土壤地理全解析：从土壤组成到肥沃土壤的形成
土壤地理全解析：从土壤组成到肥沃土壤的形成
土壤是地球表面的一层疏松物质，能够支持植物生长。它由矿物质、有机质、水分和空气等多种成分组成，是陆地生态系统的重要组成部分。本文将从土壤的组成、结构、形成因素、肥沃土壤的特点以及不同类型土壤的介绍等方面，为您全面解析土壤地理知识。
土壤的组成与结构
土壤是由固相、气相、液相组成的复杂体系。其中，固相是土壤的土粒部分，主要由土壤矿物质和有机质组成，约占土壤容积的50%；土粒之间为土壤孔隙，充满了土壤空气（气相）和土壤水（液相）。
土壤的组成与结构示意图
土壤矿物质
土壤矿物质来自岩石的风化，是土壤的“骨胳”，约占固体重量的95%以上。包括原生矿物和次生矿物，土壤矿物质可提供氮素以外植物所需的各种养分元素（磷钾钙镁硫，微量元素等）。
土壤有机质
土壤有机质是指土壤中含碳的各种有机物质，包括动植物残微生物体及其分解合成的有机物质。尽管土壤有机质只占土壤总量很小的一部分，但它是土壤固相的重要组成部分，在促进土壤形成、土壤肥力、土壤环境保护和农林业可持续发展等方面均有着重要的作用和意义。
土壤空气
土壤空气是土壤的重要组成部分，主要成分是来自大气的氧气和氮气，以及土壤中植物根微生物呼吸产生的二氧化碳。土壤空气影响植物根系的发育、种子的萌发、植物的抗病性。
土壤水
土壤水是存在于土壤孔隙或吸附在土壤颗粒上的水，其主要来源是降雨、人工灌溉，或毛细管力吸引上升的地下水。它是农田作物与环境间进行物质交换的媒介；通过影响土壤温度和通气状况，对作物产量和品质起重要作用；土壤水与地表水、地下大气水、植物水构成自然界水分循环体系，并且是水分转换系统的中心环节。
影响土壤形成的因素
土壤的形成是一个复杂的过程，受到多种自然因素的影响。这些因素包括母质、气候、生物、地形和时间等。
母质
母质是土壤形成的物质基础和初始无机养分的最初来源，它能直接影响土壤的矿物和土壤颗粒组成，并在很大程度上支配着土壤物理、化学性质，以及土壤生产力的高低。
气候
气候会影响矿物的风化和合成、有机质的形成和积累、土壤中物质的迁移、分解和合成。
生物
植物和动物残体为土壤提供有机质，而微生物则分解有机质，促进土壤吸收。
地形
地形可以使物质在地表进行再分配，使土壤及母质在接受光、热、水等条件方面发生差异。
时间
时间影响土壤的发育程度，母质、气候、生物和地形等对成土过程的作用随着时间延续而加强。
肥沃土壤的结构特点
肥沃的土壤通常具有良好的团粒结构。团粒结构是世界公认的最佳土壤结构，因为团粒结构有着最佳的水、气、热、肥等因素的协调能力。团粒结构最理想的粒径在0.5-10毫米之间，大小孔隙均匀，结构稳定。
团粒结构示意图
团粒结构具有以下特点：
水分和空气的协调能力：团粒结构能够贮存水分，同时保持良好的透气性，解决了水分和空气的矛盾。
养分的协调能力：团粒结构既能够贮存养分，又能够或快速或长效地释放养分，可以很好地协调土壤养分的消耗和积累之间的矛盾。
土温的稳定性：团粒结构内部水分保持得好，干湿度变化稳定，使得土壤的温度变化较小。
酸碱平衡能力：团粒结构中包含一定量的有机弱酸，它们可以起到对酸碱度的良好平衡。
不同类型的土壤
土壤类型因地理位置、气候条件等因素而异。以下是几种典型的土壤类型：
黑土
黑土是温带半湿润气候、草原化草甸植被下发育的土壤，目前我国土壤分类系统，将黑土列入半水成土纲中。我国黑土分布在吉林省和黑龙江省中东部广大平原上。美国黑土分布在中部偏北的湿草原带，故称湿草原土。
黑土是由强烈的腐殖质累积和滞水潴积过程形成，是一种特殊的草甸化过程。自然状态下，黑土腐殖质层可厚达1米，养分含量丰富，肥力水平高。黑土开垦后，腐殖质含量下降，因母质粘重，土壤侵蚀明显，这是黑土利用中需引起注意的问题。黑土是我国最肥沃的土壤之一，黑土分布区是重要的粮食基地。适种性广，尤适大豆、玉米、谷子、小麦等生长。
紫色土
紫色土是由紫色砂岩和页岩风化物发育形成，在四川地区分布较多，富含钙、磷、钾等营养元素，其土色的决定因子主要为其中含有的结晶性氧化铁和锰化合物。
水稻土
