第五章土壤圈

第五章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连续体或覆盖层，它处于地圈系统(大气圈、生物圈、岩石圈、水圈)的交界面，是地圈系统的重要组成部分，既是这些圈层的支撑者，又是它们长期共同作用的产物。土壤圈土壤母质矿物为原岩物理风化的产物，地表疏松层为矿物颗粒与岩块碎屑的混合层，次生矿物是在地表常温常压下成土过程中新生的矿物。一.土壤及土壤肥力的概念第一节土壤圈的物质组成及特性土壤的概念：土壤是地球陆地表面具有生物活性和孔隙结构、进行物质循环和能量交换的疏松表层。土壤有五大功能：无机质与有机质的循环生物栖息地建筑物地基水分供应及洁净支持植物生长土壤在陆地生态系统中的功能示意图（据Brady，2000）土壤肥力的概念：在植物生活全过程中，土壤供应和协调植物生长所需的水、养分、气、热的能力。它们之间相互联系和相互制约。土壤具有肥力是其最本质的特征，是其区别于其它事物的标志，是和生物进化同步发展的。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。土壤肥力的发挥与环境条件、社会经济条件、科学技术条件密切相关。土壤肥力系统分析图土壤生态系统组分—主要土壤生物图二.土壤圈在地理环境中的地位和作用土壤圈在地理环境中总是处于地球大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间的界面上，是地球各圈层中最活跃最富生命力的圈层之一，它们之间不断地进行物质循环与能量平衡。1土壤圈与生物圈:养分元素的循环，土壤支持和调节生物的生长和发育过程，提供植物所需养分、水分和适宜的理化环境，决定自然植被的分布。2土壤圈与水圈:水分平衡与循环，影响降水在陆地和水体的重新分配，影响元素的表生地球化学迁移过程及水平分布，也影响水圈的化学组成。3土壤圈与大气圈：大量及痕量气体的交换，影响大气圈的化学组成，水分与能量平衡；吸收氧气，释放CO2、CH4、H2S、氮氧化合物和氨气，影响全球大气变化。4土壤圈与岩石圈：进行金属元素和微量元素的循环，土被覆盖在岩石圈的表层，对其具有一定的保护作用，减少各种外营力的破坏。土壤圈在地球系统中的地位土壤圈对地理环境的作用1土壤圈与地球生命作用：包括土壤物质循环的能量变化，生物转化，水循环，碳、氮、硫、磷循环及环境效应2土壤圈与人类生存条件：包括土壤资源区域性开发与管理，综合农业中的动态变化，土壤对农林适宜性评价，营养元素的空间调控，土壤圈的各障碍因素对农业生产的限制作用3土壤圈与自然环境：包括重金属元素在土壤圈中的空间分布、迁移、转化及动态变化，土壤污染物质的来源、分布、变化、迁移、浓集对生物环境的影响及调控；土壤在复合农业生态系统中的功能及优化模式4土壤圈与全球土壤变化：包括自然与人为条件下的土壤圈内不同土壤类型历史演变；现代成土过程基本特性变化预测；土地退化，土壤痕量气体的通量及其对温室效应的影响。5土壤物质的组成与性质：包括土壤胶体表面的性质。土壤中有害物质的化学行为，土壤水分性质，植物营养元素的化学性质，根据主要微生物的生理生态特性，土壤有机质组成，性质，土壤生态系统的结构，功能等。土壤圈中物质能量循环过程地球表层碳素循环过程（据EngerED，1998）土壤圈的地位、内涵、功能及研究趋向分支学科及研究内容（一）土壤物理研究土壤中物理现象和过程的土壤学分支。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）土壤微生物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。研究内容：1.土壤微生物生态；2.土壤微生物与土壤物质循环（陆地N,P,S,C素循环）；3.土壤酶活性；4.土壤微生物与土壤固氮作用；5.根际微生物与菌根；6.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）土壤生物化学研究土壤中的有机质组成，结构及生物化学转化过程的土壤学分支学科，研究内容包括：1.