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环境土壤学讲义SATELLITE第一章 绪论第一节 土壤与生态系统1.土壤的概念定义1： 存在于地球表层的含有生命物质，植物可以生长的自然集合体。定义2： 土壤是能产生植物收获物的地球陆地的疏松表层，是岩石圈，水圈，大气圈和生物圈相互进行物质循环和能量转换的产物，是在母质（岩石及其风化物）、气候、生物、地形、时间等因素相互作用下形成的自然体。土壤圈Pedosphere：地球陆地表层由所有土壤所构成的具有重要特征的圈层。土壤圈是地球圈层结构中具有重要作用的一个圈层，界于岩石圈和大气圈、生物圈、水圈之间。成土条件Siol Forming Condition： s = f(cl,o,r,p,t) 式中： s 土壤 soil cl 气候 climate o 生物 organism (Vegetation) r 地形 relief p 岩石或母质 rock or parent materials t 时间(年龄) timeThe type of soil developed depends on the amount of time a parent material on a specific topography is exposed to the effects of climate and vegetation. Why do I have so many different soil series on my land? The answer is quite simple. If you had three parent materials on five topographies developed under two vegetations, one climate, and two periods of time, you would have the following number of soil series: 3 parent materials 5 topographies 2 vegetations 1 climate 2 time intervals = 60 soil series（土系）.土壤的作用Role of Soil:They help supply our food, support our homes and highways, act as building materials for our construction, absorb our waste materials, and give us many beautiful and scenic areas for relaxation and recreation. The wealth of a nation lies in her soils and their intelligent development. - Richard Gordon我国主要的土壤类型：砖红壤，红壤，黄壤，暗棕壤，黑土，紫色土，水稻土，荒漠土。2.土壤学 Soil Science研究土壤的形成、发生分类、基本性质与功能、土壤分布规律、土壤资源利用与管理和土壤调查技术的专门学科。 派生的分支学科主要有：土壤生态学、土壤环境学、土壤生物学、土壤物理学、土壤化学、土壤胶体化学、土壤地理学、土壤微生物学、土壤肥料学、土壤改良学、土壤发生与地理学和土壤调查与制图学等一系列学科体系。3.土壤和生态系统土壤是农业生态系统中不可缺少的部分。土壤以其肥力(Fertility)养育着陆地上的植物，通过植物又养育着动物和微生物。“万物土中生”：植物(plants)、动物(animals)、微生物(microorganisms)土壤生态系统是整个生态系统中最基础、最关键的。 土壤提供物质循环的基础：光合作用和代谢作用； 植被是土壤生态系统良性循环的保障。 植物生物量的增加为整个生物界的生存繁育提供物质能量基础。一旦植被破坏，不仅直接使土壤生态受损，导致各种生物的能量匮乏，同时整个生态系统也因物质和能量的收支改变而导致平衡失调，以致最终被破坏。这就是土壤与生态系统的关系，也是为什么要重视土壤生态环境保护的原因。第二节 环境土壤学的兴起1. 土壤环境问题Environmental Problem of Soil存在数量（quality）和质量（guantity）两个方面的问题。 人口爆炸式增长，资源（矿藏、森林、草原）过度开发(粮食数量供应的安全)，人工合成化学物质加速发展，土壤被过度的集约化经营都直接或间接地损害和污染着土壤，构成对土壤生态环境的危害（影响粮食质量的安全）。