土壤地理学详解

绪论1.土壤的定义：土壤是地球陆地表面能够生长绿色植物的疏松层，具备植物着生条件和肥力特征。其本质特征和基本属性：2.土壤肥力：土壤为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量的能力。其功能：有肥力及产性能，缓冲与净化功能3.单个土体：在土壤调查时，必须在调查范围内确定一个最小的土体作为取样单元，而这个最小土体足以调表某一种土壤的大部分特征，这就称为单个土体。4.聚合土体：两个以上的单个土体组成的群体，称为聚合土体，又称土壤个体或土壤实体等。5.土壤系统：土壤系统是由固相（矿物质和有机质）、液相（土壤水分和土壤溶液）和气相（土壤空气）相互联系、相互作用组成的具有特定功能的有机整体，表现出肥力、能量交换和净化的功能。土壤系统是一个开放系统，成为生物同环境间进行物质和能量交换的活跃场所。6.土壤生态系统：土壤与其地上部生物和地下部生物之间进行复杂的物质和能量的迁移、转化与交换，构成一动态平衡的统一体。7.土壤圈：覆盖于地球陆地表面和浅水域底部一种疏松而不均匀的覆盖层及其相关的生态与环境体系，是地球表层系统的组成部分，它处于地球表层不同圈层界面及其相互作用的交叉带，是联系有机界与无机界的中心环节，也是结合地理环境各组成要素的纽带。8.土壤地理学奠基人道库恰耶夫的成土因素学说，即土壤是气候、生物、母质、地形和时间等综合作用的产物。基本观点：1土壤是成土因素综合作用的产物2各因素同等重要、相互不可替代、共同影响土壤的发生发展3成土因素的发展和变化影响土壤的发展和变化4成土因素具有地理分布规律，土壤也具有地理分布规律重要意义：1揭示了土壤与环境的辨证统一性2比较全面、正确解释了土壤的起源3预测或预控土壤发展方向9.土壤圈的功能（1）土壤圈与生物圈进行养分元素的循环，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）土壤圈与水圈进行水分平衡与循环，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）土壤圈与大气圈进行大量及痕量气体的交换，影响大气圈的化学组成，水分与能量的平衡；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着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。第一章土壤是由固相、液相、气相三相组成。按容积计，典型的土壤中矿物质占38%，有机质占12%，液相和气相共占三相组成的50％。液相和气相经常是处于彼消此长的状态，两者之间的消长幅度在15~35%之间。一、固相组成：土壤矿物、土壤有机质、土壤有机-无机复合体土壤固相组分中矿物的种类及其与有机质的比例变化可以从土壤相对密度得到反应。土壤相对密度:单位体积土壤固体土粒（不包括粒间孔隙）的质量。有机质多和轻质矿物多的土壤相对密度小，反之则大。土壤容重：单位体积原状土壤的质量。土壤孔隙多，容重小，反之容重则大。（一）土壤矿物土壤矿物：土壤中各种无机固态矿物的总称。是岩石的组成单位。称为土壤的“骨骼”。主要来源于成土母质，按成因一般分为原生矿物和次生矿物。四大元素：氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)三大化合物：二氧化硅(SiO2)三氧化二铝(Al2O3)三氧化二铁(Fe2O3)原生矿物：由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物。如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。各种岩石受到一定程度的物理分化，而未经化学分化的碎屑物，其原来的化学组成与结晶构造均未发生改变。次生矿物：原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物。颗粒很小，具有胶体性质。如方解石、高岭石等。