环境地学-赵烨-第6章

6-土壤圈子系统16土壤圈子系统——目录6.1土壤与土壤圈6.2土壤矿物6.3土壤有机质和土壤生物6.4土壤流体组分6.5土壤发生过程与土壤分类6.6人类活动对土壤圈的影响6.7思考题与个案分析6-土壤圈子系统2土壤是地球陆地表面的疏松矿物质，是经过成土因素的长期作用的产物，即土壤是地球陆地表面具有肥力能够生长植物的疏松层（包括海、湖浅水区）。6.1.1土壤的概念6.1土壤与土壤圈6-土壤圈子系统3人们对土壤概念的内涵、本质特性和功能的认识，已从土壤肥力扩展至土壤环境功能。随着全球变化研究和地球系统概念的引入，土壤科学研究内容从土壤类型、肥力、特性及其空间分布的研究扩展到探索地球环境系统中物质能量迁移转化过程对全球变化的影响。6-土壤圈子系统46.1.2土壤剖析自然界的土壤是一个在时间上处于动态、在空间上具有垂直和水平方向上变异的三维连续体，因此，认识和研究土壤需要从具体的土壤剖面、单个土体、聚合土体的剖析入手。6-土壤圈子系统5图6-1土壤剖面、土壤发生层与单个土体图解（据G.T.Miller,2004年资料）6-土壤圈子系统6欧洲著名土壤科学奠基人库比纳(Kubiena)早在1953年就提出了A、B、Bh、B/C、C和G土壤发生层，根据这些土层的组合将土壤划分为(A)-C、A-C、A-(B)-C、A-B-C、B/A-B-C型5种土壤，后来这一观点得到发展和进一步的完善，并构成了土壤形态发生学的基础。6-土壤圈子系统76.1.3土壤圈在地球环境系统中的作用土壤圈（pedosphere）是覆盖于地球陆地表面和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，土壤圈犹如地球的地膜，通过它与其他地圈之间进行物质能量交换。6-土壤圈子系统8图6-2土壤圈在地球系统中的地位示意图6-土壤圈子系统96.1.4土壤圈与人类社会的发展土壤对人类社会发展具有两个主要功能，一是为绿色植物光合作用提供并协调水分、养分、温度、空气等营养条件，向人类和陆生动物提供食物、纤维物质，故土壤是人类社会发展的重要自然资源；二是土壤形成发育过程可分解和净化环境中的污染物，故土壤是维持生存环境质量的净化器。6-土壤圈子系统10图6-3土壤在陆地生态系统中的功能示意图（据Brady，2000年资料）6-土壤圈子系统11黄鲈图6-4土壤圈与人类生存发展的关系示意图6-土壤圈子系统126.2土壤矿物土壤圈是具有一定物质组成、结构与空间格局、物质能量过程和功能的复杂系统，可从不同的层次和水平上来分析、认识土壤圈。土壤圈是一个可以从化学元素、化合物、矿物、有机-无机复合体、结构体、土壤层次、土壤剖面、聚合土体、土壤景观、土壤区域等多个层次剖析的物质实体。6-土壤圈子系统13图6-5土壤圈的组成物质的剖析过程示意图6-土壤圈子系统14土壤由固相、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。6-土壤圈子系统15图6-6最适宜植物生长的壤质土壤表土的体积组成6-土壤圈子系统166.2.1原生矿物土壤原生矿物(primarymineral)直接来源于母岩特别是岩浆岩，它只受不同程度的物理风化作用，其化学成分和结晶构造并未改变。土壤中原生矿物的种类和含量随着母岩类型、风化强度和成土过程的不同而异。6-土壤圈子系统17图6-7土壤矿物的风化及稳定性序列图6-土壤圈子系统186.2.2土壤矿物的形成与转化物理风化(physicalweathering)化学风化(chemicalweathering)生物风化(biologicalweathering)6-土壤圈子系统19图6-8中国地表风化壳及其类型分异断面图(T为年均气温/℃，R为年均降水量/mm)6-土壤圈子系统20土壤矿物风化指数及其相关性状分析表6-土壤圈子系统216.2.3土壤次生矿物在矿物风化和成土过程中新形成的矿物称为土壤次生矿物(secondarymineralofsoil)，它包括各种简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类矿物。