第九章 土壤的物理机械性和耕性

第九章土壤的物理机械性和耕性第一节土壤的物理机械性

土壤的物理机械性的概念：土壤受到外力作用时，显示出的一系列动力学特性，叫作土壤的物理机械性。

一、土壤粘结性（soilcoherence)(一)概念土壤中的无机、有机颗粒，通过各种力的作用，互相粘结起来的特性，称为土壤粘结性。土壤粘结性的强弱，可用单位面积上的粘结力来表示，单位是克/厘米2。(二)土壤粘结力的类型1、范德华力(Vander

waalsforce)

是分子之间相互作用力的统称，包括取向力，诱导力和色散力。

取向力

是极性分子的永久偶极之间的静电作用力，只有极性分子之间才存在取向力，大小和方向与偶极矩的取向有关。

诱导力

是感应偶极矩的相互作用力，存在于极性分子之间，或极性分子与非极性分子之间，不能产生于非极性分子之间。

色散力

由瞬时偶极距的相互作用所产生，它存在于一切分子或原子之间。范德华力的特点是作用范围很小，只有当土粒十分靠近时，范德华力才能起作用，这一点要十分清楚。2、氢键在土壤中，矿质土粒与有机分子之间的结合，主要靠氢键的作用。氢键能在分子与分子之间形成，也可以在同一分子的不同基团之间形成。

3、库仑力由于土粒的表面带有电荷，土粒间有静电力存在。库仑力即可以增加土壤颗粒之间的相互吸引力，也可以使土粒互相排斥。土壤胶粒表面多带负电荷，如果吸引了周围的阳离子，都带有正电荷，仍是互相排斥的，只有当排斥力小于分子之间的范德华力时，胶粒才能互相吸引。

4、水膜的表面张力当土壤中含有一定水分的时候，在土粒与土粒的接触点上，水膜相互连接，而形成凹形的曲面，借表面张力的作用，可使相邻的土粒互相靠近。(三)影响土壤粘结性的因素1、土壤质地土壤质地越粘重，特别是2:1型粘粒矿物的含量较高时，土壤的粘结性强,砂土的粘结性最弱，壤土居中。

2、土壤的结构性由于土壤颗粒在团聚过程中降低了彼此间的接触面，有团粒结构的土壤粘结性弱。如果代换性钠在阳离子组成中占的比例较大，会使土粒高度分散，粘结性会增强。3、腐殖质含量腐殖质含量高的土壤粘结力低，有两方面原因。一是腐殖质本身的粘结性弱，当腐殖质成膜状包被在粘粒周围时，就改变了接触面的性质，而使粘粒的粘结力减弱。另一方面，腐殖质还能促进团粒结构的形成，从而使粘质土壤的粘结性减弱。

4、土壤含水量土壤含水量的多少，对粘结性的强弱影响很大。土壤含水量对粘结性的影响，可以分为两种情况分别说明。A.干土变湿完全分散和干燥的土壤，土粒之间不表现粘结力。这时，土粒之间的各种力依然存在，只是少了水的作用，便成了“一盘散沙”。加入少量水后，各种作用力都有了“用武之地”，就开始显现粘结性。

当水膜均匀分布，在所有土粒的接触点上都出现弯月面时，土壤粘结力达到最大值。此后，随着含水量的增加，水膜不断加厚，土粒之间的距离越来越大，各种力的作用随着距离的加大减弱，直至消失。

B.湿土变干把土壤加足水，使所有土粒之间都有水膜存在，让土壤的粘结力几乎等于零。之后，使土壤逐渐变干。

这样，随着土粒间水膜不断变薄，粘结力逐渐加强，土粒相互靠得很近，可以借范德华力等互相粘结。

脱水过程粘结力的增加曲线与吸水过程的粘结力增加曲线有很大的差别。吸水时，是在某一个较高的含水量时出现最大粘结性；而脱水时粘结性最大值出现在水份含量极低时，甚至含水量等于零的时候。

