第7章生物地球化学循环第1节土壤的组成第2节土壤的性质第3节物质循环与土壤形成第4节土壤分类与土壤类型第4节生态系统的组成与结构第6节生态系统的能量流动第7节生态系统的物质循环第8节地球上的生态系统引子：生物地球化学循环概述一、何谓生物地球化学循环？1.概念：生命有机体及其产物与周围环境之间反复不断进行的物质和能量的交换过程。

2.过程：物能的吸收-同化-排放-分解-归还-流失3.性质：非封闭的循环（进入土壤、岩层、海底）4.主体：生物和土壤5.循环的介质：水和大气二、人类对生物地球化学循环的影响1.大气、水体、土壤的污染2.污染物质的迁移、转化和集散3.对人类健康的威胁第1节土壤的组成引言：土壤与土壤肥力1. 土壤：在陆地表层和浅水域底部、由有机和无机物质组成、具有肥力、能生长植物的疏松层。

2.土壤的本质是肥力，指土壤中水、热、气、肥（养分）周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物需求的能力。

3. 土壤是一种类生物体代谢和调节功能比生物弱（如温度）不具有生长、发育和繁殖的功能不具有功能各异的器官一、土壤的无机组成1. 原生矿物：在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物。

土壤中各种化学元素的最初来源；土壤矿物质的粗质部分；经化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需养分。

2. 次生矿物：岩石在化学风化过程中新生成的土壤矿物，如粘土矿物。

土壤矿物质中最细小的部分；具有吸附保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。

二、土壤的有机组成1.原始组织：包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。

土壤有机部分的最初来源2.腐殖质：有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的、比较稳定的分解产物，呈黑色或棕色，性质上为胶体状（颗粒直径<1μm）。

具有极强的吸持水分和养分离子的能力，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。

土壤中生活的重要生物类群三、土壤水分1.土壤水分通常是以溶液的形式存在的。

2.土壤溶液通过与土壤固体和植物的养分交换，为植物提供养料。

四、土壤空气性质与大气圈中的空气明显不同:1.分布不连续，组分各处不同；2.一般含水量高于大气；3.CO2含量明显高于大气，O2的含量略低于大气。

一般来讲，稳温必然稳水，稳水必然稳气，稳气必然稳肥。

第2节土壤的性质一、土壤的垂直分层（一）枯枝落叶层由地表植物的枯枝落叶堆积而成。

（二）腐殖质层由土壤有机质在土壤动物和微生物的作用下经腐烂、分解和再合成的产物，呈黑色。

（三）淋溶层在水分下渗作用下，水溶性物质和细小土粒向下层移动，留下的由砂粒组成的土层。

（四)淀积层淀积了上层淋溶下来的物质的土层，质地较粘重，土体紧实。

（五）母质层尚未经过成土作用的残积物或冲积物。

自然土壤剖面二、土壤的物理性质（一）土壤质地指土壤颗粒的粗细程度，即砂、粉砂和粘粒的相对比例。

土壤粒级：砂粒、粉砂、粘粒土壤质地的分类（二）土壤结构土壤颗粒相互胶结在一起而形成的团聚体。

1.按形态分为球状（腐殖质层）、板状（淋溶层）、块状和棱柱状（淀积层）。

2.球状团粒结构是肥沃土壤的重要标志之一：协调土壤水分和空气的关系；解决养分供给与保存的矛盾；具有抗旱与防涝性能。

（三）土壤孔隙土壤的总体积包括固体和孔隙两部分，各占体积的约50％。

在孔隙中水和空气各占体积的25％。

砂土的容重较大，孔隙度较小，多为大孔隙；（四）土壤温度1.能量输入与输出（1）土壤所吸收的能量主要来源于太阳辐射，以长波辐射、水分蒸发、加热土壤以上的空气和加热土壤层等途径散失。

