土壤学复习资料.doc

第一章绪论 目的要求： 使学生了解土壤在人类农业生产和自然环境中的重要性、土壤学的任务与土壤学和相关学科的关系；掌握土壤及土壤肥力的内涵。 第一节土壤在人类农业生产和自然环境中的重要性 土壤不仅是人类赖以生存的物质基础和宝贵财富的源泉，而且是人类最早开发利用的生产资料。 一、土壤是人类农业生产的基地 民以食为天，食以土为本 （一）土壤是植物生长繁育和生物生产的基地 1. 土壤的营养库作用： 是陆地生物所需营养物质的重要来源； 2. 土壤在养分转化和循环中的作用 ； 无机物的有机化，有机物的矿质化； 3. 土壤的雨水涵养作用：是一个巨大的水库； 4. 土壤对生物的支撑作用 ； 土壤中拥有种类繁多，数量巨大的生物群； 5. 土壤在稳定和缓冲环境变化中的作用 （ 缓冲库）。 （二）植物生产、动物生产和土壤管理关系 二、土壤是最珍贵的自然资源 1. 数量的有限性和固定性 地球表面形成 1cm 厚的土壤，约需要 300 年或更长时间。 2. 质量的可变性（土壤肥力的可更新性） 治之得宜，地力常新 3. 土壤空间位置的固定性 三、土壤是地球陆地生态系统的基础 1. 保持生物活性、多样性及生产性； 2. 对水和溶质流动起调节作用； 3. 对有机、无机污染物具有过滤、缓冲、固定和解毒作用； 4. 具有贮存并循环生物圈及地表的养分作用和其它元素的功能。 四、土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分 （一）土壤圈 (Pedosphere) 的概念 地球表层系统五大要素：大气圈、生物圈、岩石圈、水圈、土壤圈 土壤圈是覆盖于地球和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，它是地圈系统的重要组成部分，它处于地圈系统（气圈、水圈、生物圈、岩石圈）的交界面，既是这些圈层的支撑者，又是它们长期共同作用的产物。 1. 土壤圈涵义 （ 1 ）永恒的物质与能量交换 （ 2 ）最活跃与最富生命力的圈层 （ 3 ）记忆块的功能 （ 4 ）时空限制特征 （ 5 ）仅部分为可再生资源 2. 土壤圈功能 （ 1 ）对生物圈 支撑和调节生物过程，提供植物生长的养分、水分与适宜的物理条件，决定自然植被的分布与演替。但土壤圈的各种限制因素对生物也起不良影响。 （ 2 ）对水圈 影响降水在陆地的重新分配，影响元素的生物地球化学行为，影响水分平衡、分异、转化及水圈的化学组成。 （ 3 ）对岩石圈 作为地球的 “ 皮肤 ” ，对岩石圈具有一定的保护作用，以减少其受各种外营力破坏，同时与岩石圈进行物质交换与地质循环。 （二）土壤圈在全球变化中的作用 1. 通过土壤圈与其它圈层的物质交换，影响土壤的全球变化 2. 通过全球土被在时空上的演变，引起土壤全球变化 3. 通过人为活动对土壤圈的强烈作用，对全球土壤变化以至生存环境发生影响 （ 1 ）人为砍伐森林，加剧水土流失； （ 2 ）对土壤资源利用不当导致土壤退化严重； （ 3 ）水稻田、沼泽地及湖泊产生痕量温室气体。 （三）土壤圈的研究方向与内容 1. 研究方向 土壤圈研究的总方向是研究土壤圈物质的组成、性质和物质与能量的循环及其对人类生存环境的影响。 （ 1 ）研究土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡，土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动，土壤圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与平衡，以及土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转化； （ 2 ）研究土壤圈物质和能量循环与地球生命、人类生存条件、自然环境及全球变化之间的关系。 2. 研究任务 （ 1 ）土壤资源的开发利用与保护 研究低耗土壤资源的节约型开发利用；综合治理和集约经营耕地；土壤资源承载能力；防止土地退化和提高土地质量；土地动态监测及土地数字化数据库 (SOTER) 。 （ 2 ）土壤肥力调节与农业持续发展 研究不同生态条件下土壤肥力演变 ; 施肥技术与提高肥效 ; 持续稳定的土壤肥力培育的研究 ; 农业持续发展的理论与战略 ; 农业持续发展中高效适度技术的管理、对策与合理布局；不同地区农业持续发展模式。 （ 3 ）土壤生态环境的建设 研究农业生态系统中土壤生态环境演替规律，土壤生态环境建设的研究；防止土壤污染。 （ 4 ）土壤圈物质循环及全球变化 土壤圈与大气圈大量与痕量气体交换与平衡； 土壤圈与水圈的水循环； 土壤圈与岩石圈元素迁移； 土壤圈与生物圈养分元素交换与平衡； 土壤圈物质组成、性质、类型及时空变化规律； 全球土被演变及土壤退化 ( 土壤侵蚀、沙漠化、肥力退化、盐渍化、酸化、沼泽化 ) 的时空变化，形成机理及预测预控； 人类活动对土壤全球变化及人类环境变化的影响。 （四）土壤圈的地位 第二节 土壤及土壤肥力的概念 一、土壤 (soil) 能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次。 二、土壤肥力 土壤具有肥力是其最本质的特征，是其区别于其它事物的标志。 土壤肥力：在植物生活全过程中，土壤供应和协调植物生长所需水、肥、气、热的能力。 ( 一）土壤肥力类型 1. 自然肥力和人为肥力 自然肥力：指土壤在自然因子（气候、生物、地形等）综合作用下所具有的肥力。 