土壤的物质组成轮廓土壤是由固相、液相和气相三种物质组成的疏松多孔体。固相物质即固体土粒，约占土壤总体积的50%，其中包括矿物质和有机质。
土壤——固相（占土壤总体积50%）液相、气相、矿物质（占总体积38%，重量的95%）有机质（占总体积12%）占土壤总体积（50%），液、气呈互为消长关系。
第一节 岩石的风化与土壤矿物质
一、岩石的风化与成土母质
1.岩石、矿物的概念
岩石是构成地壳的基本物质。是一种或数种矿物的集合体。地壳的化学成分很复杂，几乎包括所有已知元素。但以氧、硅、铝、铁四种元素为主。矿物是地壳中具有一定化学组成、物理性质和内部构造的单质或化合物，是土壤矿物质的来源。已发现的矿物有3000 多种，主要成土矿物有几十种
2.地球上岩石的类型
按岩石形成方式可分为三大类
（1）岩浆岩：是地球内岩浆喷发后冷凝而成，如火山喷发后形成的花岗石等
（2）沉积岩：原来的岩石经过风化、搬运、沉积、固结成岩作用而重新形成的岩石。如石灰岩、溶洞。沉积岩有层次性，常含有生物化石
（3）变质岩：是由岩浆岩和沉积岩变质作用而成的岩石。如大理岩，玛瑙、宝石等这三类岩石中，数量最多的是岩浆岩，但地球表面分布最广的却是沉积岩，变质岩最少。
花岗石—岩浆岩 绿宝石—变质岩
组成岩石的矿物可分为二大类
（1）原生矿物：由地球内部熔融的岩浆直接冷凝而成。如石英（SiO2）、白云母、角闪石、白云石、赤铁矿等。它的颗粒比较粗
（2）次生矿物：由原生矿物在风化过程中形成的矿物、它的颗粒比较细，具有胶体的性质，主要为粘土矿物不同岩石矿物与土壤的化学组成和物理性质有密切关系。
3.岩石的风化
风化是岩石、矿物在内、外因作用下发生崩解和分解的过程。
（1）物理风化（physical weathering）外力有温度、冻溶、水流、风
（2）化学风化（chemical weathering）溶解、水解、氧化
（3）生物风化（biological weathering）根系穿插、生物分泌物
石英 云母 橄榄石
1977.12.21，山东临沭县常林村农民魏振芳在田间沙土中发现的我国最大的钻石—常林钻石
4.成土母质的类型及分布规律
岩石矿物经过风化破碎成疏松的堆积物即为成土母质。按其搬运动力及沉积特点可分为以下几种类型。
（1）残积物
风化后的堆积物未经搬运，理化性质和母岩一致。
（2）坡积物
风化物在重力或水流作用下，被搬运到山坡中下部的堆积物。性质与下部母岩无过度关系。
（3）洪积物
山洪搬运的碎屑物在山前平原形成的沉积物，形状如扇，也称洪积扇。粗细颗粒共存，是较好的母质。
（4）冲积物
河水中夹带的泥沙，在中下游两岸与入海口沉积而成。有明显的层次性和条带性。
（5）湖积物
由湖泊的静水沉积而成。特点是质地细，夹杂有大量的生物遗体。
（6）海积物
海边的海相沉积物，由于海岸上升、海退或江河入海的回流淤积物露出水面而成，盐分含
量高。
（7）风积物
由风力将其它成因的堆积物搬运沉积而成，一般质地粗，砂性大。
（8）黄土
第四纪沉积物，有人认为是风力搬运沉积而成。
（9）红土
第四纪红色粘土，主要分布在南方
二、土壤矿物的化学组成
土壤矿物的化学组成几乎包括地壳中的所有元素。其中O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、C等10种元素占土壤矿物质总质量的99%以上。
表2.地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
(维诺格拉多夫，1950、1962）
|
元素 地壳中 土壤中 |
元素 地壳中 土壤中 |
