土壤的物质组成

1、第二章 土壤的物质组成 1第一节 土壤矿物质土粒的组成及特性 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%）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。有机质动植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）。2土壤的固相组成（一）土壤的矿物组成、作用、分级、性质 1、组成：原生矿物、次生矿物2、作用：蕴藏着生物必需的各种矿质营养元

2、素3、分级：土壤矿物的大小不等，形状各异，为了研究和使用方便，通常按粒径和性质把土粒划分为若干个等级称为土壤粒级。 遵守原则：同一粒级的土粒在成分和性质上要基本一致，不同粒级的土粒在成分和性质上要有明显差别。 3一、粒径对矿物质土粒的矿物组成与化学组成的影响 土壤中的各种固体颗粒简称土粒。分单粒和复粒。二、矿物质土粒的大小分级（一）粒级的概念粒级（粒组）： 土粒大小不同，性质也随之而异。可按照土粒粒径的大小及其性质分成若干粒级(或粗细)。（二）粒级的分类粒级分类常用的标准有以下三种：41国际制 国际制原为瑞典土壤学家爱特伯所拟定。粒级分类标准为十进位的，简明易记，西欧多采用。其分级标准如下表：

3、52卡庆斯基制 由前苏联卡庆斯基拟定的分类标准。将大于1毫米的称为石砾；小于1毫米的又以001毫米为界，大于001毫米的土粒称为物理性砂粒，小于0，01米的土粒称为物理性粘粒，其标准如下表： 63.中国制 中国科学院南京土壤所等单位，按我国习用的标准，并结合群众经验综合而成。我国这个分类标准与目前国际上通用的标准大体相近，但也有一些差别，它把粘粒的上限移至2微米,而把粘粒级分为粗和细两个粒级.其标准如下表：7三、矿物质的机械组成和质地分类（一）机械组成和质地的概念粗细不同的土粒在土壤中占有的不同的比例，这种大小不同土粒的比例组合，叫矿物质土粒的机械组成。 根据机械组成的一定范围划分的土壤类型叫

4、土壤质地。8各级土粒的主要特征 石砾及砂粒 粒级大，比表面积小，无可塑性、粘结性、粘着性和吸附性。无收缩性和膨胀性。SiO2含量在80%以上，有效养分贫乏。粉粒 颗粒较小，有微弱的可塑性、膨胀性和收缩性。粒间孔隙毛管作用强，毛管水上升速度快。SiO2含量在60%80%之间。粘粒 颗粒极细小，比表面积大，吸水易膨胀，毛管水上升极慢。可塑性、粘着性、粘结性极强，保水保肥性强，SiO2含量在40%60%之间。 9土壤质地 指各粒级土粒占土壤重量的百分数，也叫土壤的机械组成。10土壤质地分类方法1、卡庆斯基制11国际制根据砂粒(2-0.02毫米)、粉粒(0.02-0.002毫米)和粘粒(0.002毫米

5、)三粒级含量的比例，划定12个质地名称，可从三角图上查质地名称。查三角图的要点为：以粘粒含量为主要标准， 25%者为粘土组。当土壤含粉粒45%时， “粉质” ；当砂粒含量在55%-85%时， “砂质” ，当砂粒含量85%时，则称壤砂土或砂土12土壤质地粘粒粉粒砂粒粘粒20%粉粒40%砂粒40%131、砂土 砂粒大于50%； 粒间孔隙大、通气透水 养分少，不保水肥； 易耕， 温度变化快，暖性土； 发小苗不发老苗(播种)故要多施有机肥，适时追肥。不同质地土壤的肥力特点142、粘土 粘高于30%， 通气透水不良； 保水保肥， 养分含量高； 升温慢，冷性土 耕性差，发老苗不发小苗 适合于禾谷类作物。1

6、53、壤土 粉粒大于30% 北方称为二合土； 性质介于黏土与砂土之间16四、不同质地土壤的肥力特点和利用改良（一）不同质地土壤的肥力特点和利用1砂土类 砂质土常处于透气、缺水、温度高而不稳的状态。种子萌发出苗快，发小苗不发者苗，但如果根据它的优点，种植生长期短而耐瘠薄的作物，如高粱、芝麻、花生等作物，并逐年加以调剂改良，也能发挥其生产潜力。在制定生产措施时应加以注意。 172粘土类 粘土比较紧实板结，湿时泥泞，于时坚硬，耕作费力，宜耕朗短，在粘土上顶土弱的种子不易发芽出苗，可能产生缺苗断垄的现象。在小苗生长期，由于土壤温度低，透气难而又紧实，限制幼苗根系伸长，小苗表现瘦弱矮黄。但生产后期，根系

