Tuesday, August 24, 2010

土壤www.tool-tool.com

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土壤是維持人類生命最重要的資源之一。陸地上大部分食物和使用的能源直接或間接來自於植物,而植物生長在土壤上,藉轉化太陽能而得來;生物界產生的大量廢物,藉土壤之淨化和轉變而得以再循環。若是地球上沒有這一層薄薄的土壤,後果一定不堪設想。

土壤既是如此重要,那麼人類應對土壤瞭如指掌才是,事實上卻非如此。我們對土壤探究的努力遠不如它應得的注意。由於土壤本身錯綜複雜的性質和太少的研究,我們可以說,人類對土壤的利用還停留在頗為原始的階段。在講究食物、能源,和環境問題的今天,忽視土壤科學的研究,豈不是一件奇怪的事嗎?土壤科學實在是一個極待開發的領域。

土壤究竟是什麼

土壤決不是一個摻雜各種物質,毫無頭緒可循的物體。一直到一百年前,土壤學開山鼻祖杜克契夫(Dokuchaev, 1846-1903年)確定了這個認識之後,土壤學的進展才開始突飛猛進。雖然用科學的術語替土壤下個定義,是件麻煩的事,不過我們可以把土壤定義為:「地球表面的一層受過風化,隨母岩、地形、氣候、生物,以及時間等因子之影響而變化的自然體。」

土壤學家所認為的土壤厚度多數不超過兩公尺。假設我們把地球看成一個大籃球,在這球上塗了一層很薄的油漆,其厚度只有 1/100公分,那麼土壤比這一層油漆還要薄上一千倍。這麼薄的一層土壤,卻要負起涵養地球上大部分生物的重任,我們不難想像土壤一定具有許多巧妙的性質。事實上的確如此,舉例來說:組成土壤的物質,其表面積很大;一克普通的土壤顆粒,約有80平方公尺的表面積。換句話說,一公頃土壤,即使只有一公尺的厚度,表面積也足足有14萬平方公里之廣,大約為台灣面積的4倍。這麼大的面積能夠保持大量的水分,以供植物及微生物使用。這一點在生態學上是有重大的意義的。

土壤的表面積不但大得驚人,更妙的是上面分布了許多電荷(通常是陰電荷),這些電荷使土壤成為良好的陽離子交換體,土壤的陽離子交換能力影響植物生理和環境。如一公頃一公尺厚的土壤,約有吸附100公噸鈣離子的交換能力。而土壤吸附的陽離子泰半為植物所需的無機養分,如銨、鉀、鈣、鎂等。若土壤沒有這些陽離子吸附的能力,一場雨就可以把植物養分全部洗走,不但植物無法生長,大量鹽類流入江河、湖泊及海洋,還會造成環境污染的問題。

土壤為什麼具有這些性質?因為土壤中有一種成分叫做土壤膠體。

土壤膠體

土壤膠體是泛指土壤中粒徑小於2微米(1微米=10-6米)的粒子。這些粒子包括有機物和無機物。有些物質是結晶性的,也有些是非結晶性的。

有機物質中主要的成分是腐植質,這是一種較穩定的土壤有機質,其產生過程是自然界的奧秘之一。一般的有機質在土壤中極不安定,很容易被微生物吸收利用,讓微生物大量繁殖。微生物大量繁殖後,有機質消耗殆盡,微生物又大量死亡。這種狀況容易使土壤微生物群發生不穩定的狀態。微生物是生態系統中很重要的一部分,因此大自然很巧妙地將易分解的有機質,經過氧化、脫水、聚合等過程,形成了大分子的腐植質。這些分子以緩慢而穩定的速率在土中分解,源源供給土壤中的微生物,而維持了穩定且健康的微生物群。腐植質本身也是一種陽離子交換體,在土壤中能保持水分、養分,維持土壤疏鬆的結構,所以好的土壤一定是有相當多腐植質的土壤。

土壤膠體的無機成分,主要是結晶性的各種矽酸鋁鹽類、石英和非結晶性的鐵鋁氧化物。其中矽酸鋁鹽類稱為黏土礦物,是一種有趣的物質,一般呈片狀結晶(雲母即是其中一種),一層矽酸鹽與一層鋁酸鹽形成類似三明治的結構。這種結構使得黏土有滑潤的特性,而且遇水可以膨脹。黏土礦物的結晶中都含有雜質,這些雜質使整個結晶的電性不平衡,而產生淨電荷。電荷大小及分布狀態影響吸附的能力、膨脹率的大小以及土壤膠體的穩定性。

