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第一章 土壤的组成和性质

第一章 土壤的组成和性质. 土壤组成 固相 （矿物质、有机质、生物有机体） 液相 （土壤水分、土壤溶液） 气相 （土壤空气） 土壤的性质 一般物理性质 （比重、容重、孔隙度） 质地与结构 土壤胶体与吸收性 酸碱性、氧化还原性、缓冲性 热特性. 第一节 土壤的组成. 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)

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第一章 土壤的组成和性质

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Presentation Transcript

  1. 第一章土壤的组成和性质 • 土壤组成 • 固相（矿物质、有机质、生物有机体） • 液相（土壤水分、土壤溶液） • 气相（土壤空气） • 土壤的性质 • 一般物理性质（比重、容重、孔隙度） • 质地与结构 • 土壤胶体与吸收性 • 酸碱性、氧化还原性、缓冲性 • 热特性

  2. 第一节土壤的组成

  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(humic acids) • 富里酸（fulvic acids） • 土壤微生物 (soil microorganism）

  4. 土壤有骨骼、肌肉和血液，并且能呼吸,是一种“类生物体”土壤有骨骼、肌肉和血液，并且能呼吸,是一种“类生物体” • 矿物质颗粒：土壤的骨骼有机质： 土壤的肌肉水： 土壤的血液 • 温度 土壤的体温土壤空气 土壤的呼吸

  5. 物质组成 • 土壤组成：固相（矿物质、有机质） 液相（土壤水分） 气相（土壤空气）三者相互联系、相互转化、相互作用——有机整体, 复杂而分散的多相物质系统。 • 按容积计： 矿物质——38%，有机质——12%，液相、气相——50%，经常处于彼此消长状态。 • 按重量计：矿物质——占固相部分95%以上，有机质——5%左右。

  6. 物质组成

  7. （一）土壤矿物 • 土壤矿物是土壤的主要组成物质，构成土壤的“骨骼”。 土壤矿物主要组成元素 • 地壳中已知的90多种元素土壤中都存在 • 按成因可以分为土壤矿物质基本上来自成土母质，原生矿物和次生矿物。

  8. 土壤矿物的类型 • 原生矿物(primary mineral)——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(secondary mineral)——由原生矿物经风化后重新形成的新矿物。

  9. 1）硅酸盐、铝硅酸盐类矿物： • 原生矿物中占绝对优势。 • （1）长石类  分布最广的一类矿物。风化可产生高岭石，二氧化硅和盐基物质（如钙、钾、钠等）。 • （2）云母类  易于风化，土壤钾素主要来源。 • （3）橄榄石类  含铁、镁而不含铝，易风化，含多种微量元素。 • （4）辉石、角闪石类  构成岩浆岩中暗色矿物的主要成分，铁、镁、钙等含量都很高。

  10. 2）氧化物类矿物： • 石英 土壤中分布最广的一种矿物，砂粒主要成分； • 赤铁矿 热带亚热带土壤中常见矿物，使土壤呈红色； • 3）硫化物类矿物 极易风化，土壤中硫素的主要来源。 • 4）磷酸盐类矿物  土壤中无机磷的重要来源。

  11. 土壤矿物的风化及稳定性序列图

  12. 土壤原生矿物的地理分布 • 干冷气候——原生矿物； • 湿热气候——氧化铁、氧化铝等较为稳定的矿物 • 过渡气候带——层状硅酸盐类矿物。

  13. 次生矿物（粘土矿物或粘粒矿物） • 定义：原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其化学组成和构造都经过改变。 • 意义：土壤中最细小的部分（粒径＜0.001mm），具胶体性质，土壤固体物质中最有影响的部分，影响土壤许多重要理化性质。

  14. 次生矿物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。次生矿物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。