土壤的粘结性强，对农业生产来说通常是不利的，应该加以改善。改良的途径，包括改变土壤的质地，增加有机质含量，改变阳离子组成等等。另外，更实际一些的作法，是等待土壤含水量的变化，达到最小粘结性时，再进行土壤管理。二、土壤的粘着性(stickability)(一)概念土壤粘着性，是土壤在一定含水量条件下粘着外物的性能。土壤粘着性强弱，用粘着力表示，其大小也为克/厘米2。(二)土壤粘着性的变化规律当土壤干燥时，没有粘着性，当含水量增加到一定程度时，才显出粘着性，这时的土壤含水量称作土壤的粘着始限，或粘着点。粘着点的出现要比开始出现粘结性的含水量高些。随着土壤水分的增加，土壤粘着性随之增加。当土壤粘着性达到最高时，土壤的含水量称为土壤的粘着高限。随着水分的进一步增加，土壤的粘着性开始下降，当下降到粘着性消失时，土壤的含水量称为粘着终限，又叫脱粘点。

。土壤粘着始限到粘着终限的含水范围，称作土壤的粘着范围。土壤粘着性强，一般对生产也是不利的。(三)影响因素1、土壤的质地在含水量一定时，土壤质地越细，土壤粘着性越强。

2、有机质含量土壤有机质含量高，能降低土壤粘着性。3、粘土矿物类型蒙脱石>高岭石4、阳离子种类及含量

Na+>K+>Mg2+>Ca2+>Al3+5、水分含量粘着性是在一定含水量范围表现出来的。6、外物的表面性质外物的性质对粘着性有一定的影响，粘在木质器物和金属器物上的粘着力就有所不同。表9-1各种土壤的粘结力及对铁片的粘着力

(Schubler)土壤干土的相对粘结力(以灰色纯粘土作为100)湿土对铁片的粘着力(磅/英尺2)

1.硅质纯砂土

2.腐殖质

3.菜园土

4.砂粘土

5.壤粘土

6.灰色纯粘土0.08.77.657.368.8100.03.88.86.47.910.617.2三、土壤的胀缩性

(dilatancyandcontractibility)(一)概念土壤吸水后体积膨胀，干燥后体积缩小的性质，称为土壤的胀缩性。

（二）意义一般而言，土壤的胀缩性愈大，对作物生长发育愈不利。土壤膨胀时，对周围土壤产生强大的压力，阻塞孔隙，透水困难，影响气体交换；而当土壤收缩时，易拉断植物根系。(三)影响土壤胀缩性的因素1、土壤质地土壤质地越细，土壤中胶体物质愈多，土壤胀缩性愈强。2、土壤有机质土壤有机质含量愈高，土壤的胀缩性越小。3、粘土矿物类型和土壤的胀缩性有很大的关系，蒙脱石比高岭石胀缩性强得多。4、土壤中阳离子种类

Na+>K+>Mg2+>Ca2+>Al3+四、土壤的可塑性(soilplastcity)(一)概念土壤在一定含水量范围内，在外力作用下可以任意改变形状，当外力取消，土壤干燥后，仍能保持所获得的形状，这种性质称为可塑性。(二)产生塑性的原因土壤中的粘粒是薄片状的，彼此间有很大的接触面。在有一定量水分存在的条件下，粘粒表面就形成一层薄薄的水膜。此时施加外力，水膜起润滑作用，粘粒沿着力的方向滑动，改变了原来的位置，并被水膜固定在新的位置上，保持已改变的形状，以后虽然失水，但因粘粒本身的粘结力，仍能保持其新的形状。(三)影响因素1、土壤含水量土粒间的水膜已厚到允许土粒之间互相滑动，使土块产生形变，但又没有丧失粘结性。土壤开始呈现可塑状态时的最低含水量，称为下塑限（lowerplasticlimit)。土壤失去可塑性而开始流动时的最低含水量，称上塑限（upperplasticlimit)。上、下塑限之间的含水量范围称为塑性范围，它们的差数称为塑性值。表9-2各种质地土壤的塑性指标（含水量％）

土壤质地下塑限上塑限塑性值粘土粘壤土壤土砂壤土23～3016～2210～15<1041～5028～4017～27<1618～2012～187～12<72、土壤质地细质地土壤可塑性强。3、粘土矿物的类型蒙脱石>高岭石4、阳离子的类型和含量表9-3钙或钠饱和的粘粒矿物的塑限(含水量%)

