根系阳离子交换量大约

❶ 岩土-水-农作物元素系统

不论土壤中的元素来源是自然源还是人为源，都是在被作物吸收并积累于可食部分(如籽实)进入食物链后，才会对人类的健康安全产生影响。植物营养和植物生理学家认为，16种植物必需营养元素除C、H、O 主要从大气中获取外，其他如 N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、S、Cl等均主要由根系从地下吸收。植物根系吸收养分的方式主要有3种，其中以质流和扩散方式摄取的养分占总摄取量的95%以上，而质流和扩散均是借助于地下水或土壤水的运动来实现的。实际上，植物蒸腾作用使得植物在吸收水分的同时，不仅吸收了必需的养分元素，还吸收了非必需的有害元素，使这些有害元素(如重金属元素)进入人类食物链，对人类生存和健康构成威胁。

这种存在于岩土体→土壤溶液→农作物系统中的元素链(图3-2)，使得土地成为农产品生态安全保障的源头。这一元素生物链的存在构成了利用农业地质环境调查数据开展土地生态安全性评价的理论依据之一。

图3-2 土地-农作物系统中元素生物循环示意图

Fig.3-2 Biological recycle of elements in land-crop system

(一)土-水界面的元素迁移

土颗粒向土壤溶液中供给元素的方式主要有两种。粗颗粒矿物提供元素的主要方式是矿物本身不断风化分解释放出元素，如长石、黑云母、白云母等矿物风化释放出K、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Si、P等植物必需元素，角闪石、钛铁矿等矿物风化释放出Co、Ni等有害元素。随着矿物的不断风化和元素释出，矿物颗粒由粗变细，甚至彻底崩解，同时形成一些颗粒细小的粘土矿物。粘土矿物的形成，使土壤具有了一些新的性质，如比表面积大、本身带有电荷、有较强的吸附作用，成为元素由土壤进入土壤溶液最重要的途径。

不同的粘土矿物比表面积不同。蒙脱石类表面积最大(600～800m²/g)，不仅有外表面，并且有巨大的内表面，伊利石次之，高岭石最小(7～30m²/g)。腐殖质也具有巨大的外表面(可达700m²/g)，与蒙脱石相当。比表面积愈大，表面能愈大，吸收性质愈强。

同时，这些粘土矿物还带有电荷。土壤吸附离子的多少，决定于其所带电荷的数量，而离子被吸附的牢固程度则与土壤的电荷密度有关。粘土矿物所带电荷又有永久负电荷、可变负电荷、正电荷和净电荷之分。永久负电荷不受环境(如pH、电解质浓度等)的影响，一般不超过电荷总量的15%。可变电荷随pH的变化而发生变化，在低pH时为正电荷，在高pH时则变为负电荷。可变电荷对高岭土(1：1型粘土矿物)比对蒙脱石或蛭石(2：1型粘土矿物)来讲更为重要。2：1型硅酸盐可变电荷仅为负电荷的5%～10%，而1：1型粘土矿物可变电荷可达50%或更多。土壤中大量存在的铁和铝的氧化物，也可产生可变电荷。净电荷是土壤的正电荷与负电荷的代数和。由于土壤的负电荷一般多于正电荷，因此，除了少数较强酸性条件下的土壤，大多数土壤带有净负电荷。

在通常情况下，带负电荷的土壤表面上吸附了很多阳离子，如 H⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等。这些被土壤吸附的阳离子，在一定条件下可以被另一些阳离子所交换。例如，某一吸附H⁺、K⁺、

、Na⁺、Mg²⁺等的土壤，施用钙质肥料后，就会产生阳离子交换作用，使原来被土壤吸附的一部分离子解吸出来。这种阳离子交换作用是一种可逆过程，离子与离子之间交换是以当量关系进行的，并受质量作用定律支配。通常用每千克干土所含的全部交换性阳离子的厘摩尔数表征土壤的阳离子交换量。另外一些土壤如水合氧化铁、铝等矿物带正电荷，也可以吸附一些阴离子，如

、

、

、

、

等。

元素由土颗粒向土壤溶液供给元素的能力除与单位体积土中所含元素的量有关外，还与单位时间内元素自固相向土壤溶液中转移的数量有关，且受控于水、土两相界面上的作用，这是一个非常复杂的过程。一般而言，由固相补给土壤溶液中元素的方式，主要有溶解和解吸两种(袁可能，1987)。溶解过程只限于沉淀固相，由溶度积控制；解吸过程比较复杂。借助边界场理论进行分析，可定量地描述(Kpaйнов и дp.，1980)为：

Q=β·S·(C_s-C₀)

式中：Q——元素在单位时间内通过与固体直接接触的表面液体层的流量；

S——与土壤溶液相互作用的固体表面面积；

C_s-C₀——元素在表面层溶液中的浓度与土壤溶液中的浓度差；

β——物质迁出系数，表明物质从固体相分界面和液体中迁移的数量，它相当于C_s-C₀=1时，单位时间通过单位表面积的量。

由于元素在溶液中的浓度相对于土颗粒表面层中的浓度小得多，故C₀项可忽略，即C_s-C₀≈C_s。所以，上述方程式可简化为：

Q=β·S·C_s

显然，土壤颗粒的表面积是制约土体中的养分元素向土壤溶液中转移量的重要因素。粒度越小，表面积S越大，转移量就越大。

(二)土壤溶液中元素迁移的驱动力和量的分析

植物吸收水分主要有两种途径，一种是通过叶面上的气孔吸收大气中的水分；另一种是通过根系吸收地下土壤中的水分。前者，只有在夜晚没有蒸发的情况下才是可能的，大部分水分仍是通过根系吸收的。土壤中水分的重要性还在于它不是化学意义上的纯水，而是赋存着许许多多元素的土壤溶液。

一般认为，植物从土壤中吸收元素主要通过从土壤溶液中吸收和接触置换两种途径，而且根圈周围所能提供的元素仅占植物吸收总量的很小部分(袁可能，1987；史瑞和等，1989)。因此，土壤溶液向植物根系表面输送养分的机制和数量对植物而言至关重要。

1.土壤水势是土壤溶液中元素迁移的驱动力

从能量的角度分析，水分的运移主要受基质势ψ_m、溶质势ψ_s、重力势ψ_g、压力势ψ_p和温度势ψ_t的控制(雷志栋等，1988)，即土壤水总势ψ=ψ_m+ψ_s+ψ_g+ψ_p+ψ_to其中，重力势是由于重力对土壤水作用的结果，在考虑势差时，可忽略不计。温度势是由温度场的温差所引起的，通常认为，由于温差存在而造成的土壤水分运动通量相对而言很小，也可忽略不计。

基质势是指土-水系统中吸持水分的能力，它是由于土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的。设不被吸持的水的基质势为0，则被土壤基质所吸持的土壤水的势值必为负值，饱水状态下，ψ_m=0。为了方便，将基质势的正值定义为基质吸力(S_m)，则S_m=-ψ_m。对基质吸力而言，土颗粒越小，吸力越大。

溶质势是由于溶质离子和水分子之间存在吸引力，而降低了土壤水的能量平衡，如果以1g水的溶质势为零，则在其他条件相同的情况下，含有溶质的土壤中水的溶质势应为负值。

溶质势与渗透压意义相同，一般用渗透压来确定溶质势ψ_s(雷志栋等，1988)，即

ψ_s=-CRT/μ

式中：C——溶质浓度(g/cm³)；

R——摩尔气体常数；

T——绝对温度(K)；

μ——溶质的摩尔质量(g/mol)。

从上式可以看出，ψ_s只与溶质的摩尔浓度成正比，而与溶质的种类无关。

同样，也可以定义一个溶质吸力(S_s)等于溶质势的负值，即S_s=-ψ_s。

因此，土壤水吸力S，为S=-ψ，即

S=S_m+S_s

此式说明，土壤水吸力为基质吸力及溶质吸力之和，前者与土壤颗粒大小有关，后者与溶质浓度有关。

2.土壤溶液中元素迁移量的分析

在土壤吸力的作用下，元素的输送或运移流量可用下式表示(袁可能，1987)：

J=D₁(dC₁/dx)+D₂(dC₂/dx)+C₃V+a

式中J为流量，即单位时间内到达单位根表面的离子数量；D₁和D₂分别为溶液中和土颗粒表面离子移动的扩散系数；C₁、C₂和C₃分别为溶液中离子浓度、吸附性离子浓度和质流中的离子浓度；V为质流速度；a为补充因子。

一般而言，土颗粒表面离子的扩散系数(交换扩散)是很小的，比离子在液体中的扩散系数低几个数量级，因此与溶液中的扩散相比，交换扩散可以忽略不计(袁可能，1987)。因此，若忽略交换扩散和补充因子，则土壤中元素的输送实际上决定于质流和扩散速度，即决定于上式中右侧第一和第三项。

