2022年第六章讲稿土壤圈 .pdf

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1、学习必备欢迎下载第六章土壤圈大气圈、水圈和岩石圈是地理环境中无生命的圈层，而土壤圈和生物圈则是地理环境中具有类生命和生命性质的圈层。 从地球演化历史方面考察， 这后两个圈层形成较晚， 属于地理环境中比较“年轻”的成员，在进化阶段上，土壤比生物低级，其结构和功能比生物体亦简单得多。土壤通是指位于陆地表层和浅水域底部，由有机物质和无机物质组成的、具有一定肥力而能够生长植物的疏松层 ，其厚度一般为 12m以内。土壤有地球表面所构成的覆盖层称为土壤圈或土被层。现代土壤科学不但研究土壤类型的组成、性质及其与各成土因素之间的关系，还将土壤圈内部的物质迁移转化过程及与地球其他圈层之间的物质交换过程、速率、机

2、制及其相互影响作为研究重点，以便为保持和改善人类生存环境、发展农林牧业生产和全球变化研究服务。第一节土壤的组成和性质一、土壤剖析（一）土壤剖面、单个土体和聚合体自然界的土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂直和水平方向上各异的三维连续体，因此，认识和研究土壤需从具体的土壤剖面及单个土体划分及其剖析入手。1土壤形态特征从地面垂直向下至母质的土壤纵断面称为土壤剖面。 土壤剖面中与地面大致平行的物质及性状相对均匀的各层土壤， 称为土壤发生层， 简称土层， 土壤发生层是土壤剖面的基本组成单元，如图 6.1 所示。奥地利土壤学家库比纳（Kubiena）早在 1953年就提出了 A、B、Bh、BC、C和

3、G土壤发生层，根据这些土层的组合将土壤划分为(A) C 、AC 、A（B）C、ABC 、BABC型 5 种土壤。后来这一观点得到发展和进一步的完善，并构成了土壤形态发生学的基础。 在土壤剖面之中土层的数目、排列组合形式和厚度， 统称为土壤剖面构造或土体构型，它是土壤最重要的形态特征。依据土壤剖面中物质迁移转化和累积的特点，一个发育完整的土壤剖面可以划分出三个最基本的土壤发生层，即A、B、C层。在同一土壤剖面中的每个土层与其上下相邻的土层之间，在土壤颜色、结构体、质地、有机质含量等方面具有明显差别，这种差别也是逐渐变化的。但是对某一类型的土壤而言，它具有特定的典型土壤剖面构型。2聚合土体由于土壤

4、无论在时间和空间上均是呈连续状态存在的，故土壤科学的学习与研究总是首先从土壤剖面观察、 采样及化验分析入手， 以了解土壤的物质组成、 性状及其与成土环境的关系。土壤剖面的立体化就构成了单个土体（图 6.1 ） 。单个土体是土壤的最小体积单位，单个土体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 49 页学习必备欢迎下载的形状大致为六面柱状体，根据土壤剖面的变异程度，单个土体的水平面积一般为1.10 m2。在空间上相邻、 物质组成和性状上相近的多个单个土体便组成聚合土体。聚合土体相当于土壤系统分类中的基层单元中的土系，是一个具体的土壤景

5、观单位，它经常被作为土壤野外调查、观察、制图及其研究的重要对象。（二）土壤肥力土壤形成的周期非常漫长，多数土壤经过了数千万年的发育历史。JThorp（1965）曾指出，经过 7 00010 000 年的发育时间，冰碛物上的土壤仍处于原始阶段。据报道，在石灰岩上形成 2.5 cm厚的细土层，大约需要240500年的时间。相对于人类社会来说，土壤资源也可以被认为是不可再生资源，它一旦遭到破坏，很难恢复。所以我们要十分珍惜土壤资源，合理开发利用和保护土壤资源。土壤肥力是指土壤为植物生长发育供应、协调营养因素（水分和养分）和环境条件( 温度和空气 ) 的能力。虽然植物生长所必需的基本因素即光能和热量主

6、要来源于太阳辐射，空气 （主要为 O2和 CO2）取自大气圈，而水分和养分却主要通过根系从土壤中吸取。植物之所以能立足于自然界经历风雨而不倾倒， 也是由于其根系伸展在土壤圈之中，并从中获得土壤机械支持的缘故。土壤肥力及其生产力是农林牧业生产的基本保证，农林牧业生产过程包括植物性生产和动物性生产两个基本部分， 其基本功能是为人类社会提供充足的食物和纤维等生活必需品。土壤不仅是植物生产的基本生产资料和基础，也是动物生产的基础， 因为任何养殖业均以植物作为饲料，动物只能利用绿色植物通过光合作用合成的有机物之中的化学能和营养物来维持其生命活动。常言道“万物土中生” ，就是这个道理。人们通过改良、合理开

