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土壤肥料学

土壤肥料学. （土壤部分）. 山东农业大学资源与环境学院 土壤与水科学系 联系方式： 0538 － 8242900 E-mail ： fpsong@sdau.edu.cn. 参考书. 《 土壤肥料学 》 关连珠 《 土壤学 》 仲跻秀 《 土壤学 》 聂俊华 《 土壤地理学 》 李天杰 《 土壤学 》 黄昌勇 《 土壤学 》 朱祖祥. 土壤学是研究土壤的形成演变、组成性质、开发利用及其培肥改良的一门科学。. 绪 论. 一、土壤在农业生产中的地位和作用 （ 1 ） 土壤肥料是农业生产的基本生产资料

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  1. 土壤肥料学 （土壤部分） 山东农业大学资源与环境学院 土壤与水科学系 联系方式：0538－8242900 E-mail：fpsong@sdau.edu.cn

  2. 参考书 • 《土壤肥料学》关连珠 • 《土壤学》 仲跻秀 • 《土壤学》 聂俊华 • 《土壤地理学》李天杰 • 《土壤学》 黄昌勇 • 《土壤学》 朱祖祥

  3. 土壤学是研究土壤的形成演变、组成性质、开发利用及其培肥改良的一门科学。土壤学是研究土壤的形成演变、组成性质、开发利用及其培肥改良的一门科学。

  4. 绪 论 一、土壤在农业生产中的地位和作用 （1） 土壤肥料是农业生产的基本生产资料 农业生产全过程包括三个紧密联系的环节： 1、植物生产 2、动物生产 3、土壤管理 上述过程说明土壤是农业生产的基础，是物质和能量转化的场地，是进行农业生产的基本条件。 土壤作为农业生产的基本生产资料，不仅给农业生产提供了基地，也给人们提供了数量庞大的生活资料和生产资料。 要促使农业生产持续发展，达到农业高产、高效、优质、低耗，必须正确利用土壤，认真保护土壤，努力改造以土壤为中心的农业生产条件，提高土壤肥力，增强土壤对各种自然灾害的抗逆能力，这是实现农业现代化的重要保证！

  5. (2)土壤是制定农业技术措施的依据 农作物栽培的多项技术措施包括：耕作、施肥、灌水、品种选择、种子处理、种植密度、植物保护、农机具使用以及日常田间管理等。 土壤是这些技术措施的基础，任何措施都要考虑土壤的性质，要“因土制宜”。 这也是我们为什么学习土壤学的原因。认识土壤了解土壤才能更好地学好专业知识，让我们把所学的土壤学知识应用到生产实践和专业研究中去，互相促进。

  6. （3） 土壤是人类社会的重要自然资源 土壤作为人类生存的最基本的自然资源，不同于其他资源，它在农业生产上发挥其资源作用是长期的，不受时间限制。只要治之得宜，就能千古地力常新。 土壤又是珍贵的，马克思曾经说过“土壤是世代相传的人类所不能出让的生存条件和再生产条件”。 土壤虽能再生但也能破坏，世界范围内在土地资源利用上出现的问题非常严重： 1 、乱占土地 2、土壤侵蚀 3、土壤沙化 4、土壤盐碱化 5、土壤污染 6、土壤变质退化 等 ，对土壤资源构成严重威胁。

  7. （4）土壤是陆地生态系统的主要组成部分 生态系统是指生物群落与其环境互相联系互相制约的自然整体。土壤不只是农业生产的基本资料，还是陆地生态系统的重要组成部分，土壤利用上存在的严重问题无一不影响整个生态环境。因此对土壤的利用不但要根据国民经济和农业生产发展的要求，结合考虑土壤本身的性质特点，还应从环境科学角度，考虑自然界中生态系统的平衡问题，宜农则农，宜林则林，宜牧则牧，防止三废及农药和滥用化肥对土壤的污染，防止水土流失，防止由于土壤状况恶化而影响整个环境和生态系统的协调。 我们要为子孙“留一块绿地，留一片蓝天”。

