第二章土壤系统动态特性分析土壤学

第二章土壤系统动态特性的分析第一节土壤系统的环境因素(一)成土因素学说的建立B.B.道库恰耶夫是成土因素学说的创始人。1883年，他发表了著名的专题论文“俄国黑钙土”，为成土因素学说奠定了基础。B.B.道库恰耶夫确立了土壤是个历史自然体；提出了土壤与环境辩证统一的概念，创立了用综合性的观点和方法研究土壤的科学方法。这些是他对土壤学划时代的贡献。成土因素学说是科学发展的时代产物。(二)道库恰也夫土壤形成因素学说的基本观点它是5种自然因素综合作用的产物；各种成土因素所起的作用是相互不能代替的；所有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；随着成土因素的变化，随着空间因素的变化，土壤也随着不断形成和演化着。(三)成土因素学说的发展1、B.P.威廉斯提出了土壤统一形成过程学说这个学说强调了土壤形成中生物因素的主导作用和人类生产活动对土壤产生的重大影响。他提出了土壤年龄和土壤个体发育与演替的概念。其认识是存在片面性的，因为一个土壤个体可以在比较短的时间内发育形成；也可以受到各种不同的影响而改变；甚至由于侵蚀或其他作用而被消灭，并不仅仅与植被进化相关。2、著名的美国土壤学家H.詹尼（1948）在他的《成土因素》一书中做出的贡献S＝f(Cl,O,R,P,T…)式中的S，Cl,O,R,P,T分别代表土壤、气候、生物、岩石、地形和时间，…号代表其他成土因素。不同地区、不同类型的土壤往往是某一成土因素占优势，如果这个因素所起的作用超过其他因素的综合作用，那么就得出以某一因素占优势的函数式。道库恰耶夫和詹尼的土壤形成方程式只是对土壤形成概念的一种概括，并不能用现代数学（微积分）方法逐个解答公式的每一个成分。因为每一个成土因素都是极其复杂的动态系统，它们不仅是独立的、可变的，而且彼此之间又是紧密联系着错综复杂地作用于土壤。二、土壤与成土因素的关系（一）土壤发育与母质的关系1、母质的概念土壤母质是岩石风化的产物，它是土壤形成的物质基础。2、母质影响土壤发生发展的三个共同特点(1)母质的质地和土壤性状的关系细质地的母质上发育来的土壤，一般有机含量高。母质质地影响渗透性、淋洗速度和胶体的迁移。细质地的母质趋向于阻碍淋洗和胶体的迁移，这使得土体发育较浅。(2)母质层理对土壤发育的影响剖面中母质质地有差异，即层理明显的情况下，不仅直接造成土壤剖面的质地分布变化，而且影响水分垂直运动，从而影响土壤中物质迁移的不均一性；上轻下粘的母质，形成“蒙金土”，降水迅速透过上部质地较轻的土层，而吸收保蓄在质地较重的心土层中。质地上粘下砂的母质体，形成“漏风土”，一方面不利于水分下渗造成地表积水洪涝；另一方面，下渗水缓慢地透过粘土层时，只在砂粘界面上作短暂的滞留，然后便迅速地渗漏。(3)母质组成和土壤性质的关系对于矿质土壤，如果它含有大量的易风化的铝硅酸盐矿物，这些矿物在合适的水热条件下迅速风化，产生大量粘粒，使土壤质地粘重。另一方面，如果母质几乎完全由抗风化的矿物（如石英）组成，形成的粘粒极少，产生粗质地的土壤。不含游离石灰的花岗岩类、辉长岩类等火成岩类的风化产物与富含石灰的沉积岩类的风化产物相比较，前者土壤发育较后者迅速。由各种矿物成分组成的母质与由单一矿物组成的母质相比，前者的土壤发育较后者迅速。在一定的地理区域内，其他成土条件相似的情况下，土壤发生和土壤母质的性状有着紧密的发生学关系，土壤类型的不同主要是母质不同造成的。(二)土壤发育与生物的关系成土作用中的生物因素包括植物、动物和微生物。动物的作用表现在它们对土壤物质的机械混合，对土壤有机质的消耗、分解以及它们将代谢产物归还到土壤中去。微生物在土壤中分解有机质，合成腐殖质，构成了土壤中生物小循环的一个不可缺少的环节。图4-15生物群落及其对成土过程的作用图式图4-12南极洲基岩表面地衣着生与土壤的发生景观自然植被可以被非常粗略地分为两大类型，即森林和草原。