土壤中有那些有机元素?
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发布时间：2022-04-26 20:55
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时间：2023-11-01 05:30
农田生态系统氮循环在某些环节上与碳循环相伴存在并具有相似之处，碳氮循环相互影响、相互促进。土壤氮的循环过程是氮素不断进行生物、生物化学、化学、物理、物理化学变化的过程，也是不断进行氮素形态变化的过程，这些过程主要有生物固氮过程、化学固氮过程、矿化－生物固持过程、硝化过程、反硝化过程、挥发与淋失过程、共侵蚀和径流损失过程等。但是氮循环的重要环节在于氮素养分的固定、有效化和损失过程，特点是微生物作用下的生物化学过程。虽然磷和硫也是土壤有机质的组成成分，也参与土壤碳氮循环的生物化学过程，但是磷和硫的纯化学转化循环占有更重要的地位，磷和硫在农田系统中的循环是生物地球化学循环的一部分。与农田生态系统中碳氮及其它养分循环同等重要。水循环影响作物的生长、养分转化循环、有效性及损失，在干旱和半干旱地区，农田生态系统的水循环往往成为整个系统物质循环的制约因素。气候，特别是温度，是影响土壤物质转化循环的外因，对土壤物质平衡起重要作用。农业管理是影响土壤物质转化循环的另一个重要因素，它可以改变土壤物质循环过程和强度，最终影响养分循环效率以及平衡水平，决定农田生态系统的可持续利用能力。
土壤有机质是土壤系统的基础物质，影响土壤的物理、化学性质，并通过所提供的C、N源控制微生物活性，从而在土壤肥力中发挥着重要的作用，良好的土壤的物理、化学和生物学性质以及土壤的生产力都与土壤有机质的含量和特性密切相关。农田土壤中有机碳的储量和特性影响系统的质量和功能。从农田土壤可持续利用的角度出发，如何提高农田土壤有机碳的截获具有理论和实践的双重意义。土壤有机质库的形态和特性不仅与土壤碳氮的转化和循环过程密切相关，同时也和其它养分的转化循环以及水分的循环密不可分。土壤有机碳库的化学稳定机制，以及相对应的化学或形态分级成为重要的研究课题。因为不同的有机碳库组成不同，性质不同，分解和转化的时间不同，有机质的稳定性和质量也不同。从土壤养分循环、有机质的积累和作物残留物管理对环境质量和土壤生产力的影响的角度出发，我们更关心土壤有机质的转化过程以及有机碳库在土壤中的周转速率和滞留时间。土壤有机碳各组分的转化过程和存留时间有较大差异，所以根据土壤有机碳稳定性和转化时间的差异，可把土壤有机质分为活性的(易变的)和稳定的组分。一般认为，活性的组分包括植物残留物、轻组分、微生物生物量、动物生物量及其排泄物、其它非腐殖物质等，其分解速度快，转化周期通常为几周到几个月的时间。稳定组分是指矿化速率很低的土壤腐殖质部分，在土壤中能保存几年、几十年，或更长时间。因此，土壤有机质可分为5个库：易分解植物残体、难分解植物残体、土壤生物量、物理稳定有机质、化学稳定有机质。这些有机碳库的半分解时间分别为0 17年、2 3年、1 7年、50年和2000年。土壤有机氮的转化过程和稳定机制与有机碳相似，可分为四个库：微生物生物量、活性非微生物生物量、稳定有机N和"老化"有机氮；半分解时间分别为0.5年、1.5年、27年和600年。在CENTURY模型中，根据木质素和氮的比例，植物残体被划分为植物残体代谢碳和结构碳，土壤有机质划分为活性碳、“慢分解”土壤碳和非活性碳共5个库，相应的平均滞留时间为0.1～1年、1～5年、1～5年、20～40年和200～1500年。
土壤有机质本身的化学组成和结构是导致土壤有机碳库组分稳定性不同的原因之一。结构复杂、性质稳定的某些有机质如土壤腐殖质，抵抗土壤微生物分解的能力显著高于其它结构简单、活性较强的有机质，因而具有更高的稳定性。但大量研究表明，土壤有机碳的稳定性并不单一地取决于土壤有机质的化学组成的差异，其它方面的许多因素都能影响土壤有机碳的稳定性。如在物理稳定机制中，土壤有机质的存在状态(是游离态或结合态)、在土壤中的分布物理位置(大团聚体、微团聚体内或外)和颗粒大小等；与土壤有机质相关的很多土壤物理、化学、生物化学过程，如团聚体形成与分解过程(aggregation formation/degradation)、土壤有机质的吸附与解吸过程(adsorption/desorption)、土壤有机质的聚合与复合过程(condensation/complexation)等也都能影响土壤有机碳的稳定性。目前一般认为，土壤有机质的稳定性机制主要有三种，即化学稳定性(chemical stabilization)、物理稳定性(physical stabilization)和生物化学稳定性(biochemical stabilization)机制(图1)。虽然这些有机碳库的划分理论上看似合理，但它们的存在至今还不能很好地被实验证明。因为有关土壤有机碳、氮转化过程和去向信息至今仍知之甚少，主要是缺少合适有效的实验分析方法来鉴定土壤内在有机碳、氮的起源和滞留时间。