（2）土壤温度直接影响土壤动物、植物和微生物的活动，以及粘土矿物形成的化学过程强度。

（3）土壤温度日变幅在表层最大，随深度的增加而减小。

（4）土壤温度季节变幅在表层最大，中、下层变幅小。

在土壤深层，温度的变化具有明显的滞后性。

近地表大气温度和土壤温度的日变化2.土壤热性质（1）土壤比热容：单位质量土壤的温度升降1K 所吸收或放出的热量（J/g·K）。

受水分含量、质地和孔隙度影响。

含水量越高，比热越大；砂土孔隙度小，比热也小，粘土孔隙度大，比热也大。

（2）土壤导热率：单位截面（1cm2）、单位距离（1cm）相差1K时，单位时间内传导通过的热量，单位是J/（cm·s·K），土壤固体>土壤水分>土壤空气。

受土壤孔隙度（-）、松紧度（+）和含水量（+）影响。

三、土壤的化学性质（一）土壤胶体性质1.概念：土壤胶体颗粒的直径通常小于1μm，是一种液-固体系。

胶体含量越高的土壤，其表面能也越高，从而养分的物理吸收性能便越强。

2.类型：有机胶体（腐殖质）、无机胶体（黏土矿物）和有机-无机复合胶体。

3.性质：土壤胶体带有负电荷，也可以带正电荷。

带负电荷的胶粒吸附阳离子，带正电荷的胶粒吸附阴离子。

4.养分吸收：通过物理化学吸收作用将对植物生长重要的金属阳离子保存在土壤中，避免其流失。

5.离子交换：胶体吸附的离子可与土壤溶液中其他电荷符号相同的离子相交换。

一种阳离子将另一种阳离子从胶粒上交换下来的能力称为阳离子的交换能力。

Fe3＋>Al3＋>H＋>Ca2＋>Mg2＋>NH4＋>K＋>Na＋6.离子交换作用的度量（1）土壤阳离子交换量：指每千克干土中所含交换性阳离子的总量，以mmol(＋)·kg-1表示。

土壤的阳离子交换量大，说明土壤胶体从土壤溶液中吸附或交换的阳离子多，养分状况好。

（2）土壤盐基饱和度：指土壤胶体吸附交换性盐基离子（指除了H＋和Al3＋之外的其他阳离子）多少的程度，用所吸附的交换性盐基离子总量占交换性阳离子总量的百分比表示：（二）土壤酸碱度1.概念：土壤盐基状况的一种综合反映。

土壤酸度是由H ＋引起的，而土壤碱度则与OH －的数量有关。

交换性氢离子和铝离子可以增加土壤溶液中H ＋的浓度；金属阳离子对土壤溶液中OH －浓度有直接的影响。

+++→++H 2Al(OH)O 2H 3Al [][]−+++⇔+OH 22Ca HH O 2H 2Ca 土壤胶体土壤胶体2.类型（1）活性酸度：由土壤溶液中游离的H＋造成的，通常用pH值（土壤溶液中氢离子浓度的负对数）表示，据此，可将土壤分为若干的酸碱度等级。

（2）潜在酸度：土壤胶体所吸附的H ＋和Al 3＋被交换出来进入土壤溶液中所显示的酸度。

活性酸度和潜在酸度在本质上并没有截然的区别，二者保持着动态平衡的关系：潜在酸度活性酸度3.土壤的缓冲作用：土壤对酸化和碱化的自动协调能力，它使得土壤pH值具有稳定性，给高等植物和微生物提供比较稳定的化学环境。

++⇔++3Al H3Al H 和土壤溶液中的和吸附的4.土壤酸碱度的影响（1）影响土壤养分的有效性：土壤pH值与微生物活动和植物营养元素的有效性（如溶解度）之间存在着相关性。

（2）影响植物的性状：一些植物对于土壤酸碱度的适应范围比较狭窄，成为不同酸碱度土壤的指示植物：酸性土植物（pH＜6.5）：马尾松、铁芒箕中性土植物（pH6.5～7.5）：多数农作物碱性土植物（pH＞7.5）：蜈蚣草、铁线蕨（三）氧化还原反应1.概念：土壤中某些无机物质的电子得失过程。

