土壤圈的物质组成

一、土壤圈的物质组成

土壤是由固相、液相、气相物质共同组成的，它们相互联系、相互转化和相互作用，构成土壤圈系统的物质基础。固相物质包括矿物质、有机质及一些活的生物有机体；液相物质主要是土壤水和溶液；气相物质则是指土壤中的空气。在较理想的土壤中，按容积计，矿物颗粒占38％～45％，有机质占5％～12％，土壤孔隙约占50％。

土壤水分和空气共同存在于土壤孔隙内，但它们的容积比，则是经常处于彼此消长状态，消长幅度在15％～35％之间。按重量计，矿物质可占固相部分的90％～95％，有机质占1％～10％(见图11-1)。

图11-1　理想土壤的体积比例

(一)土壤矿物质

土壤矿物质是土壤的主要组成物质，构成土壤的骨骼，对土壤的矿质元素含量、性质、结构和功能影响甚大。土壤矿物质主要来自成土母质，成土母质又起源于岩石。土壤矿物质主要包括原生矿物和次生矿物。

1.原生矿物

土壤原生矿物直接来源于母岩，它是受不同程度的物理风化作用而形成的，其化学成分和结晶构造并未改变。土壤中原生矿物的种类和含量随着母岩类型、风化强度和成土过程的不同而异。随着土壤年龄的增长，土壤中原生矿物在有机质、气候因子和水溶液作用下逐渐被分解，仅有微量极稳定矿物会残留于土壤中，结果使土壤原生矿物的含量和种类逐渐减少。在风化与成土过程中原生矿物供给土壤水分以可溶性成分，并为植物生长发育提供矿质营养元素如磷、钾、硫、钙、镁和其他微量元素。

由于土壤是由母岩风化而形成的，所以土壤中原生矿物的数量和种类，可用来说明土壤的发育程度。在成土过程中凡是不稳定的矿物首先被风化而在土壤中消失，而稳定的矿物则保存于土壤中。

土壤原生矿物主要包括硅酸盐和铝硅酸盐类、氧化物、磷酸盐类和某些特别稳定的原生矿物。

2.次生矿物

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，它主要包括各种简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类矿物，如铝硅酸盐粘粒(高岭石、蒙脱石、伊利石等)和铁、铝的氧化物等。

次生矿物是土壤矿物中最细小的部分(粒径小于0.002mm)，与原生矿物不同，许多次生矿物具有活动的晶格、呈现高度的分散性，并具有强烈的吸附交换性能、能吸收水分和膨胀，因而具有明显的胶体特性，故又称之为黏土矿物。黏土矿物影响土壤的许多理化性状，如土壤吸附性、胀缩性、黏着性及土壤结构等。

在土壤的形成过程中，原生矿物以不同的数量与次生矿物混合存在，共同组成土壤的矿物质。

(二)土壤有机质

土壤的有机质是土壤中最重要的组成成分之一，是土壤肥力的物质基础，也是土壤形成和发育的主要标志。土壤有机质可分为两大类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。前者主要来源于动植物和土壤生物的残体，人类通过施用有机肥也会增加非特异性土壤有机质的数量；而土壤腐殖质则属于土壤所特有的、结构极为复杂的高分子有机化合物。

1.非特异性土壤有机质

土壤中非特异性有机质的原始来源是植物组织。在自然条件下，树木、灌木丛、草类和藻类等(生产者)的躯体都可为土壤提供大量有机残体。在耕作条件下，农作物中有一大部分被人们从耕作土壤上移走，但作物的某些地上部分和根部仍残留于土壤中。土壤动物如蚂蚁、蚯蚓、蜈蚣、鼠类等(消费者)和土壤微生物(分解者)是土壤有机质的第二个来源，它们分解各种原始植物组织，为土壤提供排泄物和死亡后的尸体。

植物组织中所含有的化合物主要有碳水化合物、蛋白质、木质素、脂肪及色素等。其中，碳水化合物主要由碳、氧、氢构成，它们占土壤有机质的15％～27％，是土壤非特异性有机质的主要组成部分。植物组织在土壤微生物的作用下会形成有机酸，再加上植物根系分泌的有机酸，对土壤矿物的风化、养分的释放及土壤理化性质等均有重要的影响。

