土壤学课件土壤固相组成

1,风化作用成土作用岩石土壤母质土壤,第二章土壤固相组成,第一节土壤矿物质,一、土壤颗粒,1.土粒(soilparticle)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，只能用当量粒径代替之。土壤1mm(卡氏制)或2mm部分(国际制、美国制)2.土粒的大小划分粒级分级标准：国际制(internationalsystem)、美国制(SoilTaxonomy)、卡庆斯基制(Kachinskyclassificationsystemofsoiltexture)及中国制。,表21常见土壤粒级(soilfractions)制,二、土粒的矿物组成,砂粒(sand)以原生矿物为主，最多的是石英；,粘粒(clay)则以次生矿物为主。,粉粒(silt)除原生矿物外,还有一些风化后形成的次生矿物；,1.层状硅酸盐粘土矿物(1)构造特征硅氧四面体,硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法,硅氧四面体,铝氧八面体,铝氧八面体,铝氧八面体铝氧八面体的构造图示法,（2）单位晶片硅氧四面体硅层(siliconlayer)铝氧八面体铝层(aluminumlayer),硅片（硅氧片）图示法,铝片（水铝片）图示法,（3）单位晶层1:1型一层硅层与一层铝层重叠而成,1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图,2:1型两层硅层中间夹一铝层,2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图,（4）硅酸盐矿物的种类高岭组包括高岭石、埃洛石等特点：A、1:1型B、膨胀性小硅片和铝片之间存在氢键C、电荷数量少同晶替代极少同晶替代：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。D、颗粒较大可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱。,蒙脱组包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。特点：A、2:1型B、膨胀性大C、电荷数量大同晶替代现象普遍D、颗粒较细，呈片状可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作极为不利。水化云母(伊利石)组又称2:1型非膨胀性矿物特点：A、2:1型B、非膨胀性晶层之间吸附的K+的强吸附力。,C、电荷数量大同晶替代现象普遍D、可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。,2.氧化物（1）氧化铁针铁矿、赤铁矿（2）氧化铝三水铝石（3）水铝英石（4）氧化硅,三、土粒的化学成分,表22土壤各粒级的化学组成,(1)随粒径由大到小，SiO2含量由多到少;(2)R2O3(即Fe2O3与Al2O3的总称)与SiO2相反,随粒径由大到小，R2O3含量由少到多;(3)CaO、MgO、P2O5、K2O随土粒由大到小,含量增加。硅铝铁率(silica-sesquioxideratio)：又称“Saf值”。土壤粘粒部分SiO2与R2O3分子数之比。以SiO2/R2O3表示。硅铝率(silica-aluminaratio)：又称“Sa值”。土壤粘粒部分SiO2与Al2O3分子数之比。以SiO2/Al2O3表示。,四、各级土粒的物理性质土粒由大到小，保水能力（表2-3中最大吸湿量、最大分子持水量、毛管水上升高度）增加，但通透性（表2-3中渗透系数）降低。随着土粒由大到小，土壤膨胀性和可塑性增加，对耕作带来不利影响。,表23各级土粒的水分性质和物理性质,第二节土壤质地1.土壤机械组成(soilmechanicalcomposition)土壤中各级土粒的百分含量，又称土壤颗粒组成。2.土壤质地（soiltexture）概念按土壤颗粒组成进行分类，将颗粒组成相近而土壤性质相似的土壤划分为一类并给予一定名称，称为土壤质地。划分土壤质地的目的在于认识土壤的特性并合理利用土壤和改良土壤。,1.国际制(internationalsystem),一、土壤质地分类(soiltextureclassification)制,表2-4国际制土壤质地分类表,根据粘粒(clay)含量将质地分为三类即：粘粒含量小于15%为砂土(sand)类、壤土(loam)类；粘粒含量15%25%为粘壤土(clayloam)类；粘粒含量大于25%为粘土(clay)类。根据粉粒(silt)含量，凡粉粒含量大于45%的，在质地名称前冠“粉质(siltyclay)”。根据砂粒(sand)含量，凡砂粒含量大于55%的，在质地名称前冠“砂质(sandy)”。,2.美国制(SoilTaxonomy)（连接）等边三角形的三个边分别表示砂粒、粉粒、粘粒的含量。根据土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量，在图中查出相对应的区域，即得该土壤的质地。3.卡庆斯基制(Kachinskyclassificationsystemofsoiltexture),按表25，卡庆斯基质地分类可归纳为以下几个步骤：,表2-5卡庆斯基土壤质地基本分类,根据物理性粘粒(physicalclay)含量，将土壤分为三大质地类型九种质地，通过查表2-5确定。根据砂粒、粗粉粒、中细粉粒、粘粒含量，进一步划分质地，确定质地详细名称:第二优势粒级第一优势粒级质地名称根据石砾(gravel)含量，查下表，冠在质地详细名称前。大于1毫米的石砾含量%石质程度10.0重石质土,川农大农场几种类型土壤的颗粒组成及详细质地命名（卡氏制）土壤名称颗粒组成（%）质地名称物理性粘粒砂粒粗粉粒中细粉粒粘粒石砾白鳝泥（苹果园）62.410.926.728.833.60粉粘质轻粘土黄泥小土(张家坪)43.838.218.031.012.80粉砂质中壤土白鳝泥（张家坪）49.524.226.331.318.20粉质重壤土半泥砂（沙湾）38.029.033.018.020.00粗粉质中壤土石骨子土(老板山)31.056.412.619.211.830重石质粉砂质中壤土4.中国制,二、不同质地土壤的肥力1.砂质土类（1）水粒间孔隙大，毛管作用弱，透水性强而保水性弱，水气易扩散，易干不易涝；（2）气大孔隙多，通气性好，一般不会累积还原物质；（3）热水少气多，温度容易上升，称为热性土，有利于早春作物播种。（4）肥养分含量少，保肥力弱，肥效快，肥劲猛，但不持久，易造成作物后期脱肥早衰；（5）耕性松散易耕。,2.粘质土类（1）水粒间孔隙小，毛管细而曲折，透水性差，易产生地表径流,保水抗旱力强，易涝不易旱；（2）气小孔隙多，通气性差，容易累积还原性物质；（3）热水多气少，热容量大，温度不易上升，称冷性土，对早春作物播种不利；（4）肥养分含量较丰富且保肥力强，肥效缓慢，稳而持久，有利于禾谷类作物生长，籽实饱满。早春低温时，由于肥效缓慢易造成作物苗期缺素；（5）耕性耕性差，粘着难耕。,3.壤质土类土壤性质兼具粘质土和砂质土的优点，而克服了它们的缺点。耕性好，宜种广，对水分有回润能力，是较理想的质地类型。,三、土壤质地剖面土壤剖面(soilprofile)中不同质地层次的排列组合。1.粘盖砂（上粘下砂）不良组合2.砂盖粘（上砂下粘）优良组合,31,夹砂层,夹粘层,四、不同质地土壤的利用和改良（一）土壤质地与植物生长土壤质地与植物生长密切相关。不同质地土壤肥力特性各异；不同种类植物生物学特性各异；农业生产中强调：因地制宜砂土：生长期短的作物和根茎类作物（土豆、花生等）粘土：生长期长且需肥较多的禾谷类作物（水稻、玉米、小麦等）,（二）土壤质地的改良1.