。晒垡还有一个作用，即使胶体由溶胶转化为凝胶，保证了结构的形成。（4）耕作的作用适当耕作有利于团聚体形成，主要是切割作用。如：耕耙把大土块破碎成块状或粒状；中耕松土可把板结的土壤变成细碎疏松。,第三节土壤结构Soilstructure,3.3.3团粒结构在土壤肥力上的意义良好团粒结构体具备的基本条件：1.具有一定结构体形状、大小：旱地一般以直径为0.2510mm为宜，边面不明显，圆形较好，其中13mm大小为佳；水田微团聚体（0.250.001mm）的数量愈多愈好。2.要有多级孔隙：同时担负供水和通气的功能3.要有一定稳定性：水力学稳定性、机械稳定性、生物学稳定性。,第三节土壤结构Soilstructure,根据以上原则，团粒结构对肥力作用与贡献为：（1）改善了土壤孔性（多级）（2）协调着土壤水分与空气矛盾:水分包括透水和保水。（3）协调了土壤保肥与供肥的矛盾（4）稳定了土壤温度，调节了热状况（5）改善了土壤耕性，有利于幼苗出土和根系下扎。（6）其它方面抑制了毛管水的上升，达到了保水和抑制土壤盐渍化保护土壤免遭水蚀和风蚀。直径0.3mm时，水在其中可以自由移动，适于多种植物根系发育。当孔径0.060.03mm，水在其中受到重力作用而排出。0.01mm时，根毛能伸入的孔隙，也是较大微生物活动场所。0.001mm时,是较小微生物的活动场所。水分的毛管移动较强。0.0010.002mm或0.003mm时，孔隙保水力强，移动性差，属于无效孔隙。,第四节土壤孔性和土体构造,2)W.Shumacher（德国，1840）提出了毛管空隙和非毛管孔隙的概念：毛管孔隙(capillarypore)：孔径细小，常被水分占据着非毛管孔隙(non-capillarypore)：孔径粗大，常充有空气，也叫通气孔隙,第四节土壤孔性和土体构造,3)三级分法非活性孔隙(inactivepore)：孔径小于0.002毫米（有人主张小于0.0002毫米，土壤水吸力为15巴以上），几乎是束缚水占据的孔道，对作物无益。微生物和根毛都伸不进去，故叫无效孔隙。粘质结构土壤居多。毛管孔隙：土壤孔径0.02mm，水吸力小于150mb，水分受重力作用明显，灌溉时是水分是入渗通道，日常是气体交换通道。,第四节土壤孔性和土体构造,(4)各种孔度的计算,第四节土壤孔性和土体构造,1)质地:孔度与质地关系为砂土（3045%）壤土（4050%）粘土（4560%）颗粒形状绝非球形的，砂土中，砂粒之间没有团聚，而且,少量的粘粒填充了砂粒间的孔隙，使得砂土孔度变小；粘土总孔度大，但孔隙比较单一和细小，无效孔居多；壤土孔隙居中。,4.1.3影响土壤孔隙状况的因素,第四节土壤孔性和土体构造,土壤质地与孔隙状况的关系（华北平原）,正立方体是排列是最松散的f=72.49,三斜立方体排列是最紧密的f=43.00,2)土壤颗粒的排列方式,条件：刚性的光滑等直径球体土壤颗粒的实际排列远比此复杂,大小颗粒相互填充使土壤孔隙度达到了最低值,工程上先破坏土壤结构体，在将砂砾、粉砂粒、粘粒按照一定比例搭配才能形成较高容重的土层,第四节土壤孔性和土体构造,3)土壤结构：团聚化作用越强，孔隙愈大，主要增加了结构孔隙。当然结构体类型不同，孔度也有很大差异。结构良好的壤土和粘土的孔度高达55-65%，甚至在70以上。团粒结构土壤的孔度比非团聚化土壤增加1/3至1/2左右有结构土壤孔隙意义还在于形成了多级的土壤孔度,第四节土壤孔性和土体构造,土壤孔隙和团聚体间关系,第四节土壤孔性和土体构造,4)土壤有机质：有机质疏松多孔，并对形成团粒结构有良好作用，因此有机质含量高的土壤大孔隙较多，孔隙度较高。,土壤有机质含量与容重,第四节土壤孔性和土体构造,5)耕作措施和土层深度：土壤孔度随土层