土壤的基本物质组成.ppt

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1、第2章 土壤的基本物质组成,2.1 土壤矿物质与岩石的风化岩石风化形成的矿物质颗粒统称为土壤矿物质(soil mineral matter)。2.1.1 岩石(rock)的风化2.1.1.1 地壳的元素组成地壳的成分极其复杂，几乎包括绝大多数已知元素，但以氧、硅、铝、铁四种元素为主。2.1.1.2 主要成土矿物、岩石自然界的矿物岩石经风化作用及外力搬运形成母质（parent material),母质经成土作用形成土壤。,岩石是一种或数种矿物的集合体。根据其成因可分为三类：（1）岩浆岩（magmatic rock)：由岩浆冷凝而成。（2）沉积岩(sedimentary rock)：由各种先成的岩

2、石经风化、搬运、沉积、重新固结而成或由生物遗体堆积而成的岩石称为沉积岩。（3）变质岩(metamorphic rock)：在高温高压下岩石中的矿物发生重新结晶或结晶定向排列而形成的岩石称为变质岩。,2.1.1.3 岩石的风化风化(weathering)是指岩石、矿物在外界因素和内部因素的共同作用下，逐渐发生崩解和分解的过程。（1）物理风化(physical weathering)（2）化学风化(chemical weathering)（3）生物风化(biological weathering)2.1.1.4 母质的类型及分布规律（1）残积物(residual deposit)（2）坡积物(sl

3、op deposit)（3）洪积物(diluvial deposit)（4）冲积物(alluvial deposit)（5）湖积物(lacustrine deposit)（6）海积物(marine deposit)（7）风积物(aerolian deposit)（8）黄土(loess)（9）红土(quaternary red clay)2.1.2 土壤的矿物组成和化学组成2.1.2.1 土壤矿物,（1）原生矿物(primary mineral)：在风化过程中没有改变化学组成而遗留在土壤中的一类矿物称为原生矿物。（2）次生矿物(secondary mineral)：原生矿物在风化和成土作用下，新

4、形成的矿物称为次生矿物。2.1.2.2 土壤矿物质的化学组成 土壤矿物质的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素。其中氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳等10种元素占土壤矿物质总量的99%以上，这些元素中以氧、硅、铝、铁四种元素含量最多。,2.1.3 土壤的机械组成2.1.3.1 土壤粒级土壤粒级分类 土粒分级一般是将土粒分为石砾、砂粒、粉砂粒和粘粒四级。,(1)国际制土粒分级,(2)前苏联制土粒分级（又称卡庆斯基制）是以粒径1mm为土粒的上限,以粒径小于0.001mm为土粒的下限。,(3)我国制土粒分级,各粒级的组成,(1)矿物组成 由于岩石中的各种矿物抵抗风化的强弱不同，造成各粒级土

5、粒的矿物组成有较大的差别。砂粒和粉砂粒主要是由各种原生矿物组成；粘粒部分主要由次生矿物组成。,(2)化学组成 砂粒和粉砂粒以石英和长石等原生矿物为主，二氧化硅含量较高；粘粒中，则以次生硅酸盐矿物为主，铁、钾、钙、镁等的含量较多。2.1.3.2 土壤质地(soil texture)土壤中各粒级土粒含量(质量)百分率的组合,叫做土壤质地(或称土壤颗粒组成、土壤机械组成).土壤质地分类:根据土壤中各粒级含量的百分率进行的土壤分类,叫做土壤质地分类.(1)国际制土壤质地分类:按砂粒、粉粒、粘粒三种粒级所占百分数划分为4类12种。,（2）前苏联土壤质地分类：根据物理性粘粒和物理性砂粒的含量，把土壤质地分

6、为三类九种.,(3)我国制土壤质地分类:将土壤分为3大组成12种质地名称。,2.1.3.3 土壤质地与肥力的关系土壤质地常常是土壤通气、透水、保水、保肥、供肥、保温、导温和耕性等的决定性因素。（1）砂土类(sand soil)：a、粒间孔隙大，毛管作用弱，通气透水性强，内部排水通畅，不易积聚还原性有害物质：b、矿物成分主要是石英，含养分少，要多施有机肥料；c、通气性好；d、含水量低，热容量较小；e、松散易耕，缺少有机质的砂土泡水后容易沉淀、板结、闭气。,（2）粘土类(clay soil)：a、粒间孔隙小，多为极细毛管孔隙和无效孔隙，通气透水性差，内部排水慢，易受渍害和积累还原性有毒物质；b、粘

