环境土壤学课件

绪论民以食为天，食以土为本万物土中生，有土斯有财第一节土壤及土壤的基本特性

一、土壤的概念万物自生焉则曰土。《周礼》（公元前3世纪）土者，是地之吐生物者也。“二”，像地之上，地之中，“I”,物出形也。《说文解字》（许慎）以人所耕而树艺焉则曰壤。《周礼》一、土壤的概念（1）农民和农业科学工作者：土壤是植物生长的介质。（2）水利学家：土壤是贮水和输水的多孔介质。（3）工程专家：土壤是承受高强度压力的基地或工程材料的来源。（4）环境科学家：土壤是重要的环境因素，环境污染物的缓冲带和过滤器。（5）地质学家：土壤是地球陆地表面的一个疏松的薄层，主要是近代地质作用所形成的地壳风化产物。（6）生态学家：从生物地球化学观点出发，认为土壤是地球表层系统中，生物多样性最丰富，生物地球化学的能量交换、物质循环（转化）最活跃的生命层。（7）土壤学家：土壤有着自己发生发展和长期演变的历史，土壤是由岩石风化形成的母质在生物等因素的参与下逐渐形成的，是自然界中一个独立的历史自然体。简明定义：

能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次。综合定义：

土壤是地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成的、可供植物生长的一种复杂的生物地球化学物质；与形成它的岩石和沉积物相比，具有独特的疏松多孔结构，化学和生物学特性；它是一个动态生态系统，为植物生长提供了机械支撑、水分、养分和空气条件；支持大部分微生物群体的活动，来完成生命物质的循环；维持着所有的陆地生态系统，其中通过供给粮食、纤维、水、建筑材料、建设和废物处理用地，来维持人类的生存发展；通过滤掉有毒的化学物质和病原生物体，来保护地下水的水质，并提供了废弃物的循环场所和途径或使其无害化。

“土壤”和“土地”概念的区别：不是同一范畴的概念。

土壤是土地的物质组成部分，而土地不仅包括土壤要素，还包括地形、植被、水文、人文等要素。土壤农业土壤自然土壤二、土壤的基本特性（一）土壤剖面的垂直分层特性土壤是在生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下的产物，这种综合作用就称为成土作用。由成土作用形成的层次称为土壤发生层，而完整的垂直土层序列称之为土壤剖面。典型土壤剖面可划为三个基本层：A层：地表最上端，腐殖质在这一层聚积。B层，粘粒在这里淀积，称淀积层或过渡层。C层，不同程度风化物构成，称为母质层。Redsoil红壤（二）土壤的基本物质组成

矿物质、有机质、水分、空气和土壤生物等。土壤固相主要由土壤矿物和土壤有机质组成，而它的空隙中存在着水、气及微生物等，所以土壤是一个由固相、液相和气相组成的多孔多相分散体系。（三）土壤肥力

在植物生活全过程中，土壤供应和协调植物生长所需水、肥、气、热的能力。自然肥力：指土壤在自然因子(气候、生物、地形等)综合作用下所具有的肥力。人为肥力：土壤在人为条件熟化(耕作、施肥、灌溉等)作用下所表现出来的肥力。潜在肥力：土壤肥力在生产上没有发挥出来产生经济效益的部分。有效（经济）肥力：土壤肥力在当季生产中表现出来产生经济效益的部分。土壤肥力类型（四）土壤的物理性质

土壤物理特性包括其疏松性、结构性、透水性、持水性、水分移动性、透气性、吸附性等，这些特性决定了土壤中物质的运移和能量的转化，为植物根系的发育和高等及低等生物的定居提供了相对有利的条件，同时在环境保护、地下水水质保持等方面起到不可替代的作用。土壤物理学就是研究土壤的这些独特物理性质的土壤学分支。

（五）土壤的化学性质土壤胶体是土壤中化学性质最为活跃的物质。它由无机胶体和有机胶体物质组成，无机胶体主要由土壤次生矿物或粘土矿物组成，有机胶体就是腐殖质等。由这些成分复杂的有机、矿质和有机—矿质化合物组成的土壤胶体物质颗粒，通常带负电。为此，它们具有从溶液中吸收和代换盐分离子的能力。土壤胶体物质颗粒表面和土壤溶液相互作用机制，是极其复杂的，决定了众多的土壤化学和土壤物理化学性质的动态行为，为土壤化学所研究的主要内容之一。

（六）土壤的生物性质土壤是有生命的自然体，是自然界最复杂的生态系统之一，也是最丰富的生物资源库。土壤是生命活动的产物，没有生物就没有土壤。土壤是生命的摇蓝。土壤不仅是生物的栖息地，是生物作用的对象，同时也是地球生命诞生与进化的温床。土壤生物学就是研究土壤生物的功能、反应及其行为。主要的研究内容包括土壤物质（碳、氮、硫等）循环、养分转化、微生物生态、生物防治和土壤分子生物学。

（七）土壤的空间变异性及在同一地貌的相对均质性不同地貌类型间，不同生物气候类型间这些较大空间尺度乃至全球范围内土壤类型的空间变异和分布规律。同一生物气候带内，相同微地貌类型上，土壤剖面垂直层次的组合和性质基本一致。土壤发生分类学土壤调查制图学（八）土壤的记忆特性

古往今来的气候、生物及岩石对土壤形成过程、土壤性质的影响，都会在土体上留下“烙印”，即信息的记忆。

北方黄土堆积层发育的古土壤—红土层。解读这些信息，有助于我们了解地球的地质变化、气候变化的规律。土壤中的化石，我们可以推测生物的进化；古土层的性质可以帮助我们恢复古地理环境；地磁性质的变化，也可揭示古气候的变迁。这些研究为了解土壤的今昔变化及未来发展提供了必要的依据。第二节土壤在人类农业生产和自然环境中的重要性一、土壤是人类农业生产的基地二、土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分三、土壤是陆地生态系统的基础四、土壤是最珍贵的自然资源土壤与人类生存发展的关系示意图一、土壤是人类农业生产的基地（一）土壤是植物生长繁育和生物生产的基地

