土壤学

3.2.3 土壤酸碱反应与土壤肥力的关系 1. 与养分有效性的关系

土壤养分的有效性受 pH 值影响很大，Fe、Mn、Zn、Cu、Mo在酸性条件下有效性较高，N、P、K等在中性和碱性条件下有效性较高。(图片：土壤养分有效性与pH值的关系 2. 与土壤生物的关系

强酸性土壤中主要是真菌，细菌不仅数量少，而且种群比较简单。一些植物的病原菌对土壤酸碱反应也很敏感，如酸性条件可防止马铃薯的疮痂病 , pH<5.5 可控制立枯病菌的繁殖 , 硝化和反硝化细菌都需要合适的酸碱度。 3. 土壤酸碱性调节

由于土壤具有比较强的缓冲能力，改变土壤酸碱反应并非易事。目前采用降低土壤酸度的方法主要有施用石灰性物质如石灰石、生石灰或熟石灰，提高土壤酸度的方法包括施用有机肥料、硫磺、硫化铁、废硫酸、绿矾 (FeSO)、生理酸性肥料、石膏、硅酸钙等。

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)

土壤水分状况通常是指周年中土壤剖面上下土层的含水量或土水势的情况及变化（也称为墒情）。

我国北方在周年内土壤水分状况可分为四个时期： 1. 土壤湿度相对稳定期 2. 春夏之交土壤失水期 3. 夏季土壤水分聚集期

4. 晚秋至冬初的土壤失水期 三、土壤水分状况调节

1. 科学合理地灌水

2. 搞好农田基本建设和流域综合治理 3. 采用合理的农艺措施，进行耕作保墒 4. 地面覆盖技术

5. 化学保墒增温剂的应用 6. 排水

调节和改善土壤的通气状况，可以采用如下一些措施，如建立合理的排灌系统，排除渍水，保持合适的土壤水分；适当深耕，结合增施有机肥；适时中耕松土，对水田宜勤灌浅灌，适时露田晒田；采用各种办法改良土壤结构，解决水与气的矛盾。其中最有效和应用得最广泛的方法之一，就是垄作。例如我国多雨的南部以至中部地区，农民种植甘薯多采用垄作方式。因为甘薯是一种好气的块根作物，垄作有利于排水和通气。种植三麦及玉米等旱作时，一般都要求五沟配套，畦田平整，以利排水，甚至有\"旱作收不收，全在一条沟\"的说法，这是因为在小麦、玉米、棉花等生长期间，常会遇到阴雨连绵以及暴雨等情况，农田容易渍水，造成土壤通气不良，危及各种旱作物的正常生长。南方一些地下水位较高的地区，不仅采用明沟，而且采用暗沟的方法排水。

质地粘重的土壤，通过掺砂或施用秸秆、土杂粪等有机肥料，使形成较好的土壤结构，

增加非毛管孔隙，可改善其通气性。中耕松土，破除因雨水和灌溉水造成的土壤结皮，可以促进土壤的通气性。改良土壤的通气性，不仅对旱作物生长有利，对水稻生长也是必要的，虽然水稻本身有通气组织，但一定程度的改善稻田通气性，有利于排泄土壤中的有毒物质，有利于土壤养分的释放和水稻新根的形成。烤田、晒垡、水旱轮作等措施，都有助于改良水稻土的通透性。

热量是生物赖以生存、繁衍的基础，土壤温度是衡量土壤热量的一种尺度。土壤热量的来源是多方面的，如：太阳辐射热能、地球内热、土壤微生物分解有机质放出的热，以及土壤中化学反应放出的热等等，其中以太阳辐射热为主要热能来源。

土壤中一切生物的生命活动都要求一定的土壤温度，土壤中的许多物理、化学过程也与土壤温度有关，土壤温度还影响土壤水分、空气和养分的转化。因此，土壤温度也是土壤肥力的重要因素之一。

