第二节　土壤性质

一、土壤物理性质

从物理学的观点看，土壤是一个极其复杂的、三相物质的分散系统。它的固相基质包括大小、形状和排列不同的土粒。这些土粒的相互排列和组织，决定着土壤结构与孔隙的特征，水、土壤气体和溶解其中的物质就在孔隙中保存和传导。土壤三相物质的组成和它们之间强烈的相互作用，表现出土壤的各种物理性质。

（一）土壤质地

将土壤的颗粒组成区分为几种不同的组合，并给每个组合一定的名称，这种分类命名称为土壤质地。如砂土、砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土、黏土等。

1.土壤土粒与粒级

土粒：土壤固体物质的大小和形态各异，称为矿物质土粒或矿质土粒，简称土粒。土粒包括单粒和复粒。

单粒：相对稳定的土壤矿物的基本颗粒，不包括有机质单粒。

复粒（团聚体）：由若干单粒团聚而成的次生颗粒为复粒或团聚体。

粒级：按一定的直径范围，将土划分为若干组。

土壤中单粒的直径是一个连续的变量，只是为了测定和划分的方便，进行了人为分组。土壤中颗粒的大小不同，成分和性质各异；根据土粒的特性并按其粒径大小划分为若干组，使同一组土粒的成分和性质基本一致，组间则差异较明显。

（1）粒级划分标准　如何把土粒按其大小分级，分成多少粒级，各粒级间的分界点（当量粒径）定在哪里，至今尚缺公认的标准。在许多国家，各个部门采用的土粒分级制也不同，常见的几种土壤粒级制列于表2.7。由表2.7可见，各种粒级制都把大小颗粒分为石砾、砂粒、粉粒（曾称粉砾）和黏粒（包括胶粒）4组。

注：引自朱祖祥，1983。

（2）各粒级组的性质

石砾：主要成分是各种岩屑，由母岩碎片和原生矿物粗粒组成，其大小和含量直接影响耕作难易。

砂粒：由母岩碎屑和原生矿物细粒（如石英等）所组成，比表面积小，养分少，保水保肥性差，通气性好，无胀缩性。

粉粒：其矿物组成以原生矿物为主，也有次生矿物，氧化硅及铁硅氧化物的含量分别在60%～80%及5%～18%之间。粉粒颗粒的大小和性质介于砂粒和黏粒之间，有微弱的黏结性、可塑性、吸湿性和胀缩性。

黏粒：主要成分是黏土矿物，主要由次生铝硅酸盐组成，是各级土粒中最活跃的部分，常呈片状，颗粒很小，比表面积大，养分含量高，保肥保水能力强，通气性较差。黏粒矿物的类型和性质能反映土壤形成条件和形成过程的特点。

2.土壤质地分类

（1）国际制　根据砂粒（2～0.02mm）、粉砂粒（0.02～0.002mm）和黏粒（<0.002mm）的含量确定，用三角坐标图。如图2.5所示。

（2）美国农部制　美国农部制把土壤分为12种质地。1938年前，美国农部土壤质地分类以5μm作为黏粒上限，之后则接受Atterberg分类制以2μm作为黏粒界限，与大多数土壤质地分类体系统一了黏粒标准，其他粒级的大小限度则不变（图2.6）。

（3）俄罗斯卡庆斯基制　卡庆斯基制的基本分类中将土壤分为3组共9个质地（表2.8），其主要特点包括：①将土粒分为物理性黏粒和物理性砂粒两级；②按物理性黏粒和物理性砂粒的数量进行质地分类，而非如国际制中按砂粒、粉粒、黏粒三个粒级的相对量进行分级；③考虑到土壤质地类型的不同，对不同土壤有不同的分组尺度。卡庆斯基制的详细分类则是在基本分类的基础上进一步把9个质地细分为39个质地类别。

（4）中国土壤质地分类　中国现代土壤质地分类研究始于20世纪30年代，熊毅提出一个较完整的质地分类方法，将土壤分为砂土、壤土、黏壤土和黏土4组共22个质地。1978年中国科学院南京土壤研究所和西北水土保持研究所等单位拟定了我国土壤质地分类暂行方案，共分为3组11种质地。邓时琴于1986年对此分类做了修改，提出了我国现行的土壤质地分类系统（表2.9）。

3.土壤质地与土壤肥力性状关系

（1）土壤质地与土壤营养条件的关系

肥力性状　　　　　　砂土　　　 壤土　　　黏土

保持养分能力　　　　 小　　　　中等　　　 大

供给养分能力　　　　 小　　　　中等　　　 大

保持水分能力　　　　 小　　　　中等　　　 大

有效水分含量　　　　 少　　　　 多　　　 中～少

（2）土壤质地与环境条件的关系

　 环境条件　　　　　 砂土　　　 壤土　　　黏土

　　通气性　　　　　　 易　　　　中等　　　不易

　　透水性　　　　　　 易　　　　中等　　　不易

　　增温性　　　　　　 易　　　　中等　　　不易

另外，土壤中石砾对土壤肥力有一定的影响。

（二）土壤结构

自然界中土壤固体颗粒很少完全呈单粒状态存在，多数情况下，土粒（单粒和复粒）会在内外因素综合作用下相互团聚成一定形状和大小且性质不同的团聚体（亦即土壤结构体），由此产生土壤结构。