人为肥力：土壤在人为条件熟化 ( 耕作、施肥、灌溉等 ) 作用下所表现出来的肥力。 2. 潜在肥力与有效（经济）肥力 潜在肥力：土壤肥力在生产上没有发挥出来产生经济效益的部分。 有效（经济）肥力：土壤肥力在当季生产中表现出来产生经济效益的部分。 （二）基本观点 1. 肥力因素的全面观点 水、肥、气、热全面分析、综合评定 2. 肥力因素的供应和协调观点 供应、协调 3. 土壤肥力与生产力统一的观点 土壤肥力的发挥与环境条件、社会经济条件、科学技术条件密切相关。 三、近代土壤学的发展及主要观点 1. 农业化学土壤学派 2. 农业地质土壤学观点 3. 土壤发生学派 4. 土壤学发展的新观点 5. 我国土壤学的发展概况 第三节 土壤学科体系、研究内容和方法 一、分支学科及研究内容 （一）土壤物理 研究土壤中物理现象和过程的土壤学分支。主要研究土壤水、气、热运动及其调控的原理，其研究内容包括土壤水分、土壤质地、土壤结构、土壤力学性质、土壤溶质移动及土壤植物大气连续体 (SPAC) 中的水分运行和能量转移等。 （二）土壤化学 研究土壤化学组成，性质及其土壤化学反应过程的分支学科。重点研究土壤胶体的组成、性质，及土壤固液界面发生的系列化学反应。为开展土壤培肥、土壤管理、土壤环境保护提供理论依据 。 （三）土壤微生物 研究土壤中微生物区系、多样性及其功能和活性的土壤学分支。研究内容： 1. 土壤微生物生态； 2. 土壤微生物与土壤物质循环（陆地 N,P,S,C 素循环） ; 3. 土壤酶活性 ; 4. 土壤微生物与土壤固氮作用 ; 5. 根际微生物与菌根 ; 6. 土壤微生物之间的相互作用 ; 7. 农业措施对微生物的影响 ; 8. 土壤微生物与土壤的污染防治 ; 9. 有益微生物的农业应用。 （四）土壤生物化学 研究土壤中的有机质组成，结构及生物化学转化过程的土壤学分支学科，主要的研究内容包括： 1. 土壤腐殖质形成，特性、及其对土壤肥力的影响； 2. 土壤碳、氮、磷、硫的生物转化（有机碳、氮矿化作用和腐殖化作用）； 3. 土壤酶活性； 4. 有机生物制剂包括有机农药、杀虫剂、除草剂的生物降解及其对环境污染的影响等。 （五）土壤地理学 研究土壤发生、演变、分类、分布规律及其与地理环境之间关系的土壤学分支科学，是由土壤学与自然地理学交叉发展而成的边缘学科。主要研究内容包括 : 1. 土壤发生和分类： 土壤发生学是土壤地理的核心，重点研究土壤形成与自然成土因子和人为活动的复杂关系，回答地球表层系统多样性土壤的形成特点和机理，并在此基础上，根据土壤的发生发育过程、土壤诊断学属性进行土壤分类。 2. 土壤分布规律： 土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂和水平方向上分异性的三维连续体，搞清土壤和土被结构在地面空间上的分布规律，可以为因地制宜合理利用和保护土壤资源，搞好农业区划及生产布局，改善生态环境提供科学依据。 3. 土壤调查制图和土壤质量评价； 主要研究内容是应用现代新技术（如 3S 技术），建立土壤数据库和土壤信息系统；研究土壤质量评价标准、指标体系和退化土壤的恢复重建技术与措施。 二、土壤学与相邻学科的关系 1. 土壤学与地质学、水文学、生物学、气象学有着密切的关系。 土壤作为地球表层系统的重要组成部分，它的形成、发育与地质，水文、生物和近地表大气息息相关。 2. 土壤学与农学、农业生态学有着不可分割的关系。 土壤是绿色植物生长的基地，农学中的栽培学、耕作学、肥料学、灌溉排水等，都以土壤学为基础的，土壤学是农业基础学科的一部分。 3. 土壤学与环境科学联系密切。 土壤不仅是一种资源，还是人类生存环境的重要组成要素。土壤除能生产绿色植物外，还具有对环境污染物质的缓冲性、同化和净化性能，在稳定和保护人类生存环境中起着极重要的作用。 三、土壤学的任务 （一）合理利用土壤 水土流失、土壤沙化、土壤次生盐渍化、土壤酸化、土壤污染（农药和三废）、土壤盐碱化、土壤潜育化等。 （二）中低产土壤改良 中低产田土面积约占一个地区土壤面积的三分之二 （三）基础理论研究 1. 土壤温室气体形成机理、变化规律与减缓途径的研究（重点是 CH 4 、 N x O y 、 CO 2 ）。 2. 土壤污染发生类型、形成规律与防治途径研究。 3. 土壤退化时空变化、形成机理、调控对策。重点是荒漠化（西北）、盐渍化（黄淮海）、沼泽化（东北）、土壤酸化（西南及东南）、肥力减退（南方）及土壤污染（经济发达区）。 4. 土壤质量演变机制、评价体系及恢复重建的研究。 5. 经济快速发展地区土壤环境演变机制与调控研究。 6. 不同地区土壤生态环境建设及其治理途径的研究。 7. 土壤与环境问题有关基础应用与开发项目的研究。 四、土壤学的研究方法 （一）宏观研究和微观研究 （二）综合、交叉研究 （三）野外调查与实验室研究结合 （四）新技术的应用 五、 21 世纪土壤科学所面临的挑战 来自人口膨胀的挑战 如何保证粮食的持续增产； 来自全球生态环境的挑战 如何保持土壤的生态健康功能，建立良好生态环境； 来自土壤学自身发展的挑战加强基础研究，加速新技术在土壤学领域内的应用； 社会对土壤学认同的挑战强化土壤资源在国民经济中的战略地位； 立足于为解决人类的吃饭问题和环境健康问题服务。 第二章土壤矿物质 目的要求： 使学生了解土壤矿物质组成和化学组成，层状铝硅酸盐粘土矿物、非硅酸盐粘土矿物的主要性状及其分布。 第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成 一、元素组成 1. 