因此，深入研究土壤有机质的转化过程将有助于掌握土壤物质循环的本质。有机碳、氮的转化、循环和截获是由一系列复杂生物和生物化学过程决定的，生物是这些过程的主导因素。如果能够揭示土壤有机质生物化学转化过程及其机制，就可以定向*这些生态过程，进而达到优化土壤功能的目的。虽然土壤中一切生物和生物化学过程都是在微生物的参与下完成的，不过由于微生物类群的复杂性、数量的易变性和测定结果的不稳定性，采用微生物本身作为土壤生态过程的指示物质具有不确定性。然而，可以选择具有一定稳定性的微生物来源物质来表征土壤微生物的作用，从而探讨土壤有机物质的动态变化机制。这些对土壤生物和生物化学过程具有指示作用的微生物来源物质被称为微生物标识物（Microbial Biomarker）。目前探索研究的标识物有氨基糖、氨基酸手性异构体、类脂等。分析评价这些微生物标识物已经成为土壤生物化学过程研究中一种很有效的工具。这种分析和评价能够使我们确认在某些条件下，土壤"固有或内在"有机碳的转化过程是有助于土壤碳氮的积累，还是促进土壤碳氮的消耗。只有掌握影响土壤有机质转化的因素和条件，我们才有可能*土壤有机质的微生物转化过程，进而*有机碳的截获，优化土壤的功能
氮素在土壤中的转化过程决定氮素的吸收利用，因此研究氮素高效利用的理论基础是氮素在土壤中转化过程及其*原理。目前氮素在土壤中的转化和去向已成为研究的焦点之一。研究表明，无机氮在土壤中可迅速转化，转化途径是多方面的。以NH + 4－N为例，转化过程包括硝化、反硝化和微生物固定。硝化和反硝化作用可导致氮素的损失；而微生物固定是一个更重要的同化过程，可降低氮素的损失。微生物固定的氮存在于活性的有机库中，活性库中的有机氮具有易变特性，因而比非活性库中的有机氮更容易分解矿化；活性库中的氮化合物参与土壤氮快速循环。因此，活性有机氮库处在不断转化更新中，而这种转化更新过程影响土壤氮素的供应。我们用稳定同位素示踪研究发现，虽然土壤中无机氮的转化途径是多方面的，施到土壤中的无机氮素可快速转化成某种形态有机氮，新形成的这种有机氮包被在土壤矿物-有机复合体或团聚体的表面，具有较高的活性和循环速率，所以在特定条件下，这种有机态氮又会矿化释放出无机态氮，因而这种有机态氮处于不断转化循环之中，这种特殊的有机态氮就构成土壤有效氮的暂存“过渡库”（图2）。过渡库对土壤有效氮的循环和供应具有调节作用，因而影响土壤无机氮素或肥料氮的利用率。土壤有效氮过渡库的概念给我们一个重要的启示，氮肥利用率的高低与土壤功能密切相关，而土壤功能影响土壤对氮素的*能力。土壤中无机氮素的微生物同化固定受土壤有效碳源的控制，提高土壤有效碳源的含量可促进土壤氮素的同化作用。对比研究不同农业生态系统发现，输入高量有机物料的土壤系统中，活性碳库明显大于单施化肥的土壤系统。高输入有机物料的土壤系统由于微生物活性的增强，氮素供应能力随之增强。但是，土壤有效碳源如何控制土壤氮素的转化过程，以及不同特性的碳源对土壤氮素过渡库的影响，还有待进一步研究。
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时间：2023-11-01 05:30
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时间：2023-11-01 05:31
土壤有自身的发展过程。地层内部的岩石经受高温、高压作用，但化学上相对稳定。一旦暴露在地表面，压力降低，温度有很大变动，且与丰富的水与氧气接触，发生风化，从而达到新的稳定状态。相似地，生物体排泄物和死后残骸的各种组分也受到类似作用。这两种过程的组合以及各种无机、有机产物长期的相互作用结果造成了土壤系统，如下图：
土壤的基本环境机能有以下几个方面：