支持它们生长的土壤分别叫做森林土壤和草原土壤。每一种植被对支持它的土壤的影响不同，因而不同植被下发育的土壤也具有不同的特性。1、植被类型影响土壤中有机质的数量和分布一般来说，草原土壤与森林土壤相比较：1)草原土壤的有机质含量约为森林土壤的两倍；2)有机质在土壤中的分状况是：森林土壤的有机质集中于地表，并且随深度锐减；而草原土壤的有机质含量则随深度增加逐渐减少。图4-14不同植物作用下形成土壤的有机质垂直分布比较(据熊毅，1990)2、植被类型对植物营养循环的影响一般说，草原植被的残体与森林植被的残体比较，前者含碱金属和碱土金属比后者高；因此，草原土壤的盐基饱和度高于森林土壤的盐基饱和度，前者的PH值也较后者高。阔叶林与针叶林相比较，前者灰分中的Ca、K含量较后者高，后者灰分中Si占优势。因此，针叶林下的土壤酸度比阔叶林下的土壤酸度高。3、植被类型影响土壤淋溶与淋洗的速度相同的气候条件下，如果相邻生长的森林作草原具有类似的地面坡度和母质，森林土壤则显示了较强的淋溶与淋洗强度。造成这样的差别有三个原因：(1)森林土壤每年归还到土壤表面的碱金属与碱土金属盐基离子较少。(2)森林的水分消耗主要是蒸腾，降水进入土壤中的比例较大，水的淋洗效率较高。(3)由于第一条的原因，加上枯枝落叶层中产生的有机酸较多，使森林植被下土壤中的下行水是酸的，溶液中的H＋交换并进一步淋洗掉较多的代换性盐基，伴之而来的是胶体分散、粘粒下移。甚至酸性溶液加速土壤原生矿物的分解，产生更大强度的淋溶或淋洗。总之，生物因素是影响土壤发生发展的最活跃因素。土壤动物、微生物和植被构成了土壤生态系统并共同参与了成土过程。它们构成的生物小循环是成土过程中的积极因素。在这三者之中，植物起着积极主导作用。特别是绿色高等植物，使土壤与母质有了性质上的差别。由于不同植物类型的生长方式不同，所形成的土壤有机质在性质、数量和积累方式上也不同，这造成了土壤性质的差别。(三)土壤发育与气候的关系影响土壤发生的重要气候因素是降水和温度。在土壤与气候关系的研究中，水热条件常常被作为一般的气候指标。土壤和大气之间经常进行着水分和热量的交换，气候直接影响着土壤的水热状况。气候条件和植被类型有着直接的关系，因而气候也通过植被的影响而间接地影响土壤形成。总的来说，土壤形成的外在推动力归根结蒂都来自于气候因素，气候是直接和形成过程的方向和强度的基本因素。图土壤温度与大气温度的相关分析图式(据沃洛布耶夫，1958)图4-3不同地带土壤中苜蓿碎屑分解速率的实验模拟(据Jenny,1983)1、气候影响土壤有机质的含量(1)降水量和其他条件保持不变时，温带地区土壤的有机质含量随着温度的增加而减少。如我国温带地区，自北而南，从漂灰土－暗棕壤－褐土，土壤有机质含量逐渐减少。(2)另一方面，当温度保持不变，其他条件类似的情况下，随着降水量的增加，有机质含量增加。如我国中温带地区自西而东，由栗钙土－黑钙土－黑土，有机质含量增加。思考：我国华南地区土壤与东北地区相比较哪里的有机质含量高？图4-8印度24℃等温沿线区表土有机碳含量与年降水量关系图(据Jenny,1983)图4-7土壤剖面发育与气候湿润度的关系图2、气候对土壤化学性质和粘土矿物类型的影响高温高湿的气候条件促进迅速的风化及物质迁移转化。而导致最低程度风化的环境条件是温暖但干旱或冷且干旱的气候地区。(1)气候与土壤粘土矿物类型的关系我国温带湿润半湿润地区，土壤粘土矿物以伊利石、蒙脱石、绿泥石和蛭石等2：1型铝硅酸盐粘土矿物为主。亚热带的湿润地区，土壤粘土矿物以高岭石或其他1：1型铝硅酸盐粘土矿物为主。而在我国高温高湿的热带地区，土壤中的粘土矿物主要是三二氧化物。(2)降水与土壤阳离了交换量的关系随着降水量的增加，土壤阳离子交换量呈增加的趋势但这种规律只是发生在温带地区，不能外推到热带。(3)降水与盐基饱和度、土壤酸碱度的关系在年降水量少而蒸发迅速的地区，土壤呈中性或偏碱性，这是我国中部和北部地区的一般情况。