PAGE1土壤礦物、有機(jī)質(zhì)及物理特性土壤是由固相（礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)）、液相（土壤水和溶液）、氣相（土壤空氣)和土壤生物有機(jī)體四部分組成。處于最適于植物生長(zhǎng)的典型壤質(zhì)土壤的體積組成大致為，土壤孔隙占50%，內(nèi)含水分和空氣，且水分與空氣比例大約是各占一半；土壤固體占50%，其中礦物占45%，有機(jī)質(zhì)占5%；土壤生物體均生活在土壤孔隙之中，如圖2-1所示。2.1土壤礦物土壤礦物主要來(lái)自于成土母質(zhì)，是土壤的主要組成物質(zhì)。土壤礦物構(gòu)成了土壤的“骨骼”，它對(duì)土壤的礦質(zhì)元素含量、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能影響甚大。按照發(fā)生類型可將土壤礦物劃分為原生礦物、次生礦物、可溶性礦物（鹽類）三大類。2.1.1原生礦物土壤主要組成：礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水、溶液、空氣、生物有機(jī)體。土壤主要組成：礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水、溶液、空氣、生物有機(jī)體。土壤原生礦物直接來(lái)源于母巖，特別是巖漿巖，它只受不同程度的物理風(fēng)化作用，而其化學(xué)成分和結(jié)晶構(gòu)造并未改變。土壤中原生礦物的種類和含量隨著母巖類型、風(fēng)化強(qiáng)度和成土過(guò)程的不同而異。隨著土壤年齡的增長(zhǎng)，土壤中原生礦物在有機(jī)體、氣候因子和水溶液作用下逐漸被分解，僅有微量極穩(wěn)定礦物會(huì)殘留于土壤中，結(jié)果使土壤原生礦物的含量和種類逐漸減少，如表2-1和圖2-2所示。在風(fēng)化與成土過(guò)程中原生礦物供給土壤水分以可溶性成分，并為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素如磷、鉀、硫、鈣、鎂和其他微量元素。土壤原生礦物主要包括硅酸鹽和鋁硅酸鹽類、氧化物類、硫化物、磷酸鹽類和某些特別穩(wěn)定的原生礦物。1.硅酸鹽及鋁硅酸鹽類硅酸鹽及鋁硅酸鹽類礦物是土壤中最主要的原生礦物，它們一般為晶質(zhì)礦物。常見的有長(zhǎng)石類、云母類、輝石類、角閃石類和橄欖石類等。2.長(zhǎng)石類礦物長(zhǎng)石類礦物占地殼重量的50%~60%，占土壤圈重量的10%~15%，是廣泛存在于土壤中的較穩(wěn)定的原生礦物，多集中于土壤粗粒級(jí)之中。長(zhǎng)石類礦物是正長(zhǎng)石(KAISi?O?)、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石的固熔體。鉀鈉含量多而鈣含量少的稱為堿性長(zhǎng)石，鈣和鈉含量多而鉀含量少的為斜長(zhǎng)石。它們的風(fēng)化產(chǎn)物為高嶺石、二氧化硅，并釋放大量鹽基離子，是土壤中鉀素的重要來(lái)源。3.云母類礦物云母類礦物占地殼重量的3.8%，按其顏色可分為白云母[KAl?(AlSi?O??)(OH,F)?]、金云母和黑云母。在土壤中白云母不易風(fēng)化，而黑云母極易風(fēng)化分解，故在土壤細(xì)砂或粉粒中常有云母碎片。云母風(fēng)化是植物鉀素的最重要來(lái)源。4.橄欖石類礦物橄欖石[(Mg,Fe)?SiO?]是基性和超基性巖漿巖的重要造巖礦物，在土壤中極易被風(fēng)化變成蛇紋石。橄欖石類礦物因含鐵多少不同可由淺黃綠至深綠色。5.輝石與角閃石類礦物輝石與角閃石占地殼中巖漿巖總重量的17%左右，是重要的造巖礦物。其中輝石[(Ca,Na)(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)?O?]為基性超基性巖、變質(zhì)巖的主要造巖礦物，在土壤中易被風(fēng)化變成綠簾石和綠泥石；角閃石是中性巖的主要造巖礦物，在土壤中易被風(fēng)化變成綠簾石和綠泥石。6.氧化物類石英(SiO?)在地殼中含量?jī)H次于長(zhǎng)石，占地殼重量的12%，是許多巖漿巖、沉積物和土壤中最為常見的礦物。在土壤中石英顆粒表面常被黃棕色的氧化鐵、氧化錳膠膜所包裹，而呈現(xiàn)黃棕色。在土壤砂粒(0.01~2.00mm)中石英的含量在80%以上。石英在土壤中極為穩(wěn)定，是土壤的基土壤礦物：長(zhǎng)石、云母提供鉀，石英覆蓋氧化鐵呈黃棕色，磷灰石、硫化物。底物土壤礦物：長(zhǎng)石、云母提供鉀，石英覆蓋氧化鐵呈黃棕色，磷灰石、硫化物。7.硫化物類土壤中常見的原生硫化物主要是黃鐵礦和白鐵礦，兩者為同質(zhì)異構(gòu)物，分子式為FeS?。黃鐵礦是地殼中最為常見的硫化物，在各類巖石中都可出現(xiàn)。在土壤中黃鐵礦易于被風(fēng)化變成褐鐵礦，并釋放大量硫素供給植物生長(zhǎng)發(fā)育之需要。8.磷灰石類磷灰石[Ca?（F,Cl)(PO?)?]常以微小晶粒散布于巖漿巖之中。在風(fēng)化與成土過(guò)程中磷灰石的分解會(huì)逐漸釋放磷化物，這是土壤中植物生長(zhǎng)發(fā)育所需磷素的重要來(lái)源。土壤是由母巖風(fēng)化而形成的，所以土壤之中原生礦物的數(shù)量和種類，可用以說(shuō)明土壤與母巖之間發(fā)生聯(lián)系的緊密程度，以及土壤的發(fā)育程度。在成土過(guò)程中凡是不穩(wěn)定的礦物首先被風(fēng)化而在土壤中消失，而穩(wěn)定的礦物則保存于土壤中。2.1.21土壤礦物的形成與轉(zhuǎn)化1.土壤礦物的風(fēng)化過(guò)程物理風(fēng)化。物理風(fēng)化是指礦物發(fā)生機(jī)械破碎，而沒(méi)有化學(xué)成分及結(jié)晶構(gòu)造變化的作用。礦物發(fā)生機(jī)械破碎主要是由溫度變化及由此而產(chǎn)生的水分凍結(jié)與融化等作用所引起的，礦物的機(jī)械破碎會(huì)引起礦物顆粒物理性質(zhì)的變化，如裂隙、孔隙和比表面面積的增加。因此，物理風(fēng)化使原不具有通透性的大巖塊變?yōu)樗樾级逊e物，為空氣、水分及生物的侵入與蓄存創(chuàng)造了條件，從而加速了化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)程?；瘜W(xué)風(fēng)化?；瘜W(xué)風(fēng)化是指礦物在水分、氧氣、二氧化碳等作用下發(fā)生的化學(xué)分解作用?；瘜W(xué)風(fēng)化不僅使礦物的成分、結(jié)晶構(gòu)造、性質(zhì)等發(fā)生改變，而且會(huì)產(chǎn)生新的礦物。礦物化學(xué)風(fēng)化作用表現(xiàn)最突出的是溶解、水化和水解。礦物溶解作用是指在極性水分子作用下，礦物顆粒表面陰陽(yáng)離子解離進(jìn)入水體形成水離子的過(guò)程。如食鹽晶體的溶解過(guò)程的化學(xué)方程式為NaCl+H?O=Na?+Cl?+H?O土壤礦物溶解程度的大小主要與礦物本身的組成、結(jié)晶構(gòu)造和水溶液的溫度有關(guān)。衡量礦物溶解程度的定量指標(biāo)有溶解度和溶度積。溶解度是指在一定溫度下，礦物在100g溶劑中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所溶解的克數(shù)，通常在室溫20℃下礦物溶解度在0.1g/g以上稱為易溶礦物，0.10~0.01g/g稱為可溶礦物，0.01~0.0001g/g稱為微溶礦物，小于0.0001g/g稱為難溶礦物，如表2-2所示。溶度積是指在一定條件下飽和溶液中各離子摩爾濃度（或活度）的乘積，用K物理風(fēng)化寒冷、干旱區(qū)顯著，可增加孔隙，促進(jìn)化學(xué)風(fēng)化；化學(xué)風(fēng)化是與水、氧氣、二氧化碳反應(yīng)而分解，溫暖濕潤(rùn)區(qū)顯著。物理風(fēng)化寒冷、干旱區(qū)顯著，可增加孔隙，促進(jìn)化學(xué)風(fēng)化；化學(xué)風(fēng)化是與水、氧氣、二氧化碳反應(yīng)而分解，溫暖濕潤(rùn)區(qū)顯著。AnBm(固)=nA+mBKsp=[A]?·[B]?式中：A、B為不同的元素符號(hào)；m、n為不同的數(shù)字。水化作用是指礦物晶體表面離子與水化合形成結(jié)構(gòu)不同、易碎散的礦物，這一作用有利于礦物的進(jìn)一步分解。如2Fe?O?（赤鐵礦)+3H?O=2Fe?O?·3H?O(褐鐵礦)水解作用是指水電解離出的H?對(duì)礦物的分解作用，它是化學(xué)分解的主要過(guò)程，可使礦物徹底分解。根據(jù)礦物在水解過(guò)程中的分解順序可劃分為：脫鹽基階段，即H?交換出礦物中的鹽基離子形成可溶鹽而被淋溶的過(guò)程；脫硅階段，即礦物中硅以游離硅酸形式被析出，并開始淋溶的過(guò)程；富鋁化階段，即礦物被徹底分解、硅酸繼續(xù)淋溶而氫氧化鋁相對(duì)富集的過(guò)程。以正長(zhǎng)石的水解為例：脫鹽基階段：K?Al?Si?O??(正長(zhǎng)石)+HOH=KHAL?Si?O??(酸性鋁硅酸鹽)+KOH脫硅階段：H?Al?Si?O??+5HOH=H?Al?Si?O?·H?O(高嶺石)+4H?SiO?富鋁化階段：H?Al?Si?O?+4HOH=2Al(OH)?+2H?SiO?土壤礦物的風(fēng)化過(guò)程不僅在時(shí)間上具有明顯的階段性，在空間上也表現(xiàn)出一定的地帶性，如極端寒冷、干旱南極大陸寒漠地區(qū)土壤礦物風(fēng)化以物理風(fēng)化為主，地表以飽和硅鋁型風(fēng)化物為主；在溫帶、亞熱帶干旱荒漠地區(qū)土壤礦物風(fēng)化以物理風(fēng)化、溶解過(guò)程為主，地表以碳酸鹽、石膏等風(fēng)化殼為主；在溫暖濕潤(rùn)的溫帶地區(qū)土壤礦物風(fēng)化以水化、脫鹽基過(guò)程為主，地表以碎屑狀硅鋁風(fēng)化殼為主；在濕熱的熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤礦物風(fēng)化則以脫硅、富鋁化過(guò)程為主，地表則以硅鐵質(zhì)硅鋁質(zhì)風(fēng)化殼為主。故土壤礦物風(fēng)化過(guò)程在空間和時(shí)間上都是相互緊密聯(lián)系在一起的，如圖2-3所示。2.影響土壤礦物風(fēng)化的因素土壤礦物的組成、結(jié)晶構(gòu)造及其理化性質(zhì)是影響其風(fēng)化過(guò)程和程度的內(nèi)在因素。一般來(lái)說(shuō)，礦物化學(xué)成分愈復(fù)雜（如含鹽基離子較多）的礦物，較易于物理風(fēng)化，化學(xué)分解也比較復(fù)雜成分復(fù)雜、熔巖冷卻結(jié)晶早的礦物，易風(fēng)化。高溫高濕強(qiáng)酸性，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)。；原生礦物自熔巖依穩(wěn)定的冷卻而漸次結(jié)晶析出，其愈先結(jié)晶的礦物愈易被風(fēng)化成分復(fù)雜、熔巖冷卻結(jié)晶早的礦物，易風(fēng)化。高溫高濕強(qiáng)酸性，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)。在地理環(huán)境中水分和溫度，以及環(huán)境介質(zhì)的pH值和Eh值是影響礦物風(fēng)化過(guò)程的主要外在因素。一般隨著溫度、濕度和酸度的增加，礦物的化學(xué)風(fēng)化程度亦隨之增強(qiáng)，如在高溫高濕、強(qiáng)酸性熱帶雨林地區(qū)的礦物風(fēng)化過(guò)程最為強(qiáng)烈，其表土中原生礦物已被風(fēng)化殆盡。環(huán)境介質(zhì)的Eh值主要影響含有變價(jià)元素的礦物的風(fēng)化過(guò)程，如鐵、錳氧化物在Eh值較高的氧化條件下呈惰性，而在E值較低的還原條件下則是可溶性化合物。另外生物因素對(duì)礦物風(fēng)化也是極為重要的因素，其對(duì)礦物風(fēng)化的影響方式可歸結(jié)為：①植物根系的穿插可加速礦物的機(jī)械破碎；②生物體所分泌的有機(jī)酸，可極大地促進(jìn)礦物的溶解、水解過(guò)程。3.土壤礦物風(fēng)化強(qiáng)度指數(shù)一般來(lái)說(shuō)，土壤礦物的脫鹽基、脫硅、富鐵鋁化的程度，可以用土壤礦物類型及其組成來(lái)表示。