高中地球科学/土壤
- 讨论为什么土壤是一种重要的资源。
- 描述土壤是如何从现有的岩石中形成的。
- 描述土壤的不同质地和成分。
- 绘制并描述土壤剖面。
- 定义三种与气候相关的土壤：红壤、棕壤和砖红壤。
感谢机械风化和化学风化，因为如果没有这些力量来分解岩石，地球上就不会有土壤。如果没有土壤，人类可能无法在地球上生存！你和其他许多生物的生命都依赖于土壤。我们从土壤中获得木材、纸张、棉花、药物，甚至纯净水。因此，土壤是一种非常重要的资源。虽然它实际上只是地球表面覆盖在固体岩石之上的极薄的一层，但它是我们的大气层、水圈、生物圈和地球岩石相遇的地方。在我们土壤层内，固体岩石、液态水和空气之间发生着反应。我们忽视这种重要的资源是错误的，然而，当我们谈论破坏某样东西时，我们会说“弄脏”或“肮脏”。我们宝贵的土壤资源需要仔细管理和保护。如果我们忽视或滥用我们拥有的土壤，它将不再是我们 throughout human existence.
我们可以把土壤看作一种活的资源或一个独立的生态系统。在土壤中，存在许多元素。它是一种不同物质的复杂混合物。其中一些是 **无机** 的，比如风化岩石的产物，包括卵石、沙子、粉砂和粘土颗粒。还有一些 **有机** 物质，由动植物的部分分解和腐烂形成。一般来说，岩石和矿物质占土壤的一半左右，另一半由有机物质组成。在这些物质之间，在土壤的空隙中，存在着数千甚至数百万个生物。这些生物可能是蚯蚓、蚂蚁、细菌或真菌，以及许多其他类型的生物。在固体颗粒之间，存在着充满空气和水的微小空间。在一些土壤中，有机部分可能完全缺失，比如沙漠沙子。在另一个极端，土壤可能完全是有机的，比如构成沼泽或沼泽中泥炭的物质。有机物质是土壤肥沃的必要条件。有机部分提供植物生长所需的氮等营养物质。我们很快就会了解到有机部分。
土壤的形成程度和土壤类型取决于几个不同的因素。其中一些因素是气候、土壤形成的原始岩石、坡度、时间和生物活动。气候是最终最重要的因素，它将决定特定区域形成的土壤类型。一个地区的 climate 主要由温度和降水量决定。这也影响着该地区生长的植被类型。我们可以通过生长的植物类型来识别不同的气候。根据观察的仔细程度，我们可以将陆地划分为许多不同的气候区域（图 9.6）。
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只要有足够的时间，即使不同的岩石类型也会产生相似的与气候相关的土壤。气候是如此重要的一个因素，即使相同类型的岩石在不同的气候中也会产生不同的与气候相关的土壤。这是因为地球上的岩石主要由八种元素组成，当岩石分解时，基本上只会有这八种元素。当然，如果原始岩石中不存在某种元素，那么它也不会存在于由它形成的土壤中。一个地区降水量的多少很重要，因为它影响着风化的速率。降雨量越大，流经土壤的雨水就越多，它与土壤颗粒的化学反应就越多。这些反应在土壤表层最为有效，随着水继续渗入土壤的下层，效率会降低。与最新鲜的水接触的土壤表层反应最为剧烈。一个地区降雨量的增加会导致溶解的岩石量增加，以及被流动水带走的物质量增加。随着物质被带走，新的表面暴露出来，这也增加了风化速度。
一个地区的温度也很重要。化学反应的速率随着温度的升高而增加。每升高 10°C，化学反应速率就会翻倍。温暖地区的植被也更多，因为植物和细菌生长和繁殖的速度更快。这意味着在热带地区，气温和降水量始终很高，形成的土壤很厚，没有不稳定的矿物质，因此没有营养物质。相反，干旱地区形成的土壤很薄，富含不稳定的矿物质。土壤形成的速率随着时间的推移而增加。土壤在一个特定区域停留的时间越长，改变的程度就越大。