O 47.0 49.0
Si 29.0 33.0
Al 8.05 7.13
Fe 4.65 3.80
Ca 2.96 1.73
Na 2.50 1.67
K 2.50 1.36
Mg 1.37 0.60
Ti 0.45 0.40
H (0.15) ? |
Mn 0.10 0.085
P 0.093 0.08
S 0.09 0.085
C 0.023 2.0
N 0.01 0.1
Cu 0.01 0.002
Zn 0.005 0.005
Co 0.003 0.0008
B 0.003 0.001
Mo 0.003 0.0003 |
表3.我国表层土壤的主要化学组成（%）
|
成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O5 SO3 TiO2 |
|
土壤 64.17 12.86 6.58 1.17 0.91 0.95 0.56 0.11 -- 1.25 |
从表中可以看出， SiO
2、Al
2O
3、Fe
2O
3 三者之和通常约占土壤矿物质总量的75%以上，因此人们常把它们看成土壤的骨干成分。
三、土壤的机械组成
1.土壤粒级
土粒分级一般是将土粒分为石砾、砂粒、粉粒和粘粒四级。各国基本一致。但各级大小的具体标准各国不尽相同。
主要有下面三种标准
（1）国际制土粒分极
（2）前苏联制土粒分极
（3）中国制土粒分极
国际制土粒分级
1930年第二界国际土壤学大会提出。十进位制，粒径2mm为土粒的上限，小于0.002mm为土粒的下限。
表2-4 国际制土粒分级标准
|
粒级 |
|
粒径（ mm） |
|
石砾（gravel） |
|
> 2 |
|
砂粒（sand） |
粗砂粒（coarse sand）
细砂粒（fine sand） |
2—0.2
0.2—0.02 |
|
粉砂粒（silt） |
|
0.02—0.002 |
|
粘粒（clay） |
|
< 0.002 |
表2—6 我国制土粒分级标准
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粒级名称 |
粒径（ mm） |
|
石块 |
|
> 3 |
|
石砾 |
|
3-1 |
|
砂粒 |
粗砂粒 |
1-0.25 |
|
细砂粒 |
0.25-0.05 |
|
粉粒 |
粗粉粒 |
0.05-0.01 |
|
中粉粒 |
0.01-0.005 |
|
细粉粒 |
0.005-0.002 |
|
粘粒 |
粗粘粒 |
0.002-0.001 |
|
细粘粒 |
< 0.001 |
表4. 各级土粒的矿物组成（%）
|
粒级大小（mm） |
石英 |
长石 |
云母 |
角闪石 |
其它 |
|
1-0.25 |
86 |
14 |
— |
— |
— |
|
0.25-0.05 |
81 |
12 |
— |
4 |
3 |
|
0.05-0.01 |
72 |
15 |
7 |
3 |
3 |
|
0.01-0.005 |
63 |
8 |
21 |
5 |
3 |
|
< 0.005 |
10 |
10 |
66 |
7 |
7 |
引自陆景陵主编 “土壤与肥料”，1994。
矿质土粒的大小和组成不同，其性质上也有很大差异。主要表现在吸附性、粘结性、粘着性、可塑性、涨缩性和毛管作用等方面。一般来讲，土粒由大到小，这些性质从无到有，由弱变强。
表5. 各级土粒的化学成分（%）
|
粒级大小（mm) |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
