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土壤:地球的皮膚 精選

已有 7068 次閱讀 2017-3-15 18:32 |個人分類:科普|系統分類:科普集錦

土壤:地球的皮膚

撰文/張甘霖、楊順華(中國科學院南京土壤研究所)

電影《火星救援》中,主人公馬克·沃特尼在執行任務時被誤認為無法生還而被遺留火星,成了太空魯濱遜。幸運的是,馬克是植物學家,他懂得土壤之于植物的意義,火星土壤成了他在火星生存下來的救星。

不用去探討太多馬克在火星種土豆的真實可能性,畢竟那是科幻。也許,只有到了火星那樣的環境,才能更切身體會土壤的重要性。在很多人看來,土壤無非就是我們常說的泥土或者塵埃,它是大自然里一種理所當然的存在,甚至是一文不值的糞土。在中文語境中“土”是廉價和落后的代名詞,所以形容奢侈是“揮金如土”,形容落后是土得掉渣;在西方也是如此,soil就是dirt的同義詞。不過,與此同時,土壤也是我們稱贊的對象,萬物土中生一語道破土之重要,古今中外也有無數詩人墨客毫不吝嗇地歌頌大地母親。

事實上,土壤就像空氣、水和陽光一樣,在維系人類生存方面起著不可替代的作用。百谷草木麗乎土(《易·離》),除了提供食物之外,土壤還有許許多多的功能。土壤可以緩沖污染物,保護環境;可以將產生溫室氣體的碳固存在土壤之中,成為碳庫;可以作為建筑物的支撐材料;也可以作為蚯蚓等土壤動物以及微生物的安身之所,是陸地表層系統中最大的生物多樣性保存場所和基因庫;土壤還可以提供相對穩定的封閉環境,保存自然文化遺產;另外,有些土壤還是珍貴的旅游資源。離開了土壤的哺育,人類文明難以為繼。


竹林七賢與榮啟期模印拼鑲磚畫(南京博物院),意大利語中Terra-cotta,意為燒過的泥土。

土壤之于地球,正如皮膚之于人體。毫無疑問,皮膚是動物的最大器官,更是抵御外來傷害的首要屏障,幾乎沒有人懷疑皮膚對于動物生存的重要性。其實,土壤作為陳鋪在地球表面的一層松散物質,就像皮膚一樣維持著陸地生命的存續。20世紀60年代,蘇聯土壤學家稱土壤為土被;根據希臘語中“Geo(地球)“Derma(皮膚)的含義,1967年創刊的國際土壤學會雜志被命名為《Geoderma》,而我國早在唐代就把土壤稱為地皮。可見,把土壤比作地球的皮膚,是很多國家的共識。

形形色色的土壤

今年夏天,筆者的朋友圈總被彩虹刷屏,足見人們對彩虹的喜愛。但我們可曾想過,腳下的土壤實際上也有著不遜于彩虹的多彩顏色。


北京天安門西側的中山公園,槐柏合抱,古木虬枝,花繁葉茂,園內有個社稷壇引得游人駐足觀望。社稷壇為明清兩代祭祀社、稷神祇的祭壇,因壇中陳鋪青、紅、白、黑、黃的五色土壤,故而又名五色土。據記載,明朝時,五色土自全國各地納貢而來,寓意普天之下,莫非王土。

那么,五色土的陳設布局又有什么講究呢?

原來,東青、南紅、西白、北黑、中黃的空間格局大體反映了我國土壤在這五個方位上的真實情況。我國東臨大海,又是很多江河的入?,因此土壤長期處于淹水狀態之下,其中的氧化鐵(Fe2O3)被還原成氧化亞鐵(FeO)而呈灰綠色,是為青土。南方悶熱潮濕而多雨,大量易溶于水的土壤物質受雨水沖刷而流失,最終剩下氧化鐵和氧化鋁(Al2O3),因而呈現紅色。西部氣候干旱,土壤以鹽土和堿土為主,這類土壤中富含碳酸鈣、石膏等白色礦物質,加上可溶性鹽在土壤表層聚集,所以變成了白色。東北地區氣候濕潤而寒冷,黑色的腐殖質在土壤中大量積累,且降解緩慢,長年累月黑色不斷加深,因此稱作黑土。黃土則主要分布于我國的黃土高原,黃土顆粒細膩,適宜耕作,其所在的黃河流域是中華文明的發祥地。就這樣,各色土壤好漢們或占山為王,或蟄伏淺灘,或寄情塞外,又或綿亙晴川,閱盡春花秋月,看遍草長鶯飛,紛紛割據一方,最終形成了我們腳下這塊神奇的土地。而五色土就是我國豐富多彩的土壤空間分布格局的一個縮影。

