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　　（4）时空限制特征

　　（5）仅部分为可再生资源

　　2.土壤圈功能

（1）对生物圈

　　支撑和调节生物过程，提供植物生长的养分、水分与适宜的物理条件，决定自然植被的分布与演替。

但土壤圈的各种限制因素对生物也起不良影响。

（2）对水圈

　　影响降水在陆地的重新分配，影响元素的生物地球化学行为，影响水分平衡、分异、转化及水圈的化学组成。

　　（3）对岩石圈

　　作为地球的“皮肤”，对岩石圈具有一定的保护作用，以减少其受各种外营力破坏，同时与岩石圈进行物质交换与地质循环。

（二）土壤圈在全球变化中的作用

　　1.通过土壤圈与其它圈层的物质交换，影响土壤的全球变化

　　2.通过全球土被在时空上的演变，引起土壤全球变化

　　3.通过人为活动对土壤圈的强烈作用，对全球土壤变化以至生存环境发生影响

（1）人为砍伐森林，加剧水土流失；

（2）对土壤资源利用不当导致土壤退化严重；

　　（3）水稻田、沼泽地及湖泊产生痕量温室气体。

（三）土壤圈的研究方向与内容

　　1.研究方向

　　土壤圈研究的总方向是研究土壤圈物质的组成、性质和物质与能量的循环及其对人类生存环境的影响。

（1）研究土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡，土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动，土壤圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与平衡，以及土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转化；

（2）研究土壤圈物质和能量循环与地球生命、人类生存条件、自然环境及全球变化之间的关系。

　　2.研究任务

（1）土壤资源的开发利用与保护

　　研究低耗土壤资源的节约型开发利用；

综合治理和集约经营耕地；

土壤资源承载能力；

防止土地退化和提高土地质量；

土地动态监测及土地数字化数据库（SOTER）。

（2）土壤肥力调节与农业持续发展

　　研究不同生态条件下土壤肥力演变;

施肥技术与提高肥效;

持续稳定的土壤肥力培育的研究;

农业持续发展的理论与战略;

农业持续发展中高效适度技术的管理、对策与合理布局；

不同地区农业持续发展模式。

　　（3）土壤生态环境的建设

　　研究农业生态系统中土壤生态环境演替规律，土壤生态环境建设的研究；

防止土壤污染。

　　（4）土壤圈物质循环及全球变化

　　①土壤圈与大气圈大量与痕量气体交换与平衡；

　　②土壤圈与水圈的水循环；

　　③土壤圈与岩石圈元素迁移；

　　④土壤圈与生物圈养分元素交换与平衡；

　　⑤土壤圈物质组成、性质、类型及时空变化规律；

　　⑥全球土被演变及土壤退化（土壤侵蚀、沙漠化、肥力退化、盐渍化、酸化、沼泽化）的时空变化，形成机理及预测预控；

　　⑦人类活动对土壤全球变化及人类环境变化的影响。

（四）土壤圈的地位

第二节土壤及土壤肥力的概念

一、土壤（soil）

　　能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次。

二、土壤肥力

　　土壤具有肥力是其最本质的特征，是其区别于其它事物的标志。

　　土壤肥力：

在植物生活全过程中，土壤供应和协调植物生长所需水、肥、气、热的能力。

（一）土壤肥力类型

　　1.自然肥力和人为肥力

　　自然肥力：

指土壤在自然因子（气候、生物、地形等）综合作用下所具有的肥力。

　　人为肥力：

土壤在人为条件熟化（耕作、施肥、灌溉等）作用下所表现出来的肥力。

　　2.潜在肥力与有效（经济）肥力

　　潜在肥力：

土壤肥力在生产上没有发挥出来产生经济效益的部分。

　　有效（经济）肥力：

土壤肥力在当季生产中表现出来产生经济效益的部分。

（二）基本观点

　　1.肥力因素的全面观点

　　水、肥、气、热　　　全面分析、综合评定

　　2.肥力因素的供应和协调观点

　　供应、协调

　　3.土壤肥力与生产力统一的观点

　土壤肥力的发挥与环境条件、社会经济条件、科学技术条件密切相关。

三、近代土壤学的发展及主要观点

　　1.农业化学土壤学派

　　2.农业地质土壤学观点

　　3.土壤发生学派

　　4.土壤学发展的新观点

　　5.我国土壤学的发展概况

第三节土壤学科体系、研究内容和方法

一、分支学科及研究内容

（一）土壤物理

　　研究土壤中物理现象和过程的土壤学分支。

主要研究土壤水、气、热运动及其调控的原理，其研究内容包括土壤水分、土壤质地、土壤结构、土壤力学性质、土壤溶质移动及土壤—植物—大气连续体（SPAC）中的水分运行和能量转移等。