钙饱和钠饱和

下塑限上塑限下塑限上塑限蒙脱石高岭石6336177739726700525、有机质能提高上下塑限，但几乎不改变塑性值。因为有机质本身缺乏塑性，只有当有机质吸足水分后，才能形成产生塑性的水膜，因而使下塑限提高，减少了产生可塑性的机会。第二节土壤耕性土壤耕性(soiltilth)是人们在长期的农业实践中逐渐形成的概念，其内涵相当广泛。一般认为，耕性是指土壤在耕作过程中和耕作后的表现，大体上有3个指标。1、耕作阻力的大小：或耕作难易，影响工作效率和能耗。2、耕作质量的好坏：耕作后的效果如何。3、宜耕期的长短：粘质土壤干时僵硬，湿时泥泞，只有在一定含水量范围内才适于耕作。一、土壤的结持状态(soilconsistence)(一)概念土粒间的联系情况，以及在外力作用下的可移动性，称为土壤的结持状态。土壤的结持状态主要受含水量的影响。(二)类型1、坚固结持状态

土壤含水量很低，坚硬，具有固体性质，往往以大土块状态存在。2、酥软(松脆)结持状态土壤含水量适宜，土壤松脆，易形成小土团，呈半固体性质，无塑性，这种状态最适宜进行土壤耕作。

3、可塑结持状态土壤呈可塑性，无粘着性，此时耕作易起垡块，但不粘犁。4、粘韧结持状态有塑性和粘着性，耕作时既起垡块又粘犁，耕作阻力大，效果差。5、浓浆结持状态土壤呈浓浆状，可在重力作用下流动，没有粘着性。二、土壤的耕作阻力(一)土壤的抗压性1、定义土壤的抗压性，是指土壤对挤压力的反应，其衡量的指标是土壤的坚实度。土壤坚实度有两种表示方法：一是用压缩每单位容积土壤所需的力表示(单位：公斤/厘米3)

；二是用土壤孔隙度或孔隙比的变化来表示。2、影响因素除受粘结力影响外，还受土壤孔隙度、含水量的影响。坚实度与含水量之间有半对数的直线关系。粘质土壤含水量越低，坚实度越大，对砂土来说，含水量的影响不大。有团粒结构的土壤，坚实度较小，而分散性的碱土坚实度高。(二)土壤的抗楔入性1、定义

指外物楔入时，与垂直应力相当的土壤阻力，也叫土壤硬度，用楔入阻力表示。楔入阻力是指锥形或柱形物插入土壤中一定深度所需的力，单位是kg/cm2。

2、影响因素楔入阻力主要由土壤的粘结力决定，凡影响粘结力的因素都能影响楔入阻力，其中最重要的是土壤的含水量。以上两项，在实际应用时有时不加区别。(三)土壤的位移阻力土壤的位移阻力，主要是外物破碎土壤时遇到的阻力，常用抗剪强度来表示。

将土样置于剪切盒中，施加垂直压力，使土样在横断面上感受压应力P0。固定下盒，在上盒上施以水平力S，土样在上下盒的交界面上受到剪应力的作用。当剪应力超过一定值时，土块便被剪断，这时的剪应力称为土壤的抗剪强度。

测定土壤的抗剪强度

如果把一个大土样块分成若干份，分别施加不同的压力(P1,P2,P3…)后进行剪切试验，可以获得相应的抗剪强度(S1,S2,S3…)，绘成剪切曲线。

从图中可以看出，在同样压力P的情况下，粘土的抗剪强度远高于砂土。S=Ptg

+CS、P的相互关系可用下式表达：式中：

为内摩擦角，tg

为内摩擦系数，ptg

为内摩擦力，C为土壤粘结力。内摩擦角越大，内摩擦力越大。一般情况下，砂土的内摩擦角为22°～37°，但无粘结力，所以它的剪切曲线是一条通过原点的直线，S=Ptg

，抗剪强度等于其内摩擦力。

粘质土壤内摩擦角为7°～22°，但粘结力较高，抗剪强度S=ptg

+C。

因此，粘质土的耕作阻力比砂土要大。而且，会发生粘闭作用(puddle,puddling，布丁)，产生具有明亮光泽的垡块，耕作效果不好。三、土壤的宜耕性要使耕作获得较好的效果，就必须改良土壤的耕性。改良耕性最重要的措施是改变土壤的质地，如粘质土中掺入砂土，或增加土壤有机质的含量，但这需要花费大量的资金，较长的时间。因此，为获得好的耕作效果，最实际的办法是，选择最适当的时机进行耕作。所谓最适当的时机，就是土壤的水分含量最适合的时候。