土壤结构体：土壤中的各级土粒或其中的一部分互相胶结，团聚而形成的大小、形状、性质不同的土团、土块、土片等。

土壤结构性：土壤中的单粒和结构体的数量、大小、形状、性质及其相互的排列和相应孔隙状况等的综合特性。

1.土壤结构类型

土壤结构体的划分主要依据它的形态、大小和特性等。目前国际上尚无统一的土壤结构分类标准。最常用的是根据形态、大小等外部性状来分类，较为精细的分类则结合外部性状与内部特性（主要是稳定性、多孔性）同时考虑，常有以下几类。

（1）块状结构和核状结构　土粒相互黏结成为不规则的土块，内部紧实，轴长在5cm以下，而长、宽、高三者大致相似，称为块状结构。可按大小再分为大块状、小块状、碎块状及碎屑状结构。碎块小且边角明显的则叫核状结构，常见于黏重的心、底土中，系由石灰质或氢氧化铁胶结而成，内部十分紧实。如红壤下层由氢氧化铁胶结而成的核状结构，坚硬而且泡水不散。

（2）棱柱状结构和柱状结构　土粒黏结成柱状体，纵轴大于横轴，内部较紧实，直立于土体中，多现于土壤下层。边角明显的称为棱柱状结构，棱柱体外常由铁质胶膜包着；边角不明显，则叫柱状结构体，常出现于半干旱地带的心土和底土中，以柱状碱土碱化层中的最为典型。

（3）片状结构（板状结构）　其横轴远大于纵轴发育，呈扁平状，多出现于老耕地的犁底层。在表层发生结壳或板结的情况下，也会出现这类结构。在冷湿地带针叶林下形成的灰化土的漂灰层中可见到典型的片状结构。

（4）团粒结构　包括团粒和微团粒。团粒为近似球形的较疏松的多孔小土团，直径约为0.25～10mm。0.25mm以下的则为微团粒。这种结构体在表土中出现，具有水稳性（泡水后结构体不易分散）、力稳性（不易被机械力破坏）和多孔性等良好的物理性能，是农业土壤的最佳结构形态。

2.土壤结构形成的因素

①需要一定数量和直径足够小的土粒，土粒越细，数量越多，黏结力越大。

②使土粒聚合的阳离子：不同种类离子的聚合能力不同，Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+、H+、、K+、Na+聚合能力逐渐减小。

③胶结物质：主要是各种土壤胶体。无机胶体包括黏土矿物、含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等。有机胶体包括腐殖质、多糖（线性的高分子聚合体）、葡萄糖等。

④外力的推动作用：主要是促使较大土壤颗粒破碎成细小颗粒，或促进小颗粒之间的黏结。起外力推动作用的因素有3个方面：a.土壤生物，如进行根系的生长（穿插、挤压、分泌物及根际微生物）、动物的活动；b.大气变化，如干湿、冻融交替；c.人为活动，如耕作、施肥。

3.土壤结构与土壤肥力

①森林土壤的表层，如没有被破坏，都有良好的团粒结构，还有粒状、块状结构。

②具有团粒结构或粒状的土壤，透气性、渗水性和保水性好，有利于根的生长。

③质地为砂土、砂壤土、轻壤土的土壤，土壤结构的影响较小；而质地为黏土、重壤土、中壤土或沉积紧实的砂土，土壤结构的影响较大。

土壤结构可以改变质地对土壤孔隙的影响。多年施用有机肥可使砂土团聚成块，增加土壤保水能力，可使黏土疏松多孔。

（三）土壤孔性

土壤孔隙性质（简称孔性）是指土壤孔隙总量及大、小孔隙分布。其好坏决定于土壤的质地、松紧度、有机质含量和结构等。土壤结构是指土壤固体颗粒的结合形式及其相应的孔隙性和稳定度。可以说，土壤孔性是土壤结构性的反映，结构好则孔性好，反之亦然。

1.土壤比重 与土壤容重

土壤孔隙的数量及分布，可分别用孔隙度和分级孔度表示。土壤孔度一般不直接测定，而以土壤容重和土壤比重计算而得。土壤分级孔度，亦即土壤大小孔隙的分配，包含其连通情况和稳定程度。

（1）土壤比重　单位体积的土壤固体物质干重与4℃时同体积水的质量之比，无量纲。其数值大小主要决定于土壤的矿物组成，有机质含量对其也有一定影响。在土壤学中，一般把接近土壤矿物相对密度（2.6～2.7左右）的数值2.65作为土壤表层的平均比重值。

（2）土壤容重　单位原状土壤体积的烘干土重，称为土壤容重，单位为g/cm3。土壤矿物质、土壤有机质含量和孔隙状况是影响容重的重要因素。

一般矿质土壤的容重为1.33g/cm3，砂土中的孔隙数量少，总的孔隙容积较小，容重较大，一般为1.2～1.8g/cm3；黏土的孔隙容积较大，容重较小，一般为1.0～1.5g/cm3；壤土的容重介于砂土与黏土之间。有机质含量越高，土壤容重越小。而质地相同的土壤，若有团粒结构形成则容重减小；无团粒结构的土壤，容重大。此外，土壤容重还与土壤层次有关，耕层容重一般在1.10～1.30g/cm3，随土层增深，容重值也相应变大，可达1.40～1.60g/cm3。实际土壤的容重可以以测量结果表示，常以实际土壤中取样获得的定容积（如100cm3）土壤的重量来表示。

