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第九章 土壤圈
土壤通常是指位于陆地表层和浅水层底部、由有机物质和无机物质组成的、具有一定肥力而能够生长植物的疏松层，其厚度一般为1~2m以内。
土壤肥力是土壤在外界环境条件影响下，主动协调植物生理生态要求的能力。衡量肥力强弱的标准是土壤中水、热、气、肥周期性动态达到稳、匀、足、适地满足植物高产的程度。
§1 土壤的组成
1.1土壤的无机组成
　　矿物质是土壤中最基本的组分，重量占土壤固体物质总重量的90%以上。矿物质通常是指天然元素或经无机过程形成并具结晶结构的化合物。地球上大多数土壤矿物质都来自各种岩石，这些矿物经物理和化学风化作用从母岩中释放出来时，就成为土壤矿物质和植物养分的主要来源。
　　土壤中的矿物质包括两种，一种是原生矿物，指在物理风化过程中产生的未改变化学成分和结晶构造的造岩矿物，属于土壤矿物质的粗质部分，形成砂粒（直径在2.00-0.05 mm之间）和粉砂（直径在0.05-0.002 mm之间），只有通过化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需的养分，原生矿物是土壤中各种化学元素的最初来源。另一种是次生矿物，指岩石在风化过程中新生成的土壤矿物，包括简单盐类，铁、铝氧化物和次生铝硅酸盐，其中铁、铝氧化物和次生铝硅酸盐是土壤矿物质中最细小的部分，常称为粘土矿物，它们形成的粘粒（直径小于0.002 mm）具有吸附、保存呈离子态养分的能力，使土壤具有一定的保肥性。
1.2土壤的有机组成
　　土壤中的有机部分指来源于生物体的土壤物质。有机质按重量计算只占土壤固体总重量的5%左右。土壤中充满了从微小的单细胞有机体到大的掘土动物，证明土壤是一种具有活性的物质，例如在每立方厘米耕层中细菌的数量可达10亿个以上，而在每立方厘米的森林土壤中，螨虫的数量亦可达到1万个。
　　土壤中的生物群可以分为土壤植物区系和土壤动物区系。土壤植物区系包括细菌、放线菌、真菌、藻类，以及生活于土壤中的高等植物器官（根系）等；土壤动物区系包括至少有部分生活史是在土壤中度过的所有动物，其种类繁多。
　　土壤有机部分主要可以分为两类：原始组织及其部分分解的有机质和腐殖质。原始组织包括高等植物未分解的根、茎、叶；动物分解原始植物组织，向土壤提供的排泄物和死亡之后的尸体等。这些物质被各种类型的土壤微生物分解转化，形成土壤物质的一部分。因此，土壤植物和动物不仅是各种土壤微生物营养的最初来源，也是土壤有机部分的最初来源。这类有机质主要累积于土壤的表层，约占土壤有机部分总量的10%～15%。有机组织经由微生物合成的新化合物，或者由原始植物组织变化而成的比较稳定的分解产物便是腐殖质（humus），约占土壤有机部分总量的85%-90%。腐殖质是一种复杂化合物的混合物，通常呈黑色或棕色，性质上为胶体状，它具有比土壤无机组成中粘粒更强的吸持水分和养分离子的能力，因此，少量的腐殖质就能显著提高土壤的生产力。
1.3土壤水分
　　大气降水渗入土壤内部，充填土壤中的孔隙，形成土壤中的水分。根据水分在土壤中的存在方式，通常可分为吸湿水、毛管水和重力水。
存在于土壤颗粒表面的水膜称为吸湿水。由于土粒吸持水分子的能力很强，这种水靠水分子氢键的作用紧紧地附着在土粒表面，植物一般无法利用，所以又称为植物无效水。在正常情况下，各种土壤（包括荒漠土壤）中都含有吸湿水。当膜状的吸湿水充满土壤毛细孔隙后，靠毛管力而保持的土壤水分称为毛管水。这种水具有活动性，可沿毛管移动，是植物可以吸收的有效水分。当毛管水膜较薄时，植物利用这种水就需要很大的吸力，从而导致植物出现缺水的征兆，甚至萎蔫。这时土壤所含的残留水量叫做萎蔫点，它是土壤有效水与无效水的分界点。 经过长期降水或灌溉之后，土壤内部孔隙几乎全部被水分占据，达到饱和状态，使存在于大孔隙中的水因重力作用而下移，进入地下水潜水层。这种水分只能暂时保持在土壤中，一旦外来水源中断，则很快流失，称为重力水。由于重力水停留在土壤中的时间相对较短，使植物的利用受到限制，属于土壤中的过剩水量。重力水排除后留下的可供植物利用的含水量叫做田间持水量。
