第2章_土壤固相组成及特征

第二节 土壤有机质
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 土壤腐殖质/特异性土壤有机质
土壤腐殖质-特异有机质
土壤腐殖质土壤有机质的主要组成部分，约占有机质总量的50％～
65％。腐殖质是一种分子结构复杂、抗分解性强的棕色或暗棕色无定
③
胡敏酸和富里酸在土壤中可呈游离态的腐殖酸或腐殖酸盐状态存在，亦可 以铁、铝结合成凝胶状态存在，它们多数与次生黏土矿物紧密结合，形成 有机一无机复合体，构成良好的土壤结构体；壤腐殖质还具有与重 (类)金 属元素、有毒有机物结合形成非水溶性络合物的特性，使土壤中这些有毒 有害物对生物的危害性降低，从而形成了土壤自净能力的物理化学基础； 腐殖质表面还吸附大量的阳离子，如Ca2+、H+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。
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一类
有机高分子化合物。
土壤腐殖质种类：胡敏酸、富里酸、棕腐酸和胡敏素。 土壤腐殖质组成元素：
土壤腐殖质主要是由 C、H、O、N、S、P等营养元素组成，从化 学元素的含量来看，胡敏酸含C、N、S较富里酸高，而O含量则较富 里酸低。
土壤腐殖质的性质
次生矿物形成过程/原因
① 原生矿物在风化分解过程中，因晶体结构尚未完全解体而降解形
成为新的矿物。
例如：正长石吸水脱钾就形成了水化云母，继续脱钾就变成蒙 脱石，继而再脱硅就变成高岭石，最后彻底分解而形成含水的铁铝氧 化物。见下图
②原生矿物晶体彻底风化分解后，再由其分解产物重新合成、再结 晶形成的新的矿物。
第2章 土壤固相组成及诊断特征 （4学时）
第一节 土壤矿物/无机质 第二节 土壤有机质 第三节 土壤固相的物理诊断特征
第一节 土壤矿物/无机质
1. 原生矿物
2. 土壤矿物的形成和转化
3．土壤次生矿物
4.土壤机械组成/土壤质地
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
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。
4、土壤质地
土壤质地： 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，颗粒的大小组成特征称为质地或机械组 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。
影响土壤矿物风化的因素P27
外因 ：在地理环境中，水分、温度、环境介质的pH值、Eh值、
生物是影响矿物风化过程的主要外在因素。
一般随着温度、湿度和酸度的增加，矿物的化学风化程度亦随之增强， 如在高温高湿、强酸性热带雨林地区的矿物风化过程最为强烈，其表土 中原生矿物已被风化殆尽。 环境介质的 Eh值主要影响含有变价元素的矿物的风化过程，如铁、 锰氧化物在Eh值较高的氧化条件下呈惰性，而在Eh值较低的还原条件下 则是可溶性化合物。 生物因素对矿物风化的影响方式可归结为：①植物根系的穿插可加 速矿物的机械破碎；②生物体所分泌的有机酸，可极大地促进矿物的溶 解、水解过程。
成严重的水土流失。壤土由于土壤中砂粒、粉粒和黏粒含量比较适中，壤土既具有
一定数量的非毛管孔隙，又有适量的毛管孔隙，兼顾砂土和黏土的优点。另外土壤 质地构型对于农业生产、水土保持也具有重要影响，一般来说上砂下黏的土壤有利 于耕作、发苗，又托水保肥，被称为“蒙金地”；相反上黏下砂，既不便于耕作，
又漏水漏肥，因此，还会引起区域严重的生态环境问题
①
胡敏酸：是溶解于碱、不溶于酸和酒精的一类高分子有机化合物，具有胶
体特性。其分子结构具有明显的芳香化，故芳香结构体是胡敏酸的结构基 础，这些芳香结构体的核部具有疏水性、外围则有各种官能团，多数官能 团则具有亲水性，官能团中的羟基、酚羟基可在水溶液中解离出 H+，从而 胡敏酸具有弱酸性、吸附性和阳离子交换性能。胡敏酸的一价盐均溶于水， 而二价盐和三价盐则不溶于水，因此土壤腐殖质中的胡敏酸对土壤结构体、 保水保肥性能的形成起着重要的作用。
