人为因素

人为土壤形成过程及其在现代土壤学上的意义 龚子同，张甘霖 中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008 摘要：随着工业的发展、人口的增加和耕地的减少，特别是工业革命以来，人为作用对土壤形成的影响越来越大。在此过程中，人们培育了人为土，也出现了土壤退化。人为作用重要性的确认扩大了土壤学的视野，土壤不仅是独立的“历史自然体”，人为土还是劳动的产物；土壤不仅是“植物养料的储藏库”，还应是污染物的缓冲带的过滤器。因此，建议用“六大成土因素”代替五大成土因素；用“人地圈”或“智慧土壤圈”来充实“土壤圈”。 关键词：人为作用；成土因素；人地圈 中图分类号：S155      文献标识码：A        文章编号：1672-2175（2003）02-0184-08 V. V道库恰耶夫在其1883年出版的“俄罗斯黑钙土”一书中，首次正式提出土壤形成五大因素（气候、地形、母质、生物和年龄）学说，这是土壤学历史上的重大成就，早已为广大土壤学家所熟知；至于人为活动对土壤的影响，那时尚没有受到应有的重视。而近一个世纪以来人为活动对土壤的影响则越来越受到人们的关注。例如，上世纪30年代中国土壤学家提出了水稻土是人为作用的产物[1]，国外一些土壤学家[2，3]很重视人为作用并称之为土壤变质发生作用（Metapedogenesis）。同时，人为土的分类也逐渐得到中外学者的承认[4~15]，讨论人为作用的国际会议也接连不断地在世界各地进行，第15届（1994年）、16届（1998）和17届（2002）国际土壤学大会上均有人为作用对土壤影响的专题讨论。看来，随着工业的发展、人口的增加和耕地的减少，人为作用对土壤的影响也越来越深刻，因而如不加强“人为作用”的研究，就很难解释土壤中发生的过程和变化，从而对我们日常面对的土壤陌生起来。本文拟就人为作用的强度、作用方式、土壤变化、土壤演变及其在当代土壤学上的意义等方面作一些探讨，希望有助于加深对“人为作用”在成土过程中的重要意义的认识。 1  人为作用强度 在自然条件下，如V. V. 道库恰耶夫指出的那样，土壤在五大成土因素的作用下，朝着一定的方向发展。自从人类活动介入之后，其发展过程的方向在不同程度上发生了变化。原始人在距今一百万年就出现了，原始人的出现并没有打乱土壤、植物与动物的自然进程。大约在公元前9000~7000年的新石器时期，人类开始从事畜牧业和种植业，但它们对土壤的影响仍是微不足道的。到了青铜器和铁器时代，由于人口的增加和劳动工具的改进，这些农业活动开始对土壤产生影响，此后其影响逐渐加强。而真正对土壤产生巨大影响的是在18世纪工业革命以后，伴随着生产力的发展，人类对土壤影响的能力也越来越大。同时，全球人口从1800年的10亿人激增至目前的60亿，人类对土壤作用的强度与人口成正比，与耕地面积成反比，即人均耕地越少，其影响强度越大。但不同生产水平条件下，同样的人口与耕地，其影响强度也有差异。农业生产水平取决于耕作、施肥、灌溉与种植 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 等，但最终必然反映在单位面积产量上。因此，我们[16]取人口与耕地之比×单位面积产量作为人为作用强度指标。这里以中国800年来的情况为例来说明。 ξi=Pi/Pmax 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示人为作用的相对强度。从此式可见，12世纪时，人为作用的强度很小，其后强度日益增加，整个趋势呈指数增长，其间虽因战乱而有起伏，但近百年来的变化特别明显（图1）。近百年来，我国人口增加2倍，随着肥料用量增加，灌溉面积扩大，单产由50年前的1.00 t/hm2增至目前的4.5 t/hm2。在此过程中培育了良田，也出现了一些土壤退化。 