土壤並非生來就具有肥力特徵、能夠生長綠色植物。跟生物發育一樣，土壤發育也有一系列的過程，其中，母質、氣候、生物、地形、時間是土壤生成的五大關鍵成土因素。
基本介紹
- 中文名：土壤生成
- 外文名：Soil formation
- 要素：母質、氣候、生物、地形、時間
- 基本規律：地質大循環和生物小循環
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形成規律
地質大循環和生物小循環
從地球系統物質循環的觀點來看，土壤肥力的發生與發展是自然界物質的地質大循環與生物小循環相互作用的結果。地質大循環是指礦物質養分在陸地和海洋之間循環變化的過程。陸地上的岩石經風化作用產生的風化產物，通過各種外力作用的淋溶、剝蝕、搬運，最終沉積在低洼的湖泊和海洋中，並經過固結成岩作用形成各種沉積岩；經過漫長的地質年代，這些湖泊、海洋底層的沉積岩隨著地殼運動重新隆起成為陸地岩石，再次經受風化作用。這種物質循環的周期大約在106～108年。其中以岩石的風化過程和風化產物的淋溶過程與土壤形成的關係最為密切。風化過程在土壤形成中的作用主要表現為原生礦物的分解和次生粘土礦物的合成。前者使礦物分解為較簡單的組分，並產生可溶性物質，釋放出養分元素，為綠色植物的出現準備了條件；後者使風化殼中增加了活躍的新組分，從而具有一定的養分和水分的吸收保蓄能力，為土壤的形成奠定了無機物質的基礎。可見，風化過程對土壤來說，是一種物質輸入過程。淋溶過程使有效養分向土壤下層和土體以外移動，而不是集中在表層，具有促進土壤物質更新和土壤剖面發育的作用。對於土壤來說，它是一種物質轉移和輸出過程。
生物小循環又稱為養分循環，指營養元素在生物體和土壤之間循環變化的過程。植物從母質和土壤中選擇吸收所需的可溶性養分，通過光合作用合成有機體；植物被動物食用後變成動物有機體；植物、動物有機體死亡後歸還土壤，經微生物分解與合成轉化為植物可以吸收的可溶性養分和腐殖質，腐殖質經過緩慢的礦質化，也為植物提供養分。這種物質循環的周期較短，一般為1～102年。其中有機質的累積、分解和腐殖質的合成促進了植物營養元素在土壤表層的集中和積累，成為土壤肥力形成與發展的關鍵。 
從地球發展史來看，生物的出現較晚，因此，生物小循環是在地質大循環基礎上發展起來的，是疊加在地質大循環上的較小時間尺度的次級物質循環。從對於土壤形成的作用上看，地質大循環的總趨勢是陸地物質的流失，造成土壤系統養分的淋溶分散，而生物小循環的總趨勢是使流失中的物質保存和集中在地表，並不斷在土壤與生物之間循環利用。一般來說，如果風化作用和有機質的累積、分解與腐殖質合成作用較強，而淋溶作用較弱，土壤中養分保存多，肥力水平將逐漸提高；如果風化作用和有機質的累積、分解與腐殖質合成作用較弱，而淋溶作用較強，土壤中養分保存少，肥力水平將逐漸降低；當兩種作用勢均力敵時，土壤肥力的發展處於動態平衡狀態。此外，人類的各種生產活動如砍伐森林、耕墾草原、圍湖圍海造田、開採礦產、城市建設等都會對地質大循環和生物小循環產生干擾，從而影響一個地方土壤肥力的發展方向與平衡。
成土因素
土壤發生學說
1.該學說最早由俄國著名科學家В.В.道庫恰耶夫於19世紀末葉創立。主要觀點如下：
①土壤是一個獨立的自然體，是母岩、有機體、氣候、陸地年齡和地形等成土因素綜合作用的產物。
②各成土因素是同等重要的、不可相互替代的。
③成土因素的發展變化制約土壤的形成和演化。
④成土因素在地表的分布是有規律的。並用數學式П=Х(К，O，Г，Р)Т，表示土壤與成土因素之間的函式關係，式中П-土壤，К-氣候，O-生物，P-地形，T-時間。
道庫恰耶夫在多年研究俄羅斯黑鈣土的基礎上，1883年發表了他的經典著作——《俄國黑鈣土》。在這本書中他第一次闡明了土壤的地帶性分布規律，同時他指出，這是由於成土因素有地帶性分布規律的結果。雖然現在看起來，各種自然事物的地帶性規律已為眾所周知的事實。但在當時，這種觀點也是史無前例的，非常了不起的。它對以後地理科學的發展起到了巨大的推動作用。
