土壤质地结构课件

1、四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学土壤土壤 学学第第 四四 章章 土土 壤壤 质质 地地 和和 结结 构构 S o i l s c i e n c e四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学第一节第一节 土壤三相土壤三相(three phases of soil )组成组成 土壤固、液、气土壤固、液、气三相容积比，反映三相容积比，反映土壤水、气关系。土壤水、气关系。 waterorganic mattermineralatmosphere三相比示意图四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学一、土壤的密度和容重一、土壤的密度和容重

2、 （一）土壤密度（一）土壤密度(soil density)1、概念概念单位容积固体土粒单位容积固体土粒( (不包括粒间孔隙不包括粒间孔隙) )的质量。的质量。( (g/cm3) ) 矿物组成矿物组成有机质含量有机质含量土壤质地土壤质地2、影响土壤密度的因素、影响土壤密度的因素四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学组分密度(g/cm3)组分密度(g/cm3)石英2.602.68赤铁矿4.905.30正长石2.542.57磁铁矿5.035.18斜长石2.622.76三水铝石2.302.40白云母2.772.88高岭石2.612.68黑云母2.703.10蒙脱石2.532.74

3、角闪石2.853.57伊利石2.602.90辉石3.153.90腐殖质1.401.80纤铁矿3.604.10表51土壤中常见组分的密度四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学表表52某森林土壤表层各级土粒密度某森林土壤表层各级土粒密度粒径(mm)全土样0.100.050.050.010.010.0050.0050.0010.001腐殖质(g/kg)29.504.314.853.764.2密度(g/cm3)2.622.662.662.622.592.59四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学（二）土壤容重（二）土壤容重(bulk density of s

4、oil)1 1、概念、概念3 3、土壤比重、土壤比重 (soil specific gravity)土壤密度与土壤密度与44时纯水密度之比。一般取时纯水密度之比。一般取2.652.65。单位体积自然状态土壤体单位体积自然状态土壤体( (含粒间孔隙含粒间孔隙) )的重。的重。( (g/cm3) )四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学(2)(2)计算工程土方量计算工程土方量2 2、土壤容重、土壤容重(soil bulk density)作用作用(1)(1) 计算土壤孔隙度计算土壤孔隙度(soil porosity) 孔隙度（孔隙度（1 1容重容重/ /比重）比重）100%1

5、00%土壤重量土壤重量=土壤体积土壤体积土壤容重土壤容重四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学 设耕层厚度设耕层厚度0.2m0.2m，容重，容重1.3t/m31.3t/m3，有机质含量，有机质含量 15g/kg=0.015t/t15g/kg=0.015t/t，全氮量，全氮量0.75g/kg=0.00075t/t0.75g/kg=0.00075t/t。 1hm1hm2 2(104m(104m2 2)0.2m)0.2m土层计：土层计：(3)(3)估算各种土壤成分储量估算各种土壤成分储量土壤土壤=100000.21.3=2600t有机质储量有机质储量=26000.015=39.

6、0t全氮储量全氮储量=26000.00075=1.95t四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学1hm1hm2 2的的1m1m土层储水量土层储水量 = =10000m10000m2 21m1m1.3 t/m1.3 t/m3 325%25%=3250m=3250m3 3/hm/hm2 2= 325mm= 325mm 设土层厚度设土层厚度1m1m，土壤含水量，土壤含水量25%25%，容重为，容重为1.3 t/m1.3 t/m3 3。(4)(4)计算土壤储水量及灌水（或排水）定额计算土壤储水量及灌水（或排水）定额公式四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学3

7、3、浸水容重、浸水容重(water immersed soil density)沉淀容积土壤质量浸水容重反映土壤在浸水条件下的结构状态和紧实度。反映土壤在浸水条件下的结构状态和紧实度。4 4、影响容重的因素影响容重的因素 (主要通过影响孔隙影响容重主要通过影响孔隙影响容重)质地质地(texture)结构结构(structure)有机质含量有机质含量(organic matter content)紧实度紧实度(degree of compaction)四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学二、土壤三相二、土壤三相(three phases of soil )和孔度和孔度1

