導(dǎo) 讀
土壤，這層地球的皮膚是維系地球生命的保障，保護(hù)這薄薄的“皮膚”就是保護(hù)我們自己。
文/張甘霖、楊順華（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所）
來(lái)源：本文原載于《科學(xué)世界》數(shù)字刊（2016年第12期土壤專(zhuān)輯），轉(zhuǎn)載自楊順華科學(xué)網(wǎng)博客
電影《火星救援》中，主人公馬克·沃特尼在執(zhí)行任務(wù)時(shí)被誤認(rèn)為無(wú)法生還而被遺留火星，成了太空魯濱遜。幸運(yùn)的是，馬克是植物學(xué)家，他懂得土壤之于植物的意義，火星土壤成了他在火星生存下來(lái)的救星。
不用去探討太多馬克在火星種土豆的真實(shí)可能性，畢竟那是科幻。也許，只有到了火星那樣的環(huán)境，才能更切身體會(huì)土壤的重要性。在很多人看來(lái)，土壤無(wú)非就是我們常說(shuō)的泥土或者塵埃，它是大自然里一種理所當(dāng)然的存在，甚至是一文不值的“糞土”。在中文語(yǔ)境中“土”是廉價(jià)和落后的代名詞，所以形容奢侈是“揮金如土”，形容落后是“土得掉渣”；在西方也是如此，soil就是dirt的同義詞。不過(guò)，與此同時(shí)，土壤也是我們稱(chēng)贊的對(duì)象，“萬(wàn)物土中生”一語(yǔ)道破土之重要，古今中外也有無(wú)數(shù)詩(shī)人墨客毫不吝嗇地歌頌“大地母親”。
事實(shí)上，土壤就像空氣、水和陽(yáng)光一樣，在維系人類(lèi)生存方面起著不可替代的作用?！鞍俟炔菽钧惡跬痢保ā兑住るx》），除了提供食物之外，土壤還有許許多多的功能。土壤可以緩沖污染物，保護(hù)環(huán)境；可以將產(chǎn)生溫室氣體的碳固存在土壤之中，成為“碳庫(kù)”；可以作為建筑物的支撐材料；也可以作為蚯蚓等土壤動(dòng)物以及微生物的安身之所，是陸地表層系統(tǒng)中最大的生物多樣性保存場(chǎng)所和基因庫(kù)；土壤還可以提供相對(duì)穩(wěn)定的封閉環(huán)境，保存自然文化遺產(chǎn)；另外，有些土壤還是珍貴的旅游資源。離開(kāi)了土壤的哺育，人類(lèi)文明難以為繼。
“竹林七賢與榮啟期”模印拼鑲磚畫(huà)（南京博物院），意大利語(yǔ)中“磚”為T(mén)erra-cotta，意為“燒過(guò)的泥土”。
土壤之于地球，正如皮膚之于人體。毫無(wú)疑問(wèn)，皮膚是動(dòng)物的最大器官，更是抵御外來(lái)傷害的首要屏障，幾乎沒(méi)有人懷疑皮膚對(duì)于動(dòng)物生存的重要性。其實(shí)，土壤作為陳鋪在地球表面的一層松散物質(zhì)，就像皮膚一樣維持著陸地生命的存續(xù)。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)土壤學(xué)家稱(chēng)土壤為土被；根據(jù)希臘語(yǔ)中“Geo（地球）”和“Derma（皮膚）”的含義，1967年創(chuàng)刊的國(guó)際土壤學(xué)會(huì)雜志被命名為《Geoderma》，而我國(guó)早在唐代就把土壤稱(chēng)為“地皮”。 可見(jiàn)，把土壤比作地球的皮膚，是很多國(guó)家的共識(shí)。
形形色色的土壤
今年夏天，筆者的朋友圈總被彩虹刷屏，足見(jiàn)人們對(duì)彩虹的喜愛(ài)。但我們可曾想過(guò)，腳下的土壤實(shí)際上也有著不遜于彩虹的多彩顏色。
北京天安門(mén)西側(cè)的中山公園，槐柏合抱，古木虬枝，花繁葉茂，園內(nèi)有個(gè)社稷壇引得游人駐足觀望。社稷壇為明清兩代祭祀社、稷神祇的祭壇，因壇中陳鋪青、紅、白、黑、黃的五色土壤，故而又名“五色土”。據(jù)記載，明朝時(shí)，五色土自全國(guó)各地納貢而來(lái)，寓意“普天之下，莫非王土”。
那么，五色土的陳設(shè)布局又有什么講究呢？
原來(lái)，東青、南紅、西白、北黑、中黃的空間格局大體反映了我國(guó)土壤在這五個(gè)方位上的真實(shí)情況。
我國(guó)東臨大海，又是很多江河的入?？?，因此土壤長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)之下，其中的氧化鐵（Fe2O3）被還原成氧化亞鐵（FeO）而呈灰綠色，是為青土。
南方悶熱潮濕而多雨，大量易溶于水的土壤物質(zhì)受雨水沖刷而流失，最終剩下氧化鐵和氧化鋁（Al2O3），因而呈現(xiàn)紅色。
西部氣候干旱，土壤以鹽土和堿土為主，這類(lèi)土壤中富含碳酸鈣、石膏等白色礦物質(zhì)，加上可溶性鹽在土壤表層聚集，所以變成了白色。