土壤腐殖质形成，特性、及其对土壤肥力的影响；2.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）；3.土壤酶活性；4.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）土壤地理学研究土壤发生、演变、分类、分布规律及其与地理环境之间关系的土壤学分支科学，是由土壤学与自然地理学交叉发展而成的边缘学科。主要研究内容包括:1.土壤发生和分类：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，地球表层系统多样性土壤的形成特点和机理，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。2.土壤分布规律：土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂和水平方向上分异性的三维连续体，搞清土壤和土被结构在地面空间上的分布规律，可以为因地制宜合理利用和保护土壤资源，搞好农业区划及生产布局，改善生态环境提供科学依据。3.土壤调查制图和土壤质量评价；主要研究内容是应用现代新技术（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。土壤剖面:自地表向下直到土壤母质的垂直切面称为土壤剖面。这些土层大致呈水平状，是土壤成土过程中物质发生淋溶、淀积、迁移和转化形成的。三.土壤形态土壤形态是指土壤和土壤剖面外部形态特征(土壤剖面构造、颜色、质地构造、结持性、孔隙度)。这些特征是成土过程的反应和外部表现，以土壤的外部形态，可以区分土壤和风化壳的差别，是推断土壤形成过程、判断土壤发育阶段的依据，也是区别各土类的重要依据。自然土壤剖面发生层的划分和命名有机层（O）：以分解或未分解的有机质为主的土层。它可以位于土壤的表层，也可以被埋藏于一定的深度腐殖质层（A）：形成于表层或位于O层之下的发生层。土层中混有有机物质，或具有耕作、放牧或类似的扰动作用淋溶层（E）：硅酸盐粘粒、铁、铝等单独或一起淋失，石英或其它抗风化矿物的砂粒或粉粒相对富集的矿质发生层。该层一般接近表层，位于O层或A层之下，B层之上淀积层（B）：在上述各层之下，并具有以下性质①硅酸盐粘粒、铁、铝、腐殖质、碳酸盐、石膏或硅的淀积②或碳酸盐的淋失③残余二、三氧化物的富集④有大量二、三氧化物胶膜⑤具粒状、块状或棱柱状结构母质层（C）：多数是矿质土层，但有机的湖积层和黄土层等也划为C层基岩（R）：坚硬岩石一般将兼有两种主要发生层特征的土层称为过渡层，如AB层，BC层，BA层，CB层等，前一个字母代表优势土层土壤剖面组合示意图耕作土壤剖面耕作层（表土层）属人为表层类，包括灌淤表层，堆垫表层和肥熟表层。土性疏松、结构良好、有机质含量高、颜色较暗、肥力水平较高犁底层（亚表土层）在耕作层之下，土壤呈层片状结构，紧实，腐殖质含量比上层少心土层（生土层）在犁底层之下，受耕作影响小，淀积作用明显，颜色较浅底土层（死土层）几乎未受耕作影响，根系少，土壤未发育，仍保留母质特征土壤的一般形态特征土壤发生层基本特征包括土壤的颜色、质地、结构、紧实度、孔隙状况、干湿度、新生体及侵入体等。颜色：世界上许多土壤类型是按照其颜色来命名的，如红壤、黄壤、黑钙土、栗钙土等。质地：是指土壤颗粒的大小、粗细及其匹配状况，即土壤的组合特征。按砂粒、粉砂粒和粘粒三种粒级的百分数，可划分为砂土、壤土、粘土三类。结构：指土壤颗粒粘结状况，土壤中固体颗粒一般相互粘结在一起，形成一定形状和大小的团聚物，称为结构体(片状、柱状、棱柱状、角块状、粒状、团粒状等结构)。结持性：又称为土壤紧实度，系指土壤对机械应力所表现出来的状态。一般用小刀插入土壤中，视用力的大小来衡量，分为极紧实、紧实、稍紧实、疏松等级别。孔隙状况：是指土粒之间存在的空间。决定土壤中液气两相的共存状态，并影响土壤养分和温度状况。可分为微孔隙、很细孔隙、细孔隙、中孔隙、粗孔隙、很粗孔隙及少孔隙、中孔隙、多孔隙等级别。干湿度：反映土壤中水分含量的多少。