高中地球科學/土壤
- 討論為什麼土壤是一種重要的資源。
- 描述土壤是如何從現有的岩石中形成的。
- 描述土壤的不同質地和成分。
- 繪製並描述土壤剖面。
- 定義三種與氣候相關的土壤：紅壤、棕壤和磚紅壤。
感謝機械風化和化學風化，因為如果沒有這些力量來分解岩石，地球上就不會有土壤。如果沒有土壤，人類可能無法在地球上生存！你和其他許多生物的生命都依賴於土壤。我們從土壤中獲得木材、紙張、棉花、藥物，甚至純淨水。因此，土壤是一種非常重要的資源。雖然它實際上只是地球表面覆蓋在固體岩石之上的極薄的一層，但它是我們的大氣層、水圈、生物圈和地球岩石相遇的地方。在我們土壤層內，固體岩石、液態水和空氣之間發生著反應。我們忽視這種重要的資源是錯誤的，然而，當我們談論破壞某樣東西時，我們會說“弄髒”或“骯髒”。我們寶貴的土壤資源需要仔細管理和保護。如果我們忽視或濫用我們擁有的土壤，它將不再是我們 throughout human existence.
我們可以把土壤看作一種活的資源或一個獨立的生態系統。在土壤中，存在許多元素。它是一種不同物質的複雜混合物。其中一些是 **無機** 的，比如風化岩石的產物，包括卵石、沙子、粉砂和粘土顆粒。還有一些 **有機** 物質，由動植物的部分分解和腐爛形成。一般來說，岩石和礦物質佔土壤的一半左右，另一半由有機物質組成。在這些物質之間，在土壤的空隙中，存在著數千甚至數百萬個生物。這些生物可能是蚯蚓、螞蟻、細菌或真菌，以及許多其他型別的生物。在固體顆粒之間，存在著充滿空氣和水的微小空間。在一些土壤中，有機部分可能完全缺失，比如沙漠沙子。在另一個極端，土壤可能完全是有機的，比如構成沼澤或沼澤中泥炭的物質。有機物質是土壤肥沃的必要條件。有機部分提供植物生長所需的氮等營養物質。我們很快就會了解到有機部分。
土壤的形成程度和土壤型別取決於幾個不同的因素。其中一些因素是氣候、土壤形成的原始岩石、坡度、時間和生物活動。氣候是最終最重要的因素，它將決定特定區域形成的土壤型別。一個地區的 climate 主要由溫度和降水量決定。這也影響著該地區生長的植被型別。我們可以透過生長的植物型別來識別不同的氣候。根據觀察的仔細程度，我們可以將陸地劃分為許多不同的氣候區域（圖 9.6）。
.svg)
只要有足夠的時間，即使不同的岩石型別也會產生相似的與氣候相關的土壤。氣候是如此重要的一個因素，即使相同型別的岩石在不同的氣候中也會產生不同的與氣候相關的土壤。這是因為地球上的岩石主要由八種元素組成，當岩石分解時，基本上只會有這八種元素。當然，如果原始岩石中不存在某種元素，那麼它也不會存在於由它形成的土壤中。一個地區降水量的多少很重要，因為它影響著風化的速率。降雨量越大，流經土壤的雨水就越多，它與土壤顆粒的化學反應就越多。這些反應在土壤表層最為有效，隨著水繼續滲入土壤的下層，效率會降低。與最新鮮的水接觸的土壤表層反應最為劇烈。一個地區降雨量的增加會導致溶解的岩石量增加，以及被流動水帶走的物質量增加。隨著物質被帶走，新的表面暴露出來，這也增加了風化速度。
一個地區的溫度也很重要。化學反應的速率隨著溫度的升高而增加。每升高 10°C，化學反應速率就會翻倍。溫暖地區的植被也更多，因為植物和細菌生長和繁殖的速度更快。這意味著在熱帶地區，氣溫和降水量始終很高，形成的土壤很厚，沒有不穩定的礦物質，因此沒有營養物質。相反，乾旱地區形成的土壤很薄，富含不穩定的礦物質。土壤形成的速率隨著時間的推移而增加。土壤在一個特定區域停留的時間越長，改變的程度就越大。