為此，在土壤學(xué)中采用土體中某些化學(xué)元素被淋溶的程度來(lái)定量刻畫土壤礦物的風(fēng)化強(qiáng)度，常用的有硅鐵鋁率、遷移系數(shù)和風(fēng)化指數(shù)等。硅鐵鋁率(SiO?/R?O?或SiO?/(Al?O?+Fe?O?))即土體或土壤黏粒部分中的SiO?/R?O?摩爾數(shù)比率。將土體和母質(zhì)的硅鐵鋁率加以比較，如土體硅鐵鋁率明顯小于母質(zhì)，則說(shuō)明該土壤具有較強(qiáng)的脫硅富鐵鋁化過(guò)程。黏粒的硅鐵鋁率數(shù)值也可用來(lái)推斷黏土礦物的類型。遷移系數(shù)Km是格夫利留克創(chuàng)建的反映元素在土壤剖面中淋溶遷移程度的定量指標(biāo)。其計(jì)算公式如下Km?=（任一土層或風(fēng)化層的x/Al?O?)/（母質(zhì)層或母巖中x/Al?O?)式中：x為土壤礦物中所求的化學(xué)元素，一般多指鹽基離子如K、Ca、Na、Mg、Fe等。Km?數(shù)值小于1則表示元素x在該土層或風(fēng)化層中有淋溶，如數(shù)值大于1，則表示該土層或風(fēng)化層中有富集現(xiàn)象（如土壤鹽堿化）。遷移系數(shù)之所以以Al?O?為標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)锳l?O?在土壤或風(fēng)化殼中是最為穩(wěn)定的化合物之一。但在強(qiáng)堿或強(qiáng)酸環(huán)境中，也要考慮Al?O?的遷移問(wèn)題。在研究土壤中微量元素淋溶遷移狀況時(shí)，可用金紅石(TiO?)代替Al?O?作標(biāo)準(zhǔn)。另外也有學(xué)者將地球化學(xué)和生物地球化學(xué)的理論運(yùn)用于土壤礦物研究之中，如將克拉克值（地殼中任一元素的平均含量，也就是該元素在地殼中的絕對(duì)豐度，常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)較高而又在一定環(huán)境中強(qiáng)烈遷移和富集的主要元素稱為標(biāo)型元素，以此作為土壤地球化學(xué)過(guò)程特征及其強(qiáng)度的標(biāo)志。Ca、Na、Mg、K是土壤中活性最強(qiáng)的主要鹽基成分，在化學(xué)理論上的元素遷移系列為：K>Na>Ca>Mg；但在自然環(huán)境中，化學(xué)元素的遷移順序不僅取決于該元素的物理化學(xué)性質(zhì)，而且取決于其環(huán)境因素，特別是有機(jī)體的生命活動(dòng)，最終使地理環(huán)境中化學(xué)元素的遷移序列表現(xiàn)為Ca>Na>Mg>K…這是土壤地球化學(xué)的風(fēng)化殼學(xué)說(shuō)的核心。蘇聯(lián)學(xué)者波雷諾夫(1937)根據(jù)火成巖和河流中溶解物的分析結(jié)果，列出了一些土壤成分的相對(duì)活性序列：他設(shè)定Cl的活性為100，則SO?2?=57，Ca2?=3.0，Na?=2.4，Mg2?=1.30，K?=1.25，SiO?=0.2，F(xiàn)e?O?=0.04，Al?O?=0.02。土壤礦物中的這些成分一般是以上述次序被淋失出土體。在分析南極長(zhǎng)城站地區(qū)土壤黏粒中發(fā)現(xiàn)Ca含量與同土層粉粒中Ca含量的比值為0.08~0.286,平均為0.185。可見在原生礦物被風(fēng)化成次生礦物的過(guò)程中，原生礦物中81.5%的Ca已被淋失；黏粒中Mg和K的含量接近或略高于粉粒中Mg和K的含量，它倆的比值分別為0.49~1.35，平均值0.978，這表明在研究區(qū)Mg、K在土壤形成發(fā)育過(guò)程中很少淋失或略有富集現(xiàn)象，其發(fā)生機(jī)制主要有：①在巖石風(fēng)化過(guò)程初期，巖漿巖中含有Mg的硅酸鹽礦物易發(fā)生水解形成含鎂的硅酸鹽礦物，這樣避免了原生礦物中Mg的淋失；②鉀離子半徑大，極化率高，易于被土壤膠體所吸附，因而使K成為土壤中弱移動(dòng)性元素；③地衣、苔蘚和藻類生物都具有較強(qiáng)的富集Mg、K能力。據(jù)柯夫達(dá)(1973)的資料，地衣苔蘚灰分中K的平均含量高達(dá)11.8%，Mg的平均含量也為3.6%。土壤中各種礦物抵抗風(fēng)化的性能差異很大，Jackson按照礦物在環(huán)境中的穩(wěn)定度（或風(fēng)化之難易程度）由小到大劃分為13級(jí)，以此創(chuàng)建了礦物的風(fēng)化指數(shù)黏土是次生礦物，細(xì)小、分散、黏著，有吸附性、吸水性、脹縮性，影響土壤結(jié)構(gòu)。黏土是次生礦物，細(xì)小、分散、黏著，有吸附性、吸水性、脹縮性，影響土壤結(jié)構(gòu)。2.13土壤次生礦物原生礦物在風(fēng)化和成土過(guò)程中新形成的礦物稱為土壤次生礦物，它包括各種簡(jiǎn)單鹽類、次生氧化物和鋁硅酸鹽類礦物。次生礦物是土壤礦物中最細(xì)小的部分（粒徑小于0.002mm)，與原生礦物不同，許多次生礦物具有活動(dòng)的晶格、呈現(xiàn)高度分散性，并具有強(qiáng)烈的吸附交換性能、能吸收水分和膨脹，因而具有明顯的膠體特性，所以又稱之為黏土礦物。黏土礦物影響土壤的許多理化性狀，如土壤吸附性、脹縮性、黏著性及土壤結(jié)構(gòu)等。因而，在土壤發(fā)生學(xué)、土壤環(huán)境學(xué)研究及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上均具有重要的意義。1.次生礦物的形成過(guò)程許多次生礦物是在原生礦物分解過(guò)程中，因晶體結(jié)構(gòu)尚未完全解體而降解形成的新礦物，如正長(zhǎng)石吸水脫鉀就形成了水化云母，繼續(xù)脫鉀就變成蒙脫石，繼而再脫硅就變成高嶺石，最后徹底分解而形成含水的鐵鋁氧化物。不同的原生礦物在不同地理環(huán)境中，具體分解過(guò)程及其產(chǎn)物是不相同的，如圖2-4所示。再如綠泥石由富鎂鐵的黑云母水化脫鉀而形成，繼續(xù)脫鉀、鎂、鐵可轉(zhuǎn)變?yōu)樗颇富蝌问?。還有一些次生礦物是原生礦物晶體徹底分解后，再由其分解產(chǎn)物重新合成、再結(jié)晶形成的新的次生礦物，如硅、鐵、鋁的氧化物凝膠共同沉淀可形成水鋁英石，或單獨(dú)結(jié)晶為各種次生氧化物。此外在沉積巖、冰磧物、黃土母質(zhì)上發(fā)育的土壤，可以直接從母巖或母質(zhì)中繼承一部分次生礦物。2.次生礦物的類型易溶鹽類。由原生礦物脫鹽基過(guò)程或土壤溶液中易溶鹽離子析出而形成其主要包括碳酸鹽（如Na?CO?)、重碳酸鹽（如Ca(HCO?)?)、硫酸鹽(CaSO?)、氯化物(NaCl)。常見于干旱半干旱地區(qū)和大陸性季風(fēng)氣候區(qū)的土壤中，在許多濱海地區(qū)的土壤中也會(huì)大量出現(xiàn)。土壤中易溶鹽過(guò)多會(huì)引起植物根系的原生質(zhì)核脫水收縮，危害植物正常生長(zhǎng)發(fā)育。次生氧化物類。主要由原生礦物脫鹽基、水解和脫硅過(guò)程而形成，其主要包括：二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵及氧化錳等。二氧化硅主要由土壤溶液中溶解的SiO?在酸性介質(zhì)中發(fā)生聚合凝膠而成，以氧化硅凝膠和蛋白石(SiO?·nH?O)為主。氧化鋁是鋁硅酸鹽在高濕高溫條件下高度風(fēng)化的產(chǎn)物，是土壤中極為穩(wěn)定的礦物，其主要包括三水鋁石(Al?O?·3H?O)和一水鋁石(Al?O?·H?O)，多見于熱帶地區(qū)的土壤中。氧化鐵是原生礦物在高濕、高溫條件下高度風(fēng)化或者在潴水條件下氧化還原過(guò)程的產(chǎn)物，是土壤中重要的染色礦物，其主要包括褐紅色的赤鐵礦(Fe?O?)、黃棕色的針鐵礦(Fe?O?·H?O)、棕褐色的褐鐵礦（Fe?O?·nH?O)，即土壤中氧化鐵不斷水化就形成了黃色的水化氧化鐵。氧化錳是原生礦物在高濕高溫條件下高度風(fēng)化或者在潴水條件下氧化還原過(guò)程的產(chǎn)物，也是土壤中重要的染色礦物，其主要是MnO和MnO?常以棕色、黑色膠膜或結(jié)核狀態(tài)存在于土壤顆粒表面。次生鋁硅酸鹽。次生鋁硅酸鹽是原生礦物化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中的重要產(chǎn)物，也是土壤中化學(xué)元素組成和結(jié)晶構(gòu)造極為復(fù)雜的次生黏土礦物。次生鋁硅酸鹽類礦物晶體的基本結(jié)構(gòu)單元是若干硅氧四面體連接形成的硅氧片和若干鋁氧八面體連接形成的水鋁片構(gòu)成，如圖干旱內(nèi)陸、濱海區(qū)土壤易溶鹽多，使植物根系脫水，危害發(fā)育。染色礦物：氧化鐵（紅黃）、氧化錳（棕黑）。2-5示。干旱內(nèi)陸、濱海區(qū)土壤易溶鹽多，使植物根系脫水，危害發(fā)育。染色礦物：氧化鐵（紅黃）、氧化錳（棕黑）。一系列的硅氧四面體通過(guò)公用氧原子連結(jié)成平面則形成一個(gè)片狀的四面體層，同樣大量的鋁氧八面體通過(guò)公用氧原子相互連結(jié)成八面體層，這兩種片層以不同排列和組合，就形成了鋁硅酸鹽礦物的基本構(gòu)造單元，在其晶體內(nèi)部，四面體層與八面體層之間也是通過(guò)公用氧原子連結(jié)起來(lái)的。根據(jù)次生鋁硅酸鹽礦物晶體內(nèi)所含硅氧四面體層（硅氧片)和鋁氧八面體層（水鋁片）的數(shù)目和排列方式，可以將其劃分為1：1型和2：1型兩大類，其中1：1型礦物主要有高嶺石類礦物，2：1型礦物主要有蒙脫石類、水云母類和蛭石類礦物。高嶺石類礦物包括高嶺石和埃洛石，其典型分子式為Al?(Si?O??)(OH)?，可見高嶺石類礦物的硅鐵鋁率為2。其構(gòu)晶架由一個(gè)硅氧四面體層與一個(gè)鋁氧八面體層重疊而成，故屬于1：1型礦物，如圖2-6所示。由于該礦物晶體單元一面是氧原子，另一面是OH群，因而在相鄰兩個(gè)晶體單元之間形成了氫鍵，就使得晶體單元或晶層之間的距離固定不變，遇水不易膨脹，故屬于非脹縮性礦物，因此它們的吸水力、可塑性、黏著性均較弱。蒙脫石類礦物主要包括蒙脫石、綠泥石、拜來(lái)石等，其典型分子式為Al?Si?O??(OH)?·nH?O，它們的硅鐵鋁率為4。其構(gòu)晶架由兩個(gè)硅氧四面體層與一個(gè)鋁氧八面體層重疊而成，故屬于2：1型礦物，如圖2-7所示。從圖可見2：1型礦物晶體單元的兩面都是氧，故相鄰晶層之間聯(lián)系力微弱，并具有巨大的內(nèi)表面，遇水易膨脹即晶層之間距離大且可變化，故它們屬于脹縮性礦物。2：1型礦物普遍具有同晶替代現(xiàn)象，使得該礦物帶有負(fù)電荷，因而具有較強(qiáng)的吸附陽(yáng)離子的能力、可塑性和膨脹收縮性能。蛭石與蒙脫石同屬于2：1型礦物，但蛭石晶體八面體中的部分鋁被鎂所取代，其性質(zhì)與蒙脫石類似。水云母類礦物也屬于2：1型礦物，包括水云母、伊利石等，其結(jié)晶典型分子式為[OH?Ky(Al?Fe?)Mg?·Mg?](Si???·Al?)O??，其硅鐵鋁率也為4。水云母類礦物結(jié)晶構(gòu)造與蒙脫石類似，只是在相鄰晶層之間有K?存在，由于K?的鹽橋作用使得晶層間結(jié)合緊密，晶層厚度僅1nm左右，遇水時(shí)膨脹受限制，因而脹縮性較小。水云母類礦物也有同晶替代現(xiàn)象，并帶有負(fù)電荷，其吸附陽(yáng)離子的能力介于高嶺石與蒙脫石之間，且主要吸附的是K?，故含水云母多的土壤K素養(yǎng)分較豐富。3.次生礦物分布的地帶性土壤黏土礦物或來(lái)源于成土母質(zhì)，或產(chǎn)生于成土過(guò)程之中。因此，土壤黏土礦物的類型組合隨土壤類型的不同而異，在同一生物氣候條件下，即使成土母質(zhì)不同，土壤中的主要黏土礦物類型仍然大體相同，而伴隨礦物會(huì)有所不同。但是在一個(gè)土壤剖面內(nèi)各個(gè)發(fā)生土層的主要黏土礦物會(huì)有明顯差異，如在底土層中黏土礦物種類組合與成土母質(zhì)關(guān)系密切，其礦物結(jié)晶度高；心土層中黏土礦物不僅在數(shù)量上比底土層高，而且在組成上也有明顯的變化，這是成土母質(zhì)向土壤轉(zhuǎn)變、土壤淋溶一淀積過(guò)程綜合作用的結(jié)果；表土層中的黏土礦物則是各種成土過(guò)程綜合作用的結(jié)果，其代表該土壤所在的生物氣候條件下比較穩(wěn)定的黏土礦物組合，具有明顯的地帶性分異規(guī)律。根據(jù)中國(guó)土壤黏土礦物分布特點(diǎn)，可以將其劃歸為以水云母為主、以水云母—蒙脫石為主、以水云母—蛭石為主、以水云母—蛭石—高嶺石為主、以高嶺石—水云母為主、以高嶺石為主的地帶以及高山土壤礦物底土層黏土礦物接近成土母質(zhì)；心土層黏土礦物數(shù)量多，淋溶淀積而成；表土層受生物氣候條件影響大。