土壤肥料学土壤学部分

土壤肥料学（土壤部分）,土壤学是研究土壤的形成演变、组成性质、开发利用及其培肥改良的一门科学。,一、土壤在农业生产中的地位和作用（1）土壤肥料是农业生产的基本生产资料农业生产全过程包括三个紧密联系的环节：1、植物生产2、动物生产3、土壤管理上述过程说明土壤是农业生产的基础，是物质和能量转化的场地，是进行农业生产的基本条件。土壤作为农业生产的基本生产资料，不仅给农业生产提供了基地，也给人们提供了数量庞大的生活资料和生产资料。要促使农业生产持续发展，达到农业高产、高效、优质、低耗，必须正确利用土壤，认真保护土壤，努力改造以土壤为中心的农业生产条件，提高土壤肥力，增强土壤对各种自然灾害的抗逆能力，这是实现农业现代化的重要保证！,绪论,(2)土壤是制定农业技术措施的依据农作物栽培的多项技术措施包括：耕作、施肥、灌水、品种选择、种子处理、种植密度、植物保护、农机具使用以及日常田间管理等。土壤是这些技术措施的基础，任何措施都要考虑土壤的性质，要“因土制宜”。这也是我们为什么学习土壤学的原因。认识土壤了解土壤才能更好地学好专业知识，让我们把所学的土壤学知识应用到生产实践和专业研究中去，互相促进。,（3）土壤是人类社会的重要自然资源土壤作为人类生存的最基本的自然资源，不同于其他资源，它在农业生产上发挥其资源作用是长期的，不受时间限制。只要治之得宜，就能千古地力常新。土壤又是珍贵的，马克思曾经说过“土壤是世代相传的人类所不能出让的生存条件和再生产条件”。土壤虽能再生但也能破坏，世界范围内在土地资源利用上出现的问题非常严重：1、乱占土地2、土壤侵蚀3、土壤沙化4、土壤盐碱化5、土壤污染6、土壤变质退化等，对土壤资源构成严重威胁。,（4）土壤是陆地生态系统的主要组成部分生态系统是指生物群落与其环境互相联系互相制约的自然整体。土壤不只是农业生产的基本资料，还是陆地生态系统的重要组成部分，土壤利用上存在的严重问题无一不影响整个生态环境。因此对土壤的利用不但要根据国民经济和农业生产发展的要求，结合考虑土壤本身的性质特点，还应从环境科学角度，考虑自然界中生态系统的平衡问题，宜农则农，宜林则林，宜牧则牧，防止三废及农药和滥用化肥对土壤的污染，防止水土流失，防止由于土壤状况恶化而影响整个环境和生态系统的协调。我们要为子孙“留一块绿地，留一片蓝天”。,二、土壤和土壤肥力的基本概念1、土壤是地球陆地上能够生产植物收获物的疏松表层。“陆地表层”说明土壤的位置，“疏松”指其物理状态，经区别于坚硬整块的岩石。又分：自然土壤未经人类开垦自然形成的土壤。农业土壤在自然土壤的基础上经过人类开垦耕种的土壤。土壤之所以“能够生产植物收获物”，主要由于土壤具有肥力。2、土壤肥力是指在植物生长期间，土壤能持续不断地、适量地提供并协调植物生长所需要的水分、养分、空气、热量等因素及其他生活条件的能力。肥力是土壤的基本属性和质的特征。土壤学中把水、肥、气、热称为四大肥力因素。,3、土壤的基本物质组成,土壤,固体土壤（约占土壤总容积的50%）,粒间孔隙（约占土壤总容积的50%）,土壤生物体土壤动物和土壤微生物等。,矿物质来自岩石的风化，包括原生矿物和次生矿物，约占固体重量的95%以上。,有机质动物残体及其转化产物，约占固体重量的5%以下。,土壤空气一部分由地上大气层进入，主要为O2、N2等，另一部分由土壤内部产生，主要为CO2、水汽等。,土壤水分主要由地上进入土中，其中含有溶质，包括离子、分子、胶体颗粒等，实际上是浓度不同的溶液（土壤溶液）。,土壤是四（或五）种物质组成的三相多孔体,自然肥力和人为肥力,根据土壤肥力的来源不同，土壤肥力有自然肥力和人为肥力的区别。自然肥力是指土壤在自然因子即五大成土因素（气候、生物、母质、地形和年龄）的综合作用下发育来的肥力，它是自然成土过程的产物。人为肥力是耕作熟化过程发育而来的肥力，是在耕作、施肥、灌溉及其它技术措施等人为因素影响作用下所产生的结果。因此只有从来不受人类影响的自然土壤才具有自然肥力。,潜在肥力与有效肥力,从肥力的实际经济效益分为：有效肥力和潜在肥力。有效肥力是指在当季生产上发挥出来并产生经济效果的那一部分肥力。潜在肥力是指在当季生产上未能产生经济效果的那一部分肥力。有效肥力和潜在肥力是可以相互转化的，两者之间没有截然的。,土壤肥力的发展与转化,自然土壤只具有自然肥力，但一切农业土壤则兼具自然肥力和人为肥力，它们具有综合效应，作物在利用肥力因素时，二者是不能区分的。潜在肥力与有效肥力之间没有截然界限，在一定环境条件下，可以相互转化。,三、土壤学的发展概况及面临的任务1、土壤科学发展中的几个代表性学派（一）农业化学派和农业地质学派1840年德国化学家李比希在化学在农业及植物生理上用应用中提出了植物的矿质营养学说，主要观点为植物生长需吸收土壤中的矿质营养，创立了农业化学派，开创了土壤科学的新纪元。19世纪后半叶西欧盛行农业地质学派，他们认为土壤是岩石的风化堆积物，土壤的形成过程只是岩石风化淋溶过程，土壤肥力呈递减曲线下降，忽略了生物因素对土壤肥力的积极作用。（二）土壤发生学派19世纪末俄国的道库恰耶夫提出了“成土因素”学说，他认为土壤及其肥力的形成是母质、气候、生物、地形和成土年龄五大成土因素共同作用的产物，但对农业生产中的具体问题没有足够的注意。（三）美国Ritchre提出“作物环境综合系统”（CERES系统),2、土壤科学在我国的发展我国是四大文明古国之一，对土壤的认识较早，在世界上最早提出使用有机肥和种豆科植物肥田，写出了世界上最早的一本关于土壤分类的书禹贡。解放后我国土壤科学发展大大加快，先后进行了两次全国土壤普查，取得了显著的成绩，得到了全世界的高度重视，也为我国农业的发展作出了巨大的贡献。