绪论

第一节 土壤在人类农业和自然环境中的重要性

一、土壤是人类农业生产的基地

（一）土壤是植物生长繁育的基地

光、热和空气主要来自太阳辐射能和大气，所以叫做“宇宙因素”；

水分和养料主要是植物根系从土壤中吸取，所以叫做“土壤因素”。

归纳起来，土壤在植物生长繁育中有下列不可取代的特殊作用：

1 ．营养库的作用

1)        植物需要的营养元素除CO2主要来自空气外，氮、磷、钾及中量、微量营养元素和水分则主要来自土壤。

2)        从全球氮磷营养库的贮备和分布看，虽然海洋面积占地球陆地表面的2/3，但陆地土壤和生物系统贮备的氮磷总量要比水生生物和水体中的贮量高得多，无论从数量和分配上，土壤营养库都十分重要。

 

2．养分转化和循环作用

主要靠土壤中时刻进行的物理、化学和生物变化进行不断的调整与平衡作用，如有机物质的矿化与腐殖化作用（生物）、土壤的吸附与解吸（物理化学）、氧化与还原（化学）、固定与释放、养分形态的转化、养分间的协同与拮抗等。

在地球表层系统中通过土壤养分元素的复杂转化过程，实现着营养元素与生物之间的循环和周转，保持了生物生命周期生息与繁衍。

3．雨水涵养作用

土壤是地球陆地表面具有生物活性和多孔结构的介质，具有很强的吸水和持水能力。

土壤的雨水涵养功能与土壤的总孔度、有机质含量等土壤理化性质和植被覆盖度有密切的关系。

植物枝叶对雨水的截留和对地表径流的阻滞，根系的穿插和腐殖质层形成，能大大增加雨水涵养、防止水土流失的能力。

4．生物的支撑作用

1)        绿色植物在土壤中生根发芽，根系在土壤中伸展和穿插，获得土壤的机械支撑，保证绿色植物地上部分能稳定地站立于大自然之中。

2)        在土壤中还拥有种类繁多，数量巨大的生物群，地下微生物在这里生活和繁育。

5．稳定与缓冲环境变化的作用

1)        土壤处于大气圈、水圈、岩石圈及生物圈的交界面，是地球表面各种物理、化学、生物化学过程反应界面、物质与能量交换、迁移过程等最复杂、最频繁的地带。这种特殊的空间位置，使得土壤具有抗外界温度、湿度、酸碱性，氧化还原性变化的缓冲能力。

2)        对进入土壤的污染物能通过土壤生物进行代谢、降解、转化、清除或降低毒性，起着“过滤器”和“净化器”的作用。

3)        为地上部分的植物和地下部分的微生物的生长繁衍提供一个相对稳定的环境。保证了植物能够适应环境因素的剧烈变化要求。

（二）土壤是动物生产的基地

1)        农业生产包括植物生产（种植业，也叫初级生产）和动物生产（养殖业，也叫次级生产）。

2)        植物生产是由绿色植物通过光合作用，把太阳辐射能转变为有机质化学能。

3)        动物生产则是对植物生产产品的进一步加工及增值，在更大程度上满足人类的需求。

4)        显然，不但植物生产是以土壤为基础的，而且动物生产也是直接地（如放牧牲畜）或间接地（提供饲料和饵料）以土壤为基地的。

（三）植物生产、动物生产与土壤管理间的关系

1)        植物生产、动物生产和土壤利用管理，三个环节不可分割，而这些环节都和土壤有密切的联系。

2)        土壤管理通过耕作、栽培、施肥、灌溉等保持和提高土壤生产力的技术。

当前土壤管理方面存在的问题是土壤退化（soil degradation）：

1．土壤侵蚀 soil erosion

2．土壤沙化 soil desertification

3．土壤盐渍化 soil salinization

4．土壤肥力退化 soil fertility diminution

5．土壤污染 soil pollution

改良低产田是土壤管理的重要内容和任务

二、土壤是地球表层系统的重要组成部分

地球表层系统：地球表层上始大气对流层上界，下到海底深处和岩石上部，由大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈组成的一个由非生物和生物过程叠加的物质体系。