几乎包括元素周期表中所有元素； 2.O 、 Si 、 Al 、 Fe 为主，四者共占 88.7% 以上； 3. 植物必需营养元素含量低，分布不平衡。 二、矿物组成 ( 一 ) 原生矿物 1. 原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主； 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。常见石英、长石、云母、辉石、角闪石等。 2. 原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性； 石英最稳定，是粗土粒的主要成分； 白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多； 黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。 3. 原生矿物是植物养分的重要来源 。 Ca 、 Mg 、 K 、 P 、 S 等 。 （二）次生矿物 1. 原生矿物分解转化形成的矿物。 2. 以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物为主； 3. 此外有 Si 、 Al 、 Fe 的氧化物及其水合物 。 第二节 粘土矿物 一、层状硅酸盐粘土矿物 ( 一 ) 构造特征 1. 基本结构单位 (1) 硅氧四面体（ SiO 4 4- Si 2 O 5 2- Si 4 O 10 4- ） (2) 铝氧八面体 (AlO 6 9- Al 4 O 12 12- Al 4 （ OH ） 8 O 4 4- ) 2. 单位晶片 硅氧四面体 硅层 铝氧八面体 铝层 3. 单位晶层 （ 1 ） 1:1 型 一层硅层与一层铝层重叠而成 （ 2 ） 2:1 型 两层硅层中间夹一铝层 （ 3 ） 2:1:1 型 2:1 型基础上增加一铝层 ( 或镁层 ) 4. 同晶替代 指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。 发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷。 ( 二 ) 硅酸盐矿物的种类 1. 高岭 ( 石 ) 组（ 1:1 型）：包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。 特点： （ 1 ） 单位晶胞（层）化学式为 Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 ，硅铝铁率为 2 ； 硅铝铁率：土壤粘粒部分的 SiO 2 和 Fe 2 O 3 、 Al 2 O 3 （ R 2 O 3 ）含量的分子比。 硅铝率：土壤粘粒部分 SiO 2 和 Al 2 O 3 的分子。 硅铁率：土壤粘粒部分 SiO 2 和 Fe 2 O 3 的分子比 例：某土壤粘粒部分 SiO 2 含量为 41.89% ， Al 2 O 3 含量 33.27% ， Fe 2 O 3 含量 11.85% ，计算其硅铝铁率、硅铁率。 解 :SiO 2 的分子含量 41.89/60 0.698 Al 2 O 3 的分子含量 33.27/102 0.326 Fe 2 O 3 的分子含量 11.85/160 0.074 SiO 2/ R 2 O 3 0.689/ (0.326+0.074) 1.75 意义： 硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度； 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力。 (2) 膨胀性小 晶层间距约 0.72nm, 硅片和铝片之间存在氢键 (3) 电荷数量少 同晶替代极少 (4) 颗粒较大（有效直径 0.2 2 m ）， 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱。 2. 蒙脱石组：包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。 特点： (1) 2:1 型 单位晶胞的理论化学式： Al 4 Si 8 O 20 (OH) 4 nH 2 O 蒙脱石理论硅铝率 SiO 2 /Al 2 O 3 =8/2=4 (2) 膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石 0.96 2.14nm 蛭石 0.96 1.45nm (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍 (4) 颗粒较细，呈片状，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利。 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中。 3. 水化云母 ( 伊利石 ) 组（又称 2 :1 型非膨胀性矿物） 特点： (1)2:1 型 单位晶胞化学式： K 2 (AlFeMg) 4 (SiAl) 8 O 20 (OH) 4 nH 2 O SiO 2 /Al 2 O 3 :3 4 (2) 非膨胀性 晶层之间吸附的 K+ 的强吸附力，层间距 1.0nm 。 (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间 K+ 中和，有效电荷量少于蒙脱石。 (4) 可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。 伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中。四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主。 4. 绿泥石组（以绿泥石为代表，富含镁、铁） 特点： (1) 2:1:1 型 三八面体，化学式为 MgFeAl) 12 (SiAl) 8 O 20 (OH) 16 (2) 同晶替代现象普遍 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中 Al 3+ 代 Si 4+ 、铝片中 Mg 2+ 代 Al 3+ 产生负电荷，水镁片中 Al 3+ 代 Mg 2+ 产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。 (3) 颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中 土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多。 二、非硅酸盐粘土矿物 1. 氧化铁 （ 1 ）氧化铁的类型 针铁矿 ( -FeOOH) ：晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核。 赤铁矿 ( -Fe 2 O 3 ) ：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。 纤铁矿 ( -FeOOH) ：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。 磁赤铁矿 ( -Fe 2 O 3 ) ：暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土。 磁铁矿（ Fe 3 O 4 ）：棕黑色，多存在于母质中 , 有时与磁赤铁矿共存。 无定形铁（ Fe(OH) 3 ）：棕色，胶膜，锈水。 （ 2 ）氧化铁的形态及转化 土壤铁的游离度（ % ） = Fed/ Fet 100 土壤铁的活化度（ % ） = Feo/ Fed 100 土壤铁的络合度（ % ） = Fep/ Fed 100 无定形隐晶质晶质 2. 氧化铝 硅酸盐矿物彻底分解产物 土壤中常见 : 三水铝石 Al 2 O 3 3H 2 O ， Al(OH) 3 。 粘土矿物 : 湿热强度风化 脱硅富铝化的指标之一 。 我国北纬 30 度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现 。 花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在 无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定 H 2 PO 4 - 等阴离子，减低其有效性。 3. 氧化硅（粘粒）（结晶质和非晶质） 晶质以 石英为主；非晶质为蛋白石 (SiO 2 nH 2 O) ，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。 土壤中部分蛋白石来源于有机体 , 其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。 4. 水铝英石 非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物 ,Si/Al 变化在 1-2 之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液 pH 。 三、粘土矿物的形成和分布规律 1. 粘土矿物形成途径 风化和成土过程中形成的次生矿物 , 有两种形成途径。 （ 1 ）原生矿物风化淋溶直接演变 +H 2 O ， -K -K -Mg -Si -Si 云母类 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石 （ 2 ） 风化沉淀（自然合成）学说 原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。 SiO 2 nH 2 O ：土壤 pH 条件下带负电荷，酸胶基。 Al 2 O 3 nH 2 O ， Fe 2 O 3 nH 2 O ：带正电荷，碱胶基。 盐基离子 Ca 2+ 、 Mg 2+ 、 K + 、 Na + 等，决定溶液 pH ，并参与矿物形成。 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物。 沉淀 老化、结晶 溶胶 凝胶（非晶质） 结晶质 当溶胶 SiO 2 /Al 2 O 3 3 ，可形成 2:1 型矿物； 当溶胶 SiO 2 /Al 2 O 3 3 ，可形成 1:1 型矿物及氧化铝矿物 风化液 pH 与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。 