2.1 土壤矿物
2.2 土壤有机质
掌握土壤诊断特性 及其测量方法。
2.3 土壤固相的 物理诊断特性
土壤是由固相(矿物质、有机质、土壤生物)、液相(土 壤水和溶液)和气相(土壤空气) 三部分组成的混合体系，
是一个开放体系，能量和质量永远处于动态平衡状态。
典型土壤的组成特征： 最适于植物生长的典型土壤的体积组成大致为：土 壤孔隙占 50 ％，其内含水分和空气，且水分与空气比例 大约是各占一半；土壤固体占 50％，其中矿物占45％， 有机质占5％。
土壤质地与土壤性质的影响
砂土/暖性土 ：由于土壤颗粒是以砂粒占优势，土壤中大孔隙多而毛管孔隙 少，因此，砂土的通气性、透水性强，而保水蓄水保肥性能弱。砂土的热容量小， 故土壤温度变化剧烈，易受干旱和寒冻威胁。但在春季砂土升温较快发苗早，故称 为暖性土。由于砂土通气良好，土壤有机质分解快而不易积累，砂土的肥力相对贫 瘠。但它又有易耕作、适宜性强、供肥快等优点。农业生产成本，并加重农业面源 对地表水体的污染。 黏土/冷性土:由于土粒微小，土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作 用力强，土壤透水通气性差；但保水蓄水及保肥性能强，有机质分解缓慢有利于积 累，故土壤养分含量丰富；黏土的热容量大、温度变化迟缓，特别是春季升温慢影 响幼苗生长，有“冷性土”之称。同时黏土不易耕作、其地表易形成超渗径流，造
如：正长石的水解：脱盐基阶段，脱硅阶段，富铝化阶段
①土壤矿物的风化过程在空间上也表现出一定的地带性。
如极端寒冷、干旱南极大陆寒漠地区土壤矿物风化以物理风化为主，地表以饱和 硅铝型风化物为主； 在温带、亚热带干旱荒漠地区土壤矿物风化以物理风化、溶解过程为主，地表以 碳酸盐、石膏等风化壳为主； 在温暖湿润的温带地区土壤矿物风化以水化、脱盐基过程为主，地表以碎屑状硅 铝风化壳为主； 在湿热的热带、亚热带地区土壤矿物风化则以脱硅、富铝化过程为主，地表则以 硅铁质硅铝质风化壳为主。
国际上主要的土粒分级标准图式
土壤质地与土壤性质的关系：
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。
下图
土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式 (据Pierzynski，2000)
如硅、铁、铝的氧化物凝胶共同沉淀可形成水铝英石，或单独 结晶为各种次生氧化物。
不同地理环境中次生矿物形成示意图
土壤中次生矿物主要种类
①易溶盐类: 由原生矿物脱盐基过程或土壤溶液中易溶盐离 子析出而形成。
主要包括碳酸盐(如Na2CO3)、重碳酸盐(如NaHC03、Ca(HC03)2)、硫 酸盐(CaS04、Na2S04、MgS04)、氯化物(NaCl)。
内因：土壤矿物的组成、结晶构造及其理化性质是影
响其风化过程和程度的内在因素。
一般来说，矿物化学成分愈复杂 (如含盐基离子较多 )的矿物，较 易于物理风化，化学分解也比较复杂；原生矿物自熔岩依稳定的冷却而 渐次结晶析出，其愈先结晶的矿物愈易被风化。
图2-2 土壤矿物的风化及稳定性序列图
(T为年均气温/℃，R为年均降水量/mm) 中国地表风化壳及风化类型分异断面图
③ 次生铝硅酸盐：次生铝硅酸盐是原生矿物化学风化过
程中的重要产物，也是土壤中化学元素组成和结晶构造极
为复杂的次生黏土矿物。
高岭石类矿物：包括高岭石和埃洛石。由于该矿物晶体单元一面是氧原子， 另一面是OH群，因而在相邻两个晶体单元之间形成了氢键，就使得晶体单元 或晶层之间的距离固定不变，遇水不易膨胀，故属于非胀缩性矿物，因此它 们的吸水力、可塑性、黏着性均较弱。 蒙脱石类矿物：主要包括蒙脱石、绿泥石、拜来石等。相邻晶层之间联系 力微弱，并具有巨大的内表面，遇水易膨胀即晶层之间距离大且可变化，故 它们属于胀缩性矿物。2：1型矿物普遍具有同晶替代现象，使得该矿物带有 负电荷，因而具有较强的吸附阳离子的能力、可塑性和膨胀收缩性能。 水云母类矿物：也属于2：1型矿物，包括水云母、伊利石等。结晶构造与 蒙脱石类似，只是在相邻晶层之问有K’存在，由于K’ 的盐桥作用使得晶层 间结合紧密，晶层厚度仅1nm左右，遇水时膨胀受限制，因而胀缩性较小。 水云母类矿物也有同晶替代现象，并带有负电荷，其吸附阳离子的能力介于 高岭石与蒙脱石之间，且主要吸附的是K’，故含水云母多的土壤K素养分较 丰富。
铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图
铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图
图2-7 1:1型高岭石类晶体结构模型图
2:1型蒙脱石类晶体结构模型图
中国次生矿物分布的地带性（见教材）
• • 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；
常见于干旱半干旱地区和大陆性季风气候区的土壤中，在许多滨海地
区的土壤中也会大量出现。土壤中易溶盐过多会引起植物根系的原生质 核脱水收缩，危害植物正常生长发育。
②次生氧化物类：主要由原生矿物脱盐基、水解和脱硅过
程而形成，其主要包括：二氧化硅、氧化铝、氧化铁及氧 化锰等。
二氧化硅主要由土壤溶液中溶解的SiO2在酸性介质中发生聚合凝胶而成， 以氧化硅凝胶和蛋白石（ SiO2 · nH20）为主。 氧化铝是铝硅酸盐在高湿高温条件下高度风化的产物，是土壤中极为 稳定的矿物，其主要包括三水铝石(A12O30· 3H20)和一水铝石 (A1203· H20)， 多见于热带地区的土壤中。 氧化铁是原生矿物在高湿、高温条件下高度风化或者在潴水条件下氧 化还原过程的产物，是土壤中重要的染色矿物，其主要包括褐红色的赤铁 矿 (Fe2O3)、黄棕色的针铁矿 (Fe20· H2O) 、棕褐色的褐铁矿 (Fe2O3· nH2O) ， 即土壤中氧化铁不断水化就形成了黄色的水化氧化铁。 氧化锰是原生矿物在高湿高温条件下高度风化或者在潴水条件下氧化 还原过程的产物，也是土壤中重要的染色矿物，其主要是 MnO 和 MnO2常 以棕色、黑色胶膜或结核状态存在于土壤颗粒表面。
②
富里酸：是溶解于碱和酸的高分子有机化合物，从化学组成上看富里酸的C
／N比值比胡敏酸低，表明富里酸分子结构中芳香结构体聚合程度较低，其 外围的官能团中羟基、醇羟基明显增多，故富里酸在水溶液中可解离出更 多的H+，表现出较强的酸性。富里酸具有相对较弱的吸附性和阳离子交换 性能，其一价、二价盐和三价盐均溶于水，因此，对促进土壤矿物风化和 矿质养分的释放都有重要作用。
最适宜植物生长的壤质土壤表土的体积组成
1. 原生矿物 (primary mineral)
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（盐类）
原生矿物的特点
直接来源于母岩或母质中的矿物，特别是岩浆岩，它
只受不同程度的物理风化作用，而其化学成分和结晶构
造并未改变。其种类复杂，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（见下表）。
土壤中常见原生矿物
土壤矿物风化的特征
①土壤矿物的风化Biblioteka 程时间上具有明显的阶段性。2 土壤矿物形成和转化
土壤矿物的风化过程
物理风化：是指矿物发生机械破碎，而没有化学成分及结晶构造
变化的作用。矿物发生机械破碎主要是由温度变化及由此而产生的 水分冻结与融化等作用所引起的，矿物的机械破碎会引起矿物颗粒 物理性质的变化，如裂隙、孔隙和比表面面积的增加。因此，物理 风化使原不具有通透性的大岩块变为碎屑堆积物，为空气、水分及 生物的侵入与蓄存创造了条件，从而加速了化学风化的进程。 化学风化：化学风化是指矿物在水分、氧气、二氧化碳等作用 下发生的化学分解作用。化学风化不仅使矿物的成分、结晶构造、 性质等发生改变，而且会产生新的矿物。 矿物化学风化作用过程及类型（详见P27-28）.一般了解。
3、次生矿物（要求掌握，P29-36) ：
次生矿物： 指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。 次生矿物特征： 是土壤矿物中最细小的部分（一般小于0.002mm），具有活 动的晶格、呈现高度分散性、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。