但是由於當時的條件限制，道庫恰耶夫成土因素學說也還存在不少問題。最突出的問題有兩個：①沒有指出土壤形成過程中的主要因素。②沒有指出人類活動在成土中的特殊作用。
2.威廉斯對土壤形成因素的發展
①提出了生物發生學觀點
威廉斯認為在所有自然成土因素中，生物因素應為主導因素。因為土壤的本質特性是它具有肥力，而肥力的產生是生物在土壤中活動的結果，沒有生物活動就沒有土壤，因此他認為土壤是在以生物為主導的各種成土因素綜合作用下形成的。
②提出了土壤是人類勞動對象和勞動產物的觀點。
這一觀點的提出具有極為重要的意義，一方面土壤是人類勞動的對象，也就是說人類的農業生產活動離不開土壤，強調了土壤對人類的重要性。另一方面土壤又是人類勞動的產物，就是說人類活動也是一個重要的成土因素，特別對農業土壤來說，它是一個主導因素。
3.葉尼對土壤形成因素學說的發展
①補充了成土因素公式 他認為成土因素公式應為：s=f(d,o,r,p,t,„„) 很明顯，A.他將地形列入了公式；B.還可能有一些未知的其他成土因素。
②補充發展了土壤形成過程中生物起主導作用的學說 他認為生物作為主導因素，不是千篇一律的。在不同地區，不同類型的土壤上，往往起主導作用的因素不同。這五大自然成土因素都可以成為主導因素。相應出現五大函式式：s=f(cl,o,r,p,t„„)——氣候函式式 s=f(o,ol,r,p,t„„)——生物函式式，式中優劣因素放在右側括弧內的首位。
在葉尼成土因素公式中有其他成土因素的位置，據最近研究，蘇聯學者B.A柯夫達提出了地球深層因素，如火山、地震等對土壤形成也有重大影響。
成土因素
成土因素是相當複雜的，共有五大自然成土因素和一個人為因素，即：土壤形成因素：氣候、生物、母質、地形、時間。
1.母質因素
土壤的發生起始於母岩的風化過程，堅硬的裸露母岩在日積月累的風化作用下形成成土母質。接下來，這些成土母質在微生物和低等植物的作用下逐漸演變為原始的土壤，然後再經過草本植物和木本植物的熟化最終產生肥力，形成成熟土壤，這個過程稱之為成土過程。成土過程必須在生物因素參與下才能發生，因此，它只能發生在地球上出現生命特別是綠色植物之後，而且成土過程一經發生，便一定與風化過程同時進行，兩個過程是無法分離的。所以土壤的形成和發育過程，可以看作是以母質為基礎，與各個自然要素不斷進行物質和能量交換的過程。
2.氣候因素
氣候對於土壤形成的影響，表現為直接影響和間接影響兩個方面。直接影響指通過土壤與大氣之間經常進行的水分和熱量交換，對土壤水、熱狀況和土壤中物理、化學過程的性質與強度的影響。通常溫度每增加10℃，化學反應速度平均增加1～2倍；溫度從0℃增加到50℃，化合物的解離度增加7倍。在寒冷的氣候條件下，一年中土壤凍結達幾個月之久，微生物分解作用非常緩慢，使有機質積累起來；而在常年溫暖濕潤的氣候條件下，微生物活動旺盛，全年都能分解有機質，使有機質含量趨於減少。氣候還可以通過影響岩石風化過程以及植被類型等間接地影響土壤的形成和發育。一個顯著的例子是，從乾燥的荒漠地帶或低溫的苔原地帶到高溫多雨的熱帶雨林地帶，隨著溫度、降水、蒸發以及不同植被生產力的變化，有機殘體歸還逐漸增多，化學與生物風化逐漸增強，風化殼逐漸加厚。
3.生物因素
生物是土壤有機物質的來源和土壤形成過程中最活躍的因素。土壤的本質特徵——肥力的產生與生物的作用是密切相關的。 岩石表面在適宜的日照和濕度條件下滋生出苔薛類生物，它們依靠雨水中溶解的微量岩石礦物質得以生長，同時產生大量分泌物對岩石進行化學、生物風化；隨著苔蘚類的大量繁殖，生物與岩石之間的相互作用日益加強，岩石表面慢慢地形成了土壤；此後，一些高等植物在年幼的土壤上逐漸發展起來，形成土體的明顯分化。在生物因素中，植物起著最為重要的作用。綠色植物有選擇地吸收母質、水體和大氣中的養分元素，並通過光合作用製造有機質，然後以枯枝落葉和殘體的形式將有機養分歸還給地表。