土壤粒径愈小，土壤颗粒总量和孔隙总量就愈大，随着土粒的变细和表面积的增加，土壤田间持水量增加，也就是说，土壤中吸湿水和毛管水的含量增加。但由于吸湿水量增加，植物萎蔫点也随之增加，所以，在较粘的土壤中，植物的有效水量反而会降低。土壤有效水量最高的是壤土。
1.4 土壤空气
　　土壤空气来源于大气，它存在于未被水分占据的空隙中，但其性质与大气圈中的空气明显不同。首先，土壤空气是不连续的。由于不易于交换，局部孔隙之间的空气组成往往不同。其次，土壤空气一般含水量高于大气。在土壤含水量适宜时，土壤空气的相对湿度接近100%。第三，土壤空气中CO2含量明显高于大气，可以达到大气中浓度的几倍到上百倍，O2的含量略低于大气，N2的含量则与大气相当。这是由于植物根系的呼吸和土壤微生物对有机残体的好气性分解，消耗了土壤孔隙中的O2，同时产生大量CO2的缘故。
§2 土壤的性质
2.1 土壤剖面
　　沿垂直方向的分层性是土壤最明显的特征，不同的层次具有独特的物理性质、颜色和外形等，构成土壤的形态。
土壤单体的垂直切面称为土壤剖面自然土壤剖面主要可以划分为几个基本土层，从地表向下为：
① 枯枝落叶层，通常用O表示。它是土壤形成的有机物质基础，由地表植物的枯枝落叶堆积而成，以森林土壤最为典型。
② 腐殖质层，通常用A表示。它是土壤有机质在土壤动物和微生物的作用下经腐烂、分解和再合成的产物，这层的颜色在土壤剖面中最深，呈灰黑色或黑色，一般具有团粒状结构，并富含有机养分。
③ 淋溶层，通常用E表示。随着上层水分的下渗，水溶性物质和细小土粒向下层移动，产生淋溶作用。在淋溶作用强烈的土壤中，不仅易溶性物质如K、Na、Ca、Mg从此层淋失，而且难溶性物质如Fe、Al和粘粒也发生变化而下移，结果在此层中只留下最难移动、抗风化力最强的矿物颗粒，以石英为主。因此，淋溶层颜色浅淡，一般呈灰白色，土壤颗粒较粗，主要由砂粒和粉砂粒组成。
④ 淀积层，通常用B表示。此层淀积了E层淋溶下来的物质，质地较粘重，土体紧实，颜色一般为棕色或红棕色。
⑤ 母质层，通常用C表示。它是土壤形成的无机物质基础，尚未经过成土作用，可分为两种基本类型：一类是由岩石风化的残积物组成的残积母质，如花岗岩风化壳；另一类是由经过水力和风力等搬运的堆积物组成的运积母质，如河流冲积物。
　　其中，A、E、B层合称为土体（solum），是成土作用最为活跃的层次和真正意义上的土壤层。
2.2 土壤的物理性质
　　土壤的物理性质在很大程度上决定着土壤的其它性质，例如土壤养分的保持、土壤生物的数量等。因此，物理性质是土壤最基本的性质，它包括土壤的质地、结构、比重、容重、孔隙度、颜色、温度等方面。
土壤质地
　　质地表示土壤颗粒的粗细程度，也即砂、粉砂和粘粒的相对比例。植物生长中许多物理、化学反应的程度都受到质地的制约，这是因为它决定着这些反应得以进行的表面积。
(2)土壤结构
土壤结构就是指土壤颗粒（砂、粉砂和粘粒）相互胶结在一起而形成的团聚体，也称土壤自然结构体。团聚体内部胶结较强，而团聚体之间则沿胶结的弱面相互分开。土壤结构是土壤形成过程中产生的新性质，不同的土壤和同一土壤的不同土层中，土壤结构往往各不相同。
由于多数土壤团聚体的体积较单个土粒为大，所以它们之间的孔隙往往也比砂、粉砂和粘粒之间的孔隙大得多，从而可以促进空气和水分的运动，并为植物根系的伸展提供空间，为土壤动物的活动提供通道。由此可见，土壤结构的重要性在于它能够改变土壤的质地。
