《土壤地理学》第2章 土壤固相组成及其诊断特性

第2章土壤固相组成及其诊断特性

2.1土壤矿物2.2土壤有机质2.3土壤固相的物理诊断特性

思考题与个案分析《土壤地理学》电子教案教学重点掌握土壤固相物质组成及其诊断特性了解土壤矿物类型及其风化特征认识土壤矿物空间分异规律了解土壤生物群落组成对土壤的影响掌握土壤有机质转化与土壤圈物质循环特征。关键词土壤矿物(soilmineral)原生矿物(primarymineral)次生矿物(secondarymineral)土壤腐殖质(soilhumus)胡敏酸(humicacids)富啡酸(fulvicacid)有机-矿质复合体(organo-mineralcomplex)土壤微生物

(soilmicroorganism）土壤质地(soiltexture)粒级(particlefraction)土壤结构(soilstructure)土壤颜色(soilcolor)知识结构2.1土壤矿物2.2土壤有机质2.3土壤固相的物理诊断特性分析土壤组成、掌握矿物类型与风化序列掌握土壤有机质转化土壤圈物质循环特征掌握土壤诊断特性及其测量方法。

土壤是由固相、液相、气相和土壤生物体四部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50％，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占45％，有机质占5%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中，如图2-1所示。图2-1最适宜植物生长的壤质土壤表土的体积组成

土壤矿物主要来自成土母质或母岩，是土壤的主要组成物质。土壤矿物构成了土壤的“骨骼”，它对土壤组成、性状和功能具有巨大的影响。按照发生类型可将土壤矿物划分为原生矿物、次生矿物、可溶性矿物三大类。2.1

土壤矿物原生矿物(primarymineral)直接来源于母岩特别是岩浆岩。其中包括铝硅酸盐类、长石类矿物、云母类矿物、橄榄石类矿物、辉石与角闪石类矿物、氧化物类、硫化物类和磷灰石类，如图2-2所示。原生矿物的风化过程不仅在时间上有阶段性，在空间上也有地带性，如图2-3所示。图2-2土壤矿物的风化及稳定性序列图(T为年均气温/℃，R为年均降水量/mm)图2-3中国地表风化壳及风化类型分异断面图原生矿物在风化和成土过程中新形成的矿物称为次生矿物，它包括简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类。它们是土壤矿物中最细小的部分，具有活动的晶格、呈现高度分散性，并具有强烈的吸附代换性能、能吸收水分和膨胀，因而具有明显的胶体特性，又称为黏土矿物。如图2-4、2-5、2-6、2-7、2-8所示。图2-4不同地理环境中次生矿物形成的一般模式图2-5铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图

图2-6铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图

图2-71:1型高岭石类晶体结构模型图

图2-82:1型蒙脱石类晶体结构模型图

在中国次生矿物分布的地带性表现为：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。

土壤矿物质是由风化与成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒组成。其直径相差很大，从10-1~10-9m不等，不同大小土粒的化学组成、理化性质差异巨大。据此可将粒径大小相近、性质相似的土粒归为一类，称为粒级。世界各国对土壤粒级的划分标准不尽一致，如图2-9所示。图2-9国际上主要的土粒分级标准图式

一般来说，土粒愈细，SiO2含量愈少，而Al2O3、Fe2O3等含量愈多。随着粒径的减小，孔隙度、吸湿量、持水量、比表面面积、膨胀潜能、吸附性能、塑性和粘结性将增加，而土壤通气性、透水性、密度将降低，如图2-10所示。图2-10土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式(据Pierzynski，2000)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；还有一些元素是生物生长发育不需要的，如Pb、Hg、Cd等，如图2-11所示。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、PbAB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)。土壤质地分类及划分标准世界各国不一，当今国际土壤学界常用的是美国土壤质地分类标准，如图2-12所示。图2-12美国制土壤质地分类标准