客土法（异地搬运、引洪放淤、引洪漫沙）（1）砂掺粘（2）粘掺砂2.改良土壤结构（1）大量施用有机肥（2）植树种草，培肥土壤（3）施用土壤结构改良剂,第三节土壤有机质(SoilOrganicMatter),一、土壤有机质来源,概念：土壤有机质(soilorganicmatter)土壤有机质是土壤中的各种动植物残体，在土壤生物的作用下形成的一类特殊的高分子化合物。,微生物动物来源植物来源工农业副产品,森林土壤,酸性有机质(acidorganicmater),森林土壤(forestsoil)：枯枝落叶,草原土壤,草原土壤(steppesoil)：地上部草地下部根系,中性有机质(neutralorganicmater),耕作土壤(cultivatedsoil)：作物残茬(一般占籽实产量的3540%)、施用的有机肥。,耕作土壤,二、土壤有机质的含量及组成1.含量耕作土壤中，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%4.003.014.002.013.001.012.000.611.000.60水田%1.296.1939.9051.990.630.004旱地%3.145.5218.7246.2624.661.10,2.元素组成(水%75，干物质%25)干物质CHON灰分元素%448408C/N大约为10左右。,土壤学,3.土壤腐殖质（soilhumus）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-humicsubstances）和腐殖物质（Humicsubstances）组成，通常占土壤有机质的90%以上。,土壤学,三、土壤有机质的转化（一）简单有机化合物的分解和转化矿质化(mineralization)：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。1.碳水化合物(carbohydrate)的矿质化碳水化合物有机酸CO2H2O,在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O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、腐烂甲酸3.210-3M、乙酸4.610-3M、正丁酸710-4M，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。,2.含氮化合物(nitrogencompound)的矿质化蛋白质氨基酸NH4NO3-N素有效化速效N(NH4、NO3-)微生物体细胞N素生物固定N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。C/N25时，产生N素生物固定C/N25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。禾本科秸秆还田应配施化学N肥：一般亩施秸秆300400kg，需要配施化学纯N34kg。,3.脂肪(fattiness)、树脂(pitch)、蜡质(waxiness)、单宁(tannin)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。4.木质素(xylogen)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CO2和H2O，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。,有机质的矿化率(percentmineralization)：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。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）腐殖化过程,1.腐殖化作用(humification)腐殖质(humus)：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(humification)：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,土壤腐殖质形成途径,四、土壤腐殖质,（一）土壤腐殖质的分组,土壤有机质分组,HA:humicacid,FA:fulvicacid,humin,SoilOrganicMater,soilhumus,Humicsubstances,Non-humicsubstances）,（二）土壤腐殖酸(humicacid)性质1.物理性质分子量、形状、颜色A、分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关；B、形状球形结构，疏松多孔，似海棉；C、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）溶解性与吸收性A、溶解性(dissolution)FA、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。,2.化学性质元素组成,C、H、O、N、P、S为主C：N：P：S100：10：1：1120：10：1：1含C量为5560%，平均58%，100/581.724实验测定土壤有机质时，测出含C量后C%1.724即得土壤有机质含量OM%C%1.724,B、吸收性(absorbency)亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。,功能团(functionalgroup)含有COOH、OH及酚羟基等多种功能团功能团的解离导致腐殖酸带电如：RCOOHRCOOHROHROH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,五、影响土壤有机质分解和转化的因素,图2-1有机质的分解与合成示意图,1.温度2535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（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。激发效应可以是正、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。,腐殖化系数（humificationcoecient）：单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量。,六、土壤有机质的作用及管理（一）在土壤肥力上的作用1.养分较完全植物生长所需养分N：8097%，平均95%；P：2076%；S：3894%为有机态，由有机质提供。,N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl、Ni,营养,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150450（平均350）3580100,土壤学,4.提高土壤缓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缓冲；遇H时则由于带负电荷而吸附H对酸缓冲；同时，由于腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起缓冲作用。,5.促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质粘结力：砂粒有机胶体粘粒因此，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