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同學(xué)們好！從這節(jié)課開始，我們將要介紹有關(guān)土壤的知識。由于我們有專門的土壤學(xué)課程，所以我不會在本章中涉及更詳細(xì)的內(nèi)容，只是引導(dǎo)大家如何從自然地理學(xué)的角度來理解土壤的基本問題。
好，下面開始我們的第一講，土壤的組成及其特征。
相信大家都見過土壤，但你們未定都知道什么是土壤。如果要給一個定義的話，那么土壤就是，由有機和無機物組成、具有一定肥力，從而能夠生長植物的疏松層，是生物、氣候、地形、母質(zhì)和時間等成土因素綜合作用的結(jié)果。值得強調(diào)一下的是，土壤的本質(zhì)以及其生命力所在，是肥力，它是土壤在外界環(huán)境條件影響下，主動協(xié)調(diào)植物生理和生態(tài)要求的能力，這里的生態(tài)要求是指水、熱、氣、肥，因而可看作是一種“類生命體”。
當(dāng)然，對于土壤，我們還有更多的描述。比如，土壤是在特定成土條件下，經(jīng)過漫長的成土過程逐漸發(fā)育和形成的歷史自然體，它忠實記錄了地質(zhì)年代和氣候的變化，因此也稱天然的地質(zhì)年代表、或者說氣候變化的指示物。土壤也是一個動態(tài)開放的生態(tài)系統(tǒng)，物質(zhì)流和能量流貫穿其中，表現(xiàn)出動態(tài)的演替過程 。而且，對于大多數(shù)生命來說，土壤是其生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是難于再生的自然資源，是人類社會經(jīng)濟發(fā)展和生物圈繁榮共存的基地。
土壤由固、液、氣三相組成，是空氣、水、礦物質(zhì)、有機質(zhì)相互作用形成的有機整體。其中空氣和水各占20-30%，礦物質(zhì)占38%，有機物占12%。
土壤礦物質(zhì)來源于巖石的風(fēng)化作用。地表的礦物、巖石，由于溫度變化，還有水、大氣以及生物的作用，而發(fā)生崩裂、粉碎、分解，可產(chǎn)生新的礦物，這種現(xiàn)象稱為風(fēng)化作用。根據(jù)風(fēng)化作用的因素和性質(zhì)可將其分為三種類型：物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化作用。如果根據(jù)成因，土壤礦物質(zhì)有可分為原生礦物、次生礦物和巖石碎屑。我們后面再介紹這些內(nèi)容。
土壤是一個疏松的多孔體，其中布滿著大大小小蜂窩狀的孔隙，這就是土壤可儲存和傳輸水分的地方，也土壤空氣存在的地方。降水、地下水和灌溉是土壤水分的主要來源；蒸發(fā)、植物吸收和蒸騰作用、滲漏和地表徑流，是土壤水分喪失的主要途徑。那么，水分平衡，就是土壤獲得水和失去水之間的變化。
我們在介紹地球的圈層結(jié)構(gòu)的時候，說到地球的外部圈層，從地表向上分別是水圈、生物圈和大氣圈。當(dāng)然，與生物最為相關(guān)的圈層，還包括地球內(nèi)部圈層與外部圈層交界的巖石圈。土壤，也在地球表面構(gòu)成了一個連續(xù)的覆蓋層，猶如一層地膜，通過它與其他圈層間進(jìn)行著物質(zhì)和能量交換，因此有學(xué)者提出了土壤圈的概念。土壤圈的規(guī)模雖然不能和其它圈層相比，但它對生命乃至人類的重要性卻是不容忽略的。歸納起來，土壤圈有三大特征。從空間上來說，土壤圈處于大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的交接地帶；從性質(zhì)上來說，土壤圈是生物有機體和無機環(huán)境之間強烈的相互作用面；從功能上來說，土壤圈與其它圈層間進(jìn)行著不斷的物質(zhì)與能量交換。
說到土壤圈與其他圈層的關(guān)系，我來順便介紹一本雜志，中國科學(xué)院主辦的一個國際刊物——土壤圈。大家看看呀，該雜志在設(shè)計封面上似乎沒有什么創(chuàng)意，幾乎每期都是類似的圖案，中間是土壤圈，周圍是四個圈層。這是否從另一個側(cè)面說明了，沒有比這樣一幅圖更容易解釋和理解土壤圈內(nèi)涵的東西了。
如果沿著土壤垂直方向挖掘下去，就可以看到不同層次的土壤有明顯的不同，這是土壤的分層性，也是土壤最明顯的特征。不同層次的土壤，具有獨特的物理性質(zhì)、顏色和外形，這也構(gòu)成了土壤獨特的形態(tài)。一般，在野外進(jìn)行土壤分析的時候，會進(jìn)行垂直挖掘，并放上紅白相間的尺子，甚至現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)注并拍攝下來。傳統(tǒng)上，土壤剖面分為3個基本發(fā)生層，即A、B、C層。
