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土壤学笔记(一):土壤成分与成土过程

已有 20743 次阅读 2017-12-5 16:14 |个人分类:土壤侵蚀与水土保持|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 笔记, 土壤, 成分, 土壤学, 成土过程

1)土壤是发育在岩石风化物以及第四纪沉积物基础上的多孔多相(固、液、气三相)疏松表层,具有一定的肥力(水、肥、气、热),可以生长植物。

2)土壤发育在成土母质上,母质是由岩层风化产生的,风化作用包括物理风化(热胀冷缩、冻融的作用)、化学风化和生物风化,岩石风化受到岩石自身性质的影响,又受到环境条件(主要是气候)和风化过程(时间)的影响,不同岩石的风化产物不一样,时间越久,岩石风化的越彻底,土壤颗粒越细。母质缺乏支持植物生长的必要肥力,还不是土壤。

3)岩石分化形成的土壤矿物包括原生矿物和次生矿物,原生矿物主要是成岩矿物在风化过程中没有发生化学变化的成分,如石英(沙粒的主要成分)、长石;次生矿物是原生矿物进一步风化(主要是化学风化)的产物,粘土矿物主要是次生矿物,主要有高岭石(湿热地区)、蒙脱石、伊利石(水云母,风化弱,水化程度低,干旱地区),都是层状硅铝酸盐晶体,基本结构是硅氧四面体和铝氧八面体。高岭石是硅氧四面体和铝氧八面体交替出现的11类型,蒙脱石和伊利石(水云母)是2个硅层夹一个铝层的21结构;此外粘土矿物还包括铝、铁等的氧化物及其水化物。11结构的高岭石硅层和铝层之间结合紧密,所以无涨缩性,可塑性、粘性低。21结构中两个硅层之间结合不紧密(同性相斥),所以蒙脱石吸水易膨胀,比表面积大,可塑性、粘性强;伊利石(水云母)介于蒙脱与高岭之间,因为层间吸附的钾离子起到了键联的作用。

4)土壤颗粒(土壤矿物)的性质及组成影响着土壤的物理、化学性质以及土壤肥力,土壤粒级主要包括石砾、砂粒、粉粒和粘粒。

5)土壤矿物(无机质)构成土壤的骨架,土壤粘土矿物是土壤胶体的主要成分,土壤肥力的物质基础,磷、钾、钙、镁等土壤养分主要来源于形成土壤矿物的风化过程。

6)沙粒风化程度低、颗粒大,比表面积小、粒间孔隙大,通气透水性好,毛管作用差,土壤无粘结性、粘着性、塑性和胀缩性,营养元素贫乏,保水保肥能力弱。肥效快,受冷易降温,受热易升温,故称为暖性土

7)粘粒与沙粒相反,风化程度高、颗粒小,比表面积小、粘结性、粘着性、塑性和胀缩性强,粒间孔隙小,毛管作用强烈,通气不良,透水性差,营养元素丰富、有效养分多,保水保肥能力强,有机质分解慢(通气性差)、肥效持久,热容量大,温度变化不显著,春季升温慢,故称为“冷性土。粉粒介于沙粒和粘粒之间,保肥、保水能力较强。

8)土壤的风化程度越高、土壤颗粒越细,土壤的硅铝铁率下降,钙、镁、磷、钾等的氧化物也呈增加的趋势。因为粗粒的主要成分是石英,而细粒中粘土矿物较多,铝、铁、钙、镁、磷、钾等的氧化物因岩石风化而释放。

9)不同大小土粒的相对含量被称为土壤质地,土壤质地包括沙土、粘土、壤土等,沙土以沙粒为主,粘土以粘粒为主,壤土各种土粒都有,或者以粉粒含量较高。壤土中由于细颗粒填充了大颗粒之间的孔隙,可能容重较高,孔隙度较小。

10)土壤固相除了土壤矿物外,还包括土壤有机质。土壤有机质在土壤中的含量一般不超过5%,但是土壤胶体的重要组成部分,对土壤理化性质和肥力有重要的影响。

11)土壤有机质主要是生物(特别是植物)残体分解形成的,包括新鲜(未分解)的有机质(包括土壤微生物)、腐烂的有机质和腐殖质。腐殖质是土壤有机质的主要组成部分。

12)腐殖质主要成分是碳、氢、氧,以及氮、硫、磷等,含碳量大约是56%-60%,平均是58%,碳氮比10~121

13)腐殖质不是单一的有机化合物,而是一系列高分子化合物的集合,主要包括胡敏素、胡敏酸(褐腐酸)、富里酸(黄腐酸)

