第六章土壤结构与力学性质

（一）土壤颗粒的概念
土粒：土壤中的颗粒。
根据土粒的成分，可分为：矿物质土粒和有机质土粒。
前者的数目占绝对优势，而且在土壤中长期稳定地存在， 构成土壤固相骨架；
后者或者是有机残体的碎屑，极易被小动物吞噬和微生物 分解掉，或者是与矿质土粒结合而形成复粒，因而很少单独地 存在。
通常所指土粒，是专指矿质土粒。
第六章 土壤结构和力学性质
教学目标
•了解土壤的颗粒大小与性质 •掌握土壤质地类别与不同质地土壤肥力特点 •了解土壤的三相组成与计算方法 •理解土壤是一个复杂的多相体系 •了解土壤结构体的种类及其重要性 •掌握土壤团粒结构在土壤肥力上的意义 •了解土壤力学性质和土壤耕性
第一节 土壤颗粒
一、土壤粒级
粒级（粒径毫米） 全土样
0.10～0.05 0.05～0.01 0.01～0.005 0.005～0.001
<0.001
一种森林土壤表层各级土粒的密度
腐殖质（克/千克) 29.5 0 4.3 14.8 53.7 64.2
密度(克/厘米 3) 2.62 2.66 2.66 2.62 2.59 2.59
土壤孔性可以从三方面理解： 一是土壤孔隙总量（总孔度）； 二是大小孔隙分配（分级孔度）； 三是“土体构造”即上下土层的孔隙分布、连通问题。
1、土壤孔度
所有孔隙体积的总和占整个土壤体积的比例，叫 做土壤总孔隙度（简称总孔度或孔度），以百分数（ ％）或小数表示。
（1）总孔度的测定和计算
土壤总孔度

孔隙体积 土壤体积
灰 0.01~0.005 82.63 8.13 2.39 0.97 0.06 0.95 1.94 2.77 1.45 0.14 色 森 0.005~0.001 76.75 11.32 3.95 1.34 0.04 1.00 1.05 3.32 1.30 0.25 林 土 <0.001 58.03 23.40 10.19 0.73 0.17 0.44 2.40 3.15 0.24 0.46
全土
85.10 5.96 2.46 0.53 0.12 0.92 0.68 2.38 0.75 0.11
0.1~0.01 88.12 5.75 1.29 0.45 0.04 0.74 0.29 1.99 1.21 0.02
0.01~0.005 82.17 7.96 2.73 1.00 0.02 0.94 1.19 2.31 1.84 0.12 黑 钙 0.005~0.001 67.37 17.16 7.51 1.38 0.03 0.75 1.77 3.04 1.38 0.23 土
土壤容重的用处：
①计算土壤孔隙度 根据实测土壤的容重与密度，按
下式计算：
孔隙度＝1－
容重 密度
②计算工程土方量
③估算各种土壤成分储量
④计算土壤储水量及灌水（或排水）定额
2、浸水容重：反应浸水条件下土壤结构状态和淀实程 度的指标。
测定方法：磨细的风干土样称重后，放入盛水的大量 筒中，浸泡分散，搅拌，静置，待土粒下沉到筒底，记 下沉淀容积；另取一份风干土样测定含水量，由此计算 筒内土样的干质量，再由公式计算浸水容重：
注意两点：
一、各粒级间的界限多少是人为定的，尽量选 择其理化性质变化较明显的转折处；
二、不同粒级制是与对土粒的概念和机械组成 分析的前处理方法相联系的。
（三）各级土粒的矿物组成和化学组成
1、土粒的矿物组成 2、土粒的化学组成和化学性质 3、土粒的物理性质 4、不同粒级土粒的基本特征
1、土粒的矿物组成 图6-1 土壤粗细颗粒的矿物组成示意图
腐殖质
4.90～5.30 5.03～5.18 2.30～2.40 2.61～2.68 2.53～2.74 2.60～2.90
1.40～1.80
注意
多数土壤的密度为2.6～2.7g/cm3，在机械分析中计算各级土 粒的沉降速率时，往往采用“常用密度值”即
常用土壤密度值：
2.65g/cm3。
在同一土壤中,不同大小土粒的腐殖质含量和矿物组成不同， 因而其密度也不同。
单粒和复粒
固相骨架中的矿质土粒可以单个地存在，称为
单粒，在质地轻而缺少有机质的土壤中，单粒在
数目上占优势。 在质地粘重及有机质含量较多的土壤中，许多
单粒相互聚集成复粒。
通常所说的土粒，均指矿质土粒中的单粒
Ca2+ 土粒 腐
殖
土粒
质
土粒
Fe2+ 土粒
土粒 腐 殖 质
土粒 Fe3+
Al3+
单个土粒
<0.001 57.47 22.66 11.54 0.66 0.08 0.38 2.48 3.17 0.19 0.39
全土
71.52 13.74 5.52 0.70 0.18 2.21 1.73 2.67 0.75 0.21
3、土粒的物理性质
表6-3 红壤及其各粒级的物理性质
粒级（mm）
相对密 度
砂
粒
粗粉粒
物
中粉粒
理
细粉粒
性
粘 粘 粗粘粒
粒 粒 细粘粒
胶质粘粒
苏联制
美国农部制 (1951) 石砾
极粗砂粒 粗砂粒 中砂粒 细砂粒
极细砂粒
粉粒
粘粒
美国制
国际制 (1930) 石砾 粗砂粒
细砂粒
粉粒
粘粒
土壤颗粒分级：(mm)
直径 国际制 美国制
石砾
>2
>2
砂粒 2-0.02 2-0.05
粉粒 0.02-0.002 0.05-0.002
，干时结块龟裂，湿时泥泞。 （4）粘粒本身养料丰富，吸水保肥能力强，潜在养分储量
多，但土温较低，养分不易转化。
C 粉粒（0.05 mm~0.002 mm） 颗粒大小及其性质位于砂粒和粘粒之间。
二、土壤密度和容重
（一）土壤密度
单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙的容积)的质量（实用上 多以重量代替，克/厘米3）称为土壤密度。
微团粒
团聚体
（二）土壤粒级（粒组）
土壤粒级：土粒的大小差别很大，为了便于研 究不同大小颗粒的特性，人们将一系列大小不 同的土粒，区分为若干组，称为土壤粒级（粒 组）。
1、当量粒径与理想土壤
• 土壤中的颗粒的形状各异； • 当量粒径、有效粒径、理想土壤的概念来自土壤机械分析
（颗粒分析）时采用的假设和方法。 • 当量粒径（有效粒径）