  15. 类型 • 1.简单盐类 • 包括碳酸盐、重碳酸盐、氯化物等，是原生矿物风化最终产物，结晶构造较简单。 • 2.次生氧化物类 • （1）氧化铁和氢氧化铁类 • （2）氧化铝矿物 • （3）氧化锰矿物 • （4）次生氧化硅 • 3.次生铝硅酸盐类 构成土壤粘粒的主要成分，主要包括伊利石、蒙脱石和高岭石

  16. 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图

  17. 铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图

  18. 1:1型高岭石类晶体结构模型图

  19. 2:1型蒙脱石类晶体结构模型图

  20. 次生铝硅酸盐类型 1）1:1型：高岭石

  21. 2）2:1型膨胀性矿物：蒙脱石和蛭石

  22. 3）2:1型非膨胀性矿物：伊利石

  23. 4）2:2型矿物：绿泥石

  24. 研究土壤矿物的意义： 1. 土壤矿物种类虽不太多，但其含量和组合方式复杂多样，并且可反映母质和成土因素的综合影响； 2. 土壤矿物质的粗和细，可形成不同的土壤质地。 3. 矿物质提供了除氮素以外的植物所需的大量和微量营养元素。而各种次生粘土矿物具有吸附保存呈离子态养分的能力，并表现出不同的吸收性、粘性和膨胀、收缩性。 所以，土壤矿物和土壤的理化特性、土壤肥力都有密切关系。

  25. 不同地理环境中次生矿物形成的一般模式

  26. 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。

  27. 土壤矿物质的迁移转化 • 土壤矿物质的风化过程  • 定义：裸露在地表的岩石矿物在大气圈、水圈、生物圈的综合作用下，不仅改变了原有物理性状，而且也改变了原有的化学组成和性质，甚至形成新的矿物，这种复杂的变化过程即风化过程。 • 类型：物理风化、化学风化、生物风化。 • 三者相辅相成，同时同地进行。

  28. 矿物分解的阶段性 • 1）碎屑阶段——风化的最初阶段 • 外力：物理风化为主，化学风化作用微弱 ； • 物质迁移：细土粒很少，主要为粗大岩石碎块，岩石矿物的化学成分未变，未迁移； • 出现地点：年轻山区（特别是高山区和极地）和干旱荒漠地区，侵蚀严重的地形部位。

  29. 2）钙淀积阶段——风化第二阶段 • 外力：化学和生物作用加强； • 物质迁移：最易移动的元素Cl、S及部分Na分解淋失， • Ca、Mg、K等大部分残留，CaCO3等聚积，形成钙淀积风化壳，生成次生粘土矿物如蒙脱石。 • 出现地点：森林草原地区，半荒漠、荒漠地区。

  30. 3）酸性硅铝阶段： • 外力：潮湿气候条件下，化学和生物作用加强； • 物质迁移：盐类、硅酸、阳离子减少，Si、Al、Fe组成的次生粘土矿物堆积，次生粘土矿物主要是高岭石等； • 出现地点：广泛发生在气候湿润地区，如中温带、暖温带和北亚热带。

  31. 4）富铝化阶段——岩石风化的最后阶段 • 外力：化学和生物作用加强； • 物质迁移：盐基彻底淋失，硅酸大量淋失，Al2O3和少量Fe2O3残积在风化壳或土壤中。粘土矿物主要是高岭石、水铝石、赤铁矿和硬锰矿等。 • 出现地点：高温多雨的热带和赤道带气候条件下。 

  32. 矿物风化程度的量度指标 • 土壤矿物分解程度愈高，矿物质中的化学元素的淋溶迁移作用一般也愈强。

  33. 硅铝率： • 风化壳、土体或胶体颗粒中SiO2/Al2O3比率； • 对比土体和母岩/母质硅铝比率可说明分解过程的特征。 • 如果SiO2/R2O3摩尔比值增大——脱铝铁过程； • 如果SiO2/R2O3摩尔比值减小——脱硅富铝化过程。