1)        在地球表层系统中，土壤圈是覆盖于地球陆地表面的一个薄薄的具有疏松多孔结构的独立圈层。

2)        特殊的空间位置使它成为沟通其他4个圈层的交接界面。

3)        独特的疏松结构使它与其他四个圈层进行一系列的物理、化学和生物学反应过程，成为各圈层间物质、能量交换，非生命与生命相互作用的中心环节。

（一）土壤圈的概念

1)        关于土壤圈的概念早在1938年由瑞典学者S.Martson（马迪生）提出。

2)        1990年Arnold（阿诺德）对土壤圈的定义、结构、功能及其在地球表层系统中的地位作了深刻的阐述与发展。

3)        从20世纪80年代后，我国对土壤圈物质循环开展了较深入的研究，中国科学院南京土壤研究所主编出版《土壤圈》中、英文版杂志，深化了对土壤圈的认识。

4)        赵其国（2004，生态环境）提出：土壤圈是地球系统的重要组成部分，其位置处于大气圈、水圈、生物圈与岩石圈的交接界面，它既是这些圈层的支撑者，又是它们长期共同作用的产物。

（二）土壤圈与其它圈层的关系

1．与大气圈的关系：

1)        大气圈含碳、氢、氧、氮及多种微量气体成分，其中氮和氧几乎占大气总量的99%。

2)        土壤与大气圈在近地球表面进行着频繁的水、热、气的平衡交换。

3)        土壤为疏松多孔的生命系统，通过生物固氮将主要源于大气的氮元素固定在土壤中，以供生命的需要。

4)        土壤能向大气释放CO2、CH4和NOx等气体。大气中大约有70%的CH4和90%的N2O来自土壤，它们参与碳、氮等元素的全球循环，被认为是导致“温室效应” 的重要气体来源。

2．与生物圈的关系：

1)        地球表层包括动物、植物、微生物在内的全部生物群落组成了生物圈。

2)        土壤不仅是动植物乃至人类赖以生存的基地，也是微生物最适合的栖息场所。

3)        植物扎根于土壤，从土壤中吸收养料和水分，在太阳能的作用下通过光合作用合成有机物质。动物的活动可疏松土壤，促进团聚结构的形成，土壤动物残体为土壤有机质的来源。微生物是地球上最古老的生物体，为古老的造土者。

3．与水圈的关系

水是地球系统中连结各圈层物质迁移的介质，也是地球表层一切生命生存的源泉。

虽然地球水资源丰富，但淡水资源相对贫缺，除江河、湖泊外，土壤是保持淡水的最大储库。

大气降水或灌溉水进入土壤，通过土壤吸持、入渗和再分配过程，以土壤饱和和非饱和水流参与地球水循环，成为陆地水循环中最复杂的重要环节之一。

4．与岩石圈的关系：

1)        土壤是岩石经过风化作用和成土过程形成的，土壤固相骨架的矿物组成占土壤重量的95%以上。除碳、氢、氧元素外，植物必需的养分元素几乎都由矿物质分解释放而来，土壤矿物是植物养分的主要来源。

2)        土壤圈作为地球圈层的“皮肤”，对岩石圈具有一定的保护作用，以减少其遭受各种外营力破坏。

三、土壤是地球陆地生态系统的基础

 