培育植物 一方面是能使植物挺立生长的支持体，另一方面土壤具有一定的肥力，能为植物生长提供水、空气和养分。
推动物质循环 土壤是地球表层中介入元素循环的一个重要圈层。碳、氮元素在大气、海洋、土壤间以相当快的速度循环（硫的循环速度略慢些）。
保存水资源 土壤是大气和地下水之间的缓冲地区。土壤空隙储存的大量降水不会过快蒸发。
防止灾害 由于土壤蓄水量大，可防止风雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠化趋向，并兼有防风、消音等作用。
自净能力 因为土壤具有极大比表面和催化活性兼以土壤所含水、空气、微生物等都能使污染物降解脱活。
土壤是环境的一个重要组成因素。它介于生物界与非生物界之间，是一切生物赖以生存的基础。人类的衣食住行以及一切活动，无不直接或间接地与土壤有关。人类通过生产活动从自然界取得生活必需的资源和能源，而在生产和消费过程中了生的废物，则最终以“三废”的形式，直接或间接通过大气、水体和生物排人土壤，使土壤遭受污染。因此防治土壤污染是环境科学的一项重要研究课题。而了解污染物在土壤中的存在以及迁移转化，则是采取防治措施的重要依据。本章在了解土壤本身的组成、结构、性质的基础上，讨论主要的污染物在土壤中的迁移转化及其归宿。
第一节 土壤的组成
土壤是指陆地地表具有肥力并能生长植物的一薄层特殊物质。它是地球表面岩石的风化过程和母质的成上过程两者综合作用下形成的。土壤由固、液、气三相物质组成。
固相包括土壤矿物质和土壤有机质，土壤生物占土壤总重量的90～95％。 土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物的一部分而视为土壤固相物质。 液相指土壤水分及其中所含的可溶物，称为土壤溶液。
气相指土壤空气。因此土壤是一个以固相为主的三相共存的多相体系，三相物质互相联系、制约、构成一个有机整体，如图4-1所示。
土壤的化学组成
无机体－矿物体
固体部分
有机体－有机质、土壤生物
土壤的组成
液体－水分（溶液）
孔隙部分
气体－空气
土壤的组成（示意图）
一、土壤矿物质
土壤矿物质是由岩石风化形成的。岩石的风化，既有坚硬的岩石由大块变成细小颗粒的过程——物理风化；也有岩石的成分和性质发生变化的过程——化学风化。 因此土壤中无机矿物质分为原生矿物与次生矿物两大类。
（一）原生矿物
原生矿物是岩石中的原始部分。即岩石只经历了物理风化。风化过程中没有改变成分与结构，而只遭到破碎。因此，原生矿物的粒径较大。土壤中的砂粒（粒径2～0.02mm）、粉砂粒（0.02～0.002mm），它具有坚实而稳定的晶格，不透水性，而不具有物理化学吸收性能，不膨胀。 原生矿物主要是硅酸盐类，如石英、长石、云母、副矿物质：橄榄石（Mg,Fe)2SiO4、闪石、辉石等。数量最多的石英和长石构成土壤的沙砾骨架，而云母、副矿物质则为植物提供许多无机营养物质。
（二）次生矿物
次生矿物是岩石经历化学风化形成的新矿物。其粒径较小，大部分以粘粒与胶体（粒径（0.002mm）分散状态存在。许多次生矿物具有活动的晶格，强的吸收能力）吸水后膨胀，有明显的胶体特征。 次生矿物包括各种简单盐类（碳酸盐、重铬酸盐、硫酸盐、卤化物），游离硅酸、水合氧化物（R2O3..xH2O,如三水铝石、水铝石、针铁矿、褐铁矿）次生硅酸盐（如伊利石、蒙脱石、高岭土等）。
次生矿物可分为无定形的次生矿物和晶质的次生矿物。
（1）无定形的次生矿物：主要包括无定形的含水氧化锰、氧化铁、氧化铝、氧他硅、石英以及水铝英石导。
（2）晶质的次生矿物：主要包括铝硅酸盐类粘土矿物。
附注：次生矿物中简单盐类属水溶性盐，易被淋失，一般土壤中含量较少。而水合氧化物和次硅铝酸盐，是土壤矿物中最细小的部分，一般将他们称为次生黏土矿物。土壤很多重要的物理、化学过程和性质，都和土壤所含的黏土矿物，特别是次生硅铝酸盐的种类和数量有关。
铝硅酸盐粘土矿物的晶体结构是由1000多个晶层所构成，每个晶层由硅氧片和水铝片迭合而成。硅氧片结构：（为什么可以称为硅四面体？）。 水铝片结构：（为什么可以称为铝八面体？）。 硅氧片和水铝片相互重迭时，共用氧原子而形成稳定的晶层。根据构成晶层时硅氧片与水铝片的数目和排列方式，粘土矿物可分为三大类。
高岭土Al2(OH)4、蒙脱土Al2(OH)2Si4O10、伊利石Al0.66(OH)2Si3.34O10
①高岭石类：