土壤温度与施肥之间的关系主要有以下几点：

1、土壤温度影响作物生长和根系发育。当土温适宜时，作物根系生长发育好，对水分和养分吸收能力强，代谢作用旺盛；土温过高或过低都不利于作物生长和根系发育，从而影响对水分和养分的吸收。几种主要作物生长发育要求的适宜土温是：春小麦16～20℃，冬小麦12～16℃，玉米24～28℃，棉花25～35℃，水稻30～35℃。

2、土壤温度影响土壤养分的转化和供应。大多数土壤微生物在土温25～37℃时活动旺盛，分解有机质能力强、速度快，释放的养分多，温度过高或过低时，微生物的活动受到抑制。土壤温度还影响到土壤胶体对养分离子的解吸，从而影响到养分的有效性。

3、土壤温度影响土壤中水分、气体的运动及水分存在形态，也间接影响与水分密切联系的肥料的有效性及在土壤中扩散和移动的距离，从而影响施肥效果。

农业生产中，对土壤温度进行调控的主要方法：排水或灌水，增施有机肥料，中耕松土，用塑料薄膜、秸秆、草帘等进行地面覆盖。

第一节土壤水分

土壤水分是土壤的重要组成成分，是土壤肥力的重要因素，是植物生长的基本条件，是农业增产增收的重要措施之一。

一、土壤水分的类型

1.吸湿水：土粒从土壤空气中吸收的气态水。

（1）受力：土粒表面分子引力作用；远大于植物根系吸水力1.5*106Pa。

（2）具有固态水的性质：不能移动，无溶解力，植物不能吸收，无效水。

（3）影响吸湿水大小因素：土壤质地，有机质含量，空气相对湿度。 （4）吸湿系数：又称最大吸湿量，土壤空气为水气饱和时，土壤吸湿水达到最大值时的土壤含水量。

2.膜状水：在土壤吸湿水外围，靠土粒剩余分子引力吸附的液态水膜。

（1）受力：土粒表面剩余分子引力，比吸湿水受力小。

（2）具有液态水的性质，但移动缓慢，溶解力较弱，植物能吸收其中一部分，弱有效水。

（3）凋萎系数：植物因无法吸收水分而发生永久萎蔫时的土壤含水量。其大小因土壤质地和作物种类不同发生变化。有效水的下限。

3.毛管水：依靠毛管力保持在毛管孔隙中的液态水。

（1）受力：毛管力，比植物根吸力小。

（2）具有自由水的性质：可以上下左右移动，移动速度快，溶解力强，数量多，植物吸收利用的主要形态。

（3）毛管悬着水：地下水位较深（地势较高处）的土壤，降水或灌溉后，靠毛管力保持在上层土壤孔隙中的水分。

①田间持水量：毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量。继续供水，向下层渗透（浪费）。

是有效水的上限，也是灌溉水量的上限。其大小受土壤质地，有机质含量，结构，松紧状况影响。

②毛管断裂含水量：土壤水分减少到一定程度（一般为田间持水量的70%时）较粗毛管孔隙悬着水出现断裂呈不连续状态，此时的土壤含水量即之。是灌溉水量的下限。

（4）毛管上升水：地下水位较高（地势低洼处）的土壤，地下水借毛管力作用上升保持在毛 管孔隙中的水分。

毛管水上升高度和速度：与孔隙粗细有关，在一定孔径范围内，孔径粗，上升的速度快，但高度低。反之上升速度慢但高度高。

地下水临界矿化度，地下水临界深度。

4.重力水：土壤水分超过田间持水量后，受重力作用沿大孔隙向下渗漏的水分。

（1）受力：重力作用，容易进一步向土壤深层运动，（若地下水位高—地下水给源；若遇不透水层—滞留，引起通气不良）。 （2）具有自由水的性质，但对旱地土壤而言是多余水。