土壤的结持性和耕作阻力都是随含水量变化的。对旱田来说，适耕的状态是松脆结持状态。此时土壤含水量比下塑限低，当然也低于粘着点，耕作时不会出现垡块，干后也就没有坷垃，土壤也不会沾在犁壁上而增加耕作阻力。

对北方的土壤来说，土壤含水量在田间持水量的60～80%，土壤水吸力在0.6～2巴之间，适于耕作。这个范围与土壤其他性质有关，在实践中并不难掌握。

各种土壤由于耕性的差异，适宜耕作的含水量范围有很大差别。总的说来，砂土到轻壤土，以及有结构的土壤，适耕含水量宽；中壤土到粘土，这个范围窄，水分稍多就表现出强烈的塑性和粘着性，稍干就结成硬块，宜耕期很短。

第三节耕作对土壤的影响土壤耕作（soiltillage)：

是在作物种植以前，或在作物生长期间，为了改善作物生长条件，而对土壤进行的机械加工。一、土壤耕作的目的通过农具的机械作用，改善土壤耕层和土面状况，为作物播种、出苗和生长创造良好的土壤环境。1、改善土壤耕层的状态，使耕层有适当的固、汽、液三相比例，改善通气、透水性能，改良土壤的温度状况。2、创造或恢复耕层的团粒结构，将绿肥和其他有机肥料与土壤充分混合。3、清除根茬、杂草和其他残落物等。

二、土壤耕作的基本内容土壤耕作的项目很多，各个地区有很大差别，甚至可以看成一种文化，但其主要的内容大同小异。

(一)耕翻耕翻的主要目的是松土，打破犁底层和土壤结壳，加厚活土层，增加土壤总孔度和通气孔度。耕翻可分为深耕和浅耕两种。几千年来，由于受生产力水平的限制，不论南方北方，一直是在进行浅耕，大约耕翻深度在10—15cm。建国后，随着大型农机具的发展，全国各地一片深耕热潮，持续了30多年。随着“人民公社”的消失，大型农机具已发挥不了作用，加上农民种地的自主权，深耕也随之消声匿迹，重新恢复浅耕，有的甚至长期不耕翻。

1、深耕深翻的效果深耕之后，作物的产量一般都有所提高，但也有不增产或减产的，原因可能包括：①下层土壤养分含量一般低于耕层，深翻后，生土翻到表层，降低耕层的养分浓度；②在深翻后未及时耙细，水分丢失较多；③连年耕翻会导致有机质过多消耗，使土壤性质变坏；④深翻可能造成土壤抗蚀能力的减弱。2、深耕应注意的问题①在宜耕期内进行耕翻，以提高碎土效果，及时耙地，减少大土块的数量。

②不要打乱土壤的排列顺序，防止翻上来大量生土。

尽早深耕，以接纳更多的雨水，土层过松时还要适当镇压。不宜频繁耕翻，深耕的后效一般可持续2年，不必连年耕翻。Subsoiling(土壤深松）(二)耙地1、破碎表土的土块，平整地面和保持土壤水分。耙地一般是在耕翻后进行的，土地经过犁耕后起伏不平，耕层内还有土块架空，松紧不一，极容易损失大量水分，及时耙地，耙齿能破碎土块，平整地面。2、破除土表结壳，土壤在接受降雨或灌溉后表土常常板结，通过耙地可以打碎结壳。(三)耱(耢)地这个环节南方称为耱，北方称为耢，主要作用是耙后进一步平整田面，兼有碎土和轻度镇压的作用。耙地后，地面有耙齿形成的细沟，对保墒不利。通过耢地，可以把耙沟填平，耢后表土进一步细碎，在地面形成2—3cm的疏松薄层，其下面的土壤稍紧实，这种上虚下实的状态，有利于播种。(四)镇压镇压有两个主要功能：一是接通毛细管，使下层的土壤水分能向上传导，同时减少大孔隙，有利于保水。二是压碎大的土块，使土面平整。镇压即可在播种前进行，也可在播种后进行。如果土壤过于疏松，或有坷垃架空，而作物的种子又较小时，如谷子、高粮等，应在播前镇压，以保证播种深度均匀一致。