2.土壤腐殖质

土壤腐殖质(Soil Humus)是土壤特异有机质，也是土壤有机质的主要组成部分，占土壤有机质总量的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形的胶体物，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。土壤腐殖质主要由胡敏酸和富里酸组成。其中，胡敏酸对土壤结构体及保水、保肥性能的形成起重要作用；富里酸具有较弱的吸附性和阳离子交换性能，对促进土壤矿物风化和矿质养分的释放起重要作用。胡敏酸和富里酸在土壤中可呈游离的腐殖酸或腐殖酸盐状物，亦可与铁、铝结合成凝胶状态，它们多次与次生黏土矿物紧密结合，形成有机-无机复合体，构成良好的土壤结构，对土壤肥力的形成起着极为重要的作用。

此外，土壤腐殖质还具有与重金属元素、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，从而使土壤具备一定的自净能力。

(三)土壤水分

土壤水是土壤重要的组成成分和重要的肥力因素。它不仅是植物生长发育的必需物质，而且是土壤系统中物质与能量的流动介质。土壤水分含量的多少及其存在形式对土壤形成发育过程及肥力水平高低与自净能力都有重要的影响。

土壤水主要来源于大气降水、地下水、灌溉水和大气凝结水，而主要损耗于土壤蒸发、植物吸收、植物蒸腾和水的渗漏与径流(见图11-2)。

图11-2　土壤水循环(王建，2001)

土壤水平衡是指土壤水收入与消耗之间的数量关系，即指土壤含水量发生变化的情况。其表达式为：

土壤含水量=土壤水收入－土壤水消耗

1.土壤水的类型

自然界的土壤中，随着季节及天气状况的变化，土壤中的水分数量及其存在方式也在不断变化。在土壤科学研究和农业生产过程中，通常按水在土壤中的赋存状态，将土壤中的水分划分为土壤固态水、土壤液态水和土壤气态水三大类，如表11-1所示。

表11-1　土壤水分类型

(1)土壤固态水。包括化学结合水和冰。其中化学结合水又可分为组构水和结晶水。结晶水是指存在于多种矿物之中的水，如CaSO4·2H₂O等，它们在高温下可释放出来，但并不破坏矿物的晶体构造；组构水是指土壤矿物表面包含的——H₃O或——OH基，而不是以水分子H₂O存在，当矿物在风化或高温条件下可释放出来。冰存在于寒冷地区的永冻土或冻土层中。土壤固态水一般不参与土壤中的生物化学过程，在计算土壤水分含量时不把它们考虑在内。

(2)土壤液态水。包含束缚水和自由水，土壤中数量最多的就是液态水。土壤液态水又可细分为以下几种：

束缚水——束缚水是由土壤颗粒表面各种力的吸附作用而保持在土粒表面的膜状水层。其中由于土壤颗粒强大的表面力，而吸附保持的水没有自由水的性质，故称为紧束缚水，亦称为吸附水。它们只能化为水汽而扩散，不能迁移营养物质和盐类，植物根系一般不能吸收利用，故属无效水；而依据土壤颗粒表面力和水分子引力而吸附和保持的水层，称为薄膜水，或松束缚水。土壤束缚水的溶解力很弱，移动速率很小，大部分亦属无效水。

毛管水——毛管水是指在毛管力作用下保持和移动的液态水。它是土壤中移动较快且易为植物根系吸收的水分，是输送土壤养分至植物根际的主要载体，土壤中的各种理化、生化过程几乎都离不开它。由于土壤具有十分复杂多样的毛管体系，故在地下水较深的情况下，降水或灌溉水等地面水进入土壤，借助毛管力保持在土壤上层的毛管孔隙中，与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤中一样，称为毛管悬着水。毛管悬着水是地势较高处植物吸收水分的主要来源。

土壤中毛管悬着水的最大含量称为田间持水量。当土体中水分储量达到田间持水量时，随着土壤表面蒸发和作物蒸腾的损失，这时土壤含水量开始下降，当土壤含水量降低到一定程度时，土壤中较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，但细毛管中仍然充满水，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管断裂量。借助于毛管力由地下水上升进入土壤中的水称为毛管上升水。毛管水上升的高度和速度与土壤孔径的粗细有关。