7、土一般含养分较丰富，特别是钾、钙、镁等含量较多；c、粘土保肥力强、含水量多、热容量较大，升温慢降温也慢，昼夜温差小；d、粘土干时紧实坚硬，温时泥烂，耕作费力，宜耕期短。(3)壤土类(loam soil)：这类土壤由于砂粘适中，兼有砂土类、粘土类的优点，消除了砂土类和粘土类的缺点，是农业生产上质地比较理想的土壤。,2.1.3.4 不同质地土壤的利用 各种作物因其生物学特性上的差异，加之对耕作和栽培措施的要求也不完全一样，所以它们所需要的最适宜的土壤条件就可能不同。其中土壤质地就是重要的条件之一。,2.1.3.5 土壤质地的改良(1)增施有机肥料(2)掺砂掺粘、客土调剂（3）翻淤压砂、翻砂压淤（4

8、）引洪放淤、引洪漫沙（5）根据不同质地采用不同的耕作管理措施,2.2 土壤生物与土壤有机质2.2.1 土壤生物(soil organisms)生活在土壤中的生物包括动物、植物和微生物。2.2.1.1 土壤微生物(soil microorganisms)土壤微生物包括细菌、真菌、放线菌、藻类和原生动物等五个类群。其中，细菌数量最多，放线菌、真菌次之，藻类和原生动物数量最少。（1）细菌(bacteria)（2）放线菌(actinomycetes)（3）真菌(fungi)（4）藻类(algae)（5）原生动物(protozoon),2.2.1.2 土壤动物 每公顷的土壤中约含有几百千克的各种动物,其

9、中占优势的类群是蚯蚓、线虫、昆虫、蚂蚁、蜗牛等。（1）蚯蚓(earthworm)（2）线虫(nematode)（3）其它土壤动物：螨类、蚂蚁、蜗牛、啮齿类动物、其实昆虫等。2.2.2 土壤有机质(soil organic matter)土壤有机质泛指土壤中来源于生命的物质。2.2.2.1 土壤有机质的来源及存在形态（1）新鲜有机质（2）半分解的有机质（3）腐殖质,2.2.2.2 土壤有机质的组成和性质（1）糖类化合物（2）纤维素和半纤维素（3）木质素（4）含氮化合物（5）脂肪、树脂、蜡质和单宁2.2.2.3 土壤有机质的转化过程（1）有机质的矿化过程(mineralization proces

10、s)有机质的矿化过程是指有机质在微生物作用下，分解为简单无机化合物的过程，其最终产物为CO2、H2O等，而N、P、S等以矿质盐类释放出来，同时放出热量，为植物和微生物提供养分和能量。,糖类化合物的转化 含氮有机物的转化：水解作用；氨化作用；硝化作用 含磷、含硫有机化合物的转化（2）土壤有机质的腐殖化过程(humification process)有机质的腐殖化过程是形成土壤腐殖质的过程。2.2.2.4 腐殖质的组成和性质（1）腐殖质的组成 胡敏酸（褐腐酸）、富里酸（黄腐酸）和胡敏素（黑腐素）。（2）腐殖质在土壤中存在的形态 游离状态的腐殖质；与盐基化合成稳定的盐类；与含水三氧化物化合成复杂的凝

11、胶体；与粘粒结合成胶质复合体。,（3）腐殖质分子结构（4）腐殖质具有带电性（5）腐殖质的吸水性（6）腐殖质的稳定性,2.2.2.5 影响土壤有机质转化的因素（1）有机质的碳氮比和物理状态有机质的碳氮比是指有机物中碳素总量和氮素总量的比例。通常把每克干重的有机质经过一年分解后转化为腐殖质（干重）的克数，称为腐殖化系数。,（2）土壤水、热状况（3）土壤通气状况（4）土壤酸碱性2.2.2.6 土壤有机质对土壤肥力的作用（1）土壤养分的主要来源（2）改善土壤物理性质（3）提高土壤的保肥性（4）促进作物生长发育（5）有助于消除土壤的污染,2.3 土壤水分2.3.1 土壤水分的保持2.3.2 土壤水分的类

12、型和性质2.3.2.1 土壤吸湿水固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力从大气和土壤空气中吸附气态水，附着于土粒表面成单分子或多分子层，称为土壤吸湿水(soil hygroscopic water)。吸湿水的特点：水分子呈定向紧密排列、密度1.22.4g/cm3、无溶解能力、不能以液态水自由移动，也不能被植物吸收。吸湿水达到最大值，此时的土壤吸湿水量就叫做最大吸湿量。,2.3.2.1 膜状水(soil film water)吸湿水达到最大后，土粒还有剩余的引力吸附液态水，在吸湿水的外围形成一层水膜，这种水分称为膜状水。作物无法从土壤中吸收水分而呈现永久凋萎，此时的土壤含水量就称为凋萎系数。,当膜