在各种土壤结构中，球状团粒结构对土壤肥力的形成具有最重要的意义，表现为：
团粒内部存在大量的毛管孔隙，吸水力强，能储存很多水分；团粒之间则为非毛管孔隙，易于排水且经常充满空气。因此，具有团粒结构的土壤既能蓄水，又能通气，可协调土壤水分和空气的关系。
团粒内部属嫌气环境，有机质分解缓慢，有利于养分的保存；团粒之间为好气环境，有机质分解迅速，能保证养分的供应。因此，具有团粒结构的土壤兼具好气和嫌气的条件，能较好地解决养分供给与保存的矛盾。
当降雨或灌溉时，水分可通过团粒间的非毛管孔隙渗入土壤内部，既可减少地面径流的损失，又可增加深部土层的湿润度；雨后或停止灌溉时，表层团粒因蒸发而失水收缩，使之与下层团粒间毛管的联系被割断，形成一隔离层，下层团粒中保存的水分便不易被蒸发掉。因此，具有团粒结构土壤的抗旱与防涝性能均较好。总之，团粒结构是肥沃土壤的重要标志之一，它比板状、块状和棱柱状更适宜于植物的生长。
(3)土壤孔隙
　　按照体积百分比，理想的土壤含有大约45%的矿物质、5%的有机质和50%的孔隙。在孔隙中，水分和空气各占约25%的体积。
　　土壤的质地与结构对土壤孔隙、土壤容重和土壤密度有很大影响。当容重和密度增加时，孔隙的体积便减小；反之，孔隙的体积则增大。土壤孔隙的大小和孔隙的数量是同样重要的。
(4) 土壤温度
　　温度既是土壤肥力的因素之一，也是土壤的重要物理性质，它直接影响土壤动物、植物和微生物的活动，以及粘土矿物形成的化学过程的强度等。土壤吸收的热量主要来源于地面吸收的太阳辐射能，它大约占进入大气圈顶的太阳辐射能的47%。被吸收的辐射能转化为热能，并以水分蒸发、长波辐射、加热土壤以上的空气和加热土壤层等途径散失。从长期平均来看，土壤的热量收支是大致平衡的。但从短期来看，白天和夏季的热量收入显著超过热量的支出，使土温上升；夜晚和冬季则相反，热量的支出显著超过热量的收入，使土温下降。
2.3土壤的化学性质
　　存在于土壤孔隙中的水通常是土壤溶液，它是土壤中化学反应的介质。土壤溶液中的胶体颗粒担当着离子吸收和保存的作用；土壤溶液的酸碱度决定着离子的交换和养分的有效性；土壤溶液的氧化还原反应则影响着有机质分解和养分有效性的程度。因此，土壤化学性质主要表现在土壤胶体性质、土壤酸碱度和氧化还原反应三个方面。
(1)土壤胶体性质
　　次生粘土矿物和腐殖质是土壤中最为活跃的成分，它们呈胶体状态，具有吸收和保存外来的各种养分的性能，是土壤肥力形成的主要物质基础。 有机-无机复合胶体是土壤胶体存在的重要形式。胶体含量越高的土壤，其表面能也越大，从而养分的物理吸收性能便越强。胶体的供肥和保肥功能除了通过离子的吸附与交换来实现之外，还依赖于胶体的存在状态。当土壤胶体处于凝胶状态时，胶粒相互凝聚在一起，有利于土壤结构的形成和保肥能力的增强，但也降低了养分的有效性；当胶体处于溶胶状态时，每个胶粒都被介质所包围，是彼此分散存在的，虽可使养分的有效性增加，但易引起养分的淋失和土壤结构的破坏。土壤中的胶体主要处于凝胶状态，只有在潮湿的土壤中才有少量的溶胶。
　　(2)土壤酸碱度
　　土壤酸碱度又称土壤反应，它是土壤盐基状况的一种综合反映。土壤的活性酸度是由土壤溶液中游离的H+造成的，通常用pH值表示。另一种酸度称为潜在酸度，是土壤胶体所吸附的H+和Al3+被交换出来进入土壤溶液中所显示的酸度。因为这些离子在被交换出来之前并不显示酸度，因此得名。活性酸度和潜在酸度在本质上并没有截然的区别，二者保持着动态平衡的关系。
　　(3)氧化还原反应
　　在土壤溶液中经常地进行着氧化还原反应，它主要是指土壤中某些无机物质的电子得失过程。土壤中的氧化作用主要由游离氧、少量的NO3-和高价金属离子如Mn4+、Fe3+等引起，它们是土壤溶液中的氧化剂，其中最重要的氧化剂是氧气。在土壤空气能与大气进行自由交换的非渍水土壤中，氧是决定氧化强度的主要体系，它在氧化有机质时，本身被还原为水。在土壤淹水的条件下，大气氧向土壤的扩散受阻，土壤含氧量由于生物和化学消耗而降低。如果土壤中缺氧，则其它氧化态较高的离子或分子成为氧化剂。