直接影响：“三废”排放，导致土壤污染、酸化、次生盐渍化。 间接影响：森林、草原植被的破坏导致土壤冲刷、侵蚀与沙化。2. 土壤污染Soil Pollution进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，而且对土壤、植物和动物造成损害时的状态。与大气污染、水体污染相比，土壤污染更隐蔽，其危害的后果也更深远。污染物在土壤中能与土壤成分相结合，它被土粒所吸收、吸附和固定，也受到微生物分解转化作用的影响。保存下来的污染物能逐渐为植物和微生物所吸收，再通过食物链向人、蓄体内输送。由于土体比水体对污染物的容量要大，其危害的过程就缓慢得多，从而也增加了人们对此认识的难度。（第五章）3. 土壤环境研究 Study on Soil Problem20世纪50-60年代“三废”治理与综合利用，城市污水进行农田灌溉； 20世纪70年代进行农田污水灌溉利弊与监测评价，部分城市郊区土壤污染与背景值研究； 20世纪80年代关注农药、化肥污染，引起部分地区土壤的酸化、板结，深入开展土壤背景值、环境容量及酸沉降危害研究； 20世纪90年代注意污染土壤排放的甲烷对环境的影响，同时开展污染土壤生物修复研究，并逐步成为研究的热点。第三节 环境土壤学任务与内容1.环境土壤学的任务 Main Duty of the Course研究人类活动引起的土壤环境质量变化及由此对农业生产、生态环境和人体健康等产生的影响，并探索调节、控制和改善土壤环境质量的优化途径、有效防治技术和治理方法等。 主线是土壤的环境功能（土壤与环境的质能交换）和土壤环境行为（背景值、环境容量、污染与修复机制、生态优化）。 从土壤生产力的角度研究土壤是农业土壤学的任务；从生态环境的角度研究土壤是环境土壤学的主要任务。2.环境土壤学的重要内容Main Content of the Course土壤的基本特性及其主要功能； 土壤环境背景值与土壤环境容量； 土壤中污染物的迁移转化与土壤修复； 土壤生态优化、污染治理、质量评价。第四节 环境土壤学与相关学科1. 环境土壤学的基本学科Basic Science of the Course环境土壤学是建立在土壤学、生态学和环境学之间的边缘学科，它是随着环境问题的出现在土壤学基础上发展起来的新学科。 土壤学、生态学和环境学以化学、物理学和数学为基础，特别是化学。环境土壤学以生物学、气候学、地学和经济学为原理揭示其规律，并通过工程技术（生物工程）和区划方法达到分区规划和治理目的。2. 环境地学的概念Environmental Geography环境地学包括环境地质学、环境地球化学、化学地理学、污染气象学和海洋环境学等。环境地质学 以人类活动与地质环境的关系为研究对象。人类活动会诱发环境地质问题，如地震、废弃矿床、地下水质恶化、地面沉降。而地质作用产生的地震、火山爆发、海啸、山崩、泥石流等又深刻影响着土壤的生态环境。环境地球化学 以化学物质在地表环境中的分布、迁移和转化规律为研究对象。化学物质从土壤到植物再影响食物链和整个生态系统。污染气象学 研究大气污染和大气运动的科学，大气运动对污染物质在大气中扩散，气象因素对污染物的化合和分解的影响。环境海洋学 主要研究物质在水体中的运动规律，底泥对水生生物的影响。第二章 土壤的形成与功能第一节 土壤的形成过程1.形成土壤的矿物和岩石Minerals and Rocks研究土壤首先要认识形成土壤的母质材料（parent materials）。 母质是最重要的成土因素和土壤形成的条件。按照风化物不同搬运动力与沉积特点可分为八大类型： 残积物（就地风化堆积，未经搬运）； 坡积物（流水、重力搬运和就地堆积）； 洪积物（洪水、搬运距离远和分选性差、磨圆度不佳）； 冲击物（水搬运，河流相沉积）； 湖积物（水搬运，湖相沉积）； 浅海沉积物（水搬运，海相沉积）； 风成物（风搬运和堆积：黄土）； 冰积物（冰川搬运和沉积）。需要很好理解和掌握以下三个基本概念： 岩石（rock）:各种矿物大多以集合体的形式存在于地壳（音：Qiao；earths crust）中，这种矿物的集合体就是岩石。 根据岩石的成因，可以分为三大类： 岩浆岩（igneous rock）: 火山喷发（未喷出）的岩浆冷凝而形成。根据二氧化硅的含量多少区分为酸性岩（65%）、中性岩（52-65%）、基性岩（45-52%）和超基性岩（ 2Fe2O3-3H2O (赤铁矿) （褐铁矿）生物作用与风化（biological weathering） 生物所参与的风化过程。