第一节土壤发生与地理环境的关系

第一节土壤发生与地理环境的关系一、土壤形成因素学说土壤是独立的历史自然体，但它的形成与发展是与其周围的地理环境密切联系着的，同时与岩石圈、大气圈、水圈和生物圈处于经常的相互作用之中，19世纪末俄国土壤学家道库恰耶夫首先认定，土壤和成土条件之间的这些关系不是偶然的，而是有规律的。土壤和景观的最主要的因素之间可用函数关系方程式表示出来：П＝f（К,О，Г，Р）Т式中П代表土壤；К代表气候；О代表生物；Г代表岩石；Р代表地形；Т代表时间。这个公式明确地表示了土壤与成土条件之间的联系，即它是母质、气候、生物、地形和时间等5种自然成土因素综合作用的产物，而且各种成土因素所起的作用是互相不能代替的，所有的成土因素始终是同时同地，不可分割地影响着土壤的产生和发展，同时随着成土因素的变化，随着空间因素的变化，土壤也随着不断地形成和演化着。由于土壤形成因素存在着地理分布规律，特别是从南到北表现为赤道、温带、极地等地带的规律变化，所以研究土壤时一定要考虑到土壤地理分布的规律性。后来的土壤学者对土壤形成因素学说又不断加以充实和发展，特别是本世纪40年代美国土壤学者詹尼（H.Jenny）提出与道库恰耶夫相似的函数关系式：s=f(cl,o,r,p,t…)式中s代表土壤；cl代表气候；o代表生物；r代表地形；P代表母质；t代表时间；点号代表尚未确定的其他因素。根据各种成土因素的地区性组合，以及某一因素在土壤形成中所起的主导作用，詹尼提出下列各种函数式：s＝f(cl，o，r，p，t…)s＝f(o，cl，r，p，t…)s＝f(r，cl，o，p，t…)s＝f(p，cl，o，r，t…)s＝f(t，cl，o，r，p…)s＝f(…，cl，o，r，p，t)由于研究者对各个成土因素的作用有不同的理解，所以对各种因素的位置摆法不一样，例如，苏联格林卡认为，母岩特性十分重要；涅乌斯特鲁耶夫（А.Д.Неуструеф）强调地形的作用；B.P.威廉斯提出，生物活动是主导因素，他认为，土壤的本质特性是具有肥力，而肥力的发展，生物是起主导作用的，只有生物在母质中出现，土壤才会发生，随着生物的不断更替，土壤类型也随之而更替，各种不同的土壤类型是土壤长期发展的环节或阶段；柯夫达（B.A.Ковда）提出，除上述成土因素外，还有深层因素的作用，他认为，地壳深部的地质现象，如火山、地震、新构造运动、地球化学的物质富集、深层地下水等对土壤形成过程亦产生影响。例如，受火山作用影响的土壤，自然能力比较高。地震带的土壤土层往往混乱，地下水位急剧上升，易引起沼泽化、盐碱化等现象。新构造运动使原生土壤发生变化，强烈上升区，土壤侵蚀和淋溶过程增强，下沉区引起沉积物累积，从而改变了原有土壤形成过程。除了上述自然成土因素以外，人类活动对土壤形成过程也起着很大的作用。二、土壤与成土因素的关系（一）土壤发育与母质的关系土壤母质是岩石风化的产物，它是土壤形成的物质基础。母质中的一些性质。例如，机械性质、坚实度、渗透性、矿物组成和化学特性等都直接影响成土过程的速度和方向。母质中的磷、钾、钙、硫和其他元素也影响着土壤的自然肥力。许多土壤的属性继承了母质的性质。酸性岩母质含石英、正长石、白云母等抗风化力强的浅色矿物较多，多形成酸性的粗质土；基性岩母质含角闪石、辉石、黑云母等抗风化力弱的深色矿物较多，多形成土层较厚的粘质土壤。从酸性岩母质到基性岩母质随着硅含量的减少，而铁，锰、镁、钙含量显著增加，不同母岩发育的红壤，其化学组成不同，富铝化强度也有差异。一般说来，由玄武岩、石灰岩等基性母岩发育的红壤，其淋滤系数、分解系数、铝化系数和铁化系数的相对值，均高于由花岗岩等酸性母质所发育的红壤。如果母质层具有不同质地层次，亦影响到土壤中物质迁移转化过程，非均质母质对土壤形成、性状、肥力的影响较均质母质为复杂，影响土体中物质迁移转化的不均一性，不同母质可以形成多种类型的土壤。不同母质对土壤次生矿物也很有影响。斜长石和基性岩母质发育的土壤含有多量的三水铝矿，酸性岩中的钾长石发育的土壤则以高岭石为多。