7、发与持续利用土壤资源以提高农林牧业的生产力，如开垦荒地、平整土地、耕作施肥、灌溉排水等。于是作为历史自然体的土壤便在人类活动的影响下，逐渐向肥力更高的耕作熟化土壤方向演化，使土壤最终成为人类劳动的产物。 一般来说开垦之前的土壤是在自然因素综合作用下形成的，称为自然土壤；自然土壤在被开垦利用之后，土壤虽仍然受自然因素的作用，但同时也承受人类活动的影图 6.1 土壤剖面、单个土体和聚合土体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 49 页学习必备欢迎下载响，人类通过有意识地改变土壤与地理环境要素之间的物质能量迁移转化过程，直接参与了土

8、壤的发育过程， 使自然土壤发育成为耕种土壤。因此，影响土壤圈演化的因素除了自然成土因素之外，人类活动也是其重要因素。 人类活动的介入使土壤圈演化进入了新的阶段。当人类开发利用合理时， 土壤肥力会不断提高， 反之，则会引起土壤退化， 如土壤侵蚀、 土壤风蚀沙化、土壤次生盐碱化、土壤污染等。（三）土壤自净能力土壤自净能力是指土壤对进入土壤中的污染物通过复杂多样的物理过程、化学及生物化学过程，使其浓度降低、毒性减轻或者消失的性能。有的学者也称这种能力为净化器的功能。土壤自净能力包括以下几类：1物理自净即通过扩散与稀释、 淋洗、挥发、吸附、沉淀等使土壤中污染物浓度或者活性降低的过程。2化学自净即通过氧

9、化还原、化合分解、酸碱反应、络合与螯合等过程，使土壤中污染物浓度或者活性降低、毒性减小或者消失的过程。3物理化学自净即通过土壤胶体的吸附、 解吸和凝聚等物理化学过程， 使土壤中污染物浓度或者活性降低、毒性减小或者消失的过程。4生物自净即指通过生物生理代谢， 即生物降解与转化作用使土壤中污染物的浓度或者活性降低、毒性减少或者消失的过程。故土壤具有容纳消化污染物的性能（即土壤环境容量）。但土壤的自净性能是有限的， 如果利用不当就会导致土壤自净性能的衰竭以至丧失。由于现代工业生产排放大量工业“三废” （废渣、废水和废气），大都市所排放的大量生活污水不断渗入土壤； 现代农业高强度施用化肥和化学农药，已

10、经对区域土壤环境产生了深刻的影响，导致土壤自净能力衰竭以至丧失， 形成日益严重的土壤污染。 土壤污染不但直接影响到农副产品的品质，威胁人类的健康与安全，而且也会影响土壤的“净化器”功能，妨碍土壤维护和改善人类生存环境质量的重要作用。因此，预防土壤污染， 开发修复被污染土壤的新技术等也成为现代土壤科学研究的新课题。（四）土壤圈的特征土壤圈下部同岩石圈和水圈相接触，上部与大气圈和生物圈相接触， 处于岩石圈、大气圈、水圈、生物圈四大地理圈层的交接部位，各圈层之间的物质和能量交换大都通过土壤中转，因此土壤圈对四大圈层的组成、性质具有重要影响作用。例如，大气降水首先落到土壤上，然后通过土壤渗透才能到达地

11、下水， 在渗透过程中土壤中的一些可溶性物质可以进入地下水，从而影响地下水的化学组成和性质。再如，土壤中的有机物质在分解过程中可以产生CO2、CH4等气体，它们散逸到大气中后可以引起气温上升，进而引起一系列自然地理系统的变化。土壤圈处于人类、 大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的界面与相互作用交叉带是联系有机界与无机界的中心环节， 也是结合地理环境各组成要素的纽带。土壤圈与大气圈相互作用结合形成了土壤空气；与水圈相互作用结合形成了土壤溶液； 与岩石圈相互作用结合形成了土壤矿物；与生物圈相互作用结合形成了土壤生物；与四大地理圈层及人类共同相互作用下形成了土壤肥精选学习资料 - - - - - - - -

12、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 49 页学习必备欢迎下载力。土壤圈是绿色植物生长的自然环境，地球上每年有 550lO8t 的植物有机体在这一环境中形成和分解，其中90转入气相， 10则转化为中间产物保存在土壤圈中，其富集的灰分物质每年近 10lO8t ，与此同时，由于径流的溶解作用，每年约有3lO8t 的物质被注入江河大海。这足以说明土壤圈物质循环在全球物质循环中的重要地位和作用。在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈与土壤圈相互作用的界面上，新的土壤在不断地形成； 同时已有的土壤又不断地被剥离、搬运和堆积， 这种错综复杂的耦合关系形成了土壤圈物质循环的基本轮廓。另外土壤

13、圈在保蓄水分、供给水源、净化水质、保持陆地生物多样性，以及净化有机废弃物等方面具有广泛的生态环境功能。土壤是反映环境的一个信息系统和信息载体，土壤的空间构型、诊断土层、形态特征、物质组成及其理化性状， 都记录着地理环境变迁的历史， 它们能提供历史时期地理环境要素和人类活动的信息。土壤圈作为地理环境变化的记录体具有以下特性：1广泛性和相对稳定性即土壤广泛分布于地球陆地表层，易于发现和采集； 一般来说土壤形成发育过程中的物质空间运动范围较地质地貌过程小，故区域性较强。2综合性和聚集性即土壤是成土因素综合作用的产物，一种土壤记录不可能专一地反映某一种环境变化现象，它反映的是成土环境之综合作用，因而使

