《土壤地理學(xué)》第2章 土壤固相組成及其診斷特性

第2章土壤固相組成及其診斷特性

2.1土壤礦物2.2土壤有機(jī)質(zhì)2.3土壤固相的物理診斷特性

思考題與個(gè)案分析《土壤地理學(xué)》電子教案教學(xué)重點(diǎn)掌握土壤固相物質(zhì)組成及其診斷特性了解土壤礦物類型及其風(fēng)化特征認(rèn)識(shí)土壤礦物空間分異規(guī)律了解土壤生物群落組成對(duì)土壤的影響掌握土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化與土壤圈物質(zhì)循環(huán)特征。關(guān)鍵詞土壤礦物(soilmineral)原生礦物(primarymineral)次生礦物(secondarymineral)土壤腐殖質(zhì)(soilhumus)胡敏酸(humicacids)富啡酸(fulvicacid)有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體(organo-mineralcomplex)土壤微生物

(soilmicroorganism）土壤質(zhì)地(soiltexture)粒級(jí)(particlefraction)土壤結(jié)構(gòu)(soilstructure)土壤顏色(soilcolor)知識(shí)結(jié)構(gòu)2.1土壤礦物2.2土壤有機(jī)質(zhì)2.3土壤固相的物理診斷特性分析土壤組成、掌握礦物類型與風(fēng)化序列掌握土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化土壤圈物質(zhì)循環(huán)特征掌握土壤診斷特性及其測(cè)量方法。

土壤是由固相、液相、氣相和土壤生物體四部分組成。適于植物生長(zhǎng)的典型壤質(zhì)土壤的體積組成為土壤孔隙占50％，內(nèi)含水分和空氣；土壤固體占50%，其中礦物質(zhì)占45％，有機(jī)質(zhì)占5%；土壤生物體均生活在土壤孔隙之中，如圖2-1所示。圖2-1最適宜植物生長(zhǎng)的壤質(zhì)土壤表土的體積組成

土壤礦物主要來(lái)自成土母質(zhì)或母巖，是土壤的主要組成物質(zhì)。土壤礦物構(gòu)成了土壤的“骨骼”，它對(duì)土壤組成、性狀和功能具有巨大的影響。按照發(fā)生類型可將土壤礦物劃分為原生礦物、次生礦物、可溶性礦物三大類。2.1

土壤礦物原生礦物(primarymineral)直接來(lái)源于母巖特別是巖漿巖。其中包括鋁硅酸鹽類、長(zhǎng)石類礦物、云母類礦物、橄欖石類礦物、輝石與角閃石類礦物、氧化物類、硫化物類和磷灰石類，如圖2-2所示。原生礦物的風(fēng)化過(guò)程不僅在時(shí)間上有階段性，在空間上也有地帶性，如圖2-3所示。圖2-2土壤礦物的風(fēng)化及穩(wěn)定性序列圖(T為年均氣溫/℃，R為年均降水量/mm)圖2-3中國(guó)地表風(fēng)化殼及風(fēng)化類型分異斷面圖原生礦物在風(fēng)化和成土過(guò)程中新形成的礦物稱為次生礦物，它包括簡(jiǎn)單鹽類、次生氧化物和鋁硅酸鹽類。它們是土壤礦物中最細(xì)小的部分，具有活動(dòng)的晶格、呈現(xiàn)高度分散性，并具有強(qiáng)烈的吸附代換性能、能吸收水分和膨脹，因而具有明顯的膠體特性，又稱為黏土礦物。如圖2-4、2-5、2-6、2-7、2-8所示。圖2-4不同地理環(huán)境中次生礦物形成的一般模式圖2-5鋁硅酸鹽類礦物的基本結(jié)構(gòu)單元示意圖

圖2-6鋁硅酸鹽類礦物的基本結(jié)構(gòu)單元示意圖

圖2-71:1型高嶺石類晶體結(jié)構(gòu)模型圖

圖2-82:1型蒙脫石類晶體結(jié)構(gòu)模型圖

在中國(guó)次生礦物分布的地帶性表現(xiàn)為：新疆、甘肅西部和內(nèi)蒙古西部為水云母地帶；內(nèi)蒙中部、黃土高原北部和東北西部為水云母-蒙脫石地帶；華北大部和東北平原為水云母—蛭石地帶；

