2022年第六章讲稿土壤圈 .pdf
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1、学习必备欢迎下载第六章土壤圈大气圈、水圈和岩石圈是地理环境中无生命的圈层,而土壤圈和生物圈则是地理环境中具有类生命和生命性质的圈层。 从地球演化历史方面考察, 这后两个圈层形成较晚, 属于地理环境中比较“年轻”的成员,在进化阶段上,土壤比生物低级,其结构和功能比生物体亦简单得多。土壤通是指位于陆地表层和浅水域底部,由有机物质和无机物质组成的、具有一定肥力而能够生长植物的疏松层 ,其厚度一般为 12m以内。土壤有地球表面所构成的覆盖层称为土壤圈或土被层。现代土壤科学不但研究土壤类型的组成、性质及其与各成土因素之间的关系,还将土壤圈内部的物质迁移转化过程及与地球其他圈层之间的物质交换过程、速率、机
2、制及其相互影响作为研究重点,以便为保持和改善人类生存环境、发展农林牧业生产和全球变化研究服务。第一节土壤的组成和性质一、土壤剖析(一)土壤剖面、单个土体和聚合体自然界的土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂直和水平方向上各异的三维连续体,因此,认识和研究土壤需从具体的土壤剖面及单个土体划分及其剖析入手。1土壤形态特征从地面垂直向下至母质的土壤纵断面称为土壤剖面。 土壤剖面中与地面大致平行的物质及性状相对均匀的各层土壤, 称为土壤发生层, 简称土层, 土壤发生层是土壤剖面的基本组成单元,如图 6.1 所示。奥地利土壤学家库比纳(Kubiena)早在 1953年就提出了 A、B、Bh、BC、C和
3、G土壤发生层,根据这些土层的组合将土壤划分为(A) C 、AC 、A(B)C、ABC 、BABC型 5 种土壤。后来这一观点得到发展和进一步的完善,并构成了土壤形态发生学的基础。 在土壤剖面之中土层的数目、排列组合形式和厚度, 统称为土壤剖面构造或土体构型,它是土壤最重要的形态特征。依据土壤剖面中物质迁移转化和累积的特点,一个发育完整的土壤剖面可以划分出三个最基本的土壤发生层,即A、B、C层。在同一土壤剖面中的每个土层与其上下相邻的土层之间,在土壤颜色、结构体、质地、有机质含量等方面具有明显差别,这种差别也是逐渐变化的。但是对某一类型的土壤而言,它具有特定的典型土壤剖面构型。2聚合土体由于土壤
4、无论在时间和空间上均是呈连续状态存在的,故土壤科学的学习与研究总是首先从土壤剖面观察、 采样及化验分析入手, 以了解土壤的物质组成、 性状及其与成土环境的关系。土壤剖面的立体化就构成了单个土体(图 6.1 ) 。单个土体是土壤的最小体积单位,单个土体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 49 页学习必备欢迎下载的形状大致为六面柱状体,根据土壤剖面的变异程度,单个土体的水平面积一般为1.10 m2。在空间上相邻、 物质组成和性状上相近的多个单个土体便组成聚合土体。聚合土体相当于土壤系统分类中的基层单元中的土系,是一个具体的土壤景
5、观单位,它经常被作为土壤野外调查、观察、制图及其研究的重要对象。(二)土壤肥力土壤形成的周期非常漫长,多数土壤经过了数千万年的发育历史。JThorp(1965)曾指出,经过 7 00010 000 年的发育时间,冰碛物上的土壤仍处于原始阶段。据报道,在石灰岩上形成 2.5 cm厚的细土层,大约需要240500年的时间。相对于人类社会来说,土壤资源也可以被认为是不可再生资源,它一旦遭到破坏,很难恢复。所以我们要十分珍惜土壤资源,合理开发利用和保护土壤资源。土壤肥力是指土壤为植物生长发育供应、协调营养因素(水分和养分)和环境条件( 温度和空气 ) 的能力。虽然植物生长所必需的基本因素即光能和热量主