原始岩石是土壤中無機部分的來源。風化作用的化學反應將岩石的原始礦物質分解成沙子、粉砂和粘土。當土壤在原地形成時，稱為 **殘留土**，下面的岩石分解形成位於其上方的土壤層。在美國，只有大約三分之一的土壤是以這種方式形成的。其餘的土壤是由從其他地方運輸來的物質形成的。這些土壤被稱為 **搬運土**。冰川從很遠的地方帶來岩石碎片，當冰川融化時，它們會將運載的物質沉積下來。風和河流也會將物質從其起源地運走。這些土壤是由從其起源地運到新位置並沉積下來的鬆散顆粒形成的。對於搬運來的物質來說，土壤形成的速率更快，因為搬運來的物質已經風化了。物質越靠近其起源地，原始物質的影響就越大。這些物質遠離其起源地越遠，風化的程度就越大，原始物質的影響就越不明顯。
隨著風化所需時間的增加，土壤會變厚。氣溫越高，降雨量越大，時間越長，土壤就越厚。生物活動會在土壤中產生有機物質和營養物質。動植物殘骸的部分腐爛也會形成有機酸，進而增加土壤形成的速度和風化的速度。有機物質會增加土壤的保水能力，形成土壤的結構，並增強其肥力和可耕性。
動植物生命的腐爛殘骸被稱為 **腐殖質**。腐殖質是土壤中極其重要的組成部分。它覆蓋在礦物顆粒上，將它們粘在一起形成團塊，進而將土壤粘在一起。土壤中的腐殖質還會增加土壤的孔隙度和保水能力。腐殖質有助於緩衝土壤酸度的快速變化，並有助於土壤保持其營養物質。土壤中的分解有機體將動植物殘骸中的複雜有機分子分解成更簡單的無機分子，這些分子可溶於水。土壤中的細菌將大氣氮轉化為硝酸鹽。
土壤肥力的一個指標是它的顏色。富含氮和有機物質含量高的土壤通常是黑色或深棕色。缺氮且有機物質含量低的土壤可能是灰色、黃色，甚至紅色。
土壤的無機部分由許多不同大小的顆粒組成。除了多種顆粒大小外，每種顆粒大小的比例也可能不同。這兩個因素的組合決定了土壤的一些性質。如果無機顆粒之間的空間足夠大且連線良好，則土壤將非常**透水**，這意味著水可以輕鬆地流過土壤。具有大量非常小空間的土壤往往是保水土壤。粘土是保水土壤型別的一個例子。當土壤中存在粘土時，土壤會變得更重，並且更緊密地結合在一起。沙質或粉質土壤被認為是“輕質”土壤，因為它們是透水、排水良好的土壤型別。當土壤包含多種粒徑的混合物時，該土壤被稱為**壤土**。當土壤學家想要精確地確定土壤型別時，他們會測量沙子、淤泥和粘土的百分比，並將這些資訊繪製在三角形圖上，每種土壤型別位於一個角點（圖 9.7）。
土壤學家使用這樣的圖來繪製土壤中沙子、淤泥和粘土的百分比。然後可以從圖上的位置確定土壤型別。在頂部，土壤將是粘土；在左上角，它將是沙子；在右上角，它將是淤泥。下部中間區域，粘土含量小於 50% 的區域稱為壤土。
殘積土由下面的基岩形成。這種情況會隨著時間的推移而發生，因為物理風化和化學風化會緩慢地將固體岩石變成土壤。時間越長，改變的程度就越大。也許對裸露岩石的第一個改變可能是由於冰楔作用導致的物理風化而產生的裂縫或斷裂。然後，苔蘚或草之類的植物開始生長。隨著越來越多的物質層風化，土壤會形成**土壤層位**，因為每一層都會逐漸改變。風化程度最大的地方是頂層。每一層較低的層都發生了一點改變。這是因為水和空氣與土壤接觸的第一個地方是在頂部。隨著水向下滲透到各層，它能夠做更少的工作來改變土壤。如果你能在地面上挖一個深洞，你就可以看到每一層不同的土壤。所有這些被稱為**土壤剖面**。每個層位都有自己的一套特定特徵（圖 9.8）。