质流是由水势能差引起的元素向植物根系表面的物质迁移。主要由质流作用输送的元素一般为浓度较高、移动性较大的离子，如

、Ca²⁺、Mg²⁺等(Mengel，1961)。质流通量，相当于上式中右侧第三项，可用下列方程式描述：

q_cc=θ·u·C

式中：θ——土壤体积含水量(%)；

u——溶质平均流速(cm/s)，为渗透系数K与有效孔隙度n之比；

C——土壤溶液中的溶质浓度(g/cm³)；

q_cc——质流通量(g/cm²·s)，为通过质流迁移的溶质通量。

由上述表达式可以看出，质流通量除与体积含水量及土壤溶液溶质浓度成正比外，还与溶质的平均流速成正比，即与土体的渗透系数成正比，与有效孔隙度(相当于重力给水度)成反比。

自然界中，有效孔隙度n在数值上接近重力给水度。表3-9为黄淮海平原表层不同粒度组成的沉积物的给水度及渗透系数的经验值(王大纯等，1986；地质部水文地质工程地质技术方法研究队主编，1978)。

表3-9 黄淮海平原沉积物的给水度和渗透系数Table 3-9 Specific yield and permeability coefficient for sedimentation of the Huang-Huai-Hai plain

扩散是由土壤与根系之间浓度差所引起的元素的迁移，遵循Ficks定律。主要由扩散作用输送的元素一般是浓度低、移动缓慢的离子，如

、K⁺以及Cu、Zn等微量元素(Mengel，1969；史瑞和等，1989)。扩散通量相当于流量公式中的右侧第一项，可用下列方程(史瑞和等，1989)来描述：

q_cm=-θ·D_cm·GradC

式中：θ——体积含水率或体积含水量(%)；

D_cm——水中的分子扩散系数(cm²/s)；

C——土壤溶液中的溶质浓度(g/cm³)；

q_cm——扩散通量(g/cm²·s)，单位时间单位面积上由扩散作用通过的溶质量。

式中右边以负号说明元素向浓度减小的方向扩散。其中GradC是土壤溶液浓度与根系表面的浓度差，即C溶液-C根表，它受根系生物作用的影响，根系的活力愈大，吸收元素的能力愈强，则元素浓度梯度愈大，离子扩散作用愈大。考虑到根系表面的元素很快进入植物体内，在根表残留或保留的元素浓度很低，则C_根表可忽略不计(史瑞和等，1989)。分子扩散系数D_cm在液体中为n×10^-6—n×10^-5cm²/s，在孔隙介质的饱和水中为n×10^-6cm/s(Крайновилp.，1980)。因此，扩散通量与体积含水量、扩散系数和土壤溶液中的浓度成正比。

3.土壤溶液pH和E_h影响元素的存在形态和迁聚规律

土壤的酸碱度是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素综合作用的结果。我国土壤pH值大多在4.5～8.5范围内，并且呈“东南酸西北碱”的规律。从南方的极酸性土壤到北方的强碱性土壤，氢离子浓度相差可达七个数量级之多。我国酸性土壤分布在两个地区：一是东北的大、小兴安岭和长白山地区(这里土壤与北欧、北美类似)，另一个是长江以南广大地区，此区又可分为两个亚区，即川-贵-滇黄壤亚区和华中—华南红壤亚区。

土壤溶液中的氧化还原作用在土壤化学反应和土壤生物化学反应中占有极重要地位。土壤溶液中的氧化作用，主要由自由氧、

离子和高价金属离子所引起。还原作用由某些有机质分解产物、厌气性微生物生命活动及少量的铁、锰等金属低价氧化物所引起。氧化还原电位E_h可采用Nernst方程来计算：

E_h=E₀+0.0591/nlg(氧化剂)/(还原剂) (在25℃时)

在冷湿气候区域，土壤中的铁易还原为低价铁(Fe³⁺+e=Fe²⁺，E₀=0.77V)。低价铁是易溶性化合物，随降水渗透到B层。季节性干湿变化，会引起铁在土壤剖面中移动，但在干湿季节明显的地区，常移动不远，并氧化脱水而淀积，因此土壤中层富含铁。在渍水土壤中，大量高价铁还原为亚铁，但由于在强还原条件下，有大量硫化氢等存在，使亚铁形成很多不溶性的铁盐沉淀，故实际上土壤溶液中亚铁离子浓度并不是很大。

锰在土壤中发生的氧化还原过程与铁类似，但锰的标准电位为1.5V，比铁高。说明铁易被氧化，锰易被还原。因此，在排水良好的土壤中，当pH为7.0 时，Mn²⁺浓度虽低，但比同条件下Fe²⁺浓度高10倍。当Mn²⁺和Fe²⁺在土壤剖面移动时，Fe²⁺先氧化而沉淀，而Mn²⁺则可移至更深层次后才被氧化并脱水形成黑色MnO₂沉淀。

(三)土壤-植物系统中元素的迁聚

有关营养元素、重金属元素在土壤-植物体系中的累积和迁移研究很多。一般认为，元素在土壤中的存在形态、含量以及植物种类和环境条件是影响土壤-植物体系中元素迁移累积的重要因素。

1.岩石土壤中元素的含量

根据维诺格拉多夫对岩石圈和土壤中元素含量(表3-10)的研究，C、N、S在土壤中的含量分别是其在岩石圈中的100倍、50倍和2倍，土壤中O、Si、Cr、As、Mo、I的含量明显高于岩石圈，说明这些元素在土壤中不同程度地富集；土壤中Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Mn、P、F、Ba、Cl、Zn、Ni、Cu、Co、Pb、B含量则低于岩石圈，说明在土壤形成过程中其因相对淋失而贫化。

表3-10 世界土壤中化学元素的平均含量与岩石圈中化学元素含量的对比Table 3-10 Content contrast of chemical elements between soil and geosphere around the world

注：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg数据单位为%，其余为10^-6。

根据我国837幅1：20万化探扫面数据统计(表3-11)，我国水系沉积物中元素含量与土壤中含量类似的元素有As、Co、Cr、F、Mo、Ni、P、Pb、Fe、Al等，其中As、Pb含量明显高于其在陆壳中的含量，Fe、Al、Ca、Mg、K、Na含量明显低于陆壳。

表3-11 中国水系沉积物、土壤、陆壳中元素背景值Table 3-11 Background value of elements in stream sediment soil and crust in China

续表

注：1.水系沉积物元素含量数据为837幅1：20万化探扫面图幅中以1：2.5万图幅为单元的平均值统计结果，样本数为44422。

2.元素质量分数：Ag、Au、Cd、Hg数据单位为10^-9，氧化物为%，其数据单位元素为10^-6。

2.有机体中元素的含量

表3-12概括了人体和植物中元素的含量。表3-12显示，O、C、H、N、Ca五种元素总和分别占人体、植物体的98.01%和96.79%，与岩石圈、土壤中元素含量分布极不相同。表3-13列出了同样条件下生长在灰壤上的农作物中4种微量元素的含量，说明不同植物以及同种植物的不同部位，微量元素的含量不同。生长在矿床之上的植物中金属元素比正常植物富集了100～1000倍(表3-14)，表明土壤中元素含量对植物元素含量具控制性。

表3-12 人体和植物中的元素含量Table 3-12 the content of element in human body and plant(%)

注：人体样本含60%的水、35.7%的有机质、4.3%的灰分(据 D.Bertrand，1950)；植物资料，据 Russell，1973。其中n表示不确定。

表3-13 同样条件下生长在灰壤上的农作物中微量元素含量Table 3-13 the content of trace element in the crop growing on podzol under the same condition

(据Katalymov，1955.)

