土壤圈的特性

二、土壤圈的特性

(一)土壤圈的物理特性

1.土壤质地

土壤质地(Soil Texure)是指土壤颗粒的粗细程度和组成比例，也叫土壤的机械组成。土壤质地影响土壤水分、空气和热量的交换，也影响土壤养分的转化，这是因为土壤质地决定着土壤中许多物理、化学反应得以进行的表面积。按照土壤颗粒的大小，可以划分出不同的土壤粒级，图11-3列出了土壤质地三角表，可以很方便地查出某地的土壤质地类型和名称。

图11-3　土壤的质地三角表

一般来说，土壤的质地可以归纳为三大类型：

(1)砂质土类。砂质土类是指以砂粒为主的土壤，通常砂粒含量在70％以上。由于颗粒组成粗大，土壤中的大孔隙多，毛管孔隙少。因此砂土的通气、透水性强，热容量小，温度变化剧烈，易受干旱威胁。又由于砂土通气良好，有机质分解迅速彻底，不易积累。所以，砂土的保水、蓄肥能力弱，土体多呈松散状态，结构性不强，但易耕作。砂质土壤还可以区分出两种具体的质地类型——砂土和壤砂土。

(2)黏质土类。黏粒占优势的土壤属黏质土类，黏粒的含量一般不低于40％。由于黏质土的颗粒细小，具有巨大的表面积，所以对水分和养分有很强的保持力。黏质土中虽然空隙较多，但都属于细小的毛管孔隙，水汽运动缓慢，排水和通气状况不佳，有机质分解缓慢，有利于养分的积累。黏土的质地粘重，干时硬结，湿时粘着，有较强的粘结性和可塑性，不易耕作。黏质土类中根据所含砂粒和粉砂的比例，可进一步细分出黏土、砂质黏土和粉砂黏土三个具体类型。

(3)壤质土类。壤质土可以看作是砂粒、粉砂粒和黏粒三者在比例上均不占绝对优势的一类混合土壤，兼有砂质和黏质土壤的一些特性，并调和了它们的一些不利因素。壤土既具有一定数量的非毛管孔隙，又有适量的毛管孔隙，故兼有砂土和黏土的优点，不仅通气，透水性能良好，而且蓄水、保肥与供肥性能强。因此，它是农业生产上最理想的土壤质地。

2.土壤结构

自然土体中以单独分散状态存在的颗粒并不多，土壤中的颗粒大都通过某种胶结物质相互联结组合在一起，形成较大型的团聚体。土壤结构(Soil Structure)就是指土壤颗粒相互胶结、聚合在一起而形成的团聚体，也称土壤自然结构体。团聚体内部胶结性较强，而团聚体之间，则沿胶结的弱面相互分开。土壤结构能影响土壤孔隙的数量、大小及其分配情况，从而影响土壤与外界水分、养分、空气和热量的交换。土壤的一些物理特性，如水分运动、通气状况、空隙度等都与土壤结构直接有关。

土壤结构按形态一般分为球状、板状(片状)、块状和柱状四种基本形态。其中，球状和块状、柱状又细分为两类，土壤共计有7种结构形态(见图11-4)。不同的土壤和同一土壤的不同土层中，土壤结构往往各不相同。

图11-4　土壤的基本结构类型

在各种土壤结构中，球状团粒结构是水稳定性和机械稳定性较强的一种粒状土壤结构，对土壤肥力的形成具有最重要的意义，成为肥沃土壤的重要标志之一。

3.土壤颜色

土壤颜色是土壤最重要的外表特征之一，土壤颜色的变化可作为判断和研究土壤成土条件、成土过程、肥力特征和演变的依据。土壤颜色与土壤的矿物质成分、有机质含量、排水条件和通气状况等密切相关。其中，铁离子和有机质是染色效果特别强的物质，许多土壤的颜色都与它们的含量和变化有关。世界上许多土壤类型就是按照其颜色来命名的。例如，红壤、黄壤、砖红壤、黑土、黑钙土等。一般地，黑色表示土壤腐殖质含量高，含量减少则呈灰色；白色表示土壤中石英、高岭石、碳酸盐、长石、石膏和可溶性盐类含量较高；红色表示土壤中含有赤铁矿，黄色是水化氧化铁造成的。游离氧化锰含量高时，土壤呈紫色；当土壤积水处于还原状态时，因含有大量亚铁氧化物，土壤呈绿色或蓝灰色。