  8. 二、土壤和土壤肥力的基本概念 1、土壤是地球陆地上能够生产植物收获物的疏松表层。 “陆地表层”说明土壤的位置，“疏松”指其物理状态，经区别于坚硬整块的岩石。又分： 自然土壤——未经人类开垦自然形成的土壤。 • 农业土壤——在自然土壤的基础上经过人类开垦耕种的土壤。 • 土壤之所以“能够生产植物收获物”，主要由于土壤具有肥力。 • 2、土壤肥力——是指在植物生长期间，土壤能持续不断地、适量地提供并协调植物生长所需要的水分、养分、空气、热量等因素及其他生活条件的能力。肥力是土壤的基本属性和质的特征。 • 土壤学中把水、肥、气、热——称为四大肥力因素。

  9. 3、土壤的基本物质组成 矿物质—来自岩石的风化，包括原生矿 物和次生矿物，约占固体重量的95%以上。 固体土壤（约占土壤总容积的50%） 有机质—动物残体及其转化产物，约占固体重量的5%以下。 土 壤 土壤空气—一部分由地上大气层进入，主要为O2、N2 等，另一部分由土壤内部产生，主要为CO2、水汽等。 粒间孔隙（约占土壤总容积的50%） 土壤水分—主要由地上进入土中，其中含有溶质，包括离子、分子、胶体颗粒等，实际上是浓度不同的溶液（土壤溶液）。 土壤生物体——土壤动物和土壤微生物等。 • 土壤是四（或五）种物质组成的三相多孔体

  10. 自然肥力和人为肥力 根据土壤肥力的来源不同，土壤肥力有自然肥力和人为肥力的区别。 自然肥力是指土壤在自然因子即五大成土因素（气候、生物、母质、地形和年龄）的综合作用下发育来的肥力，它是自然成土过程的产物。 人为肥力是耕作熟化过程发育而来的肥力，是在耕作、施肥、灌溉及其它技术措施等人为因素影响作用下所产生的结果。 因此只有从来不受人类影响的自然土壤才具有自然肥力。

  11. 潜在肥力与有效肥力 从肥力的实际经济效益分为：有效肥力和潜在肥力。 有效肥力是指在当季生产上发挥出来并产生经济效果的那一部分肥力。 潜在肥力是指在当季生产上未能产生经济效果的那一部分肥力。 有效肥力和潜在肥力是可以相互转化的，两者之间没有截然的。

  12. 土壤肥力的发展与转化 • 自然土壤只具有自然肥力，但一切农业土壤则兼具自然肥力和人为肥力，它们具有综合效应，作物在利用肥力因素时，二者是不能区分的。 • 潜在肥力与有效肥力之间没有截然界限，在一定环境条件下，可以相互转化。

  13. 三、土壤学的发展概况及面临的任务 1、土壤科学发展中的几个代表性学派 （一）农业化学派和农业地质学派 1840年德国化学家李比希在《化学在农业及植物生理上用应用》中提出了植物的矿质营养学说，主要观点为植物生长需吸收土壤中的矿质营养，创立了农业化学派，开创了土壤科学的新纪元。 19世纪后半叶西欧盛行农业地质学派，，他们认为土壤是岩石的风化堆积物，土壤的形成过程只是岩石风化淋溶过程，土壤肥力呈递减曲线下降，忽略了生物因素对土壤肥力的积极作用。 （二）土壤发生学派 19世纪末俄国的道库恰耶夫提出了“成土因素”学说，他认为土壤及其肥力的形成是母质、气候、生物、地形和成土年龄五大成土因素共同作用的产物，但对农业生产中的具体问题没有足够的注意。 （三）美国Ritchre提出“作物—环境综合系统”（CERES系统)

  14. 2、土壤科学在我国的发展 • 我国是四大文明古国之一，对土壤的认识较早，在世界上最早提出使用有机肥和种豆科植物肥田，写出了世界上最早的一本关于土壤分类的书《禹贡》。解放后我国土壤科学发展大大加快，先后进行了两次全国土壤普查，取得了显著的成绩，得到了全世界的高度重视，也为我国农业的发展作出了巨大的贡献。 3、土壤肥料工作面临的主要任务主要有是： • 1、与环境生态相结合，继续进行基础理论研究， • 2、 进行土壤普查和土壤普查成果应用 • 3、重点搞好中、低产田的利用改良 • 4、采取有力措施坚决制止滥占耕地 • 5、防止土壤侵蚀保持生态平衡 • 6、合理施肥，增辟肥源，调整氮、磷、钾比例