土壤膠體的性質一直是土壤化學家研究的焦點,它在土壤中所佔的比重也許不到20%,可是土壤中99%的性質都由它來表現,若抽掉土壤膠體,土壤就成了一堆沒有什麼特性的物質了。

土壤的緩衝能力

如眾所週知,自然界中生物的生存條件是相當挑剔的,只要氣溫稍微變個十來度,或河水的酸鹼度(pH值)變化了兩三個單位,整個地球的生態就將改觀,許多生物也會絕滅。所幸許多自然系統都具有緩衝能力,使外界環境改變的影響降到最低的程度。

土壤便有良好的緩衝能力,許多土壤中的生物得賴以穩定地生存。土壤的緩衝能力是多方面的,有些是化學性的,有些是物理性的。比方說當大量的酸性物質進入土壤中時,土壤膠體便表現出鹼的性質,使酸中和;相反地,若有過多的鹼加入土中,則土壤膠體又能表現出酸的性質加以中和。因此土壤得以保持中性。有時土壤中的可溶性鹽類太多,有礙植物生長,土壤膠體便吸收這些鹽類(見圖一);等到土壤溶液中的鹽類不足時,土壤膠體便又將鹽類徐徐釋出(見圖二),使植物免於飢餓。

土壤在溫度方面的緩衝能力也是很有趣的。地球上大部分地方都有春、夏、秋、冬四季,因此一年之內氣溫變化頗大。但土壤的情況就不太一樣了。靠近大氣處1公分厚的表層土壤的溫度也許隨氣候變化,可是由於土壤對熱的不良導性及高熱容量,越深處變化越小。在年溫差達30°的地方,土表下50 公分處一年溫差只有4~5度,再往下去則溫差越小。事實上在土表下70~100公分處的土壤幾乎是恒溫的,若你想知道某一地區的年平均溫度,只要知道土表下70公分處的溫度便得了。

土壤的緩衝能力雖大,可是人類若不知愛惜,這緩衝能力也是有限的。如人類將大量的工業廢液、酸鹼、甚至廢熱不斷地傾入土壤中,土壤便會漸漸失去生產能力,而成為有病(污染)的土壤了。

土壤微生物

土壤內部並非一片死寂,相反的,它的生物作用極為繁盛。一般的土壤每一克當中就有1億個微生物;微生物的數量多,種類也多。這些微生物加上它們複雜的酵素系統,使土壤成為一個龐大而複雜的生化工廠,任何有機物質均能在土壤中進行分解。自然界也藉著這個機構,保持地球生態環境的乾淨。通常1公頃排水良好的土壤,一年可以淨化至少200噸的有機廢物。不過當有機廢物超過土壤的淨化能力時,土壤的生化工廠便失去淨化能力,這種情況屬於土壤污染的一種。被污染的土壤不但失去生產與淨化環境的能力,而且發出惡臭,損害人類的環境。

土壤微生物也是土壤學家致力研究的方向,其中有許多奧秘尚待進一步發掘。

土壤的化育與分類

如上所述,土壤本身是一個有化育層次的個體,有組織可循。1878年,杜克契夫發表有關土壤的第一篇文章,指出形成土壤的因子,從此奠下土壤學的基礎。

杜氏指出土壤的形成受氣候、生物、地形、母質和時間的影響,在這五個因子交互影響之下,土壤由年幼趨向成熟。成土因子不同,化育出的土壤也不同。土壤的化育過程可以由「土壤剖面」推測出來。所謂「土壤剖面」就是指土壤縱斷面的層次(見圖三)。在風化或化育的過程當中,雨水將易溶解的物質「淋洗」至下層,而乾季時蒸發的水分又把這些物質往上帶,長此以往,溶解度大的物質便逐漸往下移,形成了土壤的層次。