1、营养库作用：是陆地生物所需营养物质的重要来源；2、在养分转化和循环中的作用：

无机物的有机化，有机物的矿质化；

3、雨水涵养作用：是一个巨大的水库；

4、对生物的支撑作用；

土壤中拥有种类繁多，数量巨大的生物群；

5、在稳定和缓冲环境变化中的作用；（二）植物生产、动物生产和土壤管理关系土壤管理植物生产动物生产

二、土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分（一）土壤圈（Pedosphere）的概念地球表层系统五大要素：大气圈、生物圈、岩石圈、水圈、土壤圈

土壤圈是覆盖于地球和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，它是地圈系统的重要组成部分。土壤圈的地位(positionofpedosphere)气圈Gas-sphere岩石圈Rocky-sphere水圈Watersphere生物圈Biosphere土壤圈pedosphere金属与微量元素物质循环生物养分物质循环水分循环与平衡1、土壤圈涵义（1）永恒的物质与能量交换（2）最活跃与最富生命力的圈层（3）记忆块的功能（4）时空限制特征（5）仅部分为可再生资源2、土壤圈的功能（1）对大气圈频繁的水、热、气地交换和平衡，是全球气候变化的重要方面。（2）对生物圈支撑和调节生物过程，提供植物生长的养分、水分与适宜的物理条件，决定自然植被的分布与演替。（3）对水圈降水在陆地的重新分配、元素的生物地球化学行为和水分平衡、分异、转化及水圈的化学组成。（4）对岩石圈具有一定的保护作用，以减少其受各种外营力破坏，与岩石圈进行物质交换与地质循环。土壤圈的功能（二）土壤圈在全球变化中的作用

1、通过土壤圈与其它圈层的物质交换，影响土壤的全球变化

2、通过全球土被在时空上的演变，引起土壤全球变化

3、通过人为活动对土壤圈的强烈作用，对全球土壤变化以至生存环境发生影响（1）人为砍伐森林，加剧水土流失（2）对土壤资源利用不当导致土壤退化严重（3）水稻田、沼泽地及湖泊产生痕量温室气体*(三)土壤圈的研究方向与内容1、研究方向

（1）土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡，土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动，土壤圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与平衡，以及土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转化；（2）土壤圈物质和能量循环与地球生命、人类生存条件、自然环境及全球变化之间的关系。2、研究任务（1）土壤资源的开发利用与保护土地数字化数据库(SOTER)。（2）土壤肥力调节与农业持续发展

（3）土壤生态环境的建设。

农业生态系统中土壤生态环境演替规律；土壤生态环境建设的研究；防止土壤污染。（4）土壤圈物质循环及全球变化

①土壤圈与大气圈大量与痕量气体交换与平衡。

②土壤圈与水圈的水循环。

③土壤圈与岩石圈元素迁移。

④土壤圈与生物圈养分元素交换与平衡。

⑤土壤圈物质组成、性质、类型及时空变化规律。

⑥全球土被演变及土壤退化(土壤侵蚀、沙漠化、肥力退化、盐渍化、酸化、沼泽化)的时空变化，形成机理及预测预控。

⑦人类活动对土壤全球变化及人类环境变化的影响。

（一）土壤生态系统Soilecosystems

（相对独立的子系统）

Producer

Holophyte(自养生物)—Plant

Consumer

Heterotrophicorganism(异养)—animal(fauna)

DecomposerHeterotrophicorganism(异养)—Microorganisms三、土壤是陆地生态系统的基础

（二）土壤在陆地生态系统中的重要作用

保持生物活性、多样性和生产性；对水体和溶质流动起调节作用；对有机、无机污染物具有过滤、缓冲、降解、固定和解毒作用；具有贮存并循环生物圈及地表的养分和其它元素的功能。

中国是个多山的国家,各种山地丘陵地面积占全部土地面积的65％,平原区土地仅占35％。中国人均耕地面积不到世界人均耕地的l/3。人均林地面积占世界人均林地面积的1/9。人均草地面积不到世界人均草地面积的1/2。

2、质量的可变性

3、空间位置的固定性四、土壤是最珍贵的自然资源

1、数量的有限性和固定性第三节近代土壤科学发展及其主要研究内容主要学派农业化学学派mineralnutritiontheory德国李比希(J.F.Liebig,1803-1873)农业地质学派风化-淋溶德国法鲁（F.A.Fallow)，李希霍芬(F.V.Richthofen)，拉曼(E.Ramann)土壤发生学派风化过程+成土过程

俄国道库恰耶夫（1846-1902)

3.Historyofsoilsciencedevelopment一、近代土壤科学的发展概况

我国古代、古希腊、罗马等的认识18世纪后期逐渐形成独立学科重要观点Importantviewpoint

发生、发育、发展过程独立自然体、运动形式多样土壤具有肥力（fertility）土壤形成因素Soil-formingfactors

母质Parentmaterial(rock)

生物Organisms

气候Climate

地形Topography

时间Time人类活动Humanactive

S=f(P,O,C,To,T,H)土壤物理学SoilPhysics土壤地理学SoilGeography土壤生物学SoilBiology土壤微生物学土壤动物学土壤分类学SoilTaxonomy土壤发生学土壤资源学土壤区划学土壤管理学土壤矿物学SoilMineralogy土壤环境学SoilEnvironment土壤生态学

土壤环境化学土壤修复学土壤化学SoilChemistry土壤无机化学土壤有机化学土壤分析化学土壤物理化学土壤生物化学土壤胶体化学土壤电化学土壤表面化学

1.