大多数由原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其原来的化学组成与构造都要有所改变而不同于原生矿物。1）简单盐类。2）次生氧化物：（1）氧化铁矿物；（2）氧化铝矿物；（3）氧化锰矿物；（4）氧化硅矿物。3）次生铝硅酸盐类：它们是构成土壤粘粒的主要成分。铝硅酸盐粘土矿物的晶体是由硅氧四面体片和铝氧八面体片两种基本晶片连接而成的薄片层状结晶体。土壤中许多重要特征，如粘性、膨胀性、吸收性和保蓄性等，都与这些次生粘土矿有密切的关系。（1）1∶1型矿物高岭石、埃洛石高岭石：其结构单元联结紧密，高岭石晶体不易分割成极细的薄片，可塑性、粘结性、收缩性和膨胀性都很低，代换量也低，所以富含高岭石的土壤供肥、保肥能力差，造成植物养分不足。埃洛石：又称多水高岭石。是高岭石的同分异构体。它含有较弱的层间水分子，所以相邻二层间的联结力较弱。埃洛石比高岭石易分解，高岭石比埃洛石更稳定。在湿热气候条件下的土壤中含量最多。（2）2∶1型膨胀性矿物蒙脱石和蛭石蒙脱石：通过氧键联结，水分子被吸收到两晶体单元之间的空隙处，引起晶格膨胀，但它吸收的水分，植物难于利用。蛭石：是黑云母和伊利石等2∶1型层状硅酸盐经过脱钾作用而成，也可从蒙脱石或绿泥石转变而来。膨胀性比蒙脱石小得多，属有限膨胀的粘土矿物。由于蛭石硅氧片中的硅大部分为铝所取代，这是蛭石具有很高的净负电荷的主要原因，所以它的阳离子代换量比蒙脱石还要高。蛭石分布于风化作用不十分强烈的地带，我国西北、华北等地土壤含有较多的蛭石，特别是褐土中含量较高。（3）2∶1型非膨胀性矿物伊利石伊利石：晶层紧密地相互结合，不表现膨胀性。其代换量、水化作用、膨胀、收缩和可塑性等性质介于蒙脱石和高岭石之间。伊利石广布于一般土壤中，但以温带干旱地区的土壤含量最多。富含伊利石的土壤富含钾素。（4）2∶2型矿物绿泥石绿泥石：其晶层之间吸附水分较少，所以不易膨胀，其代换量远低于蒙脱石和蛭石。土壤中绿泥石大多是母质带来的，特别是石灰性土壤中含量更高，黑云母也可转变为绿泥石。黄土和河流冲积物中有较多的绿泥石，变质岩区的冰碛物中绿泥石更多。绿泥石经不起化学风化作用，随着风化和成土作用的加强，母质中原有的绿泥石将迅速消失。（5）混层矿物由于层状硅酸盐矿物晶体结构相似，而且易于互相转变，所以，常常有几种结构的晶层夹杂在一起形成混层矿物。不同的生物气候带下，土壤矿物种类也有所不同。一般情况下，（1）干冷气候下，土壤中含有较多的原生矿物（2）湿热气候下，土壤中含有较多的氧化铁、氧化铝、氧化钛（3）过渡气候下的土壤多含层状铝硅酸盐矿物热带亚热带土壤红壤、砖红壤，美国分类中的老成土、氧化土中，以高岭石为主。温带地区土壤黑钙土、栗钙土，美国的软土以蒙脱石-伊利石为主干旱和半干旱地区土壤灰钙土，美国干旱土伊利石为主（二）土壤有机质（SOM）概念：指土壤中形成的和外部加入的所有动植物残体，及其不同分解阶段的各种产物，以及分解产物合成的腐殖质的总称。1）来源：植物的枯枝落叶、根系等；土壤动物、微生物残体；施入的有机肥、工农业废水废渣2）土壤有机质在土壤中存在形态机械混合：未分解和半分解的有机物质生命体：新鲜有机物质溶液态：游离单糖、游离氨基酸等有机-无机复合态：和土壤矿物结合的有机质。土壤有机质总量的85％以上，主要以有机－无机复合体的形式存在。3）土壤有机质的分组（4）土壤有机质的组成：1.糖类糖类是土壤有机质的重要组成部分，是土壤微生物的主要能源之一，又是形成土壤结构的良好胶结剂。土壤糖类由多糖和游离单糖组成。2.含氮化合物氮是植物生长所必需的营养元素之一。是构成蛋白质的主要成分。土壤中的植物残体，土壤动物和微生物均含有相当多的蛋白质。3.含磷、含硫化合物磷和硫是植物生长所必需的营养元素。土壤有机质也是磷、硫的主要补给源。土壤中有机磷化合物主要有肌醇磷酸盐、核酸和磷脂，其中以肌醇磷酸盐含量最高，而核酸和磷脂只占很少一部分。4.腐殖质腐殖质是土壤有机质的一个重要组分，它的含量占土壤有机质总量的50%-65%，使土壤中暗色无定形的高分子化合物。1）.元素组成腐殖质和其他有机化合物一样，主要由C、H、O、N、S等元素组成。