1、第四章第四章 土壤的物理機械性質土壤的物理機械性質第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性第二節第二節 土壤的抗剪強度土壤的抗剪強度第三節第三節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實o 土壤的物理機械性質：土壤對外力的反作用土壤的物理機械性質：土壤對外力的反作用力和變形的特性稱為。力和變形的特性稱為。n 主要受土壤的主要受土壤的結持性結持性以及以及對外力作用時而產生對外力作用時而產生的摩擦性的摩擦性、抗剪強度抗剪強度、壓縮特性壓縮特性等影響。等影響。n 研究了解土壤的物理機械性質，對提高土壤的研究了解土壤的物理機械性質，對提高土壤的耕作質量、節約動力十分重要。耕作質量、節約動力十分重要。第一節第一節

2、 土壤的結持性土壤的結持性o 土壤的結持性土壤的結持性：指在不同含水量條件下，土指在不同含水量條件下，土壤抵抗破碎、變形以及粘著在其它物體上的壤抵抗破碎、變形以及粘著在其它物體上的性質。性質。o 土壤結持性包括：土壤結持性包括：粘結性、粘著性、塑性粘結性、粘著性、塑性。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性一、土壤粘結性一、土壤粘結性o指土壤抵抗機械破碎的性質。是指土壤抵抗機械破碎的性質。是土粒水土粒土粒水土粒之間不同力相之間不同力相互作用的結果。互作用的結果。 土壤的粘結性大小以壓碎或拉斷單位斷面土柱所需的力表示土壤的粘結性大小以壓碎或拉斷單位斷面土柱所需的力表示（N/cm2）. 1土壤粘結

3、力：土壤粘結力：是產生土壤粘結性的根本原因。是產生土壤粘結性的根本原因。一種是一種是分子內聚力分子內聚力（范德華力和靜電引力等）（范德華力和靜電引力等）另一種是另一種是水膜的彎月面力水膜的彎月面力。（土壤含水量低時，彎月面力很大）。（土壤含水量低時，彎月面力很大）第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性2影響土壤粘結性的因素影響土壤粘結性的因素（1）水分：）水分： a 非粘閉土壤非粘閉土壤：即疏松土壤（如結構好的土壤、：即疏松土壤（如結構好的土壤、沙性土壤、疏松土壤）。沙性土壤、疏松土壤）。 粘結力：粘結力：主要受水膜彎月面力決定。（曲線主要受水膜彎月面力決定。（曲線C） b 粘閉土壤：粘閉土壤

4、：即土粒緊密排列的土壤（壓實土壤、即土粒緊密排列的土壤（壓實土壤、大土塊等）。大土塊等）。 粘結力：粘結力：主要受分子內聚力和水膜彎月面力的主要受分子內聚力和水膜彎月面力的雙重作用。（曲線雙重作用。（曲線A、B）含水量多時，水膜彎月面力影響大，粘結力減小；含水量多時，水膜彎月面力影響大，粘結力減小；含水減少時，內聚力增加，彎月面力也增加，粘含水減少時，內聚力增加，彎月面力也增加，粘結力迅增。結力迅增。 土壤粘結力隨含水量的減少而迅速增加。土壤粘結力隨含水量的減少而迅速增加。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性（2）土壤質地）土壤質地o 土壤質地越細，土粒間分子引力越大，水膜越土壤質地越細，土

5、粒間分子引力越大，水膜越多，粘結性越強。多，粘結性越強。（3）陽離子種類、有機質含量）陽離子種類、有機質含量o Na使土粒分散，增加粘結性；使土粒分散，增加粘結性；Ca2+使膠粒使膠粒凝聚，減少土粒接觸面積，降低粘結力。土壤凝聚，減少土粒接觸面積，降低粘結力。土壤腐殖質可增加砂土粘結力，而減少粘土的粘結腐殖質可增加砂土粘結力，而減少粘土的粘結力力。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性3土壤粘結性與土壤耕作的關系土壤粘結性與土壤耕作的關系o 粘結力大，耕作時易形成大土塊，即使經粘結力大，耕作時易形成大土塊，即使經耙耱也會形成小于耙耱也會形成小于0.25mm的團聚體，破的團聚體，破壞土壤結構。壞

