土壤肥料学第一讲.ppt

土壤肥料学,主讲：周卫军 教授 博导手机：Email：,土壤学部分,绪 论,土壤的形成与演变,土壤肥力的物质基础,土壤固相部分的基本性质,土壤液相和气相部分的基本性质,我国土壤分类系统及分布概况,一个国家的财富在于它的土壤及其智力的发展。伊利诺,考核办法,平时成绩包括：,到课率、课堂提问、小测验、作业与练习,教材与参考资料：,谢德体主编，土壤肥料学，中国林业出版社，2004年关连珠主编，土壤肥料学，中国农业出版社，2001年 西南农业大学主编，土壤学（南方本），农业出版社（第二版），1990年浙江农业大学主编，植物营养与肥料，农业出版社，1991年,教材,吴礼树主编.土壤肥料学(第二版).中国农业出版社，2011,参考资料,教学目的和要求,了解土壤及土壤肥力的概念，土壤科学的发展简史；掌握土壤地农业生产及生态系统中的重要地位，土壤资源和农业可持续发展的重要意义；明确土壤学学习的重要性；了解成土的主要矿物和岩石及其风化产物的特点；掌握母质的风化程度与土壤肥瘦的关系。,土壤的重要性土壤的概念及土壤学的发展概况土壤学的研究内容和方法,本 章 提 纲,第一章 绪论,一、概述,第一节 土壤的重要性,第一节 土壤的重要性,如果没有土，世界将会怎么样？如果没有土，明天将会怎么样？,Whats the soil?!,你想过www吗？what is this soil?www:where is this soil?why is this soil?Soil sciene tell you 3w!,话说土壤,土 地之吐生物者也。说文 百谷草木丽乎土。易彖传。壤：柔土也，南方的土多称壤，如红壤，砖红壤。,土,地,地：土也，与天相对应。地生养万物。管子形势解地产、地主、地势、地位。,4.土壤生产力：土壤生产植物产品的能力。,二、几个概念,1.土壤：地球陆地上能够生产植物收获物的疏松表层。包括固体土粒、粒间的孔隙和各种生物。,2.肥料：直接或间接供给作物所需养分，改善土壤性状，以提高作物产量和改善作物品质的物质。包括化学肥料、有机肥料和微生物肥料。,3.土壤肥力：土壤供给和调节植物生长发育所需要的水、肥、气、热等生活因素的能力。,三、土壤肥力与土壤生产力的关系,肥力高的土壤，生产力并一定高，而生产力高的土壤，肥力一定高,土壤肥力和土壤生产力都是评价土地质量的指标,土壤肥力是土壤本身的属性，土壤生产力是土壤肥力的具体反应,肥力只是生产力的基础，而不是生产力的全部,四、肥料的演变历程,肥料,动物排泄物、植物残体、农业废弃物、天然杂草以及城乡生活垃圾经过简单处理而成。含有大量有机质和多种植物所需养分,化学方法合成或用天然矿石生产的含有植物必需营养元素的无机化合物,发展趋势由低浓度向高浓度、由单一成分向多成分的复合肥或复混肥、从粉状向粒状发展,含有大量微生物菌济的微生物制剂。施到土壤中后，在适当条件下进一步生长、繁殖，通过一系列生命活动，直接给作物提供某些营养元素/激素类物质和各种酶,1.土壤是农业最基本的生产资料在人类赖以生存的物质生活中，人类消耗的约80以上的热量，75以上的蛋白质和大部分的纤维都直接来源自土壤。,五、土壤在农业生产和生态系统中的重要地位,民以食为天，食以土本！,2.土壤是陆地生态系统的重要组成部分,我们把生物群落与其生存的环境之间密切联系又相互作用的综合体称之为生态系统。,其基本组分有：,生物群落植物、动物、微生物,环境组分大气、水体、土壤、光、热、岩石等,(biotic community,biocoenose),(environmental component),大 气 土 壤 水 体 母 岩,植物,土壤,水体,母 岩,大气,生态系统示意图(ecosystem),3.土壤是最珍贵的自然资源,土壤资源数量的有限性 土壤资源的破坏吃祖宗的饭，断子孙的路。,土壤资源空间分布上的固定性 土壤具有地带性分布规律。,土壤资源的再生性与质量的可变性 治之得宜，地力常新。,4.土壤的可持续利用是持续农业的基础,我国要跨进可持续发展的“大门”还需要：30-50年？,可持续发展的条件：人口的零或负增长(中国每年净增人口1000万)资源破坏的零或负增长(中国每年减少土地300万亩)生态环境恶化的零或负增长(中国荒漠化速度2620km2/年),20世纪科学与技术迅速进步，但“人口粮食资源环境”仍是困扰人类社会发展的难题，科学工作者责任越来越重大。