重力水——重力水是借助于重力作用下在土壤的非毛管孔隙中移动或沿坡向侧渗的水分。重力水具有很强的淋溶作用，能以溶液状态使盐分和胶体随之迁移。它的出现标志着土壤孔隙全部为水所充满，土壤的通气状况变差，属于土壤的不良特征。

地下水——地下水系指某些水成土壤中地下水位较高处于地面之上，或接近地面时的水分。

土壤气态水——是指存在于土壤孔隙中的水汽，其移动取决于土壤剖面中的温度梯度和水汽压梯度，它也是影响土壤水分状况和植物生长发育的重要因子。

2.土壤水分的有效性

土壤水类型不同，被植物利用的难易程度也不同。土壤中不能被植物吸收利用的水称为无效水，反之称为有效水。当植物发生永久凋萎时的土壤含水量称为凋萎系数(Wilting Water Content)，这是土壤有效水的下限，低于凋萎系数的水分，作物无法吸收利用，属于无效水。凋萎系数因土壤质地、盐分含量、作物和气候等差异而不同。一般土壤质地愈黏重，凋萎系数就愈大。一般把田间持水量视为土壤有效水分的上限。土壤水的有效性在很大程度上取决于土壤水的吸力和植物根系根吸力的对比。土壤有效水的最大含量是指水的最大含量。

田间持水量与永久凋萎系数之间的差值，即田间持水量减永久凋萎系数。田间持水量和永久凋萎系数受土壤质地、腐殖质含量、盐分含量和土壤结构等因素制约。以土壤质地来说，砂质土壤的永久凋萎系数和田间持水量均较低，其土壤的有效含水量也较低，而黏质土壤则相反，唯有壤质土壤的有效含水量最多。

(四)土壤空气

土壤空气和土壤水共同存在于土壤空隙之中，是土壤肥力和土壤自净能力的要素之一。

土壤空气主要来源于近地面的大气层，它存在于土壤未被水分占据的空隙中。土壤中的化学作用和生物化学过程不断产生各种气体。因此土壤空气的组成与大气组成有着明显的差异。土壤空气的主要成分除N₂、O₂、CO₂及水汽等大气成分外，还含有CH₄、H₂S、H₂、PH₃、CS₂、C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄和各种氮氧化物等20多种气体。由于土壤微生物的活动，土壤中CO₂含量比大气中CO₂的含量(0.03％左右)高十倍甚至数百倍。氧在大气中含量一般约占20％，而在土壤空气中，含量只有10％～12％，在通气极端不良的条件下，土壤中氧的含量可低于10％。另外，土壤空气中水汽含量远较大气高。在土壤含水量适宜时，土壤空气的相对湿度接近100％。土壤空气中的其他成分含量甚微。

造成这种现象的原因是土壤中进行着众多的生命活动。植物根系、土壤动物和微生物的呼吸活动都在消耗氧气和产生二氧化碳，C+O₂=CO₂。土壤空气与大气成分的差异，导致两者之间的气体交换，CO₂由土壤排出进入大气，O₂由大气扩散进入土壤，从而形成一种动态的平衡关系。这个交换过程与生物的呼吸作用相似，因此被称为“土壤的呼吸作用”，也称为“土壤通气性”。

土壤的通气性与土壤孔隙、质地、结构、土壤含水量等密切相关。土壤空气的含量在很大程度上取决于土壤水分的增减。空气只能流入那些未被水分占据的空隙。雨后，土壤大空隙中的水分首先流失，接着由于蒸发和植物吸收，中空隙变空，因此，土壤空气通常是先占据大空隙，再占据中空隙。小空隙中由于经常充水，空气常常难以进入，所以，细小空隙比例大的土壤，通气条件往往不良。一般是有团粒结构的土壤，通气性良好，砂土的通气性较好，黏土的通气性较差。

土壤空气的成分对生物活动具有明显的影响。首先，土壤通气状况不良对土壤微生物活动影响强烈，会使得好气性土壤微生物不能正常活动，大大降低有机质的分解速度，使分解产物多呈还原态，这些物质对高等植物常常有毒害作用；其次，土壤通气状况不良会对高等植物活动带来许多危害，如制约植物根系生长，阻碍植物根系对水分和养分的吸收等。因此，调节水、气关系是提高土壤肥力的重要措施。