第九章土壤的物理機械性和耕性第一節土壤的物理機械性

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特性，叫作土壤的物理機械性。

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

waalsforce)

是分子之間相互作用力的統稱，包括取向力，誘導力和色散力。

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。

誘導力

是感應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，礦質土粒與有機分子之間的結合，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，也可以使土粒互相排斥。土壤膠粒表面多帶負電荷，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，可使相鄰的土粒互相靠近。(三)影響土壤粘結性的因素1、土壤質地土壤質地越粘重，特別是2:1型粘粒礦物的含量較高時，土壤的粘結性強,砂土的粘結性最弱，壤土居中。

2、土壤的結構性由于土壤顆粒在團聚過程中降低了彼此間的接觸面，有團粒結構的土壤粘結性弱。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，粘結性會增強。3、腐殖質含量腐殖質含量高的土壤粘結力低，有兩方面原因。一是腐殖質本身的粘結性弱，當腐殖質成膜狀包被在粘粒周圍時，就改變了接觸面的性質，而使粘粒的粘結力減弱。另一方面，腐殖質還能促進團粒結構的形成，從而使粘質土壤的粘結性減弱。

4、土壤含水量土壤含水量的多少，對粘結性的強弱影響很大。土壤含水量對粘結性的影響，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，土粒之間不表現粘結力。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”，就開始顯現粘結性。

當水膜均勻分布，在所有土粒的接觸點上都出現彎月面時，土壤粘結力達到最大值。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。

脫水過程粘結力的增加曲線與吸水過程的粘結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最大粘結性；而脫水時粘結性最大值出現在水份含量極低時，甚至含水量等于零的時候。

土壤的粘結性強，對農業生產來說通常是不利的，應該加以改善。改良的途徑，包括改變土壤的質地，增加有機質含量，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。粘著點的出現要比開始出現粘結性的含水量高些。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，一般對生產也是不利的。(三)影響因素1、土壤的質地在含水量一定時，土壤質地越細，土壤粘著性越強。

2、有機質含量土壤有機質含量高，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出來的。6、外物的表面性質外物的性質對粘著性有一定的影響，粘在木質器物和金屬器物上的粘著力就有所不同。表9-1各種土壤的粘結力及對鐵片的粘著力

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

1.硅質純砂土

2.腐殖質

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，稱為土壤的脹縮性。

（二）意義一般而言，土壤的脹縮性愈大，對作物生長發育愈不利。土壤膨脹時，對周圍土壤產生強大的壓力，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、土壤質地土壤質地越細，土壤中膠體物質愈多，土壤脹縮性愈強。2、土壤有機質土壤有機質含量愈高，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，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，這種性質稱為可塑性。(二)產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，使土塊產生形變，但又沒有喪失粘結性。土壤開始呈現可塑狀態時的最低含水量，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，它們的差數稱為塑性值。表9-2各種質地土壤的塑性指標（含水量％）

土壤質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、土壤質地細質地土壤可塑性強。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、有機質能提高上下塑限，但幾乎不改變塑性值。因為有機質本身缺乏塑性，只有當有機質吸足水分后，才能形成產生塑性的水膜，因而使下塑限提高，減少了產生可塑性的機會。第二節土壤耕性土壤耕性(soiltilth)是人們在長期的農業實踐中逐漸形成的概念，其內涵相當廣泛。一般認為，耕性是指土壤在耕作過程中和耕作后的表現，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、耕作質量的好壞：耕作后的效果如何。3、宜耕期的長短：粘質土壤干時僵硬，濕時泥濘，只有在一定含水量范圍內才適于耕作。一、土壤的結持狀態(soilconsistence)(一)概念土粒間的聯系情況，以及在外力作用下的可移動性，稱為土壤的結持狀態。土壤的結持狀態主要受含水量的影響。(二)類型1、堅固結持狀態