表3-14 正常植物和生长在矿床之上的植物灰分中金属元素含量Table 3-14 the content of rantalum in normal plant and the plant growing on mineral deposits

(据A.P.Vinogradov，1950，1962)

❷ 土壤学如何考

二.土壤的本质特征？肥力的四大因子？
答：土壤的本质特征是土壤具有肥力；肥力的四大因子是水、肥（营养物质）汽、热（环境）。
三.土壤组成如何？土壤学发展过程的三大学派？
答： 固体颗粒（38%）
固 相（50%）
土壤 有机物（12%）
气相（50%）
粒间空隙（50%）
液相（50%）
土壤学发展过程的三大学派：1.农业化学学派。（提出矿质营养学说）。2.农业地质学派（19世纪后半叶）。3.土壤发生学派（提出土壤是在五大成土因素作用下形成的）。
四.岩石根据生成方式不同分为哪几类？
答：分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。
五.岩浆岩的分类方式如何？（生成方式、化学成分）
答：按含二氧化硅的多少分为（1）.酸性岩（二氧化硅含量大于65%）。（2）.中性盐（二氧化硅含量在52%——65%）。（3）.基性岩（二氧化硅含量在45%——52%）。（4）.超基性岩（二氧化硅含量小于45%）。
由构造不同分为（1）.块状构造（2）.流纹构造（3）.气孔构造（4）.杏仁构造。
六.岩石矿物对土壤有何影响？
答：（1）.影响土壤的质地；（2）.影响土壤的酸碱性：（3）.影响土壤中的化学组成。
七.分别举出常见的原生矿物以及次生矿物五六类.
答：原生矿物:长石类、角闪石和辉石、云母类、石英、磷灰石、橄榄石; 次生矿物:方解石，高岭石，蛇纹石。
八.举出几种常见的沉积岩及变质岩.
答:沉积岩:砾岩.砂岩.页岩.石灰岩.白云岩. 变质岩:板岩.千枚岩.片岩.片麻岩.大理岩.石灰岩.
二. 物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用的作用方式分别是什么？
答：物理风化：1.温度作用或温差效应2.结冰作用或冰劈作用3.风的作用4流水的作用.
化学风化：1.溶解作用2.水化作用3.水解和碳酸化作用4. 氧化作用5. 溶解作用.
生物风化：1.机械破坏作用(根劈作用)2.化学破坏作用(主要通过新陈代谢来完成).
三. 物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用的最终结果如何？
答：物理风化：产生了与原岩石、矿物化学成分相同而粗细不等的碎屑物质覆盖在岩石表面。
化学风化：1.形成可溶性盐类，都是养料成分，为植物提供营养。2.形成了次生粘土矿物，在土壤肥力中作用巨大。3.形成了残留矿物，如：石英在土壤中以粗大砂粒存在。
生物风化：为母质中增加了岩石和矿物中所没有的N素和有机质。
四．影响风化作用的因素有哪些？
答：1.气候条件.2. 矿物岩石的物理特性：矿物颗粒大小、硬度、解理和胶结程度.3. 矿物岩石的化学特性和结晶构造.
五．风化产物的地球化学类型、生态类型分别有哪些？
答：风化产物的地球化学类型: 1. 碎屑类型. 2. 钙化类型. 3. 硅铝化类型. 4. 富铝化类型.
风化产物的生态类型:1. 硅质岩石风化物2. 长石质岩石风化物.3.铁镁质岩石风化物.4. 钙质岩石风化物.
二.母质因素在成土过程中的作用？
答：母质是形成土壤的物质基础，是土壤的骨架和矿物质的来源。主要表现是：
1．母质的机械组成影响土壤的机械组成。
2．母质的化学成分对土壤形成、性质和肥力均有显著影响，是土壤中植物矿质元素（氮素除外）的最初来源。
三. 气候因素在成土过程中的作用？
答：气候决定着土壤形成过程中的水、热条件，是直接影响到成土过程的强度和方向的基本因素。它（水分和热量）对土壤形成的具体作用表现在：
1．直接参与母质的风化和物质的淋溶过程。2．控制着植物和微生物的生长。
3．影响着土壤有机质的累积和分解。4．决定着养料物质生物小循环的速度和范围
四. 生物因素在成土过程中的作用？
答：在土壤形成过程中，生物对土壤肥力特性和土壤类型，具有独特的创新作用。其影响及作用可归纳为：
1．创造了土壤氮素化合物，使母质或土壤中增添了氮素养料。
2．使母质中有限的矿质元素，发挥了无限的营养作用。
3．通过生物的吸收，把母质中分散状态的养料元素，变成了相对集中状态，使土壤的养料元素不断富集起来。
4．由于生物的选择吸收，原来存在于母质中的养料元素，通过生物小循环，更适合于植物生长需要，使土壤养分品质不断改善。
五.地形因素在成土过程中的作用？
答：1．影响大气作用中的水热条件，使之发生重新分配。如坡地接受的阳光不同于平地，阴坡又不同于阳坡；地面水及地下水在坡地的移动也不同于平地，从而引起土壤水分、养分、冲刷、沉积等一系列变化。
2．影响母质的搬运和堆积。如山地坡度大，母质易受冲刷、故土层较薄；平原水流平缓、母质容易淤积、所以土层厚度较大；而洪积扇的一般规律则是顶端（即靠山口处）的母质较粗大、甚至有大砾石；末端（即与平原相接处）的母质较细，有时开始有分选。顶端坡度大、末端坡度小，以及不同部位的沉积物质粗细不同，亦会造成土壤肥力上的差异。

二.研究土壤剖面的意义
答：他不仅能够反映土壤的特征，而且还可以了解土壤的形成过程，发展方向和肥力特征；为鉴别土壤类型，确定土壤名称提供了科学依据。
三.说明下列符号的土壤学含义:
答：Bk为钙积层 Bt为粘化层 Bca 钙积层 C母质层 D母岩层 G潜育层 W潴育层 T泥炭层;
Cc表示在母质层中有碳酸盐的聚积层; Cs表示在母质层中有硫酸盐的聚积层。
A—D 原始土壤类型；A—C 幼年土壤类型；A—B—C 发育完善的土壤类型。

二.问答题
1. 简述土壤有机质的作用？
答： 土壤有机质是植物营养的重要来源，同时对土壤水、肥、气、热起重要的调节作用：
（1）植物营养的重要库源；（2）提高土壤保水保肥能力和缓冲性能；（3）改善土壤物理性质；
（4）增强土壤微生物活动；（5）活化土壤中难溶性矿质养料；（6）刺激、促进植物的生长发育。
2. 富里酸（FA）与胡敏酸(HA)性质上的区别？
答：（1）溶解性：FA＞HA；（2）酸性：FA＞HA；（3）盐：HA一价溶于水二三价不溶，F A全溶；.（4）分子组成：式量HA＞FA，HA含碳氮多，含氢氧少，FA相反；（5）颜色：HA深（又名黒腐酸），FA浅（又名黄腐酸）；（6）在土壤剖面中的迁移能力：FA强。
3. 有机残体的碳氮比如何影响土壤有机物分解过程？
答：一般认为，微生物每吸收一份氮，还需吸收五份碳用于构成自身细胞，同时消耗20份碳作为生命活动的能量来源。所以，微生物分解活动所需有机质的C/N大致为25﹕1
当有机质地C/N接近25﹕1时，利于微生物的分解活动，分解较快，多余的氮留给土壤，供植物吸收；
如果C/N大于25﹕1，有机质分解慢，同时与土壤争氮；
C/N小于25﹕1，有利于有机质分解，并释放大量的氮素。
4．土壤有机物分解的速度主要取决于哪两个方面：
答：土壤有机物分解的速度主要取决于两个方面；内因是植物凋落物的组成，外因是所处的环境条件。
①外界条件对有机质转化的影响：外界条件通过对土壤微生物活动的制约，而影响有机质的转化速度，这些外界因素主要有土壤水分、温度、通气状况、土壤pH值，土壤粘力等。
②残体的组成与状况对有机质转化的影响：有机残体的物理状态，化学组成，及碳氮比影响。
5．土壤有机质的腐殖化过程可分为几个阶段：
答：①第一阶段（原始材料构成阶段）：微生物将有机残体分解并转化为简单的有机化合物，一部分经矿质化作用转化为最终产物（二氧化碳、硫化氢、氨等）。其中有芳香族化合物（多元酚）、含氮化合物（氨基酸或肽）和糖类等物质。
②第二阶段（合成腐殖质阶段）：在微生物作用下，各组成成分，主要是芳香族物质和含氮化合物，缩合成腐殖质单体分子。在这个过程中，微生物起着重要作用，首先是由许多微生物群分泌的酚氧化酶，将多元酚氧化成醌，然后醌再与含氮化合物缩合成腐殖质。
6．土壤有机质的类型及来源：
答：一、土壤有机质的类型： 进入土壤中的有机质一般呈现三种状态：
①基本上保持动植物残体原有状态，其中有机质尚未分解；
②动植物残体己被分解，原始状态已不复辨认的腐烂物质，称为半分解有机残余物；
③在微生物作用下，有机质经过分解再合成，形成一种褐色或暗褐色的高分子胶体物质，称为腐殖质。腐殖质是有机
质的主要成分，可以改良土壤理化性质，是土壤肥力的重要标志。
二、土壤有机质的来源：
①动植物和微生物残体； ②动植物和微生物的代谢产物； ③人工施入土壤的有机肥料。
7．土壤微生物在土壤中的作用：
答：土壤微生物对土壤性质和肥力的形成和发展都有重要的影响。
1．参与土壤形成作用： 2促进土壤中营养物质的转化： 3增加生物热能，有利调节土壤温度：
4．产生代谢产物，刺激植物的生长：5．产生酶促作用，促进土壤肥力的提高：
8．土壤微生物分布的特点：
答：①物分布在土壤矿物质和有机质颗粒的表面。 ②植物根系周围存在着种类繁多的微生物类群。
③物在土体中具有垂直分布的特点 。 ④微生物具有与土壤分布相适应的地带性分布的特点 。
⑤壤微生物的分布具有多种共存、相互关联的特点。
9．菌根菌的类型及特点：
答：菌根菌的类型：根据菌根菌与植物的共栖特点，菌根可分为外生菌根、内生菌根和周生菌根。
①外生菌根在林木幼根表面发育，菌丝包被在根外，只有少量菌丝穿透表皮细胞。
②内生菌根以草本最多。如兰科植物具有典型内生菌根。
③周生菌根即内外生菌根。既可在根周围形成菌鞘，又可侵入组织内部，这种菌根菌发育在林木根部。
特点：①菌根菌没有严格的专一性；同一种树木的菌根可以由不同的真菌形成。
②菌根对于林木营养的重要性，还在于它们能够适应不良的土壤条件，为林木提供营养。
③在林业生产中，为了提高苗木的成活率和健壮率，使幼苗感染相适应的菌根真菌，是非常必要的。
④最简单的接种方法，就是客土法，即选择林木生长健壮的老林地土壤，移一部分到苗床或移植到树穴中，促使苗木迅速形成菌根。
10．调节土壤有机质的途径：
答：①增施有机肥料。 ②归还植物（林木、花卉）凋落物于土壤。 ③种植地被植物、特别是可观赏绿肥。
④用每年修剪树木花草的枯枝落叶粉碎堆沤，或直接混入有机肥坑埋于树下，有改土培肥的效果。
⑤通过浇水，翻土来调节土壤的湿度和温度等，以达到调节有机质的累积和释放的目的。