6、土壤結構。o 粘結力增加農機具對土壤作用的阻力和附粘結力增加農機具對土壤作用的阻力和附著力。著力。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性二、土壤的粘著性二、土壤的粘著性o土壤的粘著性：土壤的粘著性：土壤粘附于其它物體的性質稱土壤土壤粘附于其它物體的性質稱土壤的粘著性。的粘著性。 粘著性是粘著性是土粒水外物分子間土粒水外物分子間相互作用的結果。相互作用的結果。 粘著性大小，以粘著強度（粘著性大小，以粘著強度（ N/cm2 ）表示。）表示。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性1影響土壤粘著性大小的因素影響土壤粘著性大小的因素o （1）土壤含水量土壤含水量：含水少時，粘著性小，含水增多，粘著：含水

7、少時，粘著性小，含水增多，粘著性增大。隨土壤水分進一步增加，水膜加厚，吸水力減小，性增大。隨土壤水分進一步增加，水膜加厚，吸水力減小，粘著強度降低。當含水量增多至土壤成流體狀態時，粘著性粘著強度降低。當含水量增多至土壤成流體狀態時，粘著性消失。消失。o （2）土壤質地土壤質地：土粒越細，粘著性越強。：土粒越細，粘著性越強。o （3）農機具材料的性質農機具材料的性質：農機具所用材料的親水性，直接：農機具所用材料的親水性，直接影響土壤的粘著強度。親水性強，易粘著，反之不易粘著。影響土壤的粘著強度。親水性強，易粘著，反之不易粘著。（木料易粘著，塑料不易粘著）（木料易粘著，塑料不易粘著）o （4）土壤

8、有機質含量、結構性土壤有機質含量、結構性：有機質多、結構性好的土：有機質多、結構性好的土壤，粘著性低。壤，粘著性低。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性2土壤粘著性對土壤耕作的影響土壤粘著性對土壤耕作的影響o 粘著性強時，增加耕作阻力，降低耕作質量。粘著性強時，增加耕作阻力，降低耕作質量。o 生產中采用表面光滑、摩擦系數小、親水性差生產中采用表面光滑、摩擦系數小、親水性差的農機具材料，或者降低土壤含水量都有利于的農機具材料，或者降低土壤含水量都有利于提高耕作質量。提高耕作質量。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性o Fountaine和和Payne研究指出研究指出:土壤粘著在農具上的主土壤

9、粘著在農具上的主要原因是土壤的要原因是土壤的粘結強度粘結強度土壤的土壤的粘著強度粘著強度。o 提出控制土壤粘著農具的因素：提出控制土壤粘著農具的因素：n土壤的土壤的粘結性要大粘結性要大干燥土壤粘結性最大，脫土最好；干燥土壤粘結性最大，脫土最好；n土壤土壤內摩擦系數要大內摩擦系數要大有結構的土壤內摩擦系數大，有利脫土；有結構的土壤內摩擦系數大，有利脫土；n土壤與金屬的土壤與金屬的外摩擦系數要小外摩擦系數要小要利用摩擦系數低的材料，或提要利用摩擦系數低的材料，或提高金屬表面的光潔度；高金屬表面的光潔度；n土壤對金屬的土壤對金屬的粘著性要小粘著性要小，土壤含水量少，土粒和金屬之間不足，土壤含水量少，

10、土粒和金屬之間不足以形成水膜；土壤含水量超出一定范圍，水膜厚度增加，土壤水以形成水膜；土壤含水量超出一定范圍，水膜厚度增加，土壤水吸力減小，粘著性降低。吸力減小，粘著性降低。n農具與前進方向所成的農具與前進方向所成的角度應保持最小角度應保持最小。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性三、土壤的可塑性三、土壤的可塑性o 土壤在外力作用下，能塑造成任意形狀而不破裂，并在土壤在外力作用下，能塑造成任意形狀而不破裂，并在去掉外力以后仍能保持新形狀的性質，去掉外力以后仍能保持新形狀的性質，稱土壤塑性稱土壤塑性。o 塑性僅在一定含水量范圍才能表現出來。塑性僅在一定含水量范圍才能表現出來。 干土無塑性，隨土

11、壤含水量增加干土無塑性，隨土壤含水量增加 至土粒表面至土粒表面形成一薄層水膜時形成一薄層水膜時 因水膜張力作用使土粒粘結在因水膜張力作用使土粒粘結在一起一起 當外力大于水膜的張力時當外力大于水膜的張力時 土粒相互滑動土粒相互滑動 使土體變形。外力消失時，土粒仍被水膜粘結力保持在使土體變形。外力消失時，土粒仍被水膜粘結力保持在土體變形后的位置上土體變形后的位置上 土壤就表現出塑性。土壤就表現出塑性。 第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性 塑性下限塑性下限（塑限）（塑限） ：土壤開始出現塑性時的最：土壤開始出現塑性時的最小含水量。小含水量。 塑性上限塑性上限（液限或流限）：土壤能夠保持塑性（液限

