資源簡介

第九章 土壤圈
土壤通常是指位于陸地表層和淺水層底部、由有機物質和無機物質組成的、具有一定肥力而能夠生長植物的疏松層，其厚度一般為1~2m以內。
土壤肥力是土壤在外界環境條件影響下，主動協調植物生理生態要求的能力。衡量肥力強弱的標準是土壤中水、熱、氣、肥周期性動態達到穩、勻、足、適地滿足植物高產的程度。
§1 土壤的組成
1.1土壤的無機組成
　　礦物質是土壤中最基本的組分，重量占土壤固體物質總重量的90%以上。礦物質通常是指天然元素或經無機過程形成并具結晶結構的化合物。地球上大多數土壤礦物質都來自各種巖石，這些礦物經物理和化學風化作用從母巖中釋放出來時，就成為土壤礦物質和植物養分的主要來源。
　　土壤中的礦物質包括兩種，一種是原生礦物，指在物理風化過程中產生的未改變化學成分和結晶構造的造巖礦物，屬于土壤礦物質的粗質部分，形成砂粒（直徑在2.00-0.05 mm之間）和粉砂（直徑在0.05-0.002 mm之間），只有通過化學風化分解后，才能釋放并供給植物生長所需的養分，原生礦物是土壤中各種化學元素的最初來源。另一種是次生礦物，指巖石在風化過程中新生成的土壤礦物，包括簡單鹽類，鐵、鋁氧化物和次生鋁硅酸鹽，其中鐵、鋁氧化物和次生鋁硅酸鹽是土壤礦物質中最細小的部分，常稱為粘土礦物，它們形成的粘粒（直徑小于0.002 mm）具有吸附、保存呈離子態養分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
1.2土壤的有機組成
　　土壤中的有機部分指來源于生物體的土壤物質。有機質按重量計算只占土壤固體總重量的5%左右。土壤中充滿了從微小的單細胞有機體到大的掘土動物，證明土壤是一種具有活性的物質，例如在每立方厘米耕層中細菌的數量可達10億個以上，而在每立方厘米的森林土壤中，螨蟲的數量亦可達到1萬個。
　　土壤中的生物群可以分為土壤植物區系和土壤動物區系。土壤植物區系包括細菌、放線菌、真菌、藻類，以及生活于土壤中的高等植物器官（根系）等；土壤動物區系包括至少有部分生活史是在土壤中度過的所有動物，其種類繁多。
　　土壤有機部分主要可以分為兩類：原始組織及其部分分解的有機質和腐殖質。原始組織包括高等植物未分解的根、莖、葉；動物分解原始植物組織，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸體等。這些物質被各種類型的土壤微生物分解轉化，形成土壤物質的一部分。因此，土壤植物和動物不僅是各種土壤微生物營養的最初來源，也是土壤有機部分的最初來源。這類有機質主要累積于土壤的表層，約占土壤有機部分總量的10%～15%。有機組織經由微生物合成的新化合物，或者由原始植物組織變化而成的比較穩定的分解產物便是腐殖質（humus），約占土壤有機部分總量的85%-90%。腐殖質是一種復雜化合物的混合物，通常呈黑色或棕色，性質上為膠體狀，它具有比土壤無機組成中粘粒更強的吸持水分和養分離子的能力，因此，少量的腐殖質就能顯著提高土壤的生產力。
1.3土壤水分
　　大氣降水滲入土壤內部，充填土壤中的孔隙，形成土壤中的水分。根據水分在土壤中的存在方式，通常可分為吸濕水、毛管水和重力水。
存在于土壤顆粒表面的水膜稱為吸濕水。由于土粒吸持水分子的能力很強，這種水靠水分子氫鍵的作用緊緊地附著在土粒表面，植物一般無法利用，所以又稱為植物無效水。在正常情況下，各種土壤（包括荒漠土壤）中都含有吸濕水。當膜狀的吸濕水充滿土壤毛細孔隙后，靠毛管力而保持的土壤水分稱為毛管水。這種水具有活動性，可沿毛管移動，是植物可以吸收的有效水分。當毛管水膜較薄時，植物利用這種水就需要很大的吸力，從而導致植物出現缺水的征兆，甚至萎蔫。這時土壤所含的殘留水量叫做萎蔫點，它是土壤有效水與無效水的分界點。 經過長期降水或灌溉之后，土壤內部孔隙幾乎全部被水分占據，達到飽和狀態，使存在于大孔隙中的水因重力作用而下移，進入地下水潛水層。這種水分只能暫時保持在土壤中，一旦外來水源中斷，則很快流失，稱為重力水。由于重力水停留在土壤中的時間相對較短，使植物的利用受到限制，屬于土壤中的過剩水量。重力水排除后留下的可供植物利用的含水量叫做田間持水量。