二，简答题。
1土水势的特点。
答：土壤中的水分受到各种力的作用，它和同样条件（温度和压力等）下的纯自由水的自由能的差值，用符号Ψ表示，所以，土水势不是土壤水分势能的绝对值，而是以纯自由水作参比标准的差值，是一个相对值。
土水势由:基质势（Ψm） 溶质势（Ψs） 重力势（Ψg） 压力势（ΨP） 等分势构成。
2土壤空气特点。
答：a．二氧化碳的含量很高而氧气含量稍低。二氧化碳超过大气中的10倍左右，主要原因是由于土壤中植物根系和微生物进行呼吸以及有机质分解时，不断消耗土壤空气中的氧，放出二氧化碳，而土壤空气和大气进行交换的速度，还不能补充足够的氧和排走大量的二氧化碳的缘故。
b.土壤空气含有少量还原性气体。在通气不良情况下，土壤空气中还含有少量的氢、硫化氢、甲烷等还原性气体。这些气体是土壤有机质在嫌气分解下的产物，它积累到一定浓度时，对植物就会产生毒害作用。
c.土壤空气水气含量远高于大气。除表土层和干旱季节外，土壤空气经常处于水汽的饱和状态。
d.土壤空气组成不均匀。土壤空气组成随土壤深度而改变，土层越深，二氧化碳越多，氧气越少。
3土壤气体交换的方式有几种？哪一种最重要？
答：有两种方式：即气体的整体流动和气体的扩散，以气体的扩散为主。
4土壤空气对林木生长的影响。
答：土壤空气影响着植物生长发育的整个过程，主要表现在以下几方面：
（1）土壤空气与根系发育（2）土壤空气与种子萌发（3）土壤空气与养分状况（4）土壤空气与植物病害
5土壤热量的来源有哪些？
答：1、太阳辐射能 2、生物热 3、地球的内能
6土壤热量状况对林木生长的影响？
答：土壤热量状况对植物生长发育的影响是很显著的，植物生长发育过程，如发芽、生根、开花、结果等都只有在一定的临界土温之上才可能进行。
1.各种植物的种子发芽都要求一定的土壤温度 2.植物根系生长在土壤中，所以与土温的关系特别密切
3.适宜的土温能促进植物营养生长和生殖生长 4.土壤温度对微生物的影响
5.土温对植物生长发育之所以有很大的影响，除了直接影响植物生命活动外，还对土壤肥力有巨大的影响
7土壤水汽扩散的特点。
答：土壤空气中水分扩散速度远小于大气中水分扩散速率.
①土壤孔隙数量是一定的，其中孔隙一部分被液态水占有，留给水汽扩散的空间就很有限。
②土壤中孔隙弯弯曲曲，大小不一，土壤过干过湿都不利于扩散（土壤湿度处于中等条件下最适宜扩散）
8土壤蒸发率（概念）的阶段？
答：土壤蒸发率：单位时间从单位面积土壤上蒸发损失的水量。阶段性：
a．大气蒸发力控制阶段（蒸发率不变阶段） b．土壤导水率控制阶段（蒸发率下降阶段）
c．扩散控制阶段（决定于扩散的速率）

二.简答题
1.衡量土壤耕性好坏的标准是什么?
答: 土壤宜耕性是指土壤的性能.
①耕作难易:耕作机具所受阻力的大小,反映出耕后难以的程度,直接影响劳动效率的高低.
②耕作质量:耕作后能否形成疏松平整,结构良好，适于植物生长的土壤条件.
③宜耕期的长短:土壤耕性好一般宜耕期长.
2.试论述团粒结构的肥力意义?
答: 1小水库:团粒结构透水性好可接纳大量降水和灌水,这些水分贮藏在毛管中.
2小肥料库:具有团粒结构的土壤，通常有机质含量丰富,团粒结构表面为好气作用，有利于有机质矿质化,释放养分，团粒内部有利于腐殖质化,保存营养.
3空气走廊:团粒之间孔隙较大，有利于空气流通。
3.团粒结构形成的条件是什么?
答:①大量施用有机肥 ②合理耕作 ③合理轮作 ④施用石膏或石灰 ⑤施用土壤结构改良剂
4.砂土,粘土,壤土的特点分别是什么?
答:1.砂质土类:
①水→粒间孔隙大,毛管作用弱,透水性强而保水性弱,水汽易扩散,易干不易涝.
②气→大孔隙多,通气性好,一般不会积累还原性物质.
③热→水少汽多,温度容易上升,称为热性土,有利于早春植物播种.
④肥→养分含量少,保肥力弱,肥效快,肥劲猛,但不持久,易造成作物后期脱肥早衰.
⑤耕性→松散易耕,轻质土.
2.粘质土类:
①水→粒间孔隙小,毛管细而曲折,透水性差,易产生地表径流,保水抗旱能力强,易涝不易旱.
②气→小孔隙多,通气性差,容易积累还原性物质.
③热→水多汽少,热容量大,温度不易上升,称为冷性土,对早春植物播种不利.
④肥→养分含量较丰富且保肥能力强,肥效缓慢,稳而持久,有利于禾谷类作物生长,籽实饱满,早春低温时,由于肥效缓慢易造成作物苗期缺素.
⑤耕性→耕性差, 粘着难耕,重质土.
3.壤质土类:土壤性质兼具砂质土,粘质土的优点,而克服了它们的缺点.耕性好,宜种广,对水分有回润能力,是理想的土壤类别.
5.影响阳离子凝聚能力强弱的因素?
答：土壤胶体通常有负电荷，带负电的土壤胶粒，在阳离子的作用下，发生相互凝聚。
a高价离子凝聚能力大于低价离子。
b水化半径大的离子凝聚能力弱，反之较强（离子半径愈小，水化半径愈大）
c增加介质中电解质浓度也可以。以及有机质，简单无机胶体。
d比表面积越大凝聚能力越强。