8、1、土壤孔度、土壤孔度(soil porosity)土壤全部孔隙容积土壤全部孔隙容积(pore volume)占土体容积的百分率。占土体容积的百分率。总孔度总孔度(total porosity) (1容重容重/比重比重) 100%固相固相(solid phase)(容重容重/比重比重) 100%液相液相(liquid phase)(水分重量百分率水分重量百分率容重容重) 100%气相气相(gas phase)(总孔度液相总孔度液相) 100%2 2、土壤三相组成及孔度计算、土壤三相组成及孔度计算四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学多数旱地作物多数旱地作物(upland

9、field crop)适宜的适宜的土壤固、液、气三相比为：土壤固、液、气三相比为：3、土壤三相组成的适宜范围、土壤三相组成的适宜范围(comfort zone) 0.5 0.250.3 0.150.25土壤三相比固相土壤三相比固相: :液相液相: :气相气相四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学第二节土壤质地第二节土壤质地(soil texture)一、土粒一、土粒(soil particle)和粒级和粒级(soil particle)1 1、土粒、土粒(soil particle)土壤颗粒土壤颗粒土粒，通常专指矿物颗粒。土粒，通常专指矿物颗粒。大小以粒径为标准，土粒形状

10、大多不是球大小以粒径为标准，土粒形状大多不是球形，只能用当量粒径（即与其静水沉降形，只能用当量粒径（即与其静水沉降(quiescent settling)速度相同的圆球直径）速度相同的圆球直径）代替之。代替之。四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学2 2、土粒的大小划分土粒的大小划分粒级粒级(size fraction)分级标准分级标准国际制国际制(international system)美国制美国制(U.S system)卡庆斯基制卡庆斯基制(Kachinsky classification system of soil texture)中国制中国制(China sy

11、stem)四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学表表53常见土壤粒级常见土壤粒级(soil fractions)制制粒粒 径径(mm)中国制中国制(1987)卡庆斯基制卡庆斯基制(1957)美国制美国制(1951)国际制国际制(1930)32石砾石砾石砾石砾石砾石砾石砾石砾21极粗砂粒极粗砂粒粗砂粒粗砂粒10.5粗砂粒粗砂粒物物理理性性砂砂粒粒粗砂粒粗砂粒粘砂粒粘砂粒0.50.25中砂粒中砂粒中砂粒中砂粒0.250.2细砂粒细砂粒细砂粒细砂粒细砂粒细砂粒0.20.1细砂粒细砂粒0.10.05极细砂粒极细砂粒0.050.02粗粉粒粗粉粒粗粉粒粗粉粒粉粒粉粒0.020.01粉

12、粒粉粒0.010.005中粉粒中粉粒物物理理性性粘粘粒粒中粉粒中粉粒0.0050.002细粉粒细粉粒细粉粒细粉粒0.0020.001粗粘粒粗粘粒粘粒粘粒粘粒粘粒0.0010.0005细粘粒细粘粒粘粘粒粒粗粘粒粗粘粒0.00050.0001细粘粒细粘粒0.0001胶质粘粒胶质粘粒四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学粘土粘土(clay)类类（1 1）国际制国际制(international system) 根据粘粒根据粘粒(clay)含量将质地分为三类：含量将质地分为三类： 25%四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学凡砂粒含量大于凡砂粒含量大于55%

13、55%的，在质地的，在质地名称前冠名称前冠“砂质砂质(sandy)”根据粉砂粒根据粉砂粒(silt)含量含量:凡粉砂粒含量大于凡粉砂粒含量大于45%45%的，在质地名的，在质地名称前冠称前冠“粉砂质粉砂质(silty clay)”根据砂粒根据砂粒(sand)含量含量:四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学(2)美国制美国制(Soil Taxonomy ) 等边三角形的三个边分别表示砂粒、等边三角形的三个边分别表示砂粒、 粉粒、粉粒、粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量，在图中查出其点位再分别对应其底的含量，在图中查出其点位再分

14、别对应其底边作平行线，边作平行线， 三条平行线的定点即为该土三条平行线的定点即为该土壤的质地。壤的质地。四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学(3)(3)卡庆斯基制卡庆斯基制(Kachinsky classification system of soil texture)质地组质地组质地名称质地名称不同土壤类型的不同土壤类型的0.01mm粒级含量粒级含量灰化土灰化土红黄壤、草原土红黄壤、草原土碱化土、碱土碱化土、碱土砂土砂土sand松砂土松砂土050505紧砂土紧砂土5105 10510壤土壤土loam砂壤土砂壤