原始岩石是土壤中无机部分的来源。风化作用的化学反应将岩石的原始矿物质分解成沙子、粉砂和粘土。当土壤在原地形成时，称为 **残留土**，下面的岩石分解形成位于其上方的土壤层。在美国，只有大约三分之一的土壤是以这种方式形成的。其余的土壤是由从其他地方运输来的物质形成的。这些土壤被称为 **搬运土**。冰川从很远的地方带来岩石碎片，当冰川融化时，它们会将运载的物质沉积下来。风和河流也会将物质从其起源地运走。这些土壤是由从其起源地运到新位置并沉积下来的松散颗粒形成的。对于搬运来的物质来说，土壤形成的速率更快，因为搬运来的物质已经风化了。物质越靠近其起源地，原始物质的影响就越大。这些物质远离其起源地越远，风化的程度就越大，原始物质的影响就越不明显。
随着风化所需时间的增加，土壤会变厚。气温越高，降雨量越大，时间越长，土壤就越厚。生物活动会在土壤中产生有机物质和营养物质。动植物残骸的部分腐烂也会形成有机酸，进而增加土壤形成的速度和风化的速度。有机物质会增加土壤的保水能力，形成土壤的结构，并增强其肥力和可耕性。
动植物生命的腐烂残骸被称为 **腐殖质**。腐殖质是土壤中极其重要的组成部分。它覆盖在矿物颗粒上，将它们粘在一起形成团块，进而将土壤粘在一起。土壤中的腐殖质还会增加土壤的孔隙度和保水能力。腐殖质有助于缓冲土壤酸度的快速变化，并有助于土壤保持其营养物质。土壤中的分解有机体将动植物残骸中的复杂有机分子分解成更简单的无机分子，这些分子可溶于水。土壤中的细菌将大气氮转化为硝酸盐。
土壤肥力的一个指标是它的颜色。富含氮和有机物质含量高的土壤通常是黑色或深棕色。缺氮且有机物质含量低的土壤可能是灰色、黄色，甚至红色。
土壤的无机部分由许多不同大小的颗粒组成。除了多种颗粒大小外，每种颗粒大小的比例也可能不同。这两个因素的组合决定了土壤的一些性质。如果无机颗粒之间的空间足够大且连接良好，则土壤将非常**透水**，这意味着水可以轻松地流过土壤。具有大量非常小空间的土壤往往是保水土壤。粘土是保水土壤类型的一个例子。当土壤中存在粘土时，土壤会变得更重，并且更紧密地结合在一起。沙质或粉质土壤被认为是“轻质”土壤，因为它们是透水、排水良好的土壤类型。当土壤包含多种粒径的混合物时，该土壤被称为**壤土**。当土壤学家想要精确地确定土壤类型时，他们会测量沙子、淤泥和粘土的百分比，并将这些信息绘制在三角形图上，每种土壤类型位于一个角点（图 9.7）。
土壤学家使用这样的图来绘制土壤中沙子、淤泥和粘土的百分比。然后可以从图上的位置确定土壤类型。在顶部，土壤将是粘土；在左上角，它将是沙子；在右上角，它将是淤泥。下部中间区域，粘土含量小于 50% 的区域称为壤土。
残积土由下面的基岩形成。这种情况会随着时间的推移而发生，因为物理风化和化学风化会缓慢地将固体岩石变成土壤。时间越长，改变的程度就越大。也许对裸露岩石的第一个改变可能是由于冰楔作用导致的物理风化而产生的裂缝或断裂。然后，苔藓或草之类的植物开始生长。随着越来越多的物质层风化，土壤会形成**土壤层位**，因为每一层都会逐渐改变。风化程度最大的地方是顶层。每一层较低的层都发生了一点改变。这是因为水和空气与土壤接触的第一个地方是在顶部。随着水向下渗透到各层，它能够做更少的工作来改变土壤。如果你能在地面上挖一个深洞，你就可以看到每一层不同的土壤。所有这些被称为**土壤剖面**。每个层位都有自己的一套特定特征（图 9.8）。
