土壤学.docx
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土壤学
第一章
1土壤(Soil):
陆地表面由矿物、有机质、水分、空气和生物组成的、具有肥力并能生长植物的未固结层。
2土壤肥力(SoilFertility):
土壤肥力是土壤具有的能同时不断的供应和调节植物生长发育所需的水、肥、气、热生活因素的能力。
水、肥、气、热是水分、养分、空气和温度的简称,是土壤肥力的四大因素。
3肥料Fertilizer肥料是指直接供给植物生长必需的营养元素的物料。
目前,肥料是指直接或间接供给植物营养元素以实现提高产量、改善品质和改良土壤的物质。
4土壤生产力在特定的耕作管理制度下,土壤生产特定的某种植物的能力。
5典型自然土壤剖面结构旱地水田
(1)覆盖层(A0)耕作层(A)耕作层(A)
(2)淋溶层(A)犁底层(P)犁底层(P)
(3)淀积层(B)心土层(B)潴育层(W)
(4)母质层(C)底土层(G)潜育层(G)
(5)基岩层(D)
6土壤形成因素:
1母质2气候3地形4时间5生物
母质(Parentmaterial)概念:
母质是母岩经风化、搬运、堆积等过程在地表形成的一层疏松的、最年轻的地质矿物质层,是形成土壤的物质基础,土壤的前身。
Parentmaterialisthelayerormantleofloose,non-cohesiveorcohesiverockmaterialthatnearlyeverywhereformsthesurfaceofthelandandrestsofbedrock.
(1)影响土壤矿物组成及养分状况
(2)影响土壤质地、孔隙性、酸碱性等理化性质
气候(climate)水分和热量(湿度和温度)Temperatureregimeandmoistureregime
(1)水热直接参与母质的风化
(2)直接影响土壤矿物质的分解与合成、物质的淋失与淀积
(3)控制植物生长和微生物的活动,影响有机质的积累和分解,决定养料物质循环的速度
生物(Organisms)包括植物、土壤动物和土壤微生物生物,在土壤形成过程中起主导作用
主导营养元素在土壤中的生物学积累和循环
(1)能量转化
(2)有机质形成与转化
(3)土壤形成及结构体的发展
地形(Relief)主要影响水、热条件及母质的再分配。
时间(Time)土壤是一个历史自然体,时间因素对土壤形成没有直接的影响,但成土时间长,土壤受气候、生物、地形等的作用时间长,土壤个体发育越显著。
人类活动(human’sactivity)
风化作用(weathering):
地表或接近地表的岩石在温度变化、水、水溶液、大气及生物等的作用下发生的机械崩解及化学变化过程。
7主要成土过程:
原始成土过程、有机质积聚过程、粘化过程、钙化过程、盐化、脱盐过程、碱化、脱碱化过程、灰化过程、潴育化过程、潜育化过程、富铝化过程、熟化过程。
8土壤矿物质Soilmineral
原生矿物Primaryminerals:
由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物。
如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。
次生矿物Secondaryminerals:
原生矿物经物理、化学风化作用,组成和性质发生化学变化,形成的新矿物。
如蒙脱石、高岭石、伊利石等。
1.四大元素:
氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)占总质量的88.7%以上
2.三大化合物:
二氧化硅(SiO2)三氧化二铝(Al2O3)三氧化二铁(Fe2O3)占总质量的75%以上
9土壤质地Soiltexture:
土壤中各粒级土粒的比例组合
10土壤粒级(soilparticlefraction)按照土粒的大小,将其分为若干组称为土壤粒级,一般分为石砾(>1mm)、砂粒(0.05-1mm)、粉砂粒(0.002-0.05mm)和粘粒(<0.002mm)。
物理性砂粒:
1mm-0.01mm;物理性粘粒:
<0.01mm
11土壤质地与肥力的关系:
(1)砂土类(sandy):
轻、薄、暖。
特点:
俗称“白土”、“白塘土”;通气透水性强;保水保肥性差;养分含量低,肥效快,“发小苗不发老苗”;升温降温快,热性土;耕性好,亦耕期长。
宜:
适种抗旱耐瘠作物,保证水源,及时灌溉,多施有机肥,少施勤施化肥,保证养分、水分供给。
(2)粘土类(clay):
重、壮、冷
特点:
俗称“红土”、“红泥土”;通气透水性差;保水保肥性强;养分含量高但释放较慢,肥效时间长,“发老苗不发小苗”;升温降温慢,冷性土;耕性较差。
宜:
适种小麦、水稻、玉米等禾本科作物,多施有机肥,加强水分管理。