P2O5 |
|
1.0-0.2 |
93.6 |
1.6 |
1.2 |
0.4 |
0.6 |
0.8 |
0.05 |
|
0.2-0.04 |
94.0 |
2.0 |
1.2 |
0.5 |
0.1 |
1.5 |
0.1 |
|
0.04-0.01 |
89.4 |
5.0 |
1.5 |
0.8 |
0.3 |
2.3 |
0.2 |
|
0.01-0.002 |
74.2 |
13.2 |
5.1 |
1.6 |
0.3 |
4.2 |
0.1 |
|
<0.002 |
53.2 |
21.5 |
13.2 |
1.6 |
1.0 |
4.9 |
0.4 |
土粒越细养分含量越多，因此砂土一般比壤土和粘土贫瘠。
前苏联制土粒分级：也称卡庆斯基制，是以1mm为土粒的上限，以粒径小于0.001mm为土粒的下限。
先把所有颗粒分为石砾（大于1mm）、物理性砂粒（1—0.01mm）和物理性粘粒（小于0.01mm )。
物理性砂粒和物理性粘粒这两大粒级的相对含量，是土壤质地分类的主要依据。并把这两大粒级进一步细分。
2.土壤质地
（1）土壤质地概念
任何一种土壤都是由粒径不同的各种土粒组成，但土壤中各粒级的含量不是平均分配的。土壤中各粒级土粒含量百分率的组合叫土壤质地（soil texture），也叫土壤颗粒组成或土壤机械组成。土壤质地是土壤重要物理性质之一，对土壤肥力有重要影响。砂土、壤土、粘土就是根据土壤质地来划分的。
（2）土壤质地分类
根据土壤中各粒级含量的百分率进行的土壤分类叫土壤质地分类。土壤质地分类目前有三种标准。
·国际制土壤质地分类
·前苏联制土壤质地分类
·我国土壤质地分类
表2—7 国际制土壤质地分类标准
3.土壤质地与土壤肥力的关系
(1) 砂土（sand soil）
大多分布在山前平原，冲积平原的河流两岸等，由于砂性土砂粒含量多，粒间大孔隙多，因此它具有以下农业生产性状。
(a)通透性好
通气透水性好、遇到大的降水后也不易积水，受涝程度较轻。
(b)保蓄性差
保水保肥能力差，灌水后水迅速下渗的深层土壤，施肥后养分也易随水流失。由于大孔隙多，表土水分易蒸发，缺水时易受旱。
(c)潜在养分含量低
砂粒本身含的养分元素就少，另外，吸附保存的肥料养分也少，易出现缺肥。但施肥后肥效发挥快。
(d)土温变化大
由于土体内水少气多、热容量小，春天土温易上升、常称为“热性土”。这在春季对越冬作物返青和棉花，花生等作物生长有利，但晚秋土温下降也快。
(e)土壤中有毒物质少
由于通气性好，土壤中不易产生有毒物质。
(f)耕性好
砂粒的粘性小，可塑性小，耕后不起坷垃。
(g)发小苗不发老苗
由于土壤疏松，土温回升快，出苗整齐，苗期生长好，但后期易脱肥。
(2) 粘土类（clay soil）
它与砂土的农业生产性状相反。多分布在地势较低洼的地方。通透性差，易发生涝害，但保水保肥能力强，土温变化小，由于土壤细的土粒含量高，土壤播种后常常出苗不齐，耕作后易产生土坷拉。
(3) 壤土类(loam soil)
农业生产中，太砂和太粘的土壤都不利于农作物生长，粗细土粒适中的土壤才较理想。这种土壤叫壤土，由于砂粘含量适中，克服了砂性土和粘性土的缺点，保留了它们的优点，使之具备了比较良好的生产性状，是耕层土壤比较理想的类型。
4.不同质地土壤的利用与改良
(1)不同质地土壤的利用砂土适宜种生长期短的植物及块根、块茎类植物。粘土需肥较多的作物、生长期长的作物。壤土蔬菜、经济作物。果树、茶树—排水良好的壤质土
(2) 土壤质地的改良途径
A.增施有机肥