底土層黏土礦物接近成土母質(zhì)；心土層黏土礦物數(shù)量多，淋溶淀積而成；表土層受生物氣候條件影響大。礦物地帶性：西北荒漠半荒漠區(qū)—水云母，風(fēng)化初期；半干旱草原—蒙脫石；半濕潤(rùn)區(qū)—蛭石；北、中南亞熱帶和熱帶濕潤(rùn)區(qū)—高嶺土。礦物地帶性：西北荒漠半荒漠區(qū)—水云母，風(fēng)化初期；半干旱草原—蒙脫石；半濕潤(rùn)區(qū)—蛭石；北、中南亞熱帶和熱帶濕潤(rùn)區(qū)—高嶺土。以水云母為主的地帶。在我國(guó)新疆、甘肅西部和內(nèi)蒙古西部的荒漠與半荒漠地區(qū)，由于氣候干燥，土壤礦物風(fēng)化過(guò)程處于初級(jí)階段，其土壤表層中黏土礦物以水云母為主，并含有少量綠泥石、蒙脫石和長(zhǎng)石類礦物等。在表土中黏粒的硅鋁率大于3.50，黏粒中K?O含量可高達(dá)4%，表土層土壤陽(yáng)離子交換量小于0.3mmol/g。這表明土壤礦物風(fēng)化還處于脫鹽基階段的初期，故土壤礦物風(fēng)化過(guò)程以物理風(fēng)化過(guò)程占優(yōu)勢(shì)。以水云母一蒙脫石為主的地帶。在內(nèi)蒙古中部、黃土高原北部和東北西部等半干旱草原地區(qū)，土壤黏土礦物組合隨著濕潤(rùn)度增加發(fā)生了顯著變化，即蒙脫石含量明顯增加，且土壤中蒙脫石的結(jié)晶度也較高，其伴隨礦物有綠泥石和少量高嶺石。表土中黏粒的硅鋁率在3.0~3.80之間，黏粒中K?O含量在1.0%~3.0%之間，表土層土壤陽(yáng)離子交換量一般在0.35~0.55mmol/g之間。土壤礦物中堿金屬元素絕大多數(shù)已經(jīng)被淋失殆盡，而且堿土金屬元素也發(fā)生了明顯了淋溶-淀積過(guò)程，土壤表層中的部分黏粒被淋溶-淀積于心土層中，形成了心土層質(zhì)地相對(duì)黏重緊實(shí)的鈣層土壤。以水云母一蛭石為主的地帶。在黃土高原東南部、華北平原和東北平原大部分等半濕潤(rùn)地區(qū)，發(fā)育在黃土性母質(zhì)上的土壤，其土壤黏土礦物組成與母質(zhì)差異較小，即以水云母、蛭石和蒙脫石為主；而發(fā)育在花崗巖、變質(zhì)巖和頁(yè)巖風(fēng)化物上的土壤黏土礦物則以水云母和蛭石為主，這些表土中黏粒的硅鋁率在2.6~3.40之間，黏粒中K?O含量在1.8%~3.3%之間，表土層土壤陽(yáng)離子交換量一般在0.4~0.6mmol/g之間。土壤礦物中堿金屬元素絕大多數(shù)已經(jīng)被淋失殆盡，堿土金屬元素發(fā)生了明顯的淋溶—淀積過(guò)程，且淀積深度明顯加大，淀積量減少，土壤表層中黏粒被淋溶—淀積過(guò)程明顯加強(qiáng)，形成了心土層質(zhì)地黏重緊實(shí)的黏化土壤。以水云母一蛭石一高嶺石為主的地帶。在我國(guó)北亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)，這里絕大部分屬于江淮平原或低緩丘陵區(qū)，其氣候、植被和土壤都具有明顯的亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的特點(diǎn)。因此，其土壤表層的黏土礦物以水云母、蛭石、高嶺石為主，這些表土中黏粒的硅鋁率在2.5~3.80之間，黏粒中K?O含量小于2.5%，表土層土壤陽(yáng)離子交換量在0.3mmol/g左右。土壤礦物中堿金屬和堿土金屬元素絕大多數(shù)已經(jīng)被淋失殆盡，礦物風(fēng)化過(guò)程進(jìn)一步加強(qiáng)，在局部土壤中已有少量三水鋁石礦物。以高嶺石一水云母為主的地帶。在中國(guó)江南丘陵、四川盆地及云貴高原北部的中亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)，廣泛分布有第四紀(jì)紅色黏土，這類成土母質(zhì)的特征是富含高嶺石、赤鐵礦和水云母，故其上發(fā)育的土壤剖面中黏土礦物的組成相當(dāng)一致，其伴隨礦物有蛭石、蒙脫混層礦物。在這些表土中黏粒的硅鋁率2.5左右，黏粒中K?O含量小于2.0%，表土層土壤陽(yáng)離子交換量在0.25mmol/g左右。土壤礦物中堿金屬和堿土金屬元素絕大多數(shù)已經(jīng)被淋失殆盡，二氧化硅開始大量淋失，鐵鋁氧化物逐漸積累。以高嶺石為主的地帶。在我國(guó)華南及云南南部廣大地區(qū)南亞熱帶、熱帶濕潤(rùn)區(qū)，土壤表層的黏土礦物均以結(jié)晶良好的高嶺石類礦物為主，其伴隨礦物有水云母、蛭石和三水鋁石礦物等。在這些表土中黏粒的硅鋁率小于2.0，黏粒中K?O含量小于1.0%，表土層土壤陽(yáng)離子交換量一般不足0.15mmol/g?？梢?，隨著水熱作用的加強(qiáng)，在土壤表層高嶺石類礦物已經(jīng)代替了水云母礦物取得主導(dǎo)地位，次生鋁硅酸鹽礦物中的二氧化硅已經(jīng)大量淋失，而鐵鋁氧化物大量積累，形成了質(zhì)地黏重的土壤。另外，我國(guó)是一個(gè)多高山的大國(guó)，山地土壤中黏土礦物組成受海拔高度、坡向、氣候、植被、成土母巖、侵蝕與堆積過(guò)程影響明顯，也表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分異規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，山地土壤中礦物風(fēng)化程度較平地土壤要低，土壤黏粒中K?O含量則較高。典例（2022年天津卷）地處皖南的古徽州是我國(guó)歷史上的經(jīng)濟(jì)文化重地，歷來(lái)以山清水秀、人杰地靈、文風(fēng)昌盛而著稱。自古以來(lái)，人們利用當(dāng)?shù)氐蜕角鹆晟仙L(zhǎng)的松樹和油桐為原料制作徽墨。下圖是皖南地區(qū)的景觀圖片?；卮鹣铝行☆}。5.關(guān)于當(dāng)?shù)氐蜕角鹆晟系耐寥溃枋稣_的是（）A.母質(zhì)為沖積物，土質(zhì)黏重B.淋溶作用強(qiáng)，土壤呈酸性C.有機(jī)質(zhì)含量高，土壤肥沃D.物理風(fēng)化作用強(qiáng)，土層厚6.徽墨成為宣傳皖南地區(qū)的符號(hào)，最主要的原因是當(dāng)?shù)兀ǎ〢.歷史文化厚重江南丘陵、四川盆地、云貴高原北部的紅色黏土，堿金屬流失殆盡。華南、云南南部，水熱條件好，二氧化硅淋失，鐵鋁氧化物多，質(zhì)地黏重。江南丘陵、四川盆地、云貴高原北部的紅色黏土，堿金屬流失殆盡。華南、云南南部，水熱條件好，二氧化硅淋失，鐵鋁氧化物多，質(zhì)地黏重?！敬鸢浮?.B6.A【解析】5.沖積母質(zhì)是由經(jīng)常性的流水搬運(yùn)堆積而成，低山丘陵地區(qū)多流水侵蝕作用，A錯(cuò)誤。該地區(qū)降水多，淋溶作用強(qiáng)，成土母質(zhì)中易溶于水的鈣成分不斷地流失，土壤中多以鐵和鋁元素為主，土壤黏粒比重高，土壤多呈酸性，B正確。該地區(qū)氣候濕熱，微生物分解作用較快，有機(jī)質(zhì)積累較少；降水較多，土壤的淋溶作用強(qiáng)烈，養(yǎng)分大量流失；故土壤中的有機(jī)質(zhì)含量低，比較貧瘠，C錯(cuò)誤。紅壤化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)，物理風(fēng)化較弱，且低山丘陵區(qū)土層較薄，D錯(cuò)誤。6.徽墨是安徽省黃山市、宣城市特產(chǎn)，國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品，歷史淵源久遠(yuǎn)，歷史文化厚重，成為宣傳皖南地區(qū)的符號(hào)，A正確；生產(chǎn)原料并非本地獨(dú)有，B錯(cuò)誤；水陸交通便利程度本地優(yōu)勢(shì)不明顯，C錯(cuò)誤；銷售市場(chǎng)該地有礦物顆粒由小到大：黏粒、粉粒、砂粒、礫石、石塊。黏粒為次生礦物，粉粒為石英，礫石和砂粒是原生礦物。礦物顆粒由小到大：黏粒、粉粒、砂粒、礫石、石塊。黏粒為次生礦物，粉粒為石英，礫石和砂粒是原生礦物。2.1.4土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地不僅是土壤分類的重要診斷指標(biāo)，也是影響土壤水、肥、氣、熱狀況、物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化及土壤退化過(guò)程研究的重要影響因素，是土壤地理研究、與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的土壤改良、土建工程和區(qū)域水分循環(huán)過(guò)程等研究的重要內(nèi)容。1.礦物顆粒粒級(jí)的劃分粒級(jí)的概念。士壤礦物質(zhì)是由風(fēng)化與成土過(guò)程中形成的不同大小的礦物顆粒組成。它們的直徑相差很大，從10?1m至10??m不等，不同大小土粒的化學(xué)組成、理化性質(zhì)有很大差異。據(jù)此可將粒徑大小相近、性質(zhì)相似的土粒歸為一類，稱為粒級(jí)。世界各國(guó)對(duì)土壤粒級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)不盡一致。中國(guó)土壤學(xué)界曾經(jīng)采用過(guò)的粒級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)制、威廉斯-卡慶斯基制和國(guó)際制。中國(guó)(1975)也擬定了相應(yīng)的粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)70~80年代中國(guó)土壤學(xué)文獻(xiàn)一般采用此標(biāo)準(zhǔn)。各土壤粒級(jí)劃分的具體標(biāo)準(zhǔn)如圖2-9所示。上述土壤顆粒分級(jí)均采用石塊、礫石、砂粒、粉粒和黏粒五個(gè)大類別，但每個(gè)類別的劃分標(biāo)準(zhǔn)各有所不同，目前國(guó)際土壤學(xué)界和中國(guó)土壤學(xué)界均廣泛應(yīng)用美國(guó)制或國(guó)際制的劃分標(biāo)準(zhǔn)。各粒級(jí)的礦物組成和性質(zhì)。土壤中的石塊、礫石和砂粒幾乎全部由原生礦物組成，粉粒的絕大多數(shù)也是由抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的石英組成，黏粒主要是由次生礦物組成。一般來(lái)說(shuō)，土粒愈細(xì)，SiO?含量愈少，而Al?O?、Fe?O?、CaO、MgO、P?O?、K?O等含量愈多。如在中國(guó)海南島土壤的砂粒中，SiO?、Al?O?、Fe?O?含量分別為77.73%、6.86%、11.57%；而在其黏粒中SiO?、Al?O?、Fe?O?含量分別是27.10%、32.38%、22.64%。當(dāng)然土壤顆粒的化學(xué)組成也會(huì)因成土母質(zhì)及其風(fēng)化程度而異。隨著土壤顆粒變細(xì)和比表面積的增加，不僅土壤顆粒表面吸附、離子交換等物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變，而且土壤的物理性質(zhì)也發(fā)生了變化。一般來(lái)說(shuō)，隨著粒級(jí)的減小，土壤顆粒的孔隙度、吸濕量、持水量、毛管含水量、比表面面積、膨脹潛能、吸附性能、塑性和黏結(jié)性將增加，而土壤的通氣性、透水性、土壤密度將降低，如圖2-10所示。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，土壤吸水速度以砂粒、粉粒(1~0.005mm)間的顆粒為最快，而黏粒則非常緩慢。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水土保持研究中，需要土壤既要保水又能通氣；既能吸水，又能供水；既要有較強(qiáng)的滲透能力，又不能漏水漏肥；既容易耕作，又不能散成單?；蛐纬纱髩K。因此，必須考慮各種土壤粒級(jí)的合理搭配。2.土壤礦質(zhì)元素植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，需要不斷地從土壤中吸取大量的礦質(zhì)元素。植物需要的元素很多，有C、H、O、N、P、K、S、Mg、Ca、Fe、Cl、Mn、Zn、B、Cu、Mo等16種。這些元素都是植物生命活動(dòng)和正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的，除了C主要來(lái)自空氣中的CO?