第五章-土壤的孔隙性和结构性

第五章土壤的孔隙性和结构性土壤的孔隙性和结构性，是土壤重要的物理性质，对土壤肥力有多方面的影响。孔隙性和结构性良好的土壤，能够同时较好地满足植物对水分和空气的要求，土壤温度状况适宜，并有利于养分的转化。孔隙性和结构性良好的土壤，能使植物根系得到良好的发育，更充分地利用各种肥力因素。第一节土壤孔隙性土壤的孔隙性(porosity)包括3个方面:孔隙度的高低，孔隙直径的大小，孔隙的分布状况。一、土壤的孔隙度土壤中孔隙的容积占土壤容积的百分数，叫作土壤的孔隙度。孔隙度不是常数，各种自然因素和人为因素都能迅速地、大幅度地改变土壤的孔隙度。由于土壤中的孔隙大小不等，形状千差万别，这样，就不可能直接测定土壤的孔隙度，而是采用间接的方法来计算。通常，是用容重和比重来计算土壤的孔隙度，这两个指标是比较容易测定的。(一)1、土壤比重(specificweight)单位体积的干燥土粒的重量，叫做土壤比重，相当于把土壤压缩到一点孔隙也没有时，单位体积的重量。土壤比重的大小与土壤的矿物组成、有机质含量有密切关系，一般采用平均值2.65。土壤比重是一个比较稳定的数值。表4-1土壤中常见组分的密度(克/厘米3)石英正长石斜长石白云母黑云母角闪石辉石纤铁矿2.60～2.682.54～2.572.62～2.762.77～2.882.70～3.102.85～3.573.15～3.903.60～4.10赤铁矿磁铁矿三水铝石高岭石蒙皂石伊利石腐殖质4.90～5.305.03～5.182.30～2.402.61～2.682.53～2.742.60～2.901.40～1.80表5-1土壤中常见矿物组分的比重（g/cm3)2、土壤容重(bulkdensity)单位体积自然结构状态的干燥土壤的重量，叫做土壤容重，单位为g/cm3。干燥是指烘干土，自然状态指的是测定取样时不干扰土壤，不改变其松紧程度。土壤容重大小与土壤孔隙度大小、机械组成、矿物组成、有机质含量、结构状况有密切关系，无论自然因素还是人为因素，都能在很大程度上改变土壤的孔隙度，因此，土壤容重不是一个稳定的数值，经常变化。土壤比重影响容重，容重不影响比重。(1)表示土壤的松紧状况，土壤愈紧，容重越大。土壤的松紧状况极疏松0.4～0.7疏松0.7～1.0稍紧实1.0～1.3紧实1.3～1.5极紧实1.5～1.8(2)计算一定面积一定厚度土层的重量:G=S×H×DS：面积，H：深度，D：土壤容重(3)(二)土壤孔隙度1、土壤孔隙度=（1－容重/比重）×100%。当容重与比重相等时，表明土壤中无孔隙，孔隙度为0；当容重为比重的一半时，表明土体中有一半体积是孔隙，孔隙度为50%，容重/比重就是固相所占的体积。2、P%=93.947-32.995D式中：P——D——土壤容重(0.68～1.82适用)3、土壤的孔隙比(voidratio)孔隙比：土壤中孔隙容积与土粒容积之比。土壤孔隙比=孔隙度/(1-孔隙度)例如，孔隙度为55%，固相占45%，孔隙比为55/45=1.12二、土壤中大小孔隙的分级即使两种土壤的总孔隙度完全相同，如果大小孔隙的数量不同，其保水、导水、通气以及其它性质也会有显著的差异。——土壤的孔隙度和孔隙比，只能用来说明土壤固相和孔隙的数量关系，而不能反映孔隙的性质。小孔隙大孔隙土粒(一)传统的划分方法1、无效孔隙(inactivepore)土壤中最小的孔隙，直径在10-6—10-3mm左右，只要有十几个水分子就可以把它堵塞，根毛插入也较困难。这种孔隙中的水分，受到很大的吸力，不发生毛管作用，保水能力很强，水分基本上不能运动，也不能通气，因而对作物来说是无效的，称无效孔隙。2、毛管孔隙(capillarypore)孔隙直径在10-3—10-1mm之间，具有毛管作用，水分可借毛管作用保持于其中，并靠毛管力进行运动。3、非毛管孔隙(non-capillarypore,air-spacepore)又称为空气孔隙或通气空隙，直径大于0.1mm，不显毛管作用，不能保持水分，但可作为通气透水的通道，经常为空气占据，只有大雨过后很短时间被水分饱和。