但實際上，土壤會劃分為更多的層次。比如這張圖中，最上面一層，是殘落物層，就是圖上的O層，是在通氣良好而又較干燥的條件下，植物殘落物堆積，有機物沒有完全分解并在地表累積起來。
?A層，表土層，這里，有機質(zhì)已腐殖質(zhì)化，生物活動強烈，主要進(jìn)行著淋溶過程，故又稱為淋溶層。該層有機質(zhì)含量高，顏色較暗較黑。
?E層，稱灰化漂白層。在淋溶和機械淋洗的作用下，硅酸鹽粘粒與鐵鋁化合物的淋失，使石英砂粒與粉粒相對富積，顏色為淺淡的灰白色，明顯區(qū)別于A層。
?B層，是硅酸鹽粘粒、氧化鐵、氧化鋁、碳酸鹽、其他鹽類和腐殖質(zhì)等物質(zhì)聚積的淀積層，顏色變棕或棕紅、紅等。
?C層，是位于B層或A層之下的母質(zhì)層。指風(fēng)化產(chǎn)物沒有受到成土過程影響的層次，較上面土層緊實。
?R層，即基巖，也稱母巖。它是土壤形成的基礎(chǔ)。
其實，在不同的成土環(huán)境中，還可能產(chǎn)生更多的土層類型。由于某些土層只與相應(yīng)的成土環(huán)境有關(guān)，因此從普遍意義上，我們并不做介紹。此外還有一些過渡土層，兼有兩種主要發(fā)生層的性狀，在觀測中可以用兩個大寫字母表示。如這張圖中的BC層，表示該層性狀更接近B層。我們再看左邊這張圖，上面還有P層，它是水稻土中的耕作層；W層，是在干濕交替頻繁，淋溶淀積作用活躍的條件下形成的，剖面上多形成黃白交錯的花斑。如果想詳細(xì)了解土壤剖面各層次的代號與特點，請掃描屏幕上的二維碼。
不同成土環(huán)境形成的土壤，差別的確很大的。森林中，樹木的根系分布很深，直接提供給表層的有機質(zhì)不多，但是，森林土壤的表面有枯枝落葉層，有機質(zhì)主要從表土進(jìn)入，土壤腐殖質(zhì)含量以表層較多，向下層急劇減少。而在草原中，植被的根系茂密，且集中于近地表的土壤中，向下則根系的集中程度遞減。所以，草原土壤的有機質(zhì)，主要以根系的形式進(jìn)入土壤中，故腐殖質(zhì)含量自表層向下逐漸減少。黑土地，就是一種在溫帶森林、草原植被下形成的土壤，有機質(zhì)含量高。但由于在人為耕耘、管理條件下，用于穩(wěn)定種植農(nóng)作物，會逐步降低土壤的有機質(zhì)含量，就是我們右圖所看到的這個樣子。“北大荒”的某些地區(qū)，也由于長期耕作，黑土不“黑”，而是返黃了。
礦物質(zhì)是土壤中最基本的組分，占土壤固體物質(zhì)總重量的90%以上，可以分為兩類：原生礦物和次生礦物。原生礦物，是經(jīng)物理風(fēng)化后未改變化學(xué)成分和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的造巖礦物。是土壤中礦物的粗質(zhì)部分和各種化學(xué)元素的最初來源。它們只有通過化學(xué)風(fēng)化分解后，才能釋放并供給植物生長所需的養(yǎng)分。
次生礦物，是巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化后新生成的礦物，包括簡單鹽類，鐵、鋁氧化物和次生的鋁硅酸鹽。其中鐵、鋁氧化物和次生鋁硅酸鹽是土壤礦物質(zhì)中最細(xì)小的部分，常稱為粘土礦物，使土壤具有保肥性。
土壤的有機組成來源于生物體，是土壤中最特殊的組分，按重量計算只占土壤固體的5%左右。雖然土壤有機質(zhì)含量低，但卻非常重要，因為土壤有機質(zhì)，增加了孔隙的表面積，提高了土壤保持水分和營養(yǎng)的能力，還可減少淋溶損失；有機質(zhì)還可以讓土壤保持疏松狀態(tài)，改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣性；同時，有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)，可增加土壤吸熱能力。
土壤的有機組成，我們一般分為原始組織和腐殖質(zhì)。原始組織，是高等植物未分解的根、莖、葉；動物排泄物和死亡后的尸體等。主要累積于土壤表層，約占土壤有機部分總量的10-15%。腐殖質(zhì)，是微生物從有機組織合成的新化合物，或由原始植物組織變化而成的較穩(wěn)定分解產(chǎn)物，約占土壤有機部分總量的85-90%。腐殖質(zhì)是一種復(fù)雜化合物的混合物，通常呈黑色或棕色的膠體狀。它具有比土壤無機組成中的粘粒更強的吸持水分和養(yǎng)分離子的能力，因此，少量的腐殖質(zhì)就能顯著提高土壤的肥力。如果從化學(xué)組成來看，土壤的有機組成可分為糖類、含氮化合物、木質(zhì)素，和含磷、含硫化合物。