冰渍物和黄土中，含水云母和绿泥石较多；下蜀黄土以水云母为主；页岩和河流冲积物富含水云母；紫色页岩，湖积物和淤积物多蒙脱石和水云母。蒙脱型粘性母质易发育成变性土。不同母质所形成的土壤，其养分情况也不相同。钾长石风化后所形成的土壤有较多的钾；而斜长石风化后所形成的土壤有较多的钙；辉石和角闪石风化后所形成的土壤有较多的铁、镁、钙等元素；含磷量多的石灰岩母质，在成土过程中虽然石灰质遭淋失，但土壤含磷量仍很高。成土母质影响土壤的质地。质地粗的母质上形成的土壤质地也较粗，质地细的母质形成的土壤质地也较细。例如，发育在残积物上的土壤中含石块较多；发育在坡积物上的土壤质地也较细，但常夹有带棱角的石块；发育在洪积物及淤积物上的土壤，其上下层质地变化较大，而同一沉积层次，质地却比较均一。黄土母质上发育的土壤，由于黄土质地以粉壤质为主，所以土壤质地也以粉土、粉壤土为主。南方的红壤、黄壤、砖红壤的质地，在石灰岩、玄武岩和红色风化壳上发育的土壤质地较粘重。在花岗岩及砂页岩上发育的土壤质地居中，在砂岩、片岩及砂质沉积物上发育的土壤质地最轻。粗质母质易发育成淋溶土，细质母质易发育成潜育土。在一些土壤形成过程中，母质因素起着重要的作用。例如，在热带、亚热带地区，地带性土壤是砖红壤和红壤等，但在石灰岩和紫色岩上发育的土壤，因含有大量碳酸钙，阻滞和延缓了富铝化作用的进行，因而分别发育成为石灰土和紫色土。这两种土壤在颜色、质地、化学性质上均保持了母质所特有的某些特性，这类土壤称为初育土。（二）土壤发育与气候的关系气候因素直接影响土壤的水、热状况，而土壤水、热状况又直接或间接地影响风化过程，影响植物生长，微生物活动，以及有机质的合成与分解。可以说，土壤的水、热状况决定了土壤中所有的物理、化学和生物的变化作用，影响土壤形成过程的方向和强度。在一定的气候条件下，产生一定性质和类型的土壤，因此，气候是影响土壤地理分布的基本因素。在美国土壤系统分类学中，把土壤温度和湿度作为诊断分类的一项重要指标。气候影响岩石矿物风化强度。矿物的风化有物理作用和化学作用，其速度和温度有关。一般说，温度增加10℃，化学反应速度平均增长2—3倍。温度从0℃增长到5℃时，土壤水中化合物的解离度增加7倍。热带的风化强度比寒带高10倍，比温带约高3倍（表2-1）。这就说明了为什么在热带地区岩石风化和土壤形成的速度，风化壳和土壤厚度，比温带和寒带地区都要大得多的原因。表2-1温度和风化强度的关系Bridges：WorldSoil（据Jenny，世界土壤）土壤热状况，取决于土壤的地理位置。不同的纬度地带，土壤热状况不同。同一纬度地带，从沿海向内陆，土壤温度的年变幅和日变幅相应增加。土壤热状况可分三个类型：1.受热型土壤表层的年均温较土层深层为高。在干燥的温带或热带、亚热带地区较显著。2.冷却型土壤表层的年均温比土壤下层温度为低，即土壤平均温度随深度增加而增加。如寒带，尤其是积雪地区更为显著。3.热平均分配型在中纬度降水丰沛的湿润地区，土壤表层和较深层的温度相差不大。气候对次生矿物形成的影响，一般情况是，降水量增加，土壤粘粒含量增多。土温高，岩石矿物的风化作用加强。因此，不同气候带的土壤中，具有不同的次生粘土矿物。干冷地区的土壤，风化程度低，处于脱盐基初期阶段，只有微弱的脱钾作用，多形成含水云母次生矿物。在温暖湿润或半湿润气候条件下，脱盐基作用增强，多形成蒙脱石和蛭石。在湿热地区，除脱钾作用外，还有脱硅作用，多形成高岭石类次生矿物，高度湿热地区的土壤则因强烈脱硅作用而含较多的铁、铝氧化物。气候对土壤有机质的积累和分解起着重要作用。过度湿润和长期冰冻有利于有机质的积累，而干旱和高温，好气微生物比较活跃，有机质易于矿化，不利于有机质积累。例如黑土地区冷湿，腐殖质含量高，栗钙土地区干旱，腐殖质含量低。在腐殖质组成上，不同生物气候条件下的土壤也有所不同。黑土的腐殖质以胡敏酸为主，胡敏酸与富里酸之比约为2，胡敏酸分子量和芳构化程度高，大部分与土壤矿物质紧密结合，活性胡敏酸含量25%以下，由黑土经栗钙土到灰钙土，随着气候逐渐干燥，胡敏酸含量逐渐降低，芳构化程度依次变小。