　　土壤中的还原作用是由有机质的分解、嫌气微生物的活动，以及低价铁和其它低价化合物所引起的，其中最重要的还原剂是有机质，在适宜的温度、水分和pH值等条件下，新鲜而未分解的有机质还原能力很强，对氧气的需要量非常大。
　　一般来说，氧化态物质有利于植物的吸收利用，而还原态物质不但有效性降低，甚至会对植物产生毒害。
§3 土壤的形成
3.1土壤形成因素
(1) 土壤形成的母质因素
　　风化作用使岩石破碎，理化性质改变，形成结构疏松的风化壳，其上部可称为土壤母质。如果风化壳保留在原地，形成残积物，便称为残积母质；如果在重力、流水、风力、冰川等作用下风化物质被迁移形成崩积物、冲积物、海积物、湖积物、冰碛物和风积物等，则称为运积母质。成土母质是形成土壤的物质基础和植物矿质养分元素（氮除外）的最初来源。母质代表土壤的初始状态，它在气候与生物的作用下，经过上千年的时间，才逐渐转变成可生长植物的土壤。母质对土壤的物理性状和化学组成均产生重要的作用，这种作用在土壤形成的初期阶段最为显著。随着成土过程进行得愈久，母质与土壤间性质的差别也愈大，尽管如此，土壤中总会保存有母质的某些特征。
　　首先，成土母质的类型与土壤质地关系密切。其次，土壤的矿物组成和化学组成深受成土母质的影响。
(2)土壤形成的气候因素
　　气候对于土壤形成的影响，表现为直接影响和间接影响两个方面。直接影响指通过土壤与大气之间经常进行的水分和热量交换，对土壤水、热状况和土壤中物理、化学过程的性质与强度的影响。气候还可以通过影响岩石风化过程、外力地貌形态以及动、植物和微生物的活动等间接地影响土壤的形成和发育。
(3) 土壤形成的生物因素
　　生物是土壤有机物质的来源和土壤形成过程中最活跃的因素，土壤的本质特征肥力的产生与生物的作用是密切相关的。岩石表面在适宜的日照和湿度条件下滋生出苔藓类生物，它们依靠雨水中溶解的微量岩石矿物质得以生长，同时产生大量分泌物对岩石进行化学、生物风化；随着苔藓类的大量繁殖，生物与岩石之间的相互作用日益加强，岩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渐发展起来，形成土体的明显分化。在生物因素中，植物起着最为基本的作用。绿色植物有选择地吸收母质、水体和大气中的养分元素，并通过光合作用制造有机质，然后以枯枝落叶和残体的形式将有机养分归还给地表。不同植被类型的养分归还量与归还形式的差异是导致土壤有机质含量高低的最基本原因。
(4)土壤形成的地形因素
地形对土壤形成的影响主要是通过引起物质、能量的再分配而间接地作用于土壤的。在山区，由于温度、降水和湿度随着地势升高的垂直变化，形成不同的气候和植被带，导致土壤的组成成分和理化性质均发生显著的垂直地带分化。
(5)土壤形成的时间因素
　　在各种成土因素中，母质和地形是比较稳定的影响因素，气候和生物则是比较活跃的影响因素，它们在土壤形成中的作用随着时间的演变而不断变化。因此，土壤是一个经历着不断变化的自然实体，并且它的形成过程是相当缓慢的。在酷热、严寒、干旱和洪涝等极端环境中，以及坚硬岩石上形成的残积母质上，可能需要数千年的时间才能形成土壤发生层，例如在沙丘土中，特别是在林下，典型灰壤的发育需要1000-1500年。但在变化比较缓和的环境条件中，以及利于成土过程进行的疏松成土母质上，土壤剖面的发育要快得多。
6. 土壤形成的人类因素