14、土壤记录的环境信息具有综合性。反之。一种地理环境要素的变化不可能仅引起特定土壤记录体发生变化，而会引起多种土壤记录体的变化，这构成了土壤记录信息的聚集性。因此，可从多方面对土壤进行解剖， 以得到更多更综合的信息。3滞后性即土壤各相 (固、液、气) 及土壤生物有机体对地理环境变化的反应具有不同的速率，可用特征反应时间 (CRT)即某个土壤性状达到与环境条件准平衡所需要的时间来表示。一般地讲，气相约 10-310-1年；液相约 10-2100年；土壤生物约 10-210-1年；固相约 100106年，其中土壤固相是重要的环境记录体。 将土壤性状信息解译成环境变化信息将是土壤地理学家和环境学家的共同

15、任务。二、土壤的组成土壤由矿物质、有机质、活的生物体、土壤溶液和土壤空气五种成分组成。按重量计，土壤矿物质一般占 95左右，有机质占5左右。若按容积计，土壤矿物质一般占3845，有机质占 512，两者共占50左右；土壤液相和气相共占50左右，并且两者相互消长。可见土壤是一种疏松的物质体系。 ( 一) 土壤的无机组成1矿物质的组成矿物质是土壤中最基本的组分，重量占土壤固体物质总重量的90% 以上。矿物质通常是指天然元素或经无机过程形成并具结晶结构的化合物。地球上多数土壤矿物都来自各种岩石，例精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共

16、49 页学习必备欢迎下载如花岗岩中的石英、 云母、正长石和斜长石等， 这些矿物经物理和化学风化作用从母岩中释放出来，就成为土壤矿物质和植物养分的主要来源。土壤矿物质按其成因类型可分为原生矿物和次生矿物两类（表 6.1 ） 。土壤原生矿物是指由岩浆岩、 变质岩和某些沉积岩仅经过物理风化，破碎变小后残留下来的矿物，这些矿物的组成和性质与原岩中的同类矿物完全相同。原生矿物是土壤矿物质的主体， 大多数是抗风化能力较强的石英和长石类矿物， 颗粒一般较大。 土壤次生矿物是指原生矿物的风化产物在一定条件下重新形成的矿物。这类矿物包括简单盐类、氧化物(氧化铁、氧化铝、氧化锰、次生氧化硅等)和次生铝硅酸盐，其中

17、次生铝硅酸盐是土壤次生矿物的主体。表 6.1 土壤中的主要原生矿物和次生矿物原生矿物化学式次生矿物化学式石英SiO2方解石CaCO3正长石KAlSi3O8白云石CaMg （CO3）2钠斜长石NaAlSi3O8石膏CaSO4 2H2O 钙斜长石CaAlSi3O8磷灰石Ca5（PO4）3 （Cl，F）白云母KAl3Si3O10（OH ）2褐铁矿Fe2O33 H2O 黑云母KAl（Mg Fe）3Si3O10（OH ）2赤铁矿Fe2O3角闪石Ca2Al2 Mg2Fe3Si6O （OH ）2三水铝土AlO33 H2O 辉石Ca2（ Al Fe）4（ Mg Fe）4Si6O24粘土矿物Al-Silicat

18、es 土壤次生铝硅酸盐的种类很多，但最主要的是高岭石、 蒙脱石和伊利石。 这些矿物的颗粒都很小，可缩性和黏结性等胶体性能比较明显，故也称之为黏土矿物。在显微镜下观察，次生铝硅酸盐晶体呈薄层片状，其主要化学成分是Al、Si 和 O等，所以又称为层状铝硅酸盐。不同类型的次生铝硅酸盐具有不同的层状构造，也表现出不同的性质， 高岭石、蒙脱石和伊利石的主要性质见表 6.2 。表 6.2 高岭石、蒙脱石和伊利石的主要性质比较黏土矿物性质高岭石蒙脱石伊利石胀缩性遇水不易膨胀， 失水不易收缩遇水极易膨胀，失水极易收缩介于高岭石和蒙脱石之间同晶替代现象基本不发生普遍发生普遍发生带电性负电荷数量少负电荷数量多负电

19、荷数量多吸收阳离子的能力相对较弱很强强颗粒大小相对较大细小介于高岭石和蒙脱石之间黏结性能相对较弱很强强2矿物质的变化土壤矿物质的种类和数量始终处于两个截然相反的变化过程之中：一方面是矿物质的风化精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 49 页学习必备欢迎下载分解，由大颗粒变为小颗粒， 或由不溶性矿物变为易溶性矿物，或由难移动性矿物变为可移动性矿物的过程； 另一方面是风化产物重新合成新矿物，由小颗粒变为大颗粒， 或由易溶性矿物变为不溶性矿物， 或由可移动性矿物变为难移动性矿物的过程。不管哪一个过程都与矿物所处的环境条件有关。关于岩