北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)為水云母-蛭石-高嶺石地帶；江南丘陵、四川盆地及云貴高原為高嶺石-水云母地帶；華南及云南南部為高嶺石-二三氧化物地帶。

土壤礦物質(zhì)是由風(fēng)化與成土過(guò)程中形成的不同大小的礦物顆粒組成。其直徑相差很大，從10-1~10-9m不等，不同大小土粒的化學(xué)組成、理化性質(zhì)差異巨大。據(jù)此可將粒徑大小相近、性質(zhì)相似的土粒歸為一類，稱為粒級(jí)。世界各國(guó)對(duì)土壤粒級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)不盡一致，如圖2-9所示。圖2-9國(guó)際上主要的土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖式

一般來(lái)說(shuō)，土粒愈細(xì)，SiO2含量愈少，而Al2O3、Fe2O3等含量愈多。隨著粒徑的減小，孔隙度、吸濕量、持水量、比表面面積、膨脹潛能、吸附性能、塑性和粘結(jié)性將增加，而土壤通氣性、透水性、密度將降低，如圖2-10所示。圖2-10土壤顆粒粒級(jí)與理化性狀的關(guān)系圖式(據(jù)Pierzynski，2000)植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需不斷地從土壤中吸取大量礦質(zhì)元素，如C、H、O、N、P、K、S、Mg、Ca、Fe等；需要量較小的元素有Mn、Zn、Cu、Mo、B、Se等；還有一些元素是生物生長(zhǎng)發(fā)育不需要的，如Pb、Hg、Cd等，如圖2-11所示。圖2-11必需元素、非必需元素缺乏與過(guò)量對(duì)生命體的影響圖A:生命必需元素如Cu、Zn；B:非生命必需元素如Cd、PbAB自然土壤的礦物是由大小不同的土粒組成的，各個(gè)粒級(jí)在土壤中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，稱為土壤質(zhì)地(soiltexture)。土壤質(zhì)地分類及劃分標(biāo)準(zhǔn)世界各國(guó)不一，當(dāng)今國(guó)際土壤學(xué)界常用的是美國(guó)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，如圖2-12所示。圖2-12美國(guó)制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中重要的固相成分之一，是土壤肥力、緩沖及凈化功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤形成發(fā)育的主要標(biāo)志。它可分為兩大類：非特異性土壤有機(jī)質(zhì)和土壤腐殖質(zhì)。生物殘?bào)w及其代謝產(chǎn)物是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源，如圖2-13所示。2.2土壤有機(jī)質(zhì)圖2-13綠色植物鮮組織的成分(據(jù)BradyNC,1974)土壤腐殖質(zhì)(soilhumus)是土壤特異有機(jī)質(zhì)，也是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組分，約占有機(jī)質(zhì)總量的50％~65％。它是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗分解性強(qiáng)的棕色或暗棕色無(wú)定形膠體物，是土壤微生物利用植物殘?bào)w及其分解產(chǎn)物重新合成的高分子化合物。土壤腐殖質(zhì)可為胡敏酸、富啡酸、棕腐酸和胡敏素，如圖2-14所示。圖2-14土壤腐殖質(zhì)組分及其分離過(guò)程圖式土壤生態(tài)系統(tǒng)是指自然界特定地域的土壤與生活在其中的生物群落之間相互作用、相互制約的動(dòng)態(tài)平衡的綜合體。土壤生物主要是指土壤中的植物、動(dòng)物和微生物，以及地上部分的動(dòng)植物，它們以最緊密的方式和各種生物的生命活動(dòng)聯(lián)系在一起，如圖2-15所示。圖2-15土壤生態(tài)系統(tǒng)組分—主要土壤生物圖式土壤有機(jī)物在微生物作用下進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化的同時(shí)，其部分分解產(chǎn)物又在微生物的作用下重新聚合形成腐殖質(zhì)，如圖2-16所示。有關(guān)土壤腐殖質(zhì)形成的生物化學(xué)過(guò)程歸納起來(lái)有3種學(xué)說(shuō)：①木質(zhì)素－蛋白質(zhì)聚合學(xué)說(shuō)；②生物化學(xué)合成學(xué)說(shuō)；③化學(xué)催化聚合學(xué)說(shuō)。圖2-16土壤腐殖質(zhì)形成過(guò)程圖式土壤圈物質(zhì)循環(huán)主要是指土壤圈內(nèi)部的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及土壤圈與地球其他圈層之間的物質(zhì)交換過(guò)程。其中土壤營(yíng)養(yǎng)元素(如N、C、P、S等)循環(huán)是當(dāng)今研究的重點(diǎn)，土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素是維持生物體生理代謝過(guò)程所必需的化學(xué)元素，如圖2-17、2-18、2-19、2-20、2-21所示。圖2-17土壤圈中的物質(zhì)能量循環(huán)過(guò)程圖式（據(jù)MillerTyler，1996）圖2-18土壤中氮素循環(huán)過(guò)程圖式（據(jù)MillerTyler，1996）