7、开始扩张，供水供肥能力强，所以生长旺盛，控制不好甚至贪青晚熟。与砂土相反，这种土“发者苗不发小苗”。宜种植禾本科作物如小麦、水稻、玉米等。18该土类由于砂粘适中，大小孔隙比例适当，通透性好，保水保肥性好，养分含量丰富，有机质分解快，保肥性能也强，土性温暖，耕作方便，宜耕期长，耕作质量好，发小苗也发老苗，故适宜种植各种作物。3壤土类 19（三）不同质地土壤的改良1客土法 客土是改良土壤质地的较有效的方法。一般要就地取材，因地制宜。在砂地附近有粘土或胶粘土、河沟淤泥，可采用搬粘压砂的办法；粘土地块附近有砂土或河砂可采用搬砂压泥的办法，通过耕作使砂粘掺合。逐年改良达到三成泥七成砂或四成泥六成砂的范围

8、内。202施有机肥 有机肥料中，含有大量有机质，有机质的粘结力和粘着力都比砂粒强，而比粘粒弱。施用有机肥可以克服砂土过砂，粘土过粘的缺点；有机质还可改善土壤结构状况，使土壤松紧程度、孔隙状况、吸收性能都得到改善，从而提高土壤的肥力。山西省晋中地区许多社队连年施用大量秸杆肥，就显著地改良了不同质地的土壤性质。213耕翻法 砂土表层下不深处有淤泥层，称为夹粘层，粘土表层下不深处有砂土层，称为腰砂地或隔砂地，对作物生长都不利。改良这种土壤，可采取表土“大锅盖”的办法，把表土翻到一边，然后把下层的砂土或粘土翻到表层来，上下砂粘土层搅棍掺和，调剂土质。深翻的深度，应根据砂层粘层的具体位置而定 224引洪

9、放淤， 引洪漫砂 在洪水地区可以引洪放淤，引洪漫砂，这是改良土壤质地行之有效的办法。山西省河曲县曲峪大队， 引洪淤没河滩，压住了砂石，淤平了河滩，使沙石荒滩变成4000亩好地，亩产800多斤。陕西省榆林地区群众创造了“引水拉砂”、“引洪淤地”的治砂办法，选出了数万亩良田。 23 土壤有机质是土壤固相的组成成分之一。它在土壤的形成过程中，特别是在土壤肥力的发展过程中，起着极其重要的作用。 我国部分土壤有机质含量如下表。 第二节、土壤有机质24表 中国某些自然土壤中有机质含量统计的标本数 有机质含量（g/kg） 土 类 32 20.770.5 黄棕壤、黄褐土 10 13.866.6 高山草原土、亚

10、高山草原土 26 48.1219.6 高山草甸土、亚高山草甸土 24 23.229.8 砖红壤、赤红壤 29 21.4164 黑土、黑钙土 47 5.219.5 红 壤 32 27.1205 黄 壤 22 10.3106.9 褐 土 74 26.4193 棕色森林土 25一、土壤有机质的来源及组成 土壤有机质是指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称。（一）土壤有机质的来源及类型 土壤有机质主要来源于高等绿色植物的枯枝、落叶、落果、根系等；其次是土壤中动物、微生物的遗体；及人为施用的有机肥料。 26（二）有机质的存在状态：1、新鲜有机质2、半分解有机质

11、3、腐殖质（ 85%）新鲜有机质和半分解有机质，易机械分开，是土壤有机质的基本组成部分和养分来源，也是形成腐殖质的原料。腐殖质常形成有机无机复合体，难用机械方法分开，是改良土壤、供给养分的重要物质，也是土壤肥力水平的重要标志一。27二、土壤有机质的组成（1）动植物残体；（2）微生物体（生物量占土壤有机质的2%5%）；（3）中间分解物以及微生物生命活动的代谢产物；（4）进入土壤的有机残体。土壤中所有有机物质的总称28（一）元素组成主要元素组成是C、H、O、N，分别占、和，其次是、。（二）化学组成1.糖类、有机酸、醛、醇、铜类以及 相近的化合物。 2.纤维素和半纤维素 3.木质素 4.脂肪、蜡脂、