,土壤的重要性,现在你已经不再以普通人的眼光看待土壤，你将成为一个土壤工作者地球的医生和卫士。,答案：土壤和科技！,“老”问题：21世纪怎么养活16亿中国人？！,第二节 土壤及土壤学科的发展,一、土壤的概念及特性土壤学（Soil science)：广义的土壤科学可分为：发生土壤学（Pedology)农业土壤学(Edaphology)环境土壤学（Environmentail soil),简明定义：土壤是在地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成能够生长植物的、处于永恒变化中的疏松矿物质与有机质的混合物。,二、土壤的本质肥力,肥力指土壤经常地适时适量地供给并协调植物生长发育所需要的水分、养分、空气、温度、扎根条件和无毒害物质的能力。,四大肥力因子：水、肥、气，热,肥沃土壤上生长的作物,瘠薄土壤上生长的作物,三、现代土壤学科发展的简要回顾,19世纪土壤学科的诞生,农业化学土壤学派:(德)李比希(1803-1873)农业地质土壤学派:(德)法鲁等(19世纪后半叶)土壤发生学派:(俄)道库恰耶夫(1846-1902),20世纪土壤学科的迅速发展,土壤学科发展的驱动力 前60年:作物生产-独轮驱动 60年代后:作物生产和环境质量保护-双轮驱动,20世纪土壤学科的新观点,土壤圈:(英)Matson(1938),(美)Arnold(1990)土壤水能量理论与运动方程的 建立:(美)Buckingham(1907),Richards(1930s)土壤生态系统:(美)Jenny(1940-1960)土壤质量 综合调控理论(美)SSSA(1990s),20世纪土壤学科的迅速发展,四、我国土壤学的发展概况,古代：尚书、周礼、管子地贡篇、吕氏春秋任地篇、齐民要术、农桑辑要、农政全书等近代：20世纪20年代开始，1930-1939，中国土壤概要 1958、1978两次全国土壤普查，基本摸清了我国的土壤资源特性和数量。,现代：20世纪70年代后期，改革开放以来，由于国际间学术交流增多，国外一些先进的土壤研究成果与技术传入我国，土壤学科的基础学科水平得以全面迅速提高，我国土壤学科在我国科学研究中的地位得到了巩固和确认，到目前为止，土壤学科在中国科学院和中国工程院的院士累计达17人,根据历届土壤学会，较成熟的分支学科有：,一、土壤学科体系,土壤物理土壤化学土壤生物学土壤矿物学,土壤肥力学水土保持土壤发生分类和制图土壤技术,第三节 土壤学研究的内容及发展趋向,土壤学科与其它学科的关系,二、土壤学研究的内容及发展趋向,(一)土壤圈物质的组成、性质及能量循环的研究(总趋向),1.土壤圈与地球生命作用 包括土壤圈物质循环的能量变化、生物转化、水循环，重点是土壤圈中碳、氮、硫、磷循环及其环境效应；,2.土壤圈与人类生存条件 包括土壤资源的区域治理、在综合农业中的动态变化及其生产承载力评价，营养元素的空间调控；,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、转化及其生存效应，土壤中污染物质变化对生存环境影响及其调控，土壤在复合农业生态系统中的功能及优化模式；,4.土壤圈及“全球变化”包括自然与人为条件下土壤圈内不同土壤类型的历史，现代成土过程及土壤基本特性变化的预测；土壤退化；以及土壤痕量气体的通量及其对温室效应的影响 等；（温室效应：CH4 30%，O2 80%N2O 80%CO2 20%）,5.土壤圈物质的组成、性质 包括土壤胶体表面的电荷性质，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，根际主要微生物的生理生态特性，土壤有机组成、性质，土壤生态系统的结构、功能等。,(二)土壤全球变化（研究重点）,“土壤全球变化”是指在自然的人为条件下，研究土壤圈在地球系统各圈层中物质的迁移及转化规律。其中包括土壤类型的形成、组合、分布及其理、化、生物性质的时空变化，土壤温室效应、土地退化、水土流失及环境污染的机理、本质及其防治等。,(三)保护土壤资源，提高土壤肥力，改善生态环境(重要任务),(四)研究节源高效持续农业,(五)加强土壤学基础理论研究,持续农业是由高额的农业产量，合理的环境保护和生物多样性三者共同组成的。