土壤学复习课 (2)

土壤学复习课,绪论,一、土壤的概念定义为：地球陆地表面能够生长植物并产生收获的疏松表层。二、土壤肥力土壤肥力：指土壤在植物生活的全过程中，供应和协调植物所需的水、气、肥(养分)、热的能力。,a营养库的作用根部营养植物的主要营养方式；土壤施肥主要施肥方式（培肥土，土养苗）b养分转化和循环作用c雨水涵养作用d生物的支撑作用e稳定和缓冲环境变化的作用,三、土壤在植物生长中的特殊作用,第一章地学基础,矿物：指地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作用下形成的具有一定的化学组成和物理性质的单质或化合物。岩石：矿物的集合体。,原生矿物：土壤原生矿物是指那些在风化过程中未改变化学成分和结构的原始成岩矿物。如橄榄石、角闪石、长石、石英、云母等。次生矿物：是原生矿物在地表常温常压条件下，经风化、沉积作用所形成的一类矿物。如碳酸盐矿物、石膏、粘土矿物和铁铝的氧化物等。变质矿物：是早期形成的矿物经过变质作用（高温高压和化学活性物质的影响下）所形成的矿物。如蛇纹石、红柱石等。,粘土矿物,1：1粘土矿物单位晶层构造（高岭石组）2：1型单位晶层构造（蒙脱石）2：1型非胀缩性矿物（伊利石）,岩浆岩：是地球内部岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的岩石。沉积岩：在地表或近地表条件下，由母岩破坏而成的疏松沉积物(Sediment)经搬运、沉积及成岩作用（压紧、固结）形成的岩石。变质岩：原始岩石经变质作用形成的新岩石。,坡积物：山坡上部的风化碎屑物质，经雨水或融雪水的冲刷，搬运到山坡的中下部堆积而成。洪积物：在干旱与半干旱地区的山地，由于骤融的雪水，或间歇性暴雨，形成流速湍急的洪水，将山区的风化碎屑夹杂泥沙，搬运到山谷出口处，由于地势宽坦而水流减缓，使所携带的物质沉积下来，形成扇面地形，称为洪积扇。河流冲积物：风化碎屑物质经河流的侵蚀、搬运和堆积而形成的。,第二章土壤质地和结构,土壤密度：单位容积固体土粒(不包括粒间孔隙)的质量。(g/cm3)土壤容重：单位体积自然状态土壤体(含粒间孔隙)的干重。(g/cm3),1hm2的1m土层储水量=10000m21m1.3t/m325%=3250t3250t/1t/m3(水密度)=3250m33250m3/hm2=325mm,设土层厚度1m，土壤含水量25%，容重为1.3t/m3。,计算土壤储水量及灌水（或排水）定额,公式,土壤孔度(soilporosity),土壤全部孔隙容积(porevolume)占土体容积的百分率。,总孔度(totalporosity)(1容重/比重)100%固相(solidphase)(容重/比重)100%液相(liquidphase)(水分重量百分率容重)100%气相(gasphase)(总孔度液相)100%,土壤三相组成及孔度计算,不同质地土壤的肥力特征和利用改良,（一）不同质地土壤的肥力特征,1、砂质土类(sandysoilgreatgroup),（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，称为热性有利于早春作物播种。,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,（4）肥,松散易耕,（5）耕性(tilth),2、粘质土类(clayedsoilgreatgroup),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,（1）水,（2）气,小孔隙多，通气性差，容易累积还原性物质,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,（3）热,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,(4)肥,耕性差，粘着难耕,（5）耕性,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。