学科体系二、土壤学科体系、研究内容和方法（一）土壤物理学

主要研究土壤水、气、热运动及其调控的原理，其研究内容包括土壤水分、土壤质地、土壤结构、土壤力学性质、土壤溶质移动及土壤

植物

大气连续体(SPAC)中的水分运行和能量转移等。（二）土壤化学

研究土壤化学组成，性质及其土壤化学反应过程的分支学科。重点研究土壤胶体的组成、性质，及土壤固液界面发生的系列化学反应。为开展土壤培肥、土壤管理、土壤环境保护提供理论依据。（三）土壤生物学

研究土壤中微生物区系、多样性及其功能和活性的土壤学分支。土壤微生物生态；土壤微生物与土壤物质循环(陆地N,P,S,C素循环)；土壤酶活性；土壤微生物与土壤固氮作用；根际微生物与菌根；土壤微生物之间的相互作用；7、农业措施对微生物的影响；8、土壤微生物与土壤的污染防治；9、有益微生物的农业应用。（四）土壤化学

土壤腐殖质形成，特性、及其对土壤肥力的影响；土壤碳、氮、磷、硫的生物转化（有机碳、氮矿化作用和腐殖化作用）；有机生物制剂包括有机农药、杀虫剂、除草剂的生物降解及其对环境污染的影响等。

（五）土壤地理学

土壤发生和分类

土壤发生学是土壤地理学的核心，重点研究土壤形成与自然成土因子和人为活动的复杂关系，并在此基础上，根据土壤的发生发育过程、土壤诊断学属性进行土壤分类。土壤分布规律

土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂直和水平方向上分异性的三维连续体。土壤调查制图和土壤质量评价

应用现代新技术（如3S技术），建立土壤数据库和土壤信息系统；研究土壤质量评价标准、指标体系和退化土壤的恢复重建技术与措施。重大课题合理开发利用土壤资源改良中低产地防止水土流失，保护土壤资源理论问题土壤肥力的物质基础及其形成机理土壤圈的物质循环土壤地理信息系统土壤环境问题耕地减少：中国耕地14.4亿亩(10%)，人均耕地1.34亩水土流失：总流失量1750亿吨，每年50亿吨(1500万亩耕地)草原沙化：草原面积285万km2，沙化面积17.6万km2土壤污染：化肥农药2亿亩，其他污染1亿亩

2.

土壤学的研究内容

3.土壤学与相邻学科的关系

土壤学与地质学、水文学、生物学、气象学有着密切的关系；土壤学与农学、农业生态学有着不可分割的关系；土壤学与环境科学联系密切。土壤学形态、发生、分类肥力、保持、灌溉水文学hydrology地球化学geochemistry土壤学Soilscience植物营养学plantnutrition地质学geognosy土力学soilmechanics生态学ecology沉积学sedimentology地貌学geomorphology土壤学和相关学科的关系稳定性

4.土壤学的任务合理利用土壤水土流失土壤沙化土壤次生盐渍化土壤污染农药污染肥料污染“三废”污染中低产土壤改良自然对人类的惩罚2002年4月北京沙尘暴

5.土壤学的研究方法宏观研究和微观研究综合、交叉研究野外调查与实验室研究结合新技术的应用第四节土壤科学与环境科学的融合

——

环境土壤学环境土壤学

Environmentalsoilscience环境地学的一个分支。是环境学与土壤学的边缘学科。主要研究土壤环境与人类活动和大气、地表水、地下水、生物等环境要素间物质、能量、信息的交换过程，以及这种交换对人体健康、社会经济、生态系统结构和功能的影响，探索国土整治、评价、区划、规划、预测、调控和改善土壤环境质量的方法。起因过度利用和各种废弃物排放造成了土壤污染和退化等直接危害：废物排入土壤导致土壤污染、次生潜育化和盐渍化等间接危害：森林和草原的植被破坏导致冲刷、侵蚀与沙化等危害后果：生态失调、气候恶化、旱洪灾害频繁、产量下降、人畜发病率提高等。

主要发展阶段50-60年代，三废综合治理与利用70年代，农田污灌监测评价，土壤污染和背景值调查80年代，农药使用和酸雨危害的研究90年代，土壤环境质量评价，土壤排放温室气体的研究环境土壤学的特征交叉的界面科学：理论基础来源于近代土壤学、环境科学、生态学、生物地球化学、化学、生物学以及地理医学等研究环境中化学物质的生物小循环与地质大循环结合交点上兼有生命与非生命科学的双重内涵

研究方法：承袭于相关学科分析测试技术要求高宏观与微观相结合发挥模型与模拟的作用，提高其在宏观决策中的作用要求高素质的综合性人才和研究群体土壤与水质、空气、作物品质、人体与动物健康的关系土壤与水质土壤与空气质量土壤与作物品质土壤与人体和动物健康土壤C库和N库是地球C库和N库的重要组成部分，在其循环中产生CO2,CH4和NOx等温室气体，从而影响气候的变化；而气候的变化又反过来影响有机质的分解速率，从而影响温室气体。土壤影响人体与动物健康的途径土壤中化学品直接中毒土壤作为次生污染源的间接作用作物品质对人体和动物的影响第二章

土壤有机质SoilOrganicMatter（SOM）第一节土壤有机质的来源、含量及其组成第二节土壤有机质的分解和转化第三节土壤腐殖物质的形成和性质第四节土壤有机质的作用和管理第一节土壤有机质的来源、含量及其组成

一、土壤有机质的来源Soilorganicmatterisderivedfromanumberofsources(Fig.),ofwhichthemostimportantisplantlitter.Thisconsistsofavarietyofplantdebrisincludingleaves,stems,flowers,twigs,bark,andthelargebranchesandtrunksoftrees.Othersoilorganiccomponentsincludesoilorganicmatter,plantroots,rootexudates,soilorganismstogetherwiththeirfaecalremainsandmetabolites,andorganicsubstanceswashedintothesoilfromvegetation.土壤有机质主要来源是各种植物残体(redidue:deadplantpart)，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异，从而导致土壤有机质的差异。

Forestsoil（森林土壤)：枯枝落叶(lither)

Steppesoil（草原土壤)：草、根系(grassandrootsystem)

Cultivatedsoil（耕作土壤)：作物残茬(cropresidue)、

施用的有机肥

Forestsoil（森林土壤)：酸性有机质(acidorganicmater)

Steppesoil（草原土壤)：中性有机质(neutralorganicmater)一、土壤有机质的来源1.