盐基离子 Mg 2+ 、 K + 等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。 2. 粘土矿物的形成条件 粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关。 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以 1:1 型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为 2 左右，属铁铝土。 北方温带地区，粘粒矿物为各种 2:1 型 ( 伊利石、蒙脱石等 ) ，粘粒硅铝铁率多在 3 以上。风化度低，属硅铝土。 3. 我国土壤粘土矿物分布规律 ： 全国分为 7 个分布区。 北方以水云母（伊利石）为主的 1 、 2 、 3 区； 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区 (4 区 ) ； 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（ 5 区）； 南方以高岭石为主的 6 、 7 分布区。 西北和青藏高原水云母区 (1 区 ) ，土壤风化程度最低； 华南高岭区（ 7 区）土壤风化程度最高。 第三章土壤有机质 目的要求： 要求学生掌握土壤有机质的概念、来源、含量与组成，土壤有机质分解与转化，土壤有机质的主体腐殖质的形成与性质，土壤有机质在土壤肥力上和生态环境方面的作用与管理。 第一节土壤有机质的来源、含量及组成 一、土壤有机质来源 森林土壤：枯枝落叶草原土壤：草、根系耕作土壤：作物残茬 ( 一般占籽实产量的 35 40%) 、施用的有机肥。 作为土壤有机质最主要来源的各种植物残体，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异。从而导致土壤有机质的差异。 森林土壤：酸性有机质 草原土壤：中性有机质 二、土壤有机质的含量及组成 1. 含量 土壤学中，一般把耕层含有机质 20% 以上的土壤 , 称为有机质土壤，在 20% 以下的土壤，称为矿质土壤 , 但耕作土壤中，表层有机质的含量通常在 5% 以下。 土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。不同土壤中含量差异很大。 目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言 , 北方土壤有机质含量高于南方土壤。 四川土壤有机质含量（ % ） OM% 4.00 3.01 4.00 2.01 3.00 1.01 2.00 0.61 1.00 0.60 水田 % 1.29 6.19 39.9 51.99 0.63 0.004 旱地 % 3.14 5.52 18.72 46.26 24.66 1.10 2. 元素组成（水 % 75 ，干物质 % 25 ） 干物质 C H O N 灰分元素 % 44 8 40 8 C/N 大约为 10 左右。 3. 化学组成 成分纤维素半纤维素木质素蛋白质脂肪、树脂等 % 2 10 0 2 30 50 28 35 1 8 4. 土壤腐殖质（ humus ） 土壤腐殖质：是除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称，由非腐殖物质（ Non-humic substances ）和腐殖物质（ Humic substances ）组成，通常占土壤有机质的 90% 以上。 第二节土壤有机质的分解和转化 一、简单有机化合物的分解和转化 矿质化：指复杂的有机质在微生物的作用下，转化为简单的无机物的过程。 ( 一 ) 碳水化合物的矿质化 在低温、嫌气条件下 , 有机酸变为 CO 2 和 H 2 O 的过程受到阻碍 , 产生有机酸的累积 , 从而造成植物根系萎缩、腐烂。如：甲酸 3.2 10 -3 M 、乙酸 4.6 10 -3 M 、 正丁酸 7 10 -4 M ，就会对植物根系产生较严重的危害。 解决办法：排水晒田、施草木灰（中和酸、补充 K 素）有机肥施用前进行堆沤。 （二）含 N 化合物的矿质化 N 素生物固定与有效化过程与有机物 C/N 比密切相关。 C/N 25 时，产生 N 素生物固定； C/N 25 时，产生 N 素有效化。 豆科绿肥（三叶草等） C/N 小，施入土壤后能提供 N 素（ N 素有效化）。禾本科作物秸秆 C/N 大，直接还田易造成 M 与作物争夺 N 素，造成 N 素的生物固定。 秸秆还田应配施化学 N 肥：一般亩施秸秆 300 400kg, 需要配施化学纯 N3 4kg 。 ( 三 ) 脂肪、树脂、蜡质、单宁的矿质化 这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。 （四）木质素的矿质化 木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌作用下缓慢的转化，最终产物是 CO 2 和 H 2 O ，但往往只有 50% 可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材料。 土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总量的百分数称为有机质的矿化率，一般在 1% 3% 。