14)胡敏素:腐殖质中不溶于碱的黑色物质,与土壤矿物质部分结合紧密,是一种惰性腐殖质。

15)胡敏酸:溶于碱、不溶于酸的褐色或黑褐色腐植酸,其与一价阳离子结合形成的盐类溶于水,而二、三价离子的盐类不溶于水,在土壤结构形成中起到重要作用。

16)富里酸:既溶于碱、也溶于酸的黄色腐植酸,溶解度大,与一、二、三价阳离子结合形成的盐类均溶于水,不利于土壤形成稳定的团粒结构,但有利于土壤风化和养分释放。

17)土壤有机质的作用:有利于促进团粒结构的形成,改善土壤物理性质,提高土壤保水性;腐殖质的粘结性强于沙粒而弱于粘粒,因此可以促进沙土形成团里结构,使粘土疏松,提高通气透水性能,腐殖质疏松多孔,为亲水胶体,可吸收自身重量4~6倍的水,吸水率是土壤粘粒的8~10倍;增强土壤的保肥能力和缓冲能力,腐殖质的阳离子交换量(CEC)是蒙脱石的2倍以上、伊利石的近10倍、高岭石的几十倍,所以具有更高的保肥能力和缓冲土壤酸碱变化的能力;土壤有机质矿化分解可以直接提供植物需要的土壤营养,腐植酸还具有促进植物生长的作用,提高植物抗旱性能;土壤有机质是土壤微生物需要的营养和能量来源,可以提高土壤微生物的活性。土壤有机质还具有重要的环境功能,提高土壤碳库存,是边际成本最低的控制温室效应的方法,有机质可以改善结构,增加土壤抗蚀性和涵养水源能力,起到防止水土流失和水旱灾害的作用,腐殖质还可以与土壤中重金属和有机污染物结合,降低其活性。

18)腐殖化过程是有机质(主要是植物残体)在细菌作用下分解成较简单的成分,并释放出氮、磷、硫等养分,然后形成腐殖质的成分再缩合形成腐植酸。土壤微生物自身活动需要氮素,如果土壤缺氮,微生物活动受到抑制,造成有机质分解缓慢,或者植物与微生物争氮素,有机肥的碳氮比一般不超过241,氮素充足、通气好的土壤中有机质易分解。

19)成土的过程主要是在岩石风化形成的母质(土壤矿物)的基础上,通过生物活动,形成土壤有机质,以及水的作用,改变了土壤中矿物和元素在剖面上的分布。

20)影响土壤形成的因素主要有五大自然因素和人为因素。五大自然因素包括母质、气候、生物(主要是植物)、地形和时间。

21)母质是土壤形成的基础,土壤的成分及性质对母质(岩石)具有继承的关系,如石英砂岩上面只能形成沙土,含钙丰富的土壤一般呈弱碱性。

22)气候对岩石风化、植物生长、有机物积累和化学成分在土壤剖面上的淋溶起到至关重要的作用。湿热的气候条件下,风化作用以化学风化和生物风化为主,风化速度快,岩石风化彻底,土壤颗粒细,质地粘重,硅铝铁率下降;而寒冷(冻融)和干旱(热胀冷缩)气候,风化作用以物理风化为主,作用缓慢,岩石风化不彻底,粘粒矿物少。湿热条件下,植物生长迅速,但有机物易分解,土壤有机质含量低,土壤中盐基离子易流失(有机质少和粘粒矿物以高岭石为主,土壤CEC小,保肥能力差),土壤呈酸性。温和湿润的气候条件下,植物生较多,且有机物不易分解,形成有机质含量高、CEC大、保肥能力强、土壤肥力水平高的肥沃土壤,如黑土、黑钙土。干旱条件下,有机质少,淋溶作用微弱,形成贫瘠的碱性土壤。

23)生物作用,主要是植物作用以及土壤微生物的作用,在土壤有机胶体的形成中发挥了关键性作用,是土壤形成中最有活力的因素。植物根系可以吸收土层深处的元素,并通过枯落物归还富集到土壤表层,在土壤肥力形成中起到了关键作用,植被破坏,往往会造成土壤退化。植物还对土壤水分平衡起到了重要作用。植物还具有保护土壤、防止侵蚀的作用。生物活动会在土壤表层留下大孔隙。