           北京中山公園社稷壇中的五色土

實際上,土壤有著“五色”之外更為豐富的顏色變化,作為表征土壤物質組成差異的重要指標,土壤顏色在實際中也有著重要的應用價值。傳統意義上,人眼觀察識別土壤信息主要局限在“可見光”范圍。比如,土壤學者常用Munsell比色法(包括色調、明度、彩度3個參數,用數字來精確描述各種色彩)來表示土壤顏色,由于土壤顏色一定程度上反映了土壤的物質組成,土壤學者甚至在野外調查過程中就能做出土壤物質組成、土壤性質及其主要特征的充分肯定的判斷。

近年來,傳感器技術的發展打開了我們觀察土壤的第三只眼”,讓我們得以在更寬廣的維度(如X射線、可見-近紅外光譜、微波等)看見更多的土壤信息。形態各異的土壤光譜曲線,就如同土壤獨一無二的“指紋”信息,蘊藏了土壤屬性的多重密碼,通過光譜解譯,可以探析土壤理化性質(顏色、質地)、土壤肥力(有機質、氮磷鉀)、土壤礦物組成、土壤類型等。此外,赤鐵礦、針鐵礦和纖鐵礦等是自然界中重要的致色物質和顏料,這些物質忠實地記錄了土壤形成的氣候環境。利用土壤顏色作為氣候變化代用指標來重建古氣候也成了當前土壤學的研究熱點之一。

不同類型土壤的可見近紅外漫反射光譜“指紋”

自然界中,土壤不論在顏色,還是在物質組成上都是千差萬別的,正如“世界上沒有兩片完全相同的葉子”,世界上也沒有兩塊完全相同的土壤。那么,這些“長相各異、內在不同”的土壤到底是如何形成的呢?

土壤是如何形成的?

土壤的形成源自地殼表層巖石的風化。風化殼的表層就是形成土壤的物質基礎——成土母質。暴露在地表的成土母質不僅仍然受風化作用的影響,還要與周圍的環境(包括大氣、水、植物)相互作用,發生一系列的物質和能量交換,才能形成具有肥力特征的土壤。這就是土壤的形成過程,也叫成土過程。19世紀末,俄羅斯著名土壤學家B.B.道庫恰耶夫創立了土壤發生學說,首次提出土壤是母質、氣候、生物、地形和時間五大成土因素的產物。

20世紀40年代,美國土壤學家H. Jenny發展了道庫恰耶夫的成土因素學說,提出了著名的土壤形成方程式:S = f (cl, o, r,p, t...)。式中:S、cl、o、r、p、t分別指土壤、氣候、生物、地形、母質和時間,省略號則代表尚未確定的其他次要因素。該方程以函數形式歸納和簡化了各個成土因素之間復雜的相互關系,成為理解土壤形成最重要的概念模型。


玄武巖上發育的鐵鋁土景觀(廣東徐聞),土壤的前世今生在此清晰可見:基巖、風化物和土壤層次依次排列

母質為土壤的發生發育提供最初的物質來源,是構成土壤礦物質、提供植物所需養分的物質基礎。氣候通過溫度和降水全面影響成土過程中的物理、化學和生物作用的強度和方向。生物(包括植物、動物和微生物)在自身的生命活動中與土壤之間發生著物質和能量交換,改變了土壤結構和孔隙狀況,使土壤形成腐殖質層從而具有肥力特征。地形的作用體現在影響其他成土因素對土壤的作用,以及利用重力對地表的物質和能量進行重新分配。當然,任何因素對成土過程的影響都與時間有關,作用程度隨時間的延長而加強。

值得一提的是,巖石風化并非成土母質的唯一來源,無處不在的大氣降塵也可為土壤發育提供新鮮底物,甚至從根本上改變原本自上而下的成土模式和風化速率,對一些老年土壤和弱風化地區的土壤尤其如此。而在當今我們生存的人類世(Anthropocene),人類活動通過調節和改變其他成土因素來控制土壤的發育程度及方向,對土壤發生演化起著不可忽視的作用,成為五大成土因素外最重要的影響因素。例如,水稻土就是長期人為耕作活動的結果。


水稻土:土壤形態和性質記錄著人為作用改變土壤水分狀況和物質循環的過程,這些過程影響土壤發育強度和方向

土壤形成到底有多快?

這是一個很難回答的問題,因為不同環境下土壤的形成速率差異可達幾個數量級。已知最快的土壤形成速率出現在新西蘭的南阿爾卑斯山,速率為2.5毫米/年。不過,據估算地球表面土壤的平均形成速率約為0.056毫米/年。據報道,目前我國皖南丘陵地區花崗巖上發育的土壤形成速率約為0.066毫米/年,也就是說,形成1米厚的土壤,大概需要15000年,如果考慮土壤的侵蝕,形成的時間還會更長。我們常見的土壤,其形成一般都在萬年以上,因而有千年龜萬年土的說法。