東北地區(qū)氣候濕潤(rùn)而寒冷，黑色的腐殖質(zhì)在土壤中大量積累，且降解緩慢，長(zhǎng)年累月黑色不斷加深，因此稱(chēng)作黑土。
黃土則主要分布于我國(guó)的黃土高原，黃土顆粒細(xì)膩，適宜耕作，其所在的黃河流域是中華文明的發(fā)祥地。
就這樣，各色土壤好漢們或占山為王，或蟄伏淺灘，或寄情塞外，又或綿亙晴川，閱盡春花秋月，看遍草長(zhǎng)鶯飛，紛紛割據(jù)一方，最終形成了我們腳下這塊神奇的土地。而五色土就是我國(guó)豐富多彩的土壤空間分布格局的一個(gè)縮影。
北京中山公園社稷壇中的五色土
實(shí)際上，土壤有著“五色”之外更為豐富的顏色變化，作為表征土壤物質(zhì)組成差異的重要指標(biāo)，土壤顏色在實(shí)際中也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)意義上，人眼觀察識(shí)別土壤信息主要局限在“可見(jiàn)光”范圍。比如，土壤學(xué)者常用Munsell比色法（包括色調(diào)、明度、彩度3個(gè)參數(shù)，用數(shù)字來(lái)精確描述各種色彩）來(lái)表示土壤顏色，由于土壤顏色一定程度上反映了土壤的物質(zhì)組成，土壤學(xué)者甚至在野外調(diào)查過(guò)程中就能做出土壤物質(zhì)組成、土壤性質(zhì)及其主要特征的充分肯定的判斷。
近年來(lái)，傳感器技術(shù)的發(fā)展打開(kāi)了我們觀察土壤的“第三只眼”，讓我們得以在更寬廣的維度（如X射線、可見(jiàn)-近紅外光譜、微波等）看見(jiàn)更多的土壤信息。形態(tài)各異的土壤光譜曲線，就如同土壤獨(dú)一無(wú)二的“指紋”信息，蘊(yùn)藏了土壤屬性的多重密碼，通過(guò)光譜解譯，可以探析土壤理化性質(zhì)（顏色、質(zhì)地）、土壤肥力（有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀）、土壤礦物組成、土壤類(lèi)型等。
此外，赤鐵礦、針鐵礦和纖鐵礦等是自然界中重要的致色物質(zhì)和顏料，這些物質(zhì)忠實(shí)地記錄了土壤形成的氣候環(huán)境。利用土壤顏色作為氣候變化代用指標(biāo)來(lái)重建古氣候也成了當(dāng)前土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。
不同類(lèi)型土壤的可見(jiàn)—近紅外漫反射光譜“指紋”
自然界中，土壤不論在顏色，還是在物質(zhì)組成上都是千差萬(wàn)別的，正如“世界上沒(méi)有兩片完全相同的葉子”，世界上也沒(méi)有兩塊完全相同的土壤。那么，這些“長(zhǎng)相各異、內(nèi)在不同”的土壤到底是如何形成的呢？
土壤是如何形成的？
土壤的形成源自地殼表層巖石的風(fēng)化。風(fēng)化殼的表層就是形成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)——成土母質(zhì)。暴露在地表的成土母質(zhì)不僅仍然受風(fēng)化作用的影響，還要與周?chē)沫h(huán)境（包括大氣、水、植物）相互作用，發(fā)生一系列的物質(zhì)和能量交換，才能形成具有肥力特征的土壤。這就是土壤的形成過(guò)程，也叫成土過(guò)程。19世紀(jì)末，俄羅斯著名土壤學(xué)家B.B.道庫(kù)恰耶夫創(chuàng)立了土壤發(fā)生學(xué)說(shuō)，首次提出土壤是母質(zhì)、氣候、生物、地形和時(shí)間五大成土因素的產(chǎn)物。
20世紀(jì)40年代，美國(guó)土壤學(xué)家H. Jenny發(fā)展了道庫(kù)恰耶夫的成土因素學(xué)說(shuō)，提出了著名的土壤形成方程式：S = f (cl, o, r, p, t ???)。式中：S、cl、o、r、p、t分別指土壤、氣候、生物、地形、母質(zhì)和時(shí)間，省略號(hào)則代表尚未確定的其他次要因素。該方程以函數(shù)形式歸納和簡(jiǎn)化了各個(gè)成土因素之間復(fù)雜的相互關(guān)系，成為理解土壤形成最重要的概念模型。
玄武巖上發(fā)育的鐵鋁土景觀（廣東徐聞），土壤的“前世今生”在此清晰可見(jiàn)：基巖、風(fēng)化物和土壤層次依次排列