土壤容重（g/cm3）=土壤质量（g）/土壤体积（cm3）　　（2.6）

2.土壤孔隙度

单位原状土壤体积中土壤孔隙体积所占的百分率称为土壤孔隙度。总孔隙度不直接测定，而是计算出来。

总孔隙度=（1-土壤容重/土壤比重）×100%　　（2.7）

3.孔隙的类型分级

孔隙的真实直径是很难测定的，土壤学所说的直径是指与一定土壤吸力相当的孔径，与孔隙的形状和均匀度无关。根据孔隙的粗细分为三类。

（1）非毛管孔隙　孔隙直径大于0.02mm，水受重力作用自由向下流动，植物幼小的根可在其中顺利伸展，气体、水分流动。

（2）毛管孔隙　孔隙直径在0.02～0.002mm之间，毛管力发挥作用，植物根毛（<0.01）可伸入其中，原生动物和真菌菌丝体也可进入，水分传导性能较好，同时可以保存水分，水分可以被植物利用。

（3）非活性毛管孔隙　小于0.002mm，即使细菌（0.001～0.05mm）也很难在其中居留，这种孔隙的持水力极大，同时水分移动的阻力也很大，其中的水分不能被植物利用（有效水分含量低）。

4.适宜的土壤孔隙状况

土壤中大小孔隙同时存在，土壤总孔隙度在50%左右，而毛管孔隙在3%～40%之间，非毛管孔隙在20%～10%，非活性毛管孔隙很少，则比较理想；若总孔隙大于60%～70%，则过分疏松，难于立苗，不能保水；若非毛管孔隙小于10%，不能保证空气充足，通气性差，水分也很难流通（渗水不好）。

（四）物理机械性与耕性

1.土壤的物理机械性

土壤物理机械性是多项土壤动力学性质的统称，它包括黏结性、黏着性、可塑性以及其他受外力作用（如农机具的剪切、穿透和压板等作用）而发生形变的性质。

（1）黏结性　指土粒之间相互吸引黏合的能力。也就是土壤对机械破坏和根系穿插时的抵抗力。在土壤中，土粒通过各种引力而黏结起来，就是黏结性。不过由于土壤中往往含有水分，土粒与土粒的黏结常常是通过水膜为媒介的。同时，粗土粒可以通过细土粒（黏粒和胶粒）为媒介黏结在一起，甚至通过各种化学胶结剂为媒介而黏结在一起，也归之于土壤黏结性。土壤黏结性的强弱，可用单位面积上的黏结力（g/cm2）来表示。一般黏粒含量高、含水量大、有机质缺乏的土壤，黏结性强。

（2）黏着性　土壤黏附外物的性能，黏着性在土壤湿润时产生，随含水量增加而升高，但是土壤颗粒与外物之间通过水膜所产生的吸引力作用而表现的性质。水分过多时，黏着性则下降。土壤黏着力的大小以g/cm2等表示。影响土壤黏着性大小的主要是活性表面大小和含水量多少这两方面。

（3）可塑性　土壤在适宜水分范围内，可被外力塑造成各种形状，在外力消除后和干燥后，仍能保持此性状的性能。土壤可塑性是片状黏粒及其水膜造成的。黏粒是产生黏结性、黏着性和可塑性的物质基础，水分条件是表现强弱的条件。一般认为，过干的土壤不能任意塑形，泥浆状态的土壤虽能变形，但不能保持变形后的状态。因此，土壤只有在一定含水量范围内才具有可塑性。

2.土壤耕性

土壤耕性是指由耕作所表现出来的土壤物理性质，它包括：①耕作时土壤对农具操作的机械阻力，即耕作的难易问题；②耕作后与植物生长有关的土壤物理性状，即耕作质量问题。因此，对土壤耕性的要求包括耕作阻力尽可能小，以便于作业和节约能源；耕作质量高，耕翻的土壤要松碎，便于根的传扎和有利于保温、通气和养分转化；适耕期尽可能长。

由于耕性是土壤力学性质在耕作上的综合反映，所以凡是影响土壤力学性质的因子，如土壤质地、有机质含量、土壤结构性及含水量等，必定影响着土壤的耕性。

二、土壤化学性质

（一）土壤胶体特性及吸附性

1.土壤胶体及其种类

土壤胶体是指土壤中粒径小于2μm或小于1μm的颗粒，为土壤中颗粒最细小而最活跃的部分。按成分和来源，土壤胶体可分为无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体三类。

（1）无机胶体　无机胶体包括成分简单的晶质和非晶质的硅、铝的含水氧化物，成分复杂的各种类型的层状硅酸盐（主要是铝硅酸盐）矿物。常把此两者统称为土壤黏粒矿物，因其同样都是岩石风化和成土过程的产物，并同样影响土壤属性。

含水氧化物主要包括水化程度不等的铁和铝的氧化物及硅的水化氧化物。其中又有结晶型与非晶质无定形之分，结晶型的如三水铝石（Al2O3·3H2O）、水铝石（Al2O3·H2O）、针铁矿（Fe2O3·3H2O）、褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）等；非晶质无定形的如不同水化度的SiO2·nH2O、Fe2O3·nH2O、Al2O3·nH2O和MnO2·nH2O及它们相互复合形成的凝胶、水铝英石等。

（2）有机胶体　主要是腐殖质，还有少量的木质素、蛋白质、纤维素等。腐殖质胶体含有多种官能团，属两性胶体，但因等电点较低，所以在土壤中一般带负电，因而对土壤中无机阳离子特别是重金属等的吸附性能影响巨大。但它们不如无机胶体稳定，较易被微生物利用和分解。