在较湿润的地区，土壤的盐基饱和度的降低同时酸度的增加，这是我国东南地区土壤的一般情况。(4)降水对土壤中盐分积累与淋洗的影响降水量的变化也影响土壤中易溶盐类的多少。在西北荒漠和荒漠草原地带，降水稀少，土壤中易溶盐大量累积，只有极易溶解的盐类，如NaCl、K2SO4有轻微淋洗，出现大量CaSO4结晶，甚至出现石膏层，而CaSO4、MgCO3则根本未发生淋溶。在内蒙古及华北草原，森林草原带，土壤中的一价盐类在部分小淋失，两价盐类在土壤中有明显分异，大部分土壤都有明显的钙积层。在华东、华中、华南地区，两价碳酸盐也都淋失掉，进而出现了硅酸盐的移动。图4-6美国中部土壤碳酸钙层出现深度与年降水量关系图(据Jenny,1983)(四)地形因素的成土作用分析地形在土壤形成过程中，只是通过对物质与能量的再分配起间接作用，因此，它并未和土壤之间进行物质与能量的交换，而只是影响在土壤和环境之间进行的物质与能量的交换。1、地形通过影响降水和辐射的再分配而影响土壤发生地形一般分为正地形与负地形，正地形是物质和能量的分散地；负地形是物质和能量的聚集地。不同的坡度影响太阳辐射角，从而影响接收的太阳辐射能量，造成土壤温度的差异。坡向不同影响接收的太阳辐射能不同，也造成土壤温度的差别。2、地形影响土壤形成过程中的物质再分配在山区，坡上部的表土不断被剥蚀，使得底土层总是暴露出来，延缓了土壤的发育，产生了土体薄、有机质含量低、土层发育不明显的土壤或粗骨性土壤。坡麓地带或山谷低洼部位，常接受由上部侵蚀搬运来的沉积物，也阻碍了土壤发育，产生了土体深厚、整个土体有机质含量较高、但发生土层分异也不明显的土壤。微地形变化也对土壤发生产生影响。地形部位对土壤的发生和土壤的各种特性有很大影响。图4-18祁连山、居延海间含盐风化壳盐分地球化学分异图(据熊毅，1986)图4-19河谷地形发育对土壤形成、演化的影响示意图总之，地形制约着地表物质和能量的再分配，地形的发育支配着土壤的演替，在不同的地形形态上，就形成不同土壤类型。(五)时间因素在成土过程中的作用我们现在所研究的各种各样的土壤类型均可看作是处在一个时间极长、范围极广的统一运动过程中的一刻静止瞬间的片断。气候、生物、母质、地形等因素，是通过时间因素作用于成土过程的。在其他因素相同的情况下。具有不同年龄或不同发生历史的土壤必然存在着性状上的差异。图4-22不同地带土壤剖面发育与成土年龄相关示意图(据Gerrard，2000)1、土壤年龄的概念B.P.威廉斯提出了土壤的绝对年龄和相对年龄的概念。就一个具体土壤而言，它的绝对年龄应当从该土壤由新鲜风化层或新母质上开始发育的时候算起；相对年龄则由个体土壤的发育程度来判断。在一定区域内，土壤的发生土层分异越明显，相对年龄越大。相对年龄可以通过土壤发育程度即剖面土层分异程度来判断。绝对年龄则得用地学测年的方法确定，如地层对比法、古地磁断代法、热释光法、同位素法等。2、土壤发育速度土壤发育速度取决于成土条件，不同的土壤发育阶段，土壤发育速度不同。有利于土壤快速发育的条件是：温暖湿润的气候；森林植被；低石灰含量的松散母质；排水条件良好的平地。阻碍土壤发育的因素是：干冷的气候；草原植被；高石灰含量且通透性差、紧实的母质；陡峭的地形。据报道，美国阿拉斯加州冰碛物上形成的灰化土历时1000年左右，而在瑞士云杉林下类似灰化土的形成只经历了370年。土壤的发育速度整体上随发育阶段而变化。一个土壤的有机质含量的变化可以分为三个阶段：在土壤发育初期阶段，有机质含量迅速地增加，因为土壤中有机质增加的大大超过有机质的分解速度；成熟阶段的土壤以有机质含量的稳定不变为特征，此阶段有机质的增加与消耗持平；到了老年期，或由于合成有机质和条件消失（如土壤贫瘠），土壤有机质含量以下降为特征。也有以硅酸盐粘土矿物的形成来表征土壤的发育速度3、土壤发育的主要阶段如果土壤发育条件有利，母质可以在较短的时间内转变为“幼