6、要来源于太阳辐射,空气 (主要为 O2和 CO2)取自大气圈,而水分和养分却主要通过根系从土壤中吸取。植物之所以能立足于自然界经历风雨而不倾倒, 也是由于其根系伸展在土壤圈之中,并从中获得土壤机械支持的缘故。土壤肥力及其生产力是农林牧业生产的基本保证,农林牧业生产过程包括植物性生产和动物性生产两个基本部分, 其基本功能是为人类社会提供充足的食物和纤维等生活必需品。土壤不仅是植物生产的基本生产资料和基础,也是动物生产的基础, 因为任何养殖业均以植物作为饲料,动物只能利用绿色植物通过光合作用合成的有机物之中的化学能和营养物来维持其生命活动。常言道“万物土中生” ,就是这个道理。人们通过改良、合理开
7、发与持续利用土壤资源以提高农林牧业的生产力,如开垦荒地、平整土地、耕作施肥、灌溉排水等。于是作为历史自然体的土壤便在人类活动的影响下,逐渐向肥力更高的耕作熟化土壤方向演化,使土壤最终成为人类劳动的产物。 一般来说开垦之前的土壤是在自然因素综合作用下形成的,称为自然土壤;自然土壤在被开垦利用之后,土壤虽仍然受自然因素的作用,但同时也承受人类活动的影图 6.1 土壤剖面、单个土体和聚合土体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 49 页学习必备欢迎下载响,人类通过有意识地改变土壤与地理环境要素之间的物质能量迁移转化过程,直接参与了土
8、壤的发育过程, 使自然土壤发育成为耕种土壤。因此,影响土壤圈演化的因素除了自然成土因素之外,人类活动也是其重要因素。 人类活动的介入使土壤圈演化进入了新的阶段。当人类开发利用合理时, 土壤肥力会不断提高, 反之,则会引起土壤退化, 如土壤侵蚀、 土壤风蚀沙化、土壤次生盐碱化、土壤污染等。(三)土壤自净能力土壤自净能力是指土壤对进入土壤中的污染物通过复杂多样的物理过程、化学及生物化学过程,使其浓度降低、毒性减轻或者消失的性能。有的学者也称这种能力为净化器的功能。土壤自净能力包括以下几类:1物理自净即通过扩散与稀释、 淋洗、挥发、吸附、沉淀等使土壤中污染物浓度或者活性降低的过程。2化学自净即通过氧
9、化还原、化合分解、酸碱反应、络合与螯合等过程,使土壤中污染物浓度或者活性降低、毒性减小或者消失的过程。3物理化学自净即通过土壤胶体的吸附、 解吸和凝聚等物理化学过程, 使土壤中污染物浓度或者活性降低、毒性减小或者消失的过程。4生物自净即指通过生物生理代谢, 即生物降解与转化作用使土壤中污染物的浓度或者活性降低、毒性减少或者消失的过程。故土壤具有容纳消化污染物的性能(即土壤环境容量)。但土壤的自净性能是有限的, 如果利用不当就会导致土壤自净性能的衰竭以至丧失。由于现代工业生产排放大量工业“三废” (废渣、废水和废气),大都市所排放的大量生活污水不断渗入土壤; 现代农业高强度施用化肥和化学农药,已
10、经对区域土壤环境产生了深刻的影响,导致土壤自净能力衰竭以至丧失, 形成日益严重的土壤污染。 土壤污染不但直接影响到农副产品的品质,威胁人类的健康与安全,而且也会影响土壤的“净化器”功能,妨碍土壤维护和改善人类生存环境质量的重要作用。因此,预防土壤污染, 开发修复被污染土壤的新技术等也成为现代土壤科学研究的新课题。(四)土壤圈的特征土壤圈下部同岩石圈和水圈相接触,上部与大气圈和生物圈相接触, 处于岩石圈、大气圈、水圈、生物圈四大地理圈层的交接部位,各圈层之间的物质和能量交换大都通过土壤中转,因此土壤圈对四大圈层的组成、性质具有重要影响作用。例如,大气降水首先落到土壤上,然后通过土壤渗透才能到达地