12、树脂和单宁 29 5.含氮化合物 动、植物残体中主要的含氮化合物是蛋白质，少量比较简单的可溶性氨基酸。植物残体中的叶绿素等。 6.灰分元素 植物经燃烧后，残留在灰分中的元素称灰分元素。构成灰分的主要元素为Ca、Mg、K、Na、S、P、S、Fe、AL、Mn，以及微量元素I、Zn、Mo、B等。其中以Si、Ca、K、Al为最多。 30第三节、土壤有机质的转化过程一、土壤微生物在有机质转化中的作用 土壤微生物是土壤中最原始的活有机体。它们的作用是：分解有机质，合成腐殖质，转化土壤中难溶性的矿质养分及固氮。 根据土壤微生物的形态构造和生理活动特点，一般可分为：细菌、真菌、放线菌。31（1）细菌 细菌对有

13、机残体的分解起着最大作用，根据营养方式可分为好气性细菌和嫌气性细菌。宜于中性土壤条件（PH6.57.5） 32（2）真菌必须从土壤有机物中获取能量和碳源，真菌很多成为作物的病原菌。适于通气良好的酸性土壤（PH36） ，较高的土壤湿度。33（3）放线菌都是腐生型的，主要分解有机质，好气性，在偏碱性（PH78）的土壤中生活。34膜生物处理技术应用于污水处理膜生物反应器（MBR）技术的工作原理是：污水经过超高浓度的微生物分解后，采用孔径只有0.1微米（相当于头发丝的七百分之一）的中空纤维膜进行固液分离，清水再经过臭氧消毒，最后形成水质和生物安全性高的优质再生水。 3536 国家大剧院室外景观湖工程

14、37二 土壤有机质的转化过程 矿质化过程：就是有机质被分解成简单的无机化合物，释放出矿质营养的过程。如水、二氧化碳、硫酸盐、硝酸盐 腐殖化过程：使简单的有机化合物合成新的、较稳定的有机化合物，使有机质及其养分保蓄起来的过程。381.含氮碳有机物质的转化 土壤有机质中的碳水化合物如纤维素、半纤维素、淀粉等糖类，在微生物分泌的糖类水解酶的作用下，首先水解为单糖： (C6H10O5)nnH2OnC6H12O6（一）土壤有机质的矿质化过程39 生成的单糖由于环境条件和微生物种类不同，又可通过不同的途径分解，其最终产物也不同。如果在好气条件下，有好气性微生物分解，最终产物为水和二氧化碳，放出的热量多，称

15、氧化作用。其反应如下：nC6H12O66O26CO26H20热量 40 如果在通气不良的条件下，则在嫌气性微生物作用下缓慢分解，并形成一些还原性气体、有机酸，产生的热量少，称发酵作用。其反应为：C6H12O6 CH3CH2CH2COOH2H22CO2热量4H2CO2 CH42H2O412.含氮有机物质的转化 含氮有机物是土壤中氮素的主要贮藏状态，包括蛋白质、氨基酸、腐殖质等。 (1)水解作用蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶作用下，分解成氨基酸的作用称水解作用。 蛋白质 氨基酸 蛋白质 水解酶42(2)氨化作用 分解含氮有机物产生氨的生物学过程称氨化作用。CH2NH2COOHO2 HCOOHCO

16、2NH3CH2NH2COOHH2 CH3COOHNH3CH2NH2COOHH2O CH2(OH)COOHNH3 氧化好气分解 还原嫌气分解 水解43 3.硝化作用 氨态氮被微生物氧化成亚硝酸，并进一步氧化成硝酸的过程，称硝化作用。这一作用可分为两个阶段：第一阶段，氨被亚硝酸细菌氧化成亚硝酸；第二阶段，亚硝酸被硝化细菌氧化成硝酸。其反应如下：2NH23O2 2HNO22H2O热量2HNO2O2 2HNO3热量 44 （4）反硝化作用同细菌在无氧或微氧条件下以NO3或NO2作为呼吸作用的最终电子受体生成N2O和N2的硝酸盐还原过程，称反硝化作用。其反应如下：反硝化细菌C6H12O624KNO324