,3、壤质土类(loamysoilgreatgroup),主要土壤质地类型的性质比较,(三)土壤质地改良(soiltextureimprovement),团粒结构具有小水库、小肥料库、空气走廊的作用，协调水气状况能力强，因而是理想的结构体。,团粒结构在土壤肥力上的意义,团粒结构透水性好，可接纳大量降水(precipitation)和灌溉水(irrigationwater)；而团粒内部保水性强，天旱(drought)时还可防止水分蒸发(evaporation)。天旱时表层蒸发失水后，土体收缩切断与下层毛管连通性，水分不会由大孔隙流向小孔隙而蒸发损失。,1、小水库(reservoir),2、小肥料库具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰富。团粒结构表面（大孔隙，和空气接触）为好气作用，有利于有机质的矿质化，释放养分。团粒内部（毛管孔隙，储水通气不良）则有利于腐殖化，保存养分。,3、空气走廊由于团粒之间的孔隙较大，有利于空气流通(ventilation)。,土壤良好结构体的培育1、大量施用有机肥（团聚剂）2、实行合理耕作3、实行合理轮作4、施用石膏或石灰5、施用土壤结构改良剂(soilconditioner),第三章土壤有机质和生物,土壤有机质：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、复杂的、性质比较稳定的高分子化合物(腐殖质)。,土壤有机质的分解和转化,矿质化过程（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(H2O；CO2等)并释放出能量的过程。腐殖化作用(humification)进入土壤中的有机质又重新合成腐殖质的过程。,影响土壤有机质转化的因素,1、植物有机残体的特性（内在性质）,(1)物理状态：多汁、幼嫩残体，粉碎残体易于分解（秸秆还田注意粉碎）。(2)化学性质（有机组分）糖类、淀粉、蛋白质等易分解；木质素、纤维素、脂蜡质、单宁等难分解；半纤维素、果胶介于中间。富含蛋白质的残体利于矿化；富含木质素的残体利于生成腐殖物质。使用富含木质素的有机肥，生成腐殖质较多，改土效果好（猪粪与牛粪的改土区别）。,(3)植物残体的碳氮比（C/N）土壤微生物的C/N比值平均为8:1，即吸收1份N需要8份C，但微生物代谢的C只有1/3进入微生物细胞，其余的以CO2释放因此，微生物同化1份N到体内，须要约24份的C。当有机残体的C/N25:1时，其N源不足，须从土壤中吸收无机N来补充（氮的生物固定），造成与植物对N源的暂时性竞争，有机质分解慢。当有机质C/N降至25:1以下，分解加快，同时释放出无机N。,植物残体C/N变化大，禾本科秸杆C/N多大于30:1。施用水稻、玉米、麦类等高C/N秸杆，分解初期应避免氮的“生物固定”。方法是：1）堆腐一段时期再施用；2）配施适量氮化肥（一般秸杆300-400kg/mu，配施N3-4kg/亩）。,氮因素值：100克有机质分解时固定无机氮的克数。,2.土壤环境条件（微生物活动条件）,(1)土壤温度(temperature)2535条件下，M(微生物)活动最为旺盛，利于OM（有机质）矿质化分解，提供作物所需养分。,(2)土壤湿度和通气状况(soilhumidityandaerationstatus)要求水分充足而通气良好。水少气多:好气,M活动旺盛,OM矿质化分解,释放养分水多气少:嫌气,M活动受抑制,OM腐殖化合成腐殖质,最适水气状况为：即田间持水量的6080%，按土水势-300-1000hPa（百帕）或mbar（毫巴）。干湿交替(wettinganddryingcycle)有利于有机质的分解与转化。,(3)土壤pH细菌最适pH6.57.5，放线菌稍高，真菌较低。pH低于5.5，高于8.5，一般微生物都不太适宜。,(4)质地：质地愈粘重，愈难分解，腐殖化系数愈高。(5)其它条件：土壤盐浓度低于0.2%，无重金属污染等。,土壤腐殖酸的分组,（一）提供植物养分有机质养分完全，是植物吸收C、N、P、S和微量元素的主要来源，且肥效稳而持久。