3、土壤肥料工作面临的主要任务主要有是：1、与环境生态相结合，继续进行基础理论研究，2、进行土壤普查和土壤普查成果应用3、重点搞好中、低产田的利用改良4、采取有力措施坚决制止滥占耕地5、防止土壤侵蚀保持生态平衡6、合理施肥，增辟肥源，调整氮、磷、钾比例,思考题1.土壤肥力四因素是什么？2.什么是自然土壤、农业土壤、有效肥力、潜在肥力？3土壤学的任务是什么？4土壤的基本物质组成有哪些？,第一节土壤的无机矿物质颗粒,第二节土壤有机质,第一章组成土壤的固相物质,第一节土壤的无机矿物质颗粒一、土壤无机矿物质颗粒的来源土壤中的无机矿物质颗粒是陆地表层的岩石、矿物风化的产物。由地壳深处的岩浆直接冷凝和结晶而成的矿物称为原生矿物。在地壳中或地表面，由原生矿物经风化和变质作用后，改变了原来的形态、性质和成分而形成的新的矿物，称为次生矿物。岩石矿物经过物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用后，一部分难风化的或是尚未风化的原生矿物残留下来，成为形成土壤母质的一部分。还有一部分岩石矿物在风化过程中生成了结晶质的层状硅铝酸盐次生矿物和硅、铁、铝的氧化物，即土壤次生矿物或黏土矿物。,二、土壤无机矿物质颗粒的矿物组成,土壤矿物质包括原生矿物和由原生矿物经过风化重新形成的次生矿物，它们的成分和性质对土壤的形成过程和理化性质均有极大影响。(一)土壤中的原生矿物土壤原生矿物是指那些在风化过程中末改变化学成分和结构的原始成岩矿物。主要类型有：（1）硅酸盐类包括长石类、云母类、闪石类、辉石类。（2）氧化物类主要有石英类、其次是赤铁矿类、氧化钛类（3）硫化物类主要有黄铁矿类。（4）磷酸盐类主要有氟磷灰石、氯磷灰石。,(二)土壤中的次生矿物粘土矿物（1）结晶次生层状铝硅酸盐类矿物土壤中粘粒的主体，主要有1：1型的高岭石组和2：1型的蒙脱石、伊利石组。（2）二、三氧化物类矿物有针铁矿（Fe2O3.H2O）、褐铁矿（2Fe2O3.3H2O）、三水铝石（AI2O3.3H2O）、水铝石（Al2O3.H2O）、水锰矿（MnO(H2O)）、软锰矿（MnO2）等，有结晶态的和非结晶态的。（3）简单盐类土壤中最常见盐类有碳酸盐、硫酸盐类、氯化物盐类等。,（三）粘土矿物1、层状硅酸盐粘土矿物层状硅酸盐粘土矿物从外部形态上看，是一些极细微的结晶颗粒。从内部构造上看，是由两种基本结构单位构成的，并含有结晶水，只是化学成分和水化程度不同而已。层状硅酸盐矿物的性质与矿物的化学组成和结晶构造关系十分密切。,（1）构造特征基本结构单位构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体（简称四面体）四面体的基本结构是由一个硅离子和四个氧离子所构成。其排列方式是以3个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部3个氧离子之上的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。像这样的构造单位，如果连接相邻的3个氧离子的中心，可构成假想的4个三角形的面，硅离子位于这4个面的中心，所以称为硅氧四面体。硅氧四面体：由一个硅离子和四个氧离子所构成的四面体结构。,铝氧八面体（简称八面体）八面体的基本结构是由1个铝离子和6个氧离子（或氢氧离子）所构成。由6个氧离子（或氢氧离子）排列成两层，每层都由3个氧离子（或氢氧离子）排成三角形，但上层氧的位置与下层氧的位置交错排列，铝离子位于两层氧的中心孔穴内。像这样的构造单位，如果连接相邻的3个氧离子的中心，可构成假想的8个三角形的面，铝离子位于这8个面的中心，所以称这种单位为铝氧八面体。铝氧八面体：由1个铝离子和6个氧离子（或氢氧离子）所构成的八面体结构。,单位晶片从化学上来看，四面体为(SiO4)4-,八面体为（AlO6）9-,它们都不是化合物，在它们形成硅酸盐粘土矿物之前，四面体和八面体分别各自聚合，聚合的结果。在水平方向上四面体通过共用底部氧的方式在平面两维方向上无限延伸，排列成近似六边形蜂窝状的四面体片（简称硅片）。硅片的顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n(Si4O10)4-表示。八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列成八面体片（简称铝片）。铝片两层都有剩余的负电荷，铝片可用n（AlO6）9-。,单位晶层由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物。硅片和铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1：1型、2：1型和2：1：1型晶层。,1:1型单位晶层由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角型孔穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。,2：1型单位晶层由两个硅片夹1个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。这样2：1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。,2：1：1型单位晶层在在2：1单位晶层的基础上多了1个八面体片水镁片或水铝片，这样2：1：1型单位晶层由两个硅片、1个铝片和1个镁片（或铝片）构成。