(二)现代的划分方法由于土壤中的孔隙形状非常复杂，在研究水分运动时，不可能按真实的孔隙来计算，所以，要采用当量孔径(equivalentpore)的办法来研究。所谓当量孔径，是指与一定的土壤水吸力相对应的孔径。土壤水吸力（soilwatersuction)与当量孔径D=3/TD：为孔隙的当量孔径，mm;T：是土壤水所承受的吸力，单位为毫巴，或以厘米表示的水柱高度。当量孔径与土壤水吸力成反比，孔隙越小，则土壤水吸力愈大。例如，当土壤水吸力为10毫巴时，当量孔径为0.3mm，也就是说，此时的土壤水分是保持在孔径为0.3mm以下的孔隙中，而在大于0.3mm的孔隙中则没有水。根据在一定吸力下，土壤中排出水的多少，即可确定当量孔径在某一范围的孔隙容积的多少。1、这是土壤孔隙中最微细的部分，大体以土壤水吸力1.5巴为界限，孔径约为0.002mm以下，这比传统的分法(10-6—10-3mm)要高一些。也有人认为应以土壤水吸力15巴为限，也就是当量孔径在0.0002mm。在无结构的粘质土壤中，这种非活性孔较多，而在砂质土壤以及结构良好的粘质土壤中则缺少这种孔隙。土壤的质地越粘重，土粒分散性愈高，排列愈紧实，非活性孔越丰富。2、其含义与传统划分方法相同，只是界限不同，比过去的要细一些。一般以当量孔径在0.002～0.02mm，土壤水吸力在150毫巴—1500毫巴为界。3、通气孔的当量孔径在0.02mm以上，或者0.06mm以上，土壤水吸力小于150或50毫巴。这种孔隙中的水分可在重力作用下排出，在降雨和灌溉时，通气孔发达的土壤可大量吸收雨水或灌溉水，减少地表径流。三、1、土壤质地粘土的总孔隙度高，一般达45～60%，孔径比较均匀，以毛管孔和非活性孔为主。砂土一般总孔隙度小，为33—45%，但大孔隙多。壤土孔隙度居中，一般为45～52%，孔径分布比较合理，即有一定数量的通气孔隙，也有较多的毛管孔隙，水气矛盾较小。2、一定容积的土壤中，由于土粒排列的松紧不同，孔隙度会有很大的差异。按照所谓“理想土壤”的概念，假定全部土粒都是大小相等的刚性光滑球体，那么这些球体排列最松时孔隙度为47.46%，而按最紧密的方式排列，孔隙度只有25.95%，由此可见土粒排列方式对土壤的孔隙度的影响。土粒的排列方式对孔隙度的影响方体排列的孔隙度为47.46%（左）三斜六面体排列的孔隙度为25.95％（右）土粒团聚成小土团后，便出现了两部分孔隙，即土团内孔隙和团粒间孔隙，此时土粒占据的容积为(1-25.95%)2≈(74%)2≈55%，于是土壤孔隙度便由26%增至45%，若团聚的程度进一步提高，则土粒所占容积将进一步减小，即孔隙度增加。另外，很重要的一点是，土粒形成团聚体后，孔径的类型也发生了变化，大孔隙显著增加。3、土壤有机质含量由于有机质本身疏松多孔，同时又能促进土壤团聚体的形成，所以富含有机质的土壤孔隙度较高，泥炭土中的总孔隙度可高达80%以上，容重很低。四、土壤孔性与作物生长一般认为，适宜作物生长发育的孔隙度为，耕层的总孔隙度为50～60%，通气孔隙度为10～20%，至少应在10%左右。土体内孔隙的垂直分布，应为“上虚下实”，上虚有利于通气透水，下实有利于保水和根的固定支持作用。但是，下实要适当，即有一定的小孔隙，也要有一定通气孔隙，这不仅有利于下层的通气，促进养分的转化，而且有利于排水。第二节土壤的结构性土壤结构一词在国内外的土壤学文献中广泛应用。一般认为，这一概念包括两方面的含义，一是指土壤的结构体，另一方面是指土壤结构性。一、土壤结构体(soilstructure)（一）定义组成土壤的颗粒，在外力作用下，通过有机或无机胶体粘结在一起，形成的各种大小和形状的团聚体，叫作土壤结构体。（二）类型1、块状结构体和核块状结构体（blockstructureandnutlikestructure)块状结构体属于立方体形，纵轴与横轴大体相等，边面一般不明显，内部较外部更紧实。