在野外靠人手对土壤感觉凉湿的程度及用手指压挤土壤是否出水的情况来判断，常分为干、润、潮、湿等级别。新生体：是指土壤发育过程中物质重新淋溶淀积和聚集而形成的新物质，包括化学起源（易溶盐类、石膏、碳酸钙、锈斑与铁锰结核）和生物起源（蚯蚓及其它动物的排泄物、蠕虫穴、鼠穴斑、根孔等）两种。侵入体：指由外界进入土壤的特殊物质（碎石、砾石、瓦片、砖块、玻璃、金属遗物等）。单粒结构粒状结构片状结构快状结构柱状结构棱柱状结构土壤结构类型图土壤母质层土壤腐殖质层（Ah层）砖红壤土壤剖面黄棕壤土壤剖面夏威夷红土剖面黑土剖面四.土壤物质组成土壤由固相、液相和气相等三相物质组成。固相包括矿物质、有机质和一些活的微生物。按重量计，矿物质占固相部分95%，有机质占5%。（一）土壤矿物质土壤矿物质基本上来自成土母质，母质又起源于岩石，按成因分为原生矿物和次生矿物两大类。土壤的组成（按容积计）原生矿物:各种岩石受到不同程度的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原有的化学组成和晶体结构均未改变。次生矿物:由原生矿物质经风化后重新形成的新矿物。土壤次生矿物分为三类：简单盐类、次生氧化物类和次生铝硅酸盐类。土壤矿物主要元素组成：地壳中已知的90多种元素土壤中都存在，但含量较多的十余种包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钛、钾、磷、硫及一些微量元素如锰、锌、硼、钼等。从含量看，前四种元素所占比例最多，若以SiO2、A12O3、Fe2O3氧化物形式而言，三者之和占土壤矿物部分的75％。(二)土壤有机质土壤有机质：概指土壤中动植物残体、微生物体及其分解和生成的物质（土壤固相组成部分）。是植物和微生物生命活动所需养分和能量的来源。土壤有机质数量随少，然而是土壤中最基础的物质，对土壤土壤理化性质和肥力有直接影响。土壤有机质包括两大类，第一类为非特殊性有机质，主要是动植物残体及其分解的中间产物（蛋白质、糖类、有机酸等），占有机质总量的l0-15％；第二类为土壤腐殖质、是土壤中特殊的有机物质，主要是动植物残体通过微生物作用发生转化而成，占土壤有机质的85-90％。3.有机质的转化矿质化过程:指进入土壤的动植物残体，在土壤微生物的参与下，把复杂的有机质分解为简单有机质的过程。腐殖质化过程:是进入土壤的动植物残体，在土壤微生物的作用下分解后再缩合和聚合成一系列黑褐色高分子有机物的过程。1.土壤有机质的化学组成包括碳水化合物、含氮化合物、木质素、含硫和含磷化合物。2.土壤微生物对有机质转化的作用土壤中的细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等是土壤有机质转化的主要动力。印度24℃等温沿线区表土有机碳含量与年降水量关系(据Jenny,1983)4.有机质对土壤肥力的作用土壤有机质含有丰富的植物所需营养元素和多种微量元素，不断供应植物吸收利用。土壤有机质具有较强的代换能力，可以大量吸收保存植物养分，以免淋溶损失。土壤有机质和氨基酸等是络合剂，与钙镁铝形成稳定性络合物，能提高无机磷酸盐溶解性。二、三羧基酸与金属离子形成稳定络合物的能力较强，有活化土壤微量元素的作用。土壤有机胶体是一种具有多价酸根的有机弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，有很强缓冲酸碱的能力。腐殖质是胶结剂，能使土壤形成良好的团粒结构，改善土壤耕作。腐殖质色暗，可增加土壤吸热能力，同时其导热性小，有利于保温。(三)土壤水分土壤水分是土壤重要组成成分和重要的肥力因素。它不仅是植物生活所必需的生态因子，而且也是土壤生态系统中物质和能量流动的介质，它存在于孔隙中。土壤水分来源：降水、地下水和灌溉用水。土壤水分消耗：土壤蒸发，植物吸收利用和蒸腾，水分的渗漏和径流。△水=水收入-水支出土壤水分平衡：土壤水分的收入和损耗使土壤含水量相应变化的情况，其表达式为：土壤水分含量受土壤水分收入和消耗的制约，当水分收入大于消耗时，土壤水分含量增大，反之则减