种子较大，如玉米、大豆，可在播种后再镇压，使种子与土壤紧密接触，有利于吸水发芽。镇压也需要选择适宜的含水量，土壤过湿，镇压后容易板结。(五)中耕中耕是指作物生长期间疏松表土的作业。1、破除板结，增加水的渗入率，减少蒸发，改善土壤通气性；2、清除杂草；

3、调节土温；4、还可以起到培土的作用，加强植物的支持作用。

中耕一般每年要进行2～3次，是经常性的的土壤管理措施。第四节土壤压板和少耕法一、土壤压板土壤压板，指的是有害的，过度的土壤紧实状态。使土壤压板的原因可以分为两大类，一类是为了疏松土壤，在疏松一部分土壤的过程中，压实了另一部分土壤，另一部分是其他农业措施，如施肥、农药、收获等。(一)土壤压板的特征

当土壤承受较重的压力时，体积被压缩，表现为总孔隙度缩小，孔隙直径减小，通气孔隙减少最多，土壤的紧实度和容重大幅度增加，土壤的通气、透水性急剧下降，甚至消失。(二)土壤压板的实质在土壤承受较高压力时，因为土粒和水是不可压缩的，土壤的压缩主要是通过土粒的重新排列而实现的。粒状土粒可以通过滚动或滑动，由疏松排列变成紧密排列，片状土粒由杂乱的排列变为平行的定向排列，使土壤的孔隙减小，土壤体积也相应减小。(三)影响土壤压板的因素1、土壤含水量在一定压力时间的作用下，土粒移动的速度或距离，决定着土壤被压缩的程度。用粘土所作的压缩试验表明，土壤的压缩性与含水量的增加呈抛物线关系。在水很少的情况下，土粒之间的粘结力和摩擦力都很强，土壤不易被压缩。随着水分的增多，粘粒周围的水膜增厚，润滑作用增强，在压力作用下粘粒极易变成紧密的定向排列，因而土壤容重显著增高。

当土壤含水量进一步增加时，土粒之间距离增加，再加上水对压力的抵抗作用，土壤变得不易压缩了。因此，水分与土壤的可压缩性有直接关系，大体上，土壤含水量在塑性范围内最易压缩。

2、土壤有机质含量有机质本身有一定的弹性，并能促进团聚体的形成，富含有机质的土壤不易发生压板。3、阳离子的种类(四)衡量土壤压缩程度的指标

n=-algp+cn为孔隙度，a为对数曲线的斜率，

p为压力，c为疏松土壤被10磅/英寸2压力压紧后的孔隙度。

a值越小，抗压缩力越强。如砂土为10，壤土约为14，壤质粘土约为12，而含大量石灰的粘土大约为20。在相同的荷载下，粘土的孔隙度降低最多，砂土的孔隙度降低最少。(五)压板对于土壤性质和作物生长的影响1、对土壤性质的影响A.

土壤压板后，透水性减弱，却使蒸发增强；B.压板土壤的耕作阻力明显增加，耕作时消耗更多的能量，同时耕作质量下降。影响通气，产生一系列有害的效果，最突出的是好气性微生物的活动受到抑制，影响有机质的分解，使速效氮供应不足。

2、对作物生长的影响缺氧，营养不良;B.土壤过于紧实，影响根系发育;C.作物吸收水分困难;D.根呼吸受影响，使作物减产。(六)土壤压板的防止1、改良农机具农机具的压力是土壤压板的最主要因素，因此，必须注意改进农机具的设计，减少压强。2、正确选择宜耕期

注意耕作时的土壤含水量，避免在土壤过湿时耕作。

表9-4土壤结持性与宜耕期的关系

3、提高耕作速度提高耕作速度，可以减轻土壤压板，因为速度提高，减少了压力作用的时间，但随之而来的是能量消耗提高。二、少耕法和免耕法少耕法和免耕法，又叫留茬播种法和保护耕作法，是首先起源于美国干旱半干旱区及湿润带丘陵地区的一种新的耕作法，主要用于栽培玉米、大豆、高梁和马铃薯等中耕作物。soilconservation（土壤保护）(一)少耕和免耕法的主要内容缩小耕作面积，尽可能减少作业次数，是减轻土壤压板、降低生产成本的有效措施。