在最簡單的土壤剖面中，土壤被認為具有三個層位。第一個層位是**表土**，被稱為A 層。表土通常是土壤中最暗的一層，因為它是含有最高比例有機質的層。請記住，腐殖質是由落到地面的所有植物和動物殘骸形成的。這包括樹枝和樹枝、橡子和松針，以及動物和真菌的排洩物。表土是生物活動最活躍的區域。許多生物體生活在這個層內，植物將根部伸展到這個層內。事實上，植物根系對這一層非常重要，因為植被有助於將這一層土壤固定在適當位置。表土層通常是溶解的礦物質和粘土等非常小的顆粒缺失的層。這是因為粘土大小的顆粒隨著水滲入地下而被帶到更低的層。可溶性礦物質缺失是因為它們很容易溶解在滲透到這一層的淡水中，並被帶到土壤的更低層。
下一個土壤層位是**心土**，被稱為B 層。這是可溶性礦物質和粘土積累的區域。由於鐵和粘土礦物質的存在，這一層顏色會更淺棕色，並且比表土更具保水性。這一層中的有機質會更少。下面的下一層被稱為C 層，將是一層部分改變的基岩。這一層將有一些風化的跡象，但仍能看到原始岩石的碎片，並且可以識別出形成這種土壤的原始岩石型別（圖 9.9）。
並非所有氣候區域都會形成土壤，也並非所有區域都會形成相同的層位。一些地區會形成多達五到六個不同的層，而另一些地區只會形成非常薄的土壤，或者可能根本不會形成土壤。
如果我們去和土壤學家交談，你會了解到有成千上萬種土壤型別。土壤學家研究每種土壤的許多不同特徵，並將它們分成非常特定的組，併為土壤起了很多不同的名稱。讓我們考慮一個更簡單的模型，它只考慮三種土壤型別。這將幫助你瞭解關於特定區域的氣候如何產生特定型別土壤的一些基本概念，但我們現在所學到的內容也有很多例外。
讓我們考慮一下在世界上冬天葉子會掉落的樹木，即**落葉樹**的森林中會形成的土壤型別。為了讓樹木在這裡生長，需要有充足的降雨，每年至少要降 65 釐米的雨。無論哪裡有樹木，都應該有足夠的降雨來幫助它們生長！在森林地區形成的土壤型別被稱為**灰化土**，這種型別的土壤在美國東部溫帶地區的許多地區很常見（圖 9.10）。灰化土這個詞來自通常在土壤中發現的一些元素。鋁元素的化學符號是 Al，鐵元素的化學符號是 Fe。這兩個符號組合成 '-al' 和 '-fe'，組成 ped–al –fe r 這個詞。這種型別的土壤通常是一種非常肥沃的深棕色或黑色土壤。它富含鋁質粘土和氧化鐵。因為這種氣候型別的降雨量很大，所以大多數可溶性礦物質會溶解並被帶走，留下不太容易溶解的粘土和氧化鐵。
另一種與氣候相關的土壤被稱為**鈣化土**，它形成於更乾旱的溫帶地區，草地和灌木是常見的植被型別（圖 9.11）。這些地區的年降雨量不到 65 釐米，因此這些土壤的化學風化作用較少。降雨量較低，溶解可溶性礦物質的水也更少，因此這裡存在更多的可溶性礦物質，但產生的粘土礦物質更少。降雨量較低，這裡植被也更少，因此土壤中的有機質含量較低，使其比灰化土的肥力略低。鈣化土是以其中形成的富含方解石的層命名的。一些水開始向下滲透到土壤層中，但它在走得很遠之前，就開始蒸發掉了。可溶性礦物質，如碳酸鈣，會集中在水在蒸發前所能到達的最低點的一層中。這一層被稱為鈣質層。
第三種被稱為**磚紅壤**的土壤形成於熱帶地區，那裡的降雨量非常大，實際上每天都在下雨。熱帶雨林是這種地區的一個例子（圖 9.12）。在這些炎熱潮溼的熱帶地區，由於強烈的化學風化作用，會形成貧瘠的土壤。這裡的風化作用非常強烈，幾乎沒有腐殖質。所有可溶性礦物質都被從土壤中帶走，所有植物養分都被淋溶或帶走。剩下的只有最不容易溶解的物質，比如氧化鋁和氧化鐵。這些土壤通常因氧化鐵而呈紅色。如果將這些土壤在陽光下曬乾，它們就會像磚塊一樣堅硬。
你可能可以很快地說出許多這裡沒有提到的氣候。每個氣候都會產生一種獨特的土壤，這些土壤是在那裡發現的特定環境中形成的。在風化作用較弱的地方，土壤較薄，但可能存在可溶性礦物質。在風化作用強烈的地方，土壤可能很厚，但營養貧乏。無論如何，土壤形成都需要很長時間。形成良好的肥沃表土可能需要數百甚至數千年。土壤學家估計，在最好的土壤形成條件下，土壤以每年約 1 毫米的速度形成。在較差的條件下，可能需要數千年！