孔隙体积 土粒体积 孔隙体积
100
%
（2）“理想土壤”的总孔度
图6-2 理想土壤的最松（左）和最紧（右）排列
方体排列的孔度为47.46%（左） 三斜六面体排列的孔度为24.51％（右）
（3）土壤总孔度的变化范围
砂 土 30－45％ 壤 土 40-50% 粘 土 45-60% 泥炭土 >80％ 结构良好的壤土和粘土的孔度高达55-65%， 甚至在70％以上。
粘粒 <0.002 <0.002
物理性砂粒：
物理性粘粒：
卡庆斯制 >1
1-0.05 0.05-0.001
<0.001 1-0.01mm <0.01mm
中国制 >1
1-0.05 0.05-0.002
<0.002
由国内外主要土粒分级制可见，土粒一般可分为 3~11级，其基本级只有石砾、砂粒、粉粒和粘粒4级。
团粒结构土壤的孔度比非团聚化土壤增加1/3 至1/2左右。
单位土壤容积内孔隙所占的百分 数。
孔隙度＝1－固相率 ＝液相率＋气相率
孔隙比＝ 孔隙容积 土粒容积
（二）土壤孔性
土壤孔隙性质（简称孔性）指土壤孔隙总量及大、小 孔隙分布状况；是指能够反映土壤孔隙总容积的大小， 孔隙的搭配及孔隙在各土层中的分布状况等的综合特 性。
孔性好坏取决于土壤质地、松紧度、有机质含量和结 构等。
浸水容重

干土质量 沉淀容积
3、影响容重值的因素
质地、结构、有机质含量以及各种自然因素和人工管理措施。
三、土壤孔隙
（一）三相组成和孔隙度
小
大
孔
孔
隙
隙
1、三相组成指标
土壤固、液、气三相的容积分别占土体容积的百分率， 称为固相率、液相率（即容积含水量或容积含水率，可与质 量含水量换算）和气相率。
三者之比即是土壤三相组成
水通畅，胀缩性小。 （3）比表面积小，无粘结性，粘着性、可塑性，耕性好。 （4）吸水保肥能力弱，养分易随水流失，升温快，养分易转化。
B 粘粒（<0.002 mm或<0.001 mm ） （1）颗粒细小，属胶体范围，矿物成分主要为次生矿物。 （2）通气透水性弱，排水不畅，易造成土壤积水和内涝。 （3）比表面大，粘结性，粘着性、可塑性均强，耕性不良
固相率

