第九章 土壤的物理機械性和耕性

第九章土壤的物理機械性和耕性第一節(jié)土壤的物理機械性

土壤的物理機械性的概念：土壤受到外力作用時，顯示出的一系列動力學(xué)特性，叫作土壤的物理機械性。

一、土壤粘結(jié)性（soilcoherence)(一)概念土壤中的無機、有機顆粒，通過各種力的作用，互相粘結(jié)起來的特性，稱為土壤粘結(jié)性。土壤粘結(jié)性的強弱，可用單位面積上的粘結(jié)力來表示，單位是克/厘米2。(二)土壤粘結(jié)力的類型1、范德華力(Vander

waalsforce)

是分子之間相互作用力的統(tǒng)稱，包括取向力，誘導(dǎo)力和色散力。

取向力

是極性分子的永久偶極之間的靜電作用力，只有極性分子之間才存在取向力，大小和方向與偶極矩的取向有關(guān)。

誘導(dǎo)力

是感應(yīng)偶極矩的相互作用力，存在于極性分子之間，或極性分子與非極性分子之間，不能產(chǎn)生于非極性分子之間。

色散力

由瞬時偶極距的相互作用所產(chǎn)生，它存在于一切分子或原子之間。范德華力的特點是作用范圍很小，只有當土粒十分靠近時，范德華力才能起作用，這一點要十分清楚。2、氫鍵在土壤中，礦質(zhì)土粒與有機分子之間的結(jié)合，主要靠氫鍵的作用。氫鍵能在分子與分子之間形成，也可以在同一分子的不同基團之間形成。

3、庫侖力由于土粒的表面帶有電荷，土粒間有靜電力存在。庫侖力即可以增加土壤顆粒之間的相互吸引力，也可以使土?；ハ嗯懦狻Ｍ寥滥z粒表面多帶負電荷，如果吸引了周圍的陽離子，都帶有正電荷，仍是互相排斥的，只有當排斥力小于分子之間的范德華力時，膠粒才能互相吸引。

4、水膜的表面張力當土壤中含有一定水分的時候，在土粒與土粒的接觸點上，水膜相互連接，而形成凹形的曲面，借表面張力的作用，可使相鄰的土?；ハ嗫拷?。(三)影響土壤粘結(jié)性的因素1、土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地越粘重，特別是2:1型粘粒礦物的含量較高時，土壤的粘結(jié)性強,砂土的粘結(jié)性最弱，壤土居中。

2、土壤的結(jié)構(gòu)性由于土壤顆粒在團聚過程中降低了彼此間的接觸面，有團粒結(jié)構(gòu)的土壤粘結(jié)性弱。如果代換性鈉在陽離子組成中占的比例較大，會使土粒高度分散，粘結(jié)性會增強。3、腐殖質(zhì)含量腐殖質(zhì)含量高的土壤粘結(jié)力低，有兩方面原因。一是腐殖質(zhì)本身的粘結(jié)性弱，當腐殖質(zhì)成膜狀包被在粘粒周圍時，就改變了接觸面的性質(zhì)，而使粘粒的粘結(jié)力減弱。另一方面，腐殖質(zhì)還能促進團粒結(jié)構(gòu)的形成，從而使粘質(zhì)土壤的粘結(jié)性減弱。

4、土壤含水量土壤含水量的多少，對粘結(jié)性的強弱影響很大。土壤含水量對粘結(jié)性的影響，可以分為兩種情況分別說明。A.干土變濕完全分散和干燥的土壤，土粒之間不表現(xiàn)粘結(jié)力。這時，土粒之間的各種力依然存在，只是少了水的作用，便成了“一盤散沙”。加入少量水后，各種作用力都有了“用武之地”，就開始顯現(xiàn)粘結(jié)性。

當水膜均勻分布，在所有土粒的接觸點上都出現(xiàn)彎月面時，土壤粘結(jié)力達到最大值。此后，隨著含水量的增加，水膜不斷加厚，土粒之間的距離越來越大，各種力的作用隨著距離的加大減弱，直至消失。