  34. 对比剖面上下层SiO2/R2O3摩尔比值可说明剖面中矿物质的分解和淋溶状况。 • 粘粒部分的硅铝铁率，可判断粘土矿物的种类和性质。

  35. 2）迁移系数： • 如迁移系数＜1——该元素在土层中有淋溶。迁移系数愈小则说明淋溶程度愈强。 • 如迁移系数＞1——该元素在土层中没有淋溶且有积累。迁移系数愈大，聚积程度愈强。

  36. 3）淋溶率： • 风化壳或土层中盐基的淋溶损失或累积状况，用盐基总量与氧化铝的摩尔比率来表示。 • 残积风化壳中指数低，如高岭石或富铝风化壳。 • 堆积风化壳中指数往往高于标准值，因为SiO2和碱金属碱土金属都属于累积型。

  37. 4）风化指数： • 对岩石和风化壳中残余的稳定和不稳定风化物含量进行对比，以确定风化程度的大小。

  38. 1、脱盐基作用：H+交换盐基离子 K2Al2Si6O16+H2CO3→KHAl2Si6O16+KHCO3 KHAl2Si6O16+H2CO3→H2Al2Si6O16+KHCO3 2、脱硅作用：硅离析，开始淋溶 H2Al2Si6O16+H2CO3→H2Al2Si2O8·2H2O+4SiO2+CO2 3、富铝化作用：硅酸继续淋溶，氢氧化铝富集： H2Al2Si2O8+4H2O→2Al(OH)3+2H2SiO3 ——实质是H+代换盐基离子的过程。 例如：正长石水解

  39. 次生粘土矿物的形成 • 原生矿物经风化分解作用后，分解产物经过絮凝、吸收、交换等物理化学作用重新合成新的次生粘土矿物。 • 过程： • 原生矿物晶格上SiO2、Fe2O3，和Al2O3分离 • ——带负电荷的SiO2+带正电荷的Al(OH)3、Fe(OH)3 • ——非晶形矿物水铝石类 • ——晶形次生粘土矿物（如高岭石、蒙脱石等）。

  40. (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、含硫含磷化合物。 • 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

  41. 土壤有机质 • 土壤有机质：土壤中的各种含碳有机化合物，包括动植物残体、微生物体和这些生物残体的不同分解阶段的产物，以及由分解产物合成的腐殖质等。

  42. 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。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。

  43. 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、富里酸等。

  44. 土壤腐殖质组分及其分离过程图式

  45. 土壤腐殖质形成过程图式

  46. 土壤有机质来源 • 主要来源于动植物残体，各类土壤差异大。 一般是森林＞草原＞荒漠： • 森林植被中，热带森林＞亚热带森林＞温带森林＞寒温带针叶林； • 草原植被中，热带稀树草原＞温带草原＞荒漠化草原＞荒漠植被。

  47. 土壤有机质组分 • 碳水化合物：土壤微生物主要能源之一，形成土壤结构的良好胶结剂，对肥力有一定影响； • 含氮化合物：植物氮素营养主要给源之一，生物圈中氮素的重要存在形式； • 木质素：有机化合物中最难分解的一种物质，但可被真菌分解 ； • 含磷、含硫化合物 ：磷、硫的主要补给源； • 脂肪、蜡质、单宁、树脂：都不溶于水，除脂肪较易分解外，一般在土壤中很难分解。

  48. 土壤微生物及其作用 • 土壤有机质转化的主要动力。 • 个体小，种类多，繁殖迅速，数量巨大，每克土可达数千万到1亿个以上，每公顷活有机体重量约5-8吨。

  49. 细菌 • 特点：数量、活动范围最大； • 作用：好气细菌在有氧条件下，能强烈分解有机质，形成各种无机物， • 嫌气细菌在少氧条件下，分解速度比较缓慢，形成分解不彻底的产物； • 分布：各种环境条件下都有相应的细菌类群，多数在中性至微碱性的环境

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