物理风化和化学风化都直接或间接地与生物作用有关。 直接方面：根系对岩石的挤压、穿插而使岩石崩解。 间接方面：生物呼吸作用是大气二氧化碳的主要来源；绿色植物在光合作用中放出氧气。而氧气和二氧化碳都是化学风化作用的重要因素。2.土壤的主要形成过程Main Processes of Soil Forming各种土壤的成土过程是多种多样的；不同土壤的成土过程是不一样的。一般来说，任何土壤都必须经历三个基本的成土过程：原始成土过程，有机质积累过程和粘化过程，而象脱硅富铝化过程只有南方红黄壤上才具有，盐碱化过程只有盐碱土上才有。这就是说土壤的成土过程可区分为共有成土过程和专有成土过程。 原始成土过程 Primary Soil Forming Process母质具有疏松多孔的特点和具有初步的透水透气性、持水性，以及释放供应部分养分的能力，使生物生长发育具有了可能。首先是对养分要求不高的低等生物（如化能自养性微生物）。低等生物（化能自养型微生物）的出现，抑制营养元素的淋溶（从氧化母质的无机物种取得合成有机物的能量），开始了最初的土壤形成过程（母质上开始产生有机物，营养元素得以初步在母质表层集中和积累）。有机质积累过程 Organic Matter Accumulation有机营养性微生物大量生长使有机质和营养元素得到进一步的积累和集中，特别是固氮细菌的发育使土壤氮素进一步积累，肥力（水、肥、气、热）水平进一步提高，生物群落也相应交替和发展。接着出现地衣、苔藓，直到高等绿色植物生长。一方面有大量以有机质为能量和养分来源的微生物不断分解有机质。有机质在微生物作用下一部分分解供植物再利用，另一部分有机质转化为特殊的腐殖质（humus），积累在土壤的表层，保存了植物需要的营养元素。粘化过程 Clay Minerals Forming固相部分是构成土壤的基本骨架，包括土壤矿物质和土壤有机质。土壤矿物质与成土母质有关，区分为原生矿物和次生矿物（粘土矿物）。这部分是作为重要的基质，它影响着土壤的物理机械性和养分供应类型、水平以及土壤的保水保肥性能等，也影响土壤的液相及气相的状况。在土壤的发生发育过程中经历着不断粘化的过程，表现为土壤中次生粘土矿物逐步占主导位置。主要是由风化作用所致。所以有“南酸北碱”的土壤分布规律。 第二节 土壤的基本功能1.土壤功能的概念 Concept of Soil Function土壤能为植物提供支撑的场所，调节土壤水、肥、气、热等植物所需的生活环境，即土壤肥力（soil fertility）功能。土壤还具有吸附、固定和转化有毒有害物质的效用，即土壤净化（soil sanitation）功能。作为农业生产基本的物质资料主要在于土壤具有肥力功能。 污水土地处理系统、有毒有害物质（农药）在土壤中的降解即体现土壤的净化功能。土壤养分只代表狭义的肥力概念，仅仅是肥力的一部分。土壤肥力包括土壤水分、土壤养分、土壤通气和土壤热状况四个肥力因素。2.土壤的基本功能组成 Component of Soil Function土壤的基本功能体系是由土体、土层、土壤结构与土粒成分的功能组成的。 一般来说，各土壤在土体、土层、土壤结构与土粒成分上的不同就导致它们功能的差异。 土体的功能 Function of Soil Body土体是立体的土壤基质总体。 由于界面接触环境的程度不同，以及土体内重力和张力以及溶解、沉淀等作用的影响，使其在垂直方向上发生了自然的质、能分配及其传递的差异，从而形成土层。土层的功能 Function of Soil Layer土体的一级结构（土体是由土层构成的）。 在土壤剖面上我们能清楚的看到土壤的层次性。这是土壤形成过程的产物。 层次性说明土层与土层的不同，与肥力有密切关系。层次本身就意味着三相共存的状态。土层具有上层和下层的传递作用，对于因种种原因导致传输不畅或速度过快的情况即会产生物质（营养成分或污染物）和能量的“滞留层”或“漏层”，即生产上所说的障碍层。土壤层次及其组合方式将影响整个土体的抗逆性和缓冲力。 这儿所讲的传导主要是指对水、气等物质的传导当然也包括对能量的传导。土壤结构的功能 Function of Soil Structure土壤共有六种不同的土壤结构： 块状、单粒状、柱状、片状、团粒和团聚体结构以及微团聚结构。 结构是土壤肥力的核心，没有结构的土壤或结构不良的土壤是肥力低下的土壤。结构通过孔隙影响水气的运动和分布，调节水汽矛盾，控制土壤微生物的活动。影响到土壤中养分的释放、保存以及土壤形成则主要受土粒成分及其功能的影响。