在陆地生态系统中，土壤作为最活跃的生命层，生产者、消费者、分解者都离不开土壤。

1)        土壤支持植物生长，植物通过光合作用，进行植物生产；

2)        动物把采食的植物同化为自身的生活物质，进行动物生产；

3)        土壤微生物又将动植物残体分解转化为土壤腐殖质或植物可以吸收的营养元素。

因此，土壤是陆地生态系统中最根本最重要的构成因素。

土壤生态系统

土壤生态系统是土壤中生物与非生物环境的相互作用通过能量转换和物质循环构成的整体。

生产者(Producers)：绿色植物是主要生产者。

通过光合作用，把太阳能转化为有机形态的贮藏潜能。同时又从土壤中吸收养分、水分，合成并转化为有机形态的贮存物质。

消费者(Consumers)：主要是食草或食肉动物，如土壤原生动物、蚯蚓、昆虫类和脊椎动物中的啮齿类动物。

它们以现有的有机物作食料，经过机械破碎，生物转化，这部分有机质除小部分的物质和能量在破碎和转化中消耗外，大部分物质和能量则仍以有机形态残留在土壤动物中。

分解者(Decomposers)：主要指生活在土壤中的微生物和低等动物。微生物有细菌、真菌、放线菌、藻类等；低等动物有鞭毛虫，纤毛虫等。

它们从绿色植物与动物的残留有机体中吸取养分和能量，并将它们分解为无机化合物或改造成土壤腐殖质。

四、土壤是最珍贵的自然资源（土壤资源的特性）

1．土壤资源的相对不可再生性

土壤资源与光、热、水、气资源一样被称为可再生资源。但从土壤的数量来看又是不可再生的，是有限的自然资源。

2．土壤资源数量的有限性

1)        只有一个地球，数量不会增加；

2)        土壤形成的时间长，地球表面形成1cm厚的土壤，约需要300年或者更长的时间；（土壤形成速率大约为0.056毫米/年）

3)        我国的土壤资源由于受海陆分布、地形地势、气候、水分分配和人口增加、工业化扩展的影响，耕地土壤资源短缺，后备资源不足，人均耕地继续下降。

3．土壤资源质量的可变性

1)        土壤肥力在物质循环和平衡中不断获得发育和提高。只要合理利用土壤，用养结合，不断投入和补偿，就有可能保持土壤肥力的持续利用。

2)        但人类违背自然规律，破坏生态环境，滥用土壤，高强度、无休止的向土壤索取，土壤肥力将逐渐下降和破坏，即土壤质量退化。

4．土壤资源空间分布上的固定性（土壤资源空间变异及相对固定性）

覆盖在地球表面各种不同类型的土壤，在地面空间位置上有相对的固定性，在不同生物气候带内分布着不同的地带性土壤。

东方主要是水耕人为土，呈青色；南方多为富铁土和铁铝土，呈红色；西方以干旱土和盐成土占优势，呈白色；北方多均腐土，呈黑色；中原大地黄土高原的雏形土，呈黄色。

土壤资源的空间分布还受区域性地质、地形、母质、水文等条件的影响。

人类的耕作活动也改变了土壤的性状，从而影响土壤的空间分布。如黄土高原长期使用土粪形成的塿土，干旱与半干旱地区长期灌溉发育的淤土，各地长期水耕农田发育的水稻土，都是人为耕作活动的结果。

第二节  土壤的基本概念

一、土壤的概念

（一）概念

应用较广泛的经典定义：

土壤是地球陆地表面具有肥力能够生长绿色植物的疏松表层。

该定义是建立在土壤发生学派的创始人，俄国的道库恰耶夫提出的成土因素学说及著名学者威廉斯的统一形成学说基础上的。

（二）土壤属性

1)        它是一个独立的历史自然体：它有它自己发生和发育的历史，在形态、组成、结构和功能上是可以剖析的物质实体。

2)        它是一个动态的历史自然体：土壤是在母质、生物、气候、地形、时间五大成土因素综合作用下形成的，并随各成土因素的改变而变化。地球表面土壤之所以存在着性质的差异，就是因为在不同时间、空间位置上成土因素变化所造成的。