由一层硅氧片与一层水铝片组成一个晶层，属1：1型的二层粘上矿物。晶层的一面是氧原子，另一面是氢氧原子组，晶层与晶层之间通过氢键相连结。晶层之间的距离很小，仅72A。故内部空隙不大：水分子和其他离子都难以进入层间（图4-2）。
②蒙脱石类：
由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成。一个晶层，属2：1型的三层粘上矿物。晶层表面都是氧原于，没有氢氧原子组，晶层与晶层之间没有氢键结合力，只有松弛的联系，晶层间距离为9.6-21.4A。水分子或其他交换性阳离子可进入层间。因此蒙脱石粘土矿物具有较高的阳离子交换容量。
伊利石类：
其晶体结构与蒙脱石类似，也是两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，属2：1型晶格。不同之点是伊利石粘土矿物中总有一部分硅被铝代替，由取代而产生的不足的正电荷，由处于两个晶层间的钾离子所补偿。这些钾离子就似乎起桥梁作用，把上下相邻的两个晶层连结起来(图4-4)。
在粘土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的离子取代一部分铝()或硅()的现象。这种取代作用称为同晶替代作用。一般是半径相近的较低价正离子的取代，如M、F等离子取代铝()，A离子取代硅()。同晶替代的结果使粘土矿物微粒具有过剩的负电荷。此负电荷由处于层状结构外部的正离子钾、钠等平衡。
二、土壤有机质
土壤有机质可分力非特异性的和特异性的两大类。前者即通常熟知的各类有机化合物；包括蛋白质、脂类、碳水化合物、蜡、树脂、有机酸等，占土壤有机质总量的10～15％； 后者称为腐殖质，包括富里酸、腐植酸和胡敏素等，占土壤有机质总量的85～90％。腐殖质化学组成归纳：
腐殖质主要是由C、H、O、N和少量S等元素组成的。腐殖质的相对分子量分布从几百至106。如富里酸的分子量约在300～400之间。腐殖酸的分子量在2×103～104之间，色越深分子量越大。腐殖质具有多种官能团，对金属元素离子有强的络和、螯合能力通过氢键等作用可形成疏松的聚集体，具有很大的表面积。 能抵抗微生物作用，难以溶解。腐殖质中富里酸的酸基、醇羟基和总酸度量要比腐殖酸都要大得多。变动的环境因素对腐殖质的结构有很大影响，由此就不难理解，不同地区和土层所含腐殖质的化学组成何以会有较大差异。
三、 土壤溶液
土壤中水分的主要来源是降雨、降雪和灌溉。在地下水位接近于地面（2～3m）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。水分进人土壤以后，由于土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，而把水保持住。
土壤固体保持水分的牢固程度，在相当程度上决定了土壤中的水分运动和植物对水分的利用。土壤中的水分并不纯净。当水分进入土壤后，即和土壤其他组成物质发生作用，土壤中的一些可溶性物质，如盐类和空气都将溶解在水里。这种溶有盐类和空气的土壤水，称为土壤溶液。
四、土壤空气
土壤是一个多孔体系。土壤空气存在于未被水分占据的土壤空隙中。这些气体主要来源于大气，其次是产生于土壤内发生的化学和生物化学过程。在水分不饱和的情况下，孔隙中总是有空气的。这些气体主要是从大气透进来的，其次是土壤中进行的生物化学过程所产生的气体。土壤空气的数量，通常以单位土体容积中所占容积百分数来表示，称为土壤含气量。凡影响土壤孔隙和含水量的因素，也都影响土壤的空气含量。
土壤空气在几个方面不同于大气。首先，土壤空气是不连续的，而是存在于被上巩同体隔开的土壤孔隙中。这一情况使它们的组成在土壤的此一处和彼一处都不相同。其次，土壤空气一般比大气有较高的含水量，在土壤含水量适宜时，土壤相对湿度接近100％。再次，土壤空气的CO2 ，含量一般远比大气的含量高、氧的含量则小于大气。 CO2 往是大气中浓度的几百倍，氧的浓度则相应地下降，在极端情况下也不会超过10～12％。但二者之和约为21%，与大气相近。造成这种差别的原因，是土壤中各种生物，如植物根系和动物、微生物的呼吸作用；以及有机质的分解，都消耗了大量的氧而产生大量的CO2所致。
土壤空气含量和组成在很大程度上取决于土一水关系。作为气体混合物的土壤空气，只进入未被水分占据的那些土壤孔隙。雨后，大孔隙中的水分首先腾空，接着由于挥发和植物吸收，中孔隙也腾空。因此，土壤空气通常先占据大孔隙，随着土壤变干，再占据那些中等孔隙。这说明了细孔隙比例大的土壤，通气条件是差的。在这些土壤中，水分占优势，土壤空气的含量和组成不适于植物的最佳生长。