B.客土法：掺砂或掺粘
C.翻淤压砂、翻砂压淤
D.引洪放淤、引洪漫沙
E.根据土壤质地采取不同的耕作管理措施
第二节 土壤生物与土壤肥力
一、土壤生物(soil organisms)
土壤生物包括土壤动物、植物和微生物。
1.土壤微生物（soil microorganisms）
土壤微生物包括细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等五个类群。
（1）细菌（bacteria）占土壤微生物总数量的70—90%。生物量仅占土壤质量的1/1000。主要是腐生性种类，参与土壤有机质的分解和腐殖质的合成。
（2）放线菌（actinomycetes）占土壤微生物总数的5 —30%。放线菌的营养体比细菌大几十倍，生物量与细菌接近。
（3）真菌（fungi）菌丝比放线菌大几倍到十几倍，生物量与细菌、真菌相当。
（4）藻类（algae）多数为单细胞的硅藻或丝状的绿藻和裸藻。
（5）原生动物（protozoon）单细胞的纤毛虫、鞭毛虫等。
1克土中微生物可达几千万到几十亿个，一亩耕层土壤中可有几十公斤至几百公斤活的微生物，土壤愈肥微生物数量也就越多土壤微生物的作用
(1)土壤形成中的作用：固氮、产生有机酸
(2) 营养物质转化
(3) 产生土壤酶
(4) 分解有毒物质(农药)
(5) 侵染植物
2.土壤动物
每公顷的土壤中约含有几百千克的各类动物，优势类群是蚯蚓、线虫、昆虫、蚂蚁、蜗牛等。
土壤动物的作用：
改善土壤的通气、排水和土壤结构。
二、土壤有机质
1.土壤有机质的来源及存在形态
土壤有机质主要来源于生长在土壤上的绿色植物和人为施的有机肥。总的看来，自然土壤有机质高于农业土壤，有机质含量的多少，是评价土壤肥瘦、好坏的重要指标。从元素来看，有机质中含有C、H、O、N、PS、Ca、Mg、K、Fe 等。
从形态看可分为三类：
（1）未分解的或分解很少的动植物残体
（2）半分解的有机物。
（3）被微生物分解后重新形成的有机物—腐殖质，它占土壤有机质的85—90％，是土壤有机质的主体和最重要部分
2.土壤有机质的组成和转化
土壤有机质的组成主要包括五类有机化合物糖类、纤维素类、木质素、含氮化合物和腊脂类。从元素组成上看，包括植物必需的各种元素。
土壤有机质的转化矿化过程
—有机质在微生物作用下分解，释放出养分。
腐殖化过程
—有机质矿化过程中微生物将其中间产物合成更复杂的特殊有机化合物腐殖质的过程。
影响转化的因素 气候因素、土壤水热状况、有机质、C/N。
3.土壤腐殖质的组成和性质
（1）组成
土壤腐殖质可分为三组：褐腐酸、黄腐酸及黑腐素。
（2）性质
a.腐殖质的吸水性很强，吸水量可超过500%。具有膨胀性和收缩性，但粘着性、粘结性和可塑性很低
b. 稳定性高，抗分解能力强。半分解期4—9年，平均存留时间200—6000年人工合成黄腐酸的应用：抗旱剂，叶面肥载体。
4.土壤有机质对土壤肥力的作用
（1）土壤有机质是植物C、N、P、S等营养元素的重要给源
（2）土壤腐殖质是形成良好土壤团粒结构不可缺少的胶结物质
（3）土壤有机质能降低粘性土的粘性，使耕性变好，改善通透性，同时又能增加砂性土的粘性
（4）土壤有机质能提高土壤的保水、保肥性，同时也能提高土壤对酸、碱缓冲性
（5）有机质中的腐殖质还能刺激根系生长
（6）消除或降低某些残留农药和重金属的污染(溶解、吸附、络合)
增加土壤有机质的方法
（1）发展畜牧业：增施有机肥
（2）秸杆还田：调C／N比，切碎、温度、病虫害
（3）因地制宜种绿肥增加土壤有机质含量应以当地高产农田的含量为准，因为土壤有机含量是当地气候条件下分解与合成的平衡结果，不能盲目追求多高。