土壤每年释放的CO2达1.351011吨，相当于陆地植物的需要量；植物所需养分中N95%以上，P20-50%，S38-94%是由有机质分解供给的促进有机物质矿质化。其他营养：K、Na、Ca、Mg、S、Fe、Si等营养元素。,土壤有机质在土壤肥力方面的作用,（二）促进养分有效化(effectuation)OM矿质化和腐殖化过程中产生的有机酸和腐殖酸，增加土壤中矿质养分的溶解度；有机酸和富啡酸络合某些金属离子（如Fe），使其保留于土壤溶液中不致沉淀，而提高其有效度。同时减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。通过络合，减轻强酸性土的铁、铝毒害。,（三）改善土壤肥力特性1、物理性质：促进良好结构体形成(胶结剂-胡敏酸多糖）降低土壤粘性、粘着性、胀缩性和可塑性，改善土壤耕性；降低土壤砂性，提高保蓄性；促进土壤升温。机理如下1.进入土壤的植物组织，每千克干物质大约有16.745220.9320KJ的热。含有机4%土壤每英亩耕层土壤有机物质潜能为6.281096.9888109KJ;相当于2050吨无烟煤热量。（土壤参与了能量的传递）应用实例：保护地蔬菜育秧和越冬2.腐殖质黑色有利于吸热增温3.导热性较大,2、化学性质（1）影响土壤的表面性质（2）影响土壤的电荷性质可变电荷（3）影响土壤保肥性（4）影响土壤的络合性质（5）影响土壤缓冲性（弱酸和弱酸盐）,3、生物性质(腐殖酸被认为是一种生理活性物质)（1）影响根系的生长（2）影响植物的抗旱性(增强了细胞渗透性和刺激根系下扎）（3）影响植物的物质合成与运输（4）药用作用。,不良作用：有机物质分解的中间产物如各种有机酸的毒害问题应当注意,$如何提高土壤有机质含量？1、坚持两个原则平衡原则经济原则2.提高有机质含量的措施（1)合理耕作制度（退化或熟化）合理的耕作制度可促进土壤有机质含量的提高并维持较高的水平。,主要的有机肥源包括：绿肥、粪肥、厩肥、堆肥、沤肥、饼肥、蚕沙、鱼肥、河泥、塘泥、有机、无机肥料配合施用,（2）施用有机肥,（3）种植绿肥田菁紫云英紫花苜蓿等,休闲绿肥、套作绿肥养用结合：因地制宜、充分用地、积极养地、养用结合,（4）秸秆还田,要注意秸秆的C/N比、破碎度、埋压深度以及土壤墒情、播种期远近、化肥施用量等,根际：是指植物根系直接影响的土壤范围。通常把根际范围分成根际与根面二个区，受根系影响最为显著的区域是距活性根1-2毫米的土壤和根表面及共其粘附的土壤（也称根面）。根际效应：由于植物根系的细胞组织脱落物和根系分泌物为根际微生物提供了丰富的营养和能量，因此，在植物根际的微生物数量和活性常高于根外土壤，这种现象称为根际效应。,第四章土壤水,1、吸湿水（紧束缚水）2、膜状水（松束缚水）3、毛管水4、重力水,1、吸湿系数2、凋萎系数3、田间持水量4、毛管持水量5、饱和持水量,1、重量百分数(水w%),计算土壤含水量时，以干土重为计算基础，这样才能反映土壤的水分状况。,2、容积百分数(水v%)土壤所含水分的容积总量占土壤总容积的百分数,根据水分的容积百分数可算出土壤中空气含量并进而算出土壤固、液、气三相的比例。,土壤水含量的表示方法,土壤样品水分重量(Mw)水w%=100土壤样品干土重(Ms),水v%=水w%土壤容重,3、土壤水贮量（1）水层厚度（水深）（水mm）水mm=水v%土层厚度,优点:与气象资料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互相比较和互相换算。,例：容重为1.2g/cm3的土壤，初始含水量为10%，田间持水量为30%，降雨10mm，若全部入渗，可使多深土层达田间持水量？解:先将土壤含水量水w%换算为水v%初始含水量水v%=10%1.2=12%田间持水量水v%=30%1.2=36%因水mm=水v%土层厚度土层厚度=水mm/水v%=10/(0.36-0.12)=41.7（mm）,作用:与灌溉水量的表示方法一致，便于计算库容和灌水量。例：一容重为1g/cm3的土壤，初始含水量为12%，田间持水量为30%，要使30cm土层含水量达田间持水量的80%，需灌水多少（方/亩）？