B.濕土變干把土壤加足水，使所有土粒之間都有水膜存在，讓土壤的粘結(jié)力幾乎等于零。之后，使土壤逐漸變干。

這樣，隨著土粒間水膜不斷變薄，粘結(jié)力逐漸加強，土粒相互靠得很近，可以借范德華力等互相粘結(jié)。

脫水過程粘結(jié)力的增加曲線與吸水過程的粘結(jié)力增加曲線有很大的差別。吸水時，是在某一個較高的含水量時出現(xiàn)最大粘結(jié)性；而脫水時粘結(jié)性最大值出現(xiàn)在水份含量極低時，甚至含水量等于零的時候。

土壤的粘結(jié)性強，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說通常是不利的，應(yīng)該加以改善。改良的途徑，包括改變土壤的質(zhì)地，增加有機質(zhì)含量，改變陽離子組成等等。另外，更實際一些的作法，是等待土壤含水量的變化，達到最小粘結(jié)性時，再進行土壤管理。二、土壤的粘著性(stickability)(一)概念土壤粘著性，是土壤在一定含水量條件下粘著外物的性能。土壤粘著性強弱，用粘著力表示，其大小也為克/厘米2。(二)土壤粘著性的變化規(guī)律當土壤干燥時，沒有粘著性，當含水量增加到一定程度時，才顯出粘著性，這時的土壤含水量稱作土壤的粘著始限，或粘著點。粘著點的出現(xiàn)要比開始出現(xiàn)粘結(jié)性的含水量高些。隨著土壤水分的增加，土壤粘著性隨之增加。當土壤粘著性達到最高時，土壤的含水量稱為土壤的粘著高限。隨著水分的進一步增加，土壤的粘著性開始下降，當下降到粘著性消失時，土壤的含水量稱為粘著終限，又叫脫粘點。

。土壤粘著始限到粘著終限的含水范圍，稱作土壤的粘著范圍。土壤粘著性強，一般對生產(chǎn)也是不利的。(三)影響因素1、土壤的質(zhì)地在含水量一定時，土壤質(zhì)地越細，土壤粘著性越強。

2、有機質(zhì)含量土壤有機質(zhì)含量高，能降低土壤粘著性。3、粘土礦物類型蒙脫石>高嶺石4、陽離子種類及含量

Na+>K+>Mg2+>Ca2+>Al3+5、水分含量粘著性是在一定含水量范圍表現(xiàn)出來的。6、外物的表面性質(zhì)外物的性質(zhì)對粘著性有一定的影響，粘在木質(zhì)器物和金屬器物上的粘著力就有所不同。表9-1各種土壤的粘結(jié)力及對鐵片的粘著力

(Schubler)土壤干土的相對粘結(jié)力(以灰色純粘土作為100)濕土對鐵片的粘著力(磅/英尺2)

1.硅質(zhì)純砂土

2.腐殖質(zhì)

3.菜園土

4.砂粘土

5.壤粘土

6.灰色純粘土0.08.77.657.368.8100.03.88.86.47.910.617.2三、土壤的脹縮性

(dilatancyandcontractibility)(一)概念土壤吸水后體積膨脹，干燥后體積縮小的性質(zhì)，稱為土壤的脹縮性。

（二）意義一般而言，土壤的脹縮性愈大，對作物生長發(fā)育愈不利。土壤膨脹時，對周圍土壤產(chǎn)生強大的壓力，阻塞孔隙，透水困難，影響氣體交換；而當土壤收縮時，易拉斷植物根系。(三)影響土壤脹縮性的因素1、土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地越細，土壤中膠體物質(zhì)愈多，土壤脹縮性愈強。2、土壤有機質(zhì)土壤有機質(zhì)含量愈高，土壤的脹縮性越小。3、粘土礦物類型和土壤的脹縮性有很大的關(guān)系，蒙脫石比高嶺石脹縮性強得多。4、土壤中陽離子種類