2.氧化作用：一个原子或离子失去电子的过程。

易得到电子的物质，称为氧化剂。

土壤中的氧化作用主要由游离氧、少量的NO3－和高价金属离子如Mn4＋、Fe3＋等引起，它们是土壤溶液中的氧化剂。

非渍水土壤中，最重要的氧化剂是氧气。

氧在氧化有机质时，本身被还原为水：O 2+4H＋+4e→2H2O存在于非渍水土壤中的氧化态物质有利于植物的吸收利用。

如果土壤中缺氧，则其他氧化态较高的离子或分子成为氧化剂。

3.还原作用：一个原子或离子得到电子的过程，易失掉电子的物质，称为还原剂。

土壤中的还原作用是由有机质的分解、嫌气微生物的活动，以及低价铁和其它低价化合物所引起的，其中最重要的还原剂是有机质。

存在于有机质累积层或渍水条件下的还原态物质不但有效性降低，甚至会对植物产生毒害。

4.氧化还原电位（E h ）：氧化还原反应强度的度量。

单位：V 影响因素：土壤通气状况和有机质 通常将E h ＝0.3V 作为氧化性和还原性的分界线。

砂质土壤，孔隙大，通气良好，氧化态物质多，氧化还原电位高； 粘性土壤，孔隙小，通气不良，还原态物质多，氧化还原电位低。

2. 土壤养分子系统（1）土壤养分：指植物可利用的、对植物的生长发育起重要作用的营养成分。

（2）基本组分养分的储存是系统分析的中心；来自风化的养分输入和养分循环提高土壤养分含量；淋溶流失和取走收获物降低土壤养分含量； 降水既促进养分随排水流失，也将大气中的化学物质和养分带入土壤养分系统；养分的输入、输出和循环强度与速度受到地方性和区域性水分、温度、生物等自然条件的控制；土壤养分状况是三者达到平衡的结果。

二、成土因素1. 土壤形成因素学说：土壤的性质是气候、生物、地形、母质和时间等成土因素综合作用的结果。

S = f（cl,o,r,p,t…）2. 单一因素对土壤影响的分析S = f（cl）o, r, p, t,（气候函数）S = f（o）cl, r, p, t,（生物函数）S = f（r）cl, o, p, t,（地形函数）S = f（p）cl, o, r, t,（岩石函数）S = f（t）cl, o, r, p,（时间函数）S = f（…）cl, o, r, p, t,（其他成土因素函数）3. 土壤系统状态因素分析：S=f（L0,P x,t）三、土壤形成过程（一）土壤形成的一般过程土壤肥力的发生与发展是自然界物质的地质大循环与生物小循环相互作用的结果。

1.地质大循环：矿物质养分在陆地和海洋之间循环变化的过程，周期大约在106～108年。

对于土壤形成起关键作用的过程为：风化过程：在土壤形成中的作用表现为原生矿物的分解和次生粘土矿物的合成。

淋溶过程：使有效养分向土壤下层和土体以外移动，促进土壤物质更新和土壤剖面发育。

2.生物小循环：营养元素在生物体和土壤之间循环变化的过程，周期一般为1～102年。

对于土壤形成起关键作用的过程为：有机质的累积、分解和腐殖质的合成：促进植物营养元素在土壤表层的集中和积累。

3.养分的发展方向与平衡状态有机质累积强，风化和淋溶弱：养分保存多，肥力高（如温带草原地区）；有机质累积弱，风化和淋溶强：养分保存少，肥力低（如热带劣地）。

4.人类活动对物质循环和土壤形成的干扰砍伐森林、耕垦草原、围湖围海造田；开采矿山、城市建设；向土壤中排放各种污染物。

5.气候变化影响土壤发育的方向改变风化、淋溶和有机质积累过程；导致一些土壤的消亡，形成古土壤的埋藏。

（二）土壤的主要成土过程1.原始土壤形成过程（高山区、陡坡）2.盐渍化过程（干旱、半干旱地区和滨海地区）3.钙积过程（干旱、半干旱地区）4.黏化过程（温暖、湿润的暖温带和北亚热带气候）5.白浆化过程（冷湿的气候，季节性还原淋溶）6.富铝化过程（热带、亚热带高温多雨的气候）7.有机质积累过程（普遍的成土过程）8.潜育化过程（长期渍水的条件）9.灰化过程（寒带或寒温带针叶林植被）10.土壤熟化过程（耕作条件，定向培肥）第4节土壤分类与土壤类型一、土壤分类1.定义：将自然界的各种土壤按照其基本性质、形成条件、形成过程等的相似性加以归纳，组织成一定的分类系统，并给各种土壤命名的方法。