土壤颗粒的功能 Function of Soil Particle基本成分包括土壤矿物质（9095）、土壤有机质（15）、土壤微生物（真菌、细菌和放线菌，影响生物化学过程：降解合成、硝化反硝化）和酶（是生物化学过程的活化剂，很多生物化学过程都是在特定的酶作用下进行的，以及是有机残体的分解及其合成，同时它还是土壤有机胶体的主要成员）。 土壤胶体颗粒（soil colloid）是土粒成分中最细小部分，它们具有凝聚能力使水分、养分得以保存；与微生物和酶相结合，成为载体，使它们得以栖身并发挥各种生物物理与生物化学的作用，推动土壤中的物质与能量流动。第三节 土粒的基本功能与原理1.土粒的基本功能 Basic Function of Particles土粒的基本功能体现为：吸（吸收 absorb）、保（保持 hold）、供（供应 supply）、调（调节 regulate）。这些功能是由土粒的组成、结构和行为规律所决定的。土粒的成分首先继承了岩石和母质的特点，其次包含了生物活动的产物，同时也反映地区水、热条件所带来的物质迁移、转化与富集的特点。 土粒的基本组成：土壤矿粒包括一系列大小形状不同的物质，有的成片状，有的成粒成尘，在土壤学上称为土壤的机械组成。具体是通过质地类型来反映。国际上把土壤颗粒分成四级： 砾石 粒径大于2mm，比表面最小，其功能主要构成土壤的粗骨架和大孔隙。调节土壤通气性。 砂粒 粒径0.02-2mm，功能基本同上。 粉粒 粒径0.02-0.002mm，比表面较砂粒大，有一定的表面吸附作用，其集合体具有微弱的毛管力，能保持一定的水分。 粘粒 粒径小于0.002mm，比表面最大，具有强烈的吸水膨胀和可塑性。（1）土壤的颗粒大小不一样，其矿物成分也有差异。（2）不同的矿物抗风化的能力不一样，原生矿物大于次生矿物。原生矿物中的石英是最难风化的矿物。2.土粒的矿物组成 Component of Soil Particles根据矿物的成因划分为原生矿物和次生矿物。 原生矿物：形成于高温高压下的矿物，例如：石英、长石、云母等等。 次生矿物：是原生矿物在风化和成土过程中经化学蚀变或由分解产物重新组合而成的矿物。土壤中的主要次生矿物有高岭石、蒙脱石、水云母、次生云母等等。 在土壤的形成过程中，原生矿物以不同的数量与土壤的次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。也就是说土壤矿物质中同时包括原生矿物和次生矿物。原生矿物 Primary Minerals长石类：是地壳岩石中分布最广的矿物，占地壳重量的5060。其中钾长石是土壤钾素的重要来源。花岗岩中就含有较多的长石类矿物。 角闪石和辉石类：钙、镁、铁的铝硅酸盐。 云母类：含钾和铁、镁的铝硅酸盐。有黑云母和白云母。 石英（SO2）：最难风化，在各种岩石和土壤中分布很广。 橄榄石：土壤中极少见，因为是易风化矿物。 磷灰石：为含磷矿物，是制造磷肥的基本原料，这种矿物在土壤中风化以后也是磷素营养的来源。次生矿物 Secondary Minerals土壤中细小的粘粒和胶粒的主要组成部分，故又称粘土矿物。具有吸收性和可塑性，从而使土壤具有保水保肥能力，并增加土壤的粘着力、团聚力，对土壤的理化性质影响很大。 主要的土壤次生矿物类型：高岭石、蒙脱石、水云母、水铝英石、含水氧化硅等等，为原生矿物风化后产生的次生硅酸盐矿物。 不同的土壤由于成土条件（主要是母质和气候条件的差异）的不同，矿物的组成和矿物的数量差异很大。 原生矿物的颗粒较大，土壤中大于0.001毫米的粗粒部分主要是有原生矿物组成的。因此，土壤质地越粗，原生矿物也就越多。 土壤中最普遍的次生矿物是粘土矿物和次生石英以及铁铝氧化物。他们的颗粒细小，土壤中小于0.001毫米的颗粒主要是次生矿物。因此，土壤越粘，次生矿物就越多。 3.土壤有机质与生物 Organic Matter and Organisms土壤有机质是土壤的重要组成成分之一（土壤固相包括土壤矿物质和土壤有机质）,前者9599，后者15。 土壤有机质的状况（数量和质量）是反映土壤肥力的重要指标之一。土壤有机质的含量，耕作土壤一般每1000克中含1050克有机质（15）。 有机体进入土壤后经过一系列的变化最后变成土壤有机质，可区分为两大类： 1、非特殊的土壤有机质（占1015，以动植物体的组成分和有机质分解的中间产物），如糖类、氨基酸、蛋白质、有机酸、有机碱、树脂等； 2、特殊的有机化合物（土壤腐殖质 soil humus），为土壤所特有，占8590，主要成分是胡敏酸、富里酸和胡敏素。动物的作用 动物的类型很多，我们重点介绍土壤中的蚯蚓。它是最具代表的土壤小动物，作用是把有机残体捣碎或嚼细，对有机物质进行又一次加工处理。