15、土 sandy loam102010201015轻壤土轻壤土 light loam203020301520中壤土中壤土 medium loam304030452030重壤土重壤土 heavy loam405045603040粘土粘土clay轻粘土轻粘土 light clay506560754050中粘土中粘土 medium clay658075855065重粘土重粘土 heavy clay808565表表5-4卡庆斯基土壤质地基本分类卡庆斯基土壤质地基本分类四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学按表按表5 54 4，卡庆斯基质地分类步骤如下：，卡庆斯基质地分类步骤如下：、

16、根据物理性粘粒、根据物理性粘粒(physical clay)含含量将土壤分为三大质地类型九种质地量将土壤分为三大质地类型九种质地、根据砂粒、根据砂粒( (砂质砂质) )、粗粉粒、粗粉粒( (粗粉质粗粉质) ) 、 中细粉粒中细粉粒( (粉粉质质) ) 、粘粒含量、粘粒含量( (粘质粘质) ) ，进一，进一步划分质地，确定质地详细名称步划分质地，确定质地详细名称: :第二优势粒级第一优势粒级质地名称第二优势粒级第一优势粒级质地名称四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学大于大于1毫米的石砾含量毫米的石砾含量% 石质程度石质程度 10.0 重石质土重石质土 、根据石砾、根据石砾

17、(gravel)含量，含量，查下表，冠在质地详细名称前查下表，冠在质地详细名称前(4)(4)中国制中国制分为砂土、壤土、粘壤和粘土分为砂土、壤土、粘壤和粘土4组共组共22种质地种质地四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学川农大农场几种类型土壤的川农大农场几种类型土壤的颗粒组成及详细质地命名颗粒组成及详细质地命名（卡氏制）（卡氏制） 土壤名称土壤名称 颗粒组成颗粒组成（%） 质地名称质地名称 物理性粘粒物理性粘粒 砂粒砂粒 粗粉粒粗粉粒 中细粉粒中细粉粒 粘粒粘粒 石砾石砾白鳝泥（苹果园）白鳝泥（苹果园） 62.4 10.9 26.7 28.8 33.6 0 粉粘质轻粘土粉

18、粘质轻粘土黄泥小土黄泥小土(张家坪张家坪) 43.8 38.2 18.0 31.0 12.8 0 粉砂质中壤土粉砂质中壤土白鳝泥（张家坪）白鳝泥（张家坪） 49.5 24.2 26.3 31.3 18.2 0 粉质重壤土粉质重壤土半泥砂（沙湾）半泥砂（沙湾） 38.0 29.0 33.0 18.0 20.0 0 粗粉质中壤土粗粉质中壤土石骨子土石骨子土(老板山老板山) 31.0 56.4 12.6 19.2 11.8 30 重石质粉砂质重石质粉砂质 四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学二、二、各级土粒各级土粒的组成和性质的组成和性质以原生矿物以原生矿物(primary

19、mineral)为主，为主， 最多的是石英最多的是石英(quartz) 砂粒砂粒(sand) 除原生矿物除原生矿物(primary mineral)外外, ,还有一些风化后形成的次还有一些风化后形成的次生矿物生矿物(secondary mineral)粉粒粉粒(silt)四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学则以次生矿物则以次生矿物(secondary mineral)为主为主 粘粒粘粒(clay)四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学（二）化学组成（二）化学组成(chemical composition)灰灰 色色森森林林土土粒级粒级（mm）化学组

20、成（灼干重化学组成（灼干重%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2MnO2CaOMgOK2ONa2OP2O50.10.0189.903.900.940.510.060.610.352.210.810.040.010.00582.638.132.390.970.060.951.942.771.450.140.005 0.00176.7511.323.951.340.041.001.053.321.300.250.00158.0323.4010.190.730.170.442.403.150.240.46全土全土85.105.962.460.530.120.920.682.380.750.11黑黑

21、钙钙土土0.10.0188.125.751.290.450.040.740.291.991.210.020.010.00582.177.962.731.000.020.941.192.311.840.120.005 0.00167.3717.167.511.380.030.751.773.041.380.230.00157.4722.6611.540.660.080.382.483.170.190.39全土全土71.5213.745.520.700.182.211.732.670.750.21表表5 55 5土壤各粒级的化学组成土壤各粒级的化学组成四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学