第三节 土壤水分
一、土壤水分的类型和性质
1.土壤吸湿水
固相土粒靠其表面的分子引力和静电引力，从大气和土壤空气中吸附的气态水。该层水分子受土粒的引力大，排列紧密，密度1.2—2.4g/cm
3，不能移动，无溶解能力。不能被植物吸收，是一种无效水。
吸湿水含量与土壤质地、有机质含量和空气相对湿度有关。
表2-14、土壤质地与土壤吸湿水和最大吸湿量
|
土壤质地 |
砂土 |
轻壤土 |
中壤土 |
粉砂质粘壤土 |
泥炭 |
|
吸湿水（g/kg) |
5-15 |
15-30 |
25-40 |
60-80 |
180-220 |
|
最大吸湿量（g/kg) |
>15 |
30-50 |
50-60 |
80-100 |
— |
2.膜状水
吸湿水达到最大后，土粒还有剩余引力吸附的液态水。受到土粒的吸力为0.625—3.1MPa。一般植物根系的吸水力为1.5MPa，因此膜状水对植物部分有效。当土壤水受到的吸力超过1.5MPa时，植物无法从土壤中吸收水分而呈永久凋萎，此时的土壤含水量就称为凋萎系数。凋萎系数主要受土壤质地影响。
表2-15、不同质地土壤的凋萎系数
|
土壤质地 |
粗砂土 |
细砂土 |
砂壤土 |
壤土 |
粘壤土 |
|
凋萎系数（g/kg) |
9-11 |
27-36 |
56-69 |
90-124 |
130-166 |
3.毛管水
靠土壤毛管引力而保持在土壤毛管孔隙中的水叫毛管水，运动较快，不再受土粒引力作用，是可以移动的自由水。是植物用水的主要来源。毛管水所受的毛管引力在0.625—0.01MPa，小于1.5MPa。
毛管悬着水指地形部位较高，不受地下水影响的地区其土壤上层所保持的水分。当毛管悬着水达到最大值时的土壤含量叫做“田间持水量”，田间持水量是因土灌溉的一个重要依据。
毛管上升水：
地势较低的地区，地下水借毛管引力上升作用而保持在土壤的水分。但要注意，当地下水矿化度较高（含盐多），并且蒸发量大于降雨量的情况下，毛管上升水到达土表后蒸发，而水中的盐分则留在表土，这是造成土壤盐渍化的原因。“临界深度”——地下水上升能在作物根系活动层积累盐分并达到有害程度时的地下水深度。改良盐土时， 一般要开沟、排水、洗盐，把地下水埋深降到临界深度以下，临界深度因土壤质地而异，一般为1.5—2. 5米。壤土最大，砂土最小，粘土居中。
4.重力水
超过田间持水量的水，它将在重力作用下向下渗透，这一部分不能被土壤保持而在重力作用下向下流动的水叫“重力水”。相同含水量的不同土壤，土壤水有效性不同。
二、土壤水分含量的表示方法
1.土壤质量含水量
土壤保持的水分质量占土壤质量分数。以土壤干基为分母。
2.土壤容积含水量
土壤水容积与土壤容积之比。可以和土壤质量含水量进行换算。Q =(土壤水分容积)/(土壤容积)， 若已知土壤质量含水量（g/kg)，水的密度按1g/cm
3，只要知道土壤容重，即可求得Q。
Q = 土壤质量含水量x容重/1000x100%
3.土壤相对含水量
土壤相对含水量=(土壤含水量/土壤田间持水量)x100% 适宜植物生长的土壤含水量是田间持水量的70—80%。
4.水层厚度
指一定深度土层中的水分总量相当于水层厚度(mm) 。此表示方法与降雨量表示方法一致。
三、土壤水分的能态
1.土水势
土壤水在土壤各种吸附力、毛管力、重力等作用下，与同样温度、高度、和大气压等条件下的纯自由水的自由能差。非饱和土壤的土水势为负值。土水势由下面几种分势组成
（1）基质势：土壤基质吸力产生