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时间：2023-11-01 05:31
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农田生态系统氮循环在某些环节上与碳循环相伴存在并具有相似之处，碳氮循环相互影响、相互促进。土壤氮的循环过程是氮素不断进行生物、生物化学、化学、物理、物理化学变化的过程，也是不断进行氮素形态变化的过程，这些过程主要有生物固氮过程、化学固氮过程、矿化－生物固持过程、硝化过程、反硝化过程、挥发与淋失过程、共侵蚀和径流损失过程等。但是氮循环的重要环节在于氮素养分的固定、有效化和损失过程，特点是微生物作用下的生物化学过程。虽然磷和硫也是土壤有机质的组成成分，也参与土壤碳氮循环的生物化学过程，但是磷和硫的纯化学转化循环占有更重要的地位，磷和硫在农田系统中的循环是生物地球化学循环的一部分。与农田生态系统中碳氮及其它养分循环同等重要。水循环影响作物的生长、养分转化循环、有效性及损失，在干旱和半干旱地区，农田生态系统的水循环往往成为整个系统物质循环的制约因素。气候，特别是温度，是影响土壤物质转化循环的外因，对土壤物质平衡起重要作用。农业管理是影响土壤物质转化循环的另一个重要因素，它可以改变土壤物质循环过程和强度，最终影响养分循环效率以及平衡水平，决定农田生态系统的可持续利用能力。
土壤有机质是土壤系统的基础物质，影响土壤的物理、化学性质，并通过所提供的C、N源控制微生物活性，从而在土壤肥力中发挥着重要的作用，良好的土壤的物理、化学和生物学性质以及土壤的生产力都与土壤有机质的含量和特性密切相关。农田土壤中有机碳的储量和特性影响系统的质量和功能。从农田土壤可持续利用的角度出发，如何提高农田土壤有机碳的截获具有理论和实践的双重意义。土壤有机质库的形态和特性不仅与土壤碳氮的转化和循环过程密切相关，同时也和其它养分的转化循环以及水分的循环密不可分。土壤有机碳库的化学稳定机制，以及相对应的化学或形态分级成为重要的研究课题。因为不同的有机碳库组成不同，性质不同，分解和转化的时间不同，有机质的稳定性和质量也不同。从土壤养分循环、有机质的积累和作物残留物管理对环境质量和土壤生产力的影响的角度出发，我们更关心土壤有机质的转化过程以及有机碳库在土壤中的周转速率和滞留时间。土壤有机碳各组分的转化过程和存留时间有较大差异，所以根据土壤有机碳稳定性和转化时间的差异，可把土壤有机质分为活性的(易变的)和稳定的组分。一般认为，活性的组分包括植物残留物、轻组分、微生物生物量、动物生物量及其排泄物、其它非腐殖物质等，其分解速度快，转化周期通常为几周到几个月的时间。稳定组分是指矿化速率很低的土壤腐殖质部分，在土壤中能保存几年、几十年，或更长时间。因此，土壤有机质可分为5个库：易分解植物残体、难分解植物残体、土壤生物量、物理稳定有机质、化学稳定有机质。这些有机碳库的半分解时间分别为0 17年、2 3年、1 7年、50年和2000年。土壤有机氮的转化过程和稳定机制与有机碳相似，可分为四个库：微生物生物量、活性非微生物生物量、稳定有机N和"老化"有机氮；半分解时间分别为0.5年、1.5年、27年和600年。在CENTURY模型中，根据木质素和氮的比例，植物残体被划分为植物残体代谢碳和结构碳，土壤有机质划分为活性碳、“慢分解”土壤碳和非活性碳共5个库，相应的平均滞留时间为0.1～1年、1～5年、1～5年、20～40年和200～1500年。
土壤有机质本身的化学组成和结构是导致土壤有机碳库组分稳定性不同的原因之一。结构复杂、性质稳定的某些有机质如土壤腐殖质，抵抗土壤微生物分解的能力显著高于其它结构简单、活性较强的有机质，因而具有更高的稳定性。但大量研究表明，土壤有机碳的稳定性并不单一地取决于土壤有机质的化学组成的差异，其它方面的许多因素都能影响土壤有机碳的稳定性。如在物理稳定机制中，土壤有机质的存在状态(是游离态或结合态)、在土壤中的分布物理位置(大团聚体、微团聚体内或外)和颗粒大小等；与土壤有机质相关的很多土壤物理、化学、生物化学过程，如团聚体形成与分解过程(aggregation formation/degradation)、土壤有机质的吸附与解吸过程(adsorption/desorption)、土壤有机质的聚合与复合过程(condensation/complexation)等也都能影响土壤有机碳的稳定性。