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圍內(nèi)，在外力作用下可以任意改變形狀，當外力取消，土壤干燥后，仍能保持所獲得的形狀，這種性質(zhì)稱為可塑性。(二)產(chǎn)生塑性的原因土壤中的粘粒是薄片狀的，彼此間有很大的接觸面。在有一定量水分存在的條件下，粘粒表面就形成一層薄薄的水膜。此時施加外力，水膜起潤滑作用，粘粒沿著力的方向滑動，改變了原來的位置，并被水膜固定在新的位置上，保持已改變的形狀，以后雖然失水，但因粘粒本身的粘結(jié)力，仍能保持其新的形狀。(三)影響因素1、土壤含水量土粒間的水膜已厚到允許土粒之間互相滑動，使土塊產(chǎn)生形變，但又沒有喪失粘結(jié)性。土壤開始呈現(xiàn)可塑狀態(tài)時的最低含水量，稱為下塑限（lowerplasticlimit)。土壤失去可塑性而開始流動時的最低含水量，稱上塑限（upperplasticlimit)。上、下塑限之間的含水量范圍稱為塑性范圍，它們的差數(shù)稱為塑性值。表9-2各種質(zhì)地土壤的塑性指標（含水量％）

土壤質(zhì)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、土壤質(zhì)地細質(zhì)地土壤可塑性強。3、粘土礦物的類型蒙脫石>高嶺石4、陽離子的類型和含量表9-3鈣或鈉飽和的粘粒礦物的塑限(含水量%)

鈣飽和鈉飽和

下塑限上塑限下塑限上塑限蒙脫石高嶺石6336177739726700525、有機質(zhì)能提高上下塑限，但幾乎不改變塑性值。因為有機質(zhì)本身缺乏塑性，只有當有機質(zhì)吸足水分后，才能形成產(chǎn)生塑性的水膜，因而使下塑限提高，減少了產(chǎn)生可塑性的機會。第二節(jié)土壤耕性土壤耕性(soiltilth)是人們在長期的農(nóng)業(yè)實踐中逐漸形成的概念，其內(nèi)涵相當廣泛。一般認為，耕性是指土壤在耕作過程中和耕作后的表現(xiàn)，大體上有3個指標。1、耕作阻力的大小：或耕作難易，影響工作效率和能耗。2、耕作質(zhì)量的好壞：耕作后的效果如何。3、宜耕期的長短：粘質(zhì)土壤干時僵硬，濕時泥濘，只有在一定含水量范圍內(nèi)才適于耕作。一、土壤的結(jié)持狀態(tài)(soilconsistence)(一)概念土粒間的聯(lián)系情況，以及在外力作用下的可移動性，稱為土壤的結(jié)持狀態(tài)。土壤的結(jié)持狀態(tài)主要受含水量的影響。(二)類型1、堅固結(jié)持狀態(tài)

土壤含水量很低，堅硬，具有固體性質(zhì)，往往以大土塊狀態(tài)存在。2、酥軟(松脆)結(jié)持狀態(tài)土壤含水量適宜，土壤松脆，易形成小土團，呈半固體性質(zhì)，無塑性，這種狀態(tài)最適宜進行土壤耕作。

3、可塑結(jié)持狀態(tài)土壤呈可塑性，無粘著性，此時耕作易起垡塊，但不粘犁。4、粘韌結(jié)持狀態(tài)有塑性和粘著性，耕作時既起垡塊又粘犁，耕作阻力大，效果差。5、濃漿結(jié)持狀態(tài)土壤呈濃漿狀，可在重力作用下流動，沒有粘著性。二、土壤的耕作阻力(一)土壤的抗壓性1、定義土壤的抗壓性，是指土壤對擠壓力的反應(yīng)，其衡量的指標是土壤的堅實度。土壤堅實度有兩種表示方法：一是用壓縮每單位容積土壤所需的力表示(單位：公斤/厘米3)

；二是用土壤孔隙度或孔隙比的變化來表示。2、影響因素除受粘結(jié)力影響外，還受土壤孔隙度、含水量的影響。堅實度與含水量之間有半對數(shù)的直線關(guān)系。粘質(zhì)土壤含水量越低，堅實度越大，對砂土來說，含水量的影響不大。有團粒結(jié)構(gòu)的土壤，堅實度較小，而分散性的堿土堅實度高。(二)土壤的抗楔入性1、定義

指外物楔入時，與垂直應(yīng)力相當?shù)耐寥雷枇?，也叫土壤硬度，用楔入阻力表示。楔入阻力是指錐形或柱形物插入土壤中一定深度所需的力，單位是kg/cm2。