3)        它是一个多功能的历史自然体：如，生产功能、生态功能、环境功能、工程功能以及社会功能等。

（三）单个土体、聚合土体和土壤剖面

1)        单个土体：能代表土壤个体的体积最小的三维土壤实体，它足以包含各土层和它们性质的微小变化，其面积一般为1-10m2。

2)        聚合土体：在空间上相邻、物质组成和性状相近的若干单个土体的组合。

3)        聚合土体在分类上相当于中国土壤系统分类中的一个土系，通常被作为土壤调查采样、观察、制图的单元或对象。

4)        土壤剖面：由若干成土过程形成的土层组成从地表面至母质的垂直面。

5)        道库恰耶夫把土壤剖面划分为A、B、C 3个基本层。

6)        A层，腐殖质在这层聚积。B层，粘粒在这层淀积。C层，由不同程度的风化物构成。

二、土壤的物质组成

从组成来看，自然界的土壤是由这三相物质组成的。

固相：由土壤矿物质、有机质和土壤生物构成

液相：土壤水分（又称土壤溶液）

气相：土壤空气

土壤三相组成（容积比）

1)        土壤固体部分通常以固体土粒的形式存在，按容积计算，一般占50%，其中矿物质占38%，有机质占12%。

2)        其余50%的容积是固体土粒之间的大小不同的孔隙，其中充满着液体和气体，也就是水分和空气。

3)        水分和空气的含量，各在20-30%的容积范围内相互消长地变动着，但二者所占的容积之和大致在50%。

重量比：矿物质部分构成了土壤骨架，一般占土壤总重量（干重量）的95%以上，有机质只占土壤重量的5%左右。

土壤的物质组成成分在数量上有着很大的差异

1)        泥炭土的有机质含量可以高达70-80%以上，砂质土壤和其他瘠薄土壤，有机质的含量可以低到千分之几。

2)        至于水分和空气数量的变化则更大，而且它们的消长还左右着土壤热量状况。

组成土壤的这些物质，不是简单地、机械地混合在一起，而是相互联系、相互制约地构成一个统一体。土壤的物质组成是土壤肥力的基础，不同土壤的物质组成成分的数量和结构，直接决定着土壤肥力的高低。

三、土壤肥力和土壤生产力

土壤具有肥力，是土壤与其它自然界物质的本质区别，是土壤能够生长万物的根源。

土壤肥力

1)        指土壤为植物生长供应和协调营养条件（水分和养分）与环境条件（温度、空气）的能力。即土壤水、肥、气、热四大因素的综合表现。

2)        土壤学中把水、肥、气、热——称为四大肥力因素。

3)        “协调”是指水、肥、气、热不是孤立的，而是相互联系和相互制约的。

4)        植物的正常生长发育，不仅要求水、肥、气、热四大肥力因素同时存在，而且要处于相互协调的状态。

自然肥力和人为肥力：根据土壤肥力的来源不同，土壤肥力有自然肥力和人为肥力的区别。

1)        自然肥力：土壤在自然因素即五大成土因素（气候、生物、母质、地形和时间）的综合作用下发育而来的肥力，它是自然成土过程的产物。如森林土壤、草原土壤等。只有从来不受人类影响的自然土壤才具有自然肥力。

2)        人为肥力：耕作熟化过程发育而来的肥力，是在耕作、施肥、灌溉及其它技术措施等人为因素影响作用下所产生的结果。

潜在肥力与有效肥力：按土壤肥力在生产上发挥与否划分为有效肥力和潜在肥力。

1)        有效肥力：由于受土壤性质、环境条件和管理水平的限制，土壤肥力往往只有部分表现出来，这部分肥力称为“有效肥力”，又称“经济肥力”，即指在当季生产上发挥出来并产生经济效果的那一部分肥力。

2)        潜在肥力：指在当季生产上未能产生经济效果的那一部分肥力。

3)        有效肥力和潜在肥力是可以相互转化的，两者之间没有截然的界限。

土壤肥力的发展与转化

1)        自然土壤只具有自然肥力，但一切农业土壤则兼具自然肥力和人为肥力，它们具有综合效应，作物在利用肥力因素时，二者是不能区分的。

2)        潜在肥力与有效肥力之间没有截然界限，在一定环境条件下，可以相互转化。

 

土壤肥力与土壤生产力的区别与联系

土壤生产力(Soil productivity)