新陳代謝是自然界的規(guī)律，葉落歸根是完成植物自我循環(huán)的重要途徑。在耕作土壤中，人類為了作物產(chǎn)量的增加，需要加速這個過程。一般采用堆肥法和燒荒。堆肥，就是利用多種微生物的作用，將植物有機殘體，進(jìn)行礦質(zhì)化、腐殖化和無害化，使各種復(fù)雜的有機態(tài)的養(yǎng)分，轉(zhuǎn)化為可溶性養(yǎng)分和腐殖質(zhì)，同時利用堆積時所產(chǎn)生的高溫來殺死原材料中所帶來的病菌、蟲卵和雜草種子，達(dá)到無害化的目的。因此，為了獲得優(yōu)質(zhì)堆肥，在堆制過程中，千方百計地為微生物的生命活動創(chuàng)造良好的條件，是加快堆肥腐熟和提高肥效的關(guān)鍵。
刀耕火種，是新石器時代殘留的農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式。先砍伐地面上植物的枯根朽木，曬干后用火焚燒。經(jīng)過火燒的土地變得松軟，就不用翻地了。有機質(zhì)燃燒后形成的草木灰可以作為肥料，有利于植物吸收，播種后不再施肥。但是，由于燃燒是一個迅速釋放的過程，這些礦物質(zhì)可以在短時間內(nèi)提供植物營養(yǎng)，所以燒荒其實不利于土壤營養(yǎng)長期的增加。如果要想土壤更肥沃，有機質(zhì)的緩慢腐爛的過程，比如堆肥更有利于土壤長期的發(fā)展。而且，現(xiàn)在認(rèn)為，焚燒造成霧霾天氣，并產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)，會對人與其他生物健康形成威脅。
土壤中的生物成分，有看得見的，也有看不見的。這張圖中有些是很容易看見的，比如高等植物器官、部分生活史在土壤中度過的動物，當(dāng)然還有放線菌、真菌、藻類等在大量繁殖的時候是看得見的。而細(xì)菌和一些微小的動物，比如原生動物，線蟲等，可能是肉眼看不見的。一般來說，土壤根量越高，土壤生物的作用就越強烈。
在土壤生物中，尤其值得一提的是土壤動物。它們是人類生活中不可缺少的助手，億萬年來它們默默無聞地分解著生物殘體，改變著土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)大自然的生產(chǎn)與物質(zhì)循環(huán)。
土壤動物可以為人類活化土壤，長期提供免費的肥料，促進(jìn)植物的生長。通過眾多土壤動物和微生物，粉碎和分解地表的枯枝落葉和動物尸體，土壤動物在土壤中不斷地上下活動，起到了攪拌與耕耘的作用，把腐植質(zhì)、動物糞便和泥土混合起來，形成了有“活性”和“肥效”的熟化土壤，才能維持各類莊稼、花木的正常生長。
自然界中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，是土壤肥力調(diào)節(jié)的最基本過程之一，也就是把植物碎片中來自土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過腐敗、分解，又釋放出來回到土壤，再被植物根系吸收利用。在這個過程中，至少粉碎和消化、釋放和再循環(huán)那是由土壤動物的活動來實現(xiàn)的。如果土壤中能夠長期保持土壤動物的多樣性，也就能使自然界中的物質(zhì)循環(huán)永不休止。我們?nèi)祟愐矎亩玫郊Z食、蔬菜、水果、棉花和木材，保證了人類生活的必需品。
在不同類型的土壤中，棲息著不同的土壤動物類群，所以某些土壤動物種類就可以作為土壤類型的一個指標(biāo)，如蚯蚓通常在中性土壤中較多，而在酸性較強的土壤中就偏少。從環(huán)境保護的目的來看，人類的活動如森林采伐，施放殺蟲剎與除草劑，化學(xué)肥料，以及重金屬、放射性污染等等對于土壤動物都有一定的影響。一般說來，凡土壤動物多樣性豐富的地方，往往也是土壤健康的表現(xiàn)。更重要的是，近年來還發(fā)現(xiàn)土壤動物能夠恢復(fù)退化了的土壤，其中尤以蚯蚓的作用最為明顯，如在草原地區(qū)的無機肥料系統(tǒng)中，利用蚯蚓可大大加快土壤的熟化，并大量增產(chǎn)牧草。
好，有關(guān)土壤的第一節(jié)內(nèi)容到此結(jié)束。同學(xué)們，再見！
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