,同晶替代同晶替代是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。替代和被替代的离子大小要相近，只有这样才能保证替代后的晶形不发生改变。,替代和被替代的离子的电性必须相同，电价可以同价或不等价。a、如果替代的两个离子是同价的，互换的结果不仅晶形不变而且晶体内部仍保持电性中和。b、如果替代的离子电价不等，互换的结果使晶体带电，其电性或正或负，如果晶体中心离子被电价低的阳离子所替代，则晶体带负电荷；反之晶体带正电荷。在硅酸盐粘土矿物重，最普遍的同晶替代现象是晶体中的中心离子被低价的离子所代替，如四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中的Al3+被Mg2+所替代，所以土壤粘土矿物一般以带负电荷为主。同晶替代现象在2：1和2：1：1型的粘土矿物中较为普遍，而在1：1型的粘土矿物中相对较少。,同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，被吸附的离子通过静电引力被束缚在粘土矿物的表面，避免随水流失。被吸附的离子可通过交换作用被植物吸收。土壤粘土矿物以带负电荷为主，吸附的离子以阳离子为主。土壤中粘土矿物的类型和数量与土壤肥力的关系很大。,2、硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性土壤中层状硅酸盐粘土矿物的种类很多，根据其结构特点和性质，可归纳为4个类组，主要有高岭组、蒙蛭组、水化云母组和绿泥石组矿物。高岭组又叫1：1型矿物，是硅酸盐粘土矿物中结构最简单的一类。包括高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等。高岭石组粘土矿物是南方热带和亚热带土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。具有一下特点：,（1）1：1型的晶层结构单位晶胞的分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8（2）非膨胀性（3）电荷数量少晶层内部硅片和铝片没有或极少有同晶替代现象，其负电荷的来源一个是晶体外表面的断键，二是晶体边面OH基在碱性及中性条件下的离解。（4）胶体特性较弱,蒙蛭组又叫2：1型膨胀性矿物，包括蒙托石、绿托石、拜来石、蛭石等。蒙托石在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广。蛭石广泛分布于各大土类中，但以风化不太强的温带和亚热带排水良好的土壤中最多。其具有一下特点：,（1）2：1型的晶层结构（2）膨胀性大（3）电荷数量大同晶替代现象普遍，蒙托石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，而蛭石的同晶代换主要发生在硅片中。（4）胶体特性突出,水化云母组又叫2：1型非膨胀性矿物或伊利组矿物，伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是西北、华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含有很低。具有一下特征：（1）2：1型晶层结构（2）非膨胀性（3）电荷数量较大（4）胶体特性,绿泥石组这类矿物以绿泥石为代表，绿泥石是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物，土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来的，但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。具有一下特性：（1）2：1：1型晶层结构（2）同晶代换较普遍（3）颗粒较小，胶体性质居中,3、非硅酸盐粘土矿物土壤粘土矿物组成中，除层状硅酸盐外，还含有一类矿物结构比较简单、水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石。氧化物矿物既可呈结晶质状态存在，也可非晶质状态存在。无论是结晶质还是非结晶质的氧化物，电荷的产生都不是通过同晶替代获得的，而是通过质子化和表面羟基H+的离解。既可带负电荷，也可带正电荷，决定于土壤溶液中H+离子浓度的高低。,氧化铁土壤中常见的氧化铁矿物是针铁矿和赤铁矿。针铁矿（-FeOOH）在温带、亚热带的土壤中大量存在，一般晶体都很小，比较大的带黄色，较小的带棕色，常呈针状、故称针铁矿。天然针铁矿中有一部分Fe3+被Al3+所代替。一般来说，含有Al3+替代的针铁矿其结晶程度都较差。赤铁矿（-Fe2O3）在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在，在黄色或棕色的土壤中很少存在，即使土壤中的氧化铁以针铁矿为主，少量的赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。赤铁矿常呈六角形的板状。赤铁矿和针铁矿在土壤中都可以呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，在热带地区的土壤中可进一步转化为似岩石般坚硬的物质铁盘。,（二）氧化铝土壤中常见的铝氧化物是三水铝石Al(OH)3,主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中，其含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。