，O和H來(lái)自水以外，其他元素都來(lái)自土壤，所以，土壤養(yǎng)分狀況與植物根系營(yíng)養(yǎng)具有十分密切的關(guān)系。已知在地殼中有90多種元素，但含量相差很大，其中O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等8種元素占98%左右；其他元素總共不到2%，它們的含量范圍為10??~10??之間，稱之為微量元素。這90多種元素幾乎都在植物體中發(fā)現(xiàn)過(guò)，但并不是所有的元素都是植物生活所必需的，只有其中的一些元素為植物生活所必需，包括需要量大的大量元素如N、P、K、S、Ca、Mg、Fe及需要量小的微量元素如Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl,如圖土壤顆粒變細(xì)，通氣性、透水性、密度降低，孔隙度、吸濕、持水、膨脹、黏結(jié)性增強(qiáng)。2-11所示。土壤顆粒變細(xì)，通氣性、透水性、密度降低，孔隙度、吸濕、持水、膨脹、黏結(jié)性增強(qiáng)。此外還有一些元素僅為某些植物類群所必需，如豆科植物及其共生生物需C?，藜科植物需Na，蕨類植物需Al，硅藻需Si等。各元素在植物體內(nèi)的含量是不同的，且隨植物種類、器官和發(fā)育時(shí)期的不同，以及環(huán)境條件的差異植物體內(nèi)的元素組成和含量會(huì)有較大的變動(dòng)。植物所需的無(wú)機(jī)元素來(lái)自礦物質(zhì)的風(fēng)化和有機(jī)質(zhì)的分解。在土壤中將近98%的養(yǎng)分呈束縛態(tài)，存在于礦物或結(jié)合于有機(jī)碎屑、腐殖質(zhì)或較難溶解的無(wú)機(jī)物中，它們構(gòu)成了養(yǎng)分的貯備源，通過(guò)風(fēng)化和腐殖質(zhì)的礦質(zhì)化作用，緩慢地變?yōu)榭衫脩B(tài)。溶解態(tài)的養(yǎng)分只占很小一部分，存在于土壤溶液中和被吸附在土壤膠體表面。植物根系從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素的主要途徑有：第一是從土壤溶液中吸收養(yǎng)分離子。植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，主要是以離子狀態(tài)通過(guò)土壤液相而進(jìn)入根系的，因此，土壤溶液中的離子濃度與植物根系營(yíng)養(yǎng)的關(guān)系密切。但土壤溶液中離子濃度一般很低，如NO??、SO?2?、Ca2?、Mg2?濃度常低于1000×10??，K?低于100×10??，PO?2?低于1×10??。當(dāng)離子被植物吸收后，土壤溶液又不斷從土壤固相中吸取離子或者依靠溶液中離子濃度擴(kuò)散來(lái)補(bǔ)充其離子含量。第二是通過(guò)根系和土壤固相間的直接接觸交換作用，吸收被吸附在黏土顆粒和腐殖質(zhì)膠粒上的養(yǎng)分離子。黏土礦物和腐殖質(zhì)膠粒都帶有負(fù)電荷，因而它們主要是吸附陽(yáng)離子；在某些帶正電的部位也吸附陰離子，不過(guò)吸附的陽(yáng)離子總是比陰離子為多。根系呼吸作用產(chǎn)生的CO?遇水成為H?CO?，H?CO?解離后游離出H?和HCO??離子，也促進(jìn)根系與黏土和腐殖質(zhì)顆粒表面的離子交換。第三是通過(guò)H?離子和有機(jī)酸游離貯存的結(jié)合態(tài)養(yǎng)分，把固定于化合物中的養(yǎng)分元素釋放出來(lái)，形成中間絡(luò)合物，使根系容易吸收。H?和酸類的分泌，則依賴于植物根系的呼吸強(qiáng)度。植物對(duì)土壤中礦質(zhì)元素吸收的多少，與根系的生長(zhǎng)情況及土壤中其他因子如溫度、水分、空氣、孔隙度等也有關(guān)系。有些土壤中雖含有大量的礦質(zhì)元素，但由于各種原因使植物無(wú)法吸收，這些元素對(duì)植物生長(zhǎng)是無(wú)效或遲效態(tài)的。此外，某些植物對(duì)土壤養(yǎng)分還具有選擇吸收和富集的能力，選擇吸收的元素種類和富集能力的大小，因植物種類不同而異。如豆科、景天科的許多植物體內(nèi)有大量的Ca；石竹科、報(bào)春花科、茄科植物能富集K;褐藻和紅藻能在體內(nèi)積累I和Br；許多生長(zhǎng)在鹽土上的植物，能在體內(nèi)富集NaCl和Na?SO?等。植物對(duì)礦質(zhì)元素的這種選擇性吸收和富集能力，在生產(chǎn)實(shí)踐上可以用來(lái)作為指示植物，或提取工業(yè)、醫(yī)藥原料等，如海帶有選擇性吸收富集I的能力，可提取藥物，治療因缺乏I而引起的地方性甲狀腺腫癥。植物細(xì)胞也能逆濃度梯度而吸收離子，并在外界溶液濃度很稀時(shí)，把它們累積起來(lái)。這種能力對(duì)于水生植物非常重要，因?yàn)樗鼈儽仨殢臐舛确浅Ｏ〉耐饨缛芤褐形∷璧臓I(yíng)養(yǎng)元素。植物細(xì)胞并不能完全排除它所不需要的鹽類或有害鹽類的吸入，因?yàn)楫?dāng)細(xì)胞膜的兩邊濃度明顯不同，特別當(dāng)外界濃度較高時(shí)，某些離子是能夠透過(guò)的，如在鹽土中Na?和Cl?透入細(xì)胞的量就會(huì)超過(guò)細(xì)胞的需要量。植物灰分的組成常常反映了植物生長(zhǎng)環(huán)境的地球化學(xué)特點(diǎn)，如酸性土壤上的植物，其Fe、Mn、Al高于平均量，石灰性土壤上的植物Ca含量較高，生長(zhǎng)于蛇紋石母質(zhì)上的土壤或靠近礦石沉積區(qū)的植物，其重金屬濃度也反常地高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界紛紛探索利用那些具有特殊吸收富集性能的植物，進(jìn)行土壤重（類）金屬污染的修復(fù)技術(shù)研究，并取得了顯著進(jìn)展。如Lena等(2001)研究表明，歐洲蕨不僅能夠在砷含量高達(dá)1500×10??的土壤上正常生長(zhǎng)，還能夠在短時(shí)間內(nèi)將土壤中大量砷吸收并積累到其復(fù)葉中，其復(fù)葉中砷含量在兩周內(nèi)從29.4×10??增加到15861×10??，而其根系中砷含量則只有300×10??左右?？梢姎W洲蕨能夠有效地吸取土壤中的砷，并能快速地將砷遷移至其地上生物體中，從而使歐洲蕨成為修復(fù)砷污染土壤的救星。3.土壤質(zhì)地的劃分自然土壤的礦物質(zhì)都是由大小不同的土粒組成的，各個(gè)粒級(jí)在土壤中所占的相對(duì)比例或質(zhì)量分?jǐn)?shù)，稱為土壤質(zhì)地(soiltexture)，也稱為土壤的機(jī)械組成。土壤質(zhì)地分類。土壤質(zhì)地的分類和劃分標(biāo)準(zhǔn)，與土壤粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)類似，世界各國(guó)亦很不統(tǒng)一，國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛、中國(guó)亦曾經(jīng)采用過(guò)的有國(guó)際制、威廉斯—卡慶斯基制和美國(guó)制。國(guó)際制和美國(guó)制相似，均按砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將土壤劃分豆科及其共生生物需要鈷元素，蕨類需要鋁；植物根系可從溶液、接觸吸附和呼吸作用分泌的有機(jī)酸后，吸收礦質(zhì)元素；歐洲蕨富集砷，修復(fù)土壤污染。為砂土、壤土、黏壤土和黏土豆科及其共生生物需要鈷元素，蕨類需要鋁；植物根系可從溶液、接觸吸附和呼吸作用分泌的有機(jī)酸后，吸收礦質(zhì)元素；歐洲蕨富集砷，修復(fù)土壤污染。威廉斯—卡慶斯基制則采用雙級(jí)分類制，即按物理性砂粒(>0.01mm)和物理性黏粒(<0.01mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分為砂土、壤土和黏土3類9級(jí)。中國(guó)(1978)擬定的土壤質(zhì)地分類方案是按砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分出砂土、壤土和黏土3類11級(jí)，如表2-4所示。目前隨著國(guó)際學(xué)術(shù)交流的增多，中國(guó)土壤質(zhì)地分類也采用了國(guó)際上流行的美國(guó)制分類標(biāo)準(zhǔn)。土壤質(zhì)地的適宜性。土壤質(zhì)地和土壤剖面中質(zhì)地層次的排列組合（土壤質(zhì)地構(gòu)型)，一方面反映了母巖風(fēng)化、地表堆積（侵蝕）過(guò)程以及成土過(guò)程的特征；另一方面又是影響土壤性質(zhì)的重要因素。它與區(qū)域地表水分循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有密切的關(guān)系。砂土由于土壤顆粒是以砂粒占優(yōu)勢(shì)，土壤中大孔隙多而毛管孔隙少，因此，砂土的通氣性、透水性強(qiáng)，而保水蓄水保肥性能弱。砂土的熱容量小，故土壤溫度變化劇烈，易受干旱和寒凍威脅。但在春季砂土升溫較快發(fā)苗早，故稱為暖性土。由于砂土通氣良好，土壤有機(jī)質(zhì)分解快而不易積累，砂土的肥力相對(duì)貧瘠。但它又有易耕作、適宜性強(qiáng)、供肥快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)砂土施肥必須“少吃多餐”，多施有機(jī)肥，以免造成過(guò)多養(yǎng)分流失增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，并加重農(nóng)業(yè)面源對(duì)地表水體的污染。黏土由于土粒微小，土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作用力強(qiáng)，土壤透水通氣性差；但保水蓄水及保肥性能強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解緩慢有利于積累，故土壤養(yǎng)分含量豐富；黏土的熱容量大、溫度變化遲緩，特別是春季升溫慢影響幼苗生長(zhǎng)，有“冷性土”之稱。同時(shí)黏土不易耕作、其地表易形成超滲徑流，造成嚴(yán)重的水土流失。壤土由于土壤中砂粒、粉粒和黏粒含量比較適中，壤土既具有一定數(shù)量的非毛管孔隙，又有適量的毛管孔隙，兼顧砂土和黏土的優(yōu)點(diǎn)。另外土壤質(zhì)地構(gòu)型對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土保持也具有重要影響，一般來(lái)說(shuō)上砂下黏的土壤有利于耕作、發(fā)苗，又托水保肥，被稱為“蒙金地”；相反上黏下砂，既不便于耕作，又漏水漏肥，因此，還會(huì)引起區(qū)域嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。2.2土壤有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最重要的組成成分之一，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤形成發(fā)育的主要標(biāo)志。土壤有機(jī)質(zhì)可分為兩大類：非特異性土壤有機(jī)質(zhì)和土壤腐殖質(zhì)，前者是有機(jī)化學(xué)中已知的普通有機(jī)化合物，主要來(lái)源于動(dòng)植物和土壤生物的殘?bào)w，人類通過(guò)施用有機(jī)肥也會(huì)增加非特異性土壤有機(jī)質(zhì)黏土毛管孔隙多，非毛管孔隙少，透水性差，保水性好。砂土熱容量小，溫度變化劇烈，春季升溫快，通氣性好，有機(jī)質(zhì)易分解，較貧瘠，但易耕作，供肥快。的數(shù)量；后者屬于土壤所特有的、結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的高分子黏土毛管孔隙多，非毛管孔隙少，透水性差，保水性好。砂土熱容量小，溫度變化劇烈，春季升溫快，通氣性好，有機(jī)質(zhì)易分解，較貧瘠，但易耕作，供肥快。2.2.1土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源與組成1.