22、院土壤学土壤学随粒径由大到小，随粒径由大到小，SiOSiO2 2含量由多到少含量由多到少R R2 2O O3 3( (即即FeFe2 2O O3 3与与AlAl2 2O O3 3的总称的总称) )与与SiOSiO2 2相相 反，反，随粒径由大到小，随粒径由大到小，R R2 2O O3 3含量由少到多含量由少到多CaOCaO、MgOMgO、P P2 2O O5 5、K K2 2O O随土粒由大到小随土粒由大到小, ,含含量增加量增加四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学两个概念：又称又称“Saf值值”。土壤粘粒。土壤粘粒(clay)部分部分SiO2与与R2O3分子分子数之比

23、。以数之比。以SiO2 / R2O3 表表示。示。 硅铝铁率硅铝铁率(silica-sesquioxide ratio)定义硅铝率硅铝率(silica-alumina ratio)又称又称“Sa值值”。土壤粘。土壤粘粒粒(clay)部分部分SiO2与与Al2O3分子数之比。以分子数之比。以SiO2 / Al2O3 表示表示定义四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学（三）各级土粒的物理性质（三）各级土粒的物理性质土土粒粒由由大大到到小小保水能力保水能力(表表4-5中中)最大吸湿量、最大吸湿量、最大分子持水量最大分子持水量 毛管水上升高度毛管水上升高度增加，但通透性增加，但通

24、透性(表表4-5中中)渗透系渗透系数降低数降低土壤膨胀性土壤膨胀性(soil swelling)和可塑和可塑性性(plasticity)增加，对耕作增加，对耕作(tillage)带来不利影响带来不利影响四川农业大学资源环境学院四川农业大学资源环境学院土壤学土壤学表表56 各级土粒的水分性质和物理性质各级土粒的水分性质和物理性质土粒土粒名称名称粒径粒径(mm)最大吸湿最大吸湿量量(%)最大分最大分子持水子持水量量(%)毛管水上升毛管水上升高度高度(mm)渗透系数渗透系数(cm/s)湿胀湿胀(按按最初体积最初体积计计)塑性塑性石砾石砾3.02.00.200.5不不可可塑塑2.0 1.50.71.5

25、3.00.31.5 1.00.84.50.12粗砂粒粗砂粒1.0 0.50.98.70.0720.50.251.020270.056细砂粒细砂粒0.250.101.1500.03050.100.051.2910.0056粗粉粒粗粉粒0.050.010.53.12000.00416中粉粒中粉粒0.010.0051.03.015.9105可塑可塑(2840)细粉粒粗细粉粒粗粘粒粘粒0.0050.00131.0160塑性较强塑性较强(3048)细粘粒细粘粒10cm;10cm;小小块状结构直径块状结构直径5 510cm10cm。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资

26、资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院 5、棱柱状结构、棱柱状结构 形形 状状：同柱状结构，棱角尖锐明同柱状结构，棱角尖锐明显，横断面略呈三角形。显，横断面略呈三角形。 产生条件产生条件：粘重土壤的底土，由于干粘重土壤的底土，由于干湿交替频繁形成棱柱状结构。湿交替频繁形成棱柱状结构。 大小划分大小划分：大棱柱状结构，大棱柱状结构，5cm；棱柱状结构，棱柱状结构，35cm；小棱柱状结构，；小棱柱状结构，3mm者为板状，者为板状， 3mm者为片状。者为片状。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院7、团粒结构、

27、团粒结构(granular structure) 形状形状：近似于球形，疏松多孔的小土近似于球形，疏松多孔的小土团称团粒结构，是含有机质丰富肥沃土壤团称团粒结构，是含有机质丰富肥沃土壤的标志特征。的标志特征。 大小划分大小划分：一般为一般为0.2510mm，Al3+ Ca2+ Mg2+ H+ NH4+ K+ Na+2+四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院2、土壤结构的成型、土壤结构的成型 （1）干湿交替作用）干湿交替作用 蒙脱石类的膨胀收缩