在最简单的土壤剖面中，土壤被认为具有三个层位。第一个层位是**表土**，被称为A 层。表土通常是土壤中最暗的一层，因为它是含有最高比例有机质的层。请记住，腐殖质是由落到地面的所有植物和动物残骸形成的。这包括树枝和树枝、橡子和松针，以及动物和真菌的排泄物。表土是生物活动最活跃的区域。许多生物体生活在这个层内，植物将根部伸展到这个层内。事实上，植物根系对这一层非常重要，因为植被有助于将这一层土壤固定在适当位置。表土层通常是溶解的矿物质和粘土等非常小的颗粒缺失的层。这是因为粘土大小的颗粒随着水渗入地下而被带到更低的层。可溶性矿物质缺失是因为它们很容易溶解在渗透到这一层的淡水中，并被带到土壤的更低层。
下一个土壤层位是**心土**，被称为B 层。这是可溶性矿物质和粘土积累的区域。由于铁和粘土矿物质的存在，这一层颜色会更浅棕色，并且比表土更具保水性。这一层中的有机质会更少。下面的下一层被称为C 层，将是一层部分改变的基岩。这一层将有一些风化的迹象，但仍能看到原始岩石的碎片，并且可以识别出形成这种土壤的原始岩石类型（图 9.9）。
并非所有气候区域都会形成土壤，也并非所有区域都会形成相同的层位。一些地区会形成多达五到六个不同的层，而另一些地区只会形成非常薄的土壤，或者可能根本不会形成土壤。
如果我们去和土壤学家交谈，你会了解到有成千上万种土壤类型。土壤学家研究每种土壤的许多不同特征，并将它们分成非常特定的组，并为土壤起了很多不同的名称。让我们考虑一个更简单的模型，它只考虑三种土壤类型。这将帮助你了解关于特定区域的气候如何产生特定类型土壤的一些基本概念，但我们现在所学到的内容也有很多例外。
让我们考虑一下在世界上冬天叶子会掉落的树木，即**落叶树**的森林中会形成的土壤类型。为了让树木在这里生长，需要有充足的降雨，每年至少要降 65 厘米的雨。无论哪里有树木，都应该有足够的降雨来帮助它们生长！在森林地区形成的土壤类型被称为**灰化土**，这种类型的土壤在美国东部温带地区的许多地区很常见（图 9.10）。灰化土这个词来自通常在土壤中发现的一些元素。铝元素的化学符号是 Al，铁元素的化学符号是 Fe。这两个符号组合成 '-al' 和 '-fe'，组成 ped–al –fe r 这个词。这种类型的土壤通常是一种非常肥沃的深棕色或黑色土壤。它富含铝质粘土和氧化铁。因为这种气候类型的降雨量很大，所以大多数可溶性矿物质会溶解并被带走，留下不太容易溶解的粘土和氧化铁。
另一种与气候相关的土壤被称为**钙化土**，它形成于更干旱的温带地区，草地和灌木是常见的植被类型（图 9.11）。这些地区的年降雨量不到 65 厘米，因此这些土壤的化学风化作用较少。降雨量较低，溶解可溶性矿物质的水也更少，因此这里存在更多的可溶性矿物质，但产生的粘土矿物质更少。降雨量较低，这里植被也更少，因此土壤中的有机质含量较低，使其比灰化土的肥力略低。钙化土是以其中形成的富含方解石的层命名的。一些水开始向下渗透到土壤层中，但它在走得很远之前，就开始蒸发掉了。可溶性矿物质，如碳酸钙，会集中在水在蒸发前所能到达的最低点的一层中。这一层被称为钙质层。
第三种被称为**砖红壤**的土壤形成于热带地区，那里的降雨量非常大，实际上每天都在下雨。热带雨林是这种地区的一个例子（图 9.12）。在这些炎热潮湿的热带地区，由于强烈的化学风化作用，会形成贫瘠的土壤。这里的风化作用非常强烈，几乎没有腐殖质。所有可溶性矿物质都被从土壤中带走，所有植物养分都被淋溶或带走。剩下的只有最不容易溶解的物质，比如氧化铝和氧化铁。这些土壤通常因氧化铁而呈红色。如果将这些土壤在阳光下晒干，它们就会像砖块一样坚硬。
你可能可以很快地说出许多这里没有提到的气候。每个气候都会产生一种独特的土壤，这些土壤是在那里发现的特定环境中形成的。在风化作用较弱的地方，土壤较薄，但可能存在可溶性矿物质。在风化作用强烈的地方，土壤可能很厚，但营养贫乏。无论如何，土壤形成都需要很长时间。形成良好的肥沃表土可能需要数百甚至数千年。土壤学家估计，在最好的土壤形成条件下，土壤以每年约 1 毫米的速度形成。在较差的条件下，可能需要数千年！