由于土壤有机质的矿化率与有机氮的矿化率同步，因而可通过测定土壤有机氮的矿化率来代表有机质的矿化率。 二、植物残体的分解和转化 1. 可溶性有机化合物以及部分类似有机物入土壤后的头几个月很快矿化 。 2. 残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。 三、土壤腐殖物质的分解和转化 1. 腐殖质经过物理化学作用和生物降解，使其芳香结构核心与其复合的简单有机物分离，或是整个复合体解体。 2. 释放的简单有机物质被分解（矿化）和转化，酚类聚合物被氧化。 3. 脂肪酸被分解，被释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。 四、影响土壤有机质分解和转化的因素 1. 温度 25 35 条件下， M 活动最为旺盛，利于 OM 矿质化分解，提供作物所需养分。 2. 土壤湿度和通气状况 好气：水少气多 , M 活动旺盛 ,OM 矿质化分解 , 释放养分 嫌气：水多气少 , M 活动受抑制 , OM 腐殖化合成腐殖质 3. 干湿交替 一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于 OM 的矿质化分解，另一方面干燥时引起 M 死亡，又不利于 OM 分解。 4. 有机残体特性 (1) 物理状态：多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于分解 (2)C/N 大，不易分解 小，易于分解 一般耕作土壤表层有机质的 C/N 在 8:1 到 15:1 ，平均在 10:1 到 12:1 之间，处于植物残体和微生物 C/N 之间。 (3) 硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解。 激发效应 ( 作用 ) ：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解，可以是正、也可以是负。 5. 土壤特性 （ 1 ） pH 中性条件下利于 OM 分解 （ 2 ）质地 质地愈粘重，腐殖化系数愈高，愈难分解 第三节 土壤腐殖质的形成和性质 一、土壤腐殖质形成 1. 腐殖化作用 腐殖质：土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定，成分、结构极其复杂的高分子化合物。 腐殖化作用：进入土壤中的有机质转化形成腐殖质的过程。 2. 腐殖质的形成过程 （ 1 ）植物残体分解产生简单的有机碳化合物； （ 2 ）通过微生物对这些有机化合物的代谢作用及反复的循环，增殖微生物细胞； （ 3 ）通过微生物合成的多酚和醌或来自植物的类木质素，聚合形成腐殖物质。 3. 腐殖质的形成途径 二、土壤腐殖质 - 粘土矿物复合 三、土壤有机质的分组 四、土壤腐殖酸性质 （一）物理性质 1. 分子量、形状、颜色 分子量 很大。分子量大小与单体和聚合度有关； 形状 球形结构，疏松多孔，似海棉； 颜色 分子量愈大，颜色愈深（ HA 分子量大，褐色； FA 分子量小，呈淡黄色） 2. 溶解性与吸收性 溶解性 FA 、 HA 都溶解于碱， HA 不溶于酸，而 FA 溶解于酸。 吸收性 亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的 500% 。 （二）化学性质 1. 元素组成 C 、 H 、 O 、 N 、 P 、 S 为主 C ： N ： P ： S 100 ： 10 ： 1 ： 1 120 ： 10 ： 1 ： 1 含 C 量为 55 60% ，平均 58% ， 100/58 1.724 实验测定土壤有机质时，测出含 C 量后 1.724 即得土壤有机质含量 OM% C% 1.724 2. 功能团：含有 COOH 、 OH 及酚羟基等多种功能团，能团的解离导致腐殖酸带电 （三）分子结构特征 分子结构极其复杂的有机高分子化合物。单体中有芳核结构物质，芳核上有多种取代基 第四节土壤有机质的作用及管理 一、在土壤肥力上的作用 1. 养分较完全 含有植物生长所需各种养分。 N ： 80 97% ，平均 95% ； P ： 20 76% ； S ： 38 94% 为有机态，由有机质提供。 2. 促进养分有效化 OM 矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿质养分溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对 P 的固定，提高 P 的有效性。 3. 提高土壤保肥性 土壤腐殖质是一种有机胶体 , 有巨大的表面积和表面能 , 吸附能力大于矿质胶体 , 从而大大提高土壤保肥性。 胶体对阳离子吸附能力比较（ cmol/kg ） 胶体类型有机胶体 高岭石 蒙脱石 吸附力 150 450( 平均 350) 3 5 80 100 4. 提高土壤緩冲性 腐殖质含有多种功能团 , 遇 OH 时 , 电离出 H 与之作用生成水对碱緩冲 ; 遇 H 时则由于带负电荷而吸附 H 对酸緩冲 ; 由于腐殖质胶体带负电荷 , 可吸附土壤溶液中盐基离子 , 对肥料起緩冲作用。 5. 促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质 粘结力：砂有机胶体粘粒 因此，有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善粘粒的粘重大块结构，促进土壤良好结构的形成，从而改善土壤的通透性等物理性质。 