土壤粒徑愈小，土壤顆粒總量和孔隙總量就愈大，隨著土粒的變細和表面積的增加，土壤田間持水量增加，也就是說，土壤中吸濕水和毛管水的含量增加。但由于吸濕水量增加，植物萎蔫點也隨之增加，所以，在較粘的土壤中，植物的有效水量反而會降低。土壤有效水量最高的是壤土。
1.4 土壤空氣
　　土壤空氣來源于大氣，它存在于未被水分占據的空隙中，但其性質與大氣圈中的空氣明顯不同。首先，土壤空氣是不連續的。由于不易于交換，局部孔隙之間的空氣組成往往不同。其次，土壤空氣一般含水量高于大氣。在土壤含水量適宜時，土壤空氣的相對濕度接近100%。第三，土壤空氣中CO2含量明顯高于大氣，可以達到大氣中濃度的幾倍到上百倍，O2的含量略低于大氣，N2的含量則與大氣相當。這是由于植物根系的呼吸和土壤微生物對有機殘體的好氣性分解，消耗了土壤孔隙中的O2，同時產生大量CO2的緣故。
§2 土壤的性質
2.1 土壤剖面
　　沿垂直方向的分層性是土壤最明顯的特征，不同的層次具有獨特的物理性質、顏色和外形等，構成土壤的形態。
土壤單體的垂直切面稱為土壤剖面自然土壤剖面主要可以劃分為幾個基本土層，從地表向下為：
① 枯枝落葉層，通常用O表示。它是土壤形成的有機物質基礎，由地表植物的枯枝落葉堆積而成，以森林土壤最為典型。
② 腐殖質層，通常用A表示。它是土壤有機質在土壤動物和微生物的作用下經腐爛、分解和再合成的產物，這層的顏色在土壤剖面中最深，呈灰黑色或黑色，一般具有團粒狀結構，并富含有機養分。
③ 淋溶層，通常用E表示。隨著上層水分的下滲，水溶性物質和細小土粒向下層移動，產生淋溶作用。在淋溶作用強烈的土壤中，不僅易溶性物質如K、Na、Ca、Mg從此層淋失，而且難溶性物質如Fe、Al和粘粒也發生變化而下移，結果在此層中只留下最難移動、抗風化力最強的礦物顆粒，以石英為主。因此，淋溶層顏色淺淡，一般呈灰白色，土壤顆粒較粗，主要由砂粒和粉砂粒組成。
④ 淀積層，通常用B表示。此層淀積了E層淋溶下來的物質，質地較粘重，土體緊實，顏色一般為棕色或紅棕色。
⑤ 母質層，通常用C表示。它是土壤形成的無機物質基礎，尚未經過成土作用，可分為兩種基本類型：一類是由巖石風化的殘積物組成的殘積母質，如花崗巖風化殼；另一類是由經過水力和風力等搬運的堆積物組成的運積母質，如河流沖積物。
　　其中，A、E、B層合稱為土體（solum），是成土作用最為活躍的層次和真正意義上的土壤層。
2.2 土壤的物理性質
　　土壤的物理性質在很大程度上決定著土壤的其它性質，例如土壤養分的保持、土壤生物的數量等。因此，物理性質是土壤最基本的性質，它包括土壤的質地、結構、比重、容重、孔隙度、顏色、溫度等方面。
土壤質地
　　質地表示土壤顆粒的粗細程度，也即砂、粉砂和粘粒的相對比例。植物生長中許多物理、化學反應的程度都受到質地的制約，這是因為它決定著這些反應得以進行的表面積。
(2)土壤結構
土壤結構就是指土壤顆粒（砂、粉砂和粘粒）相互膠結在一起而形成的團聚體，也稱土壤自然結構體。團聚體內部膠結較強，而團聚體之間則沿膠結的弱面相互分開。土壤結構是土壤形成過程中產生的新性質，不同的土壤和同一土壤的不同土層中，土壤結構往往各不相同。
由于多數土壤團聚體的體積較單個土粒為大，所以它們之間的孔隙往往也比砂、粉砂和粘粒之間的孔隙大得多，從而可以促進空氣和水分的運動，并為植物根系的伸展提供空間，為土壤動物的活動提供通道。由此可見，土壤結構的重要性在于它能夠改變土壤的質地。