土壤有机质含量

一般把耕层含有机质20%以上的土壤，称为有机质土壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤(mineralsoil)。耕作土壤中，表层SOM的含量通常在5%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。总体而言,中国东部沿海地区北方土壤有机质含量高于南方土壤，中西部南方高于北方。东西来看。南方地区西部高于东部，北方地区东部高于西部。二、土壤有机质的含量和组成中国地带性土壤表层SOM含量RegionsNum.算术平均值Arithmeticmean(gkg-1)Min.(gkg-1)Median(gkg-1)Max.(gkg-1)几何平均值Geometricmean*(gkg-1)全国Wholecountry88632.31.321.8241.022.9bd东北地区NortheasternChina19932.54.924.5127.825.7cd华东地区EasternChina8626.35.119.0115.220.0ab华南地区SouthernChina11329.03.123.1144.323.9bc华北地区NorthernChina17526.04.019.2182.318.4a西北地区NorthwesternChina21631.81.316.1241.019.5a西南地区SouthwesternChina9753.67.439.6184.740.4e不同陆地生态系统土壤有机质含量净初级生产力(MgC/hay)植物生物量(MgC/ha)SOM(MgC/ha)2.

土壤有机质的组成

土壤有机质的主要元素组成Intermsofitschemicalcomposition,organicmatterconsistspredominantlyofcarbon,nitrogen,oxygenandhydrogenwhicharearrangedinavarietyofwaystoproduceawiderangeofcompounds,someofwhichhaveparticularlycomplexstructures.

干物质C

O

H

N%

52~58

34~39

3.3~4.8

3.7~4.1

C/N大约为10~15左右

Sugar,starches,糖类·淀粉等Cellulose,

Hemi-cellulose(半)纤维素Lignin木质素

proteinsandaminoacids

含N化合物

Resin树脂·Tannin单宁·Wax蜡质·Fat脂肪

Ashelement

灰分元素

土壤有机质的化学组成carbohydrateThemaingroupsoforganiccompoundsincludecarbohydrates,proteinsandaminoacids,ligninandhumus,thelatterrepresentingtheend-productoforganicmatterdecomposition.Theproportionsofthesecompoundsvaryaccordingtothetypeoforganicmatteranditsstageofdecomposition.

成分纤维素半纤维素木质素蛋白质脂肪、树脂等%

2－10

0－2

30－50

28－35

1－8

土壤腐殖质（humus）

除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称。通常占土壤有机质的90%以上。

非腐殖物质(Non-humicsubstances)(20~30%)腐殖物质(Humicsubstances)（60~80%）

经土壤微生物作用后，由多酚和多醌类物质聚合而成的含芳香环结构的、新形成的黄色至棕黑色的非晶形高分子有机化合物。胡敏素(Humin)胡敏酸(Humicacid)富啡酸(Fulvicacid)humushuminFulvicacidHumicacidNonhumusSoilhumus第二节土壤有机质的分解和转化一、简单有机化合物的分解和转化

Mineralization（矿质化)：指复杂的有机质在微生物的作用下，转化为简单的无机物的过程。

土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总量的百分数称有机质的矿化率(mineralizationpercent)。

矿化率一般在1%～3%。土壤中简单有机化合物分解的难易顺序单糖、淀粉和简单蛋白质粗蛋白质半纤维素纤维素脂肪、蜡质等木质素容易难

好氧条件下的分解

微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2和H2O，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、SO42-等）。嫌氧条件下的分解

好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生CH4、H2等还原性气体。

含氮化合物

Protein

Aminoacid

NH4＋NO3-N素同化

蛋白质氨基酸

N素生物固定与有效化过程与有机物C/N比密切相关。

C/N＞25时，产生N素生物固定

C/N＜25时，产生N素有效化。

简单碳水化合物

Carbohydrate

Organicacid

CO2＋H2O

在低温、嫌气条件下,有机酸变为CO2和H2O的过程受到阻碍,产生有机酸的累积,从而造成植物根系萎缩、腐烂。

脂肪、树脂、蜡质、单宁等

这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。木质素

木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌作用下缓慢的转化，最终产物是CO2和H2O，但往往只有50%可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材料。

CO2的释放速率通常是衡量土壤有机质分解率和微生物活性的重要指标，二、植物残体的分解和转化

植物残体主要包括植物根、茎、叶的死亡组织。其中各类有机化合物的含量范围是：

可溶性有机化合物纤维素半纤维素蛋白质木质素（糖分、氨基酸等）

5~10%15~60%10~30%2~15%5~30%

植物残体碳分为两个组分：

易分解组分；难分解组分植物残体在土壤中的分解和转化过程：

第一阶段：可溶性有机化合物以及部分类似有机物进入土壤后的头几个月很快矿化。第二阶段：残留在土壤中的木质素、蜡质以及第一阶段未被矿化的植物残体碳相对缓慢分解。

有机残体进入土壤经1年降解后，有机质的2/3以CO2的形式释放而损失，残留在土壤中的不足1/3。土壤微生物生物量3~8%多糖、多糖醛酸苷、有机酸等非腐殖物质3~8%腐殖物质10~30%三、土壤腐殖物质的分解和转化

第一阶段：腐殖质经过物理化学作用和生物降解，使其芳香结构核心与其复合的简单有机物分离，或是整个复合体解体。

第二阶段：释放的简单有机物质被分解（矿化）和转化，酚类聚合物被氧化。

第三阶段：脂肪酸(fattyacid)被分解，被释放的芳香族化合物（如酚类）参与新腐殖质的形成。

腐殖物质在土壤中很稳定，抗微生物分解能力很强，主要与其本身的化学结构及其与金属离子和粘土矿物之间的相互作用、团聚体内部的夹杂有关。

它是一类以芳香化合物或其聚合物为核心，符合了其他类型有机物质的有机复合体。它与土壤中粘土矿物紧密结合，以有机—无机复合体方式存在。能存在与蒙脱石、蛭石等膨胀型矿物的层间，不与微生物接触。土壤腐殖质的年周转量为1.1%。