土壤中三水铝石的形成和含量的高低与水热条件和矿物风化有着密切关系。就水平地带性土壤而言，我国北方石灰性土壤中不含三水铝石，大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。在同一地区，花岗岩发育的土壤中的三水铝石含量较千枚岩发育的土壤高。,土壤中各种形态的铁、铝可按离子态无定形态晶态进行转化。铁铝氧化物对土壤理化性质的影响主要是表面作用。其影响强弱与表面积大小密切相关。结晶很好、颗粒大大的在土壤中转化作用较弱。非晶质（无定形）的铁铝氧化物转化作用强。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如对土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。,水铝英石水铝英石(xAl2O3ySiO2nH2O)是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质硅酸盐矿物，Si/Al比在12之间变化。水铝英石具有较高的阳离子交换量，为1015cmol(+)/kg，其大小决定于土壤溶液中pH和水化程度。水铝英石具有较大的表面积，一般为70103300103。水铝英石是火山灰土壤中的主要粘土矿物。温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的有年土壤中，因铝、硅氧化物溶胶的共同沉淀而生成水铝英石。那些高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤也常存在水铝英石。,水晶,白云母,黑云母,方解石,金属自然金,三、土壤无机矿物质颗粒的化学组成,成土矿物的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素，主要元素约有10余种，包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳，占土壤矿物质总质量的99%以上，其中以氧、硅、铝、铁4种元素所占的比例最多。土壤中主要的原生矿物所含化学成分有一定规律如表，石英、长石、白云母这些矿物的SiO2及K2O、Na2O含量高，含SiO2愈多的矿物颜色愈浅，愈抗风化。而黑云母、辉石、橄榄石、磁铁矿等深色矿物SiO2含量少，而Fe、Ca、Mg含量高，这些矿物易风化分解。矿物质颗粒愈粗，SiO2含量愈多，颗粒愈细SiO2含量愈少，但A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、K2O等养分元素的含量变化趋势正相反。在总的含量中如用氧化物的形态来表示仍以SiO2、A12O3、Fe2O3三者为主要成分，如表：,表：土壤中主要原生矿物的近似化学组成(),表:土壤中主要次生矿物的近似化学组成(),四、成土岩石岩石的概念岩石一种或数种矿物组成的集合体。前者为单质岩后者为复成岩。岩石的类型根据成因分三类：1.岩浆岩又称火成岩，指地球内部岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝结晶而形成的岩石，前者称侵入岩，后者称喷出岩。主要有花岗岩、流纹岩、闪长岩、辉长岩、玄武岩橄榄岩，等等。组成岩浆岩的主要矿物有橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、斜长石、正长石石英等7种。岩浆岩根据二氧化硅含量分为酸性岩浆岩65%中性岩浆岩52%65%基性岩浆岩45%52%超基性岩浆岩2砂粒粗砂粒20.2细砂粒0.20.02粉砂粒0.020.002粘粒粗蛋白半纤维素、纤维素木质素、脂肪、蜡质（从左到右矿化率降低）。2、有机残体的物理状态及残体的C/N比鲜的比老的易分解,细碎的比整的易分解,更重要的指标是生物残体的C/N比,C/N比是指有机物质或土壤有机质中碳与氮的重量比,一般说来,土壤微生物每分解25份C需吸收1份N,C/N比为2530/1左右，而作物秸杆C/N比一般为60-80，高于25/1，因此较难分解,或吸收土壤中的速效氮,造成和植物争氮现象发生,影响作物生长。3、温度25-35生物残体分解速度最迅速。4、水气条件要求一定的湿度和氧气有利于矿质化，水分在田间持水量的60%-100%、通气良好有利于矿质化。5、土壤酸碱度土壤微生物大多在pH4-10范围内生存。pH小于4.9，有机物质不易被分解。另外质地也影响矿质化，粘土中粘粒含量高，与有机质密切结合，不利于有机物质的分解。,（二）腐殖质化作用土壤微生物将生物残体矿化的过程中产生的中间产物合成更为复杂的腐殖质的过程，称为有机质的腐殖化作用。对于腐殖质形成的研究已有二三百年的历史，但整个作用机制并不清楚，各国土壤学家提出了多种腐殖质形成假说，有植物物质形成说、化学聚合说、细胞自溶说、微生物合成说，以原苏联Kononove的化学聚合说较普遍获得公认，腐殖质的形成过程可分为两个阶段：第一阶段产生构成腐殖质主要成分的原始材料，如多元酚、氨基酸、多肽、氧化物醌和糖类物质。第二阶段是合成阶段，微生物将上述原始材料通过某种化合机制（包括缩合等多种酶促反应和可能的纯化学反应），进一步合成为腐殖质的单体分子。,进入土壤的有机物究竟有多少能够转化为腐殖质可用腐殖化系数来表示：单位质量的有机物料在土壤中分解一年后，残留下来的量占施入量的百分数。不同有机物料的腐解残留率是不同的，同一有机物料在不同土壤上的腐解残留率也不相同，耕地土壤一般为0.20.4之间。