20、石和矿物的风化过程详见第五章第一节有关内容。下边仅介绍黏土矿物的形成与变化。黏土矿物是原生矿物在风化过程中所形成的分解产物经过相互絮凝、与环境物质相互吸收和交换等过程重新合成的新矿物。原生矿物分解产物中的SiO2带负电荷，当遇到带正电荷的Al（OH ）3和 Fe（OH ）3时便相互絮凝，形成非晶质次生矿物。在碱性或干旱环境中，非晶质次生矿物吸收 K+等盐基离子， 易形成晶质蒙脱石或伊利石；在高温多雨的环境中， 经过结晶易形成高岭石。 由此可以看出， 黏土矿物的形成与环境条件密切相关，不同自然地理区域中出现的主要黏土矿物类型不同（图 5.2 ） 。（二）土壤有机质1有机质的组成根据成因和复杂程度

21、， 土壤有机质可分为普通有机质和腐殖质两类。普通有机质是一类比较简单的、 有机化学界已经研究得比较清楚的有机化合物。土壤普通有机质的种类很多，如碳水化合物（单糖、双糖和多糖） ，各种有机酸 (脂肪酸中的草酸、甲酸、柠檬酸等及芳香族酸中的原儿茶酸、香草酸、咖啡酸等)，木质素，各种含氮、磷、硫的有机化合物（蛋白质、氨基酸、核酸等）以及其它有机化合物（树脂、单宁、鞣质等）。土壤普通有机质直接来源于动植物残体和微生物残体，是土壤生物的食物和能量源泉，分解后可为植物提供养分。腐殖质是土壤普通有机质的分解产物经缩合或聚合重新形成的一类复杂的有机化合物。腐殖质是土壤有机质的主体，约占有机质总量的5065。腐

22、殖质主要由胡敏酸和富里酸组成，两者约占腐殖质总量的60。胡敏酸和富里酸的性质差异很大，且对土壤性质有重要影响（表 6.3 ） 。表 6.3 胡敏酸和富里酸的性质比较腐殖质性质胡敏酸富里酸复杂程度分子结构复杂， 分子量一般在20 000100 000 之间分子结构较简单，分子量一般在951 左右溶解和移动性能溶于碱而不溶于酸，一价盐可溶于水，二价和三价盐均不溶于水，移动性弱溶于水、酸和碱一，一、二、三价盐均溶于水，移动性强酸碱性弱酸性强酸性负电荷数量少多吸收阳离子数量少多颜色较暗，又称黑腐酸较淡，又称黄腐酸2有机质的转化土壤有机质的转化是指在土壤生物的作用下所发生的土壤有机质存在形态之间的变化。

23、土精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 49 页学习必备欢迎下载壤生物特别是土壤微生物是土壤有机质转化的主要动力因素。土壤微生物数量大而且种类很多，是有机质分解转化的主力军。据统计，每克土壤中至少有数千万个微生物，最多可达10多亿个，每公顷微生物量可达5.8 t 。土壤微生物是通过分泌一种叫做“酶”的物质对土壤有机质进行分解转化的。土壤酶是一种生物催化剂，具有高度的专一性。也就是说，种微生物能分泌一种特殊的酶， 而一定的酶又能参与一定的生物化学反应。在微生物的作用下， 土壤有机质的转化有两个不同的方向：一是土壤有机质的矿质化过

24、程，二是土壤有机质的腐质化过程。土壤有机质的 矿质化过程是指土壤普通有机质和腐殖质在微生物的作用下，分解成简单的有机化合物， 或最终形成简单无机盐类的过程。有机质矿质化的速度与有机质本身的组成和环境条件有关。有机质组成越复杂，分解速度就越慢。在氧化条件下，分解速度快，形成的中间产物少，最终产物是无机盐类、CO2和 H2O 等，不利于有机质的积累。相反，在还原条件下，分解速度慢，形成的中间产物多，有利于有机质的积累。土壤有机质的腐殖化过程是指在微生物的作用下，土壤有机质的一些分解中间产物重新缩合或聚合成复杂腐殖质的过程。一般认为， 该过程分两个阶段进行： 一是在微生物分解有机残体过程中形成腐殖质

25、的组成原料，如酚类化合物、 氨基酸和多酞等； 二是这些腐殖质的组成原料经过多次缩合和聚合形成复杂的腐殖质分子。在湿润的森林条件下易形成富里酸，在较干旱的草原条件下易形成胡敏酸。（三）土壤水分1土壤水分形态类型及水分常数任何土壤或多或少都含有一定数量的水分，其存在状态可分为液态水、气态水和固态水。其中固态水不能移动，也不易被植物吸收利用；气态水虽然可以在土壤孔隙中发生扩散运动，但也不能被植物吸收利用； 液态水的绝大部分既可以运动也可以被植物吸收利用，是土壤水分的主要形态类型 。每一种土壤水分形态类型达到最大时的含水量叫水分常数。土壤液态水的存在状态又可分为以下四种类型( 图 6.2) 。图 6.