  15. 思考题 • 1.土壤肥力四因素是什么 ？ • 2.什么是自然土壤、农业土壤、有效肥力、潜在肥力？ • 3．土壤学的任务是什么？ • 4土壤的基本物质组成有哪些？

  16. 第一章 组成土壤的固相物质 • 第一节 土壤的无机矿物质颗粒 • 第二节土壤有机质

  17. 第一节 土壤的无机矿物质颗粒 • 一、土壤无机矿物质颗粒的来源 • 土壤中的无机矿物质颗粒是陆地表层的岩石、矿物风化的产物。 • 由地壳深处的岩浆直接冷凝和结晶而成的矿物称为原生矿物 。 • 在地壳中或地表面，由原生矿物经风化和变质作用后，改变了原来的形态、性质和成分而形成的新的矿物，称为次生矿物。 • 岩石矿物经过物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用后，一部分难风化的或是尚未风化的原生矿物残留下来，成为形成土壤母质的一部分。还有一部分岩石矿物在风化过程中生成了结晶质的层状硅铝酸盐次生矿物和硅、铁、铝的氧化物，即土壤次生矿物或黏土矿物。

  18. 二、土壤无机矿物质颗粒的矿物组成 土壤矿物质包括原生矿物和由原生矿物经过风化重新形成的次生矿物，它们的成分和性质对土壤的形成过程和理化性质均有极大影响。 (一)土壤中的原生矿物 土壤原生矿物是指那些在风化过程中末改变化学成分和结构的原始成岩矿物。主要类型有： （1）硅酸盐类包括长石类、云母类、闪石类、辉石类。 （2）氧化物类主要有石英类、其次是赤铁矿类、氧化钛类 （3）硫化物类主要有黄铁矿类。 （4）磷酸盐类主要有氟磷灰石、氯磷灰石。

  19. (二)土壤中的次生矿物－粘土矿物 （1）结晶次生层状铝硅酸盐类矿物土壤中粘粒的主体，主要有1 ：1型的高岭石组和2 ：1型的蒙脱石、伊利石组。 （2）二、三氧化物类矿物有针铁矿（Fe2O3 .H2O ）、褐铁矿（2Fe2O3 .3H2O）、三水铝石（AI2O3 .3H2O ）、水铝石 （Al2O3 .H2O ）、水锰矿（MnO(H2O)）、软锰矿（MnO2）等， 有结晶态的和非结晶态的。 （3）简单盐类土壤中最常见盐类有碳酸盐、硫酸盐类、氯化物盐类等。

  20. （三）粘土矿物 • 1、层状硅酸盐粘土矿物 • 层状硅酸盐粘土矿物从外部形态上看，是一些极细微的结晶颗粒。从内部构造上看，是由两种基本结构单位构成的，并含有结晶水，只是化学成分和水化程度不同而已。层状硅酸盐矿物的性质与矿物的化学组成和结晶构造关系十分密切。

  21. （1）构造特征 • 基本结构单位构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 • ① 硅氧四面体（简称四面体）四面体的基本结构是由一个硅离子和四个氧离子所构成。 • 其排列方式是以3个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部3个氧离子之上的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。像这样的构造单位，如果连接相邻的3个氧离子的中心，可构成假想的4个三角形的面，硅离子位于这4个面的中心，所以称为硅氧四面体。 • 硅氧四面体：由一个硅离子和四个氧离子所构成的四面体结构。

  22. ②铝氧八面体 （简称八面体）八面体的基本结构是由1个铝离子和6个氧离子（或氢氧离子）所构成。 • 由6个氧离子（或氢氧离子）排列成两层，每层都由3个氧离子（或氢氧离子）排成三角形，但上层氧的位置与下层氧的位置交错排列，铝离子位于两层氧的中心孔穴内。像这样的构造单位，如果连接相邻的3个氧离子的中心，可构成假想的8个三角形的面，铝离子位于这8个面的中心，所以称这种单位为铝氧八面体。 • 铝氧八面体：由1个铝离子和6个氧离子（或氢氧离子）所构成的八面体结构。