目前一般认为，土壤有机质的稳定性机制主要有三种，即化学稳定性(chemical stabilization)、物理稳定性(physical stabilization)和生物化学稳定性(biochemical stabilization)机制(图1)。虽然这些有机碳库的划分理论上看似合理，但它们的存在至今还不能很好地被实验证明。因为有关土壤有机碳、氮转化过程和去向信息至今仍知之甚少，主要是缺少合适有效的实验分析方法来鉴定土壤内在有机碳、氮的起源和滞留时间。
因此，深入研究土壤有机质的转化过程将有助于掌握土壤物质循环的本质。有机碳、氮的转化、循环和截获是由一系列复杂生物和生物化学过程决定的，生物是这些过程的主导因素。如果能够揭示土壤有机质生物化学转化过程及其机制，就可以定向*这些生态过程，进而达到优化土壤功能的目的。虽然土壤中一切生物和生物化学过程都是在微生物的参与下完成的，不过由于微生物类群的复杂性、数量的易变性和测定结果的不稳定性，采用微生物本身作为土壤生态过程的指示物质具有不确定性。然而，可以选择具有一定稳定性的微生物来源物质来表征土壤微生物的作用，从而探讨土壤有机物质的动态变化机制。这些对土壤生物和生物化学过程具有指示作用的微生物来源物质被称为微生物标识物（Microbial Biomarker）。目前探索研究的标识物有氨基糖、氨基酸手性异构体、类脂等。分析评价这些微生物标识物已经成为土壤生物化学过程研究中一种很有效的工具。这种分析和评价能够使我们确认在某些条件下，土壤"固有或内在"有机碳的转化过程是有助于土壤碳氮的积累，还是促进土壤碳氮的消耗。只有掌握影响土壤有机质转化的因素和条件，我们才有可能*土壤有机质的微生物转化过程，进而*有机碳的截获，优化土壤的功能
氮素在土壤中的转化过程决定氮素的吸收利用，因此研究氮素高效利用的理论基础是氮素在土壤中转化过程及其*原理。目前氮素在土壤中的转化和去向已成为研究的焦点之一。研究表明，无机氮在土壤中可迅速转化，转化途径是多方面的。以NH + 4－N为例，转化过程包括硝化、反硝化和微生物固定。硝化和反硝化作用可导致氮素的损失；而微生物固定是一个更重要的同化过程，可降低氮素的损失。微生物固定的氮存在于活性的有机库中，活性库中的有机氮具有易变特性，因而比非活性库中的有机氮更容易分解矿化；活性库中的氮化合物参与土壤氮快速循环。因此，活性有机氮库处在不断转化更新中，而这种转化更新过程影响土壤氮素的供应。我们用稳定同位素示踪研究发现，虽然土壤中无机氮的转化途径是多方面的，施到土壤中的无机氮素可快速转化成某种形态有机氮，新形成的这种有机氮包被在土壤矿物-有机复合体或团聚体的表面，具有较高的活性和循环速率，所以在特定条件下，这种有机态氮又会矿化释放出无机态氮，因而这种有机态氮处于不断转化循环之中，这种特殊的有机态氮就构成土壤有效氮的暂存“过渡库”（图2）。过渡库对土壤有效氮的循环和供应具有调节作用，因而影响土壤无机氮素或肥料氮的利用率。土壤有效氮过渡库的概念给我们一个重要的启示，氮肥利用率的高低与土壤功能密切相关，而土壤功能影响土壤对氮素的*能力。土壤中无机氮素的微生物同化固定受土壤有效碳源的控制，提高土壤有效碳源的含量可促进土壤氮素的同化作用。对比研究不同农业生态系统发现，输入高量有机物料的土壤系统中，活性碳库明显大于单施化肥的土壤系统。高输入有机物料的土壤系统由于微生物活性的增强，氮素供应能力随之增强。但是，土壤有效碳源如何控制土壤氮素的转化过程，以及不同特性的碳源对土壤氮素过渡库的影响，还有待进一步研究。
热心网友
时间：2023-11-01 05:30
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时间：2023-11-01 05:31
土壤有自身的发展过程。地层内部的岩石经受高温、高压作用，但化学上相对稳定。一旦暴露在地表面，压力降低，温度有很大变动，且与丰富的水与氧气接触，发生风化，从而达到新的稳定状态。相似地，生物体排泄物和死后残骸的各种组分也受到类似作用。这两种过程的组合以及各种无机、有机产物长期的相互作用结果造成了土壤系统，如下图：
土壤的基本环境机能有以下几个方面：
培育植物 一方面是能使植物挺立生长的支持体，另一方面土壤具有一定的肥力，能为植物生长提供水、空气和养分。