四、影响土壤有机质分解和转化的因素SOM周转：有机物质进入土壤后由其一系列转化和矿化过程所构成的物质流通。

Humification

腐殖化过程：

简单→复杂

Mineralization

矿质化过程：

复杂→简单周转时间：当土壤有机质水平处于稳定状态时，土壤中有机质流通量达到土壤有机质含量所需要的时间。SOM平衡：进入土壤中的有机质等于从土壤中损失的有机质的状态。（一）温度

影响植物生长和微生物的分解。

0℃以下，SOM分解速率很小；0~35℃范围内，每升高10℃，SOM最大分解速率提高2~3倍；25~35℃下，微生物活动最旺盛，利于SOM矿化分解。（二）土壤水分和通气状况

好气：水少气多,氧气充足，微生物活动旺盛,SOM矿化分解,释放养分

嫌气：水多气少,氧气不足，微生物活动受抑制,氧化分解很慢;SOM腐殖化合成腐殖质

微生物活动最适湿度田间持水量的60-80%。wettinganddryingcycle

(干湿交替)

一方面增加土壤呼吸作用，破坏土壤结构体，利于SOM的矿质化分解；另一方面干燥时引起微生物死亡，又不利于SOM分解。（三）植物残体的特性物理状态:多汁、幼嫩绿肥易于分解，磨细粉碎易于分解。有机物质C/N：大，不易分解；小，易于分解

一般耕作土壤表层有机质的C/N比在8:1到10:1之间，平均在10:1到12:1之间。硫、磷等元素缺乏也会抑制土壤有机质分解

Primingeffect(激发效应)

：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解。激发效应可以是正、也可以是负。（四）土壤特性

pH:

中性条件下利于SOM分解

质地:

质地愈粘重，腐殖化系数愈高，愈难分解化合成腐殖质第三节土壤腐殖物质的形成和性质一、土壤腐殖物质形成

Humification(腐殖化作用)humus：土壤腐殖质是土壤中一类性质稳定，成分、结构极其复杂的高分子化合物。humification：进入土壤中的有机质转化形成腐殖质的过程，是一系列极端复杂过程的总称，主要是由微生物为主导的生物和生物化学过程，也有一些纯化学的过程。

Humificationcoefficient

腐殖化系数

进入土壤的有机物经过一年的腐殖化过程后所残留的碳占原总碳量的比率，或单位重量的有机碳在土壤中分解一年后残留的碳量。第1阶段：植物残体分解产生简单的有机碳水化合物

微生物水解酶（水解合成）有机残体

有机物第2阶段：通过微生物对这些有机化合物的代谢作用

及反复的循环，增殖微生物细胞。第3阶段：通过微生物合成的多酚和醌或来自植物

的类木质素，聚合形成腐殖物质

微生物酚氧化酶，pH4.5-6.5（氧化缩合）多元酚醌腐殖质分子带侧链（胡敏酸）

H2O,CO2,H2S,NH3(矿化、氧化、分解)芳香物含氮物糖类（合成、代谢）肽O2缩合糖土壤腐殖物质形成过程土壤腐殖质的形成途径还原糖形成途径多元酚理论SelmanWaksman

木质素—蛋白质理论

Humification腐植化作用

Humification腐植化作用二、土壤腐殖物质-粘土矿物复合体

soilorganic-mineralcomplex

土壤有机—无机复合体

土壤腐殖物质按存在状态分为：游离态腐殖物质：很少结合态腐殖物质：主要与粘土矿物和阳离子紧密结合存在，占52%~98%。主要键合机理：

范德华力、氢键、静电吸附、阳离子键桥等

土壤腐殖质-粘土矿物复合机理三、土壤腐植酸的分组

四、

土壤腐殖酸的性质（一）物理性质分子量很大。分子量大小与单体和聚合度有关；形状球形结构，疏松多孔，似海棉；颜色分子量愈大，颜色愈深

HA分子量大，褐色；FA分子量小，呈淡黄色溶解性：

FA、HA都溶解于碱，HA不溶于酸，而FA溶解于酸。吸收性：亲水胶体，吸水能力强，吸水量可达其重量的500%。元素组成

C、H、O、N、P、S为主含C量为55～60%，平均58%，100/58＝1.724C:N:P:S＝100:10:1:1～120:10:1:1

（二）

化学性质

HumicFulvicCarbonprovidingtheframe-workfororganicstructures.功能团

含有－COOH、－OH及酚羟基等多种功能团，功能团的解离导致腐殖酸带电：

如：R－COOHR－COO－＋H＋R－OHR－O－＋H＋（三）分子结构特征

分子结构极其复杂的有机高分子化合物。单体中有芳核结构物质，芳核上有多种取代基。Fulvicacid

富啡酸分子量500~5000Humicacid

胡敏酸分子量3000~1000000Humin

胡敏素区分富啡酸和胡敏酸的指标功能团——富啡酸含更多的羧基和酚羟基，酸度高于胡敏酸；元素含量——富啡酸O含量明显高于胡敏酸，C含量明显低于胡敏酸；因此O/C为最好的指标——土壤中胡敏酸的O/C约为0.5，富啡酸的O/C约为0.7；E4/E6——波长465nm处/波长665nm处的紫外吸收值。胡敏酸E4/E6一般小于5.0，富里酸E4/E6一般在6.0-8.5之间。第四节土壤有机质的作用与管理一、有机质在土壤肥力上的作用（一）提供植物需要的养分养分较完全