12、或流限）：土壤能夠保持塑性 的最大含水量。的最大含水量。 塑性指數塑性指數：塑性上限與塑性下限之差。它反映：塑性上限與塑性下限之差。它反映土壤塑性的強弱。土壤塑性的強弱。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性1影響土壤塑性的因素影響土壤塑性的因素o 土壤質地和礦物種類土壤質地和礦物種類：粘粒含量小于：粘粒含量小于15的土壤無塑的土壤無塑性，隨粘粒增多，塑性下限增加較少，上限增加較多，性，隨粘粒增多，塑性下限增加較少，上限增加較多，故塑性指數增加，塑性增強。故塑性指數增加，塑性增強。2：1型膨脹型型膨脹型礦物（蒙礦物（蒙脫石類）塑性最大，脫石類）塑性最大，2：1型非膨脹型型非膨脹型（水云母類）次

13、（水云母類）次之，之，1：1型礦物型礦物（高嶺石類）最小。（高嶺石類）最小。o 有機質含量有機質含量：增加土壤有機質，可使土壤塑性上、下限：增加土壤有機質，可使土壤塑性上、下限都增加，但對塑性指數無大的影響，這有利于土壤耕作都增加，但對塑性指數無大的影響，這有利于土壤耕作（因為提高土壤塑性下限，就擴大了適于耕作的土壤含（因為提高土壤塑性下限，就擴大了適于耕作的土壤含水量范圍）。水量范圍）。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性2土壤塑性對土壤耕作的影響土壤塑性對土壤耕作的影響o 在土壤塑性范圍內耕作，土粒滑動使土壤粘閉，在土壤塑性范圍內耕作，土粒滑動使土壤粘閉，易形成大的垡條，干后形成大的土塊

14、，降低耕易形成大的垡條，干后形成大的土塊，降低耕作質量，不利作物生長。作質量，不利作物生長。o 另外，在土壤塑性范圍內耕作，因機械壓力而另外，在土壤塑性范圍內耕作，因機械壓力而產生塑流，易陷車。同時，土壤的粘結力、內產生塑流，易陷車。同時，土壤的粘結力、內摩擦力很小，機械易打滑。摩擦力很小，機械易打滑。o 避免在土壤的塑性范圍內耕作。避免在土壤的塑性范圍內耕作。第一節第一節 土壤的結持性土壤的結持性土壤的結持狀態土壤的結持狀態阻力從大阻力從大小，粘小，粘閉、下陷、打滑閉、下陷、打滑阻力小，形成團阻力小，形成團聚體，最適耕作聚體，最適耕作阻力大，形成土阻力大，形成土塊，破壞結構塊，破壞結構耕作性

15、質耕作性質無無粘結力、粘著力粘結力、粘著力很弱的粘結力很弱的粘結力粘結力粘結力作用力作用力流動流動粘著、可塑粘著、可塑酥松酥松堅硬堅硬結持狀態結持狀態0 00.60.631310.60.610000100003131土壤吸水土壤吸水力（力（10105 5PaPa）飽和飽和濕濕濕潤濕潤干干水分水分 第二節第二節 土壤的摩擦性質土壤的摩擦性質o 外摩擦力外摩擦力土壤與農機具的金屬部件或輪胎土壤與農機具的金屬部件或輪胎之間的摩擦稱為外摩擦力。之間的摩擦稱為外摩擦力。o 內摩擦力內摩擦力土壤顆粒與顆粒之間產生的摩擦土壤顆粒與顆粒之間產生的摩擦力稱為內摩擦力。力稱為內摩擦力。第二節第二節 土壤的摩擦性質

16、土壤的摩擦性質一、土壤的外摩擦性質一、土壤的外摩擦性質o 外摩擦力的產生有三個階段：外摩擦力的產生有三個階段：n 土壤干燥階段，摩擦系數較小；土壤干燥階段，摩擦系數較小；n 土壤水分增加，土壤出現粘著性時，摩擦系數土壤水分增加，土壤出現粘著性時，摩擦系數增大，水分增至接近液限時，摩擦系數最大；增大，水分增至接近液限時，摩擦系數最大；n 水分超過液限時，水膜起潤滑作用，摩擦系數水分超過液限時，水膜起潤滑作用，摩擦系數減小成一常數。減小成一常數。第二節第二節 土壤的摩擦性質土壤的摩擦性質o 影響土壤外摩擦力大小的因素：影響土壤外摩擦力大小的因素：n 所受的正壓力；所受的正壓力；n 金屬表面的粗糙特