灰钙土胡敏酸与富里酸的比值只有0.6—0.8，活性胡敏酸逐渐减少，甚至于没有。由黑土经棕壤、黄棕壤到红壤、砖红壤，气候逐渐转向暖湿，胡敏酸含量逐渐减少，胡敏酸分子量和芳构化程度也逐渐降低，活性胡敏酸则急剧增高。胡敏酸与富里酸的比值黄棕壤为0.4—0.6，砖红壤则小于0.4，腐殖质成分中以富里酸为主。不同气候带土壤中微生物的数量和种类也不相同。草甸土中微生物数量最多，黑土中微生物数量每克土可达数千万个，干旱和半干旱地区的栗钙土、棕钙土、灰钙土中，微生物数量在数百万到数千万个之间，湿润地区的红壤，砖红壤中，微生物数量较少，但某些砖红壤中也可达两千万个左右。微生物类群中，以细菌的数量最多，每克土约106—107个，放线菌次之，约105—106个，真菌最少，只有103—105个。湿润地区有机质含量多的中性或微碱性土壤中，含细菌最多，干旱地区的中性到偏碱性土壤中含放线菌较多，真菌则多分布于酸性的森林土壤中。一般说，土壤中物质的迁移是随着水分和热量的增加而增加的。例如，我国自西北向华北逐渐过渡，土壤中的CaCO3、MgCO3、Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2、CaSO4、Na2SO4、Na2CO3、KCl、MgSO4、NaCl、MgCl2及CaCl2等盐类的迁移能力不断加强。它们在剖面中的分异也愈明显，在西北荒漠和荒漠草原地区，只有极易溶解的盐类，如NaCl、Ma2SO1等有相当明显的淋溶，或淀积于土壤下层，或被淋到低洼的地方。CaSO4的淋溶较弱，在剖面不深处就可见到它，而CaCO3则未受到淋溶，所以剖面中往往没有明显的钙积层。往东到内蒙古及华北的草原、森林草原地区，土壤中的碱金属盐类大部分淋失，碱土金属盐类在土壤中有明显的分异，大部分土壤都具有明显的钙积层。至华北东部的温带森林地带，则碳酸盐也大多淋失。从华北向东北过渡，除钾、钠、钙、镁等盐基淋失外，铁、铝也自土壤表层下移。再向华南过渡，不但盐基物质淋失，硅也遭到淋溶，而铁、铝等在土壤中相对积累。气候影响着土壤分布规律，尤其是地带性分布规律。不同气候带分布着不同的地带性土壤类型，如寒温带分布着灰化土，温带分布着暗棕壤，暖温带分布着棕壤，亚热带和热带分布着红壤、砖红壤等。同时由于气候干湿程度的差异，也分布有相应的土壤类型，如温带湿润气候区，分布有淋溶土，温带半湿润半干旱区，分布有弱淋溶土，钙积土，温带干旱区分布有荒漠土。（三）土壤发育与生物的关系土壤形成的生物因素，包括植物、土壤微生物和土壤动物，它们是土壤有机质的制造者，同时又是土壤有机质的分解者。它是促进土壤发生发展的最活跃因素。其中植物，特别是高等绿色植物及其相应的土壤微生物类群，对土壤的作用最为显著。绿色植物对分散在母质、水体和大气中的营养元素有选择地加以吸收，利用太阳辐射能进行光合作用，制造成活体有机质，并把太阳能转变为潜能，再以有机残体的形式，聚积在母质表层，然后，经过微生物的分解，合成作用，或进一步转化，使母质表层的营养物质和能量逐渐丰富起来，产生了土壤肥力特性，改造了母质，推动了土壤的形成和演化。据统计，陆地上植物每年生成的生物量约有5.3×1010吨，相当于8.92×1020焦耳的热能（表2-2）。表2-2每年合成的植物体的可能数量（据Duvigneaud,1967)不同的植被类型所形成的有机质的性质、数量和积累的方式各不相同，因而对成土过程所产生影响也不同。一般说来，热带常绿阔叶林的有机残体的数量多于温带夏绿阔叶林，温带夏绿阔叶林又多于寒带针叶林，草甸植物多于草甸草原植物，草甸草原植物多于干草原植物，干草原植物又多于半荒漠和荒漠植物（表2-3）。表2-3不同植被的有机体数量（公斤/公顷）木本植物的枝叶以凋落物的形式堆积于土壤表层，因而剖面中腐殖质是自表层向下急剧减少。而草本植物的根系占很大比例，因而剖面中腐殖质自表层向下逐渐减少。草本