（3）饱和持水量：又称全蓄水量，土壤全部孔隙都充满水时土壤含水量。

二、土壤水分的有效性

1.土壤水分的有效性：

指能否被植物吸收利用及其利用的难易程度。能被吸收利用的水分称有效水；不能被吸收利用的水分称无效水。

2.土壤水分常数与土壤水分有效性的关系：

土壤水分常数如土壤吸湿系数、萎蔫系数、毛管持水量、田间持水量、毛管断裂含水量、饱和持水量等是指在一定能量水平下保持的水量，对某一土壤来说，其数值是固定的或变化极小，称土壤水分常数。

反映了土壤水分的数量和能量水平，也反映了土壤水分的吸持和运动状态及被植物利用的难易程度。

对旱地而言：

土壤最大有效水的范围=田间持水量－凋萎系数

田间土壤有效水的范围=田间持水量－土壤自然含水量

速效水=田间持水量－毛管断裂含水量

难有效水=毛管断裂含水量－凋萎系数 凋萎系数以下为无效水。

田间持水量以上为多余水。

三、土壤水分的含量与表示方法

（一）土壤含水量的表示方法：（土壤水分数量）

1.土壤重量含水量：土壤水分重量与烘干土重量的比值，是最常用的表示方法。

国家法定计量单位：g/kg，但习惯用重量%表示。

水重% = 土壤水分重量（g）/烘干土重（g）×100%

2.土壤容积含水量：土壤水分容积占土壤容积百分数。反映土壤三相容积的比率。

水容% = 土壤水分容积/土壤容积 = 水重% × 土壤容重

3.土壤水贮量：一定面积一定厚度土层内土壤水的总贮量。用水层厚度表示。便于比较和计算土壤含水量与降水量、作物吸水量、灌排水量的关系。

水层厚度（mm）=土层厚度（mm）×水容% =土层厚度（mm）×水重%×土壤容重

用水方表示：

水（m3/hm2）= 10×水层厚度（mm）

4.相对含水量（%）：土壤自然状态下含水量与田间持水量的百分比。表示植物可利用的土壤水分的数量。

（二）土壤水分能量水平的表示方法：用能量的方法反映土壤水分问题。

1.土水势：土壤水受各种力作用，自由能的变化与参比标准下纯自由水自由能的差值。单位：Pa, bar, mbar等。 1 bar = 1000 mbar =105 Pa

土水势 = 基模势 + 压力势 + 溶质势 + 重力势

（1）纯自由水的水势为零。

（2）土水势一般为负值，负值越大，土壤水分受力越强，土壤水的势能越低，把水从土壤中分离出来需作的功越多。

（3）土壤水总是由土水势高处向低处移动。

（4）土水势的大小可以反映土壤水分数量的变化、保持、运动及其对植物的有效程度。

2.土壤水吸力：土壤水在一定吸力作用下所处的能态。

（1）土壤湿度越小，土壤水吸力越大，当土壤为水分饱和时，土壤水吸力等于零。

（2）土壤水分总是由吸力低处向高处移动。

（2）土壤水吸力是正值，与土水势数值相等，符号相反。

3.土壤水分特征曲线：

（1）土壤水分特征曲线是土壤水吸力与土壤水分含量之间的相关曲线。 （2）反映土壤水不同含量时的能态及对植物的有效性。

四、土壤水分的运动

1.土壤水气的扩散和凝结：

（1）土壤孔隙中水气经常处于饱和状态，故发生凝结和扩散；

（2）水汽总是由水气压高处向水气压低处运动，由暖的土层向冷的土层运动；

（3）夜潮土：昼夜温差大，水汽凝结形成；

（4）顶凌耙地：春季土壤上层先化冻，解冻水不能下渗而出现返浆现象。

2.毛管水的运动：

降水或灌溉后，水分向下入渗不超过田间持水量时，被毛管孔隙保存，并受毛管力作用在毛管孔隙中移动。，取决于毛管力的大小以及毛管孔隙粗细。 （1）毛管力：主要取决于毛管弯月面曲率半径，两者呈反比。

（2）运动的方向：毛管水总是由毛管力小的地方向毛管力大的地方移动，既由毛管粗的地方向毛管细的地方移动。土壤越干，毛管力越大，土壤潮湿，毛管力小，故毛管水总是由湿润土层向干土层运动。