2、影響因素楔入阻力主要由土壤的粘結(jié)力決定，凡影響粘結(jié)力的因素都能影響楔入阻力，其中最重要的是土壤的含水量。以上兩項，在實際應(yīng)用時有時不加區(qū)別。(三)土壤的位移阻力土壤的位移阻力，主要是外物破碎土壤時遇到的阻力，常用抗剪強度來表示。

將土樣置于剪切盒中，施加垂直壓力，使土樣在橫斷面上感受壓應(yīng)力P0。固定下盒，在上盒上施以水平力S，土樣在上下盒的交界面上受到剪應(yīng)力的作用。當剪應(yīng)力超過一定值時，土塊便被剪斷，這時的剪應(yīng)力稱為土壤的抗剪強度。

測定土壤的抗剪強度

如果把一個大土樣塊分成若干份，分別施加不同的壓力(P1,P2,P3…)后進行剪切試驗，可以獲得相應(yīng)的抗剪強度(S1,S2,S3…)，繪成剪切曲線。

從圖中可以看出，在同樣壓力P的情況下，粘土的抗剪強度遠高于砂土。S=Ptg

+CS、P的相互關(guān)系可用下式表達：式中：

為內(nèi)摩擦角，tg

為內(nèi)摩擦系數(shù)，ptg

為內(nèi)摩擦力，C為土壤粘結(jié)力。內(nèi)摩擦角越大，內(nèi)摩擦力越大。一般情況下，砂土的內(nèi)摩擦角為22°～37°，但無粘結(jié)力，所以它的剪切曲線是一條通過原點的直線，S=Ptg

，抗剪強度等于其內(nèi)摩擦力。

粘質(zhì)土壤內(nèi)摩擦角為7°～22°，但粘結(jié)力較高，抗剪強度S=ptg

+C。

因此，粘質(zhì)土的耕作阻力比砂土要大。而且，會發(fā)生粘閉作用(puddle,puddling，布丁)，產(chǎn)生具有明亮光澤的垡塊，耕作效果不好。三、土壤的宜耕性要使耕作獲得較好的效果，就必須改良土壤的耕性。改良耕性最重要的措施是改變土壤的質(zhì)地，如粘質(zhì)土中摻入砂土，或增加土壤有機質(zhì)的含量，但這需要花費大量的資金，較長的時間。因此，為獲得好的耕作效果，最實際的辦法是，選擇最適當?shù)臅r機進行耕作。所謂最適當?shù)臅r機，就是土壤的水分含量最適合的時候。

土壤的結(jié)持性和耕作阻力都是隨含水量變化的。對旱田來說，適耕的狀態(tài)是松脆結(jié)持狀態(tài)。此時土壤含水量比下塑限低，當然也低于粘著點，耕作時不會出現(xiàn)垡塊，干后也就沒有坷垃，土壤也不會沾在犁壁上而增加耕作阻力。

對北方的土壤來說，土壤含水量在田間持水量的60～80%，土壤水吸力在0.6～2巴之間，適于耕作。這個范圍與土壤其他性質(zhì)有關(guān)，在實踐中并不難掌握。

各種土壤由于耕性的差異，適宜耕作的含水量范圍有很大差別?？偟恼f來，砂土到輕壤土，以及有結(jié)構(gòu)的土壤，適耕含水量寬；中壤土到粘土，這個范圍窄，水分稍多就表現(xiàn)出強烈的塑性和粘著性，稍干就結(jié)成硬塊，宜耕期很短。

第三節(jié)耕作對土壤的影響土壤耕作（soiltillage)：

是在作物種植以前，或在作物生長期間，為了改善作物生長條件，而對土壤進行的機械加工。一、土壤耕作的目的通過農(nóng)具的機械作用，改善土壤耕層和土面狀況，為作物播種、出苗和生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。1、改善土壤耕層的狀態(tài)，使耕層有適當?shù)墓?、汽、液三相比例，改善通氣、透水性能，改良土壤的溫度狀況。2、創(chuàng)造或恢復(fù)耕層的團粒結(jié)構(gòu)，將綠肥和其他有機肥料與土壤充分混合。3、清除根茬、雜草和其他殘落物等。