13、状水达到最大厚度时的土壤含水量称为最大分子持水量。2.3.2.3 土壤毛管水(soil capillary water)靠毛管力保持在土壤孔隙中水分称为土壤毛管水。毛管水的特点：这种水可以在土壤中上下左右移动、具有溶解养分的能力、作物可以吸收利用。毛管水的数量主要取决于土壤质地、腐殖质含量和土壤结构状况。根据土层中毛管水与地下水有无连接，通常将毛管水分为：毛管支持水(soil capillary supporting water)和毛管悬着水(soil capillary suspending water)毛管悬着水达到最大时的土壤含水量称为田间持水量(field water holding

14、capacity)。田间持水量的变化范围：砂土为：160220g/kg；壤土为：220300 g/kg；粘土为：280350 g/kg。,2.3.2.4 土壤重力水(soil gravitational water)土壤重力水是指土壤水分含量超过田间持水量之后，过量的水分不能被毛管吸持，而在重力的作用下沿着大孔隙向下渗漏成为多余的水。土壤所有孔隙都充满水分时的含水量称为土壤全蓄水量或饱和持水量。2.3.3 土壤水分含量的表示方法2.3.3.1 土壤质量含水量(mass water content of soil)土壤质量含水量是指土壤中保持的水分质量占土壤质量的分数,单位g/kg(也曾用%表示

15、)。m=(m1-m2)/m21000式中m为土壤质量含水量（g/kg）、m1为湿土质量（g）、m2为干土质量（g）。,2.3.3.2 土壤容积含水量(volumetric water content of soil)土壤容积含水量是指土壤水分容积与土壤容积之比，常用v表示单位为cm3/cm3。v（%）=（土壤水分容积/土壤容积）1002.3.3.2 土壤相对含水量(relative water content of soil)在生产实际中常以某一时刻土壤含水量占该土壤田间持水量的百分数作为相对含水量来表示土壤水分的多少。土壤相对含水量=（土壤含水量/土壤田间持水量）100%2.3.3.4 水层

16、厚度 这是指一定深度（mm）土层中水分总量相当于若干水层厚度（mm）。水层厚度(mm)=土壤质量含水量%土壤容重土层深度(mm）,2.3.4 土壤水分的能态 土壤中所保持的水分与自由水不同，它不但受到各种吸力（分子力、毛管力等）的作用，而且还含有一定的溶质，因此在同样的条件下，土壤水分的能量比自由水低。2.3.4.1 土水势(soil water potential)土水势表示土壤水分在土-水平衡体系中所具有的能态。它是指将单位水量从一个土-水系统移到温度和它完全相同的纯水池时所做的功。常用（）来表示。土水势主要由以下几个分势组成：基质势（matric potential)（m）：它是指将单位

17、水量从一个平衡的土-水体系移动到另一个没有土壤基质，而其它状态完全相同的水池时所做的功。基质势在非饱和情况下为负值。,压力势(pressure potential)（p）：它是指将单位水量从一个土-水体系移动到另一个压力不同，而温度、基质、溶质等状态完全相同的参比系统时所做的功。压力势一般为正值。溶质势(osmotic potential)（s）：它是指将单位水量从一个平衡的土-水体系移动到另一个没有溶质而其它状态均相同的水池时所做的功。溶质势一般为负值。重力势(gravitation potential)（g）：它是指由于重力场位置不同于参比状态水平面而引起的势能变化。2.3.4.2 土壤水

18、吸力(soil water suction)土壤水吸力是指土壤水承受一定吸力的情况下所处的能态。土壤水吸力在数量上与土壤水负压力相等，通常简称为土壤吸力。,2.3.4.3 土壤水分特征曲线(soil water characteristic curve)土壤水分特征曲线又称土壤持水曲线。它是指土壤水的基质势或土壤水吸力与含量水量的关系曲线。,2.3.5 土壤水分状况与作物生长2.3.5.1 作物对土壤水分的需求(1)水分是作物的重要组成部分(2)土壤水分是影响作物出苗率的重要因素,(3)作物不同生育期对土壤水分的要求不同 若某一生育期土壤缺水,对作物产量影响最为严重,这一时期称为需水临界期。2

19、.3.5.2 土壤水分影响作物对养分的吸收 土壤水分状况直接影响作物对养分的吸收，土壤中有机养分的分解矿化离不开水分，施入土壤中的化学肥料只有在水中才能溶解，养分离子向根系表面迁移，以及作物根系对养分的吸收都必须通过水分介质来实现。,2.4 土壤空气土壤空气是土壤的重要组成,也是土壤的肥力因素之一。2.4.1 土壤空气的组成土壤组成的特点如下:（1）土壤空气中的二氧化碳含量比大气高十至数百倍；（2）土壤空气中氧的含量低；（3）土壤空气中的相对湿度比大气高；（4）土壤空气中有时含有还原性气体；（5）土壤空气数量和组成经常处于变化之中。,2.4.2 土壤通气性(soil aeration)土壤通气