在各種土壤結構中，球狀團粒結構對土壤肥力的形成具有最重要的意義，表現為：
團粒內部存在大量的毛管孔隙，吸水力強，能儲存很多水分；團粒之間則為非毛管孔隙，易于排水且經常充滿空氣。因此，具有團粒結構的土壤既能蓄水，又能通氣，可協調土壤水分和空氣的關系。
團粒內部屬嫌氣環境，有機質分解緩慢，有利于養分的保存；團粒之間為好氣環境，有機質分解迅速，能保證養分的供應。因此，具有團粒結構的土壤兼具好氣和嫌氣的條件，能較好地解決養分供給與保存的矛盾。
當降雨或灌溉時，水分可通過團粒間的非毛管孔隙滲入土壤內部，既可減少地面徑流的損失，又可增加深部土層的濕潤度；雨后或停止灌溉時，表層團粒因蒸發而失水收縮，使之與下層團粒間毛管的聯系被割斷，形成一隔離層，下層團粒中保存的水分便不易被蒸發掉。因此，具有團粒結構土壤的抗旱與防澇性能均較好。總之，團粒結構是肥沃土壤的重要標志之一，它比板狀、塊狀和棱柱狀更適宜于植物的生長。
(3)土壤孔隙
　　按照體積百分比，理想的土壤含有大約45%的礦物質、5%的有機質和50%的孔隙。在孔隙中，水分和空氣各占約25%的體積。
　　土壤的質地與結構對土壤孔隙、土壤容重和土壤密度有很大影響。當容重和密度增加時，孔隙的體積便減小；反之，孔隙的體積則增大。土壤孔隙的大小和孔隙的數量是同樣重要的。
(4) 土壤溫度
　　溫度既是土壤肥力的因素之一，也是土壤的重要物理性質，它直接影響土壤動物、植物和微生物的活動，以及粘土礦物形成的化學過程的強度等。土壤吸收的熱量主要來源于地面吸收的太陽輻射能，它大約占進入大氣圈頂的太陽輻射能的47%。被吸收的輻射能轉化為熱能，并以水分蒸發、長波輻射、加熱土壤以上的空氣和加熱土壤層等途徑散失。從長期平均來看，土壤的熱量收支是大致平衡的。但從短期來看，白天和夏季的熱量收入顯著超過熱量的支出，使土溫上升；夜晚和冬季則相反，熱量的支出顯著超過熱量的收入，使土溫下降。
2.3土壤的化學性質
　　存在于土壤孔隙中的水通常是土壤溶液，它是土壤中化學反應的介質。土壤溶液中的膠體顆粒擔當著離子吸收和保存的作用；土壤溶液的酸堿度決定著離子的交換和養分的有效性；土壤溶液的氧化還原反應則影響著有機質分解和養分有效性的程度。因此，土壤化學性質主要表現在土壤膠體性質、土壤酸堿度和氧化還原反應三個方面。
(1)土壤膠體性質
　　次生粘土礦物和腐殖質是土壤中最為活躍的成分，它們呈膠體狀態，具有吸收和保存外來的各種養分的性能，是土壤肥力形成的主要物質基礎。 有機-無機復合膠體是土壤膠體存在的重要形式。膠體含量越高的土壤，其表面能也越大，從而養分的物理吸收性能便越強。膠體的供肥和保肥功能除了通過離子的吸附與交換來實現之外，還依賴于膠體的存在狀態。當土壤膠體處于凝膠狀態時，膠粒相互凝聚在一起，有利于土壤結構的形成和保肥能力的增強，但也降低了養分的有效性；當膠體處于溶膠狀態時，每個膠粒都被介質所包圍，是彼此分散存在的，雖可使養分的有效性增加，但易引起養分的淋失和土壤結構的破壞。土壤中的膠體主要處于凝膠狀態，只有在潮濕的土壤中才有少量的溶膠。
　　(2)土壤酸堿度
　　土壤酸堿度又稱土壤反應，它是土壤鹽基狀況的一種綜合反映。土壤的活性酸度是由土壤溶液中游離的H+造成的，通常用pH值表示。另一種酸度稱為潛在酸度，是土壤膠體所吸附的H+和Al3+被交換出來進入土壤溶液中所顯示的酸度。因為這些離子在被交換出來之前并不顯示酸度，因此得名。活性酸度和潛在酸度在本質上并沒有截然的區別，二者保持著動態平衡的關系。
　　(3)氧化還原反應
