书城科普读物探索未知-森林环境
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第12章 森林土壤的发生、构造和功能

森林土壤是指森林植被下发育的土壤,它是相对于草原植被、荒漠植被或其他植被类型下发育的土壤而言的。森林土壤是地表的一部分,是森林植物赖以生存的物质和环境的基质,它由矿物和有机物组成,含有不同数量的水分和空气,并被生物居住着。

一般来讲,森林土壤受人为干扰较小,土壤剖面保持比较完整,并具有一些特有的特征,如表层一般有深厚的森林凋落物,剖面中根系和石砾含量较多,含有大量依赖于森林生存的土壤生物。

森林中绝大多数有机残余物都累积在土壤表面,形成了凋落物层又称林褥,是每年为森林土壤增补有机质的主要形式。这与草地或农田将死有机质特别是死亡根系累积在土体内不同。此外,森林凋落物中含有较多的不易被分解的木素、树脂和单宁等物质,因而可以在表层累积成层。累积在地表的有机物疏松通气,在其分解过程中还可产生一些酸类,使表层呈酸性反应。

森林下的土壤剖面比草地的风化程度深,最外层含较多的腐殖质和盐基离子,粘粒也较多,Ca、Mg比值较少,而较底层盐基含量则较低。

除去土壤的基质外,森林土壤最有特点的组成为林木的根系。林木根系对土壤肥力的发展起着重要的作用。土壤中营养物质的积累和消耗、腐殖质的聚积、土壤结构的形成以及土壤微生物的活动等,都与林木根系的活动有关。此外,林分下庞大的根系网是防止水土流失、减少泥石流的重要因素。

一、森林土壤的发生过程

森林土壤是森林生物的重要生长环境空间。土壤的形成依赖于五大自然成土因素,即气候、生物有机体、地形、母质与时间。岩石及其风化产物是形成土壤的基质;气候是直接的水、热和空气条件;地形可使气候因素重新分配;生物有机体通过生长繁育、新陈代谢进行着物质的合成与分解,一方面丰富土壤的基质,另一方面以有机物方式累积化学能;时间是一切作用过程的累积因素。这五大因子共同作用,缺一不可。森林土壤的发生除决定于以上成土因素外,还具有三种特有的成土因素,即森林凋落物、林木根系和依赖于现有森林的特有的森林生物。

岩石在物理风化作用下不断崩解,颗粒由大到小,由粗变细。在此过程中,还产生了一些溶于水的矿物质及营养元素。这些物质被降水不断淋洗,并随地表径流从高处流向低处,经过河流最终流到海洋。它们与流入海洋的岩石和泥沙等产生浓缩、沉淀、堆积、胶结和硬化作用,形成沉积岩。在地壳上升运动中,沉积岩由海洋底部上升形成大陆。岩石暴露于地表之后,又重新进行风化和淋溶,重复地进行着这种过程。植物营养物质由大陆流到海洋,海洋变为大陆后,又由新的大陆流向新的海洋。这种循环过程称为植物营养物质的地质大循环。

风化形成的母质,具有松散性、多孔性、透气性和保水性等特点,并为植物生长提供了水分、空气、养分等条件。一些需要养分较少的低等植物开始生活在原始幼年土上,通过吸收矿质养分、水分和获取其他生活物质和条件,来建造自身的有机体。这样使地质大循环过程中的一些可溶性养分得到保存。当这些植物死亡后,经微生物的分解作用,有机残体中的营养物质又变为无机物质,一部分又重新进入地质大循环,另一部分可被植物重新吸收利用。植物及其他生物的反复吸收利用和累积营养物质的过程,称为营养物质的生物小循环。

土壤形成过程就是建立在地质大循环和生物小循环的基础上。在这对矛盾的相互作用、不断发展的过程中,土壤肥力得到了发展。

土壤形成的各种过程,可以四种基本方式表达:向土壤添加物质,如向土壤中加入森林有机质;失去物质,侵蚀和淋洗,是土壤产生损失的两种过程;迁移作用,如粘粒被移向下部;转化作用,如土壤矿物经风化转化为粘土矿物等。这样,最终通过层次分化形成了土壤剖面。

二、森林土壤的构造

土壤是一个具有三维空间的物体,具有深度和宽度,并分布在地球的表面。观察和研究土壤主要借助于土壤剖面。土壤剖面是从地表向下挖掘直至母质的一段垂直切面。切面上常常可观察到1个或多个呈水平状分布的条带或层次,这些层次称为土层或发生层。

土壤形态是土壤的外部特征。在土壤形成以后,各层的差异主要反映在形态特征上。主要的森林土壤形态特征有颜色、质地、结构、湿度、紧实度、孔隙度、新生体、侵入体、根系含量、石砾含量、动物孔穴等。在野外,通过对土壤剖面形态特征的观察,可判断出土壤的一些重要性质。

描述土壤剖面的最基本单位叫单个土体。单个土体是指土壤个体的最小体积,其侧向伸展范围应大到足以研究任何土层的本质。由于一个土层的厚度可能有变异或出现变异,视各土层变异的情况,单个土体的面积从1~10平方米不等,形状大致呈六边形。其下限是土壤和非土壤之间模糊的界限。多个单个土体的原地土壤体积,称为聚合土体。它将相邻的单个土体纳入一个单独土系的规定范围之内,是自然界一个实际有形的具有某一基层分类单元特性的土壤实体,也是土壤制图的最基本单元。

三、森林土壤的功能

森林土壤是森林生物生活的主要场所,它既可以供应和调节土壤水、养分、气、热等生活条件和环境,又可以通过吸附、固定和转化功能对污染物质起到净化作用。这些功能主要由土体、土层、土壤结构和土粒成分的功能实现的。

土体是支撑植物的场所和养育植物的基体。由于其界面接触环境和程度不同,以及土体内物质的淀积、溶解等影响,使其在垂直方向上发生性质分异,并向水平方向延伸,从而形成土层。土壤表层是直接接受外界环境的窗口,向表土以下的层次逐层传导外界输入的物质和能量(包括污染物质和能量)。传入的层次越深,土壤的缓冲能量越大。土层的传导力,主要是指对养分、水分、空气和热量的传输力。

土壤结构是指土壤颗粒的空间排列方式及稳定程度。土壤结构体以其个体内部的小孔隙和个体之间的大孔隙来发挥调控水、气的作用。具有良好的团粒结构的森林土壤表层,能均衡地调节土壤的水、气、热状况,使土壤保持良好的通透性。

土壤养分的释放和蓄存及土壤结构的形成,是土壤颗粒的成分及其功能的体现。土粒成分包括土壤中的矿物质、有机质。矿物质是矿物岩石的风化产物,包括岩石碎屑、原生矿物及次生矿物等。矿物质是土壤的骨架物质,可以起到支撑植物的作用;并以其复杂的粒级组合为土壤创造良好的孔隙状况,此外还可以提供多种矿质营养元素。土壤有机质来源于一切进入土壤的有机残体,其分解和合成作用,是土壤中养分释放和合成的关键环节。它同时可以和矿物质结合形成良好的结构。有机质经合成形成的腐殖质,也是土壤胶体的重要成分。