土壤有机质是土壤中重要的固相成分之一，是土壤肥力、缓冲及净化功能的物质基础，也是土壤形成发育的主要标志。它可分为两大类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。生物残体及其代谢产物是土壤有机质的重要来源，如图2-13所示。2.2土壤有机质图2-13绿色植物鲜组织的成分(据BradyNC,1974)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。土壤腐殖质可为胡敏酸、富啡酸、棕腐酸和胡敏素，如图2-14所示。图2-14土壤腐殖质组分及其分离过程图式土壤生态系统是指自然界特定地域的土壤与生活在其中的生物群落之间相互作用、相互制约的动态平衡的综合体。土壤生物主要是指土壤中的植物、动物和微生物，以及地上部分的动植物，它们以最紧密的方式和各种生物的生命活动联系在一起，如图2-15所示。图2-15土壤生态系统组分—主要土壤生物图式土壤有机物在微生物作用下进行分解转化的同时，其部分分解产物又在微生物的作用下重新聚合形成腐殖质，如图2-16所示。有关土壤腐殖质形成的生物化学过程归纳起来有3种学说：①木质素－蛋白质聚合学说；②生物化学合成学说；③化学催化聚合学说。图2-16土壤腐殖质形成过程图式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、2-21所示。图2-17土壤圈中的物质能量循环过程图式（据MillerTyler，1996）图2-18土壤中氮素循环过程图式（据MillerTyler，1996）

图2-19地球表层碳素循环过程图式（据EngerED，1998）图2-20土壤生态系统中磷素的循环图式（据MillerTyler，1996）图2-21土壤生态系统中硫素循环图式土壤固相组成的物理诊断特性主要包括土壤结构、密度、孔隙度、土壤颜色和土壤质地，它们是土壤发生的重要标志，也是影响土壤与环境间热量、水分、养分和气体交换，以及土壤中物质迁移转化的重要因素，因此，成为土壤分类和土壤资源开发利用的重要依据。2.3土壤固相的物理诊断特性

土壤固相颗粒很少呈单粒存在，它们经常是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(soilstructure)。土壤结构是成土过程的产物，故不同的土壤及其发生层都具有一定的土壤结构，如图2-22所示。单粒结构SingleGrained

粒状结构Grained

图2-22土壤结构类型图解片状结构PlatyPlaty

块状结构Blocky图2-22土壤结构类型图解(续)柱状结构Columnar棱柱结构Prismatic图2-22土壤结构类型图解(续)大块状结构Massive图2-22土壤结构类型图解(续)单粒结构SingleGrained

粒状结构Grained片状结构Platy图2-22土壤结构类型图解(续)柱状结构Columnar块状结构Blocky大块状结构Massive棱柱状结构Prismatic图2-22土壤结构类型图解(续)土壤固相物质组成、土壤质地和土壤结构是决定土壤许多重要物理特性的物质基础，而土壤颗粒密度、土壤密度、孔隙度、土壤磁性和土壤颜色则是反映土壤物质组成和土壤发生条件的重要定量指标。土壤颜色采用国际通用的蒙氏颜色卡来表示，如图2-23、2-24、2-25所示。图2-23土壤颜色三维图解图2-24蒙氏土壤颜色卡图式图2-25蒙氏土壤颜色卡图式思考题与个案分析土壤的基本组成是什么？如何看待它们之间的关系？结合中国土壤粒径分级系统，简述进行土壤粒径分级的意义和作用？3.简述土壤质地对肥力的影响，那种质地对肥力更有利？4.简述土壤结构类型，为什么说团粒结构是好的结构？5.土壤形态是怎样形成的，研究土壤形态的意义是什么？6.说明土壤容重、比重和孔隙度的概念和意义。试分析土体硅铁铝率与黏粒硅铁铝率的差异性，阐述其土壤地理意义。通过土壤调查与分析，试简述土壤在陆地生态系统中的主要功能。9.以我们日常食用谷物、蔬菜所包含化学元素的源与汇为线索，运用所学的土壤地理学、生态学、化学等知识，描述、解释以土壤或者土壤