　　在土壤溶液中經常地進行著氧化還原反應，它主要是指土壤中某些無機物質的電子得失過程。土壤中的氧化作用主要由游離氧、少量的NO3-和高價金屬離子如Mn4+、Fe3+等引起，它們是土壤溶液中的氧化劑，其中最重要的氧化劑是氧氣。在土壤空氣能與大氣進行自由交換的非漬水土壤中，氧是決定氧化強度的主要體系，它在氧化有機質時，本身被還原為水。在土壤淹水的條件下，大氣氧向土壤的擴散受阻，土壤含氧量由于生物和化學消耗而降低。如果土壤中缺氧，則其它氧化態較高的離子或分子成為氧化劑。
　　土壤中的還原作用是由有機質的分解、嫌氣微生物的活動，以及低價鐵和其它低價化合物所引起的，其中最重要的還原劑是有機質，在適宜的溫度、水分和pH值等條件下，新鮮而未分解的有機質還原能力很強，對氧氣的需要量非常大。
　　一般來說，氧化態物質有利于植物的吸收利用，而還原態物質不但有效性降低，甚至會對植物產生毒害。
§3 土壤的形成
3.1土壤形成因素
(1) 土壤形成的母質因素
　　風化作用使巖石破碎，理化性質改變，形成結構疏松的風化殼，其上部可稱為土壤母質。如果風化殼保留在原地，形成殘積物，便稱為殘積母質；如果在重力、流水、風力、冰川等作用下風化物質被遷移形成崩積物、沖積物、海積物、湖積物、冰磧物和風積物等，則稱為運積母質。成土母質是形成土壤的物質基礎和植物礦質養分元素（氮除外）的最初來源。母質代表土壤的初始狀態，它在氣候與生物的作用下，經過上千年的時間，才逐漸轉變成可生長植物的土壤。母質對土壤的物理性狀和化學組成均產生重要的作用，這種作用在土壤形成的初期階段最為顯著。隨著成土過程進行得愈久，母質與土壤間性質的差別也愈大，盡管如此，土壤中總會保存有母質的某些特征。
　　首先，成土母質的類型與土壤質地關系密切。其次，土壤的礦物組成和化學組成深受成土母質的影響。
(2)土壤形成的氣候因素
　　氣候對于土壤形成的影響，表現為直接影響和間接影響兩個方面。直接影響指通過土壤與大氣之間經常進行的水分和熱量交換，對土壤水、熱狀況和土壤中物理、化學過程的性質與強度的影響。氣候還可以通過影響巖石風化過程、外力地貌形態以及動、植物和微生物的活動等間接地影響土壤的形成和發育。
(3) 土壤形成的生物因素
　　生物是土壤有機物質的來源和土壤形成過程中最活躍的因素，土壤的本質特征肥力的產生與生物的作用是密切相關的。巖石表面在適宜的日照和濕度條件下滋生出苔蘚類生物，它們依靠雨水中溶解的微量巖石礦物質得以生長，同時產生大量分泌物對巖石進行化學、生物風化；隨著苔蘚類的大量繁殖，生物與巖石之間的相互作用日益加強，巖石表面慢慢地形成了土壤；此后，一些高等植物在年幼的土壤上逐漸發展起來，形成土體的明顯分化。在生物因素中，植物起著最為基本的作用。綠色植物有選擇地吸收母質、水體和大氣中的養分元素，并通過光合作用制造有機質，然后以枯枝落葉和殘體的形式將有機養分歸還給地表。不同植被類型的養分歸還量與歸還形式的差異是導致土壤有機質含量高低的最基本原因。
(4)土壤形成的地形因素
地形對土壤形成的影響主要是通過引起物質、能量的再分配而間接地作用于土壤的。在山區，由于溫度、降水和濕度隨著地勢升高的垂直變化，形成不同的氣候和植被帶，導致土壤的組成成分和理化性質均發生顯著的垂直地帶分化。
(5)土壤形成的時間因素
　　在各種成土因素中，母質和地形是比較穩定的影響因素，氣候和生物則是比較活躍的影響因素，它們在土壤形成中的作用隨著時間的演變而不斷變化。因此，土壤是一個經歷著不斷變化的自然實體，并且它的形成過程是相當緩慢的。在酷熱、嚴寒、干旱和洪澇等極端環境中，以及堅硬巖石上形成的殘積母質上，可能需要數千年的時間才能形成土壤發生層，例如在沙丘土中，特別是在林下，典型灰壤的發育需要1000-1500年。但在變化比較緩和的環境條件中，以及利于成土過程進行的疏松成土母質上，土壤剖面的發育要快得多。
6. 土壤形成的人類因素