从元素的含量看，胡敏酸含C、N量较富里酸高，后者氧含量较高。2）.功能团含量腐殖质中得一些含氧功能团能使腐殖质具有各种胶体特性（表面吸附、离子交换、络合作用、缓冲性能）、氧化还原和生理活性。3）.分子大小和形状4）.腐殖质的化学结构腐殖质分子中心是一个稠环或易生稠环的芳核，周围以化学或物理的形式连接多糖、多肽、简单酚酸和金属离子5）腐殖质与其他物质之间的作用腐殖质+金属物质=金属-有机复合物；腐殖质+黏土矿物=复杂的有机复合物腐殖质与农药之间具有吸附作用，降低其迁移性、持续性与生物降解性。6）腐殖质的生理活性生理活性：低浓度小分子腐殖质（富里酸）能增进植物根的发育和植物的生长。植物体进入根系之后影响植物的呼吸作用和氧化-还原过程。高浓度的腐殖质对植物有抑制作用。4.土壤有机-无机复合体有机-无机复合体是有机物质与粘土矿物通过各种力相互结合的现象。是土壤营养的供给源，是形成土壤结构的物质基础，是固持重金属和有机污染物的载体。土壤有机-无机复合体形成机制有三种：1）机械混合2)非极性吸附3）极性吸附土壤有机质对土壤肥力的作用1)植物养分的重要来源土壤有机质含有大量而全面的植物养分，特别是氮素（N），土壤中的氮素95％以上为有机态，经微生物分解后，转化为植物可直接吸收利用的速效氮。2)改善士壤的物理性质腐殖质的胶结作用促进土壤稳定性团粒结构的形成，降低粘土的粘结力，增强砂土的粘结力腐殖质颜色深，吸收太阳辐射，有机质分解时放热——提高地温腐殖质疏松多孔可改善土壤渗水性和蓄水能力3)提高土壤保肥性腐殖质巨大的比表面、表面能以及带有的负电荷，可吸附保持分子态合离子态营养物质腐殖质的两性胶体性质可增强土壤的缓冲性能、代换性能。4)促进植物、微生物的生命活动低浓度富里酸对植物生长具有刺激作用土壤有机质能为微生物生活提供能量和养分5)有助于消除土壤污染腐殖质的络合、吸附等作用有助于消除土壤中农药残毒及重金属离子的污染二、土壤液相与气相组成（一）土壤液相1.土壤水量平衡１）土壤水分的来源：土壤水分主要来自大气降水、灌溉水、地下水。土壤水在植物生长中意义1.满足植物生长的水分要求2.和可溶盐一起构成向植物提供养分的媒介2）土壤水分的消耗土壤水分的消耗主要是：土壤蒸发、植物吸收和蒸腾，水分渗漏和径流损失等，其中地面蒸发和水分渗漏最为重要。3）土壤透水性降水——土壤孔隙——重力下渗=土壤透水性土壤孔隙吸水和重力作用下的水分称为土壤渗透水。用渗透系数表示。土壤透水性与土壤孔隙、质地、结构、松紧度有关。土壤水量平衡是指土壤水分和收入和消耗使土壤水含量相应变化的情况。表达式：△水=水收入－水支出维索茨基根据水分的收支情况，将土壤水分平衡分为三种类型，即淋溶型、非淋溶型和渗出型。实际上，自然界中还存在着三种类型之间的过渡类型，因此可划分为下列几种类型：即淋溶型：在年降水量大于年蒸发量的地区，土壤水分在土体中以向下流为主，使土体中的物质受到淋溶或机械迁移，森林土壤和酸性土壤多属此种水分状况类型。非淋溶型：在降水量低于蒸发量的地区，降水量不能渗透湿润到底土层，只能达到土体的有限深度，因此，土体中的物质只被淋洗到一定深度而淀积下来，这种土壤水分状况称非淋溶型。干旱、半干旱草原土壤大多属于这种水分状况类型。渗出型或上升型：降水量小于蒸发量，因蒸发强烈，下层可溶性盐随毛管水带到表层，从而引起土壤盐渍化，这种水分状况类型多出现在干旱和半干旱地区地下水位高的地方。停滞型或滞水型：在地势低洼排水不良地区，土壤水分长期停滞，沼泽化土壤常具有此种水分状况类型。冻结型：在高纬地带或高山、高原地区，土壤温度常低于0℃，土壤中水分形成永冻层，苔原、冰沼土往往有这种水分状况类型。3.土壤水分的类型：固态水、气态水、化合水和结晶水、吸湿水、膜状水、毛管水、重力水。1）固态水：固态水是以固体状态存在的水分。高纬度地带及高山区的冰沼有永冻层的固态水存在，此外在冬季寒冷的中纬度地带，土壤有季节性固态水。固态水不能为植物所利用。2）气态水：一般情况下，土壤中存在着气体状态的水分，它与土壤空气形成气态混合物，土壤空气被水汽饱和达100%时，土壤中水汽含量约为0.001%。气态水含量虽然