影响腐殖化作用的因素有：（一）植物物质的化学组成（二）气候条件（三）土壤质地（四）土壤反应（五）土地利用方式,三、土壤腐殖质的分离、提取和性质（一）土壤腐殖质的分离与提取土壤腐殖质其主体是各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类。,经处理的矿质土壤,黑色沉淀物胡敏素（黑腐素）,溶液,褐色沉淀胡敏酸（褐腐酸）,黄色透明溶液富里酸（黄腐酸）,稀NaOH,浸提过滤,稀HCI过滤,用乙醇溶解,溶解物即吉马多美郎酸,胡敏酸和富里酸是土壤腐殖质的主要部分，胡敏素是与土壤矿物颗粒紧密结合而不能被稀碱液所提取的腐殖酸，由于与土壤颗粒结合牢固，对土壤性质和土壤肥力影响不大。,（二）土壤腐殖酸的性质1、腐殖酸的元素组成主要是由C、H、O、N、P、S等元素组成。平均含碳为58%,含氮平均5.6%，土壤腐殖质C/N比12/1，其中胡敏酸与富里酸比较，前者含碳、氮高而富里酸含氧、硫高，富里酸酸性较强。2、腐殖酸含有多种含氧功能团并带有电荷含有多种含氧功能团如羧基、酚羟基、羰基、甲氧基、醌基和醇羟基、胺基、硫醇基等，由于这些官能团存在，使腐殖酸具有生理活性，能发生许多生化反应如离子交换、络合、氧化还原等；另外腐殖酸还是两性胶体，在不同酸碱度的介质中电性不同，可以解离使腐殖质分子表面带有电荷。（如COO、NH3）3、腐殖酸的分子结构特征与分子量腐殖酸分子结构复杂，分子结构以芳核为主体，芳核上连接多肽、酚酸、金属离子、糖和许多功能团和杂环氮，分子内部有许多非晶体的交联结构，形状为棒状或球形，分子量巨大，从几百到几万，胡敏酸分子量一般n10000，富里酸分子量为n1000。,4、腐殖酸的颜色整体呈黑色，不同腐殖酸颜色有差别，与分子量和发色基团组成比例有关，胡敏酸颜色深富里酸颜色黄5、腐殖酸的溶解度胡敏酸微溶于水，其一价盐溶于水，多价盐不容于水富里酸溶于水，其一、二三价盐均溶于水。6、腐殖酸的络合能力能与铁、铝、铜锌等高价金属离子形成络合物，其中羧基与酚羟基是主要参与络合金属离子的功能团，络合物的稳定程度随pH升高而增大。7、腐殖酸的吸水性是亲水胶体，吸水能力强，最大吸水量超过本身重量的5倍，干腐殖质从饱和大气中吸水可达本身重量的1倍。8、腐殖酸的稳定性其化学稳定性强，抗微生物分解能力强，因此分解周期长，在温带植物残体的半分解期为3个月，而新形成的土壤有机物质的半分解期为4.7-9年，胡敏酸在土壤中平均停留时间780-3000年，富里酸为200-630年。,四、土壤有机质在土壤肥力上作用土壤有机质含量高低是评价土壤肥力高低的一个重要指标，它对于创造良好的土壤结构、调节土壤养分、水分、空气和热量具有重要意义。它的作用：（一）土壤有机质可为植物生长提供养分（二）可以促进微生物的活动（三）土壤有机质可改善土壤的物理性状（四）可调节土壤的化学性质（五）可提高土壤保水保肥能力（六）土壤有机质有利于加速土壤矿物的风化（七）提高土壤有机质有利于土壤增温（八）土壤有机质有助于消除土壤中的农药残毒和重金属污染。,五、耕地土壤有机质的调节（一）提高土壤有机质的途径1、增施有机肥，我国历来有施有机肥的习惯，肥源广阔，有厩肥、堆肥、沤肥等对提高土壤的肥力作用极大，吨良田有机质含量不少于1.1%。有机肥工厂化生产是未来发展趋势。2、秸杆还田是增加土壤有机质简单易行的措施主要方式有：（1）与厩肥混合堆腐沤制后还田。（2）秸杆粉碎就地还田；（3）高留茬收割，高度2030cm；（4）将秸杆作饲料，过腹还田。3、粮肥轮作，做到用地养地相结合。,（二）土壤有机质的动态平衡由于有机质的矿质化与腐殖化，所以：土壤有机质含量年变化=年加入土壤的有机质量年分解的有机质量土壤有机质“得”、“失”平衡的一例：,思考题,1、谈谈土壤的机械组成和土壤的质地分类2、土壤质地和结构对土壤水、肥、气、热的状况的影响有哪些？3、不同质地土壤的肥力特点是什麽？分别如何改良？4、矿质化与腐殖化过程的概念、过程。5、影响有机质转化的因素有哪些？6、土壤有机质的性质与土壤肥力的关系及有机质的作用,第,二,章,第一节土壤孔性与结构性第二节土壤耕性第三节土壤通气性第四节土壤的热性质第五节土壤水分的保持与运动,土壤基本物理性质和过程,第一节土壤孔性与结构性土壤孔性指土壤孔隙的状况土壤中大小、形状不同的复杂孔隙的状况好坏由两方面衡量：孔隙的量，以孔隙度表示孔隙的质，即大小孔隙分配，上下土层分布。孔隙状况必须保证作物对水分和空气的需要，有利于根系的伸展和活动，因此一是要求土壤中孔隙的容积要较多，二是要求大小孔隙的搭配和分布较为恰当。,一、土壤比重（土壤相对密度）固体土粒单位容积的重量与同体积水的重量比。无量纲，水密度1g/cm3所以土壤比重又常用土壤密度表示，固体土粒单位体积的重量，单位为g/cm3、t/cm3。土壤物质组成有差别，土壤比重也就不同，土壤比重数值的大小主要与两个因素有关：土壤矿物组成和含量有关，书上见矿物比重：石英2.65，正长石2.57，高岭石2.6-2.65，蒙脱石2.00-2.20。与土壤有机质含量有关，表土层有机质含量高，比重小于心土、底土，有机质比重1.2-1.4g/cm3，由于土壤比重差别较小，一般2.6-2.7，通常用2.65作为土壤比重。,二、土壤容重单位体积自然土壤的重量（干重）称为土壤容重。单位为g/cm3、t/cm3，土壤之间差别较大，受五个因素影响：是土壤的矿物组成和含量有关;是与土壤有机质含量有关;与土壤质地有关;与土壤结构有关;与土壤松紧度有关。所以容重必须测定获得，容重值砂质土1.21.8，粉质土1.01.5，容重用处很大，不仅在农业上建筑、筑路、桥梁工程常用，也是十分重要的基本数据。