它包括土地利用的连续性，环境质量的保护和提高，经济价值的增加，生产力的稳定增长，代传土壤质量的提高，抗风险的缓冲能力增强等。,土壤学基础理论研究主要包括：土壤发生、物质循环、生态功能、资源潜力、表面化学、水热动态、植物营养、肥力机制、生物工程、污染机理、土壤信息与遥感等方面。,三、土壤学方面的期刊和杂志,1 Soil sci.2 Soil Sci.soc.Am.J.3 Plant and Soil.4 Journal of Soil Sci.5 Can.J.Soil sci.6 Aust.J.Soil Res.7 土壤学报 8 土壤通报9 植物营养与肥料学报 10 土壤肥料11 土壤 12 土壤与环境13 中国农业科学 14 农业现代化研究15 生态学报 16 应用生态学报,第二章 土壤的形成与演变,岩石,母质,土壤,风化作用,成土过程,农业土壤,土壤的基本形成过程,一、几种主要岩石类型和特性二、主要成土矿物的组成和特性三、岩石的风化作用及其影响因素四、风化作用的类型五、风化作用的产物六、风化产物的类型,第一节 土壤母质,土壤母质：岩石的风化产物，又称成土母质，简称母质。,岩石一种或几种矿物的天然集合体。,矿物是指天然产出的、具有一定的化学成分、内 部构造和物理性质的元素或化合物。,一、主要成土矿物的类型和特性,(一)成土的主要矿物,岩石按成因可分为三类,(二)主要岩石的类型和特性,地壳,地幔,地核,软流层,（50-250km),1.岩浆岩,岩浆岩的成因,主要矿物组成：长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石等,化学组成：几乎包括了地壳中已知的化学元素，主要的有O,Si,Fe,Al,Ca,Mg,Ti,K,Na,P,S以及一些微量元素,如Mn,Zn,B,Mo等。,主要矿物为：花岗岩、玄武岩我省代表岩石：花岗岩,岩浆岩：玄武岩,沉积岩：地壳表面的岩石经风化、搬运、沉积等作用后，在一定条件下胶结硬化所形成的岩石。其约占地表总面积的75%共同特点是：有明显的层理构造；矿物成分复杂并呈碎屑状组织；有时含有化石。,2.沉积岩,沉积岩的成因,特点：有明显的层理构造，有的含有化石。,常见的沉积岩有：砾岩、砂岩、页岩、粉沙岩、石灰岩等。,变质岩的成因：地壳运动、岩浆活动的结果。,变质的因素：温度和压力,石灰岩白云岩,高温,内部分子活动,大理岩,方解石（CaCO3)+SiO2,CaSiO3(硅灰石）+CO2,压力,（具有片理构造）,4700C,（页岩）,（千枚岩）,3.变质岩,主要矿物有：板岩：由黏土岩、粉沙岩或中酸性灰岩变质千枚岩：富泥质岩石浅变片岩：页岩变质片麻岩：花岗岩类岩浆岩和凝灰岩深变大理岩：石灰岩或白云岩经热接触重结晶石英岩：石英砂岩、粉沙岩、硅质岩变质,变质岩是沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩浆侵入的影响，其矿物组成、结构、构造，以至化学成分发生剧烈改变后形成的。共性是：一般具有片理及片麻构造；矿物质地致密，坚硬；不易风化。例如片麻岩，石英岩，板岩，片岩，千枚岩，大理岩等。,（一）长石类矿物 正长石，又称钾长石，是土壤中钾元素的重要来源。（二）云母类 白云母，又称钾云母，是土壤中钾元素的来源之一。黑云母也是钾元素的来源，更易分解，风化。（三）角闪石与辉石类矿物 含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解。,土壤中的原生矿物,（四）石英矿物不易风化，是土壤中砂粒的主要来源。（五）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3），常使土壤染成红色。磁铁矿（Fe3O4），具磁性。黄铁矿（FeS2），分解后形成硫酸盐。（六）磷酸盐类矿物磷灰石是制造磷肥的主要原料，是植物磷元素的主要来源。（七）方解石（CaCO3）方解石是土壤中碳酸钙的主要来源。（八）褐铁矿（Fe2O3 3H2O）由赤铁矿水化形成的一种含水氧化铁，是土壤黄色和棕色染色剂。,土壤中的原生矿物,第二节 土壤母质的形成过程,一、岩石的风化作用,地壳表层的岩石在外界因素的影响下所发生的一系列崩解和分解作用。,外界因素：水、二氧化碳、氧气、温度、生物及人类活 动等。,内部矛盾：组成岩石的矿物颗粒大小、成分性质、颜色 等的差异。