一.影响阳离子交换能力的因素:
答:①电荷电价有关 ②离子半径及水化程度 ③离子浓度 ④土壤pH值 ⑤T的高低
二.影响阳离子交换量的因素:
答:①质地(土壤质地越粘重,含粘粒越多,交换量越大) ②腐殖质,含量↑,交换量↑
③无机胶体的种类,粘粒的硅铁铝率↑,交换量↑(腐>蒙>伊>高>非晶质含水氧化物) ④土壤酸碱性
三.阳离子交换作用的特征:
答: 特征：a可逆反应 b等价离子交换 c反应受质量作用定律支配
四.土壤吸收养分作用方式有几种?
答:①土壤离子代换吸收作用（即，物理化学吸收作用）:对离子态物质的保持。
②土壤机械吸收作用:对悬浮物质的保持。是指疏松多孔的土壤能对进入其中的一些团体物质,进行机械阻留。
③土壤物理吸附作用:对分子态物质的保持。是指土壤对可溶性物质中的分子态物质的保持能力。
④土壤吸附作用:对可溶性物质的沉淀保持。是指由于化学作用，土壤可溶性养分被土壤中某些成分所沉淀，保存于土中。
⑤生物吸附作用:植物和土壤微生物对养分具有选择吸收的能力。从而把养分吸收，固定下来，免于流失。
五.土壤胶体的类型（按成分及来源）有哪些?
答：成分: ①无机胶体(各种粘土矿物) ②有机胶体(腐殖质) ③有机无机复合体(存在的主要方式)
来源：
一.影响阳离子交换能力的因素:
答:①电荷电价有关 ②离子半径及水化程度 ③离子浓度 ④土壤pH值 ⑤T的高低
二.土壤阳离子交换量(CEC):在一定pH值时,土壤所能吸附和交换的阳离子的容量，用每Kg土壤的一价离子的厘摩尔数表示,即Cmol(+)/Kg.(pH为7的中性盐溶液)
我国土壤阳离子交换量：由南→北，由西→东，逐渐升高的趋势。
一种土壤阳离子交换量的大小,基本上代表分了该土壤保存养分的能力.即通常说的饱肥性的高低.交换量大的土壤,保存速效养能力大,反之则小.可作为土壤供肥蓄肥能力的指标.
三.影响阳离子交换量的因素:
答:①质地(土壤质地越粘重,含粘粒越多,交换量越大)②腐殖质,含量↑,交换量↑③无机胶体的种类,粘粒的硅铁铝率↑,交换量↑(腐>蒙>伊>高>非晶质含水氧化物)④土壤酸碱性⑤
四.土壤盐基饱和度(BSP):交换性盐基离子占全部交换性阳离子的百分率.
我国土壤盐基饱和度:南→北↑,西→东↓
五.交换性阳离子的有效度:
答: 1根系←→溶液←胶粒 离子交换 2根系←→胶粒 接触交换
六.互补离子(陪伴离子):与某种交换性阳离子共存的其他交换性阳离子.
七.土壤吸收养分作用方式有几种?
答:①土壤离子代换吸收作用（即，物理化学吸收作用）:对离子态物质的保持。
②土壤机械吸收作用:对悬浮物质的保持。是指疏松多孔的土壤能对进入其中的一些团体物质,进行机械阻留。
③土壤物理吸附作用:对分子态物质的保持。指土壤对可溶性物质中的分子态物质的保持能力。
④土壤吸附作用:对可溶性物质的沉淀保持。是指由于化学作用，土壤可溶性养分被土壤中某些成分所沉淀，保存于土中。
⑤生物吸附作用:植物和土壤微生物对养分具有选择吸收的能力。从而把养分吸收，固定下来，免于流失。
八.粘土矿物的基本构造单元是什么?
答：是硅氧四面体和铝水八面体。

一.土壤酸性的形成:
1.土壤中氢离子的来源:①水的解离 ②碳酸的解离 ③有机酸的解离 ④无机酸 ⑤酸雨
2.土壤中铝的活化。
二.土壤碱性的形成机理（即土壤中OH根的来源）:土壤溶液中氢氧根的来源主要是钙、镁、钠、碳酸盐和重碳酸盐以及土壤胶体表面吸附的交换性钠水解的结果:
1.碳酸钙水解 2.碳酸钠水解 3.交换性钠的水解
三.土壤酸度的指标:土壤酸性一方面是由土壤溶液中的氢离子引起的,另一方面也可以由被土壤胶体所吸附的致酸离子(氢,铝)所引起.前者为活性酸,后者潜性酸.
酸性强度排列:潜性酸＞水解酸＞代换性酸＞活性酸
四.土壤碱性的指标:指总碱度和碱化度（见名词解释）
五.土壤缓冲性产生的原因:
①土壤具有代换性,可以吸附H,K,Na等很多阳离子②土壤中存在许多弱酸及其盐类,构成缓冲系统
③土壤中有许多两性物质,可中和酸碱 ④在酸性土壤中,Al离子能起缓冲作用.
六.土壤缓冲性的强弱指标及其影响因素:
强弱指标即缓冲量,影响因素有①粘粒矿物类型②粘粒的含量③有机质的影响
七. 土壤酸碱性差异的原因:

八.石灰改良酸性土的作用?
①中和土壤酸性②增加土壤中钙素营养，有利于微生物活动促进有机质分解③改良土壤结构
石灰用量=土壤体积×容重×阳离子交换量×(1－BSP) 单位:Kg/公顷

土壤计算题：
1.已知某田间持水量为26%,土壤容重为1.5,当土壤含水量为16%,如灌一亩地使0.5m深的土壤水分达到田间持水量,问灌多少水?
解：（26－16）%×1.5×667×0.5=50（m3/亩）

2.容重为1.2g/cm3的土壤，初始含水量为10%，田间持水量为30%，降雨10mm，全部入渗，可使多深土层达到田间持水量？
解：10%×1.2=12% 30%×1.2=36%
土层厚度=10/（36%－12%）=41.7mm

3.一容重为1g/ cm3的土壤，初始含水12%，田间持水量为30%，要使30cm厚的土层含水达到80%，需灌水多少？
解：12%×1=12% 30%×80%=24% 24%－12%=12%
12%×0.3×667=24 m3

4.某红壤的pH值5.0，耕层土重2250000kg/hm2，含水量位20%，阳离子交换量10cmol/kg，BSP60%，计算pH=7时，中和活性酸和潜性酸的石灰用量。
解：2250000×20%×（10-5－10-7）=4.455molH+/hm2
4.455×56÷2=124.74g/hm2
2250000×10×1%×40%=90000mol H+/hm2
90000×56÷2=2520000g

5.一种石灰性土壤，其阳离子交换量为15 cmol（+）/kg，其中Ca2+占80%，Mg2+占15%，K+占5%，则每亩（耕层土重15万kg/亩）土壤耕层中Ca2+，Mg2+，K+的含量为多少？
解：150000×15×1%=22500mol
22500×80%÷2×40=360000g
22500×15%÷2×24=40500g
22500×5%×39=43875g

6.土壤容重为1.36t／立方米，则一亩（667平方米）地耕作层，厚0.165m的土壤重量是多少？该土壤耕层中，现有土壤含水量为5％，要求灌水后达到25％，则每亩灌水定额为多少？
解：667×0.165=110.055t 110.055÷1.36×(25－5)％=16.185立方米

❸ 土壤化学指标

一、土壤酸碱度(pH值)

土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长影响很大，我国西北、北方不少土壤pH值大，南方红壤pH值小。因此可以种植和土壤酸碱度相适应的作物和植物。如红壤地区可种植喜酸的茶树，而苜蓿的抗碱能力强等。土壤酸碱度对养分的有效性影响也很大，如中性土壤中磷的有效性大；碱性土壤中微量元素(锰、铜、锌等)有效性差。在农业生产中应该注意土壤的酸碱度，积极采取措施，加以调节。

1.电位法

土壤实验室基本上都采用电位法测定土壤pH值，电位法有准确、快速、方便等优点。其基本原理是：用pH计测定土壤悬浊液的pH值时，由于玻璃电极内外溶液H^＋离子活度的不同产生电位差。

2.比色法

取土壤少许(约黄豆大)，弄碎后放在白磁盘中，滴入土壤混合指示剂数滴，到土壤全部湿润，并有少量剩余。震荡磁盘，使指示剂与土壤充分作用，静置1min，和标准比色卡比色，即得出土壤的酸碱度。

3.原位酸碱度传感器法

土壤原位pH测定仪可直接埋入土壤测试，直接读数，非常方便，在指导农业科研及农业生产中起到了非常重要的作用。

二、土壤氧化还原电位(Eh)

土壤氧化还原电位是以电位反映土壤溶液中氧化还原状况的一项指标，用Eh表示，单位为mV。

土壤氧化还原电位的高低，取决于土壤溶液中氧化态和还原态物质的相对浓度，一般采用铂电极和饱和甘汞电极电位差法进行测定。影响土壤氧化还原电位的主要因素有：①土壤通气性；②土壤水分状况；③植物根系的代谢作用；④土壤中易分解的有机质含量。

旱地土壤的正常Eh为200～750mV，若Eh﹥750mV，则土壤完全处于氧化状态，有机质消耗过快，有些养料由此丧失有效性，应灌水适当降低Eh。若Eh﹤200mV，则表明土壤水分过多，通气不良，应排水或松土以提高其Eh值。

水田土壤Eh变动较大，在淹水期间Eh值可低至-150mV，甚至更低；在排水晒田期间，土壤通气性改善，Eh值可增至500mV以上。一般地说，稻田适宜的Eh值在200～400mV之间，若Eh经常在180mV以下或低于100mV，则水稻分蘖或生长发育受阻。若长期处于-100mV以下，水稻会严重受害甚至死亡，此时应及时排水晒田以提高其Eh值。

1.二电极法

测定氧化还原电位的常用方法是铂电极直接测定法，方法是基于铂电极本身难以腐蚀、溶解，可作为一种电子传导体。当铂电极与介质(土壤、水)接触时，土壤或水中的可溶性氧化剂或还原剂，将从铂电极上接受电子或给予电子，直至在铂电极上建立起一个平衡电位，即该体系的氧化还原电位。由于单个电极电位是无法测得的，故须与另一个电极电位固定的参比电极(饱和甘汞电极)构成电池，用电位计测量电池电动势，然后计算出铂电极上建立的平衡电位，即氧化还原电位Eh值。

