第二章-土壤固相组成与其诊断特性

【知识结构】第二章土壤固相组成及诊断特性一、土壤矿物二、土壤有机质三、土壤土壤固相的物理诊断特性第一页，共61页。土壤组成固相液相气相矿物质有机质生物有机体土壤水分土壤空气矿物质45％有机质5％空气25％水分25％典型土壤的容积组成简单的说，土壤组成包括三相、五种成分第二页，共61页。来源：土壤矿物质主要来自成土母质或母岩，在成壤过程中发生变化。作用：是土壤的主要组成物质，土壤矿物质构成了土壤的“骨骼”；对土壤的矿质元素含量、性质、结构和功能具有巨大的影响。分类：按照成因分为原生矿物、次生矿物两大类。第一节土壤矿物第三页，共61页。1、概念指直接来源于母岩，只受不同程度的物理风化，未经化学风化作用的影响的碎屑物质；其原来的化学成分和结晶构造没有改变。2、主要类型一、原生矿物(primarymineral)硅酸盐和铝硅酸盐类：长石、云母、橄榄石、辉石和角闪石氧化物类：石英、赤铁矿、金红石、锆石等硫化物类：黄铁矿磷酸岩类：磷灰石第四页，共61页。1）硅酸盐、铝硅酸盐类矿物在土壤的原生矿物中硅酸盐、铝硅酸盐占绝对优势，一般为晶质矿物。钾长石（KAlSi3O8）亦称正长石

晶体短柱状，肉红色、浅黄色、浅黄红色等。正长石易风化，风化后形成粘土矿物高岭石等。可为土壤提供大量K养分。①长石类：长石类矿物占地壳重要的50-60%，占土壤重量的10-15%，主要类型是钾长石、钠长石、钙长石。其中，钾长石、钠长石因K和Na含量多，而Ca含量少称为碱性长石;钠长石、钙长石因Ca和Na含量多，而K含量少为斜长石。钾长石第五页，共61页。斜长石钠长石：（NaAlSi3O8

）

钙长石：（CaAl2Si2O8

）常呈板状和柱状晶体。白色或灰白色。斜长石比正长石容易风化，风化产物主要是粘土矿物。在土壤中钾长石和斜长石的比值用来衡量土壤的发育程度。能为土壤提供Na、Ca等元素。斜长石②云母类矿物常见的有白云母和黑云母，另外还有金云母、钠云母和锂云母。第六页，共61页。黑云母：KH2（Mg，Fe）3AlSi3O12白云母：KH2Al3Si3O12

黑云母呈深褐色或黑色，白云母呈无色透明或浅色（浅黄、浅绿）透明。黑云母较白云母易于风化，风化物为碎片状。白云母较比黑云母难风化，风化产物为细小的鳞片状，强烈风化后能形成高岭石等粘土矿物。风化后为土壤提供K素。第七页，共61页。③橄榄石类[(Mg、Fe)2SiO4]

呈橄榄绿色，含铁镁不含铝的硅酸盐，由于亚铁氧化促使晶格破坏，所以极易风化。④辉石、角闪石类[R2(SiO6)]普通辉石:(Ca，Na)(Mg，Fe，Al，Ti)[(Si，Al)2O6]普通角闪石:NaCa2（MgFe2+）4（AlFe3+）（SiAl）4O11]2（OH）2

此类矿物属偏硅酸盐类，为绿色和黑色的暗色矿物。橄榄石普通辉石普通角闪石第八页，共61页。2、氧化物类矿物－难风化石英（SiO2）呈白色、乳白色、灰白半透明状态；是土壤中分布最广泛的矿物之一，是土壤的基底物；是极稳定的、不活泼的矿物。石英、赤铁矿、金红石、锆石等。纯石英赤铁矿杂质石英

赤铁矿（Fe2O3)-（氧化铁）红色，染色矿物，无水氧化铁矿石，其化学式为Fe2O3；次生赤铁矿，温暖地带土壤中氢氧化铁脱水沉淀；在热带和亚热带、通气好的土壤中最为常见。