17、性；金屬表面的粗糙特性；n 土壤水分；土壤水分；n 土壤質地。土粒越細，土粒與金屬的接觸面積土壤質地。土粒越細，土粒與金屬的接觸面積越大，摩擦越強；反之，則小。越大，摩擦越強；反之，則小。 砂土的外摩擦系數為砂土的外摩擦系數為0.060.31；壤土為；壤土為0.300.40；粘土為粘土為0.450.55.第二節第二節 土壤的摩擦性質土壤的摩擦性質o 二、土壤的內摩擦性質二、土壤的內摩擦性質n土壤水分多時，水膜起潤滑作用，內摩擦系數減少。土壤水分多時，水膜起潤滑作用，內摩擦系數減少。n粘重土壤的內摩擦系數隨含水量增加。粘重土壤的內摩擦系數隨含水量增加。 因水分滲透慢，在飽和條件下，水分對壓力產生

18、支承因水分滲透慢，在飽和條件下，水分對壓力產生支承作用使摩擦力減少，直至接近于零；作用使摩擦力減少，直至接近于零；n質地較輕的壤土，摩擦系數雖隨水分增加也減少，但當質地較輕的壤土，摩擦系數雖隨水分增加也減少，但當水分超過塑性上限后，因滲透快，摩擦力仍維持一定的水分超過塑性上限后，因滲透快，摩擦力仍維持一定的值。值。故內摩擦系數與外摩擦系數的情況正相反，表現為砂土的故內摩擦系數與外摩擦系數的情況正相反，表現為砂土的內摩擦系數大（內摩擦系數大（0.400.75），而粘土較小（），而粘土較小（0.120.40）。）。第三節第三節 土壤的抗剪強度土壤的抗剪強度一、土壤的抗剪強度一、土壤的抗剪強度（一）

19、概念：（一）概念：土壤顆粒運動所產生的最大內部阻土壤顆粒運動所產生的最大內部阻力，稱。力，稱。o土壤抗剪切的力包括：摩擦力和粘結力。 S=CPtg S抗剪強度； P正壓應力； C粘結強度； 內摩擦角 當農機具作用于土壤時，對土壤施當農機具作用于土壤時，對土壤施加剪力，土壤會發生形變，隨作用力增加剪力，土壤會發生形變，隨作用力增加，土壤發生形變達到最高值時，作用加，土壤發生形變達到最高值時，作用力再增加，土壤則破碎，抗剪阻力迅速力再增加，土壤則破碎，抗剪阻力迅速下降。下降。第三節第三節 土壤的抗剪強度土壤的抗剪強度（二）影響土壤抗剪強度的因素（二）影響土壤抗剪強度的因素 1. 土壤質地土壤質地：

20、土壤越粘重，抗剪強度越大。：土壤越粘重，抗剪強度越大。 2. 土壤容重土壤容重：容重越大，土壤越緊密，土粒咬：容重越大，土壤越緊密，土粒咬合越大，抗剪強度越大。合越大，抗剪強度越大。第三節第三節 土壤的抗剪強度土壤的抗剪強度 3. 土壤水分土壤水分： a 土塊土塊抗剪強度抗剪強度：土塊、團粒結構和團聚土塊、團粒結構和團聚體被剪切時，土壤抗剪強度主要由分子內聚體被剪切時，土壤抗剪強度主要由分子內聚力形成的粘結力起作用。力形成的粘結力起作用。 故含水少，抗剪強度大。含水量增加，故含水少，抗剪強度大。含水量增加，抗剪強度下降（曲線抗剪強度下降（曲線A）。）。 b 整體抗剪強度整體抗剪強度（指耕層土壤

21、被剪切時（指耕層土壤被剪切時的抗剪強度）：耕層土壤較疏松，主要由水的抗剪強度）：耕層土壤較疏松，主要由水膜張力形成的粘結力起作用。膜張力形成的粘結力起作用。 土壤含水量在塑限以下時，土壤抗剪強土壤含水量在塑限以下時，土壤抗剪強度隨水分增加而增加，至塑性下限時達最大度隨水分增加而增加，至塑性下限時達最大值，然后迅速下降，含水量達塑性上限時，值，然后迅速下降，含水量達塑性上限時，抗剪強度很小（曲線抗剪強度很小（曲線B）。）。第三節第三節 土壤的抗剪強度土壤的抗剪強度(三三) 土壤抗剪強度與土壤耕作的關系土壤抗剪強度與土壤耕作的關系 1土壤水分低時土壤水分低時 （1）結構良好的土壤）結構良好的土壤：