圖2-19地球表層碳素循環(huán)過(guò)程圖式（據(jù)EngerED，1998）圖2-20土壤生態(tài)系統(tǒng)中磷素的循環(huán)圖式（據(jù)MillerTyler，1996）圖2-21土壤生態(tài)系統(tǒng)中硫素循環(huán)圖式土壤固相組成的物理診斷特性主要包括土壤結(jié)構(gòu)、密度、孔隙度、土壤顏色和土壤質(zhì)地，它們是土壤發(fā)生的重要標(biāo)志，也是影響土壤與環(huán)境間熱量、水分、養(yǎng)分和氣體交換，以及土壤中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要因素，因此，成為土壤分類和土壤資源開發(fā)利用的重要依據(jù)。2.3土壤固相的物理診斷特性

土壤固相顆粒很少呈單粒存在，它們經(jīng)常是相互作用而聚積形成大小不同、形狀各異的團(tuán)聚體(aggregate)，這些團(tuán)聚體的組合排列稱為土壤結(jié)構(gòu)(soilstructure)。土壤結(jié)構(gòu)是成土過(guò)程的產(chǎn)物，故不同的土壤及其發(fā)生層都具有一定的土壤結(jié)構(gòu)，如圖2-22所示。單粒結(jié)構(gòu)SingleGrained

粒狀結(jié)構(gòu)Grained

圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解片狀結(jié)構(gòu)PlatyPlaty

塊狀結(jié)構(gòu)Blocky圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解(續(xù))柱狀結(jié)構(gòu)Columnar棱柱結(jié)構(gòu)Prismatic圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解(續(xù))大塊狀結(jié)構(gòu)Massive圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解(續(xù))單粒結(jié)構(gòu)SingleGrained

粒狀結(jié)構(gòu)Grained片狀結(jié)構(gòu)Platy圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解(續(xù))柱狀結(jié)構(gòu)Columnar塊狀結(jié)構(gòu)Blocky大塊狀結(jié)構(gòu)Massive棱柱狀結(jié)構(gòu)Prismatic圖2-22土壤結(jié)構(gòu)類型圖解(續(xù))土壤固相物質(zhì)組成、土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)是決定土壤許多重要物理特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，而土壤顆粒密度、土壤密度、孔隙度、土壤磁性和土壤顏色則是反映土壤物質(zhì)組成和土壤發(fā)生條件的重要定量指標(biāo)。土壤顏色采用國(guó)際通用的蒙氏顏色卡來(lái)表示，如圖2-23、2-24、2-25所示。圖2-23土壤顏色三維圖解圖2-24蒙氏土壤顏色卡圖式圖2-25蒙氏土壤顏色卡圖式思考題與個(gè)案分析土壤的基本組成是什么？如何看待它們之間的關(guān)系？結(jié)合中國(guó)土壤粒徑分級(jí)系統(tǒng)，簡(jiǎn)述進(jìn)行土壤粒徑分級(jí)的意義和作用？3.簡(jiǎn)述土壤質(zhì)地對(duì)肥力的影響，那種質(zhì)地對(duì)肥力更有利？4.簡(jiǎn)述土壤結(jié)構(gòu)類型，為什么說(shuō)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是好的結(jié)構(gòu)？5.土壤形態(tài)是怎樣形成的，研究土壤形態(tài)的意義是什么？6.說(shuō)明土壤容重、比重和孔隙度的概念和意義。試分析土體硅鐵鋁率與黏粒硅鐵鋁率的差異性，闡述其土壤地理意義。通過(guò)土壤調(diào)查與分析，試簡(jiǎn)述土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的主要功能。9.以我們?nèi)粘Ｊ秤霉任?、蔬菜所包含化學(xué)元素的源與匯為線索，運(yùn)用所學(xué)的土壤地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)等知識(shí)，描述、解釋以土壤或者土壤