11、下水, 在渗透过程中土壤中的一些可溶性物质可以进入地下水,从而影响地下水的化学组成和性质。再如,土壤中的有机物质在分解过程中可以产生CO2、CH4等气体,它们散逸到大气中后可以引起气温上升,进而引起一系列自然地理系统的变化。土壤圈处于人类、 大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的界面与相互作用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。土壤圈与大气圈相互作用结合形成了土壤空气;与水圈相互作用结合形成了土壤溶液; 与岩石圈相互作用结合形成了土壤矿物;与生物圈相互作用结合形成了土壤生物;与四大地理圈层及人类共同相互作用下形成了土壤肥精选学习资料 - - - - - - - -
12、 - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 49 页学习必备欢迎下载力。土壤圈是绿色植物生长的自然环境,地球上每年有 550lO8t 的植物有机体在这一环境中形成和分解,其中90转入气相, 10则转化为中间产物保存在土壤圈中,其富集的灰分物质每年近 10lO8t ,与此同时,由于径流的溶解作用,每年约有3lO8t 的物质被注入江河大海。这足以说明土壤圈物质循环在全球物质循环中的重要地位和作用。在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈与土壤圈相互作用的界面上,新的土壤在不断地形成; 同时已有的土壤又不断地被剥离、搬运和堆积, 这种错综复杂的耦合关系形成了土壤圈物质循环的基本轮廓。另外土壤
13、圈在保蓄水分、供给水源、净化水质、保持陆地生物多样性,以及净化有机废弃物等方面具有广泛的生态环境功能。土壤是反映环境的一个信息系统和信息载体,土壤的空间构型、诊断土层、形态特征、物质组成及其理化性状, 都记录着地理环境变迁的历史, 它们能提供历史时期地理环境要素和人类活动的信息。土壤圈作为地理环境变化的记录体具有以下特性:1广泛性和相对稳定性即土壤广泛分布于地球陆地表层,易于发现和采集; 一般来说土壤形成发育过程中的物质空间运动范围较地质地貌过程小,故区域性较强。2综合性和聚集性即土壤是成土因素综合作用的产物,一种土壤记录不可能专一地反映某一种环境变化现象,它反映的是成土环境之综合作用,因而使
14、土壤记录的环境信息具有综合性。反之。一种地理环境要素的变化不可能仅引起特定土壤记录体发生变化,而会引起多种土壤记录体的变化,这构成了土壤记录信息的聚集性。因此,可从多方面对土壤进行解剖, 以得到更多更综合的信息。3滞后性即土壤各相 (固、液、气) 及土壤生物有机体对地理环境变化的反应具有不同的速率,可用特征反应时间 (CRT)即某个土壤性状达到与环境条件准平衡所需要的时间来表示。一般地讲,气相约 10-310-1年;液相约 10-2100年;土壤生物约 10-210-1年;固相约 100106年,其中土壤固相是重要的环境记录体。 将土壤性状信息解译成环境变化信息将是土壤地理学家和环境学家的共同
15、任务。二、土壤的组成土壤由矿物质、有机质、活的生物体、土壤溶液和土壤空气五种成分组成。按重量计,土壤矿物质一般占 95左右,有机质占5左右。若按容积计,土壤矿物质一般占3845,有机质占 512,两者共占50左右;土壤液相和气相共占50左右,并且两者相互消长。可见土壤是一种疏松的物质体系。 ( 一) 土壤的无机组成1矿物质的组成矿物质是土壤中最基本的组分,重量占土壤固体物质总重量的90% 以上。矿物质通常是指天然元素或经无机过程形成并具结晶结构的化合物。地球上多数土壤矿物都来自各种岩石,例精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共