從土壤形成的絕對年齡,即在當地新的風化層或新的母質上開始發育時起到目前所經歷的時間來看,地球上最古老、絕對年齡最大的土壤可能存在于非洲和澳大利亞,那里一些出露巖石(裸露在地表上的巖石)的年齡至少可追溯至5億年前,而最年輕、絕對年齡最小的土壤一般多發育于新近沉積物之上。

依據流域元素質量平衡法估算的不同地區土壤平均形成速率


顯然,由于成土因素的組合千差萬別,不同地區的成土速率也表現得參差不齊。例如,地處熱帶地區的海南島,其玄武巖紅色風化殼可深達30~40米,形成速度也很快,而在寒冷的青藏高原土層只有數厘米,形成過程極其緩慢。通常,基性巖母質發育的土壤,由于含角閃石、輝石、黑云母等抗風化力弱的深色礦物較多,比酸性巖發育的土壤(含石英、正長石、白云母等抗風化強的淺色礦物較多)有更快的成土速率;溫暖濕潤的氣候、發育茂盛的植被、疏散堆積的母質以及排水條件優良的地形更有利于土壤的快速發育。

土壤類型與適宜性

一般說來,作物能否生長,氣候是先決條件;而作物能否長好,土壤及其管理則是關鍵。很久以前,由于人們改造自然的能力非常有限,只能選擇在水草豐茂的自然土壤上耕作。比如,在我國的黃土高原,由于土壤顆粒非常細膩,便于耕作,因此我們的祖先很多年前就來到這里繁衍生息。隨著人口規模的不斷擴大,人們需要走出原本的舒適區,開墾更多的土地來種植莊稼以滿足日益膨脹的糧食需求。

土壤性質千差萬別,反映在可利用性和生產能力上也有差異。正因為土壤的多樣性,人們根據因土種植,因土施肥,因地制宜的生產原則,在長期的農業實踐中,培育出許許多多的名特優產品,也就是我們俗稱的特產。這是土壤學的分支學科土宜學研究的范疇。

凡草木之道,各有谷造,早在二千多年前,我國就有關于作物的土壤適宜性,也就是土宜學的樸素探討。土壤以其特有的土宜特性,在不同生態條件下,生產了各種馳名中外的名特優農產品:如熱帶鐵鋁土上的咖啡、可可、胡椒和腰果等;亞熱帶富鋁土上的柑桔和茶葉,特別是柑桔類的沙田柚、南豐蜜桔、潮州椪柑,茶葉中的烏龍茶、普洱茶和龍井茶;溫帶淋溶土上的肥城桃、萊陽梨、天津鴨梨和煙臺蘋果等;漠境干旱土上的長絨棉、吐魯番葡萄、哈密瓜和庫爾勒香梨。天然藥物方面也有與土壤相聯系的特定產地,如黃連以川、貴為佳,枸杞以甘、寧為優,紅花以西藏為最,三七云、貴居上。

土壤資源亟需人類的關注與呵護

土壤資源如此寶貴,但根據聯合國2015年發布的《世界土壤資源狀況》報告,世界范圍內土壤功能正面臨土壤侵蝕、土壤有機質喪失、養分不平衡、土壤酸化、土壤污染、水澇、土壤板結、地表硬化、土壤鹽漬化和土壤生物多樣性喪失等十大威脅。其中,僅土壤侵蝕,每年就會造成250~400億噸表土流失,導致作物減產、土壤固碳能力下降、養分和水分明顯減少。據統計,每年因侵蝕所造成的谷物損失可高達760萬噸。


水土流失造成河道淤塞和耕地損失

古人云:皮之不存,毛將焉附?生產性土壤的進一步流失將嚴重威脅糧食生產和安全,加劇糧價波動,有可能使數百萬人陷入饑餓和貧窮。然而,人們在仰望星空探索未知的時候,常常忽視了自己腳下所踏立的土壤。文藝復興巨擘·芬奇就曾直言我們對自己腳下土壤的了解,遠不及對浩瀚的天體運動了解得多。作為地球皮膚的土壤,需要人們的關注和呵護。

仰望恒河沙數的星空,有無數像火星這樣的地外星體表面也覆蓋著土壤,但目前只有地球土壤是已知唯一富含生命的。事實上,火星土壤只有400多種礦物,而地球土壤的礦物類型多達4000多種,遠比火星復雜。土壤,這層地球的皮膚是維系地球生命的保障,保護這薄薄的“皮膚”就是保護我們自己。聯合國大會將2015年確定為國際土壤年,國際土壤科學聯合會自2002年起將每年的125日確定為“世界土壤日”,世界各地會舉行各種活動宣傳土壤的重要性,提醒人們愛護腳下的土壤。


本文引用的數據和圖表來自國家科技部科技基礎性工作專項我國土系調查與《中國土系志》編制(編號:2008FY110600,2014FY110200)和國家自然科學基金項目(編號:41130530,91325301,41571130051,40601040)成果。


注:本文原載于《科學世界》數字刊2016年第12期土壤專輯



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