26、2 土壤液态水分形态类型a. 吸湿水 b. 膜状水； c. 毛管水； d. 重力水精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 49 页学习必备欢迎下载（1）吸湿水它是气态水分子在 分子引力和静电引力的作用下吸附在土壤固相颗粒表面的水分 （图 6.2a） 。 吸湿水的水分子与土壤固相表面之间的结合力非常大（大约是 3.141061.Ol 109Pa)，水分不能自由移动， 不能被植物吸收利用 。当土壤吸湿水含量达到最大时的含水量称为吸湿系数或最大吸湿水含量。（2）膜状水它是吸附在吸湿水外层的水分， 呈水膜状态包裹在土壤固相颗粒表面(图6

27、.2b) 。膜状水的水分子与土壤固相表面之间的结合力比吸湿水要小( 大约是 6.33 1053.14106Pa)，所以膜状水在一定条件下能够移动且被植物吸收利用。但是膜状水黏滞性强，移动缓慢，不能有效补充植物所需水分，植物利用受到一定限制。 当土壤膜状水含量达到最大时的含水量称为最大分子持水量。当植物缺水出现永久性萎蔫( 即经过蒸腾量最小的夜间仍不能恢复失去的膨压 ) 时的土壤含水量叫萎蔫点或凋萎系数， 它介于最大分子持水量和吸湿系数之间。（3）毛管水它是在 毛管力作用下吸附保持在土壤毛管孔隙中的水分（图 6.2c ） 。所谓毛管孔隙是指土壤中孔径O.0011mm 的孔隙。存在于毛管中的液体在

28、毛管力的作用下，可以沿毛管运动一定距离并保持在毛管孔隙中，而不因重力的作用流出。 这种现象称为毛管现象。根据水源和运动方向不同， 毛管水可分为毛管上升水和毛管悬着水两种类型。毛管上升水是指地下水沿毛管上升并保持在毛管孔隙中的水分，毛管悬着水是指在降水或灌溉后水分沿毛管下降并保持在毛管孔隙中的水分。毛管水受力较小（大约是3.38 1046.33105Pa） ，可以流动，能顺利地被 植物吸收利用 ，又能在土壤中保持较长时间，因此是土壤中最有效的水分 。当土壤毛管水含量达到最大时的含水量叫毛管持水量或最大毛管持水量， 其中当毛管悬着水含量达到最大时的土壤含水量称田间持水量，它反映了某种土壤能够最大保

29、持水分的能力。（4）重力水土壤毛管孔隙充满水分之后，倘若水分进一步增加，那么土壤非毛管孔隙中也可存在一定数量的水分。 像这种存在于非毛管孔隙中， 能在重力作用下向下移动或沿坡侧渗的水分叫重力水。重力水受到的引力为零，可以被植物吸收利用，但在大多数情况下，重力水不能在土壤中保存很长时间，属多余水分 。只有当地下水位很浅或出露地表时，或土壤下部有隔水层存在时，土壤毛管孔隙和非毛管孔隙才能被水分全部填充，达到饱和状态（图6.4d ） 。此时的土壤含水量叫土壤饱和持水量或最大持水量。2土壤水分的有效性所谓有效性是指土壤水分能够被植物吸收利用的性能，通常用土壤有效水分含量来表示。通常人们根据土壤水分类型

30、来分析水分的有效性，认为介于田间持水量与萎蔫点之间的土壤水分既可以保持在土壤中，又可以被植物顺利吸收利用，是土壤有效水分。因此，土壤有效水分含量的计算如下：土壤有效水分含量 =田间持水量萎蔫点土壤有效水分含量的大小与其矿物质粗细程度密切相关（表6.4 ） ，随着黏粒含量增加，田间持水量和萎蔫点增加的幅度不同。当土壤矿物质粗细程度中等时，有效水分含量最高 ，偏粗或偏细土壤有效水分含量都下降（图6.3 ） 。对于任一给定土壤来说， 土壤有效水分含量都不是一个定值。土壤水分有效性大小还与土壤导水性质、 水分扩散性质、 植物根系分布深度、 有效根密度以及水分蒸腾的气象条件等都有密切关系。对于一定含水量

31、的土壤来说，植物蒸腾越强烈，植物吸水能力就越强，给定水量的有效份额就越大。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 49 页学习必备欢迎下载表 6.4 土壤水有效性与土壤质地的关系（30cm土层内 ) 土壤质地萎蔫点（ % ）田间持水量（% ）有效含水量（% ）中砂1.7 6.8 5.1 细砂2.3 8.5 6.3 砂壤3.4 11.3 7.9 细砂壤4.5 14.7 10.2 壤质6.8 18.1 11.3 粉砂壤7.9 19.8 11.9 粘壤10.2 21.5 11.3 粘土14.7 22.6 7.9 （四）土壤空气 1土壤