（3）有机-无机复合体　土壤的有机胶体很少单独存在，大多通过多种方式与无机胶体相结合，形成有机-无机胶体复合体，其中主要是二、三价阳离子（如钙、镁、铁、铝等）或官能团（如羟基、醇羟基等）与带负电荷的黏粒矿物和腐殖质的连接作用。有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于黏粒矿物表面上，还可能进入黏粒矿物的晶层之间。土壤有机质含量越低，有机-无机胶体复合越高，一般变动范围为50%～90%。

2.土壤胶体的特性

土壤胶体是土壤中最活跃的部分，其构造由微粒核及双电层两部分构成。这种构造使土壤胶体产生表面特性及电荷特性，表现为具有较大的表面积并带有电荷，能吸附各种重金属等污染物，有较大的缓冲能力，对土壤中元素的保持和耐受酸碱变化以及减轻某些毒性物质的危害有重要的作用。此外，受其结构的影响，土壤胶体还有分散、絮凝、膨胀、收缩等特性，这些特性与土壤结构的形成及污染物在土壤中的行为均有密切的关系。而它所带的表面电荷则是土壤具有一系列化学、物理化学性质的根本原因。土壤中的化学反应主要为界面反应，这是由于表面结构不同的土壤胶体所产生的电荷，能与溶液中的离子、质子、电子发生相互作用。土壤表面电荷数量所决定的表面电荷密度，则影响着对离子的吸附强度。所以，土壤胶体特性影响着重金属、有机污染物等在土壤介质表面或溶液中的积聚、迁移和转化，是土壤对污染物有一定自净作用和环境容量的重要原因。

3.土壤吸附性

土壤是永久电荷表面共存的体系，可吸附阳离子，也可吸附阴离子。土壤胶体表面通过静电吸附的离子能与溶液中的离子进行交换反应，也能通过共价键与溶液中的离子发生配位吸附。因此，土壤学中，将土壤吸附性定义为：土壤固相和液相界面上离子或分子的浓度大于整体溶液中该离子或分子浓度的现象，此时为正吸附。在一定条件下也会出现与正吸附正好相反的的现象，即称为负吸附，是土壤吸附性能的另一种表现。土壤吸附性是重要的土壤化学性质之一。它取决于土壤固相物质的组成、含量、形态，以及酸碱性、温度、水分状况等条件及其变化，影响着土壤中物质的形态、转化、迁移和生物有效性。

按产生机理的不同可将土壤吸附性分为交换吸附、专性吸附、负吸附等不同类型。

（1）交换吸附　带电荷的土壤表面借静电引力从溶液中吸附带异号电荷或极性分子。在吸附的同时，有等当量的同号另一种离子从表面上解吸而进入溶液，其实质是土壤固液相之间的离子交换反应。

（2）专性吸附　相对于交换吸附而言，是非静电因素引起土壤对离子的吸附。土壤对重金属离子专性吸附的机理有表面配合作用和内层交换说；对于多价含氧酸根等阴离子专性吸附的机理则有配位体交换说和化学沉淀说。这种吸附仅发生在水合氧化物型表面（也即羟基化表面）与溶液的界面上。

（3）负吸附　与上述两种吸附相反，土壤表面排斥阴离子或分子的现象，表现为土壤固液相界面上，离子或分子的浓度低于整体溶液中该离子或分子的浓度。其机理是静电因素引起的，即阴离子在负电荷表面的扩散双电层中受到相斥作用；是土壤力求降低其表面能以达体系的稳定，因此凡会增加体系表面能的物质都会受到排斥。在土壤吸附性能的现代概念中的负吸附仅指离子的作用，分子负吸附则常归入土壤物理性吸附的范畴。

（二）土壤酸碱性

土壤酸碱性与土壤的固相组成和吸附性能有着密切的关系，是土壤的一个重要化学性质，其对植物生长和土壤生产力以及土壤污染与净化都有较大的影响。

1.土壤pH值

土壤酸碱度常用土壤溶液的pH值表示。土壤pH值常被看作土壤性质的主要变量，它对土壤的许多化学反应和化学过程都有很大的影响，对土壤中的氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配位反应起支配作用。土壤pH值对植物和微生物所需养分元素的有效性也有显著的影响。在pH>7的情况下，一些元素，特别是微量金属阳离子如Zn2+、Fe3+等的溶解度降低，植物和微生物会受到由于此类元素的缺乏而带来的负面影响；pH<5.0～5.5时，铝、锰及众多重金属的溶解度提高，对许多生物产生毒害；更极端的pH值预示着土壤中将出现特殊的离子和矿物，例如pH>8.5，一般会有大量的溶解性Na+存在，而往往会有金属硫化物存在。

土壤pH值对土壤中养分存在形态和有效性、土壤理化性质和微生物活性具有显著影响。微生物原生质的pH接近中性，土壤中大部分微生物在中性条件下生长良好，pH=5以下一般停止生长。

2.土壤酸度

（1）土壤活性酸　土壤中的水分不是纯净的，含有各种可溶的有机、无机成分，有离子态、分子态，还有胶体态的。因此土壤活性酸度是土壤溶液中游离的H+引起的，常用pH值表示，即溶液中氢离子浓度的负对数。土壤酸碱性主要根据活性酸划分：pH值在6.6～7.4之间为中性。我国土壤pH值一般在4～9之间，在地理分布上由南向北pH值逐渐增大，大致以长江为界。长江以南的土壤为酸性和强酸性，长江以北的土壤多为中性或碱性，少数为强碱性。