2.去极化测定仪法

对复杂的介质，可采用去极化法测定氧化还原电位。可以在较短时间内得到较为精确的结果，用去极化法测得的平衡Eh值，与直接电位法平衡48h后测得的稳定Eh值，差数一般﹤10mV。所以去极化法能缩短测定时间，并有较高的测定精度。

将铂电极接到极化电压的正端(极化电压为600mV或750mV)，以银-氯化银电极作为辅助电极，接到电源的负端，阳极极化10 s以上(自由选择)。接着切断极化电源，进行去极，时间在20 s以上(视极化曲线而定)，在去极化后监测铂电极的电位(对甘汞电极)，对于大多数的测试样品，电极电位E(mV)和去极化时间的对数log t间存在直线关系。以相同的方法进行阴极极化和随后的去极化和监测电位。阳极去极化曲线与阴极去极化曲线的延长线的交点相当于平衡电位。

三、土壤阳离子交换量(CEC)

CEC的大小，基本上代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。阳离子交换量的大小，可作为评价土壤保肥能力的指标。阳离子交换量是土壤缓冲性能的主要来源，是改良土壤和合理施肥的重要依据。

1.乙酸铵交换法

适用于酸性与中性土壤阳离子交换量的测定。原理：用1mol/L乙酸铵溶液(pH7.0)反复处理土壤，使土壤成为铵离子饱和土。过量的乙酸铵用95%乙醇洗去，然后加氧化镁，用定氮蒸馏方法进行蒸馏，蒸馏出的氨用硼酸溶液吸收，然后用盐酸标准溶液滴定，根据铵离子的量计算土壤阳离子交换量。

2.EDTA——铵盐法

铵盐法不仅适用于中性、酸性土壤，并且适用于石灰性土壤阳离子交换量的测定。采用0.005mol/L EDTA与1mol/L的醋酸铵混合液作为交换剂，在适宜的pH条件下(酸性土壤pH7.0，石灰性土壤pH8.5)，这种交换配合剂可以与2价钙离子、镁离子和3价铁离子、铝离子进行交换，并在瞬间即形成电离度极小而稳定性较大的配合物，不会破坏土壤胶体，加快了2价以上金属离子的交换速度。同时由于醋酸缓冲剂的存在，对于交换性氢和1价金属离子也能交换完全，形成铵质土，再用95%酒精洗去过剩的铵盐，用蒸馏法测定交换量。对于酸性土壤的交换液，同时可以用作为交换性盐基组成的待测液用。

3.氯化钡-硫酸强迫交换法

土壤中存在的各种阳离子可被氯化钡(BaCl₂)水溶液中的阳离子(Ba^2＋)等价交换。土壤用BaCl₂溶液处理，使之和Ba^2＋饱和，洗去剩余的BaCl₂溶液后，再用强电解质硫酸溶液把交换到土壤中的Ba^2＋交换下来，由于形成了硫酸钡(BaSO₄)沉淀，而且氢离子(H^＋)的交换吸附能力很强，使交换反应基本趋于完全。这样可以通过计算消耗硫酸的量，计算出阳离子交换量。

四、土壤碱化度(ESP)

土壤的碱化度是用Na^＋的饱和度来表示，它是指土壤胶体上吸附的交换性Na^＋占阳离子交换量的百分率。当碱化度达到一定程度时，土壤的理化性质会发生一系列的变化，土壤呈极强的碱性反应pH﹥8.5甚至超过10.0，且土粒分散、湿时泥泞、不透气、不透水、干时硬结、耕性极差，土壤理化性质所发生的这一系列变化称为碱化作用。碱化度是盐碱土分类、利用、改良的重要指标。一般把碱化度﹥20%定为碱土，5%～20%定为碱化土(15%～20%为强碱化土，10%～15%为中度碱化土，5%～10%为轻度碱化土)。

计算公式：

碱化度＝(交换性钠/阳离子交换量)× 100%

式中：交换性钠[cmol(Na^＋)/kg]用乙酸铵-氢氧化钠铵交换-火焰光度法测得；阳离子交换量[cmol(＋)/kg]用氯化铵-乙酸铵交换法测得。

五、土壤水溶性全盐量(易溶盐)

土壤水溶性盐是盐碱土的一个重要属性，是限制作物生长的障碍因素。我国的盐碱土分布广，面积大，类型多。在干旱、半干旱地区盐渍化土壤，以水溶性的氯化物和硫酸盐为主。滨海地区由于受海水浸渍，生成滨海盐土，所含盐分以氯化物为主。在我国南方(福建、广东、广西等省区)沿海还分布着一种反酸盐土。盐土中含有大量水溶性盐类，影响作物生长，同一浓度的不同盐分危害作物的程度也不一样。盐分中以碳酸钠的危害最大，增加土壤碱度和恶化土壤物理性质，使作物受害。其次是氯化物，氯化物又以MgCl₂的毒害作用较大，另外，氯离子和钠离子的作用也不一样。

土壤(及地下水)中水溶性盐的分析，是研究盐渍土盐分动态的重要方法之一，对于了解盐分对种子发芽和作物生长的影响以及拟订改良措施都是十分必要的。

1.电导法

土壤中的水溶性盐是强电介质，其水溶液具有导电作用，导电能力的强弱可用电导率表示。在一定浓度范围内，溶液的含盐量与电导率呈正相关，含盐量愈高，溶液的渗透压愈大，电导率也愈大。土壤水浸出液的电导率用电导仪测定，直接用电导率数值表示土壤的含盐量。

2.质量法

吸取一定量的土壤浸出液放在瓷蒸发皿中，在水浴上蒸干，用过氧化氢(H₂O₂)氧化有机质，然后在105～110℃烘箱中烘干，称重，即得烘干残渣质量。

六、土壤养分元素

土壤养分元素是指由土壤提供的植物生长所必需的营养元素，能被植物直接或者转化后吸收。土壤养分可大致分为大量元素、中量元素和微量元素，包括氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、硼(B)、钼(Mo)、锌(Zn)、锰(Mn)、铜(Cu)和氯(Cl)等13种。在自然土壤中，土壤养分主要来源于土壤矿物质和土壤有机质，其次是大气降水、坡渗水和地下水。在耕作土壤中，还来源于施肥和灌溉。

根据在土壤中存在的化学形态，土壤养分的形态分为：①水溶态养分，土壤溶液中溶解的离子和少量的低分子有机化合物；②代换态养分，水溶态养分的来源之一；③矿物态养分，大多数是难溶性养分，有少量是弱酸溶性的(对植物有效)；④有机态养分，矿质化过程的难易强度不同。

根据植物对营养元素吸收利用的难易程度，土壤养分又分为速效性养分和迟效性养分。一般来说，速效养分仅占很少部分，不足全量的1%。应该注意的是速效养分和迟效养分的划分是相对的，两者是处于动态平衡之中。

土壤养分的总储量中，有很小一部分能为当季作物根系迅速吸收同化的养分，称速效性养分；其余绝大部分必须经过生物的或化学的转化作用方能为植物所吸收的养分，称迟效性养分。一般而言，土壤有效养分含量约占土壤养分总储量的百分之几至千分之几或更少。故在农业生产中，作物经常出现因某些有效养分供应不足而发生缺素症的现象。

1.全氮测定法

(1)开氏定氮法。土壤、植株和其他有机体中全氮的测定通常都采用开氏消煮法，用硫酸钾-硫酸铜-硒粉做加速剂。此法虽然消煮时间长，但控制好加速剂的用量，不易导致氮素损失，消化程度容易掌握，测定结果稳定，准确度较高，适用于常规分析。

土壤中的含氮有机化合物在加速剂的参与下，经浓硫酸消煮分解，有机氮转化为铵态氮，碱化后把氨蒸馏出来，用硼酸吸收，标准酸滴定，求出全氮含量。硫酸钾起提高硫酸溶液沸点的作用，硫酸铜起催化剂作用，加速有机氮的转化，硒粉是一种高效催化剂，用量不宜过多，否则会引起氮素损失。

(2)半微量开氏法。样品在加速剂的参与下，用浓硫酸消煮时，各种含氮有机化合物，经过复杂的高温分解反应，转化为铵态氮。碱化后蒸馏出来的氨用硼酸吸收，以标准酸溶液滴定，求出土壤全氮含量(不包括全部硝态氮)。

包括硝态和亚硝态氮的全氮测定，在样品消煮前，需先用高锰酸钾将样品中的亚硝态氮氧化为硝态氮后，再用还原铁粉使全部硝态氮还原，转化为铵态氮。

2.全磷硫酸-高氯酸消煮测定法

在高温条件下，土壤中含磷矿物及有机磷化合物与高沸点的硫酸和强氧化剂高氯酸作用，使之完全分解，全部转化为正磷酸盐而进入溶液，然后用钼锑抗比色法测定。

3.全钾测定法

土壤中的有机物先用硝酸和高氯酸加热氧化，然后用氢氟酸分解硅酸盐等矿物，硅与氟形成四氟化硅逸去。继续加热至剩余的酸被赶尽，使矿质元素变成金属氧化物或盐类。用盐酸溶液溶解残渣，使钾转变为钾离子。经适当稀释后用火焰光度法或原子吸收分光光度法测定溶液中的钾离子浓度，再换算为土壤全钾含量。