二、土壤耕作的基本內(nèi)容土壤耕作的項目很多，各個地區(qū)有很大差別，甚至可以看成一種文化，但其主要的內(nèi)容大同小異。

(一)耕翻耕翻的主要目的是松土，打破犁底層和土壤結(jié)殼，加厚活土層，增加土壤總孔度和通氣孔度。耕翻可分為深耕和淺耕兩種。幾千年來，由于受生產(chǎn)力水平的限制，不論南方北方，一直是在進行淺耕，大約耕翻深度在10—15cm。建國后，隨著大型農(nóng)機具的發(fā)展，全國各地一片深耕熱潮，持續(xù)了30多年。隨著“人民公社”的消失，大型農(nóng)機具已發(fā)揮不了作用，加上農(nóng)民種地的自主權(quán)，深耕也隨之消聲匿跡，重新恢復(fù)淺耕，有的甚至長期不耕翻。

1、深耕深翻的效果深耕之后，作物的產(chǎn)量一般都有所提高，但也有不增產(chǎn)或減產(chǎn)的，原因可能包括：①下層土壤養(yǎng)分含量一般低于耕層，深翻后，生土翻到表層，降低耕層的養(yǎng)分濃度；②在深翻后未及時耙細，水分丟失較多；③連年耕翻會導(dǎo)致有機質(zhì)過多消耗，使土壤性質(zhì)變壞；④深翻可能造成土壤抗蝕能力的減弱。2、深耕應(yīng)注意的問題①在宜耕期內(nèi)進行耕翻，以提高碎土效果，及時耙地，減少大土塊的數(shù)量。

②不要打亂土壤的排列順序，防止翻上來大量生土。

盡早深耕，以接納更多的雨水，土層過松時還要適當鎮(zhèn)壓。不宜頻繁耕翻，深耕的后效一般可持續(xù)2年，不必連年耕翻。Subsoiling(土壤深松）(二)耙地1、破碎表土的土塊，平整地面和保持土壤水分。耙地一般是在耕翻后進行的，土地經(jīng)過犁耕后起伏不平，耕層內(nèi)還有土塊架空，松緊不一，極容易損失大量水分，及時耙地，耙齒能破碎土塊，平整地面。2、破除土表結(jié)殼，土壤在接受降雨或灌溉后表土常常板結(jié)，通過耙地可以打碎結(jié)殼。(三)耱(耢)地這個環(huán)節(jié)南方稱為耱，北方稱為耢，主要作用是耙后進一步平整田面，兼有碎土和輕度鎮(zhèn)壓的作用。耙地后，地面有耙齒形成的細溝，對保墑不利。通過耢地，可以把耙溝填平，耢后表土進一步細碎，在地面形成2—3cm的疏松薄層，其下面的土壤稍緊實，這種上虛下實的狀態(tài)，有利于播種。(四)鎮(zhèn)壓鎮(zhèn)壓有兩個主要功能：一是接通毛細管，使下層的土壤水分能向上傳導(dǎo)，同時減少大孔隙，有利于保水。二是壓碎大的土塊，使土面平整。鎮(zhèn)壓即可在播種前進行，也可在播種后進行。如果土壤過于疏松，或有坷垃架空，而作物的種子又較小時，如谷子、高糧等，應(yīng)在播前鎮(zhèn)壓，以保證播種深度均勻一致。

種子較大，如玉米、大豆，可在播種后再鎮(zhèn)壓，使種子與土壤緊密接觸，有利于吸水發(fā)芽。鎮(zhèn)壓也需要選擇適宜的含水量，土壤過濕，鎮(zhèn)壓后容易板結(jié)。(五)中耕中耕是指作物生長期間疏松表土的作業(yè)。1、破除板結(jié)，增加水的滲入率，減少蒸發(fā)，改善土壤通氣性；2、清除雜草；

3、調(diào)節(jié)土溫；4、還可以起到培土的作用，加強植物的支持作用。

中耕一般每年要進行2～3次，是經(jīng)常性的的土壤管理措施。第四節(jié)土壤壓板和少耕法一、土壤壓板土壤壓板，指的是有害的，過度的土壤緊實狀態(tài)。使土壤壓板的原因可以分為兩大類，一類是為了疏松土壤，在疏松一部分土壤的過程中，壓實了另一部分土壤，另一部分是其他農(nóng)業(yè)措施，如施肥、農(nóng)藥、收獲等。(一)土壤壓板的特征