人类活动每年引起的地球表面物质运移数量约等于自然状态下每年从江河流域中搬运泥沙的17倍。中国具有世界最强烈的人类活动规模和强度，全世界每年搬运岩石和土壤的数量为1360亿t，其中中国381.7亿t，占全世界的28.1％。 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 人为作用相对强度 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000年 从世界范围内的总体评价来看，中国的人类活动强度要比世界平均范围高出3.0~3.5倍[17]。 2  人为作用方式 人为作用相对强度（ξi） ξi= Pi /Pmax；Pi =人口与耕地之比×单位面积粮食产量 Pmax代表统计年代内最大人为作用强度 图1  人为作用相对强度的历史变化 人为作用的方式多种多样，除了直接作用外，还有间接作用，即主要是通过影响和改变五大成土因素而对土壤发生作用[2]。对母质来说，人为作用主要是改变土壤物质的性质，如通过施用矿质肥料、草木灰、石灰、矿渣（如粉煤灰）、污灌、淤灌、洗盐等措施来实现。对地形而言，人为作用主要是修筑梯田，平整土地，人工堆积和围湖（河）造田等措施来进行。对气候而言，其影响是多方面的，如灌溉、排水和人工降雨等改变土壤水分状况。工业释放温室气体，对土壤的高强度利用加速了土壤释放CO2和CH4以及反硝化作用产生N2O，熏土以及用电、用气使土壤增热，改变土壤颜色，改变反射率。在生物方面，人为增加或减少动植物的种类和数量，施用经微生物作用过的有机肥料，施用细菌肥料、土壤消毒剂等，轮作休闲和松土创造这些生物活动的条件。至于人为作用对时间成土因素的间接影响，主要是在以种种人为因素造成土壤侵蚀后底土露裸使土壤更新，排水开垦使水下土壤成为水上土壤，矿山开发与复垦使成土时间发生变化等。这些措施在不同历史时期是不同的，其作用有积极的，也有消极，可归纳于表1。 3  土壤的变化 3.1  土壤组成变化 人为作用引发土壤组成的变化，包括脱盐和返盐，脱钙与复钙，脱盐基与复盐基，磷的积累，有机C的变化以及土壤污染等。 表1  人为活动对五大成土因素的影响 史前时期 农业文明时期 工业革命以来 改 变 成 土 物 质 组 成 刀耕火种 施用有机肥料 施用矿质肥料 森林砍伐 施用草木灰 施用农药   施用石灰 施用垃圾   施用泥肥 重金属污染   客土 放射物质的扩散   引洪灌溉 酸沉降   冼盐与反盐 沙尘暴     难分解的塑料制品的侵入 影 响 地 表 形 态 开垦土地 平整土地 矿山开发   修筑梯田 土地复垦   人工堆积 道路开拓   湿地填高 城市建设     水利 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 兴建     发展旅游 改 变 土 壤 水 热 气 状 况 桥土 灌溉 人工降雨 浇土 排水 人工用电、用气加热 熏土 “石田”法 施用人工增温剂   “区田”法 CO2施肥   烤田 工业释放温室气体   覆盖 设施农业建立人工气候 改 变 生 物 活 动 休闲 人工植被代替天然植被 施用细菌肥料   施用经微生物作用的有机肥料 土壤消毒   通过耕作为生物繁衍创造条件 人工放养蚯蚓及其他生物 延 缓 或 缩 短 成 土 时间 土壤侵蚀心土出露 排水垦殖使水下土壤成为水上土壤       3.1.1  返盐 据报道[18]，世界上盐土面积达9.5438亿hm2，我国各类盐土总计9913万hm2。经过排水洗盐可排除土壤中的盐分，因灌溉不当可能引起次生盐渍化。我国黄淮海平原60年代由于重灌轻排，使盐土面积增加52％，而目前由于灌溉和耕作得当，土壤次生盐渍化已基本消失。 