植物生长所需养分N：80～97%，平均95%；P：20～76%；S：38～94%为有机态，由有机质提供。提高养分有效性

SOM矿质化过程中产生的有机酸，腐殖化过程中产生的腐殖酸，一方面促进土壤矿质养分溶解释放养分；另一方面可以络合金属离子，减少金属离子对P的固定，提高P的有效性。（二）改善土壤肥力特性提高土壤保肥性

土壤腐殖质是一种有机胶体，有巨大的表面积和表面能，吸附能力大于矿质胶体，从而大大提高土壤保肥性。

胶体对阳离子吸附能力比较（cmol(+)/kg）胶体类型有机胶体高岭石蒙脱石吸附力150～450（平均350）3～1580～120提高土壤缓冲性

腐殖质含有多种功能团，遇OH－时电离出H＋与之作用生成水对碱緩冲；遇H＋时则由于带负电荷而吸附H＋对酸緩冲；腐殖质胶体带负电荷，可吸附土壤溶液中盐基离子，对肥料起緩冲作用。

促进团粒结构的形成，改善土壤物理性质

粘结力(bindingforce)：砂＜有机胶体＜粘粒有机质能改变砂粒的分散无结构状态，又能改善粘粒的粘重大块结构，促进土壤良好结构的形成，从而改善土壤的通透性等物理性质。

提高土壤生物活性和酶活性

SOM是土壤微生物活动所需氧分和能量的主要来源；

SOM通过刺激生物活动而增加土壤酶活性，直接影响土壤养分转化的生物化学过程；腐殖酸是一类生理活性物质。二、有机质在生态环境上的作用（一）有机质与重金属离子的作用

络合重金属离子，减轻重金属污染。

有机质功能团对金属离子的亲和力：

—O—>—NH2>—N=N>N>COO—>—O—>—C=O

烯醇基胺基偶氮化合物环氮羧基醚基羰基土壤有机质与重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移有重要影响。

金属—富啡酸复合体稳定常数：Fe3+

>Al3+

>Cu2+

>Ni2+

>Co2+

>Pb2+

>Ca2+

>Zn2+

>Mn2+

>Mg2+

腐殖物质—金属离子复合体的稳定常数反映了金属离子与有机配位体之间的亲和力，对重金属环境行为的了解有重要价值。稳定常数常受pH值得影响，稳定常数在较高pH时稍大。主要是因为羧基等功能基在较高pH条件下有较高的解离度。在低pH时，由于H+与金属离子一起竞争配位体的吸附位，腐殖酸络合的金属离子较少。

重金属离子的存在形态受腐殖酸物质的络合作用和氧化还原作用的影响腐殖酸对无机矿物有一定的溶解作用实际上是其对金属离子的络合、吸附和还原作用的综合结果。

胡敏酸作为还原剂可将有毒的Cr6+还原为Cr3+，Cr3+能与胡敏酸上的羧基形成稳定的复合体，从而限制了动植物对它的吸收。腐殖物质能将V5+还原为V4+,Hg2+还原为Hg,Fe3+还原为Fe2+,U6+还原为U4+,

（二）有机质对农药等有机污染物的固定作用

SOM对有机污染物在土壤中的生物活性、残留、生物降解、迁移和蒸发等过程有重要影响。

SOM对农药的固定与腐殖质功能基的数量、类型和空间排列密切相关，也与农药本身的性质有关。

极性有机污染物可以通过离子交换和质子化、氢键、范德华力、配位体交换、阳离子桥和水桥等不同机理与SOM结合；

非极性有机污染物可以通过分隔机理与之结合。空气中CO2浓度变化（三）土壤有机质对全球碳循环的影响

（三）土壤有机质对全球碳循环的影响

土壤有机质是全球C平衡的重要C库。

全球土壤有机质总碳量：

14×1017~15×1017g

陆地生物总碳量：

~5.6×1017g

全球每年土壤有机质生物分解释放到大气中的总碳量：68×1015g

全球每年因焚烧燃料释放到大气中的总碳量：

6×1015g

土壤有机碳水平的不断下降，对全球气候变化的影响不亚于人类活动向大气排放的影响。土壤有机质在环境中的迁移路径

TransportationpathsofSOMinnaturalenvironment

秸秆直接还田三、土壤有机质的管理

我国土壤有机质含量普遍偏低。

TheEnd第三章

土壤生物

soilorganisms

土壤生物活性(biologicalactivity)和肥力直接或间接地与土壤生物有关。土壤生物是土壤具有生命力的主要成分，在土壤形成(soilformation)和发育过程(developmentprocess)中起主导作用(theleadingeffects)。也是评价土壤质量(soilquality)和健康状况(healthlevel)的重要指标之一。

本章重点阐述土壤微生物的多样性及其功能。Soilorganismsareresponsibleforthephysicalcombinationandbiochemicaldecomposition,andincorporationoforganicmatter.Theyexhibittremendousdiversityintermsoftheirnumbers,sizeandmorphology,andalsovarydramaticallyintheirfunction,modeofnutritionandenvironmentaltolerance.Contents3.1Soilorganismdiversity

土壤生物多样性3.2Influencedfactorsofsoilorganismactivity

影响土壤微生物活性的环境因素3.3Formationanddistributionofsoilmicroflora

土壤微生物区系的发生和分布3.4Soilorganismactivityanditsrepresents

土壤生物活性及表征

第一节

土壤生物多样性Soilorganismdiversity

按其功能分类Classificationaccordingtotheirfunctions生产者Producers:

plants—fixCfromatmosphericCO2duringphotosynthesis.消费者Consumers:

feedonplantsandotherorganisms.分解者Decomposers(reducers):

utilizecarbonfromorganicmaterial,returningittotheatmosphereasCO2andothergaseousbyproductsandmineralizingnutrientstotheiroriginalionicform.寄生者Parasites一、土壤生物类型的多样性

Diversityofsoilorganismspecies

按其大小和形态分类Classificationaccordingtosize微生物Micro-organism<0.2mm微(原生)植物Microflora<0.2mm