,、计算孔隙度，、判断土壤熟化程度1.11.3较疏松，1.5以上紧实，、利用它计算土壤重量、水分、养分、盐分含量。例已知土壤容重为1.15g/cm3，求亩（666.7m2）耕层0-20cm土壤土重。解：666.70.21.15=153t=153000kg因此过去常说每亩耕层土壤约30万斤，即每公顷耕层土重225万kg。2、已测得有机质含量1%，求亩耕层土壤有机质重量？W有=W1%=666.70.71.21%=1.6t=1600kgN、P、K等都可计算出，如测得N含量0.05%，则亩含N80kg，如测得盐含量0.3%，则亩含盐480kg。,三、土壤孔性（一）土壤孔性的数量指标1、土壤孔隙度土壤孔隙的容积占整个土壤容积的百分数。2、孔隙比指土壤中孔隙容积与土粒容积的比值。,(二)土壤孔隙的大小分级土壤孔隙度只能说明土壤孔隙的数量，还不能说明大小孔隙在土壤中的比例分配，即土壤孔隙的质，因此应对土壤孔隙的大小级别进行研究。土壤孔隙大小形状非常复杂，难以按其真实的孔径来研究，因此提出了当量孔径的概念：1、土壤的当量孔径（又称实效孔径）：指与一定土壤水吸水相当的孔径叫当量孔径。用茹林公式计算：d=当量孔径，单位为mm，T=土壤水吸力,单位为kPa有了这个指标我们就可确定土壤孔隙的大小。,2、土壤孔隙的类型（1）非活性孔隙（无效孔隙）土壤最细小的孔隙当量孔径0.002mm，土壤水吸力1.5bar，该类孔隙充满无效水，根毛难以进入，微生物亦难进入，在粘质土壤中此孔较多，板结土壤此孔也较多。（2）毛管孔隙该孔隙直径d=0.002mm0.02mm，具毛管作用，土壤水吸力1.50.15bar,壤土和结构好的土壤此孔较多。（3）通气孔隙（非毛管孔隙）孔隙直径d0.02mm，此类孔隙中的水分可在重力作用下短时间内排出而成为通气孔隙，土壤水吸力0.15bar。,（三）影响土壤孔性的因素1、土壤质地粘质土孔隙度4560%之间，以毛管孔和非活性孔为主；砂质土孔隙度3345%，通气孔较多；壤质土孔隙度4552%，有适量通气孔又有较多毛管孔，水气协调，利于作物生长。2、土壤有机质有机质多的土壤易形成团粒结构而孔度较高。3、自然因素和土壤管理等,（四）土壤三相组成的计算1.土壤的固相率=1土壤孔隙度2.土壤液相率（容积含水率）=土壤含水量（质量%）土壤容重3.土壤气相率=土壤孔隙度土壤容积含水率4.土壤三相比=固相率液相率气相率适宜旱地土壤要求固相率50%左右，容积含水量在2530%之间，气相率10%20%，土体还应“上虚下实”。,四、土壤结构性（一）土壤结构性的概念通常所说的“土壤结构”实际包含两个方面，土壤结构性和土壤结构体，土壤结构体是指土壤中的土粒相互黏结团聚成大小形状和性质不同的聚合体称之为土壤结构体。土壤结构性是指土体中土壤结构体的大小、类型、数量、品质及其相互排列方式和相应的孔隙状况等的综合特性。它是土壤的重要物理性质,（二）土壤结构体的类型1、片状结构体农民称卧土，水平轴发育大大超过纵轴，呈扁平状，厚度1-5mm。常出现与犁底层和雨后或灌溉结壳。2、柱状、棱柱状结构体在结构体形成时纵轴发育大于水平轴，在土体中直立，边面不明显称柱状结构体。边面棱角明显称棱柱状结构。它常出现于北方干旱半干旱，富含粉砂或粘重质地、干湿交替明显的心底土中，群众称之为立土、竖土。表面有铁质、锰质胶膜形成棱柱状结构，内部紧实。,3、块状结构体、核状结构体，农民称之为“坷垃”，纵轴与水平轴大体相等，边面不明显，分大块状、块状和碎块状。表土中多见块状与碎块状。常出现于有机质缺乏瘠薄而粘重的土壤，土壤过干过湿耕作最易形成块状结构。核状结构表面有褐色胶膜，由石灰质铁质胶膜胶结而成，常出现于缺乏有机质的心、底土中，农民称之为“蒜瓣土”。4、团粒结构有机质丰富的自然土壤与耕作土壤中，为近似球形疏松多孔的小土团。0.25-10mm之间，土壤砂土，另外吸湿系数大小还与测定时温度有关，温度高，吸湿系数小。,（2）膜状水土粒吸持空气中的水汽达到饱和后，土粒表面还有剩余的分子引力，这时如果土粒表面与液态水接触，土粒能够进一步吸附液态水。土粒靠分子引力吸持的液态水，在土粒吸湿水外围形成薄的水膜。称为膜状水。性质：膜状水被土粒吸持的力为0.62531Mpa（316.25大气压）。所受引力大于常态水。由于一般植物根的吸水力平均为1.5106Pa，所以超过土粒吸持力1.5106Pa的那部分膜状水就不能被植物利用。平均密度为1.25g/cm3。冰点约为4，微有溶液能力。膜状水虽不能在重力作用下移动，但本身可以从水膜厚处向水膜薄处移动，但速度非常缓慢，一般为0.20.4mm/小时。当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。凋萎系数=吸湿系数1.5（经验公式）当膜状水达到最大量时土壤的含水量叫土壤最大分子持水量。,（3）毛管水土壤孔隙借弯月面力（即毛管力）而保持的水分，称为毛管水。毛管水实际上包括吸湿水、膜状水和毛管水的总和。性质：毛管水所受力6.25105Pa104Pa（6.250.1atm）在之间，比一般作物根系渗透压要低的多，可全部被作物所吸收利用。毛管水的基本上和自由水有相同的移动速度，可达10300mm/小时，对作物根系吸水补给迅速。毛管水溶有各种养分，是土壤中最有效的水分。,根据毛管水与地下水是否相连接，可将毛管水分成：1、毛管悬着水：地下水位较深，土壤上层的毛管水与地下水不直接相连，因而不受地下水源补给的毛管水，好像悬着在上层土壤的毛管孔隙中称为毛管悬着水。毛管悬着水达到最大量时土壤的含水量称为田间持水量。2、毛管上升水：土壤中受地下水源补给并上升到一定高度的毛管水。