二、有机质在生态环境上的作用 1. 络合重金属离子，减轻重金属污染； 2. 减轻农药残毒：腐殖酸可溶解、吸收农药，如 DDT 易溶于 HA ； 3. 全球 C 平衡的重要 C 库（含 C 平均为 58% ）。 三、其它方面作用 1. 为 M 提供 C 源和 N 源； 2.OM 含有多种生理活性物质，有利于植物生长； 3. 腐殖酸在一定浓度下能促进 M 和植物的生理活性。 四、土壤有机质的管理 我国土壤有机质含量普遍偏低 腐殖化系数：单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量，常作为有机物质转化为有机质的换算系数。 1. 大量施用有机肥； 2. 大力提倡秸秆还田（沃土计划） 目前四川还田秸秆不到 20% ，川中丘陵区不到 10% 。 (1) 直接还田 秸秆直接还田时注意配施速效性化学氮肥。 (2) 过腹还田 适应农业产业结构调整，发展蓄牧业。 第四章 土壤生物 目的要求： 通过本章的学习使学生掌握土壤生物的多样性及其生存环境和功能。 土壤生物活性 (biological activity) 和肥力直接或间接地与土壤生物有关。土壤生物是土壤具有生命力的主要成分，在土壤形成 (soil formation) 和发育过程 (development process) 中起主导作用 (the leading effects) 。也是评价土壤质量 (soil quality) 和健康状况 (health level) 的重要指标之一。本章重点阐述土壤微生物的多样性及其功能。 第一节 土壤生物多样性 一、土壤生物类型的多样性 （一）后生动物 (metazoa) 后生动物由小的土居性的多细胞动物，主要包括线虫、蠕虫、蚯蚓、蛞蝓、蜗牛、千足虫、蜈蚣、轮虫、蚂蚁、螨、环节动物、蜘蛛和昆虫等混合组成。 （二）原生动物 (protozoa) 原生动物为单细胞真核生物，简称原虫。原生动物在土壤中的作用有：调节细菌数量；增进某些土壤的生物活性；参与土壤植物残体的分解。 （三）微生物 (microbe) 土壤中微生物分布广、数量大、种类多，是土壤生物中最活跃的部分。它们参与土壤有机质分解，腐殖质合成，养分转化和推动土壤的发育和形成。 1 公斤土壤可含 5 亿个细菌， 100 亿个放线菌和近 10 亿个真菌， 5 亿个微小动物。 二、土壤微生物种群的多样性 （一）原核微生物 (procaryotes) 1 、古细菌 (archaea) 2 、细菌 (bacteria) （ 1 ）节杆菌属（ Arthrobacter ） （ 2 ）芽孢杆菌属（ Bacillus ） （ 3 ）假单胞菌属（ Pseudomonas ） （ 4 ）土壤杆菌属（ Agrobacterium ） （ 5 ）产碱杆菌属（ Alcaligenes ） （ 6 ）黄杆菌属（ Flavobacterium ） 3 、放线菌 (actinomyces) 4 、蓝细菌（ Cyanobacterium ）是光合微生物，行光能无机营养，过去称为蓝（绿）藻，由于原核特征现改称为蓝细菌，与真核藻类区分开来。 5 、粘细菌 (myxomycota) （二）真核微生物 (eukaryotic microorganisms) 1 、真菌 (eumycota) 2 、藻类 (alga) 3 、地衣 (lichens) （三）非细胞型生物即分子生物 病毒 (virus) 三、土壤微生物营养类型的多样性 根据微生物对营养和能源的要求，一般可将其分为四大类型。 （一）化能有机营养 (chemoorganotrophy) 型 化能有机营养型又称为化能异养型，需要有机化合物作为碳源，并从氧化有机化合物的过程中获得能量。 （二）化能无机营养 (chemolithotrophy) 型 化能无机营养型又称化能自养型，以 CO 2 作为碳源，从氧化无机化合物中取得能量。 （三）光能有机营养 (photoorganotrophy) 型 光能有机营养型又称光能异养型，其能源来自光，但需要有机化合物作为供氢体以还原 CO 2 ，并合成细胞物质。 （四）光能无机营养 (photolithotrophy) 型 光能无机营养型又称光能自养型，利用光能进行光合作用，以无机物作供氢体以还原 CO 2 , 合成细胞物质。 四、土壤微生物呼吸类型的多样性 (一)好氧性微生物的有氧呼吸 (aerobic respiration) 土壤中大多数细菌如芽孢杆菌、假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、硝酸化细菌、硫化细菌等以及霉菌、放线菌、藻类和原生动物等属好氧性微生物。 (二)厌氧性微生物的无氧呼吸 (anaerobic respiration) 厌氧性微生物如梭菌、产甲烷细菌和脱硫弧菌等，在缺氧的环境中生长发育，进行不需氧的呼吸过程，基质的氧化不彻底，产生一些比基质更为还原的终产物，释放的能量也少。 （三）兼厌氧性微生物兼性呼吸 兼厌氧性微生物能在有氧和无氧环境中生长发育，但在两种环境中呼吸产物不同。典型的例子就是酵母菌和大肠杆菌。 第二节 影响土壤微生物活性的环境因素 一、温度 温度是影响微生物生长和代谢最重要的环境因素。微生物生长需要一定的温度，温度超出最低和最高限度时，即停止生长或死亡。 二、水分及其有效性 水是微生物细胞生命活动的基本条件之一。水分对微生物的影响不仅决定它的含量，更重要决定水的有效性。