不同植被類型的養分歸還量與歸還形式的差異是導致土壤有機質含量高低的根本原因。例如，森林土壤的有機質含量一般低於草地，這是因為草類根系茂密且集中在近地表的土壤中，向下則根系的集中程度遞減，從而為土壤表層提供了大量的有機質，而樹木的根系分布很深，直接提供給土壤表層的有機質不多，主要是以落葉的形式將有機質歸還到地表。動物除以排泄物、分泌物和殘體的形式為土壤提供有機質，並通過啃食和搬運促進有機殘體的轉化外，有些動物如蚯蚓、白蟻還可通過對土體的攪動，改變土壤結構、孔隙度和土層排列等。微生物在成土過程中的主要功能是有機殘體的分解、轉化和腐殖質的合成。
4.地形因素
地形對土壤形成的影響主要是通過引起物質、能量的再分配而間接地作用於土壤的。在山區，由於溫度。降水和濕度隨著地勢升高的垂直變化，形成不同的氣候和植被帶，導致土壤的組成成分和理化性質均發生顯著的垂直地帶分化。對美國西南部山區土壤特性的考察發現，土壤有機質含量、總孔隙度和持水量均隨海拔高度的升高而增加，而pH值隨海拔高度的升高而降低。此外，坡度和坡向也可改變水、熱條件和植被狀況，從而影響土壤的發育。在陡峭的山坡上，由於重力作用和地表徑流的侵蝕力往往加速疏鬆地表物質的遷移，所以很難發育成深厚的土壤；而在平坦的地形部位，地表疏鬆物質的侵蝕速率較慢，使成土母質得以在較穩定的氣候、生物條件下逐漸發育成深厚的土壤。陽坡由於接受太陽輻射能多於陰坡，溫度狀況比陰坡好，但水分狀況比陰坡差，植被的覆蓋度一般是陽坡低於陰坡，從而導致土壤中物理、化學和生物過程的差異。
5.時間因素
在上述各種成土因素中，母質和地形是比較穩定的影響因素，氣候和生物則是比較活躍的影響因素，它們在土壤形成中的作用隨著時間的演變而不斷變化。因此，土壤是一個經歷著不斷變化的自然實體，並且它的形成過程是相當緩慢的。在酷熱、嚴寒、乾旱和洪澇等極端環境中，以及堅硬岩石上形成的殘積母質上，可能需要數千年的時間才能形成土壤發生層，例如在沙丘土中，特別是在林下，典型灰壤的發育需要1000～1500年。但在變化比較緩和的環境條件中，以及利於成土過程進行的疏鬆成土母質上，土壤剖面的發育要快得多。土壤發育時間的長短稱為土壤年齡。從土壤開始形成時起直到目前為止的年數稱為絕對年齡。例如，北半球現存的土壤大多是在第四紀冰川退卻後形成和發育的。高緯地區冰磧物上的土壤絕對年齡一般不超過一萬年，低緯未受冰川收用地區的土壤絕對年齡可能達到數十萬年至百萬年，其起源可追溯到第三紀。由土壤的發育階段和發育程度所決定的土壤年齡稱為相對年齡。在適宜的條件下，成土母質首先在生物的作用下進入幼年土壤發育階段，這一階段的特點是土體很薄，有機質在表土積累，化學-生物風化作用與淋溶作用很弱，剖面分化為A層和C層，土壤的性質在很大程度上還保留著母質的特徵。隨著B層的形成和發育，土壤進入成熟階段，這一階段有機質積累旺盛，易風化的礦物質強烈分解，在澱積層中粘粒大量積聚，土壤肥力和自然生產力均達到最高水平。經過相當長的時間以後，成熟土壤出現強烈的剖面分化，出現E層，並使A層和B層的特徵發生顯著差異，有機質累積過程減弱，礦物質分解進入最後階段，只有抗風化最強的礦物殘留在土體中，澱積層中粘粒積聚形成粘盤，土壤進入老年階段，這一階段土壤的肥力和自然生產力都明顯降低。
人類因素
在五大自然成土因素之外，人類生產活動對土壤形成的影響亦不容忽視，主要表現在通過改變成土因素作用於土壤的形成與演化。其中以改變地表生物狀況的影響最為突出，典型例子是農業生產活動，它以稻、麥、玉米、大豆等一年生草本農作物代替天然植被，這種人工栽培的植物群落結構單一，必須在大量額外的物質、能量輸入和人類精心的護理下才能獲得高產。因此，人類通過耕耘改變土壤的結構、保水性、通氣性；通過灌溉改變土壤的水分、溫度狀況；通過農作物的收穫將本應歸還土壤的部分有機質剝奪，改變土壤的養分循環狀況；再通過施用化肥和有機肥補充養分的損失，從而改變土壤的營養元素組成、數量和微生物活動等。最終將自然土壤改造成為各種耕作土壤。人類活動對土壤的積極影響是培育出一些肥沃、高產的耕作土壤，如水稻土等；同時由於違反自然成土過程的規律，人類活動也造成了土壤退化如肥力下降、水土流失、鹽漬化、沼澤化、荒漠化和土壤污染等消極影響。