,风化作用：岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是土壤母质。,（一）物理风化作用,影响因素：,1、温度（热力学风化作用）,2、冰冻的挤压3、流水、风、冰川等自然动力对岩石的磨蚀,风化特点：,只有岩石形状大小的改变，成分性质未变。,风化结果：,1、大块,小块,细粒,2、对水和空气具有通透性3、为进一步风化作用提供了条件,指岩石受物理作用而逐渐崩解破碎的过程。,物理风化,地表受热因昼夜和季节差异，热胀冷缩岩石产生破裂、崩解,寒冷地带，岩石的孔隙或裂隙的水结冰，使岩石崩解为岩屑,缝隙中溶解的盐类，水分蒸发再结晶，对周围岩石产生压力使岩石崩裂,图2-17 气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图a、b、c、d 表示风化过程,图2-18 由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙,风蚀残土墩,风蚀根露,风蚀留砾,魔鬼城,（二）化学风化作用指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。,影响因素：水、二氧化碳、氧气等。,1、水解作用：是指水分子解离出来的氢离子和矿物中 的盐基离子所引起的置换作用。,2KAlSi3O8+2H2O+CO2,H2Al2Si2O8.H2O（高岭石）+4SiO2+k2CO3,水解作用的强弱与温度的高低、二氧化碳的浓度及酸性物质的多少密切相关。,（正长石）,H2Al2Si2O8.H2O+xH2O,Al2O3nH2O,+2 SiO2mH2O,(红土化过程）,岩石受化学因素作用而引起的破坏作用。,2、水化作用：无水矿物与水接触后形成含水矿物的过程。,CaSO4+2H2O,CaSO4 2H2O,岩石水化后体积增大，硬度降低，溶解度增加，易于风化崩散。,Fe2O3H2O（针铁矿）：棕或黄棕色,Fe2O32H2O（褐铁矿）：黄色,2Fe2O33H2O（褐铁矿）：棕黄色,3、氧化作用：,岩石中易于发生氧化作用的是一些含硫、铁的矿物。,2FeS2+7O2+16H2O,2(FeSO47H2O)+2H2SO4,4、碳酸化作用：,CaCO3+H2O+CO2,Ca2+2HCO3-,（喀斯特地貌形成的原因）,5、溶解作用水作为一种溶剂，将岩石中的可溶性盐类溶解Ca3(PO4)2+2H2O+2CO2 Ca(H2PO4)2+CaCO3,风化特点和结果：改变了岩石的化学成分和性质,形成了新的次生粘粒矿物。颗粒进一步变小，小于0.001，具有胶体性质。释放了可溶性盐类，是植物养料的最初来源,指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。1、根系的挤压；2、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；3、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。,图2-21 植物根的机械破坏作用,(三）生物风化作用：生物的生命活动及其分解产物对岩 石的破坏作用。,1、生物的物理风化作用（机械破碎）2、生物的化学风化作用,沙漠地区：以物理风化为主南方湿润地区：以化学风化作用为主寒漠地区：以生物风化为主,以上三大类风化作用相互联系，相互促进，共同引起岩石的破坏和分解。,二、风化作用的产物,风化残体（难风化和尚未风化完全的原生矿物）易溶于水的简单盐类各种风化程度不同的次生矿物,层状硅酸盐粘粒矿物,氧化物组,简单盐类,渍水土壤的特殊矿物,一 残积体：风化物后未经搬运二 坡积体：风化物在重力或径流作用在坡体上沉积三 洪积体：经洪水的搬运在山前沉积四 冲积体（河床、河漫滩，牛轭湖，三角洲等）五 湖积体：积水沉积六 风积体：风力搬运和沉积七 黄土母质：风成母质八 滨海沉积体：海相沉积体,三、风化产物的搬运与堆积,河流沉积二元结构，延庆盆地,风积体：流动沙地沙波纹（毛乌素）,黄土母质：峁边线,本讲小结,从土地资源、人口增加和耕地减少等方面来阐述我国实施耕地保护措施的重要意义。,请阐明岩石、母质、土壤三者之间的差异，并说明相互间的关系。试比较南、北不同地区岩石风化的特点及母质的风化淋溶程度与土壤肥力的关系。,