（2）潜性酸　土壤胶体上吸附的氢离子或铝离子，进入溶液后才会显示出酸性，称之为潜性酸，常用1000g烘干土中氢离子的摩尔数表示。

潜性酸可分为交换性酸和水解性酸两类。

①交换性酸：用过量中性盐（氯化钾、氯化钠等）溶液，与土壤胶体发生交换作用，土壤胶体表面的氢离子或铝离子被浸提剂的阳离子所交换，使溶液的酸性增加。测定溶液中氢离子的浓度即得交换性酸的数量。

②水解性酸：用过量强碱弱酸盐（CH3COONa）浸提土壤，胶体上的氢离子或铝离子释放到溶液中所表现出来的酸性。CH3COONa水解产生NaOH，pH值可达8.5，Na+可以把绝大部分的代换性的氢离子和铝离子代换下来，从而形成醋酸，滴定溶液中醋酸的总量即得水解性酸度。

交换性酸是水解性酸的一部分，水解能置换出更多的氢离子。要改变土壤的酸性程度，就必须中和溶液中及胶体上的全部交换性氢离子和铝离子。在酸性土壤改良时，可根据水解性酸来计算所要施用的石灰的量。

（3）土壤酸的来源

①土壤中H+的来源：由 CO2引起（土壤气体、有机质分解、植物根系和微生物呼吸）；土壤有机体的分解产生有机酸，硫化细菌和硝化细菌还可产生硫酸和硝酸；生理酸性肥料（硫酸铵、硫酸钾等）。

②气候对土壤酸化的影响：在多雨潮湿地带，盐基离子被淋失，溶液中的氢离子进入胶体取代盐基离子，导致氢离子积累在土壤胶体上。而我国东北和西北地区的降雨量少，淋溶作用弱，导致盐基积累，土壤大部分则为石灰性、碱性或中性土壤。

③铝离子的来源：黏土矿物铝氧层中的铝，在较强的酸性条件下释放出来，进入到土壤胶体表面成为代换性的铝离子，其数量比氢离子数量大得多，土壤表现为潜性酸。长江以南的酸性土壤主要是由于铝离子引起的。

3.土壤碱度

土壤碱性反应及碱性土壤形成是自然成土条件和土壤内在因素综合作用的结果。碱性土壤的碱性物质主要是钙、镁、钠的碳酸盐和重碳酸盐，以及胶体表面吸附的交换性钠。形成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应，如碳酸钙的水解、碳酸钠的水解及交换性钠的水解等。

和土壤酸度一样，土壤碱度也常用土壤溶液（水浸液）的pH值表示，据此可进行碱性分级。由于土壤的碱度在很大程度上决定于胶体吸附的交换性Na+的饱和度，称为土壤碱化度，它是衡量土壤碱度的重要指标。

　　（2.8）

土壤碱化与盐化有着发生学上的联系。盐土在积盐过程中，胶体表面吸附有一定数量的交换性钠，但因土壤溶液中的可溶性盐浓度较高，阻止交换性钠水解。所以，盐土的碱度一般都在pH8.5以下，物理性质也不会恶化，不显现碱土的特征。只有当盐土脱盐到一定程度后，土壤交换性钠发生解吸，土壤才出现碱化特征。但土壤脱盐并不是土壤碱化的必要条件。土壤碱化过程是在盐土积盐和脱盐频繁交替发生时，促进钠离子取代胶体上吸附的钙、镁离子，从而演变为碱化土壤。

4.土壤酸碱性的环境意义

土壤酸碱性对土壤微生物的活性、对矿物质和有机质分解起重要作用。它可通过对土壤中进行的各种化学反应的干预作用而影响组分和污染物的电荷特性，沉淀-溶解、吸附-解吸和配位-解离平衡等，从而改变污染物的毒性；同时，土壤酸碱性还通过土壤微生物的活性来改变污染物的毒性。

土壤溶液中的大多数金属元素（包括重金属）在酸性条件下以游离态或水化离子态存在，毒性较大，而在中、碱性条件下易生成难溶性氢氧化物沉淀，毒性大为降低。以污染元素Cd为例，在高pH值和高CO2条件下，Cd形成较多的碳酸盐而使其有效度降低。但在酸性（pH=5.5）土壤中在同一总可溶性Cd的水平下，即使增加CO2分压，溶液中Cd2+仍可保持很高水平。土壤酸碱性的变化不但直接影响金属离子的毒性，而且也改变其吸附、沉淀、配位反应等特性，从而间接地改变其毒性。土壤酸碱性也显著影响含氧酸根阴离子（如铬、砷）在土壤溶液中的形态，影响它们的吸附、沉淀等特性。在中性和碱性条件下，Cr（Ⅲ）可被沉淀为Cr（OH）3。在碱性条件下，由于OH-的交换能力大，能使土壤中可溶性砷的含量显著增加，从而增加了砷的生物毒性。

此外，有机污染物在土壤中的积累、转化、降解也受到土壤酸碱性的影响和制约。例如，有机氯农药在酸性条件下性质稳定，不易降解，只有在碱性土壤环境中呈离子状态，移动性大，易随水流逝，而在酸性条件下呈分子态，易为土壤吸附而降解半衰期增加；有机磷和氨基甲酸酯农药虽然大部分在碱性环境中易于水解，但地亚农（一种有机磷杀虫剂）则更易发生酸性水解反应。