  23. 单位晶片 • 从化学上来看，四面体为(SiO4)4- ,八面体为（AlO6）9- ,它们都不是化合物，在它们形成硅酸盐粘土矿物之前，四面体和八面体分别各自聚合，聚合的结果。 • 在水平方向上四面体通过共用底部氧的方式在平面两维方向上无限延伸，排列成近似六边形蜂窝状的四面体片（简称硅片）。硅片的顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n(Si4O10)4- 表示。 • 八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列成八面体片（简称铝片）。铝片两层都有剩余的负电荷，铝片可用n（AlO6）9- 。

  24. 单位晶层 • 由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物。 • 硅片和铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1：1型、2：1型和2：1：1型晶层。

  25. 1:1型单位晶层由一个硅片和一个铝片构成。 • 硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角型孔穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。

  26. 2：1型单位晶层由两个硅片夹1个铝片构成。 • 两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。这样2：1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。

  27. 2：1：1型单位晶层在在2：1单位晶层的基础上多了1个八面体片水镁片或水铝片，这样2：1：1型单位晶层由两个硅片、1个铝片和1个镁片（或铝片）构成。2：1：1型单位晶层在在2：1单位晶层的基础上多了1个八面体片水镁片或水铝片，这样2：1：1型单位晶层由两个硅片、1个铝片和1个镁片（或铝片）构成。

  28. 同晶替代 • 同晶替代是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。 • 替代和被替代的离子大小要相近，只有这样才能保证替代后的晶形不发生改变。

  29. 替代和被替代的离子的电性必须相同，电价可以同价或不等价。替代和被替代的离子的电性必须相同，电价可以同价或不等价。 • a、如果替代的两个离子是同价的，互换的结果不仅晶形不变而且晶体内部仍保持电性中和。 • b、如果替代的离子电价不等，互换的结果使晶体带电，其电性或正或负，如果晶体中心离子被电价低的阳离子所替代，则晶体带负电荷；反之晶体带正电荷。 • 在硅酸盐粘土矿物重，最普遍的同晶替代现象是晶体中的中心离子被低价的离子所代替，如四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中的Al3+被Mg2+所替代，所以土壤粘土矿物一般以带负电荷为主。同晶替代现象在2：1和2：1：1型的粘土矿物中较为普遍，而在1：1型的粘土矿物中相对较少。

  30. 同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，被吸附的离子通过静电引力被束缚在粘土矿物的表面，避免随水流失。被吸附的离子可通过交换作用被植物吸收。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，被吸附的离子通过静电引力被束缚在粘土矿物的表面，避免随水流失。被吸附的离子可通过交换作用被植物吸收。 • 土壤粘土矿物以带负电荷为主，吸附的离子以阳离子为主。土壤中粘土矿物的类型和数量与土壤肥力的关系很大。

  31. 2、硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性 • 土壤中层状硅酸盐粘土矿物的种类很多，根据其结构特点和性质，可归纳为4个类组，主要有高岭组、蒙蛭组、水化云母组和绿泥石组矿物。 • ㈠高岭组 又叫1： 1型矿物，是硅酸盐粘土矿物中结构最简单的一类。包括高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等。 • 高岭石组粘土矿物是南方热带和亚热带土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。 • 具有一下特点：

  32. （1）1：1型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8 • （2）非膨胀性 • （3）电荷数量少 晶层内部硅片和铝片没有或极少有同晶替代现象，其负电荷的来源一个是晶体外表面的 断键，二是晶体边面OH基在碱性及中性条件下的离解。 • （4）胶体特性较弱

  33. ㈡蒙蛭组 又叫2：1型膨胀性矿物，包括蒙托石、绿托石、拜来石、蛭石等。 • 蒙托石在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广。蛭石广泛分布于各大土类中，但以风化不太强的温带和亚热带排水良好的土壤中最多。 • 其具有一下特点：

  34. （1）2：1型的晶层结构 • （2）膨胀性大 • （3）电荷数量大 • 同晶替代现象普遍，蒙托石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，而蛭石的同晶代换主要发生在硅片中。 • （4）胶体特性突出

  35. ㈢水化云母组 又叫2：1型非膨胀性矿物或伊利组矿物，伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是西北、华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含有很低。 • 具有一下特征： • （1）2：1型晶层结构 • （2）非膨胀性 • （3）电荷数量较大 • （4）胶体特性