按照其大小，又分为大块状、块状和碎块状结构体。这类结构体多出现在有机质缺乏而耕性不良的粘质土壤中。在粘重的心底土中，常常多棱角的碎块，是由石灰质和氢氧化铁胶结而成的，如红壤。我省的白浆土下层，也有大量的核块状结构体。2、柱状和棱柱状结构体(columnarandprismaticstructure)柱状和棱柱状结构体纵轴远大于横轴，在土体中直立。棱角不明显的叫做柱状结构，棱角明显的叫棱柱状结构体。柱状结构体常出现在半干旱地带土壤的心土和底土中，以碱化土壤的碱化层中最为典型。棱柱状结构体常见于粘重而有干湿交替的心土和底土层中，例如水稻土的潴育层中往往可见到这种结构。3、片状结构体（platestructure,laminatestructure)横轴远大于纵轴，呈扁平薄片状，常出现在：1）森林土壤的灰化层；2）耕地土壤的犁底层；3）雨后或灌溉后所形成的板结层。4、团粒结构体(granularaggregate)包括团粒和微团粒。团粒指的是近似球形的疏松多孔的小土团，直径在0.25～10mm之间，粒径在0.25mm以下的称为微团粒。直径0.005mm的复合粘粒称为粘团。土壤团粒示意图团粒和微团粒是土壤结构体中，比较有利于作物生长的类型，主要存在于耕层或表层。改良土壤的结构性，往往就是指促进团粒结构的形成。团粒结构对土壤肥力的作用1、具有渗水保水作用当降雨和灌溉时，水分沿着团粒之间的大孔隙下渗，与此同时，有一部分水进入团粒内部的毛管中保存，避免或缓解因渗水不良而产生地表径流或积水。当土壤水分蒸发时，表层团粒失水而体积缩小，形成干土层，与下层的毛细管联系中断，降低了土壤水分蒸发速率，起到保水作用。2、具有保肥、供肥作用团粒结构体中腐殖质含量高，阳离子代换量大，土壤养分比较充足，团粒内部是厌气微生物活动，团粒与团粒之间，是好气微生物活动，从而协调了养分的转化和保存的矛盾。3、水气矛盾得以协调团粒内储存水分，而团粒与团粒之间充满空气，水气各得其所。4、土壤温度稳定因为水气协调，土壤热容量比较一致，土壤温度变幅较小。5、土壤物理性质较好由于形成了团粒，土粒之间的接触面积小，因而粘结性、粘着性、可塑性都降低，土壤耕性也得到改善。二、土壤结构性（soilstructureness，structurality）土壤结构体的大小、数量、形状及其排列状况，称为土壤的结构性。土壤结构性，是土壤形成过程的重要外在表现。不同土壤，或同一土壤的不同层次，其结构体类型和排列方式都不相同。土壤结构性的优劣，对土壤的物理性质、化学性质、生物学特性等都有很大的影响。三、结构体的稳定性为了保证土壤具有良好的通气、透水性和物理机械性，要求土壤结构体要有足够的稳定性。1结构体的力稳性，或机械稳定性，是指土壤结构体抵抗机械破碎的能力。结构体的力稳性越大，耕作过程中农机具对结构体的破坏就越小。力稳性与结构体内部的粘结力有关，或与粘结剂的类型有关。这种稳定性，可以通过施用人工合成的结构改良剂(如聚丙烯酰胺)来改善。2、生稳性土壤团粒大都是由有机质和矿质土粒相互结合而成，随着微生物对有机胶体的分解，结构会逐渐解体。土壤团粒的生物学稳定性，指的是它抵抗微生物分解有机粘结剂而造成的破坏的能力。土壤中有机胶体的种类很多，抵抗微生物分解的能力也各不相同。因此，由不同的有机胶体形成的团粒结构，生物学稳定性并不相同。一般而言，人工合成的结构改良剂形成的团粒稳定性较腐殖质强。在胶结剂相同的条件下，有机质与矿质颗粒结合得越3、水稳性结构体的水稳性，指的是土壤结构体抵抗水的浸泡而保持稳定的性能。有的结构体在干燥的条件下可以存在，一旦被水浸湿，极易分散，称为非水稳性团聚体。有的结构体遇水后不易分散，具有较强结构体是否具有水稳性，主要也和胶结剂为使土壤具有良好的物理性质，其结构体第五章土壤的孔隙性和结构第一节土壤孔隙性第二节土壤的结构性第三节土壤团粒的形成第四节土壤结构性的改善第三节土壤团粒的形成土壤结构体的形成