土壤是在上述幾大成土因素共同作用下形成的。各因素相互影響，相互制約，共同作用形成不同類型。
主要過程
土壤形成的一般規律適用於各種土壤，然而，由於地球表面成土條件的多種多樣，不同土壤類型的形成又有其特殊的成土過程，現結合我國的具體情況，選擇幾種主要的成土過程予以介紹。
原始土壤形成過程 是從裸露岩石表面及其風化物上低等植物著生到高等植物定居之前形成土壤的過程。包括著生藍藻、綠藻、甲藻、硅藻等岩生微生物的“岩漆”階段，地衣階段和苔蘚階段。在這三個階段的發展中，細土和有機質不斷增多，為高等植物的生長準備了肥沃的基質。這一成土過程主要發生在高山區。
鹽漬化形成過程 由地表季節性的積鹽和脫鹽兩個方向相反的過程構成，主要發生在乾旱、半乾旱地區和濱海地區，可分為鹽化和鹼化兩種過程。鹽化過程指地表水、地下水和母質中的易溶性鹽分，在強烈的蒸發作用下，通過土體中毛管水的垂直和水平移動，逐漸向地表積聚的過程；鹼化過程是交換性鈉不斷進入土壤膠體的過程，其前提是土壤溶液中鈉離子的濃度較高，它使土壤呈強鹼性反應，並形成鹼化層。
鈣積過程 是乾旱、半乾旱地區土壤碳酸鹽發生移動和積累的過程。在季節性淋溶條件下，降水將易溶性鹽類從土體中淋失，而鈣、鎂只部分淋失，部分仍殘留在土壤中。因此，土壤膠體表面和土壤溶液中被鈣或鎂所飽和，在雨季向下移動的鈣澱積在剖面的中部或下部，形成鈣積層。
粘化過程 是土壤剖面中粘粒形成和積累的過程，主要發生在溫暖、濕潤的暖溫帶和北亞熱帶氣候條件下。由於那裡化學風化作用盛行，使原生礦物強烈分解，次生粘土礦物大量形成，表層的粘土礦物向下淋溶和澱積，形成澱積粘化土層。
白漿化過程 是在季節性還原淋溶條件下，粘粒與鐵、錳淋溶澱積的過程，主要發生在冷濕的氣候條件下。在地下水季節性浸潤的土壤表層，鐵、錳與粘粒隨水流失或向下移動，在腐殖質層（或耕層）下形成粉砂量高，而鐵、錳貧乏的白色淋溶層；在剖面中、下部則形成鐵、錳和粘粒富集的澱積層。
富鋁化過程 是土體中脫矽、富鋁鐵的過程。在熱帶、亞熱帶高溫多雨的氣候條件下，風化產物和土體中的矽酸鹽類礦物被強烈水解，釋放出鹽基物質，產生弱鹼性條件，可溶性鹽類、鹼金屬（周期表第Ⅰ族的主族元素，如鈉、鉀，它們的氫氧化物易溶於水，呈強鹼性）和鹼土金屬（周期表第Ⅱ族的主族元素，如鎂、鈣，它們的氧化物都呈鹼性）鹽基及矽酸大量流失，而鐵、鋁等元素卻在鹼性溶液中沉澱，形成土體中鐵、鋁氧化物的富集，使土體呈紅色。
有機質積累過程 是在木本或草本植被覆蓋下，土體上部進行的有機質積累過程。它是自然土壤形成中最為普遍的一個成土過程。根據地表植被類型的不同，包括漠土有機質積累過程、草原土有機質積累過程、草甸土有機質積累過程、林下有機質積累過程、高寒草甸有機質積累過程和濕生植被的泥炭積累過程等。
潛育化過程 是土體中發生的還原過程。在長期漬水的條件下，空氣缺乏。有機質在嫌氣分解過程中產生還原物質，高價鐵、錳轉化為亞鐵和亞錳，形成一個藍灰色或青灰色的還原層次，稱為潛育層。
灰化過程 是土體表層SiO2殘留，Al2O3和Fe2O3淋溶、澱積的過程。在寒帶或寒溫帶針葉林植被下，由於凋落物富含單寧和樹脂類物質，在真菌作用下生成有機酸，它使原生礦物和次生礦物強烈分解。伴隨著有機酸溶液的下滲，土體上部的鹼金屬和鹼土金屬淋失，難溶的Al2O3和Fe2O3也從表層下移，澱積於下部，只有極耐酸的SiO2殘留在土體上部，形成一個強酸性的灰白色淋溶層，稱為灰化層。
土壤熟化過程 是在耕作條件下，通過耕耘、培肥和改良，促進水、肥、氣、熱諸因素不斷諧調，使土壤向有利於作物高產方面轉化的過程。通常把種植旱作條件下的定向培肥土壤過程稱為旱耕熟化過程；把淹水耕作，在氧化還原交替條件下的定向培肥土壤過程稱為水耕熟化過程。