一般土壤的層次分成A、B、C三層。A層指被淋洗而失去某些溶質的上層,B層指增加了些從A層來的物質的中層,而C層指沒有受到影響的下層。這A、B、C三層又可按其形態和成土作用細分若干亞層。在A層的上面常有一富有機質的表層,這一表層的有無及其化學性質,對土壤化育有極大的影響,因為它會改變雨水的酸鹼度,而雨水的酸鹼度會影響土壤中許多礦物的溶解度,最後影響到土壤的性質。

土壤的剖面既有許多特徵和層次,土壤學家可據此推斷土壤的化育過程。土壤學家根據土壤的剖面特徵和其化育過程,把土壤分成了許多類,計有:溫帶針葉林的灰壤,熱帶深紅色的磚紅壤,介乎兩者之間的紅黃灰化壤(台灣有許多土壤屬這類),及草原黑鈣壤等。

研究土壤化育與分類,不但有學術上的價值,更有實用上的價值。現在先進國家已把土壤分類調查列入國家建設的基本資料,舉凡都市計畫、道路開發、農業生產改進都需要用到土壤資料,才能完全發揮功效。根據美國威斯康辛州政府的經驗,都市計畫若沒有考慮到土壤因子,其經濟效益的損失可高達63%。所以最近有許多土壤學家已積極參與都市計畫、道路工程等建設的行列。

水土保持

土壤既是人類最寶貴的資源,人類理應善加維護,可是實際上,許多國家對於土壤的被破壞和流失都採取放任的態度。以台灣為例,山坡地的面積約有96萬公頃,設若每年平均流失2公分的表土,其結果是每年損失2億6800萬公噸的土壤。這些土壤的流失已是不可彌補的損失,更糟的是它們湧入河川、水庫,使河床增高、水庫填塞,並且污染水源,改變水中生物的生態,在在都是無法估計的損害。山坡地土壤的流失,主要是因沒有計畫的開墾所致。台灣的地質和地形很容易造成大量的土壤沖蝕,若不加以小心維護,20年後台灣就沒有可用的山坡地和水庫了。

土壤科學發展的展望

開發土壤資源是土壤科學發展的主流。土壤科學發展至今不過百年歷史,有待發展之處尚多。由於土壤的複雜性質,土壤學家必須將地質、化學、物理、植物生理、統計等基礎科學的許多觀念和技巧作適當地修改或轉變,才能應用到土壤學上。同樣的,其他科學如植物生理、病理、土木工程及環境科學等,也要借助土壤學發展的觀念和技巧來解決一些問題。以下列舉幾項土壤學的新發展以為本文的結尾:

1.廢物在土壤中再循環的方法:

由於污染問題日益嚴重,把廢物丟棄的觀念已經行不通。因為丟不勝丟,也無處可丟,就想到最原始的辦法,把廢物經土壤的轉化而達再循環的目的。如前所述,土壤的淨化力很大,分布又普遍,這種方式是遲早要進行的。至於如何進行才不致破壞土壤原來的平衡,以及如何才能使人類的廢物再轉換成資源,都是正在尋求答案的問題。

2.開礦後恢復土地生產力的方法:

挖礦往往會破壞土壤的生產力,不久石油耗盡時,人類將被迫大量開採煤礦,土壤學家於是面臨了大批土壤被煤礦污染的問題。美、蘇、德等國都有大量的露天煤礦,這些礦地開採後,留下一片醜陋而被污染的廢土。土壤學家的任務是設法恢復廢土的生產力,改良它們的物理或化學性質,使之適合植物生長。

3.建立最適施肥系統:

據估計,人類所施的氮肥只有1/3被植物吸收,其餘的都流失在自然界裡。這種情形不但是浪費,而且流失的氮素可能使某些生物大量繁殖而造成環境污染。土壤學家必須利用數學模式和電腦作業,詳細了解養分在土壤中貯存、轉化或移動的情況,以便精確地控制施肥的用量和方法,兼顧作物最佳產量而不浪費肥料、不污染環境。

4.土壤資訊網的建立:

土壤資料的有效利用,首賴各種土壤的分類系統劃一。運用現代資訊處理的辦法,把各種資料存在電腦,隨時取出應用,則對土壤資源的使用,才會達到合理的地步。

土壤科學是一門有用且待發展的學問,我們不但需要更多的學生加入此一行列,也需要其他科學的專家的合作,以共同開發這個人類最基本的資源——土壤。

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