（3）运动速度：两点之间毛管力差值越大，毛管水运动速度越快。粗毛管中的水分运动速度快，细毛管中的水分与管壁摩擦力大，运动速度慢。

（4）毛管水上升高度：在一定孔径范围内，毛管水上升高度与毛管半径成反比，既毛管越细，水分上升高度越高。 3.重力水（饱和水）的运动：

因降水或灌溉使土壤水分达到饱和后，水分受重力作用向下渗漏。

（1）渗漏速度与大孔隙数量及孔径有关。

（2）可造成可溶性养分淋失。

（3）对水田而言，适当的渗漏利于空气更新，起到排毒作用。

五、土壤水分调节

1.加强农田基本建设，充分利用降水，防止水土流失。

2.发展农田水利，实现节水灌溉。

3.改良土壤，增施有机肥料，提高土壤保水能力。 4.合理耕作，蓄水保墒。

5.合理栽培，科学种植，合理利用水分。

第二节土壤空气

土壤空气是土壤的重要组成成分，是土壤肥力的重要因素，是植物生长的基本条件，影响土壤内化学、生物学等过程以及养分的转化。

一、土壤空气的组成特点

土壤空气来源于大气，与大气组成相似，又有差异。 1.土壤空气中氧气浓度低，二氧化碳浓度高。

2.土壤空气中水汽呈饱和状态。

3.土壤空气中含有少量还原性气体，如硫化氢，甲烷等。

二、土壤空气与作物生长及肥力的关系

1.影响种子的萌发。

2.影响植物根系生长及吸收功能。

通气良好：根长、色浅、根毛多、吸收能力强。

通气不良：根短、色黑或灰、根毛少、吸收能力弱。

3.影响微生物活动和土壤养分转化：

通气良好：好气微生物活动旺盛，有机物分解速度快，速效养分多。

通气不良：适于嫌气微生物活动，利于有机质的积累，易产生还原性气体。

三、土壤空气的交换与调节 （一）土壤通气性

指土壤空气与大气进行交换以及土体内部气体扩散和通气的能力。是保证土壤空气质量、维持土壤肥力不可缺少的条件。

（二）土壤空气交换的基本形式：

1.气体扩散：

土壤空气与大气组成成分相似，但浓度不同导致气体扩散。

土壤中CO2向大气扩散，大气中O2向土壤扩散，永不停止。

2.气体的整体交换：

当大气温度升降，风力增大，降水或人为灌溉时引起的土壤整体气体与大气交换。

3.土壤空气与大气交换，改善了土壤通气性。

（三）土壤空气状况的调节：

土壤空气状况好坏主要与土壤孔隙状况（孔隙度及通气孔隙度）有关。

1.改良土壤质地和结构，改善土壤的孔隙状况。

2.深耕结合施用有机肥料，改善土壤的透气性。 3.合理灌溉，开沟排水。

第三节土壤热量状况

土壤热量状况是肥力的组成因素，其增减导致土壤温度变化，从而影响土壤内化学、生物学等过程以及养分的转化。 1、 土壤热量的来源

1.太阳辐射

2.生物热：有机质矿化分解，释放能量。 3.地热：对土温影响小。（温泉）

二、土壤热特性

1.土壤热容量：单位重量或容积的土壤温度每升高1℃所需的热量。一般Cm表示重量热容量，单位：J/g.℃；Cv表示容积热容量，单位：J/cm3.℃。 Cv = Cm×土壤容重