(3)壤土类(loam):
柔、沃、温
特点:
俗称“两合土”、“连合土”;兼具砂土、粘土类的优点,消除了砂土和粘土的缺点,是农业生产中质地较理想的土壤;通气透水性适中,保水保肥性好,土温比较稳定,“发小苗又发老苗”;
宜:
适种作物种类多。
12土壤质地改良措施:
(1)增施有机肥料;
(2)客土法;(3)翻淤压砂,翻砂压淤;(4)引洪放淤、引洪漫沙;(5)因地制宜的耕作管理措施
13土壤有机质(SOM)概念:
指土壤中形成的和外部加入的所有动、植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物的总称
土壤腐殖质chumus有机物残体经过微生物作用形成的一类特殊的,复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物
(1)、土壤微生物的种类
化能有机营养型全部真菌和绝大多数细菌
化能无机营养型亚硝酸硝酸细菌、硫化细菌、铁细菌和氢细菌
光能有机营养型深红红螺菌
光能无机营养型藻类和大多数光能细菌
(2)、土壤有机质的来源与组成
来源植物的枯枝落叶、根系等土壤动物、微生物残体施入的有机肥、工农业废水废渣
形态新鲜有机物质半分解的有机物质腐殖质
(3)、土壤有机质的转化过程
1、土壤有机质的矿质化过程(mineralizationprocess)即土壤有机质的分解过程。
土壤有机质在微生物的作用下,最终分解为简单无机化合物(CO2、H2O等),同时释放出矿质养料的过程。
2、土壤有机质的腐质化过程(humificationprocess)土壤微生物将生物残体矿化过程中产生的中间产物合成更为复杂的腐殖质的过程。
3、影响土壤有机质转化的因素
(1)有机残体的化学组成、物理状态及碳氮比
(2)土壤水、热状况(3)土壤通气状况(4)土壤酸碱度
(4)土壤有机质对土壤肥力的作用
1、植物和微生物养分的重要来源2、改善士壤的物理性质3、提高土壤保肥性和缓冲性能4、促进植物、微生物的生命活动5、减少农药和重金属污染
第二章
1、土壤酸性(Soilacidity)由土壤溶液中的H+和土壤胶体上吸附的酸离子(H+和Al3+)引起的土壤反应。
(1)活性酸度(activeacidity)土壤溶液中游离的H+所直接显示的酸度
(2)潜性酸度(potentialacidity)土壤胶体上吸附的H+、Al3+所引起的酸度,只有转移到土壤溶液中形成游离的H+才显示出酸性。
用1kg烘干土中氢离子(或正电荷)的厘摩尔数(cmol)表示:
cmol(H+)/kg或cmol(+)/kg
是土壤酸性的容量(数量)指标
是土壤酸度的主体
(3)活性酸和潜性酸的关系
活性酸和潜酸的总和,称为土壤总酸度。
由于它通常是用滴定法测定的,故又称之为土壤的滴定酸度。
它是土壤的酸度的容量指标。
它与pH值在意义上是不同的。
活性酸是土壤酸度的起源,代表土壤酸度的强度;潜在酸是土壤酸度的主体,代表土壤酸度的容量。
2、土壤缓冲性(Soilbufferpower)在土壤中加酸或加碱时,土壤的酸碱反应并不会因此而产生剧烈变化,这种对酸碱变化的抵抗能力称为土壤的缓冲能力
它使土壤的酸碱度保持在一定范围内,避免因施肥、根系呼吸、微生物活动、有机质分解等而使PH值强烈变化,为植物生长和微生物活动创造一个稳定良好的土壤环境条件。
这在农业生产上具有重要意义。
3、土壤胶体:
直径为1~100nm的土壤固体颗粒。
土壤胶体的特性1.土壤胶体具有巨大的比表面积和表面能2.胶体一般带有电荷3.土壤胶体有凝聚与分散的作用
4、
(1)阳离子交换作用的特点
(1)可逆反应(Reversiblereaction)2)等价离子交换(Equalcharge)(3)符合质量作用定律(Massactionlaw)
(2).阳离子交换能力Fe3+、Al3+>H+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+
(3).土壤阳离子交换量(Cationexchangecapacity,CEC)在中性条件下,每kg干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数,单位是cmol/kg或cmol(+)/kg。
(4)影响因素:
(1)胶体数量
(2)胶体类型(3)土壤pH值
5、盐基饱和度(Basesaturationpercentage)土壤中交换性盐基离子(K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等)总量占阳离子交换量的百分数。
盐基离子(Bases):
K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+等阳离子。
6、土壤养分在植物必需营养元素中依靠土壤提供的营养元素