（三）土壤氧化性和还原性

与土壤酸碱性一样，土壤氧化性和还原性是土壤的又一重要化学性质。电子在物质之间的传递引起氧化还原反应，表现为元素价态变化。土壤中参与氧化还原反应的元素有C、H、N、O、Fe、Mn、As、Cr及其他一些变价元素，较为重要的是O、Fe、Mn、S和某些有机化合物，并以氧和有机还原性物质较为活泼，Fe、Mn、S等的转化则主要受氧和有机质的影响。土壤中的氧化还原反应在干湿交替下进行得最为频繁，其次是有机物质的氧化和生物机体的活动。土壤氧化还原反应影响着土壤形成过程中物质的转化、迁移和土壤剖面的发育，控制着土壤元素的形态和有效性，制约着土壤环境中某些污染物的形态、转化和归趋。因此，土壤氧化还原性在环境土壤学中具有十分重要的意义。

1.土壤氧化还原体系及其指标

土壤具有氧化还原性的原因在于土壤中多种氧化还原物质共存。土壤气体中的氧和高价金属离子都是氧化剂，而土壤有机物以及在厌氧条件下形成的分解产物和低价金属离子等为还原剂。由于土壤成分众多，各种反应可同时进行，其过程十分复杂。

土壤氧化还原能力的大小可用土壤的氧化还原电位（Eh）来衡量，主要为实测的Eh值，其大小的影响因素涉及土壤通气性、微生物活动、易分解有机质的含量、植物根系的代谢作用、土壤的pH值等多方面。一般旱地土壤的Eh为+400～+700mV；水田的Eh为+300～-200mV。根据土壤Eh值可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应的环境行为。

土壤中氧是主要的氧化剂，通气性良好、水分含量低的土壤的电位值较高，为氧化性环境；渍水的土壤电位值较低，为还原性环境。此外土壤微生物的活动、植物根系的代谢及外来物质的氧化还原性等亦会改变土壤的氧化还原电位值。从土壤污染的研究角度出发，特别注意污染物在土壤中由于参与氧化还原反应所造成的对迁移性与毒性的影响。氧化还原反应还可影响土壤的酸碱性，使土壤酸化或碱化，pH值发生改变，从而影响土壤组分及外来污染元素的行为。

2.土壤氧化性和还原性的环境意义

从环境科学角度看，土壤氧化性和还原性与有毒物质在土壤环境中的消长密切相关。

（1）有机污染物　在热带、亚热带地区间歇性阵雨和干湿交替对厌氧、好氧细菌的增殖均有利，比单纯的还原或氧化条件更有利于有机农药分子的降解。特别是有环状结构的农药，因其环开裂反应需要氧的参与，如DDT的开环反应、地亚农的代谢产物嘧啶环的裂解等。

有机氯农药大多在还原环境下才能加速代谢。例如，六六六（六氯环己烷）在旱地土壤中分解很慢，在蜡状芽孢菌参与下，经脱氯反应后快速代谢为五氯环己烷中间体，后者在脱去氯化氢后生成四氯环己烯和少量氯苯类代谢物。分解DDT适宜的Eh值为0～-250mV，艾氏剂也只有在Eh<-120mV时才快速降解。

（2）重金属　土壤中大多数重金属污染元素是亲硫元素，在农田厌氧还原条件下易生成难溶性硫化物，降低了毒性和危害。土壤中低价硫S2-来源于有机质，100g土壤中可达20mg。当土壤转为氧化状态如落水或干旱时，难溶硫化物逐渐转化为易溶硫酸盐，其生物毒性增加。如黏土中添加Cd和Zn等的情况下淹水5～8周后，可能存在CdS。在同一土壤含Cd量相同的情况下，若水稻在全生育期淹水种植，即使土壤含Cd100mg/kg，糙米中Cd浓度约1mg/kg（Cd食品卫生标准为0.2mg/kg）；但若在幼枝形成前后此水稻田落水搁田，则糙米含Cd量可高达5mg/kg。其主要原因是在土壤淹水条件下，使生成了硫化镉Cd的毒性降低的缘故。

（四）土壤体系缓冲性

缓冲体系本意指体系抵抗pH值变化的能力，对于土壤缓冲体系亦包括土壤抵抗pH值变化的能力，由吸附作用、交换作用形成。土壤缓冲性能的形成，同时包括土壤环境抵抗其他离子变化的能力。由此扩展，进入土壤的重金属、氟化物、硫化物、农药、石油烃等均会在土壤胶体上发生不同程度的吸附，因此，造成土壤溶液中相应离子和元素浓度降低的现象，对土壤微生物、植物根系及土壤动物的毒害及食物链后续的高端生物的毒性有所降低，相当于对各种外来污染物的浓度及其作用效应有一定的抵抗能力，故土壤缓冲体系除包括pH值外，对于氧化-还原电位、污染特性等均有不同程度的缓冲作用。因此，土壤缓冲体系为土壤环境体系特有的，与土壤组成直接相关的，对土壤净化有重要贡献的物理、化学过程。

一般土壤缓冲能力的大小顺序为：腐殖质土壤>黏土>砂土。

三、土壤生物学性质

如前所述，土壤生物由土壤微生物、土壤植物根系及土壤动物组成，而植物根系及土壤微生物分泌的酶是土壤最为活跃的有机成分之一，驱动着土壤的代谢过程，对土壤圈中养分循环和污染物质的净化具有重要的作用。因此，土壤生物学性质从包括酶学特性在内的4个方面进行论述。