当表层土壤水分被蒸发、蒸腾而消耗后，地下水可沿毛管上升，使地表水不断得到补充。毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量。,(4)重力水土壤中所有毛管孔隙充满水后，再有多余的水分不能被毛管孔隙所保持，而受重力作用沿大孔隙向下移动，这种水分叫重力水。特点：性质与常态水一样，可以被植物吸收利用，但很快渗掉，不能持续有效，若长期滞留会造成涝灾。当土壤中所有孔隙充满水时的土壤的含水量叫饱和含水量或（全持水量）(5)地下水当土壤深处有不透水层时，重力水就会在上面聚积形成地下水，又称支持重力水。,（二）土壤水分的能量状态1、土水势概念土壤中的水在土壤中受到了各种力场的作用，如吸附力，毛管力等，使土壤中的水比纯水自由能降低了（分子活动能力降低了），土壤水的自由能和纯自由水之间自由能的差值，其值大小等于在标准大气压等温条件下，单位数量的纯自由水转变成土壤水时所作的功或其自由能的降低值称为土水势。土水势严密的概念如下：从一已定高度的蓄水池中，把无限少量的纯水，在一个大气压下等温可逆地转移到土壤中的某一已定点，使成为土壤水，这时必须做的功，以单位水量来表示称为土水势。我们规定纯水（自由水）势能值为零，土水势应是负值。,土水势实际上是作用于土壤水分的各种力的总和而产生，所以它可分为以下几个分势。（1）基质势（m）：由土壤固体（基质）对土壤水分的吸引而使水分自由能降低，这种势能叫基质势。主要是由吸附力和弯月面力所引起，为负值。土壤水分含量越少，土壤水受到的这种约束力越大，基质势越低。反之，土壤水分含量越多，土壤水受到的这种约束力越小，基质势越高。当土壤水分完全饱和时，基质势等于零。（2）溶质势（s）：土壤水中的溶质（盐分），对水分子有吸持作用，使水分自由能降低，称为溶质势。为负值。,（3）压力势（s）土壤水受不同压力所产生的自由能变化称为压力势。压力势为正值。压力势又包括气压势、静水压势、荷载势。气压势：是由于空气被封闭在土体内而产生的势能。静水压势：是由土体构型或质地层次构型的特殊性而引起的，即在难透水层上面可产生连续水层，此水层对下面的水产生静水压力，由此引起的势能称为静水压势。荷载势、压力势：土壤溶液中含有较多的悬浮胶体物质，会产生荷载压，即增加了静水压力，而产生势能称为压力势。（4）重力势（g）土壤中的水分在重力（地心引力）作用下，因高度不同而产生的势能，称为重力势。一般规定地下水面的重力势为0作为参比标准。土壤的总水势：土水势=基质势+溶质势+压力势+重力势在不同情况下，起作用的土水势分势是不相同的。,土壤水用土水势来表示优点是：1.可以使用统一的观点和尺度来研究土土壤一植物一大气连续体（SPAC）中水运动和相互关系；2、可以更充分的利用热力学原理和数学方法来定量地处理土壤水问题；3、在研究手段上也提供了一些更指确的方法。例两种土壤砂土含水量10%，另一粘土含水量为15%，当两个土壤接触时，水分运动方向是砂土中水流向粘土，因为砂土水势高。结论：土壤水总是从土水势高处向土水势低处运动。,概念：土壤水势是土壤水与标准水所具有的偏标准自由能的差值。由重力场引起的土壤水势能叫重力势，用g示；由吸力场引起的土壤水势能叫基质势，用m表示；由渗透压力场引起的土壤水势能叫渗透势(或者溶质势），用s表示；由静水压压力场引起的土壤水势能叫压力势，用p表示；将重力势、基质势、渗透势及压力势加在一起组成土壤水总势，简称总水势。,2、土水势的定量表示单位土水势的单位是指单位数量土壤水的水势（势能）。单位数量可以指单位质量、单位容积、单位重量的水分。单位质量水的势能通常用能的单位，焦耳/千克。单位容积水势能则以压力单位Pa，过去常用巴或大气压。单位重量水的势能则以静水压力或相当于一定压力的水柱高度的厘米数表示。三者换算关系：105Pa=1bar=0.9869atm=100J/kg=1020cmH2O1atm=1.0133bar=1033cmH2O=101.33J/kg,3、土壤水吸力土壤水吸力指土壤水受一定吸力的情况下所处的能态。它和土水势数值相等，但符号相反。它有两个特点：（1）土壤水吸力只包括基质吸力和渗透吸力（相当于基质势和渗透势），不包括其他分势。而且去掉正负号，取正值。（2）土壤水吸力在概念上虽不是指土壤对水的吸力，但在测定上可以用土壤对水的吸力来表示土壤水吸力（用压力单位）如土壤水吸力为1巴，我们对土壤施加大于1巴的吸力，水就会流出来。土壤水吸力应用简便，比较形象易懂。结论：土壤水是由土壤水吸力低处流向水吸力高处。,4、土壤水分特征曲线土壤水吸力的大小与土壤含水量有一定的关系，即土壤含水量越少土壤水吸力愈大，土壤含水量愈高土壤水吸力愈小。将土壤水的能量指标与数量指标作成关系曲线，为土壤水分特征曲线。利用土壤水分特征曲线可以说明土壤水不同含量时的能态及对植物的有效性，也可以说明不同质地土壤在相同含水量时的土壤水吸力不同，其中黏土最高，其次是壤土，砂土最低，,当土壤水吸力相同时，则三种质地的含水量差异很大。,土壤对水的基质吸力是产生基质势的原因。当水分流入干土并保持在土壤中时，这种吸力逐步得到满足，基质势亦随含水量的增加而增大，土壤脱水过程则相反，随含水量的减少，土壤基质势逐步下降。因此，在土壤水的保持与释放过程中，其含水量与水势有相应的关系。若水势以土壤水吸力表示，则其与含水量的关系恰与基质势和含水量的关系相反；即吸力随含水量的增加而下降。用土壤水吸力为纵坐标，以相应的含水量为横坐标绘成曲线来表示土壤水吸力与含水量关系的曲线，称为土壤水分特征曲线。,土壤水吸力和含水量的关系不是单值的，它因土壤的脱水过程和吸水过程而不同。