7、土壤团粒结构
优点1、能协调土壤水分和空气的矛盾
2、能协调土壤养分的消耗与积累的矛盾
3、能稳定土温,改善土壤温度状况
4、改良土壤耕作,改善植物扎根的土壤条件
8、孔隙度:
是指单位土体内孔隙所占体积的百分数,它表示土体中大小孔隙的总和。
(1)土粒容重:
指单位体积(不包括孔隙体积)固体土粒的干重,与土壤比重在数值上相等;
(2)土壤容重:
指自然状态下单位体积(含土粒和孔隙体积)固体土粒的干重。
第三章
一、土壤水分类型
1、吸湿水(紧束缚水)hygroscopic/hydroscopicwater干燥土粒从大气和土壤空气中吸附的气态水分
2、膜状水(松束缚水)membrane/filmwater(looselybondingwater)吸湿水达到最大量后,靠土粒剩余的分子引力吸附在吸湿水外面的一层水膜。
3、毛管水capillarywater受毛管力的作用在土壤毛管孔隙中保持和运动的水分。
4、重力水gravitationalwater当土壤含水量超过田间持水量后,过量的水分不能被毛管力所吸持,而在重力作用下沿土壤大孔隙向下移动的水分。
2、土壤水分常数
1、吸湿系数(hygroscopiccoefficient):
干燥土壤从湿度接近饱和(>95%)的空气中吸收水汽而达到的最大含水量。
2、凋萎系数(wiltingcoefficient):
植物产生永久凋萎(permanentwilting)时土壤的含水量。
植物可利用的土壤水量(有效水)的下限。
3、最大分子持水量(maximummolecularmoistureholdingcapacity):
土壤膜状水达到最大值的土壤含水量。
4、毛管断裂含水量(作物生长阻滞含水量):
土壤中的悬着毛管水因作物吸收和土表蒸发而发生断裂时的土壤含水量。
5、田间持水量(fieldcapacity):
土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量。
是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值。
6.(最大)毛管持水量(maximumcapillarycapacity):
土壤所有毛管孔隙中都充满水分时的土壤含水量。
7.饱和含水量/全持水量(Saturation):
土壤所有孔隙中全部充满水分时的土壤含水量。
3、土壤水分的有效性
影响土壤有效水量的因素:
土壤有机质含量越高,有效水量越大;
土壤结构、土壤松紧度
4、土壤含水量及其表示方法
土壤含水量:
soilwatercontent
土壤湿度:
soilhumidity
土壤含水率:
percentageofsoilwater
1.土壤重量/质量含水量:
θm(masswatercontentofsoil)土壤所含水分的重量占烘干土重的百分数。
2.容积/体积含水量(volumetricwatercontent):
θ土壤水分体积占土壤体积的百分数。
3.水层厚度(waterthickness):
hw土壤所含水分的重量占烘干土重的百分数。
与降雨量及腾发量相对应
=hs(mm)×θm×rd
4.土壤贮水量(soilwater-storagecapacity):
Vw一定厚度单位面积土壤中水的体积。
与灌、排水定额相对应
5.相对含水量(relativesoilwatercontent):
Rw土壤实际含水量与田间持水量(或全持水量)的百分比值。
无量纲值。
6.土壤水分饱和度(percentsaturationofsoilwater)土壤水分体积占土壤孔隙体积的百分数。
五、土水势(ψs)及其分势soilwaterpotentialanditssub-potential
1.基质势(ψm)MatricPotential土水系统中由于土壤固体特性所引起的一种势值
非饱和水土壤:
ψm<0
饱和水土壤:
ψm=0
2.重力势(ψg)GravitationalPotential土壤水受重力作用所引起的一种势值。
与土壤本身的性质无关。
ψg=ρgh
3.压力势(ψp)PressurePotential土水系统中的压力超过参照状态下的压力而引起的势值。
ψp=ρgh
4.溶质势/渗透势(ψo)Solute/OsmoticPotential由土壤水中溶解的溶质而引起的势值。
Ψo<0
六、土壤水吸力(S)soilwatersuction土壤水中在承受一定土壤吸力情况下所处的能态。
七、土壤水分特征曲线(Soilwatercharacteristic表示土壤水分在被吸附或释放过程中土壤含水量(数量)与水吸力(基质势)(能量)相关关系的曲线。
水分特征曲线的用途进行土壤水吸力S和含水率之间的换算。
可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。