研究资料表明：农业耕地上每年中每亩地通过蚯蚓身体的土壤（干重）约2500公斤，其中富含有机质、细菌、N、P、K、代换性Ca、Mg。 现在环境科学研究领域利用蚯蚓进行生物修复(Bioremediation)。微生物作用微生物在对土壤有机质分解中的作用是十分巨大的。因为： （1、种类多：有细菌、真菌、放线菌，细菌中又分好气性、 厌气性和好气兼厌气性的不同种类。他们各自可以在不同的条件下起作用（总有其适合的条件）。 （2、数量大：每克土壤中大约1亿个以上，最多可达几十亿个；以重量计每公顷可达58吨（相当于每亩400500公斤） （3、繁殖能力强：只要条件适宜就能很快地繁殖。 环境微生物工程是目前环境科学研究热点之一。4.土壤胶体 Soil colloid分散系的概念（按颗粒大小划分）： 大于100纳米为粗分散系-悬浮液 1100纳米为胶体分散系-胶体溶液 小于1纳米为分子分散系-分子溶液（真溶液）注意：胶体是大小在1100纳米范围的物质存在的一种状态，与溶液的概念不同（溶质与溶剂）。土壤胶体可以大于500纳米或小于1纳米。土壤的主要胶体类型： 1、矿质胶体 实际上就是粘土矿物。分两类：层状硅酸盐类和氧化物类。 2、有机胶体 包括各种高分子有机化合物，主要有多糖、糖醛酸、腐殖物质和腐殖酸，分子量有上千到数十万。 土壤中很少有单纯的矿质胶体或有机胶体存在，绝大部分是相互结合而形成复合胶体的形式存在。 重点掌握以下内容： 土壤胶体结构 土壤胶体性质 土壤胶体的行为和指标土壤胶体的结构 Structure of Soil Colloid胶核：其主要成分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生硅酸盐、腐殖质等分子团所组成。双电层:胶体结构中，胶核外面由决定电位离子层（负电层）和补偿离子层（正电层）所构成胶体的双电层结构。土壤胶体的带电性就是由决定电位离子层决定，土壤胶体一般带负电荷（净负电荷）。电荷的大小决定土壤胶体的阳离子吸附和代换能力的大小。补偿离子层可以进一步分成内外二层：内层为非活性补偿离子层，受到决定电位离子层的较强的吸引力。胶团间溶液：胶体分散体系中的分散介质。土壤中实际上就是土壤溶液。土壤胶体的性质 Properties of Soil Colloid(1)、表面性质极大的比表面:（单位土体的表面积，cm2/g） 土粒比表面2.26/D（颗粒直径）D是个很小的数字（毫米），因此比表面的数值就很大。 巨大的表面能：表面分子受到内部和外部两种不同的吸引力而具有多余的自由能。这种自由能就是胶粒与周围介质接触界面上的表面能产生的原因。(2)、电学性质 土壤胶体一般带净的负电荷。不同类型的土壤是不一样的，取决于土壤胶体的种类和数量以及土壤溶液反应（pH）的状况。有永久电荷和可变电荷的区分。永久电荷：土壤中不受介质pH、离子强度的变化而变化的电荷叫永久电荷（又叫内电荷，由于同晶置换产生的电荷一般为永久电荷，呈电荷不平衡，AL被Fe、Mg取代）。同晶置换：结晶矿物结构中某中离子或原子部分地被直径大小、电价相近的其它离子或原子取代，但晶体结构形式基本不变的现象，又称类质同象替代。可变电荷：土壤中有部分电荷随pH值的变化而变化，这种电荷称为可变电荷，又叫外电荷。土壤胶体的行为和指标 Action and Index of Soil Colloid(1)、胶体的吸胀作用 土壤胶体吸附水分发生体积膨胀的作用。 粘土矿物膨胀能力顺序：蒙脱石贝得石伊利石高岭土氧化物 低价阳离子形成的水膜大于高价阳离子水膜。但对于不同粘土矿物来说由于其结构特征的影响也存在某些差异。 (2)、胶体凝聚 由于胶体表面带电，与带有相反电荷的胶体或离子相互吸引结合，若这些离子的浓度达到足以中和胶体表面电荷而压缩双电层厚度时，便发生胶体凝聚现象。 对一般负电性土壤胶体，电解质阳离子的凝聚力大小排序为： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+H+K+NH4+Na+ (3)、粘结性和粘着性 粘结性：由于细小土粒间的分子引力的作用，表现出土粒间的相互吸附与紧密结合的作用。粘结性是土粒相互结合为土团的基础。 粘着性：粘粒通过一个附着层而粘附于外物的性质。 土壤从干燥状态开始吸附水分，粘结性由强变弱，而粘着性由弱变强。当土壤继续吸水到粘着性超过粘结性时的含水量称为粘点。当土壤继续吸水到粘着性刚刚消失是的含水量称为脱粘点，也叫粘限。这一点又是土壤的流限。土壤可塑性范围就在粘点到脱粘点之间。 (4)、吸附作用 土壤胶体表面对离子或化合物的吸附。