推动物质循环 土壤是地球表层中介入元素循环的一个重要圈层。碳、氮元素在大气、海洋、土壤间以相当快的速度循环（硫的循环速度略慢些）。
保存水资源 土壤是大气和地下水之间的缓冲地区。土壤空隙储存的大量降水不会过快蒸发。
防止灾害 由于土壤蓄水量大，可防止风雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠化趋向，并兼有防风、消音等作用。
自净能力 因为土壤具有极大比表面和催化活性兼以土壤所含水、空气、微生物等都能使污染物降解脱活。
土壤是环境的一个重要组成因素。它介于生物界与非生物界之间，是一切生物赖以生存的基础。人类的衣食住行以及一切活动，无不直接或间接地与土壤有关。人类通过生产活动从自然界取得生活必需的资源和能源，而在生产和消费过程中了生的废物，则最终以“三废”的形式，直接或间接通过大气、水体和生物排人土壤，使土壤遭受污染。因此防治土壤污染是环境科学的一项重要研究课题。而了解污染物在土壤中的存在以及迁移转化，则是采取防治措施的重要依据。本章在了解土壤本身的组成、结构、性质的基础上，讨论主要的污染物在土壤中的迁移转化及其归宿。
第一节 土壤的组成
土壤是指陆地地表具有肥力并能生长植物的一薄层特殊物质。它是地球表面岩石的风化过程和母质的成上过程两者综合作用下形成的。土壤由固、液、气三相物质组成。
固相包括土壤矿物质和土壤有机质，土壤生物占土壤总重量的90～95％。 土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物的一部分而视为土壤固相物质。 液相指土壤水分及其中所含的可溶物，称为土壤溶液。
气相指土壤空气。因此土壤是一个以固相为主的三相共存的多相体系，三相物质互相联系、制约、构成一个有机整体，如图4-1所示。
土壤的化学组成
无机体－矿物体
固体部分
有机体－有机质、土壤生物
土壤的组成
液体－水分（溶液）
孔隙部分
气体－空气
土壤的组成（示意图）
一、土壤矿物质
土壤矿物质是由岩石风化形成的。岩石的风化，既有坚硬的岩石由大块变成细小颗粒的过程——物理风化；也有岩石的成分和性质发生变化的过程——化学风化。 因此土壤中无机矿物质分为原生矿物与次生矿物两大类。
（一）原生矿物
原生矿物是岩石中的原始部分。即岩石只经历了物理风化。风化过程中没有改变成分与结构，而只遭到破碎。因此，原生矿物的粒径较大。土壤中的砂粒（粒径2～0.02mm）、粉砂粒（0.02～0.002mm），它具有坚实而稳定的晶格，不透水性，而不具有物理化学吸收性能，不膨胀。 原生矿物主要是硅酸盐类，如石英、长石、云母、副矿物质：橄榄石（Mg,Fe)2SiO4、闪石、辉石等。数量最多的石英和长石构成土壤的沙砾骨架，而云母、副矿物质则为植物提供许多无机营养物质。
（二）次生矿物
次生矿物是岩石经历化学风化形成的新矿物。其粒径较小，大部分以粘粒与胶体（粒径（0.002mm）分散状态存在。许多次生矿物具有活动的晶格，强的吸收能力）吸水后膨胀，有明显的胶体特征。 次生矿物包括各种简单盐类（碳酸盐、重铬酸盐、硫酸盐、卤化物），游离硅酸、水合氧化物（R2O3..xH2O,如三水铝石、水铝石、针铁矿、褐铁矿）次生硅酸盐（如伊利石、蒙脱石、高岭土等）。
次生矿物可分为无定形的次生矿物和晶质的次生矿物。
（1）无定形的次生矿物：主要包括无定形的含水氧化锰、氧化铁、氧化铝、氧他硅、石英以及水铝英石导。
（2）晶质的次生矿物：主要包括铝硅酸盐类粘土矿物。
附注：次生矿物中简单盐类属水溶性盐，易被淋失，一般土壤中含量较少。而水合氧化物和次硅铝酸盐，是土壤矿物中最细小的部分，一般将他们称为次生黏土矿物。土壤很多重要的物理、化学过程和性质，都和土壤所含的黏土矿物，特别是次生硅铝酸盐的种类和数量有关。
铝硅酸盐粘土矿物的晶体结构是由1000多个晶层所构成，每个晶层由硅氧片和水铝片迭合而成。硅氧片结构：（为什么可以称为硅四面体？）。 水铝片结构：（为什么可以称为铝八面体？）。 硅氧片和水铝片相互重迭时，共用氧原子而形成稳定的晶层。根据构成晶层时硅氧片与水铝片的数目和排列方式，粘土矿物可分为三大类。
高岭土Al2(OH)4、蒙脱土Al2(OH)2Si4O10、伊利石Al0.66(OH)2Si3.34O10
①高岭石类：
由一层硅氧片与一层水铝片组成一个晶层，属1：1型的二层粘上矿物。晶层的一面是氧原子，另一面是氢氧原子组，晶层与晶层之间通过氢键相连结。晶层之间的距离很小，仅72A。故内部空隙不大：水分子和其他离子都难以进入层间（图4-2）。