土壤非特異性有機(jī)質(zhì)土壤非特異性有機(jī)質(zhì)的原始來(lái)源是植物組織。在自然條件下，樹木、灌叢、草類、苔蘚、地衣和藻類（即生產(chǎn)者）的軀體都可為土壤提供大量有機(jī)殘?bào)w。在耕作條件下，農(nóng)作物有一大部分被人們從耕作土壤上移走，但作物的某些地上部分和根部仍殘留于土壤中。土壤動(dòng)物如螞蟻、蚯蚓、蜈蚣、鼠類等(消費(fèi)者)和土壤微生物（分解者）是土壤有機(jī)質(zhì)的第二個(gè)來(lái)源，它們分解各種原始植物組織，為土壤提供排泄物和死亡后的尸體。植物殘?bào)w（鮮）的水分含量在60%~90%之間，因植物種類及其生境而異，但絕大多數(shù)植物的水分含量為75%，如圖2-13所示。以質(zhì)量為基礎(chǔ)，則干物質(zhì)中最多的是碳素和氧素，其次是氫，它們合計(jì)占干物質(zhì)總質(zhì)量的90%以上。其他元素（如氮、硫、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、硅、鈉等）雖然含量較少，但它們對(duì)于植物、動(dòng)物和微生物的正常生長(zhǎng)發(fā)育都起著不可替代的作用。一般來(lái)說(shuō)，從低等植物地衣、草本植物、闊葉樹到針葉樹，植物體灰分含量依次降低，如表2-5所示。但不同地理環(huán)境中生長(zhǎng)的植物其體內(nèi)灰分含量差異巨大，在冰沼地生長(zhǎng)的植物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅1.5%~2.5%，在溫帶草原區(qū)生長(zhǎng)的植物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.5%~5.0%，在亞熱帶荒漠區(qū)生長(zhǎng)的旱生植物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)10%以上，生長(zhǎng)在鹽堿土及濱海鹽土上的鹽生植物灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)30%以上。植物組織中所含的化合物主要有碳水化合物、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、脂肪、蠟質(zhì)、鞣酸、嘧啶、樹脂、色素等，如圖2-13所示。其中碳水化合物主要由碳、氧、氫構(gòu)成，包括有單糖、雙糖和多糖（如淀粉、纖維素和半纖維素）。它們占土壤有機(jī)質(zhì)的15%~27%，是非特異性有機(jī)質(zhì)的主要組成部分。碳水化合物在土壤中極易被微生物所分解，也是土壤微生物活動(dòng)的主要能源物質(zhì)。木質(zhì)素多存在于較老的植物組織中，如莖和其他木質(zhì)組織，其主要成分也是碳、氧、氫等。木質(zhì)素是一類極為復(fù)雜并帶有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的高分子化合物，故在土壤中很難被分解。蛋白質(zhì)是植物組織中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物，其元素組成中有碳、氧、氫、氮、硫、磷等，也是土壤容易被微生物分解的有機(jī)化合物，其分解產(chǎn)物氨基酸類化合物則是土壤腐殖質(zhì)的重要組成物。上述植物組織在土壤微生物的作用下會(huì)形成有機(jī)酸，再加植物根系分泌的有機(jī)酸，對(duì)土壤礦物的風(fēng)化、養(yǎng)分的釋放及土壤理化性質(zhì)均有重要的影響。2.土壤腐殖質(zhì)土壤腐殖質(zhì)(soilhumus)是土壤特異有機(jī)質(zhì)，也是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分，約占有機(jī)質(zhì)總量的50%~65%。腐殖質(zhì)是一種分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗分解性強(qiáng)的棕色或暗棕色無(wú)定形膠體物，是土壤微生物利用植物殘?bào)w及其分解產(chǎn)物重新合成的一類有機(jī)高分子化合物。根據(jù)土壤腐殖質(zhì)在不同溶劑中的溶解性，可將其分離為胡上砂下黏最利耕作，托水保肥。土壤有機(jī)質(zhì)包括動(dòng)植物殘?bào)w及其被微生物分解又合成的暗棕色膠體—腐殖質(zhì)。敏酸、富里酸、棕腐酸上砂下黏最利耕作，托水保肥。土壤有機(jī)質(zhì)包括動(dòng)植物殘?bào)w及其被微生物分解又合成的暗棕色膠體—腐殖質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)的組成與分子結(jié)構(gòu)。土壤腐殖質(zhì)主要是由C、H、O、N、S、P等營(yíng)養(yǎng)元素組成，從化學(xué)元素的含量來(lái)看，胡敏酸含C、N、S較富里酸高，而O含量則較富里酸低，如表2-6所示。在土壤腐殖質(zhì)中的含氮組分的主要土壤腐殖質(zhì)形態(tài)有蛋白質(zhì)—N、肽—N、氨基酸—N、氨基糖—N、NH—N，以及嘌呤、嘧啶、雜環(huán)結(jié)構(gòu)上的N。而且，在不同地理環(huán)境條件下，土壤腐殖質(zhì)的含氮組成也有明顯差異，在熱帶土壤中有較多的酸性氨基酸，相反在北極土壤中這類氨基酸含量則較低，熱帶土壤所含堿性氨基酸較其他土壤少。另外，實(shí)驗(yàn)觀察表明，自然土壤中氨基酸的組成與細(xì)菌產(chǎn)生的氨基酸非常相似，這表明自然土壤氨基酸、肽和蛋白質(zhì)起源于微生物。另外土壤腐殖質(zhì)表面還吸附大量的陽(yáng)離子，如Ca2?、H?、Mg2?、K?、Na?、NH??等。可見，土壤腐殖質(zhì)是士壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素的重要載體。土壤腐殖質(zhì)主要由胡敏酸和富里酸組成，而構(gòu)成胡敏酸和富里酸的結(jié)構(gòu)單元主要有：碳水化合物、氨基酸、芳香族化合物以及多種官能團(tuán)如羥基、醇羥基、酚羥基、醌基、酮基和甲氧基等，且這些結(jié)構(gòu)單元在胡敏酸與富里酸中所占比例有明顯的差異。土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)不像通常嚴(yán)格定義的有機(jī)化合物那樣具有特定的物理及化學(xué)性質(zhì)，關(guān)于它的分子結(jié)構(gòu)及分子量迄今仍在研究之中。近年來(lái)借助電子顯微鏡、核磁共振技術(shù)、色譜質(zhì)譜分析方法進(jìn)行土壤腐殖質(zhì)的分析，結(jié)果表明在稀溶液中，土壤腐殖質(zhì)分子的基本組成單元為直徑9~12nm的球體，這些球體又相互聚合形成扁平、伸展、多支的細(xì)絲狀或線狀纖維束的聚合體，其直徑在20~100nm之間。但土壤腐殖質(zhì)中的胡敏酸與富里酸在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、分子量及其物理化學(xué)性質(zhì)等方面也有明顯差異。胡敏酸是溶解于堿、不溶于酸和酒精的一類高分子有機(jī)化合物，具有膠體特性。其分子結(jié)構(gòu)具有明顯的芳香化，故芳香結(jié)構(gòu)體是胡敏酸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這些芳香結(jié)構(gòu)體的核部具有疏水性、外圍則有各種官能團(tuán)，多數(shù)官能團(tuán)則具有親水性，官能團(tuán)中的羥基、酚羥基可在水溶液中解離出H?，從而胡敏酸具有弱酸性、吸附性和陽(yáng)離子交換性能。胡敏酸的一價(jià)鹽均溶于水，而二價(jià)鹽和三價(jià)鹽則不溶于水，因此土壤腐殖質(zhì)中的胡敏酸對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體、保水保肥性能的形成起著重要的作用。富里酸是溶解于堿和酸的高分子有機(jī)化合物，從化學(xué)組成上看富里酸的C/N比值比胡敏酸低，表明富里酸分子結(jié)構(gòu)中芳香結(jié)構(gòu)體聚合程度較低，其外圍的官能團(tuán)中羥基、醇羥基明顯增多，故富里酸在水溶液中可解離出更多的H?，表現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性。富里酸具有相對(duì)較弱的吸附性和陽(yáng)離子交換性能，其一價(jià)、二價(jià)鹽和三價(jià)鹽均溶于水，因此，對(duì)促進(jìn)土壤礦物風(fēng)化和礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放都有重要作用。胡敏酸和富里酸在土壤中可呈游離態(tài)的腐殖酸或腐殖酸鹽狀態(tài)存在，亦可以鐵、鋁結(jié)合成凝膠狀態(tài)存在，它們多數(shù)與次生黏土礦物緊密結(jié)合，形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體，構(gòu)成良好的土壤結(jié)構(gòu)體，對(duì)土壤肥力的形成起著極為重要的作用。此外，土壤腐殖質(zhì)還具有與重（類）金屬元素、有毒有機(jī)物結(jié)合形成非水溶性絡(luò)合土壤腐殖質(zhì)是碳?xì)溲醯蛄椎母叻肿踊衔?，包括胡敏酸、富里酸等，具絡(luò)合性。物的特性，使土壤中這些有毒有害物對(duì)生物的危害性降低，從而形成了土壤自凈土壤腐殖質(zhì)是碳?xì)溲醯蛄椎母叻肿踊衔铮ê羲?、富里酸等，具絡(luò)合性。2.2.2土壤生態(tài)系統(tǒng)及其有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化1.土壤生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)系統(tǒng)是指自然界特定地域的土壤與生活在其中的生物群落之間相互作用、相互制約、不斷演變，并逐步趨向動(dòng)態(tài)平衡的綜合體。土壤生物主要是指土壤中的植物、動(dòng)物和微生物，以及地上部分的動(dòng)植物，它們以最緊密的方式和各種生物的生命活動(dòng)聯(lián)系在一起。土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，土壤生物與其生存環(huán)境之間，以及不同種群生物之間不斷地進(jìn)行著物質(zhì)能量遷移與轉(zhuǎn)化，即綠色植物是主要的初級(jí)生產(chǎn)者，地面動(dòng)物是主要的消費(fèi)者，土壤生物則扮演著消費(fèi)者與分解者的雙重角色，通過(guò)食物鏈或食物網(wǎng)將生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者聯(lián)系起來(lái)。土壤生物包括土壤動(dòng)物和土壤微生物，其中土壤動(dòng)物種類數(shù)以千計(jì)，但按其形態(tài)和食性可分為：大型食草動(dòng)物（如鼠類、彈尾蟲、蜈蚣、螞蟻、甲蟲、螨蟲等)、大型食肉動(dòng)物（如鼴鼠、蜘蛛、假蝎以及某些昆蟲等）、微型動(dòng)物的個(gè)體大小不足0.2mm(如原生動(dòng)物、線蟲等)，如圖2-15所示。土壤動(dòng)物是有機(jī)質(zhì)的消費(fèi)者和分解者，在土壤中有攪動(dòng)、粉碎和吞食有機(jī)質(zhì)的功能，故它們?cè)谕寥烙袡C(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化以及土壤結(jié)構(gòu)體的形成等方面具有重要的作用。土壤微生物是一群形體微?。ㄎ⒚准?jí)）、構(gòu)造簡(jiǎn)單的單細(xì)胞或多細(xì)胞原核生物或真核生物，有的甚至沒(méi)有細(xì)菌結(jié)構(gòu)。土壤微生物的特點(diǎn)就是繁殖快、具有多種多樣的生命活動(dòng)類型。它們?cè)谕寥乐械臄?shù)量巨大，可達(dá)每克土10?~10?個(gè)以上，能擴(kuò)散到土體中的各個(gè)部分，它們對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)能夠進(jìn)行分解與合成，故土壤動(dòng)物攪動(dòng)、吞食、轉(zhuǎn)化有機(jī)物。自養(yǎng)型細(xì)菌、根瘤菌、藻類地衣等可合成有機(jī)質(zhì)，供氧供氮。