（一）土壤酶特性

酶是驱动生物体内生化反应的催化剂，在土壤学、环境学、农林学及其相关学科中普遍采用土壤酶活性值的大小来灵敏地反映土壤中生化反应的方向和强度，是重要的土壤生物学性质之一。土壤中进行的各种生化反应，除受微生物本身活动的影响外，实际上是各种相应的酶参与下完成的。酶作为催化剂具有催化活性高、专一性强等特点，同时由于酶的本质为蛋白质，故其催化需要温和的温度、pH值等外部条件。土壤酶的特性对于土壤的形成与发育、土壤肥力的保持等具有重要的作用，可综合反映土壤的理化特性。同时受酸碱污染、温度变化及重金属等可能造成蛋白质变性的因素的影响，可使土壤酶活性受到不同程度的抑制，因此，其活性的大小还可表示土壤污染程度的高低。

土壤酶主要来自微生物、土壤动物和分泌胞外酶。在土壤中已经发现的酶有50～60种，研究较多的包括氧化还原酶、转化酶和水解酶等，旨在对土壤环境质量进行酶活性表征。20世纪70年代开始，国内外学者将土壤酶应用到土壤污染的研究领域，至目前为止，提出的污染土壤酶监测指标主要有土壤脲酶、脱氢酶（TTC）、转化酶、磷酸酶等，近年来，有环境工作者采用荧光素双醋酸酯（FDA）酶活性来表征污染土壤总酶活性的大小，考察污染物对土壤中生物总体的抑制情况。

1.土壤酶的存在形态

土壤酶较少游离在土壤溶液中，主要是吸附在土壤有机质和矿质胶体上，以复合物状态存在。土壤有机质吸附酶的能力大于矿物质，土壤微团聚体中酶活性比大团聚体的高，土壤细粒级部分比粗粒级部分吸附的酶多。酶与土壤有机质或黏粒结合，固然对酶动力学性质有影响，但它也因此受到保护，增强它的稳定性，防止被蛋白酶或钝化剂降解。

2.土壤环境与土壤酶活性

酶是有机体的代谢动力，因此，酶在土壤中起重要作用，其活性大小及变化可作为土壤环境质量的生物学表征之一。土壤酶活性受多种土壤环境因素的影响。

（1）土壤理化性质与土壤酶活性　不同土壤中酶活性的差异，不仅取决于酶的存在量，而且也与土壤质地、结构、水分、湿度、pH值、腐殖质、阳离子交换量、黏粒矿物及土壤中N、P、K含量等相关。土壤酶活性与土壤pH值有一定的相关性，如转化酶的最适pH值为4.5～5.0，在碱性土壤中受到程度不同的抑制；而在碱、中、酸性土壤中都可检测到磷酸酶的活性，最适pH值是4.0～6.7和8.0～10；脲酶在中性土壤中活性最高；脱氢酶则在碱性土中的活性最大。土壤酶活性的稳定性也受土壤有机质的含量和组成及有机矿质复合体组成、特性的影响。此外，轻质地的土壤酶活性强；小团聚体的土壤酶活性较大团聚体的强；而渍水条件引起转化酶的活性降低，但却能提高脱氢酶的活性。

（2）根际土壤环境与土壤酶活性　由于植物根系生长作用释放根系分泌物于土壤中，使根际土壤酶活性产生很大变化，一般而言，根际土壤酶活性要比非根际土壤大。同时，不同植物的根际土壤中，酶的活性亦有很大差异。例如，在豆科作物的根际土壤中，脲酶的活性比其他根际土壤高；三叶草根际土壤中蛋白酶、转化酶、磷酸酶及接触酶的活性均比小麦根际土壤高。此外，土壤酶活性还与植物生长过程和季节性的变化有一定的相关性，在作物生长最旺盛期，酶的活性也最活跃。

（3）外源土壤污染物质与土壤酶活性　许多重金属、有机化合物包括杀虫剂、杀菌剂等外源污染物均对土壤酶活性有抑制作用。重金属与土壤酶的关系主要取决于土壤有机质、黏粒等含量的高低及它们对土壤酶的保护容量和对重金属缓冲容量的大小。图2.7为油田区土壤石油烃含量与土壤荧光素双醋酸酯（FDA）酶活性的关系。可见，含油率低于12%时，土壤FDA活性分布在较宽的范围内，可能与土壤的pH值、水分含量等其他影响微生物生长增殖的微生态环境因子有关，而当含油率超过12%的严重污染土壤中，土壤FDA活性则普遍很低。

（二）土壤微生物特性

土壤中普遍分布着数量众多的微生物，但其分布十分不均匀，受空气、水分、黏粒、有机质和氧化还原物质分布的制约。对于有机污染土壤，由于有机污染物所产生的环境压力，会使微生物群落发生变异，数量和活性发生改变，适于有机污染土壤环境并以其为碳源的微生物就可能逐渐成为优势群落。如李广贺等人研究表明，通过对污染包气带土壤中微生物的分离、培养和生物学鉴定得出石油污染土壤中的主要优势菌为球菌、长杆菌和短杆菌。研究得到3株优势菌分别为黄假单胞菌（Xanthomonas）、芽孢杆菌（Bacillus）和柄杆菌属（Caulobacter），对石油具有显著的降解能力。

土壤微生物是土壤有机质、土壤养分转化和循环的动力；同时，土壤微生物对土壤污染具有特别的敏感性，它们是代谢降解有机农药等有机污染物和恢复土壤环境的最先锋者。土壤微生物特性，特别是土壤微生物多样性是土壤的重要生物性质之一。