水分的微生物有效性，用水的活度（ a ）表示。 三、 pH 大多数细菌、藻类和原生动物的最适宜的 pH 值为 6.5 7.5 ，在 pH4.0 10.0 也可以生长。 四、氧气和 Eh 值 通气状况或氧化还原电位（ Eh 值）的高低对微生物生长有一定影响。 因此，结构良好、通气的旱作土壤中有较丰富的好氧性微生物生长发育。 五、生物因素 1 、土壤中微生物按照来源不同可分为：土居性 ( 土生土长的 ) 和客居性 ( 外来的 ) 两种类型。 2 、土居性微生物 (edaphon) 由于长期生活在土壤中，对土壤环境有较强的适应性，当土壤环境变恶劣时，能存活下来，环境好转时又重新繁殖。 六、土壤管理措施 （一）土壤耕作 (soil tillage) 常规耕作、覆盖减耕和免耕 (zero tillage) 等耕作措施对土壤微生物的影响程度是不同的。 （二）杀生剂和其他化学制剂 (chemicals) 大田施用的除草剂 (herbicide) 和叶面杀虫剂 (insecticide) 的剂量很少会使土壤达到足以直接伤害土壤微生物。 第三节 土壤微生物区系的发生和分布 一、不同类型土壤中微生物的数量和分布 不同土壤类型、肥力水平，土壤微生物的数量和分布有很大差异。 一般来说，我国不同土壤微生物总数，呈如下变化趋势：黑钙土 棕壤 灰壤 水稻土 砖红壤 二、土壤剖面中微生物的数量和分布 在土壤的不同层次中，由于水分、养分、通气、温度、 pH 等因素的差异及不同微生物的特异性，致使微生物在土壤剖面中的分布不均。 一般来说，表土层微生物数量最多，随层次加深，数量减少。 三、土壤团聚体中微生物的分布 各种团聚体 (cluster) 是微生物在土壤中生活的微环境。团聚体内外的条件不同，微生物的分布也不一样。 四、微生物与植物根的联合 （一）根圈微生物 (rhizosphere microorganisms) （二）菌根 (mycorrhiza) （三）共生固氮 (symbiotic nitrogen fixation) （四）联合固氮 (associative nitrogen fixation) 第四节 土壤生物活性及表征 一、土壤酶 ( 一 ) 土壤酶种类和功能 P61-63 ( 二 ) 酶在土壤中存在状态及特性 ( 三 ) 环境条件对土壤酶活性 (soil enzyme activity) 的影响 1 、土壤物理性质 (soil physical properties) 的影响 2 、土壤化学性质 (soil chemical property) 的影响 3 、耕作管理的影响 二、生物活性物质 植物激素 (phytohormone) 植物毒素 (phytotoxicant) 维生素和氨基酸 (vitamin and amion acid) 多糖 (polysaccharide) 第五章 土壤质地和结构 目的要求： 使学生掌握土壤的密度、容重、孔隙度与三相组成，土壤机械组成与质地分类，不同质地土壤肥力特点与利用改良；土壤结构的概念及类型，团粒结构的形成过程与其肥力意义。 第一节 土壤三相组成 土壤固、液、气三相容积比，反映土壤水、气关系。 一、土壤的密度和容重 （一）土壤密度 1. 概念 单位容积固体土粒 ( 不包括粒间孔隙 ) 的质量。 (g/cm 3 ) 2. 影响土壤密度的因素 矿物组成、有机质含量、土壤质地 土壤密度一般取平均值 2.65g/cm 3 。 土壤比重：土壤密度与 4 时纯水密度之比。一般取 2.65 。 （二）土壤容重 1. 概念 单位体积自然状态土壤体 ( 含粒间孔隙 ) 的重量。（ g/cm 3 ） 2. 土壤容重作用 (1) 计算土壤孔隙度 孔隙度（ 1 容重 / 比重） 100% (2) 计算工程土方量 土壤重量 = 土壤体积土壤容重 (3) 估算各种土壤成分储量 设耕层厚度 0.2m ，容重 1.3t/m 3 ，有机质含量 15g/kg=0.015t/t ，全氮量 0.75g/kg=0.00075t/t 。 1hm 2 （ 10 4 m 2 ） 0.2m 土层计： 土壤 =10000 0.2 1.3=2600t 有机质储量 =2600 0.015=39.0t 全氮储量 =2600 0.00075=1.95t (4) 计算土壤储水量及灌水（或排水）定额 设土层厚度 1m ，土壤含水量 25% ，容重为 1.3 t/m 3 。 1hm 2 的 1m 土层储水量 =10000m 2 1m1.3 t/m3 25%=3250m 3 /hm 2 = 325mm 3. 浸水容重 反映土壤在浸水条件下的结构状态和紧实度。 4. 影响土壤容重的因素 质地、结构、有机质含量、紧实度等，主要通过影响孔隙而影响容重。 二、土壤三相和孔度 1. 土壤孔度 土壤全部孔隙容积占土体容积的百分率。 水和空气共存并充满于土壤孔隙中。 2. 土壤三相组成及孔度计算 总孔度 (1 容重 / 比重 ) 100% 固相 ( 容重 / 比重 ) 100% 液相 ( 水分重量百分率容重 ) 100% 气相 ( 总孔度液相 ) 100% 土壤三相比固相 : 液相 : 气相 3. 土壤三相组成的适宜范围 多数旱地作物适宜的土壤固、液、气三相比为： 0.5 0.25 0.3 0.15 0.25 第二节土壤质地 一、土粒和粒级 1. 土粒： 土壤颗粒 土粒，通常专指矿物颗粒。 土粒大小以粒径为标准，土粒形状大多不是球形，只能用当量粒径（即与其静水沉降速度相同的圆球直径）代替之。 土壤 1mm( 卡氏制 ) 或 2mm 部分 ( 国际制、美国制 )