17、KHCO36CO212N218H2O453.含磷有机物质的转化 土壤中含磷有机物主要有核蛋白、卵磷脂、核酸、核素等，它们在有机磷细菌的作用下进行分解：磷细菌 水解 KNaCa2核蛋白质 磷酸 磷酸盐46 产生的磷酸盐是植物可吸收的磷素养分，但在酸性或石灰性土壤中易与Fe、Al、Ca、Mg等生成难溶性的磷酸盐，降低其有效性。在缺氧条件下磷酸又被还原为磷化氢，其反应如下：H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3 474.含硫有机物质的转化 植物残体中的硫，主要存在于蛋白质中，能分解含硫有机物的土壤微生物很多，一般能分解含氮有机物的氨化细菌，都能分解有机硫化物，产生硫化氢，其反应如下：蛋白质 硫氨

18、基酸 H2S48 还原型的无机硫化物被硫化细菌氧化成硫酸的过程，称硫化作用。其反应如下：2H2SO2 2H2O2S2S3O22H2O 2H2SO4 硫化作用产生的硫酸与土壤中的盐基物质作用，形成硫酸盐，硫酸盐是植物可吸收的养分。49(二)土壤有机质的腐殖化过程 土壤腐殖质的形成是一个复杂的过程，大致可分为两个阶段。 第一阶段：有机残体在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。另一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料。50 第二阶段：上述土壤腐殖质的组成部分，在微生物的作用下经缩合形成腐殖质的

19、基本单元。先是多元酚在微生物的作用下氧化为醌，然后醌再与含氮化合物缩合成原始腐殖质。51有机质的分解与合成示意图52三、影响土壤有机质转化的因素 有机残体的特性 土壤水分和通气状况 温 度土壤特性C/N比值 最适水势0.1 0.03Mpa0 35OM、pH、Eh值等53微生物是有机质转化的主要驱动力，凡是能够影响微生物活动及其生理作用的因素都会影响有机质的化。（一）植物残体特性 1、物理状态新鲜程度、破碎程度和紧实程度。 2、CNCN不仅影响有机残体分解速度，还影响土壤有效氮的供应，通常以：或0:较为合适。因为微生物生物体合成需要份和份，同时需要消耗份作为能源，故CN25:时，微生物活动最旺盛

20、，分解有机质速度较快，释放出大量素，相反CN25:时，相对不足，会出现微生物与植物共同争夺土壤中的有效N。54（二）水分、通气性最适湿度：土壤持水量的50%80%； 低洼、积水有利于有机质的积累。通气不良利于有机质累积。在好气条件下，微生物活动旺盛，分解作用可进行较快而彻底，有机物质-CO2和H2O，而N、P、S等则以矿质盐类释放出来。在嫌气条件下，好氧微生物的活动受到抑制，分解作用进行得既慢又不彻底，同时往往还产生有机酸、乙醇等中间产物。在极端嫌气的情况下，还产生CH4、H2等还原物质，其中的养料和能量释放很少，对植物生长不利。故调节土壤通气状况，是提高土壤肥力的方法之一。55(三）温度在0

21、5范围内，有机质的分解随温度升高而加快。土壤微生物活动的最适宜温度大约为25-35。（四）土壤特性1、质地 粘粒含量越高，有机质含量也越高。有机质与粘粒结合免受微生物破坏。 2、pH值 通过影响微生物的活性而影响有机质的分解。各种微生物都有其最适pH范围，多数细菌的最适pH为6.57.5，真菌为36、，放线菌为略偏向碱性。由于细菌数目最多，所以pH6.57.5较适宜，过酸过碱对一般的微生物均不大适宜。56第三节腐殖质 腐殖质本身不是一种单一的化合物，而是由多种化合物形成的聚缩物，其主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的8590，称为腐殖物质。其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物，因与腐殖酸紧密结合难