真菌分解轉(zhuǎn)化木質(zhì)素，使養(yǎng)分循環(huán)。在土壤圈物質(zhì)轉(zhuǎn)化和循環(huán)中起著重要的作用。按照土壤微生物有機(jī)體的組織及其生理特性可分為細(xì)菌、真菌、放線菌和藻類土壤動(dòng)物攪動(dòng)、吞食、轉(zhuǎn)化有機(jī)物。自養(yǎng)型細(xì)菌、根瘤菌、藻類地衣等可合成有機(jī)質(zhì)，供氧供氮。真菌分解轉(zhuǎn)化木質(zhì)素，使養(yǎng)分循環(huán)。細(xì)菌是單細(xì)胞或多細(xì)胞的微小原核生物，其大小僅0.5~2.0μm，呈球形、桿形、弧形、螺形或長(zhǎng)絲形，它們均以兩等分分裂繁殖為主，據(jù)記載土壤中的細(xì)菌有近50屬250種。依據(jù)其營(yíng)養(yǎng)生活方式可歸結(jié)為自養(yǎng)型細(xì)菌和異養(yǎng)型細(xì)菌。其中自養(yǎng)型細(xì)菌可直接吸收CO?和水，依靠光能或化學(xué)能而生活，如光能細(xì)菌、化能自養(yǎng)細(xì)菌都是原始有機(jī)質(zhì)的創(chuàng)造者；異養(yǎng)型細(xì)菌所需要的營(yíng)養(yǎng)元素和能量都是通過(guò)分解現(xiàn)成的有機(jī)質(zhì)而獲得。土壤中絕大多數(shù)細(xì)菌屬于異養(yǎng)型細(xì)菌，因此，它們是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化及其養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中的重要分解者。在土壤學(xué)研究中，常按異養(yǎng)型細(xì)菌生活對(duì)氧氣的需要程度，將細(xì)菌劃分為好氣性細(xì)菌、嫌氣性細(xì)菌和兼性細(xì)菌。此外，土壤中還有自生固氮細(xì)菌及豆科植物根際的共生固氮細(xì)菌（根瘤菌）等，它們能直接從大氣圈吸收利用氮素，它們對(duì)增加土壤中氮素含量、促進(jìn)土壤氮素循環(huán)過(guò)程均具有重要的作用。真菌是生活在土壤枯枝落葉層或腐殖質(zhì)層的單細(xì)胞或多細(xì)胞異養(yǎng)腐生微生物，其菌體為單細(xì)胞或由菌絲組成。土壤中真菌的種類繁多，已鑒別出的有170屬690種。根據(jù)其營(yíng)養(yǎng)體的形態(tài)和生殖方式的不同，可將它們歸結(jié)為藻狀菌綱、子囊菌綱、擔(dān)子菌綱和半知菌綱。在土壤中真菌的繁殖方式主要有營(yíng)養(yǎng)繁殖、無(wú)性繁殖和有性繁殖。其中營(yíng)養(yǎng)繁殖是指菌絲體的再生力很強(qiáng)，斷裂后在適宜條件下都可長(zhǎng)成新個(gè)體，人們培養(yǎng)真菌時(shí)常利用它這一特性來(lái)繁殖與擴(kuò)大菌種；真菌的無(wú)性生殖功能極其發(fā)達(dá)，可形成各種孢子，不產(chǎn)生孢子的真菌是極少數(shù)；真菌的有性繁殖是通過(guò)不同性細(xì)胞的結(jié)合后產(chǎn)生一定形態(tài)的有性孢子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。真菌屬于好氣性、耐酸能力強(qiáng)的微生物，是土壤有機(jī)質(zhì)特別是木質(zhì)素的有效分解者，在酸性森林土壤的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中起重要的作用。如意黃放線菌是指具有菌絲或分枝絲狀體的細(xì)菌，在形態(tài)上介于細(xì)菌與真菌之間，它同真菌的主要區(qū)別是原核而不是真核，常從一個(gè)中心向周圍輻射生長(zhǎng)，如圖2-15所示。放線菌是好氣性異養(yǎng)微生物，比較耐干旱和高溫，對(duì)土壤pH最適應(yīng)范圍為6.5~8.0。它能有效地分解纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)以及木質(zhì)素，在亞熱帶及溫帶干旱半干旱地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有重要作用。藻類是含有葉綠素和其他輔助色素的低等自養(yǎng)植物，其軀體一般構(gòu)造簡(jiǎn)單，單細(xì)胞、群體或多細(xì)胞、無(wú)根莖葉的分化。在土壤中常見的藻類有藍(lán)綠藻和綠藻，它們多分布于濕潤(rùn)清潔的表土中，其中水稻土尤多，藻類對(duì)于改善水稻土氧的供應(yīng)狀況、氮素固定都具有重要的意義。藻類對(duì)于寸草不生的荒漠土、南極裸巖區(qū)、淺水區(qū)新成土的發(fā)育有明顯的促進(jìn)作用，特別是藻類與地衣共生對(duì)于南極大陸無(wú)冰區(qū)原始土壤的有機(jī)質(zhì)積累起著決定性作用。2.土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化土壤動(dòng)植物殘?bào)w及土壤腐殖質(zhì)在微生物作用下，分解成簡(jiǎn)單有機(jī)化合物，以至最終被徹底分解成無(wú)機(jī)化合物，如CO?、CO、H?O、NO?、NH?、N?、H?S、CH?等的過(guò)程，稱為土壤有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化過(guò)程。由于土壤有機(jī)質(zhì)的種類和組成不同、土壤環(huán)境條件及微生物種群的不同，土壤有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化的速度、產(chǎn)物都有較大的差異。碳水化合物的分解。土壤中的碳水化合物如多糖類在細(xì)菌、真菌和放線菌的作用下，首先被分解為單糖，單糖在土壤通氣良好的狀況下，由好氣性微生物進(jìn)行生物化學(xué)氧化，最終分解成為CO?和H?O，并釋放大量熱能，其反應(yīng)式如下：微生物的水解過(guò)程：(C?H??O?)n(多糖)+nH?0=nC?H??O?(單土壤碳水化合物被微生物分解釋放溫室氣體，水稻田通氣性差，釋放甲烷。土壤碳水化合物被微生物分解釋放溫室氣體，水稻田通氣性差，釋放甲烷。嫌氣性酵母菌的分解：C?H??O?(單糖)=2C?H?OH(乙醇)+2CO?↑+熱能好氣性細(xì)菌的分解：C?H??O?(單糖)+3O?=3CO?↑+6H?O+熱能嫌氣性細(xì)菌的分解：C?H??O?(單糖)=3CO?↑+3CH?↑+熱能上述反應(yīng)式表明碳水化合物礦質(zhì)化的過(guò)程，在好氣條件下產(chǎn)生CO?和H?O，在嫌氣條件下產(chǎn)生CO?、CH?、H?O，這些CO?是植物光合作用的重要碳源。在排水不良的土壤如沼澤土、水稻土中就可看到CH?逸出。故土壤中碳水化合物的礦質(zhì)化過(guò)程對(duì)大氣圈中溫室氣體有一定程度的貢獻(xiàn)。氮有機(jī)物的分解。土壤中含氮有機(jī)物主要為蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)、生物堿等，它們大多數(shù)在土壤中呈非揮發(fā)性、水溶性或膠體狀態(tài)。在測(cè)定土壤中不同形態(tài)的氮素時(shí)，一般按Bremner法分為殘?jiān)?、氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮和酸解未鑒定氮等。在各種含氮有機(jī)物中，結(jié)合態(tài)氨基酸、氨基糖是土壤中已知的主要含氮有機(jī)化合物。土壤中含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化主要有三個(gè)相連而又各異的過(guò)程，即氨化、硝化和反硝化過(guò)程。脫氨過(guò)程：RCHNH?(蛋白質(zhì))+H?O+水解酶=RCHNH?COOH(氨基酸)RCHNH?COOH+H?O+水解酶=RCHOHCOOH(脂肪酸)+NH?↑RCHNH?COOH+H?+氧化酶=RCHCOOH(氨基酸)+NH?↑N2RCHNHCOOH+0?=2RCOCOOH+2NH?上述反應(yīng)式表明，土壤中含氮有機(jī)物無(wú)論通過(guò)水解、氧化或還原，使氨基酸分解而產(chǎn)生氨。包括好氣性和嫌氣性的多種氨化細(xì)菌都可以在上述轉(zhuǎn)化中起作用。硝化過(guò)程：土壤中產(chǎn)生的氨在亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的作用下，被氧化成亞硝酸和硝酸。其硝化過(guò)程發(fā)生的條件是土壤pH為6~9，通氣良好，且土壤有機(jī)質(zhì)C/N小于20，在酸性土壤中施用適量石灰有利于硝化作用的進(jìn)行，甘反應(yīng)式：2NH?+3O?+亞硝化細(xì)菌=2HNO?+2H?O+661J2HNO?+O?+硝化細(xì)菌=2HNO?+176J反硝化過(guò)程：當(dāng)土壤的通氣狀況不良，如土壤淹水或土體緊實(shí)而透氣較差時(shí)，則發(fā)生反硝化過(guò)程，如果土壤的pH較高且C/N比值過(guò)大，則易于進(jìn)行反硝化過(guò)程：5C?H??O?(單糖)+24KNO?+反硝化細(xì)菌=24KHCO?+12NO?↑+18H?O3.土壤腐殖質(zhì)的形成土壤中動(dòng)植物殘?bào)w在微生物作用下進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化的同時(shí)，其部分分解產(chǎn)物又在微生物的作用下重新聚合形成腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)的形成過(guò)程是非常復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程。有關(guān)土壤腐殖質(zhì)形成的生物化學(xué)過(guò)程歸結(jié)起來(lái)有3種學(xué)說(shuō)：①木質(zhì)素-蛋白質(zhì)聚合學(xué)說(shuō)，認(rèn)為腐殖質(zhì)是由木質(zhì)素、蛋白質(zhì)及其分解中間產(chǎn)物，在微生物的作用下發(fā)生聚合而成的。因此，木質(zhì)素和蛋白質(zhì)是觀察腐殖質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。木質(zhì)素由不飽和的酚苯丙醇組成，苯環(huán)上有羥基，故在分解過(guò)程中可形成脂類化合物、酚類化合物和醌類化合物等，這些化合物再與氨基酸、氨及其蛋白質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)，就可形成腐殖調(diào)節(jié)土壤通氣、水熱、酸堿性條件，控制有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，培肥土壤。質(zhì)，如圖2-16所示。調(diào)節(jié)土壤通氣、水熱、酸堿性條件，控制有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，培肥土壤。②生物化學(xué)合成學(xué)說(shuō)，認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)分解的中間產(chǎn)物，如多元酚和氨基酸等，在微生物分泌的酚氧化酶作用下經(jīng)過(guò)縮合聚合反應(yīng)形成腐殖質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)種類、微生物活動(dòng)及其水熱條件等對(duì)腐殖質(zhì)的形成有重要影響。③化學(xué)催化聚合學(xué)說(shuō)，認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)分解的中間產(chǎn)物如酚類化合物、氨基酸等在蒙脫石、伊利石和高嶺石表面吸附的鐵、鋁催化作用下能合成腐殖質(zhì)。4.影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素土壤有機(jī)質(zhì)的類型。土壤有機(jī)質(zhì)的種類、組成及其堆積方式是影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要因素，如簡(jiǎn)單有機(jī)質(zhì)像單糖、有機(jī)酸容易分解，而復(fù)雜有機(jī)質(zhì)如纖維素和木質(zhì)素則分解緩慢。