可用来分析不同质地土壤的持水性和土壤水分的有效性。
应用数学物理方法对土壤中的水运动进行定量分析时,水分特征曲线是必不可少的重要参数。
影响土壤水分特征曲线的因素:
(1)土壤质地;
(2)土壤结构;(3)土壤温度。
第六章植物与水
(6-1)植物水分生理
1、植物体内水分类型
bondingwater:
beadsorbedbycolloidalparticlesinplantcell;cannotmovefreely
freewater:
farfromthecolloidalparticlesandcanmovefreelyinandbetweenplantcells
Theratioofbondingwatertofreewaterinplantcellsindicatethecoldresistanceanddroughtresistanceofplant.
2、水在作物生理中的作用
①水是原生质的主要组成部分importantcomponentofcellprotoplasm
②水直接参与作物体内重要的代谢过程
mainrawmaterialforphotosynthesis6CO2+6H2O→(CH2O)6+6O2+2822kJ
③水是许多生化反应的良好介质
medium(reactantorresultant)forallbiochemistryreaction
④水能使作物保持固有的姿态
dissolveandtransportnutrientupwardtransportationinxylemanddownwardoneinphloem
⑤细胞的分裂和延伸生长需要足够的水
keeptheturgidityofplantbodyspreadingofleaves;openingofstomas;rigidityofroottips;bloomingofflowers
⑥调节温度adjustthetemperatureofplantbodydependingonthetranspirationofleaves
3、细胞的吸水方式
①渗透性吸水Osmosisabsorption:
(最主要方式)。
借助渗透作用,即水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动进行吸水
②代谢性吸水metabolismabsorption:
利用细胞呼吸释放出的能量,使水分经过质膜进入细胞的过程。
③吸胀性吸水imbibitionabsorption:
亲水性胶体物质吸水膨胀的现象(种子和根尖分生组织)
4、质壁分离(plasmolysis)
植物细胞失水时,因原生质的收缩性大于细胞壁的伸缩性,使原生质与细胞壁分离。
质壁分离后降低外界溶液浓度,水分内渗,使质壁复合。
5、细胞间的水分运动(watermovementbetweenplantcells)
相邻单细胞:
水分从水势高的细胞向水势低的细胞运动,且水势差越大,运动越快。
多细胞之间:
沿水势梯度(waterpotentialgradient)降低的方向运动。
根部→地上部根周边→根中柱下位叶→上位叶叶片中脉→叶片边缘
6、植物细胞的水势(waterpotentialofplantcell)
①未形成液泡时:
ψt=ψs+ψp+ψm
②有液泡时:
ψt=ψs+ψp
渗透势(ψs)/Osmoticpotential:
决定于细胞液中溶质分子的总数,一般为负值
压力势(ψp)/Pressurepotential:
细胞壁伸缩性对细胞内容物产生的静水压(细胞壁受细胞吸水的膨压作用而产生的反压力)。
一般为正值,质壁分离时ψp=0。
7、根系吸水的动力(drivingpowerforwateruptakeofroots)
根压(rootpressure):
主动吸水
蒸腾拉力(transpirationpull):
被动吸水
根压(rootpressure)
由于根系的生理活动使水分从根部向上提升的压力。
是无叶面蒸腾时植物吸水的主要方式。
Rootpressureisoneofthephenomenausedbyvascularplantstomovewaterintotheleaves.Thewaterinthesoiltendstobepoorerinsolutesthanthewaterintheplant'scells,duetotheplant'sactiveabsorptionofdissolvednutrients.Theresultingsolutepotentialgradientcauseswatertoflowintotheroots.Rootpressureiscapable,underidealatmosphericconditions,ofpushingwateroneortwofeetabovetheground.