第九页，共61页。3、硫化物类矿物

土壤中只常见铁的硫化物矿物，即黄铁矿和白铁矿；两者为同质异构物，分子式均为FeS2；极易风化，是土壤中S素的主要来源。黄铁矿4、磷酸盐类矿物

其成分主要为氟磷灰石和氯磷灰石两种；氟磷灰石Ca5[PO4]3F最为常见；易风化，土壤无机磷的重要来源。

氟磷灰石第十页，共61页。土壤原生矿物稳定性序列图火成岩的造岩矿物形成的一般规律

第十一页，共61页。1、土壤矿物质的风化过程风化作用：裸露在地表的岩石矿物在大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的综合作用下，矿物的物理性状和化学组成和性质发生的改变过程。根据风化的性质分类或作用因子的不同可以分为如下类型1)物理风化:机械崩解作用原因：温度变化、冻结、碎石的劈裂、风力、流水和冰川的摩擦力；表现：矿物发生机械破碎，但化学成分和结晶构造没有发生改变；分布：温度变化剧烈的干燥、寒冷地区。意义：二、土壤矿物的形成与转化第十二页，共61页。化学风化：矿物在大气、水及生物的相互作用下成分和结晶构造、性质等改变过程。主要类型：溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用（1）溶解作用：在极性水分子作用下，矿物颗粒表面阴阳离子解离，进入水体形成水分子过程。（2）水化作用指矿物晶体表面离子与水化合形成结构不同，易碎散的矿物。2）化学风化作用NaCl(固）+H2O==Na++Cl-+H2O第十三页，共61页。脱盐基阶段：即H+

交换出矿物中的盐基离子形成可溶性盐，而被淋溶的过程。

K2AI2Si6O16+H2O→KHAI2Si6O16+KOHKHAI2Si6O16+H2O→H2AI2Si6O16+KOH脱硅阶段：即矿物中硅以游离硅酸形式被析出，并开始淋溶的过程

H2AI2Si6O16+H2O→H2AI2Si2O8+4Si02+4H2Si03富铝化阶段：即矿物被彻底分解、硅酸盐继续淋溶而氢氧化铝相对富集的过程。

H2AI2Si2O8+4H2O→2AI(HO)3+2H2Si03（3）水解作用：指水解离出H+对矿物的分解作用。是化学分解的主要作用，可使矿物彻底分解。分解过程可分为：第十四页，共61页。(4)氧化作用矿物质中的一些非氧化态矿物，最容易发生氧化，促使矿物分解，同时使被氧化矿物活化，从而促使其发生迁移转化，如黄铁矿。3）生物风化生物及其生命活动对岩石、矿物产生的破坏作用称为生物风化。实际上表现为物理的与化学的两种形式。生物风化主要对岩石的风化起促进作用。（1）根系穿插，穴居动物如田鼠，蚯蚓的挖掘等，促进了物理风化。（2）生物活动所产生的各种有机酸（如细菌作用所产生的腐殖酸），无机酸（如固氮菌产生的硝酸，硫化菌产生的硫酸）等极大促进了矿物的溶解、水解过程，加速了化学风化。第十五页，共61页。主要根据代表性矿物来划分物理风化溶解、水化水解脱盐基、脱硅水解富铝化主要风化过程2.影响矿物分解的因素第十六页，共61页。原理：土体中某些化学元素淋率程度来量度土壤矿物风化强度。1）硅铁铝率：土体或土壤粘粒部分的SiO2/Al2O3的摩尔比率，主风化产物与岩石或母质相比的脱硅或富硅程度。意义：（1）土体与土壤母质或母岩的硅铝率相比，可以反映矿物分解过程。若硅铝率相差不大则说明土壤脱硅富铁铝过程弱；若土体硅铝率显著低于母质则说明土壤脱硅富铁铝过程显著；（2）粘粒硅铝率可以反映粘土矿物的种类和性质土体/粘粒的硅铝率＝A/(B+C）母质或母岩硅铝率＝A´/(B´+C’)SiO2的摩尔质量（60）SiO2的质量含量计算过程：ASiO2的摩尔数＝