  36. ㈣绿泥石组 这类矿物以绿泥石为代表，绿泥石是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物，土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来的，但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。 • 沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。 • 具有一下特性： • （1）2：1：1型晶层结构 • （2）同晶代换较普遍 • （3） 颗粒较小，胶体性质居中

  37. 3、非硅酸盐粘土矿物 • 土壤粘土矿物组成中，除层状硅酸盐外，还含有一类矿物结构比较简单、水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石。 • 氧化物矿物既可呈结晶质状态存在，也可非晶质状态存在。 • 无论是结晶质还是非结晶质的氧化物，电荷的产生都不是通过同晶替代获得的，而是通过质子化和表面羟基H+的离解。既可带负电荷，也可带正电荷，决定于土壤溶液中H+离子浓度的高低。

  38. ㈠氧化铁 • 土壤中常见的氧化铁矿物是针铁矿和赤铁矿。 • 针铁矿（α-FeOOH）在温带、亚热带的土壤中大量存在，一般晶体都很小，比较大的带黄色，较小的带棕色，常呈针状、故称针铁矿。天然针铁矿中有一部分Fe3+被Al3+所代替。一般来说，含有Al3+替代的针铁矿其结晶程度都较差。 • 赤铁矿（α-Fe2O3）在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在，在黄色或棕色的土壤中很少存在，即使土壤中的氧化铁以针铁矿为主，少量的赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。赤铁矿常呈六角形的板状。 • 赤铁矿和针铁矿在土壤中都可以呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，在热带地区的土壤中可进一步转化为似岩石般坚硬的物质－铁盘。

  39. （二）氧化铝 • 土壤中常见的铝氧化物是三水铝石Al(OH)3,主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中，其含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。 • 土壤中三水铝石的形成和含量的高低与水热条件和矿物风化有着密切关系。就水平地带性土壤而言，我国北方石灰性土壤中不含三水铝石，大致在北纬30°以南地区的土壤中才出现三水铝石。在同一地区，花岗岩发育的土壤中的三水铝石含量较千枚岩发育的土壤高。

  40. 土壤中各种形态的铁、铝可按离子态←→无定形态←→晶态进行转化。土壤中各种形态的铁、铝可按离子态←→无定形态←→晶态进行转化。 • 铁铝氧化物对土壤理化性质的影响主要是表面作用。其影响强弱与表面积大小密切相关。 • 结晶很好、颗粒大大的在土壤中转化作用较弱。非晶质（无定形）的铁铝氧化物转化作用强。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如对土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。

  41. ㈢水铝英石 • 水铝英石(xAl2O3ySiO2nH2O)是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质硅酸盐矿物，Si/Al比在1～2之间变化。 • 水铝英石具有较高的阳离子交换量，为10－15cmol(+)/kg，其大小决定于土壤溶液中pH和水化程度。水铝英石具有较大的表面积，一般为70×103～300×103。 • 水铝英石是火山灰土壤中的主要粘土矿物。温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的有年土壤中，因铝、硅氧化物溶胶的共同沉淀而生成水铝英石。那些高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤也常存在水铝英石。

  42. 水晶

  43. 白云母

  44. 黑云母

  45. 方解石

  46. 金属自然金

  47. 三、土壤无机矿物质颗粒的化学组成 • 成土矿物的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素，主要元素约有10余种，包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳，占土壤矿物质总质量的99%以上，其中以氧、硅、铝、铁4种元素所占的比例最多。 • 土壤中主要的原生矿物所含化学成分有一定规律如表，石英、长石、白云母这些矿物的SiO2及K2O、Na2O含量高，含SiO2愈多的矿物颜色愈浅，愈抗风化。而黑云母、辉石、橄榄石、磁铁矿等深色矿物SiO2含量少，而Fe、Ca、Mg含量高，这些矿物易风化分解。 • 矿物质颗粒愈粗，SiO2含量愈多，颗粒愈细SiO2含量愈少，但A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、K2O等养分元素的含量变化趋势正相反。 • 在总的含量中如用氧化物的形态来表示仍以SiO2、A12O3、Fe2O3三者为主要成分，如表：

  48. 表： 土壤中主要原生矿物的近似化学组成(％)

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