1)        土壤生产力是土壤生产植物产品的能力。是由土壤本身的肥力属性和发挥肥力作用的外界条件所共同决定的，土壤肥力高低是土壤生产力的基础而不是其全部。

2)        肥力因素基本相同的土壤，如果处在不同的环境条件下，其表现出来的生产力彼此可能相差很大。

3)        高产的土壤，必定是肥沃的。但是，并不能因此而断定，肥沃的土壤一定高产。

第三节 土壤科学发展史简介（世界土壤科学发展史）

 

土壤科学发展历史有3个明显不同的学派。

（一）农业化学学派

代表人物为德国的化学家李比希（J．F．Liebig 1803—1873）在1840年出版了《化学在农业和植物生理上的应用》专著提出了“矿质营养学说（theory of mineral）”和“养分归还学说（theory of returns）”。

矿质营养学说：

李比希否定了当时流行的腐殖质营养学说。他指出：

1)        腐殖质是在地球上有了植物以后才出现的，而不是在植物出现以前，因此植物的原始养分只能是矿物质。

2)        土壤中矿物质是一切绿色植物唯一的养料，厩肥及其它有机肥料对于植物生长所起的作用，并不是由于其中所含的有机质，而是由于这些有机质在分解时所形成的矿物质。

3)        学术观点核心是把土壤当作植物养料的贮存库，植物靠吸收土壤和肥料中的矿质养料而滋养。土壤生产力就决定于所贮存矿质养料的多寡，这就是“矿质营养学说”。

养分归还学说：

1)        植物以不同的方式从土壤中吸收矿质养分，土壤中养分逐渐减少，连续种植会使土壤贫瘠，为了保持土壤肥力，就必须把植物带走的矿质养分以施肥的方式如数归还给土壤，来维持土壤养分平衡。

2)        养分归还学说对恢复和维持土壤肥力有积极意义。

 

主要学术观点：植物的营养主要依赖于土壤中的矿质养分以及有机质分解后产生的矿物质，只有不断地向土壤归还和供给矿质养分，才能维持土壤肥力。

贡献

1. 开辟了用化学理论、化学方法研究土壤问题，开辟了土壤分析化学、土壤化学和农业化学等分支学科，促进了土壤科学的发展。

2.  迅速推进了化工、化肥工业的发展，在化肥发展史上产生了具有划时代的意义。唤醒了人们培肥土壤，进行施肥思想观念。时至今日，该学说仍被作为化肥工业和化肥应用的最重要的理论依据。

缺点

1.  片面地认为土壤是单纯的养分贮存库，矿质养分是土壤肥力的唯一因素，只要施用矿质肥料把植物吸收的矿质养分归还土壤，就能保持土壤肥力。以纯化学理论看待复杂的土壤肥力问题，简单、机械地把土壤当作植物的“养料库”。忽视了土壤本身的调节，植物本身也不只是单向的从土壤中吸收、消耗矿质养料，植物与土壤之间复杂的能量交换和物质转化关系也为土壤提供有机物料。

2.  忽视了施用有机肥、种植绿肥和合理耕作轮作等培肥养地措施，忽视了生物因素对提高土壤肥力的积极作用。片面地看待土壤与植物的相互关系，仅强调植物是土壤养分的消耗者，却忽视了植物对土壤养料的积聚、对肥力提高也有积极的作用（固氮植物）。

（二）农业地质学派

19世纪后半叶，德国地质学家法鲁（F.A.Fallow）、李希霍芬（F.V.Richthofen）、拉曼（E.Ramann）等用地质学观点研究土壤，形成了地质土壤学观点。

主要学术观点

1)        把土壤形成过程看做岩石的风化过程，认为土壤是岩石经过风化而形成的地表疏松层，即岩石风化的产物。土壤类型取决于岩石的风化类型，土壤是变化、破碎中的岩石。