4.碱解氮测定法

土壤水解性氮或称碱解氮包括无机态氮(铵态氮、硝态氮)及易水解的有机态氮(氨基酸、酰铵和易水解蛋白质)。用碱液处理土壤时，易水解的有机氮及铵态氮转化为氨，硝态氮则先经硫酸亚铁转化为铵。以硼酸吸收氨，再用标准酸滴定，计算水解性氮含量。

5.速效磷测定法

(1)碳酸氢钠法。石灰性土壤由于存在大量的游离碳酸钙，不能用酸溶液来提取速效磷，可用碳酸盐的碱溶液。由于碳酸根的同离子效应，碳酸盐的碱溶液降低了碳酸钙的溶解度，也就降低了溶液中钙的浓度，这样就有利于磷酸钙盐的提取。同时由于碳酸盐的碱溶液也降低了铝和铁离子的活性，有利于磷酸铝和磷酸铁的提取。此外，碳酸氢钠碱溶液中存在着OH^-，

，

等阴离子有利于吸附态磷的交换，因此，碳酸氢钠不仅适用于石灰性土壤，也适用于中性和酸性土壤中速效磷的提取。待测液用钼锑抗混合显色剂在常温下进行还原，使黄色的锑磷钼杂多酸还原成为磷钼蓝进行比色。

(2)钼锑抗比色法。酸性土壤中的磷主要是以Fe—P、Al—P的形态存在，利用氟离子在酸性溶液中有配合Fe^3＋，Al^3＋的能力，可使这类土壤中比较活性的磷酸铁铝盐被陆续活化释放，同时由于H^＋的作用，也能溶解出部分活性较大的Ca—P，然后用钼锑抗比色法进行测定。

6.速效钾测定法

用1mol/L NH₄OAc浸提土壤，可将胶体表面吸附的钾离子全部浸提出来，而与黏土矿物晶格固定的钾截然分开。

7.有机质重铬酸钾容量测定法

在加热的条件下，用过量的重铬酸钾-硫酸(K₂Cr₂O₇-H₂SO₄)溶液，来氧化土壤有机质中的碳，

等被还原成Cr^＋3，剩余的重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)用硫酸亚铁(FeSO₄)标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即为土壤有机质量。

七、土壤重金属

土壤的重金属主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物子实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大，应特别注意防止重金属对土壤的污染。一些矿山在开采中尚未建立石排场和尾矿库，废石和尾矿随意堆放，致使尾矿中富含难降解的重金属进入土壤，加之矿石加工后余下的金属废渣随雨水进入地下水系统，造成严重的土壤重金属污染。

1.原子吸收分光光度法

原子吸收分光光度法的测量对象是呈原子状态的金属元素和部分非金属元素，是由待测元素灯发出的特征谱线通过供试品经原子化产生的原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，通过测定辐射光强度减弱的程度，求出供试品中待测元素的含量。原子吸收一般遵循分光光度法的吸收定律，通常借比较对照品溶液和供试品溶液的吸光度，求得供试品中待测元素的含量。所用仪器为原子吸收分光光度计，它由光源、原子化器、单色器、背景校正系统、自动进样系统和检测系统等组成。

2.X射线荧光光谱(XRF)法

XRF法是介于原子发射光谱(AES)和原子吸收光谱(AAS)之间的光谱分析技术。它的基本原理是基态原子(一般蒸气状态)吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光。该方法可定量分析测量待测元素的原子蒸气在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度。原子荧光的波长在紫外、可见光区。气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，经10～8 s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出荧光。若原子荧光的波长与吸收波长相同，称为共振荧光；若不同，则称为非共振荧光。共振荧光强度大，分析中应用最多。在一定条件下，共振荧光强度与样品中某元素浓度成正比。该法的优点是灵敏度高，谱线简单；在低浓度时校准曲线的线性范围宽达3～5个数量级，特别是用激光做激发光源时更佳。主要用于金属元素的测定，在环境科学、高纯物质、矿物、水质监控、生物制品和医学分析等方面有广泛的应用。

3.电感耦合等离子光谱(ICP)法

高频振荡器发生的高频电流，经过耦合系统连接在位于等离子体发生管上端，铜制内部用水冷却的管状线圈上。石英制成的等离子体发生管内有3个同轴氢气流经通道。冷却气(Ar)通过外部及中间的通道，环绕等离子体起稳定等离子体炬及冷却石英管壁，防止管壁受热熔化的作用。工作气体(Ar)则由中部的石英管道引入，开始工作时启动高压放电装置让工作气体发生电离，被电离的气体经过环绕石英管顶部的高频感应圈时，线圈产生的巨大热能和交变磁场，使电离气体的电子、离子和处于基态的氖原子发生反复猛烈的碰撞，各种粒子的高速运动，导致气体完全电离形成一个类似线圈状的等离子体炬区面，此处温度高达6000～10 000℃。样品经处理制成溶液后，由超雾化装置变成全溶胶由底部导入管内，经轴心的石英管从喷嘴喷入等离子体炬内。样品气溶胶进入等离子体焰时，绝大部分立即分解成激发态的原子、离子状态。当这些激发态的粒子回收到稳定的基态时要放出一定的能量(表现为一定波长的光谱)，测定每种元素特有的谱线和强度，和标准溶液相比，就可以知道样品中所含元素的种类和含量。

发射光谱分析方法只要将待测原子处于激发状态，便可同时发射出各自特征谱线同时进行测定。ICP-AES仪器，不论是多道直读还是单道扫描仪器，均可以在同一试样溶液中同时测定大量元素(30～50个，甚至更多)。已有文献报道的分析元素可达78个，即除He，Ne，Ar，Kr，Xe惰性气体外，自然界存在的所有元素，都已有用ICP-AES法测定的报告。

❹ 离体根对铵离子的交换吸收实验原理

实验原理：植物根系以阳离子交换的方式吸收离子。根部细胞质的蛋白质大分子和原生质膜都带负电荷，与阳离子（如H 等）结合。当根系浸在盐类或其他电解质溶液中，阳离子就进行交换吸附，把介质中的阳离子吸附到原生质膜表面上，而将原来结合的H 或K 等阳离子释放出来，此种交换吸附不需要代谢能量。
植物根部从土壤胶体中吸收盐类，有间接交换和直接交换两种方式从根中交换出来，其中K 的量为最多。这种交换过程不仅在根的细胞表面进行，也可能深入到细胞原生质内部。外界介质的pH值也影响着植物根系对离子的交换吸收。
材料选择和处理：选择生长正常，根系活力旺盛的水培小麦苗300株，剪下根系，在清水中漂洗一下，吸去表面水分，生成二组，每组称取鲜重2g，分别放入两只50ml三角烧瓶中。三角烧瓶加入30ml硫酸铵溶液。另取一只三角烧瓶，加入30ml硫酸铵溶液，但不放根系，以作较正。上述各组处理贴上标签。

❺ 土壤中重金属元素有效量

(一)土壤中重金属元素有效量提取剂及提取方法

土壤中重金属元素全量只是评价土壤重金属元素生物有效性和环境效应的基本前提，而对环境产生直接或潜在影响，或能被农作物吸收利用的，是土壤中重金属元素全量中有效量。土壤中重金属元素的有效量，并不是指以某个特定形态存在的组分，而是指以各种形态存在的组分中的活性部分。如果采用化学提取的方法，就是指能被某种提取剂提取的部分;如果采用农作物有效性的方法，就是指能够被农作物直接利用的部分。因此，有效提取土壤中重金属元素的有效量，并将其与农作物中重金属元素含量结合起来揭示其间的必然联系，是开展土壤重金属元素生态效应评价的首要前提，也是建立重金属元素生态效应评价体系和标准的基础。要进行重金属元素有效量提取，首先需要试制出有效的重金属元素有效量提取剂及相应的提取方法。

在勘查地球化学、土壤化学和环境化学研究领域，通常采用连续提取的方法研究介质中元素的存在形态，并以此来判断元素的活动性。连续提取法根据提取步骤和每一步所使用的提取剂的化学特性，将土壤中元素的存在形态划分为5种相态或7种相态，这种划分方法对于研究元素地球化学特性具有重要意义。如何根据形态分析结果确定元素的有效量尚不明确。因为在元素的各种存在形态中，水溶态和离子交换态的活动性较强，容易被农作物吸收;而其他各相态虽然不能被农作物直接吸收，但在一定环境条件下其中的一部分也可以转化为农作物可以吸收的形态。很显然，根据形态分析结果无法确定能被农作物吸收的有效量到底是多少。