22、整體抗剪強度低，而土塊、團聚體抗剪強度：整體抗剪強度低，而土塊、團聚體抗剪強度高，此時耕作，雖然土塊不易破碎，但也不易破壞土壤結構。高，此時耕作，雖然土塊不易破碎，但也不易破壞土壤結構。 （2）結構不良土壤：）結構不良土壤：土塊和整體土壤的抗剪強度相仿，此時耕作，土塊和整體土壤的抗剪強度相仿，此時耕作，不但原有土塊不易散，并且會形成新的土塊。不但原有土塊不易散，并且會形成新的土塊。 2土壤水分增加時土壤水分增加時o在整體抗剪強度增加的同時，而土塊抗剪強度卻迅速下降。此時，在整體抗剪強度增加的同時，而土塊抗剪強度卻迅速下降。此時，土塊抗剪強度土塊抗剪強度整體土壤抗剪強度，耕作時隨土塊易碎，但團粒

23、整體土壤抗剪強度，耕作時隨土塊易碎，但團粒結構也易遭受破壞。結構也易遭受破壞。第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實一、土壤壓縮一、土壤壓縮（一）概念（一）概念 指土壤在外力作用下，由于土粒的定向指土壤在外力作用下，由于土粒的定向排列和膠體微粒體積的變化，而導致土壤容排列和膠體微粒體積的變化，而導致土壤容積的減少。積的減少。 主要是孔隙容積減少。主要是孔隙容積減少。第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實（二）影響土壤壓縮的因素（二）影響土壤壓縮的因素 1作用力作用力：土壤壓縮至一定密度需要的作用力，隨土壤：土壤壓縮至一定密度需要的作用力，隨土壤濕度的增加而成指數性減少；在一定含

24、水量條件下，壓濕度的增加而成指數性減少；在一定含水量條件下，壓實密度隨施加的力的增加而成指數性增加。實密度隨施加的力的增加而成指數性增加。 2含水量：含水量：在一定作用力下，隨著含水量增加，壓實密在一定作用力下，隨著含水量增加，壓實密度增加，當含水量達最大值后，含水量增加則密度下降度增加，當含水量達最大值后，含水量增加則密度下降。 第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實 3壓力增加，最適壓實含水量（壓力增加，最適壓實含水量（指土壤壓實指土壤壓實至最大密度的含水量至最大密度的含水量）降低。因為較大壓力下，）降低。因為較大壓力下，土壤孔隙度降低，土粒表面形成水膜需要的水土壤孔隙度降低，土粒

25、表面形成水膜需要的水分減少。分減少。 4在壓應力和剪應力同時起作用情況下，壓在壓應力和剪應力同時起作用情況下，壓應力是土壤壓實的主要原因，在含水量高時，應力是土壤壓實的主要原因，在含水量高時，剪應力的壓實作用增加。剪應力的壓實作用增加。第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實二、耕作栽培中的土壤壓實問題二、耕作栽培中的土壤壓實問題（一）土壤壓實的概念（一）土壤壓實的概念o 土壤壓實：指在農機具作用下，土壤壓縮、容土壤壓實：指在農機具作用下，土壤壓縮、容重加大，孔隙減少至影響作物生長時，稱為。重加大，孔隙減少至影響作物生長時，稱為。第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實（二）壓實對

26、土壤和作物生長的影響（二）壓實對土壤和作物生長的影響 壓實的土壤空氣少，通氣差，蓄水少，好氣性微生物活動受抑，壓實的土壤空氣少，通氣差，蓄水少，好氣性微生物活動受抑，有效態養料少。有效態養料少。 壓實土壤的滲水性差，遇大雨易產生徑流，引起土壤沖刷。壓實土壤的滲水性差，遇大雨易產生徑流，引起土壤沖刷。 壓實土壤的結構被破壞，土粒緊密結合，易板結。壓實土壤的結構被破壞，土粒緊密結合，易板結。 壓實土壤的粘結力、抗剪強度等增加，從而增大耕作阻力。壓實土壤的粘結力、抗剪強度等增加，從而增大耕作阻力。 壓實土壤上作物出苗緩慢，不整齊，植株生長慢，矮小，根系淺壓實土壤上作物出苗緩慢，不整齊，植株生長慢，矮小，根系淺而不發達，易產生畸形塊根，招致減產。而不發達，易產生畸形塊根，招致減產。第四節第四節 土壤的壓縮和壓實土壤的壓縮和壓實（三）土壤壓實的原因（三）土壤壓實的原因o過度耕作過度耕作：耕作機具都有壓