土壤只有在我们仔细管理土壤的使用方式时，才是一种可再生资源。自然界会发生一些不幸的事件，例如干旱、昆虫灾害或疾病爆发，这些事件会对生态系统造成负面影响，也会损害土壤。但是，人类也有很多方式忽视或滥用这种重要的资源。一种有害的做法是移除有助于固定土壤的植被。有时，仅仅在同一个地方行走或骑自行车，就会杀死通常在那里生长的草。其他时候，为了让路给其他用途，土地会被有意地清理。被“损失”的土壤可能会被风或流水带走。在世界上的许多地区，土壤侵蚀的速度远远大于土壤形成的速度。如果土壤中积累过多的盐分，或者污染物渗入地下，土壤也会受到污染。
有很多方法可以保护和保存我们宝贵的土壤资源。有很多方法可以帮助保持土壤处于良好状态。以植物或动物粪便（如粪肥或堆肥）的形式将有机物质添加到土壤中，可以提高土壤的肥力，并改善其保持水分和养分的的能力（图 9.13）。无机肥料也可以暂时提高土壤的肥力，而且可能成本更低或省时，但不会像有机物质那样提供长期改进。轮作、轮换每排种植的作物类型和种植富含营养的覆盖作物等农业实践都有助于保持土壤在季节后仍然肥沃。种植防风林、沿着田地的等高线犁地或在较陡峭的斜坡上建造梯田，都有助于固定土壤（图 9.14）。免耕或少耕农业通过在种植时尽可能少地扰动地面来帮助固定土壤。
- 土壤是一种重要的资源。地球上的生命如果没有土壤，就不会像今天这样存在。
- 形成的土壤类型主要取决于气候，但在较小程度上取决于原始母岩材料。
- 土壤质地和成分以及土壤中有机物质的数量决定了土壤的品质和肥力。
- 在足够长的时间里，现有的岩石会在土壤中形成层，称为土壤剖面。
- 最终，特定地区的氣候会为该氣候产生一种独特的土壤类型。
- 描述至少两种土壤是活的资源的方式。
- 说出影响土壤形成的两个因素。
- 土壤剖面的哪个区域反应最强烈？
- 你家后院的土壤更有可能残留土壤还是搬运土壤？你怎么能检查？
- 说出向土壤中添加腐殖质的几个优点。
- 土壤有三个土层。描述每个土层的特点。
- 说出三种与气候有关的土壤。描述每种土壤形成区域的气候和植被。
- 如果你想要肥沃的土壤并且不想给庄稼灌溉，你会选择在哪里买地建农场？
- 落叶树
- 每年落叶的树木。
- 腐殖质
- 动植物的半腐烂残骸；构成土壤的有机部分。
- 无机
- 土壤中非生物来源的成分；土壤的岩石和矿物部分。
- 砖红壤
- 贫瘠的红色热带土壤，形成于雨林植被区。
- 壤土
- 由大约等量的沙子、粉砂和黏土组成的土壤质地。
- 有机
- 通常是指土壤中来自生物体的成分。
- 灰化土
- 肥沃的深色土壤，形成于中纬度森林地区。
- 钙化土
- 肥力稍差的土壤，形成于干旱的草原地区。
- 渗透性
- 描述一种允许水轻松流过它的土壤类型。
- 残留土壤
- 由其所处或所在基岩形成的土壤。
- 土壤土层
- 完整土壤剖面的一个单独层；例如 A、B 和 C 土层。
- 土壤剖面
- 特定土壤的全部土壤层或土层。
- 心土
- 土壤的B 土层；铁氧化物和黏土矿物积累的区域。
- 表土
- 土壤的A 土层；土壤中最肥沃的层，含有腐殖质、植物根系和生物体。
- 搬运土壤
- 由水、风或冰将风化成分搬运到其他地区形成的土壤。
- 为什么土壤是如此重要的资源？
- 你认为成熟的土壤是由未经改变的基岩还是由搬运的材料更快地形成的？
- 如果土壤侵蚀速度快于新土壤的形成速度，那么该地区土壤最终会发生什么？
- 你认为有一些污染物无法轻松地从土壤中去除吗？