解：田间持水量的80%为：30%80%=24%30cm土层含水达田间持水量80%时水mm=(0.24-0.12)1300=36(mm)2/336=24(方/亩),方/亩=水mm1/100010000/15=2/3水mm,4、相对含水量（%）指土壤自然含水量占某种水分常数（一般是以田间持水量为基数）的百分数。土壤含水量土壤相对含水量=100%田间持水量通常相对含水量为60%至80%，是适宜一般农作物以及微生物活动的水分条件。,第六章土壤胶体化学和表面反应,永久电荷：来源于粘土矿物晶层中核心离子的同晶替代。不受介质pH值的影响，也不受电解质浓度的影响。可变电荷：在介质酸碱度影响下产生的，其电荷类型和电荷数量均决定于介质酸碱度，又称pH依变电荷。阳离子交换作用：土壤溶液中的阳离子与土壤胶体表面吸附的阳离子互换位置。阳离子吸附：土壤溶液中的阳离子转移到土壤胶体表面，为土壤胶体所吸附。阳离子解吸：土壤胶体表面吸附的阳离子转移到土壤溶液中。交换性阳离子：被土壤胶体表面所吸附，能被土壤溶液中的阳离子所交换的阳离子。,阳离子交换量（CEC）：是指在一定pH值条件下，每千克干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。因CEC随pH而变化，一般控制在pH7条件下测定。土壤盐基饱和度（BS）：盐基离子占吸附阳离子总量(CEC)的百分数。离子饱和度：土壤吸咐某种交换性阳离子数量占土壤交换性阳离子总量的百分数，称该种离子饱和度。,第七章土壤酸碱性和氧化还原反应,土壤活性酸：扩散于土壤溶液中的氢离子所反映出来的酸度。土壤潜性酸：土壤胶体吸附的H+、Al3+离子，在被其它阳离子交换进入溶液后，才显示酸性。交换酸：土壤胶体吸附的氢离子或铝离子通过交换进入溶液后所反映的酸度。用1mol/L的KCl(pH5.56.0)处理土壤，K+交换出氢离子或铝离子，通过滴定得到的酸度。水解酸：具有羟基化表面的土壤胶体，通过解离氢离子后所产生的酸度。水解酸的测定是用1mol/L的CH3COONa(pH8.3)处理土壤。,土壤酸化过程土壤胶体上吸附的盐基离子被活性H交换进入土壤溶液后被淋失，胶体上的交换性H不断增加，并出现交换性铝，形成酸性土壤。土壤碱性的形成机理土壤中碱性物质主要是Ca、Mg、Na、K的碳酸盐及重碳酸盐，以及土壤的交换性Na+。碱性形成的主要机理：碱性物质的水解反应。,“南酸北碱”,(1)土壤的酸碱性主要决定于盐基饱和状况，土壤盐基淋溶过程与富盐基过程的相对强度受母质、生物、气候以及人为作用等多种因素的影响，而尤以气候因素影响最甚。我国土壤“南酸北碱”以北纬33为界；(2)在北纬33以北，气候较干燥、寒冷，水热条件不好，矿物风化程度浅，母质及土壤中的盐基大多没被淋失，相反，由于降雨量小，蒸发量大，土壤深层盐分随地下水的上升而聚积于地表土壤，致使土壤偏碱性；(3)而在北纬33以南，总的水热条件好，矿物风化程度深，在降雨充足的情况下，母质及土壤中的盐基大多随水流失，土壤胶体和溶液中存在较多的H+、Al3+，而使土壤呈不同程度的酸性，越到我国的南方，土壤酸度越高。,土壤酸碱性的调节,1、酸性土的改良土壤酸度通常以施用石灰或石灰粉来调节。可分为生灰石（CaO）熟石灰Ca(OH)2石灰石粉CaCO32、碱性土的改良改良pH8.5的碱性土施用石膏(CaSO42H2O)、硅酸钙等。施用硫磺粉和FeS2粉(同时补铁)施用有机肥，产生CO2提高土壤空气CO2浓度,第八章土壤养分,土壤养分：由土壤提供的植物生长所必须的营养元素。有效养分能够直接或经过转化被植物吸收利用的土壤养分。速效养分在作物生长季节内，能够直接、迅速为植物吸收利用的土壤养分。无效养分不能被植物吸收利用的土壤养分。,土壤氮素,土壤氮的形态无机态氮包括NH4+N、NO3-N、NO2-N。旱地土壤无机氮一般以NO3-N较多，淹水土壤则以NH4+-N占优势。有机态氮水溶性氮、水解性氮、非水解性氮,（一）、淋洗损失（NO3-的淋失）NH4+、NO3-易溶于水，带负电荷的土壤胶体表面对NH4+为正吸附，而保持于土壤中；对NO3-为负吸附（排斥作用），易被淋失。,土壤氮的损失,（二）、反硝化作用，又称生物脱氮作用在缺氧条件下，NO3-在反硝化细菌作用下还原为NO、N2O、N2的过程。