固相容积 土体容积 100%
液相率

水容积 土体容积 100%
气相率

空气容积 土体容积
100%
三相组成的测定及计算
先测定土壤的固相率、液相率，再用差减法计算其气相 率。
1）固相率 由实测的土壤密度和土壤容重计算之：
容重 固相率＝ 密度
2）液相率（容积含水率）
土壤含水量（质量％） ＝土壤水质量 干土质量
2、土粒的化学成分和化学性质
表6-2 两种代表性土壤各粒级的化学组成
粒级（mm）
SiO2
化学组成（占干重%） Al2O3 Fe2O3 TiO2 MnO CaO MgO
K2O
Na2O
P2O5
0.1~0.01 89.90 3.90 0.94 0.51 0.06 0.61 0.35 2.21 0.81 0.04
1.17
2.13 41.2 23.6 17.6 0.06 0.28
<0.001 2.80 0.97
0.46
18.70 71.2 47.7
23.4 0.25
3.64
不同粒级土粒的基本特征
A 石砾和砂粒（>0.05 mm） （1）颗粒大，所含矿物为原生矿物。 （2）含石砾和砂粒较多的土壤疏松多孔，通气透水好，排
表表64--41 土土壤壤中中常常见组见分的组密分度 (的克/密厘米度3)
石英 正长石 斜长石 白云母 黑云母 角闪石 辉石 纤铁矿
2.60～2.68 2.54～2.57 2.62～2.76 2.77～2.88 2.70～3.10 2.85～3.57 3.15～3.90 3.60～4.10
赤铁矿 磁铁矿 三水铝石 高岭石 蒙皂石 伊利石
2、土粒的大小分级——粒级
粒级（粒组）：根据土粒直径的大小和性质上的差 异，将矿物质土粒划分为若干粒径等级，每一等级 就叫一个粒级。
组内粒径大小、成分及性质基本相近 而组间则有明显的差异
这种粒径划分就是矿质土粒的分级
表6-1 常见的土壤粒级制 （P109 ）
当量粒径 (毫米) 3-2 2-1 1-0.5 0.5-0.25 0.25-0.2 0.2-0.1 0.1-0.05
粗粒部分：过筛分级，如0.5-1.0mm。 细粒部分：根据斯托克斯定律，把土粒看做光滑的实心圆球， 取与此粒级沉降速率相同的圆球直径，作为其当量粒径。 • 理想土壤：由光滑实心圆球各级土粒堆积的土壤
与实际情况相差甚远（尤其是对片状粘粒来说），但在土壤学、 土工学研究及应用中这种圆球堆积的“理想土壤”沿用已久
0.25~0.05 2.68 1.46
1.25
0.59
无
无
无
0.03
0.05~0.01 2.69 1.30
1.31
0.14
无
无
无
-0.04
0.01~0.005 2.68 1.20
1.49
0.20
无
无
无
-0.06
0.005~0.002 2.87 1.22
1.37
0.65
无
无
无
-0.04 0.12
0.002~0.001 2.76 1.10
容重 浸水容重 （g/cm3） （g/cm3）
吸湿系数 （%）
流限 （%）
塑限 （%）
全土（<1） 2.72wk.baidu.com1.25
0.66
9.74 42.1 25.8
塑性指 膨胀 抗压强度 数 （ml/g）（kg/cm2）
16.3 0.09 3.15
1~0.25 2.66 1.52
1.33
0.34
无
无
无
0.03
0.05-0.02 0.02-0.01 0.01-0.005 0.005-0.002 0.002-0.001 0.001-0.0005 0.0005-0.0001 <0.0001
中国制 (1987) 石砾
粗砂粒
细砂粒
粗粉粒
中粉粒 细粉粒 粗粘粒
细粘粒
卡钦斯基制 (1957) 石砾
粗砂粒
物
中砂粒
理
性
细砂粒
土壤含水率（容积％）＝土壤含水量（质量％）×土壤容重
3）气相率
孔隙度 1－固相率 1－密 容度 重 气相率=孔隙度－容积含水率
4）土壤三相比 三相比＝固相率：容积含水率：气相率
适宜的土壤三相比为： 固相率50%左右， 容积含水率25-30%， 气相率15-25%。
2、土壤孔隙度(土壤孔度)
（二）土壤容重
1、土壤容重：田间自然垒结状态下单位容积土 体（包括土粒和孔隙）的质量或重量(克/厘米3或吨/米 3），曾称土壤假比重。
土壤容重总是小于土壤密度，两者的质量均以 105－110℃下烘干土计。
土壤容重值多介于1.0-1.5克/厘米3范围内, 夯实的土壤容重则可高达1.8-2.0克/厘米3