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

3、可塑結持狀態土壤呈可塑性，無粘著性，此時耕作易起垡塊，但不粘犁。4、粘韌結持狀態有塑性和粘著性，耕作時既起垡塊又粘犁，耕作阻力大，效果差。5、濃漿結持狀態土壤呈濃漿狀，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，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的直線關系。粘質土壤含水量越低，堅實度越大，對砂土來說，含水量的影響不大。有團粒結構的土壤，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，與垂直應力相當的土壤阻力，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力決定，凡影響粘結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，在實際應用時有時不加區別。(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力的作用。當剪應力超過一定值時，土塊便被剪斷，這時的剪應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的相互關系可用下式表達：式中：

為內摩擦角，tg

為內摩擦系數，ptg

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

，抗剪強度等于其內摩擦力。

粘質土壤內摩擦角為7°～22°，但粘結力較高，抗剪強度S=ptg

+C。

因此，粘質土的耕作阻力比砂土要大。而且，會發生粘閉作用(puddle,puddling，布丁)，產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地，如粘質土中摻入砂土，或增加土壤有機質的含量，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，選擇最適當的時機進行耕作。所謂最適當的時機，就是土壤的水分含量最適合的時候。

土壤的結持性和耕作阻力都是隨含水量變化的。對旱田來說，適耕的狀態是松脆結持狀態。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有關，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。總的說來，砂土到輕壤土，以及有結構的土壤，適耕含水量寬；中壤土到粘土，這個范圍窄，水分稍多就表現出強烈的塑性和粘著性，稍干就結成硬塊，宜耕期很短。

第三節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、出苗和生長創造良好的土壤環境。1、改善土壤耕層的狀態，使耕層有適當的固、汽、液三相比例，改善通氣、透水性能，改良土壤的溫度狀況。2、創造或恢復耕層的團粒結構，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、土壤耕作的基本內容土壤耕作的項目很多，各個地區有很大差別，甚至可以看成一種文化，但其主要的內容大同小異。

(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，隨著大型農機具的發展，全國各地一片深耕熱潮，持續了30多年。隨著“人民公社”的消失，大型農機具已發揮不了作用，加上農民種地的自主權，深耕也隨之消聲匿跡，重新恢復淺耕，有的甚至長期不耕翻。

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

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壓。不宜頻繁耕翻，深耕的后效一般可持續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，土地經過犁耕后起伏不平，耕層內還有土塊架空，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、破除土表結殼，土壤在接受降雨或灌溉后表土常常板結，通過耙地可以打碎結殼。(三)耱(耢)地這個環節南方稱為耱，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，有利于播種。(四)鎮壓鎮壓有兩個主要功能：一是接通毛細管，使下層的土壤水分能向上傳導，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，應在播前鎮壓，以保證播種深度均勻一致。

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

3、調節土溫；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，是經常性的的土壤管理措施。第四節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。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，另一部分是其他農業措施，如施肥、農藥、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的。粒狀土粒可以通過滾動或滑動，由疏松排列變成緊密排列，片狀土粒由雜亂的排列變為平行的定向排列，使土壤的孔隙減小，土壤體積也相應減小。(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系。在水很少的情況下，土粒之間的粘結力和摩擦力都很強，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系，大體上，土壤含水量在塑性范圍內最易壓縮。

2、土壤有機質含量有機質本身有一定的彈性，并能促進團聚體的形成，富含有機質的土壤不易發生壓板。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)壓板對于土壤性質和作物生長的影響1、對土壤性質的影響A.

土壤壓板后，透水性減弱，卻使蒸發增強；B.壓板土壤的耕作阻力明顯增加，耕作時消耗更多的能量，同時耕作質量下降。影響通氣，產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，影響有機質的分解，使速效氮供應不足。

2、對作物生長的影響缺氧，營養不良;B.土壤過于緊實，影響根系發育;C.作物吸收水分困難;D.根呼吸受影響，使作物減產。(六)土壤壓板的防止1、改良農機具農機具的壓力是土壤壓板的最主要因素，因此，必須注意改進農機具的設計，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土壤結持性與宜耕期的關系

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及濕潤帶丘陵地區的一種新的耕作法，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容縮小耕作面積，盡可能減少作業次數，是減輕土壤壓板、降低生產成本的有效措施。