（二）土壤化学

　　研究土壤化学组成，性质及其土壤化学反应过程的分支学科。

重点研究土壤胶体的组成、性质，及土壤固液界面发生的系列化学反应。

为开展土壤培肥、土壤管理、土壤环境保护提供理论依据。

（三）土壤微生物

　　研究土壤中微生物区系、多样性及其功能和活性的土壤学分支。

研究内容：

　　1.土壤微生物生态；

　　2.土壤微生物与土壤物质循环（陆地N,P,S,C素循环）;

　　3.土壤酶活性;

　　4.土壤微生物与土壤固氮作用;

　　5.根际微生物与菌根;

　　6.土壤微生物之间的相互作用;

　　7.农业措施对微生物的影响;

　　8.土壤微生物与土壤的污染防治;

　　9.有益微生物的农业应用。

（四）土壤生物化学

　　研究土壤中的有机质组成，结构及生物化学转化过程的土壤学分支学科，主要的研究内容包括：

　　1.土壤腐殖质形成，特性、及其对土壤肥力的影响；

　　2.土壤碳、氮、磷、硫的生物转化（有机碳、氮矿化作用和腐殖化作用）；

　　3.土壤酶活性；

　　4.有机生物制剂包括有机农药、杀虫剂、除草剂的生物降解及其对环境污染的影响等。

（五）土壤地理学

　　研究土壤发生、演变、分类、分布规律及其与地理环境之间关系的土壤学分支科学，是由土壤学与自然地理学交叉发展而成的边缘学科。

主要研究内容包括:

　　1.土壤发生和分类：

　　土壤发生学是土壤地理的核心，重点研究土壤形成与自然成土因子和人为活动的复杂关系，回答地球表层系统多样性土壤的形成特点和机理，并在此基础上，根据土壤的发生发育过程、土壤诊断学属性进行土壤分类。

　　2.土壤分布规律：

　　土壤是一个时间上处于动态、空间上具有垂和水平方向上分异性的三维连续体，搞清土壤和土被结构在地面空间上的分布规律，可以为因地制宜合理利用和保护土壤资源，搞好农业区划及生产布局，改善生态环境提供科学依据。