包括：物理的、化学的（沉淀吸附和配位吸附，其机理尚不清楚）和物理化学的（交换吸附，其机理比较明确） (5)、离子交换吸附作用 土壤胶体表面的电荷从溶液中吸附反号离子（），同时胶体上吸附的离子又重新被其它同号离子（）交换下来，这一过程称为土壤胶体离子吸附交换作用。交换是有条件的，以交换力大小来排序，H排在第三位。 重要的概念： 土壤阳离子代换力：一种阳离子将其它阳离子从胶体上代换下来的能力。 其大小取决于：离子价和水化半径；阳离子相对浓度；陪拌离子的类型。不同价阳离子的代换力符合离子吸附价效应，其代换力顺序为： M+ M+ M+ 同价离子代换力和结合强度的大小取决于离子的大小和质量。凡离子本身半径很大，重量俞大的离子其代换力和结合强度也俞大。 AL+ Fe+ Mg+ Ca+综合各种因素，阳离子代换力的大小排序为： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+H+K+NH4+Na+ 在这个排序中，特别要注意的是H ，这主要是因为氢离子水化很弱，通常H 只带一个水分子，以H3O的形式参加代换，水化半径很小，与胶粒间的距离短，吸引力就大，故具有较大的代换能力，处在特殊的位置上。 (6)、配位体交换 土壤胶体对阴离子吸附时，通过胶粒的结晶配位体（离子）与溶液中的离子进行交换而被吸附的现象称为配位体交换。通常是不可逆的过程: 氧化物-M-OH2】X+F- 氧化物-M-F】（1-x）-H2O 交换条件：交换的双方离子具有相同的半径。F-、SO42-、OH- H3SO4- 、H2PO4- 、CL-都能参与此类交换，而且比交换反应更牢固地被胶体所吸持。 (7)、沉淀吸附 土壤中有些物质与土粒表面的一些成分发生沉淀作用称为沉淀吸附。例如：许多金属离子被土壤中的OH- 、H2PO4- 、SO42-、 CO32-沉淀于土粒表面，经过反复沉淀与表面覆盖成为封闭状态。土壤中铁的失效就是这一原理。 (8)、络合作用 腐殖质的功能团、羧基（COOH）、酚羟基（OH）以及可能的酞基（CO）和氨基（-NH2）都能与金属离子相络合或螯合，从而使金属离子失去活性的作用称为络合作用。 第四节 土壤结构的功能与原理1. 土壤结构的功能概述 Function of Soil Structure主要功能是使土体中同一空间里同时存在固、液、气三相，并且实现调节水、肥、气、热的作用。 土壤结构是土粒有规律性的结合体。结构体内部与结构体之间有着截然不同的孔隙（porosity）状况，土壤结构的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差异来实现的。2. 土壤结构的指标 Index of Soil Structure(1).土壤密度单位体积土壤固相物质（不包括孔隙）的质量，其单位以g/cm3表示。 土壤比重： 土壤密度与4时同体积的水的密度的比值。（4时水的密度为1g/cm3）。所以，土壤比重在数值上与土壤密度相同，但是，密度有单位而比重没有单位。 密度影响因素：矿物类型、有机质含量。一般来说，土壤密度是稳定的数值，如果不作特殊说明，是以常数出现（ds=2.65g/cm3）。 （2）.土壤容重单位体积自然状态土壤（包括孔隙在内）的干重，单位为g/cm3。显然，密度、容重在数值上是不一样的，两者之差值正是孔隙的影响。（3）土壤孔隙度 土壤密度土壤容重 容重土壤孔隙度-100 （1- -）100 (%) 土壤密度 密度 公式说明：土壤孔隙度是通过密度和容重来求算的，而一般情况下土壤的密度是作为常数，所以只需测定出土壤的容重后即可以算出土壤孔隙度。容重的测定一般采用环刀法。 土壤容重一般在0.81.6 g/cm3之间。 1.6时，土壤则过于紧实，这是建筑土夯土标准； 2mm）可能存在不稳定的缺点。另外也应根据地区的特点，湿润地带以1020mm为好，干旱地带0.53mm为好。干旱地区需要过多地保水，结构体粒径小，利于毛管孔隙发育而保持水分，但过细则易受风蚀或加速蒸发损失。（5）土壤结构的稳定性 土壤结构的稳定性主要是指水稳性。实际上是土壤中孔隙状况的稳定性。具有良好结构的土壤含有适量的大小孔隙，当其孔隙状况稳定，大孔隙以渗入外来水分，小孔隙可将渗入的水分吸收并保存，从而减少地表径流，因而提高了抗冲刷能力。 结构体类型不同，稳定性是有差异的。3.土壤结构对空气调节 Air Condition by Structure(1)、土壤空气的特点 其成分与大气存在差异，高CO2，低O2(2)、土壤空气的运动 大气中气体成分的浓度与土壤之间以及土壤内部两点之间各气体成分浓度的差异是构成气体相互扩散的主要原因。大气成分相对稳定。 扩散的过程符合扩散定理： qd=-Ddc/dx 气体扩散通量与扩散系数和浓度梯度成正比。