32、空气的组成由于土壤空气主要来源于近地面大气，部分来源于土壤生物活动产生的气体，因此土壤空气与近地面大气相比既有相似之处又存在着差异。相似之处在于， 土壤空气和大气的主要气体成分都是由 N2、02和 C02组成的。差异之处主要表现在三个方面：首先，土壤空气是不连续的。由于不易交换，局部孔隙之间的空气组成往往不同。其次，02和 C02的体积比不同，大气C02含量为 0.03，而土壤空气中含量很高。据研究 (B.A. 柯夫达， 1973)，土壤表层 1530cm土层空气中 C02含量高达 0.3 8.0 ，土壤下层空气中C02含量更高，可达 1019。大气02含量在 21左右，而土壤空气中含量较低，

33、变化于15.10 20.65 之间。 第三，土壤空气中含有较多的 CH4、N20、NO 、CO 、H2S、H2、醇类等气体 。出现上述差异主要是土壤生物及根系的呼吸作用消耗02而排放 C02，以及微生物在分解有机质的过程中易产生温室气体和还原性气体等的缘故（表6.5 ） 。图 6.3 土壤矿物质粗细程度与有效水分含量的关系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 49 页学习必备欢迎下载表 6.5 不同地点表土空气成分与大气空气成分的比较（体积%) 比较项目地点O2CO2N2土壤空气英格兰20.65 0.25 79.20 衣阿华州

34、20.4 0.20 79.40 纽约州15.10 4.50 81.40 大气空气英格兰20.97 0.03 79.0 土壤通气性在很大程度上取决于土壤的孔隙度、孔隙分布以及充水孔隙的比例。 孔隙度高的土壤在水分长期过多时通气性也会很差，而中等以下孔隙度的土壤在水分适宜和孔隙大小适中时，其通气性也相当好。 一般认为既能维持土壤和大气间经常的气体交换，又具有较高的有效水分含量和土壤溶液含量的壤土，最适宜于植物的生长。 2土壤呼吸作用土壤不断从大气中获得新鲜O2，而将其本身所含的CO2等温室气体和还原性气体排放到大气中的过程称为土壤的呼吸作用。 土壤和大气间的气体交换主要是通过土壤空气与大气之间个别

35、气体成分的扩散作用完成的。例如大气中O2分压高，土壤空气中O2分压低，这就形成从大气指向土壤的 O2分压梯度，造成大气中的O2不断向土壤孔隙扩散。与此相反，土壤中的CO2、CH4、N，O 、NO 、CO 、H2S、H2和醇类等气体则向大气扩散。 3土壤空气对全球变暖的影响最近一二十年来，人们对土壤痕量温室气体向大气扩散导致大气温室气体上升问题非常关注。自工业革命以来，大气中CO2、CH4、N2O 、NO等温室气体含量的上升、全球变暖已成不容争辩的事实。土壤既是温室气体的“源”又是“汇”。大气中的 CO2被植物固定之后，相当一部分的碳以有机质的形式保留在了土壤之中，土壤也可吸收一定数量的其它大气

36、温室气体；另一方面 土壤痕量温室气体向大气扩散是大气温室气体的重要来源之一 。在自然状态下， 土壤温室气体的源与汇是平衡的。近一二十年来由于土地利用和土地覆盖变化(LUCC)打破了源与汇的平衡，使源的性质明显地表现了出来。据研究(B.G.Rozanov，1990)，在人类活动明显作用于土壤之前，全球土壤中储存的有机碳为1.7 1015 kg，目前已下降到 1.4 1015 kg，土壤有机质的下降已使大气中CO2浓度上升了近 140ppmv 。有人估计 (N.Van Breemen，1990)，每年由土壤向大气排放的CO2为 2101191011kg，土壤向大气释放的CO2占全球释放总量的520

37、。全球稻田 CH4年排放总量为6010121701012g， 占全球年排放量的 20左右。 全球土壤每年排放 N20为 7.5 1012g， 占总排放量的 53.6 。可见土壤在全球变暖中的作用是不容忽视的，应引起科学界的高度重视。三、土壤性质及其肥力意义（一）土壤物理性质 1土壤质地精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 49 页学习必备欢迎下载任何土壤的矿物质颗粒大小都不是均匀一致的，有些土壤大颗粒多一些， 有些土壤小颗粒多一些。为了研究方便， 通常根据土壤矿物质颗粒粒径大小将土壤矿物质颗粒划分出不同的级别，如砾石、砂粒、

38、粉砂粒和黏粒等。这些级别在土壤学上称为粒级。各粒级的划分标准如下（粒径：mm ） ：砾石 2，极粗砂 2.0 1.0 ，粗砂 1.0 0.5 ，中砂 0.5 O.25，细砂 O.250.1 ，极细砂 0.1 0.05 ，粉粒 0.050.002，黏粒 O.002。我们把某一土壤各粒级所占的重量百分数称为土壤机械组成。一种具体的土壤样品，只要通过粒组分析（图6.4 ）确定各个粒级的含量比例（砾石不包括在内，另作单独的计算），就可以通过“土壤质地三角表”(图 6.5) ，很方便地查出其土壤质地类型的名称。一般来说，土壤的质地可以归纳为三大类型：（1）砂质土类砂质土类是指以砂粒为主的土壤，通常砂粒含