细菌、放线菌、丝状菌、藻类原生动物Microfauna<0.2mm微小动物中等动物Mesofauna0.2-2mm线虫类.螨虫类大型动物Macrofauna2-20mm蚂蚁科.跳虫类巨型动物Megafauna>20mm蚯蚓按其形态分类后生动物（多细胞）原生动物（单细胞）微生物真核微生物：真菌和藻类原核微生物：细菌、放线菌和蓝细菌分子生物（无细胞结构，如病毒）metazoan

后生动物

小的土居性的多细胞动物。种类：线虫、蠕虫、蚯蚓、蛞蝓、蜗牛、千足虫、蜈蚣、轮虫、蚂蚁、螨、环节动物、蜘蛛和昆虫等作用：植物残体破碎、混合SoilmesofaunaNematodesinsoils

土壤中的线虫Springtailsinsoils

土壤中的节肢动物

Microfauna(protozoa)

原生动物

单细胞真核生物（简称原虫）。结构简单，数量多、分布广。表土多，底土少。原生动物在土壤中的作用：调节细菌数量增进某些土壤的生物活性参与土壤植物残体的分解纤毛虫细菌和小鞭毛虫为食变形虫动、植物碎屑为食鞭毛虫取食细菌

土壤中微生物分布广、数量大、种类多，是土壤生物中最活跃的部分。它们参与土壤有机质分解，腐殖质合成，养分转化和推动土壤的发育和形成。

土壤微生物在地球生境中数量最多、生物多样性最复杂和生物量最大。Micro-organism

微生物1公斤土壤可含5亿个细菌,100亿个放线菌和近10亿个真菌，5亿个微小动物。土壤微生物主要作用：调节植物生长的养分循环产消温室气体(CO2,CH4,NO,N2O,CO等)，影响全球气候变化分解有机废物保存物种、基因引发人、畜、植物病害土壤中的食物链关系节杆菌属（Arthrobacter）芽孢杆菌属（Bacillus）假单胞菌属（Pseudomonas）土壤杆菌属（Agrobacterium）产碱杆菌属（Alcaligenes）黄杆菌属（Flavobacterium）

原核微生物(procaryotes)古细菌(archaea)甲烷产生菌极端嗜酸热菌极端嗜盐菌细菌

(bacteria)二、土壤微生物种群的多样性Diversityofsoilmicro-organismpopulation

Bacteria

细菌个体微小，1微米左右形状多为棒状或杆状Bacteria

细菌土壤细菌数量很大（占土壤微生物总数的70-90%），但生物量不大。代谢强、繁殖快。土壤中最活跃的因素Bacteria

细菌土壤中细菌的作用分解有机质参与碳循环、氮循环改善土壤结构净化土壤病害根瘤菌固氮细菌苜蓿根毛尖上的根瘤菌Bacteria

细菌放线菌(actinomyces)以孢子或菌丝片断存在，细胞数104-106/g土。肥土比廋土多，耕地比林地多，春秋季比夏冬季多。最适宜生长在中性、偏碱性、通气良好土壤中，转化土壤有机质。Actinomycetes

放线菌蓝细菌（Cyanobacterium）

是光合微生物，行光能无机营养，过去称为蓝（绿）藻，由于原核特征现改称为蓝细菌，与真核藻类区分开来。粘细菌(myxomycota)

土壤中数量不多，施有机肥土壤中常见，是已知最高级的原核生物，具备形成自实体和年报字的形态发生过程。真菌(fungus

/eumycota)藻类(alga)地衣(lichen)

真核微生物

(Eukaryoticmicroorganisms)森林土壤和酸性土壤中占优势单细胞或多细胞的真核原生生物硅藻、绿藻、黄藻土壤生物的先行者真菌和藻类形成的不可分离的共生体在土壤发生早期起重要作用Fungus真菌酵母菌蘑菇霉菌菌根Alga藻类非细胞型生物即分子生物—病毒(virus)一种活细胞内的寄生物，超显微的非细胞生物，只是一种核酸。靠其宿主代谢系统的协助复制核酸，合成蛋白质等组分，然后再装配而得以繁殖。离体条件下，以无生命的化学大分子状态长期存在并保持其侵染活性。

Nutritionmode

Thesourcesofcarbonandenergy

异养型HeterotrophsC:organicmaterial

数量多Chemoheterotrophs(化能有机营养型/化能异养型)

种类：腐生、寄生energy:chemicaloxidationPhotoheterotrophs(光能有机营养型/光能异养型)种类：红螺菌energy:light自养型AutotrophsC:inorganicsources数量少Chemoautotrophs(化能无机营养型/化能自养型)种类：亚硝酸/硝酸/硫氧化/铁/氢细菌energy:chemicaloxidationPhotoautotrophs(光能无机营养型/光能自养型)种类：藻类、光合细菌energy:light三、土壤微生物营养类型的多样性Diversityofnutritionmode

oxygenrequirements？Aerobes(好氧性微生物)

有氧呼吸

requirementforoxygen实例：细菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物作用:彻底氧化,释放能量Obligateanaerobes(厌氧性微生物)

无氧呼吸

requireanabsenceofoxygen实例:梭菌、产甲烷细菌、脱硫弧菌作用:部分氧化Facultativeanaerobes(兼厌氧性微生物)

兼性呼吸

normallyrequireoxygenbutmayadapttooxygendeficit实例:酵母菌、大肠杆菌作用:氧化、还原四、土壤微生物呼吸类型的多样性Diversityofrespirationtype

第二节影响土壤微生物活性的环境因素Influencedfactorsofsoilorganismactivity

一、温度二、水分及其有效性三、pH四、氧气和Eh值五、生物因素六、土地管理措施温度是影响微生物生长和代谢最重要的环境因素。微生物生长需要一定的温度，温度超出最低和最高限度时，即停止生长或死亡。一、温度