4.土壤温度

土壤温度(Soil Temperature)既是土壤的肥力要素之一，也是土壤的重要物理性质，它直接影响土壤动物、植物和土壤微生物的活动，以及黏土矿物形成的化学过程的强度等。土壤温度取决于能量的收支。土壤的热量来源有太阳辐射，地球内部向外输送的热能、土壤中生物过程释放的生物热，以及化学过程产生的化学热等。其中太阳辐射是土壤最主要的能量来源。土壤能量的散失则有水分蒸发、长波辐射、对流、传导等多种途径。从长期来看，土壤的热量得失是平衡的。从短期来看，白天或夏季热量的获得显著地超过损失，土温上升；夜晚和冬季热量的输入少于输出，土温下降。随着太阳辐射的周期性变化(昼夜交替和季节变换)，土壤温度亦具有明显的日变化和年变化。

土壤温度的这两种变化在土壤的表面最大，随着深度的增加逐渐缩小。与地上气温的变化相对称(见图11-5)，土温的日变化一般只影响到土层较浅的部位，大约在15cm以下土壤温度的日变化就不明显了。年变化的影响相对深一些，可达3m左右。

图11-5　土温波动性及其随深度的变化模式

(二)土壤圈的化学特性

1.土壤胶体

土壤胶体(Soil Colloids)是土壤形成过程中的产物。土壤胶体能把自然土体中以单独分散状态存在的固相颗粒相互联结、组合在一起，形成大小不同、形状各异的团聚体。根据组成胶粒物质的不同，土壤胶体可分为有机胶体(如腐殖质)、无机胶体(如黏土矿物)和有机-无机复合胶体三类。由于土壤中腐殖质很少呈自由状态，常与各种次生矿物紧密结合在一起形成复合体，所以有机-无机复合胶体是土壤胶体存在的重要形式。

土壤胶体对养分的吸收，主要方式是物理化学吸收。一般胶体含量越高的土壤，其表面能也越高，从而对养分的吸收也越强。土壤胶体的黏结或凝聚作用与土壤溶液中的阳离子(电解质)成分有很大关系。阳离子的电价愈高，胶体的凝聚性就愈强，所以高价的Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺都是很好的促凝剂。与此相反，低价的H+、Na⁺、K⁺离子，非但不能促进胶体的凝聚，反而会使凝胶变成溶胶，使土粒分散，起着破坏土壤结构的作用。

土壤中的胶体主要处于凝胶状态，只有在潮湿的土壤中才有少量的溶胶。

2.土壤养分

植物在生长的过程中需要不断地吸收营养元素或养分，比较重要的或必需的元素有17种(见表11-2)。植物需要量大的称为宏量营养元素，需要量较少的称为微量营养元素。除了C、H、O三种成分可以从空气和水中获得外，其他都依赖于土壤的供应。需要特别指出的是，植物并不是直接吸收原子态的单质，而是只能利用有效态的养分。比如植物不能直接吸收铁，而是吸收亚铁离子(Fe²⁺)；不能直接利用磷，而是利用磷酸根离子(PO^3－₄)。因此，土壤养分研究的重点是营养元素在土壤中的动态转化关系。

表11-2　重要的营养元素及其来源

从植物体利用的角度来看，土壤中的养分可以分为无效态和有效态两种基本形态。封闭于固体矿物之中或存在于有机质内部的营养元素，不能被植物体直接利用，属无效状态。但固体矿物和有机质是土壤中营养元素的最大储备库，无效态的养分可以通过化学风化和有机质的矿质化作用被释放出来，从而转化为可被植物体利用的有效态。经风化与分解获得释放的有效态养分有两种可能去向：一是直接进入土壤溶液，成为自由态的离子；一是被土壤胶体吸附在表面，成为吸附态的离子。溶液中的自由态和胶体上的吸附态之间存在相互调节的动态平衡关系。

单纯从数量上来说，含量最大的是储备态，吸附态相对很少，而真正成为自由态的就更少。三种形态之间构成一个动态的养分平衡系统，可以持续不断地为植物供应和输送养分，满足植物体在生长过程中对养分的需求(见图11-6)。

图11-6　土壤养分的类型及其动能转化关系

3.土壤酸碱度

土壤溶液中的主要阳离子可分为产酸阳离子(H+，Al³⁺)和盐基阳离子(K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Mg²⁺)两类。土壤酸碱度主要是指土壤溶液中氢离子的浓度，是土壤的重要化学特性和指标。一般可分为活性酸度与潜在酸度两大类。