（1）热容量大小反映温度变化的难易程度。若热容量大，土温升降慢，变化小；反之，土温升降快，变化大。

（2）热容量大小主要由土壤含水量决定。若土壤含水量多，热容量大。

2.土壤导热性：土壤具有传导热量的性质。用导热率度量。

（1）导热率（λ）：单位厚度的土层温差为1℃，每秒钟经过单位面积的热量。单位：J/cm.s. ℃。

（2）导热率大小反映表土吸热后土温增加的难易程度及温差大小。

（3）导热率大小决定于土壤含水量、松紧状况、土壤质地、结构和孔隙状况等。干燥、疏松的土壤热量传导慢，潮湿、紧实的土壤，热量传导快。

3.土壤导温性：在标准状况下，单位厚度的土层温差为1℃，每秒钟经过单位面积进入的热量使单位体积土壤发生的温度的变化，用K表示，单位：cm2 / s。

K =λ/ Cv

4.土壤吸热性和散热性。

三、温度对土壤肥力和作物生长的影响

1.影响作物种子萌发，根系生长，根的吸收功能。

（1）温度三基点。

（2）最适范围。

2.影响微生物活动及土壤有机质转化。

3.影响养分的有效性：温度过低，导致土壤某养分缺乏。 四、土壤温度的变化及其调节

1.土温变化规律：

（1）土温的日变化：最高温及最低温出现的时间，表层与底层变化特点。 （2）土温的年变化：最高温及最低温出现的年份，表层与底层变化特点。

2.影响土温的因素：

（1）环境因素：纬度、地形、坡向和坡度、大气透明度，海拔高度、地面覆盖等。

（2）土壤特性：土壤颜色、质地、结构、松紧度、孔隙状况等。

3.土温的调节措施：

（1）深耕深松向阳垄作。

（2）增施有机肥。

（3）灌溉排水：如早春和晚秋低温时灌水保温；夏季高温时灌水降温。低洼地排水提高温度。

（4）中耕耙地升温。

（5）覆盖，建温室及大棚。 （6）设置风障；建立防风林。

五、设施农业温度变化规律及其调节

1.设施农业温度变化规律：最高温及最低温出现的时间及变化。

2. 设施农业温度调节：保温、降温、通风换气。

第四节土壤养分

土壤养分是土壤肥力因素的核心，对植物生长有重要作用性。 一、土壤养分概述

1.概念：由土壤提供的作物生长必需的元素。13种。

2.来源：

（1）人工施肥（主要来源）。

（2）根茬残留或秸杆还田。

（3）生物固氮。

（4）根系富集。

（5）岩石矿物风化释放（无N）。

（6）工业三废、降水等。

3.土壤养分形态：

按对作物有效程度划分：

（1）水溶态养分：无机盐、有机小分子如氨基酸、葡萄糖、磷酸脂、尿素等。

（2）交换态养分：土壤胶体吸附的养分。

（3）缓效态养分：粘土矿物晶格固定的养分。

（4）难溶态养分：原生矿物，岩石中的养分；

（5）有机态养分：有机体中的养分。

其中：速效养分：包括水溶态养分和交换态养分。

迟效养分：包括难溶态养分和有机态养分。

4.土壤养分的转化：

（1）土壤养分的有效化：迟效养分在一定条件下转变成速效养分。

（2）土壤养分的无效化：速效养分受土壤环境的影响转变成缓效态养分或迟效养分。

5.土壤有效养分的概念与施肥的关系

（1）土壤有效养分的概念：用稀酸或各种盐溶液浸提出的土壤养分。

（2）土壤有效养分含量只说明土壤中养分对植物产量的保证程度，不是能被植物吸收的土壤有效养分的真实数量。

（3）土壤有效养分与施肥：凡属“极低”等级，施肥肥效极为明显；“中”等级，肥效不稳；“高”等级，施肥无效。 二、土壤中的氮

1.土壤中氮的含量：

含氮量变化大，一般0.4~3.8g/kg N，多数为0.5~1.0g/kg N。与气候、植被、人类生产活动密切。 2.来源：

（1）生物固氮： 最初来源，也是主要来源之一。