等式右边的负号表示扩散方向由高浓度向低浓度移动。4.土壤结构对水分调节 Water Condition by Structure土壤结构制约着土水势，结构中的毛管孔隙的张力吸持着水分。而毛管在土壤中的情形是因结构和组合状况而定的。 土水势的概念:土壤中水的势能。假定纯自由水的势值为零，那么土壤水的自由能与它的差值用势值来表示就是土壤水分的势值简称土水势。国际土壤学会的定义：在一定高度和大气压条件下，从一个纯水池向已知点土壤水可逆等温地输出无限少量的水，每单位数量纯水所必须做的有用功称为土水势。 土水势基质势渗透势压力势重力势 土水势概念的用途：衡量土壤中水分的移动。土壤水分总是从土水势高处向土水势低处移动,而不是取决于土壤含水量。(实例)4. 土壤结构保持 Soil Structure Maintance主要取决于土壤的利用方式（适时耕作、精耕细作）、控制土壤水分和维持土壤结构的形成条件，其中特别是有机质状况。第五节 土层的功能1. 土壤层次的概念 Concept of Soil Layer土壤物质状态在垂直方向上产生的分异。例如土壤的淋溶作用；土壤的不同形成过程（水稻土）；植物根系分布的区域性；枯枝落叶分布层等作用而形成特定的土层。 研究土壤的层次性是认识土壤的基本途径。土壤层次表现为质地层次性和结构层次性。补充内容： 自然土壤剖面的发生层：（土壤层包括A和B） 覆盖层 Ao 有时有疏松的枯枝落叶层，未分解，为Aoo； 淋溶层 A 有时在下部有AB层出现，向B层过渡，多似A层； 淀积层 B 有时也表现为不同过渡层次； 母质层 C 有时会出现特殊层次，如CaCO3、CaSO4 基 岩 D 耕作土壤的剖面层次：区分旱地和水田 旱地： 耕作层 A + 梨底层 P + 心土层 B + 底土层 C 水田： 耕作层（淹育层） A + 梨底层 P+ 斑纹层（潴育层）W+ 青泥层 （潜育层）G土层的功能： 对内，调节与缓冲层次之间水气热的容量与传递速度； 对外，调节与缓冲外界环境所给予土壤的水热空气条件。2. 土壤质地层次 Soil Texture Layer质地层次的主要类型：（1）上砂下粘型 称其为“蒙金土”的质地层次，其上部的砂层有利于渗水透气，下部的粘层有利于保存进入土壤的水分。原则上是良好的，但有时雨季会出现问题，尤其是当粘土层质地太粘时会滞水。（2）上粘下砂型 上部孔隙细小而下部孔隙大，是不良的质地构型。（3）粘砂间杂型 原则上以表层为砂的比粘的更好。土壤质地短时间不易改变，但它形成的孔隙状况是可以通过形成结构来加以改造和产生影响。3. 土壤结构层次 Soil Structure Layer结构的形成： 植物根系和有机质残体与耕作措施在创造良好结构层次方面起着决定性的作用。 结构层次的功能： 调节土壤的孔隙状况和物质传递。第六节 土体的功能1. 土体的概念 Concept of Soil Pedon土体是土壤性质侧向变化的最大均一性为界限的土壤地理个体，它是土壤在空间上一个立体的单元。 在土体内由于物质的重力和张力以及溶解和沉淀等影响，在垂直方向上产生了自然的质地分异即形成土层。2. 土体的功能 Function of Soil Pedon土体的功能包括了土壤各级功能的总和，而且是通过在立体上表现出来。 实际应用：管理土壤时强调“宽一尺不如深一寸”。因为所加深部分在垂直方向上，表面积没变，不增加水分散失的机会，但改善了上下土层之间的物质交换和传递。 “深耕”的作用：改善土体内部物质循环的条件（土壤水分及养分）。第三章 土壤与环境质能交换第一节 土壤养分及其平衡1. 土壤养分的形态 Forms of Soil Nutrient基本概念 1、土壤养分：土壤形成和发育过程中积累的能满足植物生长需要的各种 营养元素。土壤有机质和土壤养分供应有着密切的关系。2、必需营养元素（ 种）：所有作物都是不可缺少的;其他元素不可 代替的;对作物起直接营养作用。3、大量元素：C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg、Fe，含量在百分之几。4、微量元素：Cu、Zn、B、Mo、Mn、Cl、Ni,含量在十万分子几或以下。土壤氮素的基本形态土壤中的氮素有哪些形态？ 主要分成有机态和无机态。土壤中的氮素含量一般在0.1%，江苏土壤在0.020.5%,土壤氮素含量与有机质含量成正相关（5%）。有机质含量高的土壤全氮量也高。不同形态的氮是如何转化的？氮素矿化： 从有机态转化为无机态的过程 N0=KNt/t1/2N0为矿化氮增量 Nt为时间t时矿化氮的增量 K值为6.5 公式说明：矿化氮的生成速度并非常数，而是随着时间的进展而逐步降低，但反应速度下降的比例一致。