水稻土是一种人工土，是红壤被长期耕种、培植而成的，主要分布在秦岭—淮河以南地区。它是在人类生产活动中形成的一种特殊土壤，对我们的生产生活来说十分重要。
水稻土形成过程示意图
水稻土是指在长期淹水种稻条件下，受到人为活动和自然成土因素的双重作用，而产生水耕熟化和氧化与还原交替，以及物质的淋溶、淀积，形成特有剖面特征的土壤。这种土壤由于长期处于水淹的缺氧状态，土壤中的氧化铁被还原成易溶于水的氧化亚铁，并随水在土壤中移动，当土壤排水后或受稻根的影响（水稻有通气组织为根部提供氧气），氧化亚铁又被氧化成氧化铁沉淀，形成锈斑、锈线，土壤下层较为粘重。
火山灰土
火山灰土为在第四纪火山活动区由火山灰母质形成的各种土壤。分布在世界各地近代火山活动较频繁的地区，在中国的分布面积很小。有些发育程度较深的火山灰土剖面出现明显分化，肥力较高。这种土壤的特点是土壤质地较粗，孔隙度高，受侵蚀危害较大，并含有大量火山起源矿物。
土壤有机碳
土壤有机碳是指各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质。包括土壤中各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质。
地球上的碳元素分布于海洋、地质化石、土壤、植被、大气等各库中。其中，土壤有机碳库是全球陆地表层系统中最大的碳库，约是大气碳库的2倍、陆地植被碳库的2～3倍。土壤有机碳库很小的变动，有可能会对大气CO2浓度及碳平衡产生重要影响，因此在调控地球表层生态系统的碳平衡和减缓温室气体方面具有重要的作用。
土壤有机碳的分解与气候因子的关系，尤其对温度、降水的敏感性是学术界关注的焦点问题。在气候变化和人类活动等条件的综合影响下, 将导致土壤有机碳蓄积量及动态平衡的变化，从而导致土壤有机碳库既可能成为碳汇也可能成为碳源，由此反过来对全球变化产生影响。
土壤有机碳一般主要是指有机残体经微生物作用形成的一类特殊的、复杂的、性质比较稳定的高分子有机化合物。（腐殖质）有机碳本身就是养分的储藏库，同时深刻地影响土壤的物理、化学和生物学性质。假设某一土壤表土有机质含量4%，有机质氮含量5%，一季作物中有机质分解率2%，则土壤有机质供应之氮可达80kg/公顷，此供应量几乎可满足大部分作物之需求量，据估算，1%的土壤有机碳相当于含有18公斤养分/亩。
同时有研究表明，土壤有机碳从2%降低到1.5%，土壤的保肥能力将下降14%。此外，土壤有机碳深刻影响水分的存储。一英亩大、一英寸厚、含2%有机碳的土壤储水量可达12.1万升，含量5%和8%的土壤分别可储水30.3万和48.5万升。研究表明，土壤有机碳从1%升到3%，土壤的保水能力增加6倍。
土壤有机碳对保水能力的影响
最主要的是，土壤有机碳是土壤中各种大大小小生物的碳源和能源。丰富的有机碳下，土壤可以形成稳定的大量的有机无机复合体，具有良好的土壤结构，不仅抗土壤侵蚀，也为根系提供理想的水分和空气条件。
土壤有机碳的来源与转化
土壤有机碳的来源主要包括微生物、动物来源、植物来源、人为施入的有机碳等。自然土壤中，地面植被残落物和根系是土壤有机碳的主要来源。不同自然植被下进入土壤的植物残体量变异很大：热带雨林下仅凋落物干物质量即达16700Kg/公顷年；荒漠植物群落的凋落物干物质量仅为530Kg/公顷年。
土壤有机碳的转化过程主要包括微生物对含氮、磷、硫有机物的转化。这些转化过程对土壤肥力和生态环境具有重要影响。
土壤有机碳的影响因素
土壤有机碳的含量和分布受到多种因素的影响，包括地形、海拔等。例如，地形平坦有利于有机质的积累，而地形坡度大则会导致有机质的流失。海拔梯度的改变会影响土壤理化性质（温度、土壤水分）、土壤中动植物、土壤酶、微生物等因子，从而使土壤有机碳含量、有机碳矿化速率及其组分差异发生相应的规律性应答，并进一步反馈于土壤有机碳库改变。
海拔对土壤有机碳库的影响概念图
总结
土壤是地球表面的重要组成部分，其组成、结构、形成因素以及肥沃土壤的特点等知识对于理解地球生态系统具有重要意义。通过了解土壤有机碳的相关知识，我们可以更好地认识土壤在生态环境中的重要作用，为保护和改善土壤质量提供科学依据。