在同一吸力下，脱水过程的含水量总比吸水过程的含水量高，这种脱水曲线与吸水曲线不相重合的现象称为滞后现象。原因：一是因为土壤孔隙的几何特点造成的即土壤孔隙由大小孔隙连接而成，这种孔隙状况，在变干或变湿时其充水情况不一致，而使土壤含水量不同；二是因为：土壤吸水由干变湿过程中，大孔隙中的空气常形成气泡而被封闭在孔内，占据一定容积，也使一定吸力下的土壤含水量有所不同。,（三）土壤水分形态，水分常数和土壤水吸力的关系土壤水分由少到多，发生了质的变化，不同性质的土壤水分之间存在着一定界线，土壤水分常数就是这些界线的指数。指土壤各种形态的水达到最大量时和指定能态土壤的含水量。它们之间的关系如图：,土壤有效水最大贮量（%）=田间持水量（%）凋萎系数（%）土壤实际有效水含量（%）=土壤自然含水量（%）凋萎系数（%）复习：当土壤含水量减少到土粒对水分子的引力等于或大于1.5106Pa时，植物会因无力吸水而发生永久性凋萎，土壤对水分子引力等于1.5106Pa（15巴）时的土壤含水量称为永久萎焉点或凋萎系数。凋萎系数=吸湿系数1.5（经验公式）。土壤在水汽相对饱和的环境中（相对湿度100%）吸持水分子可达到最大量，此时土壤的含水量称为最大吸湿量或吸湿系数毛管上升水达到最大量时的土壤的含水量，称为毛管持水量,三、土壤水分的运动（一）水分进入土壤的过程1、渗透过程水分进入土壤过程。渗透过程分为两个紧密相连的阶段：渗吸阶段，渗透过程的起始至水分逐渐饱和，水分进入土壤主要靠基质吸力；渗漏阶段，渗透速率趋于稳定阶段，水分进入土壤靠重力作用向下移动。,2、渗透速率两个阶段渗透速率先快后慢，尤其是第二阶段渗透速率非常重要，它代表一个土壤渗透能力的大小，常用渗透系数来表示，当水压梯度等于1时，单位时间内渗透过单位面积的水量。单位mm/s、cm/s、mm/s。用处：1、可以表示土壤透水性强弱；100mm/h,透水性强的土壤；100-30mm/h，透水性适中；30mm/h透水性不良土壤。2、水利工程上很有用的参考数据，如修水库、盐碱地排水渠道,（二）土壤中液态水的运动一般认为土壤水运动符合达西定律：土壤水通量是指在水压梯度方向上单位时间通过单位断面积的水的体积。dH为两点间的水势能差或压力差，x为流程，dH/dx为水压梯度或水势梯度，比例常数K是单位水压梯度下的水通量，称为导水率，-表示水流方向与压力势梯度方向相反。液态水运动分两种情况：一是土壤水的饱和流动，土壤孔隙全部充满水时土壤水的运动。二是土壤水的不饱和流动，只有部分孔隙有水土壤水的运动。,1、土壤水的饱和流动土壤中水已成为连续整体的运动，此种水运动特点：水的流动主要是由重力势和压力势推动，基质势为零，水的流速决定于粗孔的孔径与数量，饱和流的导水率K为常数且砂土壤土粘土。饱和流动又分三种情况：(1)垂直向下的饱和流动；(2)水平方向的饱和流动；(3)垂直向上的饱和流动。2、土壤水的不饱和流动指土壤中的孔隙在未被水全部充满时（不超过田间持水量时），土壤水在土壤中的运动。运动特点：推动力主要是基质势梯度，也有重力的作用，水的流速很慢，非饱和导水率低于饱和导水率，非饱和导水率K是一个变化量，它随土壤水吸力和含水量的变化而变化，是土壤水吸力或土水势的函数。,（三）土壤中的水汽运动1、特点：土壤中的汽态水是土壤空气主要组成成分之一，一般处于饱和状态，当土壤中水汽压产生差别即产生水汽压梯度时，水汽便以扩散的方式进行运动。水汽扩散量水汽扩散系数即单位时间单位水汽压梯度下通过单位面积的水汽量。水汽压梯度主要受土壤湿度、温度及含盐量的影响。在土壤中，水汽是由暖处向冷处运动，夏天夜晚下层土温高，水汽由下层向上层运动，水汽扩散到表层凝结，出现夜潮现象。秋冬土壤表层温度低，下层土温度高，水汽也由下层向上层运动，水汽扩散到表层凝结并结冰，形成含水量较高的冻层。一年中由凝结补充水分约60-100mm。,2、水汽运动的方式（形式）（1）水汽凝结指汽态水变为液态水的过程。秋冬土壤表层温度低，下层土温度高，水汽由下层向上层运动，夏天夜晚下层土温高，水汽扩散到表层凝结并结冰，一年中由凝结补充水分约60-100mm之多，这种作用强烈的土壤称夜潮地。（2）土面蒸发土壤中的水分以水汽的形式扩散到大气中的现象即为土面蒸发，也称跑墒。因为土壤空气湿度大，地面空气湿度小。干旱半干旱地区蒸发损失水分占降雨量的1/21/3，是节水农业值得研究的问题。壤质和粘质的土面蒸发分三个阶段：,含水量,（1）大气蒸发力控制阶段下雨或灌溉停止蒸发开始阶段，蒸发速度快接近于水面蒸发，水分减少至田间持水量为此阶段，失去水为重力水。（2）土壤导水率控制阶段田间持水量以下蒸发到毛管断裂含水量，地面水分蒸发只能靠毛管作用从下层土壤传导水分到土面而蒸发，蒸发速度不断减小。（3）扩散控制阶段当土壤含水量减少到毛管水断裂含水量时，土面蒸发得不到毛管水上升的补充，地表开始形成干土层，水分只能靠干土层下面湿润的土层产生水汽，再通过大孔隙扩散到大气中，蒸发速度显著减小。,四、土壤水分状况调节土壤水平衡是指一定时间和一定土体内，土壤水的收入与支出。土壤水的收入（水收）主要包括降雨（水降）、灌溉（水灌）。土壤水的支出（水支）主要包括土面蒸发（土蒸）、植物蒸腾（水腾）、水分渗漏（水漏）和地表径流（水径）。这里的渗漏指通过地下径流从土体中损失的水分，不是通过入渗保持在土体内的水分。有些农田的水收还包括地下水的补给。一年中收入与支出的差值即土壤持水量的变化值（水）。水水收水支水降水灌水蒸水腾水漏水径,1.灌水时间大多数旱田作物在6309cm水柱时开始出现暂时凋萎，也说明必定有一高于暂时凋萎水势的临界水势存在。因此，土壤水势达到临界水势时应是灌溉开始的信号。这时土壤含水量叫做临界湿度。2.灌水