（2）压力势：不饱和土壤为0，地下水位以下土壤为正值
（3）溶质势：由于土壤中含有盐分等，因此为负值
（4）重力势土壤水由土水势高的地方流向低的地方。
不同土壤不能只看土壤含水量，更重要的是看它们土水势高低。例如，含水量15%的粘土其土水势一般低于含水量只有10%的砂土。这两种土壤接触，水流将由砂土流向粘土。
2.土壤水吸力
土壤基质对土壤水吸力。为正值，数量上与土壤水负压力相等。
3.土壤水分特征曲线：
表征土壤水分能量与含量的关系相同的吸力下，粘土含水量高于砂土。相同土壤含水量下，砂土的水吸力小，对植物的有效性高。土壤水分是植物生长的必备条件，不同植物对土壤水分有不同要求。
图5-16 田间土壤水分收支示意图
第四节 土壤空气和土壤热量
一、土壤空气
土壤空气是土壤三相组成之一，也是土壤肥力因素之一。
1.土壤空气的特点
（1）CO
2含量高于大气，O
2含量低于大气
（2）含有一定的还原性气体，H
2S、CH
4、NH
3
（3）常被水汽饱和，相对湿度高
（4）土壤空气的组成处于变化之中，特别是O
2和CO
2
2.土壤的通气性和土壤气体交换
由于土壤CO
2含量高，O
2含量低，因此空气中O
2向土壤扩散，土壤中CO
2向空气的扩散，这种从土壤中排出CO
2。，而从大气中吸入氧气的过程叫“土壤呼吸”。正因为有了土壤呼吸使土壤和大气不断交换，从而使土壤空气更新。土壤的通气性决定于土壤的孔隙状况。土壤通气性好坏的表示方法：
（1）土壤孔隙度
（2）土壤氧扩散率
（3）Eh土壤空气对作物生长和土壤肥力的影响。当土壤空气中的氧浓度低于9—10%时，作物根系发育就会受到影响。
二、土壤热量
土壤的热量来源太阳辐射、生物热、地热。
1.土壤的热特性
（1）土壤热容量
重量热容量—单位重量土壤升高10K所需的热量（J/g.K）容积热容量—单位容积土壤升高1°K所需的热量（ J/g.K）
土壤热容量的大小决定于土壤固、气、液，由于固相变化不大，而空气的热容量很小（水的1/3000），而水的热容量很大，因此，土壤热容量的大小主要决定于土壤含水量，土壤含水多，升高1°C所需要的热量大，降低1°C放出的热量也越多。
2.土壤导热率
评价土壤传导热量快慢的指标。指面积为1m
2、相距1m的两截面上温度相差1K时，每秒中所通过该单元土体的热量焦耳数。单位：J/(m.K.s)土壤三相组成中，空气的导热率最小，矿物质的导热率最大，为土壤空气的100倍。水的导热率介于二者之间。土壤越紧实，导热率越好。
3.土壤的导温率
也叫土壤导热系数或热扩散率。指标准状况下，当土层在垂直方向上每cm距离内有1J的温度梯度，每秒流入断面面积为1平方米的热量，使单位体积土壤（1立方米）所发生的温度变化。
导温率=导热率/土壤容积热容量
土壤温度与植物生长:
·不同植物的根系适宜生长温度
·植物的冻害和冷害。
第五节 土壤水、气、热的调节
一、土壤水分状况调节与节水
土壤水分是植物需水的主要来源。农业用水占社会总用水量的80%，农业节水潜力巨大。
1.根据土壤的持水量确定灌水定额
灌水量=田间持水量-土壤自然含水量
2.控制地表径流，增加土壤水分入渗
3.减少土壤水分蒸发中耕
—切断上下土层之间的毛管联系，降低土表蒸发。地面覆盖—地膜、秸秆。
4.提高土壤水分有效性
通过合理耕作和施用有机肥料，减低凋萎系数，提高田间持水量。
二、土壤空气和温度调节
质地粘重的土壤通气孔隙小于10%，通气不良。通过改良土壤结构、排水、中耕等改善土壤通气性。以水调节土温、耕作、覆盖、镇压等。
三、土壤氧化还原状况调节
调节土壤通气性来调节土壤氧化还原状况。
