1 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2 教学重点 1. 掌握土壤固相物质组成及其诊断特性 2. 了解土壤矿物类型及其风化特征 3. 认识土壤矿物空间分异规律 4. 了解土壤生物群落组成对土壤的影响 5. 掌握土壤有机质转化与土壤圈物质循环 特征。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 关键词 土壤矿物(soil mineral) 原生矿物(primary mineral) 次生矿物(secondary mineral) 土壤腐殖质(soil humus) 胡敏酸(humicacids) 富啡酸(fulvicacid) 有机-矿质复合体(organo-mineral complex) 土壤微生物(soil microorganism） 土壤质地(soil texture) 粒级(particle fraction) 土壤结构(soil structure) 土壤颜色(soil color) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 图2-1 最适宜植物生长的壤质土壤表土的体积组成 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8 原生矿物 (primary mineral)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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9图2-2 土壤矿物的风化及稳定性序列图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 (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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 11 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 12图2-4 不同地理环境中次生矿物形成的一般模式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 13 图2-5 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 14 图2-6 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 15图2-7 1:1型高岭石类晶体结构模型图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 16图2-8 2:1型蒙脱石类晶体结构模型图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 17 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 18 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10-1~10-9 m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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 19 图2-9 国际上主要的土粒分级标准图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 20 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 21 图2-10 土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式 (据Pierzynski，2000) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 22 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 23 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、Pb AB PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 24 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(soil texture)。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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 25图2-12 美国制土壤质地分类标准 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 26 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 27图2-13 绿色植物鲜组织的成分 (据Brady N C, 1974) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 28 土壤腐殖质(soil humus)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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 29图2-14 土壤腐殖质组分及其分离过程图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 30 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 31 图2-15 土壤生态系统组分—主要土壤生物图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 32 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 33图2-16 土壤腐殖质形成过程图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 34 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 35图2-17 土壤圈中的物质能量循环过程图式 （据Miller Tyler，1996） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 36 图2-18 土壤中氮素循环过程图式 （据Miller Tyler，1996） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 37 图2-19 地球表层碳素循环过程图式 （据EngerE D，1998） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 38 图2-20 土壤生态系统中磷素的循环图式 （据Miller Tyler，1996） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 39图2-21 土壤生态系统中硫素循环图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 40 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 41 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(soil structure)。 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 42 单粒结构 Single Grained 粒状结构 Grained 图2-22 土壤结构类型图解 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 43 片状结构 Platy Platy 块状结构 Blocky 图2-22 土壤结构类型图解(续) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 44 柱状结构 Columnar 棱柱结构 Prismatic 图2-22 土壤结构类型图解(续) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 45 大块状结构 Massive 图2-22 土壤结构类型图解(续) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 46 单粒结构 Single Grained 粒状结构 Grained 片状结构 Platy 图2-22 土壤结构类型图解(续) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 47 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) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 48 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 49图2-23 土壤颜色三维图解 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 50 图2-24 蒙氏土壤颜色卡图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 51图2-25 蒙氏土壤颜色卡图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 52 思考题与个案分析 1. 土壤的基本组成是什么？如何看待它们之间的关系？ 2. 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。 7. 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。 8. 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 53 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 圈为核心的某个化学元素的全球循环过程，并 列举出人类的哪些活动对该化学元素的全球循 环过程具有重要影响。 10. 据有关资料：【中国(2000)对部分省市自治区的 30 ×104hm2基本农田保护区土壤有害重金属进行 了抽样监测，发现其中3.6万ha土壤重金属超标， 超标率达12.1％】。结合你的学习与观察，试分 析这些重金属的来源及其对土壤的危害。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com