24)地形作用,在土壤形成的过程中,地形起到了环境条件的作用。地形不同,水分条件不同,小气候(热量)条件不同,从而影响了成土过程以及植被作用。不同地形对成土母质也起到了分选作用,山地上部主要是残积物,质地粗大、土层薄,山麓脚下是洪积冲积物,而细粒的粘土可以随水流到很远的地方才沉积下来,所以河流源头分水岭到入海口,土壤的颗粒一般会越来越细。不同地形土壤和地下水的盐分也不一样。从河流源头分水岭到入海口,地下水逐渐由碳酸盐过渡到硫酸盐和氯化物,由钙盐、镁盐过渡到钠盐。排水不畅的地方容易发生有机物和盐分的积累。

25)时间作用,随着成土时间的延长,土壤母质的风化程度、有机物的积累都会增加,土粘粒增加,硅铝铁率下降,土壤养分和肥力存在增加的趋势,但是水的淋溶作用也会造成土壤粘粒和养分的流失,最终土壤肥力水平会达到平衡状态或者存在最大值。

26)人为因素,既有改良土壤的作用,也有破坏土壤的作用。

27)成土过程主要有:原始成土过程(土壤形成的起点,以风化为主);有机质积累(主要包括矿化过程和腐殖化过程,分解矿化过程释放养分);有水分垂直淋溶的成土过程,主要有粘化、钙化过程,其作用结果使土层中粘粒和钙离子数量增加,具体有残积和淀积两种类型,残积主要发生在淋溶层,淀积主要发生在淀积层,残积主要是淋溶层其他成分减少,而粘粒和钙离子增加,如土壤中钾离子和钠离子首先被淋溶,淋溶层钙离子增加,淋溶层首先出现钙化过程,而钾离子和钠离子淋溶掉以后,钙离子进一步被淋溶,淋溶层脱钙,而淀积层出现钙化过程;盐碱化过程,竖直排水(土壤水分蒸发)将盐分带到土壤表层,从而使地表积盐;潜育化过,主要是由于土层长期滞水,出现了强烈的还原反映,潴育化,土壤滞水,但水位变化,干湿交替,因此氧化还原反应反复进行,形成具有锈纹锈斑和黑色铁锰结核的过程;白浆化是一种特殊的潜育化过程,主要发生在寒冷(存在永久冻土层)地区,在潜育化过程中存在侧向排水,铁锰的低价离子流失,土壤上层脱色,下层存在铁锰结核;沼泽化,潜育化+表层有机物积累,形成泥炭层,泥炭沼泽可能就是未来的煤层;草甸化,潜育化+表层有机物积累;沼泽土和草甸土都是有机物含量丰富的土壤;耕作熟化,通过人为活动形成肥沃的农田土壤的过程,如水稻土、潮土、娄土的形成都有人为过程的参与。

28)土壤剖面一般有ABC三层,A层,淋溶层也是有机质的富集层,B淀积层,C层为母质层,A0层为地表以上的枯落物,一般森林和草原土壤有A0层,农业土壤只有在秸秆覆盖或者覆草的条件下,可以认为有A0层。

29)社稷祭祀一直是中国传统信仰中主要的组成部分。社为土地神,稷为谷神,社稷合在一起即为立国之本,社稷又代表国家。社稷坛由五色土铺就,五色土分别为:东方青土、南方红土、西方白土、北方黑土以及中央黄土。与五色土对应的是古天文学二十八宿中四象的概念——左青龙,右白虎,南朱雀,北玄武;青龙、白虎、朱雀、玄武是四种神兽。左(东)右(西)南(下)北(上)代表方位,古代帝王宫殿一般坐北面南,因此左侧是东方,右侧为西方。青、白、红、黑则分别指代东西南北四方,五色土代表东西南北中五个方位,又暗指普天之下、四海之内皆王土。东方青色土是江河下游地区的沼泽土,因其厌氧环境有机质含量较高,铁离子被还原成2价亚铁离子,因此,呈现青黑色。西方白色土是盐碱地的颜色,因地表强烈积盐分呈白色;南方红土是在强氧化和淋溶条件下的土壤,铁和铝离子含量丰富,红色是三氧化铁的颜色;北方黑色土,主要位于北纬40°以北地区,有机质分解缓慢,因有机质含量高呈黑色;中央黄色土,主要分布于黄河中游的黄土高原和山前大冲击扇,是一种风成土壤,钙离子含量丰富,呈浅黄色。五色土概念形成很早,反映了人们对土壤分布直观的朴素认识。

 



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