39、量在70以上 。由于颗粒组成粗大，相应的空隙也较大，排水和通气条件良好。但也有保水和蓄肥能力弱的缺点，土体多呈松散状态， 结构性不强。砂质土壤中还可以区分出两种具体的质地类型：砂土和壤砂土。（2）黏质土类黏粒占优势的土壤属于黏质土类，黏粒的含量一般不低于40。由于黏质土的颗粒细小， 具有巨大的表面积， 所以对水分和养分有很强的保持力。黏质土中虽然空隙较多，但都属于小空隙。 水、气的运动缓慢，排水和通气状况不佳。黏质土通常有较强的黏结性和可塑性；而且湿时黏着，干时硬结，胀缩幅度较大。黏质土类中根据所含砂粒和粉砂的比例，可分出黏土、砂质黏土和粉砂黏土三个具体类型。（3）壤质土类壤质土可以看作是砂粒

40、、粉砂粒和黏粒三者在比例上均不占绝对优势的一类混合土壤。 兼有砂质和黏质土壤的一些特性，并调和了它们的一些不利因素。因此是一种物理性质介于砂土和黏土之间的土壤。大多数农业价值较高的土壤都属于壤质土。图 6.5 土壤质地分类三角表图 6.4 土壤的粒相分析精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 49 页学习必备欢迎下载 2土壤结构性通常所说的“土壤结构”实质上包括两方面的涵义：一是土壤结构体，二是土壤结构性。土壤结构体是指各粒级的土粒在各种胶结力和胶结物质以及外力的作用下相互团聚所形成的大小不等、形状各异的土粒复合体。胶结力有静

41、电引力、分子引力、毛管力等，胶结物质有黏土矿物、腐殖质等，外力包括干湿交替缩胀力、冻融交替胀缩力、植物根系生长压力等。依据形状，可把土壤结构体分为六种基本类型( 图 6.6) ：团粒结构体 ：在三维空间等距离发育，呈球状，棱角和边面不明显，多见于有机质含量较高的表土层。块状结构体 ：在三维空间等距离发育，外形不规则，棱角和边面不明显，多见于有机质含量较低的表土层。核状结构体 ：在三维空间等距离发育，外形不规则，棱角和边面明显，多见于有机质含量较低的黏质土壤中。柱状结构体 ：在三维空间沿纵轴发育较好，沿两横轴发育较差，呈柱状，棱角和边面不明显，顶部浑圆，多见于干旱和半干旱地区土壤的底土层和碱土的

42、心土层。棱柱状结构体 ：在三维空间沿纵轴发育较好，沿两横轴发育较差，呈柱状，棱角和边面明显，多见于质地黏重且干湿交替明显的底土层。片状结构体 ：在三维空间沿两横轴发育较好，沿纵轴发育较差，呈扁平状，多见于土壤耕作层下部的犁底层。在上述各种土壤结构中， 球状团粒结构对土壤肥力的形成具有最重要的意义，因为团粒内部存在大量的毛管孔隙，吸水力强，能储存很多水分；团粒之间则为非毛管孔隙，易于排水且a. 棱柱状结构体；b. 柱状结构体； c. 核状结构体d. 块状结构体；e. 片状结构体；f. 团粒状结构体图 6.6 土壤结构体类型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

43、 - - - -第 12 页，共 49 页学习必备欢迎下载经常充满空气。因此，具有团粒结构的土壤既能蓄水，又能通气，可协调土壤水分和空气的关系。团粒内部属嫌气环境，有机质分解缓慢，有利于养分的保存；团粒之间为好气环境，有机质分解迅速，能保证养分的供应。因此，具有团粒结构的土壤兼具好气和嫌气的条件，能较好地解决养分供给与保存的矛盾。 当降雨或灌溉时， 水分可通过团粒间的非毛管孔隙渗入土壤内部，既可减少地面径流的损失，又可增加深部土层的湿润度；雨后或停止灌溉时，表层团粒因蒸发而失水收缩， 使之与下层团粒间毛管的联系被割断，形成一隔离层， 下层团粒中保存的水分便不易被蒸发掉。因此，具有团粒结构土壤的

44、抗旱与防涝性能均较好。总之，团粒结构是肥沃土壤的重要标志之一。土壤结构性是指土壤结构体的种类、大小、空间排列组合状况以及结构体之间的孔隙状况等的综合特征。结构体内部粒间孔隙小，多为毛管孔隙，持水性能好；结构体之间多为非毛管孔隙，通气透水性能好 。所以土壤结构性的形成使土壤既能蓄水又能通气，并且其温度变化缓慢、养分能持续释放和供应，为植物生长营造了较理想的生活环境。3土壤孔隙按照体积百分比， 理想的土壤含有大约45的矿物质、 5的有机质和 50的孔隙。 在孔隙中，水分和空气各占约25的体积 。土壤的质地与结构对土壤孔隙、土壤容重和土壤密度有很大影响。当容重和密度增加时，孔隙的体积便减小；反之，孔