BAl2O3的摩尔数＝Al2O3的质量含量Fe2O3的摩尔质量（160）3.土壤矿物风化强度指数CFe2O3的摩尔数=Fe2O3的质量含量Al2O3的摩尔质量（102）第十七页，共61页。12）迁移系数：主要反映任一元素在剖面中的淋溶迁移程度。Kmx任一土层或风化层的x/Al2O3母质层或母岩层的x/Al2O3如果迁移系数小于1，表示该元素有淋溶；反之则富集。第十八页，共61页。表格所示为某土壤剖面B和C层样品化学分析数据，样品测试前用盐酸处理，请计算1）淀积层和母质层的硅铁铝率；2）K元素的迁移系数；计算过程：1、计算元素的摩尔数2、根据公式计算例题淀积层母质层第十九页，共61页。含义：原生矿物在风化和成土过程中形成新矿物称为次生矿物，其化学组成和矿物的结晶构造与原生矿物相比都发生改变。作用：土壤矿物中最细小的部分2，又称为粘粒矿物和粘粒矿物;具有强烈的吸附性、膨胀性和粘着性，因而具有明显的胶体特性在土壤发生学和农业生产上具有重要意义。简单盐类1、次生矿物类型根据其组成、构造和性质分为三类次生氧化物铝硅酸盐类三、土壤次生矿物第二十页，共61页。土壤矿物转化图示第二十一页，共61页。1）简单盐类:亦称易溶盐类或可溶盐形成：在土壤溶液中，原生矿物经风化脱盐基易溶盐析出物质。（K+、Na+

、Ca2+

、Mg2+等离子）类型：碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物分布：干旱半干旱区、大陆性季风气候区、滨海地区2）次生氧化物类(1）铁的氧化物赤铁矿（Fe2O3)-（氧化铁）褐红色，染色矿物，无水氧化铁矿石，其化学式为Fe2O3；次生赤铁矿，温暖地带土壤中氢氧化铁脱水沉淀；在热带和亚热带、通气好的土壤中最为常见。赤铁矿针铁矿（Fe2O3H2O)-铁锈，黄棕色。褐铁矿（Fe2O3nH2O)-棕褐色。水化作用第二十二页，共61页。(2）氧化铝：一水型氧化铝－Al203H2O三水型氧化铝－Al2033H2O分布在灰化土和湿热地区的砖红壤、红壤和黄壤；是高度风化的产物。(3）次生氧化硅：氧化硅溶胶生物蛋白石3)次生铝硅酸盐土壤粘粒组分伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石等。第二十三页，共61页。主要包括伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石等，是土壤粘粒的主要组分。铝硅酸盐粘土矿物的晶体构成：硅氧四面体片和铝氧八面体片。硅氧四面体片第二十四页，共61页。铝氧八面体片第二十五页，共61页。根据硅氧四面体和铝氧八面体，二者组合为粘土矿物可分为1：1型—由一层硅氧片和一层铝氧片组成，如高岭石和埃洛石。2：1型—由两层硅氧片和一层铝氧片组成，如蒙脱石、蛭石、伊利石。2：2型—由两层硅氧片和两层铝氧片组成，如绿泥石。粘土矿物的类型结构构成1）晶层之间没有阳离子2）氧和氢氧离子通过氢健连接特征：可塑性、膨胀性、收缩性、粘结性很低、代换量低7.1Å2O2－：10H-Al3＋Si4＋O2－OH－2O2－：10H-Si4＋O2－1）1：1型—高岭石第二十六页，共61页。交换离子nH2O9.6－21.4Å2）2：1型膨胀性—蒙脱石结构构成1）晶层之间水分子、阳离子2）氧和氢氧离子通过很弱氢健连接3）同晶替换特征：可塑性、膨胀性、收缩性、粘结性最强