另外土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比值也是影響其轉(zhuǎn)化的重要因素，因?yàn)槲⑸镌诜纸庥袡C(jī)質(zhì)時(shí)最適宜的C/N比值是25。如果土壤有機(jī)質(zhì)的C/N比值較高，那么在有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中碳和氮均在減少，這樣必然造成土壤中氮素相對(duì)缺乏，導(dǎo)致微生物與作物對(duì)有效態(tài)氮的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該注意有機(jī)肥中的C/N比值高低。另外有機(jī)質(zhì)的灰分可中和有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中所產(chǎn)生的有機(jī)酸，高灰分含量也有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化。土壤環(huán)境條件。土壤通氣狀況通過(guò)影響微生物種群及其活動(dòng)來(lái)決定有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的速度和方向，如當(dāng)土壤狀況通氣不良時(shí)，有機(jī)質(zhì)則發(fā)生嫌氣分解，其速度緩慢且分解也不徹底，常產(chǎn)生還原態(tài)產(chǎn)物如CH?、H?S、CO、NH?并伴隨低價(jià)態(tài)鐵、錳等有毒有害物的形成，最終制約有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化并危害作物正常生長(zhǎng)。但是，當(dāng)土壤通氣狀況良好時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解迅速而徹底，對(duì)有效態(tài)養(yǎng)分供應(yīng)有利，但不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累并可引起土壤養(yǎng)分流失。因此，調(diào)節(jié)土壤通氣狀況對(duì)于增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、提供土壤肥力有重要作用。土壤水熱狀況是影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要因素，實(shí)驗(yàn)觀察表明：土壤溫度在0~35℃范圍時(shí)，隨著溫度的升高微生物活動(dòng)明顯加強(qiáng)，但溫度高到40℃時(shí)，其活動(dòng)即受到抑制；當(dāng)土壤溫度為30℃，土壤濕度保持在田間持水量的60%~80%時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解強(qiáng)度最大；土壤溫度、濕度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)減弱有機(jī)質(zhì)的分解強(qiáng)度。土壤pH值通過(guò)調(diào)節(jié)微生物活動(dòng)而影響有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，如在土壤pH值小于6.5時(shí)，土壤中真菌活動(dòng)得到加強(qiáng)，其活動(dòng)的產(chǎn)物主要以富里酸為多；如果土壤pH值大于6.5時(shí)，則適宜于細(xì)菌和放線菌活動(dòng)，其活動(dòng)的產(chǎn)物以胡敏酸為主。故在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)節(jié)土壤通氣、水熱狀況、酸堿反應(yīng)來(lái)控制土壤微生物的種類及其活動(dòng)、調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度及其方向，以實(shí)現(xiàn)培肥土壤之目的。由于影響土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素在空間上具有明顯的地理規(guī)律性，這就在一定程度上決定了土壤有機(jī)質(zhì)的地理分異規(guī)律，具體表現(xiàn)為在中等溫度（中溫帶)、中等濕度（半濕潤(rùn)）地區(qū)，也就是溫帶草甸草原地區(qū)土壤剖面中有機(jī)質(zhì)含量最高，且土壤腐殖質(zhì)的組成比例，即胡敏酸(HA)/富里酸(FA)的比值最大可達(dá)2.5以上，表明土壤腐殖質(zhì)以胡敏酸為主；由溫帶半濕潤(rùn)草甸草原向溫帶干旱荒漠區(qū)過(guò)渡，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，同時(shí)土壤腐殖質(zhì)中的(HA)/(FA)比值也依次下降到0.6左右，表明土壤腐殖質(zhì)以富里酸為主；由溫帶半濕潤(rùn)草甸草原向高溫高濕的熱帶雨林氣候區(qū)過(guò)渡，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，同時(shí)土壤腐殖質(zhì)中的(HA)/(FA)比值也依次下降到0.5以下；由溫帶半濕潤(rùn)草甸草原向寒溫帶泰加林氣候區(qū)過(guò)渡，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不明顯，但土壤腐殖質(zhì)中的(HA)/(FA)比值則急劇下降到0.5以下。2.2.3土壤圈物質(zhì)循環(huán)土壤圈物質(zhì)循環(huán)主要是指土壤圈內(nèi)部的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及土壤圈與地球其他圈層之間的物質(zhì)交換過(guò)程。其中土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)是當(dāng)今研究的重點(diǎn)，土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素是維持生物體生理代謝過(guò)程所必需的化學(xué)元素。在土壤環(huán)境中，營(yíng)養(yǎng)元素可以反復(fù)循環(huán)利用，即生物體從土壤中吸收養(yǎng)分，生物殘?bào)w歸還土壤，土壤微生物分解生物殘?bào)w并使其中的營(yíng)養(yǎng)元素釋放進(jìn)入土壤，被植物再次吸收利用。土壤中營(yíng)養(yǎng)元素如碳(C)和氮(N)循環(huán)與水分循環(huán)是密切相關(guān)的，土壤水是營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)過(guò)程的運(yùn)輸載體。如果土壤剖面中沒(méi)有水的滲透，就不會(huì)有硝酸鹽的淋失。1.氮素循環(huán)氮是所有活有機(jī)體主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，氮素的生物學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)在：氮素是構(gòu)成植物葉綠素的成分之一；氨素是構(gòu)成生物體內(nèi)各種氨基酸的基本成分，也是合成蛋白質(zhì)的基本元素；植物通過(guò)光合作用合成碳水化合物時(shí)需要利用氮素；氮素也是形成生物體內(nèi)酵酶素的基本成分；土壤中的氮素能刺激植物根的生長(zhǎng)、促進(jìn)根系對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用。由于氮在不同的酸堿條件下以不同形態(tài)存在，故氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程非常復(fù)雜，如好氧條件下在硝化細(xì)菌作用下，土壤中氮素向著形成NO3ˉ的方向轉(zhuǎn)化，而厭氧條件下在反硝化細(xì)菌的作用下，土壤中氮素則向著形成N?的方向轉(zhuǎn)化。由于氮素對(duì)作物增產(chǎn)所起的重要作用，每年有大量的氮被投入到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，但也有大量的氮素從農(nóng)田土壤中流失，并引發(fā)了諸多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如內(nèi)陸和沿海水域的富營(yíng)養(yǎng)化，農(nóng)產(chǎn)品、飲用水中NO??濃度增高危害人群健康，引起平流層中臭氧層的破壞等。土壤中氮素循環(huán)由以下5個(gè)過(guò)程來(lái)完成：氮素輸入、氮素存留與轉(zhuǎn)化、生物吸收、生物歸還、氮中溫帶半濕潤(rùn)草甸草原，土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。氮流失會(huì)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。素失散中溫帶半濕潤(rùn)草甸草原，土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。氮流失會(huì)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。土壤氮素輸入。進(jìn)入土壤中氮素的天然來(lái)源是大氣圈，其通過(guò)兩個(gè)主要途徑進(jìn)入土壤：一是大氣圈中雷電作用、光化學(xué)作用、火山活動(dòng)、森林火災(zāi)所形成的NO?ˉ通過(guò)干濕沉降過(guò)程；二是固氮微生物（如根瘤菌）吸收并固定大氣圈中的N?合成有機(jī)物，并以有機(jī)氮素或NH??態(tài)氮素方式輸入土壤。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，人們將大氣中N?合成為氨，并將其轉(zhuǎn)化成各種氮肥施用于農(nóng)田土壤之中，構(gòu)成了農(nóng)業(yè)土壤中氮素的主要來(lái)源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，合成氨及生產(chǎn)氮肥變得越來(lái)越重要，據(jù)估計(jì)，人為固氮量約占全球總固氮量的25%左右，這一比例還會(huì)繼續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥投入量約為0.44×10?t，其施肥水平為297kg/hm2。另外，在城市及工業(yè)區(qū)外圍因大氣污染引起的干沉降和濕沉降、污水灌溉也是土壤氮素的主要來(lái)源之一。氮素存留與轉(zhuǎn)化。土壤微生物分解有機(jī)態(tài)氮而釋放為無(wú)機(jī)態(tài)氮素的過(guò)程稱為氮素的礦化過(guò)程（活化），相反將無(wú)機(jī)態(tài)氮素轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)態(tài)氮素的過(guò)程稱為同化過(guò)程（固定），它們構(gòu)成了土壤氮素循環(huán)中的重要部分。氮素的礦化與固定在土壤中同時(shí)進(jìn)行，但何者為主導(dǎo)則隨土壤物理化學(xué)條件而異。一般在土壤水分適中、有機(jī)質(zhì)豐富、通氣良好的土壤中，氮素礦化過(guò)程占優(yōu)勢(shì)，而嫌氣條件下，土壤有機(jī)質(zhì)分解比好氣條件下需要氮素的量較少，氮素的礦質(zhì)化較弱，多將有機(jī)氮素或硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N?O、N?向大氣散失，從而導(dǎo)致土壤中氮素存留量減少。在一般情況下，土壤中氮素的活化會(huì)增加生物對(duì)氮素的吸收利用過(guò)程，同時(shí)也會(huì)造成土壤土壤氮素收入：雷電、火災(zāi)干濕沉降、固氮微生物。失散：向水圈、大氣圈。中部分無(wú)機(jī)氮素隨地表徑流或地下徑流從土壤中流失進(jìn)入水體，而導(dǎo)致水環(huán)境的不斷惡化土壤氮素收入：雷電、火災(zāi)干濕沉降、固氮微生物。失散：向水圈、大氣圈。生物吸收。