母質(zhì)為土壤的發(fā)生發(fā)育提供最初的物質(zhì)來(lái)源，是構(gòu)成土壤礦物質(zhì)、提供植物所需養(yǎng)分的物質(zhì)基礎(chǔ)。氣候通過(guò)溫度和降水全面影響成土過(guò)程中的物理、化學(xué)和生物作用的強(qiáng)度和方向。生物（包括植物、動(dòng)物和微生物）在自身的生命活動(dòng)中與土壤之間發(fā)生著物質(zhì)和能量交換，改變了土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，使土壤形成腐殖質(zhì)層從而具有肥力特征。地形的作用體現(xiàn)在影響其他成土因素對(duì)土壤的作用，以及利用重力對(duì)地表的物質(zhì)和能量進(jìn)行重新分配。當(dāng)然，任何因素對(duì)成土過(guò)程的影響都與時(shí)間有關(guān)，作用程度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而加強(qiáng)。
值得一提的是，巖石風(fēng)化并非成土母質(zhì)的唯一來(lái)源，無(wú)處不在的大氣降塵也可為土壤發(fā)育提供新鮮底物，甚至從根本上改變?cè)咀陨隙碌某赏聊Ｊ胶惋L(fēng)化速率，對(duì)一些老年土壤和弱風(fēng)化地區(qū)的土壤尤其如此。而在當(dāng)今我們生存的人類(lèi)世（Anthropocene），人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)和改變其他成土因素來(lái)控制土壤的發(fā)育程度及方向，對(duì)土壤發(fā)生演化起著不可忽視的作用，成為五大成土因素外最重要的影響因素。例如，水稻土就是長(zhǎng)期人為耕作活動(dòng)的結(jié)果。
水稻土：土壤形態(tài)和性質(zhì)記錄著人為作用改變土壤水分狀況和物質(zhì)循環(huán)的過(guò)程，這些過(guò)程影響土壤發(fā)育強(qiáng)度和方向
土壤形成到底有多快？
這是一個(gè)很難回答的問(wèn)題，因?yàn)椴煌h(huán)境下土壤的形成速率差異可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。已知最快的土壤形成速率出現(xiàn)在新西蘭的南阿爾卑斯山，速率為2.5毫米/年。不過(guò)，據(jù)估算地球表面土壤的平均形成速率約為0.056毫米/年。
據(jù)報(bào)道，目前我國(guó)皖南丘陵地區(qū)花崗巖上發(fā)育的土壤形成速率約為0.066毫米/年，也就是說(shuō)，形成1米厚的土壤，大概需要15000年，如果考慮土壤的侵蝕，形成的時(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)。我們常見(jiàn)的土壤，其形成一般都在萬(wàn)年以上，因而有“千年龜萬(wàn)年土”的說(shuō)法。
從土壤形成的絕對(duì)年齡，即在當(dāng)?shù)匦碌娘L(fēng)化層或新的母質(zhì)上開(kāi)始發(fā)育時(shí)起到目前所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)看，地球上最古老、絕對(duì)年齡最大的土壤可能存在于非洲和澳大利亞，那里一些出露巖石（裸露在地表上的巖石）的年齡至少可追溯至5億年前，而最年輕、絕對(duì)年齡最小的土壤一般多發(fā)育于新近沉積物之上。
依據(jù)流域元素質(zhì)量平衡法估算的不同地區(qū)土壤平均形成速率
顯然，由于成土因素的組合千差萬(wàn)別，不同地區(qū)的成土速率也表現(xiàn)得參差不齊。例如，地處熱帶地區(qū)的海南島，其玄武巖紅色風(fēng)化殼可深達(dá)30~40米，形成速度也很快，而在寒冷的青藏高原土層只有數(shù)厘米，形成過(guò)程極其緩慢。通常，基性巖母質(zhì)發(fā)育的土壤，由于含角閃石、輝石、黑云母等抗風(fēng)化力弱的深色礦物較多，比酸性巖發(fā)育的土壤（含石英、正長(zhǎng)石、白云母等抗風(fēng)化強(qiáng)的淺色礦物較多）有更快的成土速率；溫暖濕潤(rùn)的氣候、發(fā)育茂盛的植被、疏散堆積的母質(zhì)以及排水條件優(yōu)良的地形更有利于土壤的快速發(fā)育。
土壤類(lèi)型與適宜性
一般說(shuō)來(lái)，作物能否生長(zhǎng)，氣候是先決條件；而作物能否長(zhǎng)好，土壤及其管理則是關(guān)鍵。很久以前，由于人們改造自然的能力非常有限，只能選擇在水草豐茂的自然土壤上耕作。比如，在我國(guó)的黃土高原，由于土壤顆粒非常細(xì)膩，便于耕作，因此我們的祖先很多年前就來(lái)到這里繁衍生息。隨著人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們需要走出原本的“舒適區(qū)”，開(kāi)墾更多的土地來(lái)種植莊稼以滿(mǎn)足日益膨脹的糧食需求。