　　在五大自然成土因素之外，人類生產活動對土壤形成的影響亦不容忽視，主要表現在通過改變成土因素作用于土壤的形成與演化。其中以改變地表生物狀況的影響最為突出，典型例子是農業生產活動，它以稻、麥、玉米、大豆等一年生草本農作物代替天然植被，這種人工栽培的植物群落結構單一，必須在大量額外的物質、能量輸入和人類精心的護理下才能獲得高產。因此，人類通過耕耘改變土壤的結構、保水性、通氣性；通過灌溉改變土壤的水分、溫度狀況；通過農作物的收獲將本應歸還土壤的部分有機質剝奪，改變土壤的養分循環狀況；再通過施用化肥和有機肥補充養分的損失，從而改變土壤的營養元素組成、數量和微生物活動等。最終將自然土壤改造成為各種耕作土壤。人類活動對土壤的積極影響是培育出一些肥沃、高產的耕作土壤，如水稻土等；同時由于違反自然成土過程的規律，人類活動也造成了土壤退化如肥力下降、水土流失、鹽漬化、沼澤化、荒漠化和土壤污染等消極影響。
3.2土壤形成過程
　　土壤的本質是肥力，因此，土壤的形成過程主要是土壤肥力發生與發展的過程，結合上節對成土因素的分析，本節從動態的角度來考察土壤形成的一般規律和具體成土過程。
(1) 土壤形成的一般規律
　　從地球系統物質循環的觀點來看，土壤肥力的發生與發展是自然界物質的地質大循環與生物小循環相互作用的結果。地質大循環是指礦物質養分在陸地和海洋之間循環變化的過程。陸地上的巖石經風化作用產生的風化產物，通過各種外力作用的淋溶、剝蝕、搬運，最終沉積在低洼的湖泊和海洋中，并經過固結成巖作用形成各種沉積巖；經過漫長的地質年代，這些湖泊、海洋底層的沉積巖隨著地殼運動重新隆起成為陸地巖石，再次經受風化作用。這種物質循環的周期大約在106-108年。其中以巖石的風化過程和風化產物的淋溶過程與土壤形成的關系最為密切。風化過程在土壤形成中的作用主要表現為原生礦物的分解和次生粘土礦物的合成。前者使礦物分解為較簡單的組分，并產生可溶性物質，釋放出養分元素，為綠色植物的出現準備了條件；后者使風化殼中增加了活躍的新組分，從而具有一定的養分和水分的吸收保蓄能力，為土壤的形成奠定了無機物質的基礎。可見，風化過程對土壤來說，是一種物質輸入過程。淋溶過程使有效養分向土壤下層和土體以外移動，而不是集中在表層，具有促進土壤物質更新和土壤剖面發育的作用。對于土壤來說，它是一種物質轉移和輸出過程。
　　生物小循環又稱為養分循環，指營養元素在生物體和土壤之間循環變化的過程。植物從母質和土壤中選擇吸收所需的可溶性養分，通過光合作用合成有機體；植物被動物食用后變成動物有機體；植物、動物有機體死亡后歸還土壤，經微生物分解與合成轉化為植物可以吸收的可溶性養分和腐殖質，腐殖質經過緩慢的礦質化，也為植物提供養分。這種物質循環的周期較短，一般為100-102年。其中有機質的累積、分解和腐殖質的合成促進了植物營養元素在土壤表層的集中和積累，成為土壤肥力形成與發展的關鍵。
　　從地球發展史來看，生物的出現較晚，因此，生物小循環是在地質大循環基礎上發展起來的，是疊加在地質大循環上的較小時間尺度的次級物質循環。從對于土壤形成的作用上看，地質大循環的總趨勢是陸地物質的流失，造成土壤系統養分的淋溶分散，而生物小循環的總趨勢是使流失中的物質保存和集中在地表，并不斷在土壤與生物之間循環利用。一般來說，如果風化作用和有機質的累積、分解與腐殖質合成作用較強，而淋溶作用較弱，土壤中養分保存多，肥力水平將逐漸提高；如果風化作用和有機質的累積、分解與腐殖質合成作用較弱，而淋溶作用較強，土壤中養分保存少，肥力水平將逐漸降低；當兩種作用勢均力敵時，土壤肥力的發展處于動態平衡狀態。此外，人類的各種生產活動如砍伐森林、耕墾草原、圍湖圍海造田、開采礦產、城市建設等都會對地質大循環和生物小循環產生干擾，從而影響一個地方土壤肥力的發展方向與平衡。
(2) 土壤形成的主要過程
　　略。
§4 土壤的分類簡介
略。

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