代换量高2O2－：10H-Si4＋/Al3+

O2－2O2－：10H-Al3+/Mg2＋2O2－:10H-第二十七页，共61页。3）2：1型非膨胀性—伊利石OOHAlSi,1/4AlK10ÅK4）2：2型—绿泥石OOHMg,Al,FeSi,部分Al14Å结构构成1）晶层之间K2）其他性质介于上述两种矿物之间特征：可塑性、膨胀性、收缩性、粘结性、代换量中等结构构成1）晶层之间水铝片特征：可塑性、膨胀性、收缩性、粘结性、代换量弱第二十八页，共61页。1）土壤原生矿物的地理分布2土壤矿物的地理分布氧化物湿热气候层状硅酸盐矿物过渡气候原生矿物干冷气候矿物类型气候带氧化物湿热气候层状硅酸盐矿物过渡气候原生矿物干冷矿物类型气候带第二十九页，共61页。新疆、甘肃西部和内蒙古西部为水云母地带；内蒙中部、黄土高原北部和东北西部为水云母-蒙脱石地带；华北大部和东北平原为水云母—蛭石地带；北亚热带湿润区为水云母-蛭石-高岭石地带；江南丘陵、四川盆地及云贵高原为高岭石-水云母地带；华南及云南南部为高岭石-二三氧化物地带。2）土壤粘土矿物的分布第三十页，共61页。第三十一页，共61页。四、土壤质地1、土壤矿物颗粒粒级的划分1）粒级：将土壤中粒径大小相近、性质相似的归为一类。粒级的分类标准：国际制，美国制，威廉庆卡斯基制，中国土粒分级标准（1975）第三十二页，共61页。2）各粒级的矿物组成与性质矿物组成：粗颗粒主要是原生矿物、细颗粒主要是次生矿物化学组成：土粒愈细，SiO2含量愈少，而Al2O3、Fe2O3等含量愈多。各粒级成分性质：图2-10土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式(据Pierzynski，2000)第三十三页，共61页。3）土壤质地的划分

自然土壤的矿物是由大小不同的土粒组成的，各个粒级在土壤中所占的质量百分数，称为土壤质地(soiltexture)，又称土壤机械组成。土壤质地类型：依据砂粒、粉粒和粘粒的质量分数。国际制，美国制，威廉庆卡斯基制，中国土粒分级标准（1978）美国制土壤质地分类标准第三十四页，共61页。质地组质地名称各粒级（mm）含量（％）砂粒1－0.05粗粉0.05－0.01细粘粒<0.001砂土组粗砂土细砂土面砂土>7060－7050~60<30壤土组砂粉土粉土砂壤土壤土砂粘土>20<20>20<20>50>40<40>40<40<30<30<30<30<30<10粘土组粉粘土壤粘土粘土303535－40>40中国土壤质地分类标准（暂拟方案，1975）第三十五页，共61页。土壤质地的适宜性

砂土气，砂粒为主，大孔隙多而毛细孔隙少，通气性强；水，透水性强，保水蓄水能力弱；肥，通气性强，有机质易分解，利于供肥，但保肥能力弱；热，热容量小，温度变化剧烈，易受干旱和寒冬威胁；但春季升温快，发苗早，暖性土。可耕性能，易耕作；在施肥上，注意少餐多肥。粘土气，土粒微小，大孔隙少，毛细管多，毛管力强，透气性差；水，保水、蓄水能力强肥，保肥能力强，有机质分解缓慢热，热容量大，温度变化缓慢，春季升温缓慢，发苗晚，冷性土。缺点：可耕性能，不易耕作，水土流失。

壤土有一定数量的毛管空隙和非毛管空气，兼顾砂土和壤土优点；“上砂下粘”，“蒙金地”。第三十六页，共61页。2.土壤矿质元素植物在生长发育过程中需不断地从土壤中吸取大量矿质元素，如C、H、O、N、P、K、S、Mg、Ca、Fe等；需要量较小的元素有Mn、Zn、Cu、Mo、B、Se等；发育不需要的元素，如Pb、Hg、Cd等。图2-11必需元素、非必需元素缺乏与过量对生命体的影响图A:生命必需元素如Cu、Zn；B:非生命必需元素如Cd、Pb第三十七页，共61页。植物根系从土壤中吸收营养元素的途径第一：根系从土壤溶液中吸收养分离子第二：根系和土壤固相间的直接接触的交换作用第三：通过H+离子和有机酸游离储存的结合态养分第三十八页，共61页。第二节土壤有机质一、土壤有机质的来源与组成它可分为两大类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。1、非特异性土壤有机质来源：植物；土壤动物和微生物残体；施肥。元素组成：C和O,H、N等化合物组成：碳水化合物、含氮化合物（蛋白质）、木质素含硫、含磷化合物等单宁、树脂、脂肪、蜡质第三十九页，共61页。2、土壤腐殖质（soilhumus)