土壤只有在我們仔細管理土壤的使用方式時，才是一種可再生資源。自然界會發生一些不幸的事件，例如干旱、昆蟲災害或疾病爆發，這些事件會對生態系統造成負面影響，也會損害土壤。但是，人類也有很多方式忽視或濫用這種重要的資源。一種有害的做法是移除有助於固定土壤的植被。有時，僅僅在同一個地方行走或騎腳踏車，就會殺死通常在那裡生長的草。其他時候，為了讓路給其他用途，土地會被有意地清理。被“損失”的土壤可能會被風或流水帶走。在世界上的許多地區，土壤侵蝕的速度遠遠大於土壤形成的速度。如果土壤中積累過多的鹽分，或者汙染物滲入地下，土壤也會受到汙染。
有很多方法可以保護和儲存我們寶貴的土壤資源。有很多方法可以幫助保持土壤處於良好狀態。以植物或動物糞便（如糞肥或堆肥）的形式將有機物質新增到土壤中，可以提高土壤的肥力，並改善其保持水分和養分的的能力（圖 9.13）。無機肥料也可以暫時提高土壤的肥力，而且可能成本更低或省時，但不會像有機物質那樣提供長期改進。輪作、輪換每排種植的作物型別和種植富含營養的覆蓋作物等農業實踐都有助於保持土壤在季節後仍然肥沃。種植防風林、沿著田地的等高線犁地或在較陡峭的斜坡上建造梯田，都有助於固定土壤（圖 9.14）。免耕或少耕農業透過在種植時儘可能少地擾動地面來幫助固定土壤。
- 土壤是一種重要的資源。地球上的生命如果沒有土壤，就不會像今天這樣存在。
- 形成的土壤型別主要取決於氣候，但在較小程度上取決於原始母巖材料。
- 土壤質地和成分以及土壤中有機物質的數量決定了土壤的品質和肥力。
- 在足夠長的時間裡，現有的岩石會在土壤中形成層，稱為土壤剖面。
- 最終，特定地區的氣候會為該氣候產生一種獨特的土壤型別。
- 描述至少兩種土壤是活的資源的方式。
- 說出影響土壤形成的兩個因素。
- 土壤剖面的哪個區域反應最強烈？
- 你家後院的土壤更有可能殘留土壤還是搬運土壤？你怎麼能檢查？
- 說出向土壤中新增腐殖質的幾個優點。
- 土壤有三個土層。描述每個土層的特點。
- 說出三種與氣候有關的土壤。描述每種土壤形成區域的氣候和植被。
- 如果你想要肥沃的土壤並且不想給莊稼灌溉，你會選擇在哪裡買地建農場？
- 落葉樹
- 每年落葉的樹木。
- 腐殖質
- 動植物的半腐爛殘骸；構成土壤的有機部分。
- 無機
- 土壤中非生物來源的成分；土壤的岩石和礦物部分。
- 磚紅壤
- 貧瘠的紅色熱帶土壤，形成於雨林植被區。
- 壤土
- 由大約等量的沙子、粉砂和黏土組成的土壤質地。
- 有機
- 通常是指土壤中來自生物體的成分。
- 灰化土
- 肥沃的深色土壤，形成於中緯度森林地區。
- 鈣化土
- 肥力稍差的土壤，形成於乾旱的草原地區。
- 滲透性
- 描述一種允許水輕鬆流過它的土壤型別。
- 殘留土壤
- 由其所處或所在基岩形成的土壤。
- 土壤土層
- 完整土壤剖面的一個單獨層；例如 A、B 和 C 土層。
- 土壤剖面
- 特定土壤的全部土壤層或土層。
- 心土
- 土壤的B 土層；鐵氧化物和黏土礦物積累的區域。
- 表土
- 土壤的A 土層；土壤中最肥沃的層，含有腐殖質、植物根系和生物體。
- 搬運土壤
- 由水、風或冰將風化成分搬運到其他地區形成的土壤。
- 為什麼土壤是如此重要的資源？
- 你認為成熟的土壤是由未經改變的基岩還是由搬運的材料更快地形成的？
- 如果土壤侵蝕速度快於新土壤的形成速度，那麼該地區土壤最終會發生什麼？
- 你認為有一些汙染物無法輕鬆地從土壤中去除嗎？