（2）人工施肥：主要来源。

3.氮素的形态：

（1）无机态氮：占1~2%，包括铵态氮和硝态氮，植物吸收。另外在还原条件下还有少量亚硝态氮。

（2）有机态氮：占98%以上，包括水溶性氮---简单，分子小，如氨基酸；水解性氮---较简单，分子大，如蛋白质；非水解性氮---复杂，高分子，如胡敏酸。

4.氮的转化：

（1）矿化作用：有机氮转化为无机态氮（同有机质矿化）。

（2）硝化作用：铵态氮转化为硝酸或硝态氮，植物易吸收，易淋失和转化。

（3）反硝化作用：通气不良，硝态氮转化为N2、N2O、NO等过程，损失氮素。

（4）生物固氮。

（5）晶格固定。

小结：土壤中氮素转化对保持氮素平衡有重要意义。 三、土壤中的磷

1.土壤中磷的含量：

含磷量很低，一般0.3~3.5g/kg （P2O5），其中99%以上为迟效磷。

2.来源：

施肥、岩石矿物风化释放等。

3.磷素的形态：

（1）无机态磷：占50—90%，包括水溶性磷、弱酸溶性磷、难溶性磷，其中水溶性磷、弱酸溶性磷植物能吸收，为速效磷。

（2）有机态磷：占10—50%，包括核蛋白、核酸、磷脂、植素等，植物不能直接吸收。 4.磷的转化：

包括磷的释放和固定。

（1）磷的释放：有机态磷的矿化作用：有机磷转化为无机态磷（磷酸）。

难溶性磷分解转变为弱酸溶性磷、水溶性磷。

（2）磷的固定：水溶性磷、弱酸溶性磷在一定条件下生成难溶性磷（沉淀）；

胶体吸附；生物吸收等。

四、土壤中的钾

1.土壤中钾的含量：

含钾量比氮、磷丰富，一般5—25g/kg（K2O）。 2.来源：

施肥、岩石矿物风化释放等。

3.钾素的形态：

主要是无机化合物。包括：

（1）水溶性钾：植物吸收。

（2）交换性钾：植物吸收。

（3）缓效态钾：黏土矿物晶格固定。速效钾储备。

（4）矿物态钾：植物不能直接吸收。

4.钾的转化：

（1）钾的释放：钾的有效化，矿物态钾转化为有效钾；

（2）钾的固定：钾的无效化，速效钾转化为缓效态钾；晶格固定等。

五、土壤中的钙、镁、硫和微量元素 第五节肥力因素的调节与土壤培肥

一、土壤肥力因素的关系

1.同等重要且互相不可替代：

（1）都是植物生长发育过程中不可缺少的条件。

（2）有时某个因素起决定作用，但在解决主要矛盾的同时，必须配合相应的措施使各肥力因素协调供应。（举例）

2.相互影响相互制约：

（1）土壤水分与土壤空气的相互关系：

①二者同时占据孔隙，互为消长；

②土壤结构良好时，水气协调。

（2）土壤温度与水、气的相互关系：

①土壤、水、气的比例关系，影响土壤温度的变化；

②土壤温度影响土壤空气的组成（微生物活动）和气体交换速度；

③土壤温度影响土壤水分的运动和地表蒸发。

（3）土壤水、气、热与土壤养分的相互关系：

①土壤空气和温度影响土壤养分的转化。

②土壤温度和水分影响土壤养分的有效性。

温度升高，胶体吸收的养分易解吸，增强供肥能力；

温度升高，植物吸收水分增加，加快养分吸收速度；

③土壤养分状况影响植物对水分的吸收与利用（举例，如土壤中磷钾丰富，增强抗旱力，提高对水分利用率）。 二、肥沃土壤的特征

1.地面平整；

2.上体层次构造好； 3.质地适中、结构性好；

4.有机质含量高，养分充足。（土壤养分含量等级表）

三、土壤培肥

1.搞好农田基本建设：有效减少自然因素对肥力因素的不利影响。 2.深耕改土，施有机肥，改善土壤结构，增强蓄水保肥能力，协调肥力四因素。

3.合理轮作，用养结合。（举例）

4.合理灌排，以水调气、调热，改善养分状况，调节肥力四因素。 5.科学施肥，增加有机肥，配施化肥；因土选择肥料、施肥方法和施肥量。