NO3-NO2-NON2ON2反硝化的临界Eh约为334mv，最适pH为7.08.2，新鲜有机质丰富。pH小于5.25.8的酸性土壤，或高于8.29.0的碱性土壤，反硝化作用显著下降。,（三）、化学脱氮过程,土壤中的含氮化合物通过纯化学反应生成气态氮而损失的过程。1.双分解作用：氨态氮和亚硝态氮同时大量并存于土壤溶液中时，因生成亚硝酸铵（NH4NO2）而产生双分解作用脱氮。,很少发生。反应条件：pH为5.06.5，温度较高，较干旱。自催化能力强，分解速度越来越快。,2、亚硝酸分解3HNO2HNO3+2NO+H2O条件：酸性愈强，分解愈快。,土壤磷素,土壤磷的形态无机态磷：水溶态磷、吸附态磷、矿物态磷有机态磷：植素类、核酸类、磷脂类,P在土壤剖面上的分布从上到下，磷的含量逐渐降低。原因磷的迁移率很低；植物根系的富积；有机胶体或无机胶体对磷酸根的吸附作用，上层较强；耕作制度和施肥的影响。,土壤磷的有效性与土壤pH间的关系,土壤磷的固定主要是因为形成了磷酸铁（铝）化合物、磷酸钙（镁）化合物和闭蓄态磷。在酸性条件下，磷容易被固定为磷酸铁（铝）化合物，在石灰性条件下，磷容易被固定为磷酸钙（镁）化合物，而在中性附近，磷酸铁（铝）和磷酸钙（镁）的固定作用都比较弱。因此，当土壤pH接近中性时，土壤磷的有效性最高。,提高土壤磷有效性的途径（1）酸性土壤施用石灰，调节其pH至6.56.8。（2）增加土壤有机质，减少磷的固定,有机酸等螯合剂与Ca、Fe、Al螯合，促使磷的释放。腐殖质包被铁、铝氧化物等胶体表面，减少其对磷的吸附。有机质分解产生的CO2，使Ca-P碳酸化而增加溶解度。,（3）土壤淹水还原可明显提高磷有效性,酸性土壤淹水还原pH上升促使活性铁、铝氧化物的沉淀，减少磷的固定，碱性土pH降低，增加CaP的溶解度。土壤淹水Eh下降，铁被还原，使部分FeP和OP活化为有效磷。,（1）集中施肥（减少与土壤接触面），与有机肥配合施用，施用于作物近根区（磷的移动性小）。（2）水旱轮作的磷肥施用，旱(作)重，水(稻)轻。（3）酸性土壤施碱性磷肥（钙镁磷肥等），碱性土施酸性磷肥（过磷酸钙等）。（4）氮磷配合。豆科作物以磷增氮。,磷肥施用注意问题,闭蓄机制当磷在土壤中固定为粉红磷铁矿后，若土壤局部的pH升高，可粉红磷铁矿的表面形成一层无定形的氧化铁薄膜，把原有的磷包被起来，这种机制叫闭蓄机制。Fe(OH)3PKs=3738粉红磷铁矿：PKs=3335胶膜有铁铝质的、钙质的。,水稻土容易出现O-P。因为土壤淹水种植时，土壤pH值上升，可促进Fe-P水解产生Fe(OH)3，Fe(OH)3胶膜包被磷酸盐后形成O-P,水稻田由淹水状态转入干旱状态时，Fe(OH)3胶膜老化形成不可逆凝胶，使O-P有效性更为降低。,土壤钾素,第十章土壤形成和发育,土壤形成因素又称成土因素，是影响土壤形成和发育的基本因素。五大成土因素：气候、母质、生物、地形、时间人为因素,土壤发生中的基本成土作用,有机质的分解和转化原生矿物的分解和粘土矿物的合成物质的迁移,第十一章四川盆地主要农耕土壤,紫色土水稻土,紫色土形成条件（紫色土不是地带性土壤）,1、母质：为主导因素（侏罗系、白垩系）紫色砂、页岩互沉，易于破碎，形成土壤。2、生物气候:川渝南亚热带暖温带都有紫色土分布。3、地形:紫色土主要分布于丘陵区：单面山(雅安)、方山(内江)、猪背岭(重庆)。4、人为因素：加速成土过程，造成水土流失，养分不平衡。,紫色土形成过程特点(较年轻的幼年土壤),1、成土速度快物理风化强烈：岩石母质土壤，进程时间短。一般土壤由岩石形成20cm土壤，需2001000年，紫色土只需510年。2、发育进程慢，土壤年龄轻，土壤特点与母质相近(矿物组成、化学组成)（1）侵蚀严重风化成土侵蚀风化成土侵蚀（2）矿质颗粒抗化学风化、物理风化强烈（3）母岩富含盐基物质K、Ca含量可达110%。3、稳定的紫色与岩石中结晶态铁的氧化物有关，含量由少多，颜色由黄红紫。,紫色土的生产问题,1、抗旱力弱，生产不稳定(1)气候：降雨时空分布不均；(2)水利设施差：能灌耕地，川中丘陵区24.5%，全国为45.4%，川渝为43.3%。(3)土层浅薄，紫色土地区20cm的区域占旱耕地30%以上2、水土流失严重严重的水