16、49 页学习必备欢迎下载如花岗岩中的石英、 云母、正长石和斜长石等, 这些矿物经物理和化学风化作用从母岩中释放出来,就成为土壤矿物质和植物养分的主要来源。土壤矿物质按其成因类型可分为原生矿物和次生矿物两类(表 6.1 ) 。土壤原生矿物是指由岩浆岩、 变质岩和某些沉积岩仅经过物理风化,破碎变小后残留下来的矿物,这些矿物的组成和性质与原岩中的同类矿物完全相同。原生矿物是土壤矿物质的主体, 大多数是抗风化能力较强的石英和长石类矿物, 颗粒一般较大。 土壤次生矿物是指原生矿物的风化产物在一定条件下重新形成的矿物。这类矿物包括简单盐类、氧化物(氧化铁、氧化铝、氧化锰、次生氧化硅等)和次生铝硅酸盐,其中
17、次生铝硅酸盐是土壤次生矿物的主体。表 6.1 土壤中的主要原生矿物和次生矿物原生矿物化学式次生矿物化学式石英SiO2方解石CaCO3正长石KAlSi3O8白云石CaMg (CO3)2钠斜长石NaAlSi3O8石膏CaSO4 2H2O 钙斜长石CaAlSi3O8磷灰石Ca5(PO4)3 (Cl,F)白云母KAl3Si3O10(OH )2褐铁矿Fe2O33 H2O 黑云母KAl(Mg Fe)3Si3O10(OH )2赤铁矿Fe2O3角闪石Ca2Al2 Mg2Fe3Si6O (OH )2三水铝土AlO33 H2O 辉石Ca2( Al Fe)4( Mg Fe)4Si6O24粘土矿物Al-Silicat
18、es 土壤次生铝硅酸盐的种类很多,但最主要的是高岭石、 蒙脱石和伊利石。 这些矿物的颗粒都很小,可缩性和黏结性等胶体性能比较明显,故也称之为黏土矿物。在显微镜下观察,次生铝硅酸盐晶体呈薄层片状,其主要化学成分是Al、Si 和 O等,所以又称为层状铝硅酸盐。不同类型的次生铝硅酸盐具有不同的层状构造,也表现出不同的性质, 高岭石、蒙脱石和伊利石的主要性质见表 6.2 。表 6.2 高岭石、蒙脱石和伊利石的主要性质比较黏土矿物性质高岭石蒙脱石伊利石胀缩性遇水不易膨胀, 失水不易收缩遇水极易膨胀,失水极易收缩介于高岭石和蒙脱石之间同晶替代现象基本不发生普遍发生普遍发生带电性负电荷数量少负电荷数量多负电
19、荷数量多吸收阳离子的能力相对较弱很强强颗粒大小相对较大细小介于高岭石和蒙脱石之间黏结性能相对较弱很强强2矿物质的变化土壤矿物质的种类和数量始终处于两个截然相反的变化过程之中:一方面是矿物质的风化精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 49 页学习必备欢迎下载分解,由大颗粒变为小颗粒, 或由不溶性矿物变为易溶性矿物,或由难移动性矿物变为可移动性矿物的过程; 另一方面是风化产物重新合成新矿物,由小颗粒变为大颗粒, 或由易溶性矿物变为不溶性矿物, 或由可移动性矿物变为难移动性矿物的过程。不管哪一个过程都与矿物所处的环境条件有关。关于岩
20、石和矿物的风化过程详见第五章第一节有关内容。下边仅介绍黏土矿物的形成与变化。黏土矿物是原生矿物在风化过程中所形成的分解产物经过相互絮凝、与环境物质相互吸收和交换等过程重新合成的新矿物。原生矿物分解产物中的SiO2带负电荷,当遇到带正电荷的Al(OH )3和 Fe(OH )3时便相互絮凝,形成非晶质次生矿物。在碱性或干旱环境中,非晶质次生矿物吸收 K+等盐基离子, 易形成晶质蒙脱石或伊利石;在高温多雨的环境中, 经过结晶易形成高岭石。 由此可以看出, 黏土矿物的形成与环境条件密切相关,不同自然地理区域中出现的主要黏土矿物类型不同(图 5.2 ) 。(二)土壤有机质1有机质的组成根据成因和复杂程度