當土壤承受較重的壓力時，體積被壓縮，表現(xiàn)為總孔隙度縮小，孔隙直徑減小，通氣孔隙減少最多，土壤的緊實度和容重大幅度增加，土壤的通氣、透水性急劇下降，甚至消失。(二)土壤壓板的實質(zhì)在土壤承受較高壓力時，因為土粒和水是不可壓縮的，土壤的壓縮主要是通過土粒的重新排列而實現(xiàn)的。粒狀土?？梢酝ㄟ^滾動或滑動，由疏松排列變成緊密排列，片狀土粒由雜亂的排列變?yōu)槠叫械亩ㄏ蚺帕?，使土壤的孔隙減小，土壤體積也相應(yīng)減小。(三)影響土壤壓板的因素1、土壤含水量在一定壓力時間的作用下，土粒移動的速度或距離，決定著土壤被壓縮的程度。用粘土所作的壓縮試驗表明，土壤的壓縮性與含水量的增加呈拋物線關(guān)系。在水很少的情況下，土粒之間的粘結(jié)力和摩擦力都很強，土壤不易被壓縮。隨著水分的增多，粘粒周圍的水膜增厚，潤滑作用增強，在壓力作用下粘粒極易變成緊密的定向排列，因而土壤容重顯著增高。

當土壤含水量進一步增加時，土粒之間距離增加，再加上水對壓力的抵抗作用，土壤變得不易壓縮了。因此，水分與土壤的可壓縮性有直接關(guān)系，大體上，土壤含水量在塑性范圍內(nèi)最易壓縮。

2、土壤有機質(zhì)含量有機質(zhì)本身有一定的彈性，并能促進團聚體的形成，富含有機質(zhì)的土壤不易發(fā)生壓板。3、陽離子的種類(四)衡量土壤壓縮程度的指標

n=-algp+cn為孔隙度，a為對數(shù)曲線的斜率，

p為壓力，c為疏松土壤被10磅/英寸2壓力壓緊后的孔隙度。

a值越小，抗壓縮力越強。如砂土為10，壤土約為14，壤質(zhì)粘土約為12，而含大量石灰的粘土大約為20。在相同的荷載下，粘土的孔隙度降低最多，砂土的孔隙度降低最少。(五)壓板對于土壤性質(zhì)和作物生長的影響1、對土壤性質(zhì)的影響A.

土壤壓板后，透水性減弱，卻使蒸發(fā)增強；B.壓板土壤的耕作阻力明顯增加，耕作時消耗更多的能量，同時耕作質(zhì)量下降。影響通氣，產(chǎn)生一系列有害的效果，最突出的是好氣性微生物的活動受到抑制，影響有機質(zhì)的分解，使速效氮供應(yīng)不足。

2、對作物生長的影響缺氧，營養(yǎng)不良;B.土壤過于緊實，影響根系發(fā)育;C.作物吸收水分困難;D.根呼吸受影響，使作物減產(chǎn)。(六)土壤壓板的防止1、改良農(nóng)機具農(nóng)機具的壓力是土壤壓板的最主要因素，因此，必須注意改進農(nóng)機具的設(shè)計，減少壓強。2、正確選擇宜耕期

注意耕作時的土壤含水量，避免在土壤過濕時耕作。

表9-4土壤結(jié)持性與宜耕期的關(guān)系

3、提高耕作速度提高耕作速度，可以減輕土壤壓板，因為速度提高，減少了壓力作用的時間，但隨之而來的是能量消耗提高。二、少耕法和免耕法少耕法和免耕法，又叫留茬播種法和保護耕作法，是首先起源于美國干旱半干旱區(qū)及濕潤帶丘陵地區(qū)的一種新的耕作法，主要用于栽培玉米、大豆、高梁和馬鈴薯等中耕作物。soilconservation（土壤保護）(一)少耕和免耕法的主要內(nèi)容縮小耕作面積，盡可能減少作業(yè)次數(shù)，是減輕土壤壓板、降低生產(chǎn)成本的有效措施。