是土壤特异有机质，也是土壤有机质的主要组分，约占有机质总量的50％~65％。它是一种结构复杂、抗分解性强的棕色或暗棕色无定形胶体物，是土壤微生物利用植物残体及其分解产物重新合成的高分子化合物。元素组成：C、H、O、N、S、P等营养元素根据腐殖质在不同溶剂中的溶解性分类：胡敏酸、富里酸、棕腐酸和胡敏素土壤腐殖质性质胡敏酸富里酸第四十页，共61页。土壤腐殖质的组成第四十一页，共61页。二、土壤生态系统及其有机质的转化1、土壤生态系统微生物是土壤有机质转化的主要动力。细菌、真菌、放线菌、藻类图2-15土壤生态系统组分—主要土壤生物图式第四十二页，共61页。2、土壤有机质的矿质化—分解过程土壤动植物残体残体及土壤腐殖质在土壤微生物，如细菌（bacteria）和真菌（fungi）的作用下分解成简单有机化合物，以致最终彻底分解为无机化合物，如CO2、H2O等过程。3、腐殖化过程—合成过程土壤中的动植物残体在微生物分解的同事，其部分分解产物又在微生物作用下，重新合成一类性质较稳定的有机高分子化合物，即腐殖质的过程。第四十三页，共61页。4、影响土壤有机质转化因素土壤有机质类型1）有机质的结构2）植物残体的C/N比值3）灰分环境因素1）土壤通气性2）水热状况60%-80%；0-35ºC3）PH值6.5第四十四页，共61页。

土壤圈物质循环主要是指土壤圈内部的物质迁移转化过程，以及土壤圈与地球其他圈层之间的物质交换过程。其中土壤营养元素(如N、C、P、S等)循环是当今研究的重点，土壤中的营养元素是维持生物体生理代谢过程所必需的化学元素，如图2-17、2-18、2-19、2-20所示。

三、土壤圈物质循环第四十五页，共61页。图2-17土壤圈中的物质能量循环过程图式（据MillerTyler，1996）第四十六页，共61页。图2-18土壤中氮素循环过程图式（据MillerTyler，1996）

第四十七页，共61页。图2-19地球表层碳素循环过程图式（据EngerED，1998）第四十八页，共61页。图2-20土壤生态系统中磷素的循环图式（据MillerTyler，1996）第四十九页，共61页。第三节土壤固相的物理诊断特性土壤固相颗粒相互作用而聚积形成大小不同、形状各异的团聚体(aggregate)，这些团聚体的组合排列称为土壤结构。意义：土壤结构是成土过程的产物，能够指示土壤的发生过程；指示土壤肥力。一、土壤结构单粒结构SingleGrain按形态分类1.土壤结构类型第五十页，共61页。粒状结构Grainlar团粒状结构Grained

粒状（0.5-5mm)团粒状（5-10mm）团块状（＞5mm)团块状结构Massive第五十一页，共61页。块状结构Blocky

小块（5-10mm)块状（10-20mm）大块（＞20mm)片状结构Platy第五十二页，共61页。柱状结构Columnar棱柱结构Prismatic第五十三页，共61页。1）土壤结构形成的基本条件胶结物质：主要是各种土壤胶体

（1）无机胶体：粘土矿物、含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等（2）有机胶体:有机质（腐殖质）、葡萄糖、胡敏酸等

外力推动：主要是促使较大土壤颗粒破碎成细小颗粒，同时促进小颗粒之间的粘结。（1)土壤生物：根系的生长（穿插、挤压、分泌物及根际微生物）、动物的活动；（2)大气变化：干湿、冻融交替；

（3)人为活动：耕作、施肥。2、土壤结构的形成2）土壤结构形成过程原生团聚体形成水稳性团聚体形成第五十四页，共61页。（1）团粒结构含义：

通常是指土壤中近于圆状小团聚体，其粒径为0.25-10mm。农业生产上最理想的团粒结构粒径为2-3mm