次生矿物一般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、膨胀性和明显的胶体特性，故又称之为黏土矿物。6-土壤圈子系统22图6-9不同地理环境中次生矿物形成的一般模式6-土壤圈子系统236.2.4土壤化学元素组成成土母质是形成土壤的物质基础，土壤的化学元素组成与母质的组成之间存在着发生学联系。通过母岩风化与成土过程的共同作用，一些化学元素在土壤中得到相对富集，而另一些元素则被淋溶流失进入水体，这样就出现了土壤与母质之间化学成分的差异性，随着土壤形成过程的进行，这种差异会愈加明显。6-土壤圈子系统24化学元素周期表及化学元素分类6-土壤圈子系统256.3土壤有机质和土壤生物土壤有机质是土壤重要的组成成分和土壤肥力的物质基础，也是土壤形成发育的主要标志。土壤有机质可分为两大类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。6-土壤圈子系统266.3.1土壤有机质的来源与组成土壤有机质的原始来源是植物组织，在自然条件下，树木、灌丛、草类、苔藓、地衣和藻类的躯体都可为土壤提供大量有机残体。在耕作条件下农作物体大部分被人们从耕作土壤上移走，但作物的某些地上部分和根部仍残留于土壤中。6-土壤圈子系统27各种植物凋落物的矿质元素含量顺序6-土壤圈子系统286.3.2土壤腐殖质土壤腐殖质(soilhumus)是土壤特异有机质，也是土壤有机质的主要组成部分。腐殖质是一种分子结构复杂、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一类有机高分子化合物。6-土壤圈子系统29图6-10土壤腐殖质的组分及其分离过程图式6-土壤圈子系统30胡敏酸（HA）与富里酸（FA）的分析特性6-土壤圈子系统316.3.3土壤生物土壤生物是指栖息在土壤中的生物体的总称，主要包括土壤动物、土壤微生物和高等植物根系，它们以紧密的方式和各种生物的生命活动联系在一起。在陆地生态系统中许多土壤生物则扮演着消费者与分解者的双重角色，通过食物链将生产者、消费者和分解者联系起来。6-土壤圈子系统32图6-11土壤生态系统组分——主要土壤生物图式（据G.T.Miller，1996年资料编改）6-土壤圈子系统33图6-12雾灵山国家级自然保护区山地暗棕壤表土层真菌显微图片（×720倍）6-土壤圈子系统34图6-13雾灵山国家级自然保护区华北落叶松枯枝表面真菌显微图片（×720倍）6-土壤圈子系统356.4土壤流体组分土壤流体组分是指存在于土壤孔隙中的土壤空气和土壤溶液，它们都是土壤的重要组成成分，也是构成土壤肥力与土壤自净能力的重要因素。6-土壤圈子系统366.4.1土壤空气来源和组成土壤空气来源于近地大气层经过土壤微生物的改造，即土壤微生物呼吸过程及有机质分解过程均要消耗O2而释放CO2，故土壤空气与大气有近似之处，但也存在明显的差异。6-土壤圈子系统376-土壤圈子系统386.4.2土壤热量状况土壤热量状况直接影响土壤水分、空气及近地大气层空气的运动，影响土壤中的物质迁移转化及土壤生物的生理活动过程。如冷性土壤中物质转化与生物活动过程缓慢，土壤中N、P、S、Ca、K等养分的生物有效性降低。6-土壤圈子系统39土壤热容量(soilheatcapacity)包括质量热容量(gravimetricheatcapacity)容积热容量(volumetricheatcapacity)土壤热传导率(thermalconductivity)土壤热扩散率(thermaldiffusivity)6-土壤圈子系统406.4.3土壤温度状况土壤热量基本上来源于太阳辐射，故随着地表接收太阳辐射量的周期性变化，土壤温度亦具有日变化和季节性变化。土温变化与气温、土壤水分含量、质地、孔隙状况等密切相关。