蒸腾拉力(transpirationalpull)
叶面蒸腾使气孔附近叶肉细胞水势下降,进而从相邻细胞吸水,依次到中脉—茎导管-根。
是旺盛蒸腾时根系吸水的主要动力。
Transpirationalpullresultsultimatelyfromtheevaporationofwaterfromthesurfacesofcellsintheinterioroftheleaves.Thisevaporationcausesthesurfaceofthewatertopullbackintotheporesofthecellwall.Insidethepores,thewaterformsaconcavemeniscus.Thehighsurfacetensionofwaterpullstheconcavityoutwards,generatingenoughforcetoliftwaterashighasahundredmetersfromgroundleveltoatree'shighestbranches.
根压的生理基础
渗透理论:
由于植物活细胞的新陈代谢造成根木质部-根皮层-根毛细胞的水势梯度。
代谢理论:
呼吸释放的能量参与根系的吸水过程。
例如,当外界环境温度降低、氧分压下降或呼吸抑制剂存在时,根压、伤流、吐水或根系吸水便会降低或停顿;相反,低浓度的生长素溶液则能促进伤流速度。
8、根系吸水速率及其影响因素wateruptakerateofroot:
速率
影响因素
Q:
单位时间内根系吸收水量;
A:
根系的吸收表面积;
R:
水从土壤进入根系所受的阻力;
Ψs:
土壤水势;
Ψr:
根系水势
①土水势(ψs):
ψs越小(土壤含水量越低),Δψ(ψs–ψr)越小,Q越小。
Ψs=ψr时(约为-1.5MPa)——土壤:
凋萎系数植物:
永久凋萎
②通气状况:
根系缺O2时水分吸收作用受抑制,吸水速率减小涝害的影响;植物水培时通气
③土壤温度:
在一定范围内,土温升高,可促进根系吸水
④土壤溶液浓度
(盐碱地或施肥后有溶质势的影响)
9、植物水分的散失-蒸腾(Waterdissipatingofplant-transpiration)
(1)定义:
植物体内水分通过植物体表面(主要是叶片)以气态散失到体外(大气)的过程。
受植物体结构和气孔运动的影响。
(2)蒸腾作用的生理作用意义(physiologicalfunctionoftranspiration)
①蒸腾作用是植物对水分吸收和运输的一个主要动力;
②蒸腾作用促进植物对矿物质的吸收和运输;
③蒸腾作用能降低植物体和叶片的温度;
④蒸腾作用的正常进行,气孔开放,有利于光合作用中CO2固定。
(3)蒸腾作用的度量:
A、蒸腾速率/蒸腾强度;
单位时间内单位叶面积(或单位叶片质量)蒸腾的水量(g),g/(m2•h)org/(100g•h)
白天:
15~250g/(m2•h);晚上:
1~20g/(m2•h)
B、蒸腾效率/蒸腾比率;
植物蒸腾消耗1kg水所形成干物质的质量(g数)。
(g/kg;值越大,水分利用效率越高)
野生植物1~8g/kg;作物2~10g/kg
C、蒸腾系数/需水量
植物每制造1g干物质所蒸腾消耗的水的g数。
(比值,无单位;值越大,水分利用效率越低)
野生植物125~1000;作物100~500
(4)影响蒸腾作用的环境因素
①影响气孔开闭的所有因素:
光、温度、风(微风加强蒸腾作用)
②大气湿度:
大气湿度越小,叶片表面与大气间的蒸汽压差越大,蒸腾作用越强
③土壤条件
6、气孔运动及其机理:
(1)气孔运动的机理:
A、光合作用促进气孔开放的学说;B
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