深度/cm CaCO3质量分数/% 岩性均腐土            钙质湿润雏形土        钙质湿润富铁土        强复钙水耕人为土 （黑色石灰土）          （棕色石灰土）        （红色石灰土）        （强度石灰化水稻土） （龙津4号）              （桂1号）            （桂2号）              （桂3号） 图2  复石灰水耕水为土及其起源土壤剖面中CaCO3变化 3.1.2  复钙 在灌溉的条件下，土壤中CaCO3不断淋失；在地处亚热带的中国两广地区，在自然条件下，石灰从土壤中淋失，而在长期施用石灰和引用溶洞水灌溉的条件下，1 m土层中石灰积聚量可达240~1260 t/hm2，经14C断代讨论校正，此种土壤的形成已有大约360~600年的历史[19](图2)。 3.1.3  复盐基 灌溉会促进脱盐基作用，而在酸性土壤上由人为耕作和施肥，不仅可以中和土壤酸性，也会发生土壤的复盐基过程。我国大约有20％的酸性土壤，如富铁土、铁铝土等，其盐基饱度（质量分数）一般<20％，开垦后，特别是种稻以后，由于施用石灰或草木灰，其盐基饱和度增加，甚至成为与原来土壤很不相同的盐基饱和的土壤（图3）。 3.1.4  土壤中磷的积累 我国到1992年已累计施入土壤化肥磷（P）3.4×107 t，约有1500×107 t积累在土壤中[21]，在城郊疏菜栽培土壤中，磷的积累尤为明显。据全国上百个剖面统计，此种土壤的肥熟表层，比母土有效磷（NaHCO3提取）和全磷，分别高16~26倍和4~6倍。从图4可见，不论是NaHCO3提取磷或柠檬酸提取磷都随着种菜年限的增加而增加，这不论在现代城郊，还是在古居民点附近都有类似的情况。 3.1.5  土壤有机C含量变化 土壤碳库大约为大气碳库的2倍，二次世界大以来50年间温带土有机C质量下降了20%~40％，而一些人为土有机C反有所积累。如欧洲所称的Plaggen soil包括棕色的和黑色的厚熟土，其表土是由于施用厩肥后，有机C渐增而成的。 美国土壤学家称此层为厚熟表层[23]，厚度≥50 cm，有机碳含量从1.5%~4.0％，润态亮度1~4，彩度为2或更小；此层内有砖头，陶器碎片等人工侵入体；由于厩肥带入的矿物质可使此层厚度达1 m以上，并明显高于相邻土壤。 H. Staring[24]在《荷兰土壤》中指出，此种土壤每3年施用80马车的土杂肥（Plaggen manure），腐解后留下40 m3的黑色土壤，土面因此抬高4 mm，据此估计，地面抬1 m约需750 a。 3.1.6  土壤污染 固体废弃物、农药和化肥等的污染，主要是重金属，如Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、Cr（Ⅵ）等，其中我国污染面积已达62.9万hm2，不仅改变了原有土壤的性质，且使一些元素和化合物的含量超过临界值，对植物生长造成危害；在一些特殊情况下，放射性物质的扩散，污染了土壤，也污染了环境。 3.2  土壤水分状况的变化 表2  灌溉水折算成降水后各地区的湿润程度[25] 剖面代号 采样地点 自然降水 P/mm 自然蒸发 E/mm 自然干燥度* /(E/P) 灌溉水量 /(m3hm-2) 灌溉水折算成降水 P′/mm 灌溉后干燥度* [E/(P+P′ )] X-1 新疆阜康 184 1739 6.14 9800 980.0 0.97 X-2 新疆策勤 36 2588 46.73 20700 2070.0 0.80 X-3 新疆吐鲁番 16.4 2837.8 108.55 29575 1957.5 0.93 G-1 甘肃武威 161 2019.9 8.16 9000 900.0 1.23 L-1 宁夏永宁 201.4 1784.7 5.76 8250 825.0 1.30                 * E/P或E/(P+P′ )值均系×0.65 (经验值)而来