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1、（ 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

2、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、

3、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

4、质循环及全球变化 土壤圈与大气圈大量与痕量气体交换与平衡；土壤圈与水圈的水循环；土壤圈与岩石圈元素迁移；土壤圈与生物圈养分元素交换与平衡；土壤圈物质组成、性质、类型及时空变化规律；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；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。

5、（ 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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 CH 4 、 N x O y 、 CO 2 ）。2. 土壤污染发生类型、形成规律与防治途径研

11、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

12、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

13、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 。 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（ SiO 4 4-

14、 Si 2 O 5 2- Si 4 O 10 4- ） （2） 铝氧八面体 （AlO 6 9- Al 4 O 12 12- Al 4 （ OH ） 8 O 4 4- ） 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

15、） 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 Al 4 Si 4 O 10 （OH） 8 ，硅铝铁率为 2 ；硅铝铁率：土壤粘粒部分的 SiO 2 和 Fe 2 O 3 、 Al 2 O 3 （ R 2 O 3 ）含量的分子比。硅铝率：土壤粘粒部分 SiO 2 和 Al 2 O 3 的分子。硅铁率：土壤粘粒部分 SiO 2 和 Fe 2 O 3 的分子比 例：某土壤粘粒部分 SiO 2 含量为 41.89% ， Al 2 O 3 含量 33.27% ， Fe 2 O 3 含量 11.85% ，计算其硅铝铁率、硅铁率。解 :SiO 2 的分子含

16、量 41.89/60 0.698 Al 2 O 3 的分子含量 33.27/102 0.326 Fe 2 O 3 的分子含量 11.85/160 0.074 SiO 2/ R 2 O 3 0.689/ （0.326+0.074） 1.75 意义：硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度；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 2 m ）， 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

17、式： Al 4 Si 8 O 20 （OH） 4 nH 2 O 蒙脱石理论硅铝率 SiO 2 /Al 2 O 3 =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： K 2 （AlFeMg） 4 （SiAl） 8 O 20 （OH） 4 nH 2

18、O SiO 2 /Al 2 O 3 :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 MgAl） 12 （SiAl） 8 O 20 （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 Al 3+ 代 Si 4+ 、铝片中 Mg 2+ 代 Al 3+

19、 产生负电荷，水镁片中 Al 3+ 代 Mg 2+ 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 （ -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 （ -Fe 2 O 3 ） ：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。纤铁矿 （ -FeOOH） ：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。磁赤铁矿 （ -Fe 2 O 3 ） ：暗红棕色，存在于高度风

20、化且有机质少的表土。磁铁矿（ Fe 3 O 4 ）：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 Al 2 O 3 3H 2 O ， 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

21、。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 H 2 PO 4 - 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 石英为主；非晶质为蛋白石 （SiO 2 nH 2 O） ，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

22、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 +H 2 O ， -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。SiO 2 nH 2 O ：土壤 pH 条件下带负电荷，酸胶基。Al 2 O 3 nH 2 O ， Fe 2 O 3 带正电荷，碱胶基。盐基离子 Ca 2+ 、 Mg 2+ 、 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 SiO 2 /

23、Al 2 O 3 3 ，可形成 2:1 型矿物；当溶胶 SiO 2 /Al 2 O 3 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 Mg 2+ 、 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

24、 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

25、、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

26、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% 4.00 3.01 4.00 2.01 3.00 1.01 2.00 0.61 1.00 0.60 水田 % 1.29 6.19 39.9 51.99 0.63 0.004 旱地 % 3.14 5.52 18.72 46.26 24.66 1.10 2. 元素组成（水 % 75 ，干物质 % 25 ） 干物质 C H O N 灰分元素 % 44 8 40 8 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 10 0 2 30 50 28 35 1 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-humic substances