土壤中不同氮素形态转化的影响因素？微生物活性（取决于养分状况，主要是有机物质的C/N,思考和比较三种不同比例的有机质C/N的不同微生物分解的结果）和土壤水热条件。土壤氮素研究 既是土壤肥料领域的热点，又是环境科学研究的热点。土壤磷素的基本形态 土壤中磷素含量一般在0.030.35。 无机态磷包括钙的磷化合物，其中一钙、二钙易被作物吸收，高钙的磷化合物溶解度降低；铁、铝磷化合物，为难溶性的。南方酸性土壤上由氧化物的胶膜包被着这些化合物，专业上称为“闭蓄态磷”，占无机磷的90，一般很难被作物利用，必须研究其释放机理。 有机态磷，占1015，主要物质成分为核蛋白、植素、核酸。土壤钾素的基本形态土壤中的钾素平均含量在2左右，地壳中氧化钾的平均含量在2.3。从总量上看，土壤钾素比氮、磷要多得多。钾从土壤中的淋失量也较磷多。土壤钾素主要有三种形态：矿物态钾、缓效性钾、速效性钾（水溶性和代换性） （1）矿物态钾 为相对无效性钾，占90以上，一般不能被作物吸收利用，只能靠长期风化和分解后才能逐渐转变为作物有效形态。 （2）缓效性钾 又称迟效性钾，酸溶性钾。包括粘土矿物水云母以及层状硅酸盐粘土矿物层间所固定的钾离子，也包括一部分黑云母，含量占110。 （3）速效性钾 占全钾量的1-2%，包括水溶性钾占速效性钾的10，代换性钾占90。 以上不同形态之间是可以相互转化的。 生物钾肥 微量元素土壤中主要的微量元素有：B Mn Cu Zn Fe Mo。这些微量元素与作物的生长关系密切，为植物必需的营养元素。微量元素与土壤pH有着密切的关系。以矿物态存在的金属盐如：Fe Mn Cu Zn。它们一般在碱性条件中成为难溶而失效，在酸性环境中易溶解，因而相对有效。其有效态一般呈水溶性、交换态及小分子有机络合物。 Mo以酸根形式（MoO4-2）呈有限态，随pH值的增高其溶解度增大；随pH值的降低其有效性减小。 Mo与pH值之间这种密切关系，有人提出用Mo值来表示： 钼值 pH （土壤有效钼10） 钼值在6.28.2为适量范围； 8.2 富足有余。2. 土壤养分的循环 Cycle of Soil Nutrient养分循环类型：地质大循环和生物小循环 循环和转化是不同的概念，循环涉及到系统。在植被完好的土壤中，养分循环以生物小循环为主，农业生产系统中，通常加入动物周转的环节，成为土壤植物动物土壤的形式，但仍然以生物循环为主。 土壤氮素循环：“农田温室气体排放研究” 养分循环的环境学意义：植物从土壤中吸收矿质养分，首先是适应土壤环境（土壤重金属污染的危害：生物毒理学），其次是选择吸收（污染土壤生物修复）。3. 土壤养分的平衡 Balance of Soil Nutrient何谓土壤养分平衡把土壤作为为植物的养分库。这是个动态的库，周转的库。 土壤养分平衡就是通过各种措施使得土壤中养分收支平衡。收入：生物残落物、施肥、灌溉与大气沉降物； 支出：植物吸收、土壤淋洗、冲涮与挥发损失。土壤养分的供给量及其收支平衡决定生物生长势及物质的生物循环势。土壤养分平衡是生态平衡的主要方面（食物链）。有哪些措施可以保持土壤养分平衡呢？ “精准农业” “平衡施肥”第二节 土壤水分及其平衡1. 地表水的循环地表水循环是指通过蒸发、土壤中的水以植物蒸腾形式进入大气（气态），而大气中水汽随气流而迁移，同时随温度的下降而冷凝成雨雪再降落到地面的过程。不同地区、不同土壤上这个过程的特征是不同的。2. 土壤中的水分类型土壤中的水分按其存在方式及其性质来划分可包括四种类型： 吸湿水、膜状水、毛管水和重力水不同类型的水分其有效性是不一样的，土壤有效水的范围在部分膜状水和全部的毛管水。土壤中的水分不是静止不变的，而是动态的，变化的。 土壤中的水分实际上是不同浓度的溶液。施肥、污水灌溉、酸雨土水势：土壤水分的能量概念，用以判断水分运动方向 基本定义：假定纯的自由水的势值为0，土壤中水的自由能与它的差值用势值来表示就是土壤水分的势值，俗称土水势。一般用表示，它包括四个分势。 土水势基质势渗透势压力势重力势 土壤中水分的运动用土水势来衡量，即土壤水分是从土水势高处往土水势低处流动。 土水势的量纲：以势能单位“巴”来表示，1 巴1033cm水柱高（压力）。 值得提出的是，由于在不饱和土壤上土水势为负值（意味着需要补充水分，通过提高土水势趋向力的平衡点），而不是负压的错误理解。土壤水分特征曲线：土水势与土壤含水量的关系曲线。土壤质地的土壤其水分特征曲线是不一样的。假如在土水势相同时，质地俞细的土壤比质地粗的土壤具有更大的水容量。这是土壤保水量的数量指标