氮素是合成生物原生質(zhì)和細(xì)胞其他結(jié)構(gòu)的原料，一般不為生命過(guò)程提供能量。氮素經(jīng)過(guò)植物根系吸收進(jìn)入生物體后，參與多種生理過(guò)程，并在生物體內(nèi)以氮?dú)?、銨鹽、硝酸鹽、尿素、氨基酸和蛋白質(zhì)等形式存在。由于植物對(duì)H、O、N、C等的選擇性吸收累積，使它們?cè)谏矬w得到顯著富集。據(jù)此，波雷諾夫(1948)就將O、H、C、N、Mg、K、P、S稱為絕對(duì)的生物必需元素，沒(méi)有它們生物的生存是完全不可能的。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物體內(nèi)N、P、S、Cl、Ca的累積顯然高于植物，這表明在生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈中也有逐級(jí)富集氮素的現(xiàn)象。N在生理過(guò)程中的作用主要有：葉綠素的組成成分之一、氨基酸和蛋白質(zhì)合成的基本組成元素、碳水化合物利用的媒介、酵酶素的組成成分、刺激根的生長(zhǎng)和活動(dòng)、有助于其他營(yíng)養(yǎng)物的吸收。植物不僅能從土壤溶液中吸收硝態(tài)氮，還能吸收氨態(tài)氮。氮素在被植物吸收之前，必須被傳輸?shù)礁H才能被吸收，這個(gè)傳輸過(guò)程常常是通過(guò)植物蒸騰作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)植物吸收能力超過(guò)N的供應(yīng)時(shí)，根際附近氮的濃度下降，土壤溶液中氮素?cái)U(kuò)散運(yùn)動(dòng)便開始，因此，土壤性狀對(duì)氮素吸收具有重要影響。生物歸還。在生物的新陳代謝過(guò)程中，生物也不斷地將生命體內(nèi)富集的C、N、P、S、Cl、Ca以殘?bào)w或代謝產(chǎn)物的形式歸還土壤。據(jù)估計(jì)，在全球陸地地表每年大約有550×10?t的有機(jī)物歸還于土壤，由于生物從較大空間范圍選擇性地吸收營(yíng)養(yǎng)元素，而歸還土壤的殘?bào)w或代謝產(chǎn)物則主要集中于土壤表層，從而使土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素得到不斷的富集，促進(jìn)了土壤肥力的不斷提高。氮素失散。土壤氮素失散過(guò)程主要是指土壤氮素向水圈的失散和向大氣圈的失散。土壤氮素通過(guò)地表徑流或者土壤侵蝕向水圈的失散過(guò)程，會(huì)引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。如過(guò)量氮素進(jìn)入地表水體引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化；導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)崩潰，過(guò)量氮素進(jìn)入地下水或生活飲用水中，會(huì)嚴(yán)重危害人群健康。土壤氮素向大氣圈失散：一是通過(guò)氨的揮發(fā)，二是土壤中的反硝化過(guò)程。氨的揮發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的理化與生物學(xué)綜合過(guò)程，動(dòng)物排泄物中NH?揮發(fā)和堆積糞肥過(guò)程中的NH?揮發(fā)為主要的揮發(fā)途徑。由于揮發(fā)進(jìn)入大氣的NH?極易溶于水，它又會(huì)通過(guò)降雨等濕沉降過(guò)程返回土壤。反硝化作用是土壤氮素向大氣失散的一個(gè)重要途徑，在這個(gè)過(guò)程中NO??和NO??被轉(zhuǎn)化成NO、N?O和N?等氣體。已有研究表明在過(guò)去的幾十年中，氮肥施用量的提高，已經(jīng)造成大氣N?O濃度的提高，并使“溫室效應(yīng)”得到加劇。因此尋求合理高效的施肥方法、有效開展土壤氮素失散已成為當(dāng)代土壤地理學(xué)和環(huán)境學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。典例（2022年全國(guó)乙卷）15.[地理—選修6:環(huán)境保護(hù)]呼倫貝爾草原牧草以禾本科牧草為主,伴生優(yōu)質(zhì)豆科牧草,兩類牧草對(duì)生長(zhǎng)空間的競(jìng)爭(zhēng)激烈。這里土壤氮素含量低,限制了禾本科牧草的生長(zhǎng),但對(duì)豆科牧草的生長(zhǎng)影響較弱。21世紀(jì)初,在草原公路兩側(cè)幾千米甚至十幾千米的范圍內(nèi),汽車尾氣導(dǎo)致的氮化物沉降,增加了土壤氮素含量,影響牧草生長(zhǎng)。土壤碳素收入：枯枝落葉殘?bào)w、碳酸鹽沉積。支出：分解礦化為CO?；水稻土、牲畜釋放CH?。土壤碳素收入：枯枝落葉殘?bào)w、碳酸鹽沉積。支出：分解礦化為CO?；水稻土、牲畜釋放CH??！敬鸢浮康睾吭黾?，不再成為當(dāng)?shù)赝寥滥敛萆L(zhǎng)的主要限制性因素，禾本科牧草能夠獲得相對(duì)充足的氮素供應(yīng)，長(zhǎng)勢(shì)改善，能競(jìng)爭(zhēng)到更多的生長(zhǎng)空間，覆蓋度和多樣性提高；豆科牧草在種間競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)減弱，部分資源被禾本科牧草侵占，覆蓋度和多樣性減小。總體上，群落結(jié)構(gòu)改變，多樣性增大，但優(yōu)質(zhì)的豆科牧草減少，雜類草增加?！痉治觥勘绢}以呼倫貝爾草原牧草生長(zhǎng)為材料設(shè)置考題，涉及環(huán)境保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容，考查學(xué)生的信息獲取能力以及對(duì)環(huán)境保護(hù)知識(shí)的理解?！驹斀狻科囄矚庵泻械?，導(dǎo)致的氮沉降物進(jìn)入土壤，增加了土壤中氮素的含量，使禾本科牧草獲得了充足的氮素，有更大的生長(zhǎng)空間，長(zhǎng)勢(shì)迅速，得到改善。而對(duì)于豆科牧草來(lái)說(shuō)，氮素的增加使其在競(jìng)爭(zhēng)中失去優(yōu)勢(shì)，禾本科牧草的長(zhǎng)勢(shì)改善又使其多樣性減少，覆蓋度降低。總體而言，氮素增多，兩側(cè)牧草地多樣性增大，但豆科牧草的減少，使禾本科牧草等雜草類增多。2.碳素循環(huán)碳素是一切生命體的基本成分，碳素在生命過(guò)程中占有特殊地位，其重要性僅次于水。碳分子的特性是可以形成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的碳鏈，為各種復(fù)雜的有機(jī)物(蛋白質(zhì)、磷脂、碳水化合物和核酸等)提供骨架；碳素也是植物在光合作用過(guò)程中，將大量太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的重要載體之二，這些化學(xué)能也是推動(dòng)土壤形成發(fā)育的重要驅(qū)動(dòng)力。碳素循環(huán)是指自然界中的碳素在各類生物的作用下，在有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)之間不斷發(fā)生轉(zhuǎn)化和循環(huán)，借以保持自然界生態(tài)平衡的過(guò)程，自然界碳素循環(huán)模式如圖2-18所示。全球土壤有機(jī)物質(zhì)（腐殖質(zhì)及土壤生物量）所包含的碳素大約是陸地植物體內(nèi)所含碳量的3倍，干旱和半干旱地區(qū)土壤中也儲(chǔ)存有無(wú)機(jī)態(tài)的碳素(即碳酸鹽類礦物)，土壤圈中的這些碳源都是全球碳循環(huán)的重要組成部分。這些碳素在陸地表面易遭侵蝕和分解損失。有機(jī)物質(zhì)礦化過(guò)程會(huì)釋放CO?據(jù)估計(jì)，每年全球土壤圈中大約有總碳量的5%以CO?、CH?等形式進(jìn)入大氣圈，這比人類活動(dòng)所產(chǎn)生的化石燃料燃燒所釋放的CO?量多十余倍。有關(guān)資料說(shuō)明，全球陸地每年由植物光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)碳約為6×101?t,這些有機(jī)碳主要集中在土壤剖面中上部（即0~50cm層段），并逐漸被分解成為CO?和H?O。由于土壤中已儲(chǔ)存的有機(jī)碳為85×101?t，估計(jì)土壤與植物之間的周轉(zhuǎn)時(shí)間約為13年，不同地區(qū)差異較大。土壤有機(jī)物質(zhì)以多種形式存在，包括陸地表面新鮮的、不能完全分解的有機(jī)物質(zhì)（枯枝落葉或其他殘?bào)w）和分布在土壤整個(gè)剖面中的腐殖質(zhì)，這種碳源極易受人類活動(dòng)的影響而變化。如在溫帶地區(qū)，近50年農(nóng)業(yè)活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)含量降低20%~40%，這其中的絕大部分是以CO?形式進(jìn)入大氣圈，也有少部分碳素隨土壤侵蝕沉積于水圈之中。人類大規(guī)模開墾沼澤地也促進(jìn)了土壤碳向大氣圈的釋放，同時(shí)大規(guī)模地砍伐森林、破壞植被導(dǎo)致植物性有機(jī)質(zhì)向土壤圈輸入的速率加快。過(guò)度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)在某種程度上已經(jīng)破壞了生物圈與土壤圈之間碳素循環(huán)過(guò)程。據(jù)估計(jì)，每年這種失衡引起全球農(nóng)田土壤CO?凈釋放量大約相當(dāng)于每年石油燃燒釋放CO?量的20%。根據(jù)法國(guó)科學(xué)家對(duì)南極冰芯的研究，在過(guò)去250年期間，全球大氣中CO?濃度發(fā)生了明顯的變化，即由工業(yè)革命前的280×10??增加到目前的320×10??。大氣圈中CO?含量的不斷增加會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖，從而可進(jìn)一步加速寒溫帶、亞極地帶廣泛的冰沼土和泥炭土中有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化過(guò)程，并向大氣圈釋放更多的CO?進(jìn)一步加速了全球氣候的變化。已有人對(duì)全球氣候變暖過(guò)程中冰原、泥碳生態(tài)系統(tǒng)土壤碳素的損失進(jìn)行了模擬觀測(cè)，即在將冰沼土置于溫濕條件下，土壤就有碳素的凈損失。另外溫暖條件下的水稻土也可以向大氣圈釋放一定量的CH?，大規(guī)模養(yǎng)殖反芻類牲畜也會(huì)向大氣圈釋放一定量的CH?。根據(jù)國(guó)際地球科學(xué)界所關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題，即土壤圈與大氣圈之間物質(zhì)交換過(guò)程研究的重點(diǎn)有：客觀評(píng)價(jià)土壤圈作為大氣溫室氣體(CO?、CH?、N?O和NO?)源和匯的作用；人類活動(dòng)對(duì)土壤圈作為大氣溫室氣體源和匯的干擾程度；土壤圈中溫CO?轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳化合物：細(xì)菌、植物光合作用。人工捕捉、封存或利用。室氣體產(chǎn)生、排放與吸收的過(guò)程及其機(jī)制。CO?轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳化合物：細(xì)菌、植物光合作用。人工捕捉、封存或利用。典例（2022年湖南卷）18.閱讀圖文材料，完成下列要求。土壤有機(jī)質(zhì)包括腐殖質(zhì)、生物殘?bào)w等，大多以有機(jī)碳的形式存在。土壤有機(jī)碳密度是指單位面積內(nèi)一定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。海南島某自然保護(hù)區(qū)內(nèi)保存著較完整的熱帶山地雨林，此地常受臺(tái)風(fēng)影響。下圖示意該保護(hù)區(qū)內(nèi)一塊樣地的地形及該樣地內(nèi)部分點(diǎn)位土壤表層（0～10cm）的有機(jī)密度（單位：kg/m2）。（1）指出該樣地山脊與山谷土壤表