　　3.土壤调查制图和土壤质量评价；

　　主要研究内容是应用现代新技术（如3S技术），建立土壤数据库和土壤信息系统；

研究土壤质量评价标准、指标体系和退化土壤的恢复重建技术与措施。

二、土壤学与相邻学科的关系

　　1.土壤学与地质学、水文学、生物学、气象学有着密切的关系。

　　土壤作为地球表层系统的重要组成部分，它的形成、发育与地质，水文、生物和近地表大气息息相关。

　　2.土壤学与农学、农业生态学有着不可分割的关系。

　　土壤是绿色植物生长的基地，农学中的栽培学、耕作学、肥料学、灌溉排水等，都以土壤学为基础的，土壤学是农业基础学科的一部分。

　　3.土壤学与环境科学联系密切。

　　土壤不仅是一种资源，还是人类生存环境的重要组成要素。

土壤除能生产绿色植物外，还具有对环境污染物质的缓冲性、同化和净化性能，在稳定和保护人类生存环境中起着极重要的作用。

三、土壤学的任务

（一）合理利用土壤

　　水土流失、土壤沙化、土壤次生盐渍化、土壤酸化、土壤污染（农药和三废）、土壤盐碱化、土壤潜育化等。

（二）中低产土壤改良

　　中低产田土面积约占一个地区土壤面积的三分之二

（三）基础理论研究

　　1.土壤温室气体形成机理、变化规律与减缓途径的研究（重点是CH4、NxOy、CO2）。

　　2.土壤污染发生类型、形成规律与防治途径研究。

　　3.土壤退化时空变化、形成机理、调控对策。

重点是荒漠化（西北）、盐渍化（黄淮海）、沼泽化（东北）、土壤酸化（西南及东南）、肥力减退（南方）及土壤污染（经济发达区）。

　　4.土壤质量演变机制、评价体系及恢复重建的研究。

　　5.经济快速发展地区土壤环境演变机制与调控研究。

　　6.不同地区土壤生态环境建设及其治理途径的研究。

　　7.土壤与环境问题有关基础应用与开发项目的研究。

四、土壤学的研究方法

（一）宏观研究和微观研究

（二）综合、交叉研究

（三）野外调查与实验室研究结合

（四）新技术的应用

五、21世纪土壤科学所面临的挑战

　　来自人口膨胀的挑战——如何保证粮食的持续增产；

　　来自全球生态环境的挑战——如何保持土壤的生态健康功能，建立良好生态环境；

　　来自土壤学自身发展的挑战——加强基础研究，加速新技术在土壤学领域内的应用；

　　社会对土壤学认同的挑战——强化土壤资源在国民经济中的战略地位；

　　立足于为解决人类的吃饭问题和环境健康问题服务。

第二章　土壤矿物质

使学生了解土壤矿物质组成和化学组成，层状铝硅酸盐粘土矿物、非硅酸盐粘土矿物的主要性状及其分布。

第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成

一、元素组成

1.几乎包括元素周期表中所有元素；

2.O、Si、Al、Fe为主，四者共占88.7%以上；

3.植物必需营养元素含量低，分布不平衡。

二、矿物组成

（一）原生矿物　

1.原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主；

以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。

常见石英、长石、云母、辉石、角闪石等。

2.原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性；

石英最稳定，是粗土粒的主要成分；

白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；

黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。

3.原生矿物是植物养分的重要来源。

ü

Ca、Mg、K、P、S等。

（二）次生矿物

1.原生矿物分解转化形成的矿物。

2.以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物为主；

3.此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物。

第二节粘土矿物

一、层状硅酸盐粘土矿物

（一）构造特征

1.基本结构单位

（1）硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-）

（2）铝氧八面体（AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-）

2.单位晶片

硅氧四面体硅层

铝氧八面体铝层

3.单位晶层

（1）1:

1型一层硅层与一层铝层重叠而成

（2）2:

1型两层硅层中间夹一铝层

（3）2:

1:

1型2:

1型基础上增加一铝层（或镁层）

4.同晶替代

指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。

发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷。

（二）硅酸盐矿物的种类

1.高岭（石）组（1:

1型）：

包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。

特点：

（1）单位晶胞（层）化学式为Al4Si4O10（OH）8，硅铝铁率为2；

硅铝铁率：

土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比。

硅铝率：

土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子。

硅铁率：

土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比

例：

某土壤粘粒部分SiO2含量为41.89%，Al2O3含量33.27%，Fe2O3含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率。

解:

SiO2的分子含量＝41.89/60＝0.698Al2O3的分子含量＝33.27/102＝0.326Fe2O3的分子含量＝11.85/160＝0.074SiO2/R2O3＝0.689/（0.326+0.074）＝1.75

意义：

①硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度；

②硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力。

（2）膨胀性小

晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键

（3）电荷数量少

同晶替代极少

（4）颗粒较大（有效直径0.2～2μm），可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱。

2.蒙脱石组：

包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。

（1）2:

1型

单位晶胞的理论化学式：

Al4Si8O20（OH）4·

nH2O蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4

（2）膨胀性大

晶层以分子引力联结，晶层间距：

蒙脱石0.96～2.14nm蛭石0.96～1.45nm

（3）电荷数量大

同晶替代现象普遍

（4）颗粒较细，呈片状，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利。

蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中。

3.水化云母（伊利石）组（又称2:

1型非膨胀性矿物）

（1）2:

单位晶胞化学式：

K2（Al·

Fe·

Mg）4（Si·

Al）8O20（OH）4·

nH2OSiO2/Al2O3:

3～4

（2）非膨胀性

晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1.0nm。

同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石。

（4）可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。

伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中。

四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主。

4.绿泥石组（以绿泥石为代表，富含镁、铁）

三八面体，化学式为Mg·

Al）12（Si·

Al）8O20（OH）16

（2）同晶替代现象普遍

硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。

（3）颗粒较小可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中

土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多。

二、非硅酸盐粘土矿物

1.氧化铁

（1）氧化铁的类型

针铁矿（α-FeOOH）：

晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核。

赤铁矿（α-Fe2O3）：

红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。

纤铁矿（γ-FeOOH）：

棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。

磁赤铁矿（γ-Fe2O3）：

暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土。

磁铁矿（Fe3O4）：

棕黑色，多存在于母质中,有时与磁赤铁矿共存。

无定形铁（Fe（OH）3）：

棕色，胶膜，锈水。

（2）氧化铁的形态及转化

土壤铁的游离度（%）=Fed/Fet×

100

土壤铁的活化度（%）=Feo/Fed×

土壤铁的络合度（%）=Fep/Fed×

无定形→隐晶质→晶质

2.氧化铝

硅酸盐矿物彻底分解产物

土壤中常见:

三水铝石[Al2O3·

3H2O，Al（OH）3]。

粘土矿物:

湿热强度风化——脱硅富铝化的指标之一。

我国北纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。

花岗岩风化土壤中较多。

山地土壤中也有三水铝石存在

无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性。

3.氧化硅（粘粒）（结晶质和非晶质）

晶质以α—石英为主；

非晶质为蛋白石（SiO2·

nH2O），脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。

　　土壤中部分蛋白石来源于有机体,其含量常与有机质含量有关。

可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。

4.水铝英石

非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物,Si/Al变化在1-2之间。

比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH。

三、粘土矿物的形成和分布规律

1.粘土矿物形成途径

风化和成土过程中形成的次生矿物,有两种形成途径。

（1）原生矿物风化淋溶直接演变

+H2O，-K-K-Mg-Si-Si

云母类——→伊利石—→蛭石—→蒙脱石—→高岭石—→三水铝石

（2）风化沉淀（自然合成）学说

原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。

SiO2·

nH2O：

土壤pH条件下带负电荷，酸胶基。

Al2O3·

nH2O，Fe2O3·

带正电荷，碱胶基。

盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液pH，并参与矿物形成。

正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物。

沉淀—→老化、结晶

　溶胶—→凝胶（非晶质）—→结晶质

当溶胶SiO2/Al2O3＞3，可形成2:

1型矿物；

当溶胶SiO2/Al2O3＜3，可形成1:

1型矿物及氧化铝矿物

风化液pH与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。

　盐基离子Mg2+、K+等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。

2.粘土矿物的形成条件

粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关。

南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以1:

1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为2左右，属铁铝土。

北方温带地区，粘粒矿物为各种2:

1型（伊利石、蒙脱石等），粘粒硅铝铁率多在3以上。

风化度低，属硅铝土。

3.我国土壤粘土矿物分布规律：

全国分为7个分布区。

北方以水云母（伊利石）为主的1、2、3区；

秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区（4区）；

南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5区）；

南方以高岭石为主的6、7分布区。

西北和青藏高原水云母区（1区），土壤风化程度最低；

华南高岭区（7区）土壤风化程度最高。

第三章　土壤有机质

要求学生掌握土壤有机质的概念、来源、含量与组成，土壤有机质分解与转化，土壤有机质的主体腐殖质的形成与性质，土壤有机质在土壤肥力上和生态环境方面的作用与管理。

第一节　土壤有机质的来源、含量及组成

一、土壤有机质来源

森林土壤：

枯枝落叶

草原土壤：

草、根系

耕作土壤：

作物残茬（一般占籽实产量的35－40%）、施用的有机肥。

作为土壤有机质最主要来源的各种植物残体，其化学组成和各种成分的含量，因植物种类、器官、年龄等的不同而有很大差异。

从而导致土壤有机质的差异。

酸性有机质

中性有机质

二、土壤有机质的含量及组成

1.含量

土壤学中，一般把耕层含有机质20%以上的土壤,称为有机质土壤，在20%以下的土壤，称为矿质土壤,但耕作土壤中，表层有机质的含量通常在5%以下。

土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。

不同土壤中含量差异很大。

目前，我国土壤有机质含量普遍偏低。

总体而言,北方土壤有机质含量高于南方土壤。

四川土壤有机质含量（%）

OM%＞4.003.01－4.002.01－3.001.01－2.000.61－1.00＜0.60

水田%1.296.1939.951.990.630.004

旱地%3.145.5218.7246.2624.661.10

2.元素组成（水%＝75，干物质%＝25）

干物质　　CHON＋灰分元素

%448408

C/N大约为10左右。

3.化学组成

成分　纤维素　半纤维素　木质素　蛋白质　脂肪、树脂等

%2－100－230－5028－351－8

4.土壤腐殖质（humus）

土壤腐殖质：

是除未分解和半分解动、植物残体及微生物体以外的有机物质的总称，由非腐殖物质（Non-humicsubstances