6-土壤圈子系统41图6-14亚热带地区裸露粉壤质土壤温度日变化图式(据H.D.Scott，2000年资料)6-土壤圈子系统426-土壤圈子系统43T8℃6-土壤圈子系统446.4.4土壤溶液土壤溶液即水分是土壤重要的组成部分之一，土壤水分含量及其存在形式对土壤形成发育过程及肥力水平高低都有重要的影响作用。作为土壤组成物质，水分是土壤物质迁移和运动的载体也是土壤能量转化的重要介质。6-土壤圈子系统45土壤水分类型划分表6-土壤圈子系统46图6-15土壤水分有效性综合示意图6-土壤圈子系统47图6-16不同质地土壤的有效水分含量图黏粒黏土黏壤土6-土壤圈子系统48图6-17SPAC系统中水分运移过程模式图（据N.C.Brady，1999年资料）6-土壤圈子系统49可以将土壤水分状况划分为以下类型：淋溶型与周期淋溶型非淋溶型渗出型停滞型冻结型另外，全球土壤水分状况还具有明显的季节性变化。6-土壤圈子系统50图6-18全球土壤水分状况季节性变化图6-土壤圈子系统516.4.5土壤理化特性土壤颗粒密度（相当于过去的土壤比重）土壤体积密度（相当于过去的土壤容重）土壤孔隙度土壤结构土壤矿物颗粒的粒级土壤质地土壤酸碱度（pH）土壤氧化还原电位（Eh）6-土壤圈子系统52图6-19土壤结构类型图式(据M.E.Sumner,1999年资料)6-土壤圈子系统53图6-20国际上主要的土粒分级标准图式6-土壤圈子系统54图6-21美国制土壤质地分类标准(据M.E.Sumner,2000年资料)6-土壤圈子系统556.5土壤发生过程与土壤分类6.5.1成土因素学说俄国科学家道库恰耶夫1881年指出：“土壤总是有它自身的起源，始终是母岩、活的和死的有机体、气候、陆地年龄和地形的综合作用的结果”，并创立了П＝f(К,О,Г,Б)的函数关系式以表示土壤与成土因素之间的发生关系。6-土壤圈子系统566.5.2土壤形成过程土壤的本质特征是具有肥力和自净能力的，这些均与土壤形成发育过程密切相关。从土壤发生学的理论上和总体上看，土壤形成过程实质上是生物积累过程和地球化学过程的对立和统一。6-土壤圈子系统57根据土壤形成中的物质能量迁移、转化过程的特点，可将土壤形成过程的总体，划分出以下几种主要成土过程：腐殖质化过程(humification)泥炭化过程(paludization)矿质化过程(mineralization)淋滤作用(eluviations)淀积作用(illuviation)6-土壤圈子系统58灰化过程(podzolization)黏化过程(clayification)富铝化过程(alitization)钙化过程(calcification)和脱钙过程(decalcification)盐化过程(salinization)和脱盐化过程(desalinition)碱化过程(solonization)和脱碱化过程(solodization)潜育化过程(gleyization)与潴育化过程(redoxing)白浆化过程(albicbleaching)土壤的熟化过程土壤退化过程(soildegradation)6-土壤圈子系统596.5.3土壤分类简介土壤分类是在深入研究土壤个体发生发育、土壤系统发育与演替规律的基础上，根据土壤不同发育阶段所形成的性状和特征，对土壤圈中的各异土壤个体所做的科学区分。6-土壤圈子系统60中国土壤地理发生学分类系统（1992年）6-土壤圈子系统61中国土壤系统分类（土纲和亚纲）6-土壤圈子系统62图6-22中国土壤系统分类土纲分布示意图（据李天杰等，土壤地理学，高等教育出版社，2004年资料）6-土壤圈子系统63图6-23亚洲大陆东部地区土壤景观分布模式示意图南北西6-土壤圈子系统64图6-24美国土壤系统分类土纲与母岩风化、土壤发育相互关系图式6-土壤圈子系统656.6人类活动对土壤圈的影响6.6.1人类活动与土壤的相互关系土壤是人类生存与发展过程中最基本、最广泛、最重要的自然资源之一。从整个陆地生态系统来看，土壤资源是生态系统的重要组成