22、以分离，故与腐殖酸合称为腐殖质。 57 根据腐殖质在不同溶剂中的溶解度和颜色可分离出胡敏素、胡敏酸和富里酸3种性质不同的腐殖质。NaOH或NH4OH 稀溶液处理 不溶解的腐殖质 胡敏素溶解的暗褐色溶液 HCl或 H2SO4处理 沉淀物质 胡敏酸 黄白色溶液 富里酸 土壤一、腐殖质的分离与组成58 腐殖酸是土壤和沉积物等物质中溶于稀碱呈暗褐色、无定型和酸性的非均质天然有机高分子化合物。它的性质不活泼，不能作为独立的腐殖物质存在，所以一般把土壤腐殖质概括为胡敏酸和富里酸两大类。 59二、土壤腐殖质在土壤中存在形态（）游离态的腐殖质，在一般土壤中占极少部分。（）与矿物中强盐基化合成稳定的盐类，主要为

23、腐殖酸钙镁。（）与含水三氧化物化合成复杂的凝胶体。（）与粘粒结合成有机无机复合体。(最常见)在上述四种形态中，以第四种最为重要，它常占土壤腐殖质中的大部分。其结合方式可能是：第一：通过钙离子结合。农业重要，与团粒结构形成有关。第二：通过铁、锰、铝离子结合。结合紧密，不具水稳性。60三、腐殖质的性质 1腐殖质不是一种纯的化合物，而是代表一类有着特殊化学和生物本性的，构造复杂的高分子有机化合物。 2腐殖质的元素成分，主要是C、H、O、N、P、S、Ca等。腐殖质含碳量约为5660，平均为58。含氮量约为36(平均为56)，其碳氮比例大致为10：112：1，灰分占06。613腐殖质是一种黑色或棕色的有

24、机胶体。它的化学构造式虽然还没有确定，但它们有若干共同点是可以肯定的，即分子巨大，以芳香族核为主体，附以各种功能团。其中主要的功能团为酚羟基（一OH）、羧基（一COOH）、甲氧基（一OCH3），并有含氮的环状化合物等。 4. 腐殖质带有电荷，并且是两性胶体，在通常情况下，它所带的电荷是负的 625腐殖质的凝聚，腐殖质是带负电荷的有机胶体，根据电荷同性相斥的原理，所以新形成的腐殖质胶粒在水中呈分散的溶胶液，但增加电解质浓度或高价离子，则电性中和而相互凝聚，形成凝胶。腐殖质在凝聚过程中可使土粒胶结在一起，形成结构体。另外，腐殖质是一种亲水胶体，可以通过于燥冰冻脱水变性，形成凝胶。腐殖质这种变性是不

25、可逆的，所以能成水稳性团粒结构。637.吸水性 腐殖质是一种亲水胶体，有强大的吸水能力，单位质量腐殖质的持水量是硅酸盐粘土矿物的45倍，最大吸水量可以超过500%。最大吸湿水量可达本身一倍以上。8.稳定性 稳定性很强，年矿化率平均1% 2%之间。64第四节 土壤有机质的作用和调节 一、土壤有机质对提高土壤肥力的作用土壤有机质，特别是腐殖质，对土壤肥力的影响是多方面的，主要可归纳如下几点： 65（一）植物养分的重要来源 土壤有机质含有大量而全面的植物养分，特别是氮素，土壤中的氮素95以上是有机态的，经微生物分解后，转化为植物可直接吸收利用的速效氮。（二）提高土壤的蓄水保肥和缓冲能力 腐殖质本身疏

26、松多孔,具有很强的蓄水能力。土壤中的粘粒吸水力一般为5060，而腐殖质可高达400600。 66 （三）改善土壤的物理性质 新鲜有机质是土壤团聚体主要的胶结剂，在钙离子的作用下，能够形成稳定性团聚体，腐殖质颜色深，能吸收大量的太阳辐射热，同时有机质分解时也能释放热，所以有机质在一定条件下能提高土壤温度。 67（四）促进微生物的生命活动 土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分，同时又能调节土壤水、气热及酸碱状况。 （五）促进植物的生长发育 胡敏酸具有芳香族的多元酚官能团，可以加强植物的呼吸过程，提高细胞膜的透性，促进养分进入植物体，还能促进新陈代谢，细胞分裂，加速根系和地上部分的生长。 68（六）其他方面的作用 腐殖质中含维生素、抗生素和激素，可增强植物抗病免疫能力，胡敏酸还有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染。另外，腐殖质还有利于盐、碱土的改良。69二、土壤有机质的调节 （一）增施有机肥料、种植绿肥对苗圃土壤和瘠薄的园林绿化地、果园等增施有机肥料是增加有机质的基本方法，据研