土壤性質(zhì)千差萬(wàn)別，反映在可利用性和生產(chǎn)能力上也有差異。正因?yàn)橥寥赖亩鄻有?，人們根?jù)“因土種植，因土施肥，因地制宜”的生產(chǎn)原則，在長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)實(shí)踐中，培育出許許多多的名特優(yōu)產(chǎn)品，也就是我們俗稱(chēng)的特產(chǎn)。這是土壤學(xué)的分支學(xué)科“土宜學(xué)”研究的范疇。
“凡草木之道，各有谷造”，早在二千多年前，我國(guó)就有關(guān)于作物的土壤適宜性，也就是土宜學(xué)的樸素探討。土壤以其特有的“土宜”特性，在不同生態(tài)條件下，生產(chǎn)了各種馳名中外的名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品：如熱帶鐵鋁土上的咖啡、可可、胡椒和腰果等；亞熱帶富鋁土上的柑桔和茶葉，特別是柑桔類(lèi)的沙田柚、南豐蜜桔、潮州椪柑，茶葉中的烏龍茶、普洱茶和龍井茶；溫帶淋溶土上的肥城桃、萊陽(yáng)梨、天津鴨梨和煙臺(tái)蘋(píng)果等；漠境干旱土上的長(zhǎng)絨棉、吐魯番葡萄、哈密瓜和庫(kù)爾勒香梨。天然藥物方面也有與土壤相聯(lián)系的特定產(chǎn)地，如黃連以川、貴為佳，枸杞以甘、寧為優(yōu)，紅花以西藏為最，三七云、貴居上。
土壤資源亟需人類(lèi)的關(guān)注與呵護(hù)
土壤資源如此寶貴，但根據(jù)聯(lián)合國(guó)2015年發(fā)布的《世界土壤資源狀況》報(bào)告，世界范圍內(nèi)土壤功能正面臨土壤侵蝕、土壤有機(jī)質(zhì)喪失、養(yǎng)分不平衡、土壤酸化、土壤污染、水澇、土壤板結(jié)、地表硬化、土壤鹽漬化和土壤生物多樣性喪失等十大威脅。其中，僅土壤侵蝕，每年就會(huì)造成250~400億噸表土流失，導(dǎo)致作物減產(chǎn)、土壤固碳能力下降、養(yǎng)分和水分明顯減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因侵蝕所造成的谷物損失可高達(dá)760萬(wàn)噸。
水土流失造成河道淤塞和耕地?fù)p失
古人云：皮之不存，毛將焉附？生產(chǎn)性土壤的進(jìn)一步流失將嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)和安全，加劇糧價(jià)波動(dòng)，有可能使數(shù)百萬(wàn)人陷入饑餓和貧窮。然而，人們?cè)谘鐾强仗剿魑粗臅r(shí)候，常常忽視了自己腳下所踏立的土壤。文藝復(fù)興巨擘達(dá)·芬奇就曾直言“我們對(duì)自己腳下土壤的了解，遠(yuǎn)不及對(duì)浩瀚的天體運(yùn)動(dòng)了解得多”。作為地球皮膚的土壤，需要人們的關(guān)注和呵護(hù)。
仰望恒河沙數(shù)的星空，有無(wú)數(shù)像火星這樣的地外星體表面也覆蓋著土壤，但目前只有地球土壤是已知唯一富含生命的。事實(shí)上，火星土壤只有400多種礦物，而地球土壤的礦物類(lèi)型多達(dá)4000多種，遠(yuǎn)比火星復(fù)雜。
土壤，這層地球的皮膚是維系地球生命的保障，保護(hù)這薄薄的“皮膚”就是保護(hù)我們自己。聯(lián)合國(guó)大會(huì)將2015年確定為“國(guó)際土壤年”，國(guó)際土壤科學(xué)聯(lián)合會(huì)自2002年起將每年的12月5日確定為“世界土壤日”，世界各地會(huì)舉行各種活動(dòng)宣傳土壤的重要性，提醒人們愛(ài)護(hù)腳下的土壤。
本文引用的數(shù)據(jù)和圖表來(lái)自國(guó)家科技部科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)“我國(guó)土系調(diào)查與《中國(guó)土系志》編制”（編號(hào)：2008FY110600，2014FY110200）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41130530，91325301，41571130051，40601040）成果。
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