Temperature

最适生长温度高温型

嗜热型45-60℃极端嗜热80-90℃中温型

25-40℃

低温型

兼性嗜冷20-30℃专性嗜冷<15℃温度生长速度水是微生物细胞生命活动的基本条件之一。水分对微生物的影响不仅决定它的含量，更重要决定水的有效性。水分的微生物有效性，用水的活度表示。二、水分及其有效性

Wateranditsavailability某些微生物生活环境的水活度水活度环境（或材料）微生物（代表种类）1.000.90~1.000.980.950.900.800.750.70纯水一般农业土壤海水人为环境或某些土壤环境人为环境或某些土壤环境人为环境或少量特殊土壤环境人为环境或少量特殊土壤环境人为环境或少量特殊土壤环境柄杆菌、螺菌大多数微生物假单胞菌、弧菌大多数G+杆菌G+球菌、毛霉、镰胞菌拜耳酵母、青霉盐杆菌、盐球菌、曲霉嗜干燥真菌三、Acidity/alkalinity

酸碱度（pH）

最适pH范围大多数细菌、藻类和原生动物6.5-7.5放线菌

7.5-8.0酵母菌和霉菌

5.0-6.0真菌酸性土壤嗜酸菌acidophiles/嗜碱菌alkalinophiles

极低/高一般土壤pH范围为4~9，能维持各类微生物生长发育。

结构良好、通气的旱作土壤中有较丰富的好氧性微生物生长发育。淹水下层土壤，覆盖秸秆土壤，或是用新鲜有机肥土壤，厌氧性微生物占优势。四、氧气和Eh值

O2andredoxpotential(Eh)好氧性微生物：需要O2，最适Eh为300-400mV，表层土壤厌氧性微生物：必须缺O2，最适Eh为<100mV，底层土壤兼厌氧性微生物：有无O2均可，适应范围广。五、生物因素

Biologicalfactors按照来源分为：土居性(土生土长的，edaphon)客居性(外来的)存在互生、共生、拮抗现象。常规耕作、覆盖减耕和免耕(zerotillage)等耕作措施对土壤微生物的影响程度是不同的。六、土壤管理措施

Soilarrangement

土壤耕作Soiltillage杀生剂和其他化学制剂(chemicals)

第三节土壤微生物区系的发生和分布Formationanddistributionofsoilmicroflora土壤中存在的重要的微生物类群有：细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物。土壤微生物与土壤肥力演变、营养元素转化、土传性病害的发生均有密切关系。

一、不同类型土壤中微生物的数量和分布不同土壤类型、肥力水平，土壤微生物的数量和分布有很大差异。中国不同土壤微生物总数，呈如下变化趋势：黑钙土>棕壤>灰壤>水稻土>砖红壤土壤有机质含量与微生物数量关系密切。在土壤的不同层次中，由于水分、养分、通气、温度、pH等因素的差异及不同微生物的特异性，致使微生物在土壤剖面中的分布不均。一般来说，表土层微生物数量最多，随层次加深，数量减少。

二、土壤剖面中微生物的数量和分布各种团聚体是微生物在土壤中生活的微环境。团聚体内外的条件不同，微生物的分布也不一样。三、土壤团聚体中微生物的数量和分布根圈微生物菌根（mycorrhiza)

共生固氮联合固氮四、微生物与植物根的联合

根圈（rhizosphere)或根际：植物根系及其影响所及的范围。

根圈微生物效应：用根/土比值（R/S)表示，即根圈土壤微生物与近邻的非根圈土壤微生物数量之比。根土比一般在50-20之间。存在于树木根活性部分的真菌菌丝，是真菌和植物根的共生联合体。对于改善植物营养、调节代谢和增强植物抗逆性有一定作用。土壤微生物区系分布特征Distributioncharacteristicsofsoilmicroflora

绝大多数分布在土壤矿物质和有机质颗粒表面，无机-有机-生物复合体（团聚体）高等植物根系周围含有种类多，数量多，活性强的微生物群，根际微生物在土壤剖面中具有垂直分布特点表层比底层多在地域上具有地带性分布的特点种类和数量随土壤熟化而增加多种共存相互促进相互制约一、土壤酶

Soilenzyme

土壤酶种类和功能氧化还原酶类水解酶类转移酶类裂解酶类第四节土壤生物活性及表征

土壤酶主要来自微生物、土壤动物和植物根。土壤酶主要是吸附在土壤有机质和矿质胶体上，并以复合体状态存在。吸附酶的能力：有机质>矿物质；

微团聚体>大团聚体；

细粒部分>粗粒部分。酶与有机质或粘粒结合，使其受到保护，增加稳定性，防止被蛋白酶或钝化剂降解。

酶在土壤中存在状态及特性土壤物理性质环境条件对土壤酶活性的影响质地

Texture:质地粘重土壤比酶活性轻质地土壤的强。结构

Structure:

小团聚体的土壤酶活性较大团聚体的强。水分

Moisture:

渍水条件降低转化酶活性，但能提高脱氢酶活性。温度

Temperature:适宜温度下酶活性随温度升高而升高。土壤化学性质

土壤有机质含量和组成及有机矿质复合体组成、特性决定土壤酶的稳定性。土壤pH:

磷酸酶活性：碱、中、酸性土壤中均有，最适pH为4.0-6.7和8.0-10。

脲酶活性：中性土壤中最高。

脱氢酶活性：碱性土中最高。化学物质的抑制作用:许多重金属、废金属离子、有机化合物包括杀虫剂、杀菌剂均对土壤酶活性有抑制作用。土壤耕作管理

耕翻：通常会降低上层土壤酶活性。

灌溉:

增加脱氢酶、磷酸酶活性，但降低转化酶活性。

施用无机肥料:

影响有增有减。

农药使用：影响不大，影响持续几个月。多糖(polysaccharide)植物激素(phytohormone)植物毒素(phytotoxicant)维生素和氨基酸(vitaminandaminoacid)二、生物活性物质Theend174第四章土壤质地和结构

SoilTextureandSoilStructure

175Contents4.1Three-phasecompositionofsoil

土壤三相组成4.2Soiltexture

土壤质地4.3