土壤微生物性质主要包括其数量、活性和种群三大方面，三者的特性和状态即构成土壤微生物的种群多态性。活性表征微生物的作用强度，其表征指标多采用土壤酶活性的测定值，如土壤体系物质总体生物化学转化速度的高低，土壤总酶活性，亦可表示土壤微生物降解速率快慢的参数，尤其是与土壤污染物降解能力直接相关的脲酶活性、脱氢酶活性等。数量作为微生物活性的一个方面，一般情况下土壤微生物数量越多，其活性也越大，二者的相关性系数与微生物种群构成有重要的关系，微生物种群构成越为单一，二者的符合程度越高。而微生物种群类型则在本章第一节进行过论述，这里不再赘述。

土壤微生物多样性与土壤生态稳定性密切相关，因此，研究土壤微生物群落结构及功能多样性，是应用分子生物学学科研究的前沿领域之一。近年来，人们借助BIOLOG分析技术、细胞壁磷脂酸分析技术和分子生物学方法等对污染土壤微生物群落变化也进行了一些研究，结果表明土壤中残留的有毒有机污染物不仅能改变土壤微生物生理生化特征，而且也能显著影响土壤微生物群落结构和功能多样性。如通过BIOLOG分析技术研究发现，农药污染将导致土壤微生物群落功能多样性的下降，减少了能利用有关碳底物的微生物数量，降低了微生物对单一碳底物的利用能力。而采用随机扩增的多态DNA （Random Amplifed Polymorphic DNA，RAPD）分子遗传标记技术的研究表明，农药厂附近农田土壤微生物群落DNA序列的相似程度不高、均匀度下降，但其DNA序列丰富度和多样性指数却有所增加，也即表明农药污染很可能会引起土壤微生物群落DNA序列本身发生变化，如DNA变异、断裂等。

（三）土壤动物特性

与土壤酶特性及微生物特性一样，土壤动物特性也是土壤生物学性质之一。土壤动物特性包括土壤动物组成、个体数或生物量、种类丰富度、群落的均匀度、多样性指数等，是反映环境变化的敏感生物学指标。

生活于土壤中的动物受环境的影响，反过来土壤动物的数量和群落结构的变异能指示生态系统的变化。土壤动物多样性被认为是土壤肥力高低及生态稳定性的有效指标。土壤中某些种类的土壤动物可以快速灵敏地反映土壤是否被污染以及污染的程度。例如分布广、数量大、种类多的甲螨，有广泛接触有害物质的机会，所以当土壤环境发生变化时有可能从它们种类和数量的变化反映出来。另外，线虫常被看作生态系统变化和农业生态系统受到干扰的敏感指示生物。土壤动物多样性的破坏将威胁到整个陆地生态系统的生物多样性及生态稳定性，因此，应加强土壤动物多样性的研究和保护。

当前研究多侧重于应用土壤动物进行土壤生态与环境质量的评价方面，如依据蚯蚓对重金属元素具有很强的富集能力这一特性，已普遍采用蚯蚓作为目标生物，将其应用到了土壤重金属污染及毒理学研究上。对于通过农药等有机污染物质的土壤动物监测、富集、转化和分解，探明有机污染物质在土壤中快速消解途径及机理的研究，虽然刚刚起步，但备受关注。有些污染物的降解是几种土壤动物及土壤微生物密切协同作用的结果，所以土壤动物对环境的保护和净化作用将会受到更大的重视。

（四）土壤植物根际区效应及其生态环境意义

根际（rhizosphere）是指植物根系活动的影响在物理、化学和生物学性质上不同于土体的动态微域，是植物—土壤—微生物与环境交互作用的场所，对土壤环境性质及污染物的迁移转化等均有重要的影响。在根际环境中，植物根系通过根细胞或组织脱落物、根系分泌物向土壤输送有机物质，这些有机物质一方面对土壤养分循环、土壤腐殖质的积累和土壤结构的改良起着重要作用，另一方面作为微生物的营养物质，大大刺激了根系周围土壤微生物的生长，使根系周围土壤微生物数量明显增加。反过来，微生物将有机养分转化成无机养分活性的增强，可强化植物对养分的吸收利用，从而达到根际区生态环境中植物—微生物的互利共生作用，大大提高土壤生态系统的生态功能，包括污染土壤环境中的分解与净化功能。表2.10列举了根细胞、组织脱落物和根系分泌物的物质类型及其营养作用。

由于根限区理化及生物学性质的不断变化，导致土壤结构和微生物环境也随之变化，从而使污染物的滞留与消除不同于非根际的一般土体。根际中根分泌物提供的特定碳源及能源使根际微生物数量和活性明显增加，一般为非根际土壤的5～20倍，最高可达100倍；植物根分类型（直根、丛根、须根）、年龄、不同植物的根、根毛的多少等，都可影响根际微生物对特定有机污染物的降解速率。根向根际环境中分泌的低分子有机酸（如乙酸、草酸、丙酸、丁酸等）可与Hg、Cr、Pb、Cu、Zn等进行配位反应，由此导致土壤中此类重金属生物毒性的改变。可见，根际效应主动营造的土壤根际微生物种群及活性的变化，成为土壤重金属及有机农药等污染物根际快速消解的可能机理，并由此促使相关研究者对其进行深入探索，推动了环境土壤学、环境微生物等相关学科的不断前进。