28、性强，而水云母蒙脱石类的膨胀收缩性强，而水云母类和高岭石类的膨胀收缩性则较弱。类和高岭石类的膨胀收缩性则较弱。 土块越干，骤然灌水湿润，这种作用愈土块越干，骤然灌水湿润，这种作用愈明显，有如明显，有如“爆破爆破”一样。促使土体破碎形成一样。促使土体破碎形成结构。结构。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院 a、当干湿交替时，由于胀缩性的差异使、当干湿交替时，由于胀缩性的差异使土体产生不等的变形而依脆弱线开裂成小块土体产生不等的变形而依脆弱线开裂成小块b、当土体吸水时，由于孔隙中闭蓄的、当土体吸水时，由于孔隙中闭蓄的空气所产生的压力，使土体破碎空气所产生的压力，使土体破碎四四川川农农业

29、业大大学学资资源源环环境境学学院院（2）冻融交替作用）冻融交替作用 水分结冰时体积膨胀增大约水分结冰时体积膨胀增大约9%，对周，对周围的土体产生压力而使土壤崩裂。围的土体产生压力而使土壤崩裂。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院三、团粒结构三、团粒结构在土壤肥在土壤肥力力上的意义上的意义 团粒结构具有团粒结构具有小水库小水库、小肥料库小肥料库、空气走廊空气走廊的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结构体。构体。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院1、小水库、小水库(reservo

30、ir) 团粒结构透水性好，可接纳大量降水团粒结构透水性好，可接纳大量降水(precipitation)和灌溉水和灌溉水(irrigation water)，而团，而团粒内部保水性强，天旱粒内部保水性强，天旱(drought)时还可防止水时还可防止水分蒸发分蒸发(evaporation)。 天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔隙而层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔隙而蒸发损失。蒸发损失。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院2、小肥料库、小肥料库 具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰具有团粒结构的土壤，通

31、常有机质含量丰富。团粒结构表面为好气作用，有利于有机质富。团粒结构表面为好气作用，有利于有机质的矿质化的矿质化(mineralization)，释放养分。团粒内，释放养分。团粒内部则有利于腐殖化部则有利于腐殖化(humification)，保存养分。，保存养分。 四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院第四节第四节 土壤孔性土壤孔性一、土壤孔性与孔度一、土壤孔性与孔度(porosity)(一一)土壤总孔度土壤总孔度(total porosity)和孔隙比和孔隙比(void ratio) 1、总孔度、总孔度（total porosit) )

32、 所有孔隙体积所有孔隙体积(pore volume)的总和占整个的总和占整个土壤体积的比例。土壤体积的比例。 2、孔隙比、孔隙比(void ratio)四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院（二）土壤孔度分级（二）土壤孔度分级1、当量孔径、当量孔径(equivalent pore) 与土壤水吸力相当的孔隙直径称为当量孔径。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（毫米）。为孔隙直径（毫米）。T为水吸力，可理解为水吸力，可理解为土壤对水的吸力，单位为厘米或百帕（为土壤对水的吸力，单位为厘米或百帕（hpa）四四川川

33、农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院2、孔度分级、孔度分级（1）非活性孔隙）非活性孔隙(inactive pore) 又称无效孔隙，又称无效孔隙， 孔径孔径0.002mm(0.0002mm)水分水吸力水分水吸力T=3/0.002=1500百帕，土百帕，土壤对水的吸力很强，水分对植物基本无效壤对水的吸力很强，水分对植物基本无效四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院(2) 毛管孔隙毛管孔隙 (capillary pore) 孔径：孔径：0.02(0.06)0.002(0.0002)mm。水分水吸力在水分水吸力在T=3/0.06=50百帕至百帕至T=3/0.002=1500百帕之间，对植物是百帕之间，对植物是有效的，而且植物的根系和微生物都可在有效的，而且植物的根系和微生物都可在其中生长和活动。其中生长和活动。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院(3) 通气孔隙通气孔隙(aeration pore) 孔径孔径0.02(0.06)mm，透水通气，透水通气，通常有空气存在其中，同时植物根毛、根系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。和微生物均可在通气孔隙中活动。四四川川农农业业大大学学资资源源环环境境学学院院二、团粒结构的多级孔度模型二、团粒结构的多级孔度模型1、初级团聚体（复粒）：、初级团聚体（复粒）： 孔度