在土壤中重金属元素有效量研究方面，农业部门广泛应用的元素有效态提取方法从理论到操作都比较成熟;但是有效态提取方法存在的一个缺憾是每一种方法只能针对某一种元素，至多两种元素，难以在大规模土壤重金属元素生态效应评价中推广应用。因为土壤重金属元素生态效应评价样品数量大，分析测试指标多。有效态提取方法更侧重农作物营养元素，对重金属元素，如As、Cd、Hg、Pb等的研究不多，而这些元素则是重金属元素生态效应评价中最重要的指标。

在有关元素有效态提取芹州方法的试验研究中，关于通用型提取剂的研究已经有几十年的历史。所谓通用提取剂就是指能够同时提取一个以上可评价土壤肥力或有毒元素有效态部分的提取剂，也称为联合提取剂(VanRaij，1994)。这一思路和相应的方法可以在重金属元素有效量提取剂研制中借鉴。在通用型提取剂中，影响较大的有Mehlich3提取剂和AB－DTPA提取剂，这两种提取剂被认为是可以测定任何类型土壤中元素有效态的通用提取剂(Jones，1990)。这两种提取剂仍然是以提取农作物营养元素为重点，如Mehlich3提取剂把对有效P的提取放在首位;AB－DTPA主要针对Cu、Zn两个元素，也是从农作物营养元素来考虑的。近年来，有研究者尝试在土壤重金属元素生态效应评价中使用AB－DTPA提取剂，取得了一些进展(冯两蕊，2004;肖灵等，2004)。参考元素存在形态、有效态提取剂及提取方法研究应用现状，结合生态效应评价的现实需要，重金属元素有效量提取剂的研制即围绕AB－DTPA展开。

AB－DTPA(碳酸氢氨－二乙三胺五乙酸)提取剂的化学组成为1mol/LNH₄HCO₃－0.005mol/LDTPA(pH=7.6)。其中的DTPA可以配位Fe、Cu、Mn、Zn、Pb、Ni、Cd等重金属阳离子;浸提剂中的NH⁺₄能够交换Na、K、Ca、Mg等碱土金属阳离子;振荡过程中，浸提剂中的HCO^－₃转化为嫌羡蔽CO^2－₃后，与Ca₃(PO₄)₂中的Ca²⁺生成沉淀并释放出其中的PO^3－₄。同样原理，也可以释放出MoO^3－₄、BO^3－₃、AsO^3－₄、SeO^2－₄等含氧酸根阴离子(Soltanpour，1985)，派帆这些阴离子恰好是对作物有效的存在形态。对于酸性土壤，由于AB－DTPA提取剂为pH=7.6的近中性溶液，加入土壤后不会明显改变土壤酸碱性及元素存在形态，仍然能够以离子交换和配位作用方式提取各种阳离子和阴离子。从理论上分析，AB－DTPA就可以同时满足对不同酸碱类型土壤中元素有效量的提取。

AB－DTPA提取剂的有效性和实用性，通过AB－DTPA提取量与国家标准有效态提取方法提取量之间的相关性研究来确定。出于对比研究的需要，选择有国家标准有效态提取方法的Cu、Zn、B、Mo和Si等几个元素开展试验。结果证明，对于石灰性和酸性土壤，AB－DTPA提取的Cu、Zn有效量与国家标准有效态提取方法提取的Cu、Zn有效态含量相关性均达到极显著水平(α<0.01)(图6－22)，说明用AB－DTPA提取剂能够反映土壤中这两个元素的有效量状况。

利用AB－DTPA法与国家标准有效态提取方法提取的土壤Mo、S、Si有效量含量的相关关系也都达到了极显著水平(α<0.01)，说明AB－DTPA提取剂也可以用来表征土壤中Mo、S、Si等的有效量。

影响根系土中能被农作物直接吸收利用元素有效量的土壤理化特性包括pH值、电导率(EC)、有机碳(Org.C)含量、黏粒含量(nl)、阳离子交换量(CEC)等。在很多情况下，正是由于土壤理化特性的影响使得农作物中元素含量与根系土中元素含量之间的关系变得复杂和不确定。要了解农作物根系土与籽实中元素含量间的关系，就具体的某种重金属元素来说，首先要明确的是哪种或哪些土壤理化特性指标在影响其有效量与全量关系中起主导作用。

从现有的试验条件和试验研究需要出发，研究中对土壤pH值、有机碳含量、阳离子交换量、电导率、黏粒含量等几项能够量化的土壤理化特性指标进行了分析测试，在分析测试结果基础上应用SAS统计软件，在考虑了土壤理化特性影响的前提下，对农作物根系土中重金属元素有效量与全量间的关系进行了统计分析，统计结果的置信限α为5%，结果见表6－30。

为了保证方差的同质性，在进行统计分析之前，先将每一项指标的分析值转换为log₁₀对数的形式(除pH外，因为pH已经是［H⁺］的对数)。这样，表6－30中所列示的农作物根系土中有效量与全量关系统计结果实际上是各项指标对数函数间的关系。表6－30展示出的对农作物根系土中有效量与全量关系产生影响的土壤理化特性指标，均是在第一步回归分析中显示出来的有显著影响的因子。

表6－30 农作物根系土中重金属元素有效量与全量相关关系

注:“—”表示土壤理化特性对元素有效态与全量间相关性的影响没有达到显著水平(α<0.05);EC为电导率，单位mS/cm;CEC为阳离子交换量，单位cmol/kg;Org.C为有机碳，单位%;nl为粒径小于2μm的土壤颗粒(黏粒)的百分含量，单位%。表中Cd、Hg含量单位为10^－9，其余为10^－6。

从表6－30中可以看出，在4个研究区中，对农作物根系土中有效量与全量关系产生最显著影响的土壤理化指标首推pH值，在第一步回归分析中共出现了12次，充分说明土壤pH值是影响根系土中元素有效量与全量之间关系的最主要土壤理化指标。除江苏研究区的As以外(该元素有效态主要以含氧酸根形式存在，因此随pH升高而升高)，农作物根系土中其他元素的有效量都是随着土壤pH值升高而降低，二者呈现出负相关关系。已有研究证明，通常情况下pH值主要是通过影响元素在土壤中的存在形态进而影响其行为。对中性和酸性土壤而言，pH值的改变能使重金属元素以水溶态和离子交换态存在的量发生变化，从而改变元素的生物有效性;在石灰性土壤中，pH值变化对元素活动性的影响主要通过改变碳酸盐结合态与水溶态和离子交换态之间的转化方向而体现出来。大量盆栽试验和田间小区试验中用石灰调节土壤pH值，都有效控制了土壤溶液中的元素离子的浓度，从而降低了农作物对毒害元素的吸收(邵孝侯等，1993;李瑞美等，2003;Bujnovsky，1999)，这些研究成果都证明了土壤pH值改变对元素有效量的调控功能。

在土壤pH值之后，对农作物根系土中有效量与全量关系产生显著影响的土壤理化指标依次是有机碳(Org.C)、黏粒(nl)等，其中有机碳(Org.C)在黑龙江－吉林研究区是最主要的影响因子。

土壤中元素的存在形态受土壤理化特性等因素影响，外部环境条件的改变只是影响土壤中元素存在形态及形态转变的外部因素，内因的影响也不可忽视，即自然风化、成壤过程中元素固有的存在形态特征。就表层土壤中累积的重金属元素而言，其叠加到土壤中的载体固有的存在形态，是决定其活动性的最根本因素。有研究结果证实，叠加到土壤中的重金属元素或以固体颗粒物为载体，或以矿物的形式存在(朱立新等，2004;马生明等，2004;Zhuetal，2005;马生明等，2007)，这种稳定的存在形式是土壤理化性质变化所难改变的，由此就限制了这部分重金属元素的生态效应。

综上所述，土壤中元素的有效量受多方面因素的综合影响，这些因素既有自然环境方面的，也有土壤理化性质方面的，还有叠加物载体特性等。通过试验研究发现，无论哪一影响因素，均是通过控制元素的存在形态及形态转化进而影响重金属元素的有效量及其生态效应。

农作物根系土中，包括其他类型的土壤中重金属元素含量、有效量之间的相关性复杂多样，受到土壤理化特性等的影响;但是对某些重金属元素而言两者间的相关关系毕竟还是存在的，而且还与极个别农作物中重金属元素含量表现出一定的相关性。由此说明，土壤中重金属元素还是会对农作物的食品卫生质量等造成影响。土壤中重金属元素异常普遍存在，土壤中多数重金属元素含量与农作物食品卫生质量间的关系并不确定，在这种情况下如何评价普遍存在于土壤中的重金属元素异常的生态效应就成为亟待破解的难题。一条可能的有效途径是针对土壤中重金属元素异常的成因机理、异常组分存在形态特点等，以异常生态效应试验结果为基础，建立相应的评价标准，据此至少可以对存在于土壤中的重金属元素异常进行定性评价。