21、, 土壤有机质可分为普通有机质和腐殖质两类。普通有机质是一类比较简单的、 有机化学界已经研究得比较清楚的有机化合物。土壤普通有机质的种类很多,如碳水化合物(单糖、双糖和多糖) ,各种有机酸 (脂肪酸中的草酸、甲酸、柠檬酸等及芳香族酸中的原儿茶酸、香草酸、咖啡酸等),木质素,各种含氮、磷、硫的有机化合物(蛋白质、氨基酸、核酸等)以及其它有机化合物(树脂、单宁、鞣质等)。土壤普通有机质直接来源于动植物残体和微生物残体,是土壤生物的食物和能量源泉,分解后可为植物提供养分。腐殖质是土壤普通有机质的分解产物经缩合或聚合重新形成的一类复杂的有机化合物。腐殖质是土壤有机质的主体,约占有机质总量的5065。腐
22、殖质主要由胡敏酸和富里酸组成,两者约占腐殖质总量的60。胡敏酸和富里酸的性质差异很大,且对土壤性质有重要影响(表 6.3 ) 。表 6.3 胡敏酸和富里酸的性质比较腐殖质性质胡敏酸富里酸复杂程度分子结构复杂, 分子量一般在20 000100 000 之间分子结构较简单,分子量一般在951 左右溶解和移动性能溶于碱而不溶于酸,一价盐可溶于水,二价和三价盐均不溶于水,移动性弱溶于水、酸和碱一,一、二、三价盐均溶于水,移动性强酸碱性弱酸性强酸性负电荷数量少多吸收阳离子数量少多颜色较暗,又称黑腐酸较淡,又称黄腐酸2有机质的转化土壤有机质的转化是指在土壤生物的作用下所发生的土壤有机质存在形态之间的变化。
23、土精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 49 页学习必备欢迎下载壤生物特别是土壤微生物是土壤有机质转化的主要动力因素。土壤微生物数量大而且种类很多,是有机质分解转化的主力军。据统计,每克土壤中至少有数千万个微生物,最多可达10多亿个,每公顷微生物量可达5.8 t 。土壤微生物是通过分泌一种叫做“酶”的物质对土壤有机质进行分解转化的。土壤酶是一种生物催化剂,具有高度的专一性。也就是说,种微生物能分泌一种特殊的酶, 而一定的酶又能参与一定的生物化学反应。在微生物的作用下, 土壤有机质的转化有两个不同的方向:一是土壤有机质的矿质化过
24、程,二是土壤有机质的腐质化过程。土壤有机质的 矿质化过程是指土壤普通有机质和腐殖质在微生物的作用下,分解成简单的有机化合物, 或最终形成简单无机盐类的过程。有机质矿质化的速度与有机质本身的组成和环境条件有关。有机质组成越复杂,分解速度就越慢。在氧化条件下,分解速度快,形成的中间产物少,最终产物是无机盐类、CO2和 H2O 等,不利于有机质的积累。相反,在还原条件下,分解速度慢,形成的中间产物多,有利于有机质的积累。土壤有机质的腐殖化过程是指在微生物的作用下,土壤有机质的一些分解中间产物重新缩合或聚合成复杂腐殖质的过程。一般认为, 该过程分两个阶段进行: 一是在微生物分解有机残体过程中形成腐殖质
25、的组成原料,如酚类化合物、 氨基酸和多酞等; 二是这些腐殖质的组成原料经过多次缩合和聚合形成复杂的腐殖质分子。在湿润的森林条件下易形成富里酸,在较干旱的草原条件下易形成胡敏酸。(三)土壤水分1土壤水分形态类型及水分常数任何土壤或多或少都含有一定数量的水分,其存在状态可分为液态水、气态水和固态水。其中固态水不能移动,也不易被植物吸收利用;气态水虽然可以在土壤孔隙中发生扩散运动,但也不能被植物吸收利用; 液态水的绝大部分既可以运动也可以被植物吸收利用,是土壤水分的主要形态类型 。每一种土壤水分形态类型达到最大时的含水量叫水分常数。土壤液态水的存在状态又可分为以下四种类型( 图 6.2) 。图 6.
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