45、隙的体积则增大。可见，要测定土壤的孔隙，必须考察土壤的容重和密度。土壤容重指单位体积（包括孔隙）烘干土壤的重量，一般用每立方厘米的克数表示。容重的计算公式为容重=土壤固体重量 / 土体体积如充满加 400cm3土芯的烘干土重量为600g，则该土样的容重是1.5g/cm3。容重从一个侧面反映了土壤的松紧程度。不同土壤和同一土壤不同土层的容重存在着明显的差异。通常含腐殖质较多且结构良好的粘土、粘壤土和壤土，容重为1.0 1.6 g/cm3；含腐殖质较少且结构不良的砂壤土和砂土等，容重为1.2 1.8 g/cm3；紧实的底土层容重可达2.0 g/cm3以上。土壤密度指单位体积（不包括孔隙）土壤固体物

46、质的重量，也用每立方厘米的克数表示。但它不随颗粒间土壤孔隙的数量而变化，对于许多土壤来说，颗粒密度的平均值约为2.6g /cm3，近似为一个常数。土壤的总体积包括固体和孔隙两部分，知道了其中一部分， 便可测定另一部分的值。 由于土壤的容重和土壤密度都是以g/cm3表示的，根据二者的数值就可以计算出单位体积土壤中孔隙体积所占的百分数， 即土壤孔隙度。 先计算土壤固体颗粒体积所占的百分数，由总体积减去这一百分数即可得到土壤孔隙度。土壤的孔隙度受到土壤质地和土壤结构的影响。就表土来说。砂质土壤的孔隙度一般为3550，壤土和粘性土则为4060，有机质含量高，且团粒结构好的土壤的孔隙度甚至可以高于 60

47、。但紧实的淀积层的孔隙度可低至2530。土壤孔隙的大小不同，粗大的土壤颗粒之间形成大孔隙（孔径大于0.1mm ） ，细小的土壤颗粒如粘粒之间则形成小孔隙（孔径小于0.1mm ） 。一般来说，砂土的容重大，总孔隙度较小，但大部分是大孔隙，由于大孔隙易于通风透水，所以砂质土的保水性差。与此相反，粘土的容精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 49 页学习必备欢迎下载重小，总孔隙度较大，且大部分是小孔隙，由于小孔隙中空气流动不畅，水分运动主要为缓慢的毛管运动，所以粘土的保水性好。由此可见：土壤孔隙的大小和孔隙的数量是同样重要的。4土

48、壤温度温度既是土壤肥力的因素之一，也是土壤的重要物理性质， 它直接影响土壤动物、 植物和微生物的活动，以及粘土矿物形成的化学过程的强度等。例如，在0以下。几乎没有生物的活动，影响矿物质和有机质分解与合成的生物、化学过程是很微弱的；在05之间，大多数植物的根系不能生长，种子难以发芽。土壤吸收的热量主要来源于地面吸收的太阳辐射能，后者大约占进入大气圈顶的太阳辐射能的 50。被吸收的辐射能转化为热能，并以水分蒸发、长波辐射、加热土壤以上的空气和加热土壤层等途径散失。从长期平均来看，土壤的热量收支是大致平衡的。但从短期来看，白天和夏季的热量收入显著超过热量的支出。使土温上升； 夜晚和冬季则相反， 热量

49、的支出显著超过热量的收入，使土温下降。土壤温度的状况受到土壤质地、 孔隙度和含水量的影响， 主要表现为不同土壤的比热和导热率的差异。 土壤比热指单位质量 (g) 土壤的温度增减 1K所吸收或放出的热量 (J/g K)，它仅相当于水的比热的1/5 。因此，水分含量多的土壤在春季增温慢，在秋季降温也慢；相反，水分含量少的土壤在春季增温快，在秋季降温也快。此外，不同质地和孔隙度的土壤，其比热也不同，砂土的孔隙度小，比热亦小，土温易于升高和降低，粘土则相反。土壤导热率指单位截面（ 1cm2） 、单位距离（ 1cm ）相差 1K 时，单位时间内传导通过的热量，单位是 J/(cm2sK)。土壤三相组成中以

50、固体的导热率最大，其次是土壤水分，土壤空气的导热率最小。因此，土壤颗粒愈大，孔隙度愈小，则导热率愈大；反之，土壤颗粒愈小，孔隙度愈大，则导热率愈小。例如砂土的导热率比粘土要大，其升温和降温都比粘土迅速。5土壤颜色土壤的颜色是观察者直接获得的最早和最强烈的土壤信息。事实也如此，土壤颜色是许多土壤性质的直接反映。 颜色与土壤的矿物质成分、 有机质含量、排水条件和通气状况密切相关。如前所述，铁离子和有机质是染色效果特别强的物质。许多土壤的颜色都与它们的含量和变化有关。许多的 热带和亚热带土壤因为含有较多的氧化铁（赤铁矿，Fe203）而明显地呈现出红色 。高度水化后的氧化铁（ Fe2033H2O ）则