②蒙脱石类：
由两层硅氧片中间夹一层水铝片组成。一个晶层，属2：1型的三层粘上矿物。晶层表面都是氧原于，没有氢氧原子组，晶层与晶层之间没有氢键结合力，只有松弛的联系，晶层间距离为9.6-21.4A。水分子或其他交换性阳离子可进入层间。因此蒙脱石粘土矿物具有较高的阳离子交换容量。
伊利石类：
其晶体结构与蒙脱石类似，也是两层硅氧片中间夹一层水铝片组成一个晶层，属2：1型晶格。不同之点是伊利石粘土矿物中总有一部分硅被铝代替，由取代而产生的不足的正电荷，由处于两个晶层间的钾离子所补偿。这些钾离子就似乎起桥梁作用，把上下相邻的两个晶层连结起来(图4-4)。
在粘土矿物的形成过程中，常常发生半径相近的离子取代一部分铝()或硅()的现象。这种取代作用称为同晶替代作用。一般是半径相近的较低价正离子的取代，如M、F等离子取代铝()，A离子取代硅()。同晶替代的结果使粘土矿物微粒具有过剩的负电荷。此负电荷由处于层状结构外部的正离子钾、钠等平衡。
二、土壤有机质
土壤有机质可分力非特异性的和特异性的两大类。前者即通常熟知的各类有机化合物；包括蛋白质、脂类、碳水化合物、蜡、树脂、有机酸等，占土壤有机质总量的10～15％； 后者称为腐殖质，包括富里酸、腐植酸和胡敏素等，占土壤有机质总量的85～90％。腐殖质化学组成归纳：
腐殖质主要是由C、H、O、N和少量S等元素组成的。腐殖质的相对分子量分布从几百至106。如富里酸的分子量约在300～400之间。腐殖酸的分子量在2×103～104之间，色越深分子量越大。腐殖质具有多种官能团，对金属元素离子有强的络和、螯合能力通过氢键等作用可形成疏松的聚集体，具有很大的表面积。 能抵抗微生物作用，难以溶解。腐殖质中富里酸的酸基、醇羟基和总酸度量要比腐殖酸都要大得多。变动的环境因素对腐殖质的结构有很大影响，由此就不难理解，不同地区和土层所含腐殖质的化学组成何以会有较大差异。
三、 土壤溶液
土壤中水分的主要来源是降雨、降雪和灌溉。在地下水位接近于地面（2～3m）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。水分进人土壤以后，由于土粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，而把水保持住。
土壤固体保持水分的牢固程度，在相当程度上决定了土壤中的水分运动和植物对水分的利用。土壤中的水分并不纯净。当水分进入土壤后，即和土壤其他组成物质发生作用，土壤中的一些可溶性物质，如盐类和空气都将溶解在水里。这种溶有盐类和空气的土壤水，称为土壤溶液。
四、土壤空气
土壤是一个多孔体系。土壤空气存在于未被水分占据的土壤空隙中。这些气体主要来源于大气，其次是产生于土壤内发生的化学和生物化学过程。在水分不饱和的情况下，孔隙中总是有空气的。这些气体主要是从大气透进来的，其次是土壤中进行的生物化学过程所产生的气体。土壤空气的数量，通常以单位土体容积中所占容积百分数来表示，称为土壤含气量。凡影响土壤孔隙和含水量的因素，也都影响土壤的空气含量。
土壤空气在几个方面不同于大气。首先，土壤空气是不连续的，而是存在于被上巩同体隔开的土壤孔隙中。这一情况使它们的组成在土壤的此一处和彼一处都不相同。其次，土壤空气一般比大气有较高的含水量，在土壤含水量适宜时，土壤相对湿度接近100％。再次，土壤空气的CO2 ，含量一般远比大气的含量高、氧的含量则小于大气。 CO2 往是大气中浓度的几百倍，氧的浓度则相应地下降，在极端情况下也不会超过10～12％。但二者之和约为21%，与大气相近。造成这种差别的原因，是土壤中各种生物，如植物根系和动物、微生物的呼吸作用；以及有机质的分解，都消耗了大量的氧而产生大量的CO2所致。
土壤空气含量和组成在很大程度上取决于土一水关系。作为气体混合物的土壤空气，只进入未被水分占据的那些土壤孔隙。雨后，大孔隙中的水分首先腾空，接着由于挥发和植物吸收，中孔隙也腾空。因此，土壤空气通常先占据大孔隙，随着土壤变干，再占据那些中等孔隙。这说明了细孔隙比例大的土壤，通气条件是差的。在这些土壤中，水分占优势，土壤空气的含量和组成不适于植物的最佳生长。
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时间：2023-11-01 05:32