(1)活性酸度。活性酸度是指直接由土壤溶液中氢离子(H+)的浓度所引起的酸度，亦称有效酸度，通常用pH值表示。对土壤溶液而言，pH值可视为土壤溶液中H+离子浓度的负对数。根据pH值的高低，可将土壤的酸度分为：强酸性、酸性、中性、碱性和强碱性五种(见表11-3)。

表11-3　酸性土、中性土和碱性土的pH值范围

(2)潜在酸度。潜在酸度是指由吸附在土壤胶体表面的H+和Al³⁺被交换所引起的酸度。一般情况下，它并不显示其酸度，只有在被其他离子交换而转入土壤溶液后才显示其酸度，故又称为交换性酸度。潜在酸度可用pH(KCl)表示。由于土壤中存在着离子的交换，溶液中的离子可与胶体上的离子相互转换，因此，活性酸度与潜在酸度经常处于动态平衡状态。

土壤溶液的酸度能影响植物的生长，影响土壤中养分的有效性和土壤矿物质的转化。自然土壤的酸度主要受母岩和气候两种因素控制。母岩和母质主要是通过其化学组成对酸度产生影响，如花岗岩母质多含浅色矿物，风化释放的盐基离子较少，故多呈显酸性反应。石灰岩的主要化学成分是CaCO₃，因此，在此基础上发育的土壤基本上都呈碱性反应。气候对土壤酸度的影响主要是降水，降水量多的地区淋溶强度大，而盐基离子是最容易受到淋洗的成分，所以湿润地区往往与酸性土壤的分布一致；干旱和少雨地区淋溶弱，盐基离子富集于土壤中，所以往往是中性或碱性土壤的分布区。近年来，全球性的酸雨危害日益严重，雨水中含有大量的酸性物质，对土壤具有潜在的酸化危害。

4.土壤的氧化-还原反应

土壤中某些无机物质的电子得失过程称为土壤的氧化-还原反应(Oxidation-Reduction)过程。土壤空气和土壤水中的溶解氧、土壤有机质、矿物质及其可变价态的元素，以及植物根系和土壤微生物均是参与和决定土壤中氧化-还原反应的重要物质，它们在作用过程中凡失去电子的物质为还原剂，而得到电子的物质则为氧化剂。土壤中氧化-还原反应的交替进行，对土壤肥力的形成以及物质的迁移和转化都起着非常重要的作用。

土壤中的氧化作用主要由游离氧、少量的和高价金属离子(如Mn⁴⁺、Fe³⁺)等引起，它们是土壤溶液中的氧化剂，其中最重要的氧化剂是氧气。

土壤中的还原作用是由有机质的分解、嫌气生物的活动以及低价铁和其他低价化合物所引起的，它们是土壤溶液中的还原剂，其中最重要的还原剂是有机质。在适宜的温度、水分和pH值等条件下，新鲜而未分解的有机质的还原能力很强。

一般来说，土壤中的氧化态物质有利于植物的吸收利用，而还原态物质不但有效性降低，甚至会对植物产生毒害。在非渍水土壤中，铁一般以氧化态的形式存在，在有机质累积层或渍水条件下，铁则可还原为亚铁。锰在氧化-还原反应方面与铁有相似之处：在氧化条件下，以高价锰的形态存在，在还原条件下，则为低价锰。硫仅在较强的还原条件下，才会由硫酸盐的形态转化为硫化物，其主要形态为分子态硫化氢。相应地，硝酸根离子和二氧化碳可分别还原为氮气、铵离子和甲烷。土壤中主要元素的氧化-还原形态如表11-4所示。

表11-4　土壤中主要元素的氧化-还原形态

(三)土壤圈的生物特性

土壤生物圈是生物圈的重要组成部分，从微生物到高等动植物，它包括了从微观到全球陆地范围内纷繁复杂的生物多样性。1kg土壤中可能有54亿个细菌、100亿个放线菌和10亿个真菌。土壤剖面1m的土层中所包含的一株植物根系的总长度可达600km。土壤圈和岩石圈的主要区别就在于它的生物学特性。土壤圈与其他圈层主要功能的不同，在很大程度上就是依靠这一生物学特性。

表征土壤生物学特性的指标主要有土壤生物、微生物、土壤有机质总量、土壤腐殖质含量等。