2)        认为土壤是岩石经风化作用而形成的碎屑物质，土壤中可溶性矿物质在风化作用下会不断淋溶损失，土壤肥力不可避免地要逐步下降。

贡献

1)        农业地质学派揭示了风化作用在土壤形成过程中的重要性。

2)        开辟了从矿物学研究土壤的新领域，加深了对土壤的基本“骨架”矿物质的研究。

缺点

1)        只强调了土壤与岩石、母质之间相互联系的一方面，却混淆了土壤与岩石、母质的本质区别，把风化过程当做成土过程，把风化产物看做土壤。

2)        认为土壤形成过程是风化和淋溶过程的结果，也就是土壤肥力发展过程。风化过程释放的养分为植物生长创造了营养条件。同时由于水的淋溶，养分不断流失而肥力将趋于枯竭，因此土壤肥力必然是逐渐减退的。

3)        他不了解生物对提高土壤肥力的作用，更不了解人为因素对耕作土壤肥力变化的主导作用。

（三）土壤发生学派

19世纪70-80年代，道库恰耶夫(В.В.Докучаев,1846-1902) 创立了土壤发生学观点。

道库恰耶夫在1883年发表的著作《俄罗斯黑钙土》中，全面地阐述了土壤发生、发展过程。

主要学术观点

（1）土壤形成过程是由岩石和矿物经过风化作用和成土过程所形成的。

（2）土壤有它自己的发生和发育历史，是独立的历史自然体。

（3）影响土壤发生和发育的因素为：母质、气候、生物、地形、时间。土壤是在5大成土因素的综合作用下形成，提出五大成土因素学说。

（4）地球上土壤的分布具有地带性规律，创立土壤地带性学说。

（5）对土壤分类提出了创造性的见解，拟订了土壤调查和编制土壤图的方法。

道库恰耶夫的继承者威廉斯（В.Р.Вильямс）在其学说的基础上，创立土壤的统一形成学说。

主要学术观点

（1）土壤是以生物为主导的各种成土因子长期、综合作用的产物。更加强调了生物在土壤发生和肥力发展上的作用。

（2）物质的地质大循环和生物小循环的矛盾统一是土壤形成的实质。

（3）土壤本质特点是具有肥力，并提出团粒结构是土壤肥力的基础，制定了草田轮作制，这种观点被称为土壤生物发生学派。

缺点

这个学派的研究对象限制在自然土壤的范围内，忽视了对耕作土壤肥力发展的研究，特别是人类农业生产活动对土壤熟化培肥的关系没有给以足够的重视，因而在农业生产中不能充分发挥作用。

内容补充：

五色土：东青、南红、西白、北黑、中黄的空间格局大体反映了我国土壤在这五个方位上的真实情况。

1)        东临大海，又是很多江河的入海口，因此土壤长期处于淹水状态之下，其中的氧化铁（Fe2O3）被还原成氧化亚铁（FeO）而呈灰绿色，是为青土。

2)        南方闷热潮湿而多雨，大量易溶于水的土壤矿物质，受雨水冲刷而流失，最终剩下氧化铁和氧化铝（Al2O3），因而呈现红色。

3)        西部气候干旱，土壤以盐土和碱土为主，这类土壤中富含碳酸钙、石膏等白色物质，加上可溶性盐在土壤表层聚集，所以变成了白色。

4)        东北地区气候湿润而寒冷，黑色腐殖质在土壤表层大量积累而降解缓慢，长年累月黑色不断加深，因此称作黑土。

5)        黄土则主要分布于我国的黄土高原，黄土的有机质含量不高但其颗粒细腻，适宜耕作。

塿土：塿土主要分布在陕西省关中盆地和山西省西南部的汾河、渭河河谷平原阶地上。它是在褐土的基础上，经过长期耕种和大量施用土粪堆积覆盖增厚形成的，是我国古老耕作土壤之一。堆积熟化土层的厚度约50～60厘米，把原来的褐土埋在下面，两种土壤紧密相接但又上下界线分明，好似盖上一层楼房一样，所以农民群众形象地把它取名为“塿土”。