20、性又称土壤透气性，是指土壤空气与近地层大气进行气体交换以及土体内部允许气体扩散和流动的性能。土壤通气性产生的机制主要有以下两方面：2.4.2.1 土壤空气扩散(soil air diffusion)土壤空气扩散是指某种气体成分由于其分压梯度与大气不同而产生的移动。其原理服从气体扩散公式：F=-Ddc/dx 式中：F是单位时间气体扩散通过单位面积的数量；dc/dx是气体浓度梯度或气体分压梯度；D是扩散系数，负号表示其从气体分压高处向低处扩散。由上式可知，气体分压梯度是引起土壤空气扩散的主要动力。,土壤空气与大气间通过气体扩散作用不断地进行着气体交换，使土壤空气得到更新，此过程也称为土壤呼吸（so

21、il respiration)。2.4.2.2 土壤空气整体交换(soil air exchange)土壤空气整体交换也称土壤气体的整体流动,是指由于土壤空气与大气之间存在总的压力梯度而引起的气体交换,是土体内、外部分气体的整体相互流动。土壤空气的整体交换常受温度、气压、刮风、降雨或灌溉水的影响。2.4.3 土壤通气状况与作物生长2.4.3.1 土壤通气状况对种子萌发的影响2.4.3.2 土壤通气性对作物根系生长及其吸收水肥功能的影响,2.5 土壤热量2.5.1 土壤热量来源与平衡2.5.1.1 土壤热量来源(1)太阳辐射能(2)生物热(3)地热2.5.1.2 土壤热量平衡 土壤热量平衡是指土

22、壤热量的收支情况。土壤热量平衡可用下式表示：Q=E-Q1-Q2-Q3 式中：Q为用于土壤增温的热量；E为土壤表面获得的太阳辐射能；Q1为地面辐射所损失的热量；Q2为土壤水分蒸发所消耗的热量；Q3为其它方面消耗的热量。,2.5.2 土壤的热特性2.5.2.1 土壤热容量 土壤热容量是指单位容积或单位质量的土壤在温度升高或降低1时所吸收或放出的热量。可分为容积热容量和质量热容量。容积热容量是指每1 cm3土壤升、降1时需要吸收或释放的热量，用 Cv 表示，单位为J/(cm3.K)；质量热容量也称比热，是指每1克土壤升、降温1，所需吸收或释放的热量，用 C 表示，单位为 J/(g.K)。两者之间的关

23、系式为：Cv=c（式中为土壤容重）。土壤热容量的大小主要受土壤的三相组成影响。,2.5.2.2 土壤导热率(soil thermal conductivity)土壤导热率是评价土壤传导热量快慢的指标，它是指在面积为1m2、相距1m的两截面上温度相差1度（K）时，每秒中所通过该单元土体的热量焦耳数。其单位为J/（mK s）。土壤的三相组成中，空气的导热率最小，矿物质的导热率最大，为土壤空气的100倍，水的导热率介于两者之间。2.5.2.3 土壤导温率(soil temperature conductivity)土壤导温率又称土壤导热系数或热扩散率。它是指在标准状况下，当土层在垂直方向上每厘米距离

24、内有1J的温度梯度，每秒钟流入断面面积为1m2的热量，使单位体积（1m3）土壤所发生的温度变化。土壤导温率的计算公式为：K=/CV式中K为土壤导温率；为导热率；CV为土壤容积热容量。,土壤导温率与导热率呈正相关，与热容量呈负相关。2.5.3 土壤温度与作物生长2.5.3.1 土壤温度与种子萌发2.5.3.2 土壤温度与作物根系生长2.5.3.3 土壤温度与作物营养生长和生殖生长2.5.3.4 土壤温度影响养分转化与吸收2.6 土壤水、气、热的调节与氧化还原性2.6.1 土壤水、气、热的调节2.6.1.1 土壤水分的调节(1)土壤水分平衡 是指在一定时间和一定容积内,土壤水的收入和支出平衡.计算

25、作物日耗水量确定灌溉时间,（2）土壤水分调节 控制地表径流，增加土壤水分入渗 减少土壤水分蒸发 合理灌溉 提高土壤水分对作物的有效性 多余水的排除2.6.1.2 土壤空气调节2.6.1.3 土壤温度调节（1）合理耕作与施用有机肥（2）以水调温（3）覆盖与遮荫2.6.2 土壤氧化还原性质2.6.2.1 土壤氧化还原体系,2.6.2.2 土壤氧化还原电位土壤氧化还原电位可用下式表示：,旱地土壤的Eh值多在400700mV之间，大于700mV，表明土壤通气过强；Eh值低于200mV，则土壤通气不良。水田土壤的Eh值变化较大，正常值低于200300mV，长期积水的水稻土可降至100mV甚至下降到负值。土壤养分的转化也与Eh值有蜜切的关系。,