　　在五大自然成土因素之外，人类生产活动对土壤形成的影响亦不容忽视，主要表现在通过改变成土因素作用于土壤的形成与演化。其中以改变地表生物状况的影响最为突出，典型例子是农业生产活动，它以稻、麦、玉米、大豆等一年生草本农作物代替天然植被，这种人工栽培的植物群落结构单一，必须在大量额外的物质、能量输入和人类精心的护理下才能获得高产。因此，人类通过耕耘改变土壤的结构、保水性、通气性；通过灌溉改变土壤的水分、温度状况；通过农作物的收获将本应归还土壤的部分有机质剥夺，改变土壤的养分循环状况；再通过施用化肥和有机肥补充养分的损失，从而改变土壤的营养元素组成、数量和微生物活动等。最终将自然土壤改造成为各种耕作土壤。人类活动对土壤的积极影响是培育出一些肥沃、高产的耕作土壤，如水稻土等；同时由于违反自然成土过程的规律，人类活动也造成了土壤退化如肥力下降、水土流失、盐渍化、沼泽化、荒漠化和土壤污染等消极影响。
3.2土壤形成过程
　　土壤的本质是肥力，因此，土壤的形成过程主要是土壤肥力发生与发展的过程，结合上节对成土因素的分析，本节从动态的角度来考察土壤形成的一般规律和具体成土过程。
(1) 土壤形成的一般规律
　　从地球系统物质循环的观点来看，土壤肥力的发生与发展是自然界物质的地质大循环与生物小循环相互作用的结果。地质大循环是指矿物质养分在陆地和海洋之间循环变化的过程。陆地上的岩石经风化作用产生的风化产物，通过各种外力作用的淋溶、剥蚀、搬运，最终沉积在低洼的湖泊和海洋中，并经过固结成岩作用形成各种沉积岩；经过漫长的地质年代，这些湖泊、海洋底层的沉积岩随着地壳运动重新隆起成为陆地岩石，再次经受风化作用。这种物质循环的周期大约在106-108年。其中以岩石的风化过程和风化产物的淋溶过程与土壤形成的关系最为密切。风化过程在土壤形成中的作用主要表现为原生矿物的分解和次生粘土矿物的合成。前者使矿物分解为较简单的组分，并产生可溶性物质，释放出养分元素，为绿色植物的出现准备了条件；后者使风化壳中增加了活跃的新组分，从而具有一定的养分和水分的吸收保蓄能力，为土壤的形成奠定了无机物质的基础。可见，风化过程对土壤来说，是一种物质输入过程。淋溶过程使有效养分向土壤下层和土体以外移动，而不是集中在表层，具有促进土壤物质更新和土壤剖面发育的作用。对于土壤来说，它是一种物质转移和输出过程。
　　生物小循环又称为养分循环，指营养元素在生物体和土壤之间循环变化的过程。植物从母质和土壤中选择吸收所需的可溶性养分，通过光合作用合成有机体；植物被动物食用后变成动物有机体；植物、动物有机体死亡后归还土壤，经微生物分解与合成转化为植物可以吸收的可溶性养分和腐殖质，腐殖质经过缓慢的矿质化，也为植物提供养分。这种物质循环的周期较短，一般为100-102年。其中有机质的累积、分解和腐殖质的合成促进了植物营养元素在土壤表层的集中和积累，成为土壤肥力形成与发展的关键。
　　从地球发展史来看，生物的出现较晚，因此，生物小循环是在地质大循环基础上发展起来的，是叠加在地质大循环上的较小时间尺度的次级物质循环。从对于土壤形成的作用上看，地质大循环的总趋势是陆地物质的流失，造成土壤系统养分的淋溶分散，而生物小循环的总趋势是使流失中的物质保存和集中在地表，并不断在土壤与生物之间循环利用。一般来说，如果风化作用和有机质的累积、分解与腐殖质合成作用较强，而淋溶作用较弱，土壤中养分保存多，肥力水平将逐渐提高；如果风化作用和有机质的累积、分解与腐殖质合成作用较弱，而淋溶作用较强，土壤中养分保存少，肥力水平将逐渐降低；当两种作用势均力敌时，土壤肥力的发展处于动态平衡状态。此外，人类的各种生产活动如砍伐森林、耕垦草原、围湖围海造田、开采矿产、城市建设等都会对地质大循环和生物小循环产生干扰，从而影响一个地方土壤肥力的发展方向与平衡。
(2) 土壤形成的主要过程
　　略。
§4 土壤的分类简介
略。

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