土壤化育作用

土壤的形成最初始於岩石或各種沉積物的風化作用(weathering),因風化作用破壞了堅硬的岩石和礦物,變為鬆散的物質,然後再受到環境因子的影響,產生種種成土作用,進而發展出各種類型的土壤。

風化作用在地質學上原專指岩石的破壞,但當土壤學成為獨立科學後,這名詞所指的範圍才擴大,另將土壤內所進行的各種變質作用仍視為風化作用(陳尊賢,2002),根據風化作用的因素與性質,可分為:

①. 物理性風化:無化學變化的發生,即無新化合物的形成,岩石和礦物僅崩解成為碎塊,成分上和母岩無明顯差異,盛行於高海拔、高緯度與乾燥氣候區,可能由溫度變化、凍融作用、流水、冰河和風等外力的撞擊或摩擦等營力所致。

②. 化學性風化:又稱為化學分解作用,常和生物風化作用有關,兩者發生都需要水的作用參與,而且很多作用都聯合發生,其發生區域多為低緯度、濕潤、坡度平緩與生物繁盛區,主要有氧化還原作用(oxidation and reducaiton)、溶解作用(solution)、水合與脫水作用(Hydration and dehydration)、水解作用(hydrolysis)、碳酸化作用等。

③. 生物風化作用:包含生物的物理性風化,和化學性風化,前者是生物活動對岩石礦物產生的物理性破壞現象,後者為生物活動過程,如分解作用等所釋放出來的有機酸,或是植物根部呼吸作用所所產生的二氧化碳,進而形成的碳酸,這些酸性物質均對礦物風化有著重要的貢獻。

雖然風化作用亦被視為影響土壤化育的一種作用,但是實則部分的風化作用過程對土壤生成過程並無直接影響,而且某些風化作用亦會阻礙土壤的生成;因此,在土壤中或土壤剖面中所發生的現象,則可視為土壤生成階段中的化育作用,應另行獨立討論(張仲民,1981)。

由土壤化育理論來看,土壤性質變異與環境因子間具有以下的關係式(Jenny, 1941; Birkeland, 1999):

S=f(cl, o, r, p, t)

S代表土壤的性質、cl代表氣候(climate)、o代表生物(organism)、r代表地形(relief)、p代表母質(parent)、t代表時間(time)。

氣候主要是以溫度和降水兩項因子,影響了土壤中各種物理和化學反應,為主導土壤化育最重要的因素;母質則和礦物的種類有關,不同類型的礦物會釋放出不同的元素,以及風化速率;地形則影響了地表的排水狀態,進而對土壤性質產生影響;生物則是包含各種動植物活動對土壤的作用與干擾;時間因子則決定了土壤化育時間的長短,各種化育作用的時間越長,土壤越成熟,遺傳自母質的性質便會愈不明顯。

受到這些環境因子的影響,土壤內會產生各種的化育作用,這些作用主導了土壤內部性質形成與變化;大體上,若從作用的機制來分,則土壤化育作用主要可分為四大類(Buol et al., 1997; Brady and Weil, 2008)(圖3):

  1. 變質作用(transformation):包含各種物理和化學反應,如礦物風化產生次生礦物(secondary minerals)、有機物腐敗分解形成腐植質和有機酸等物質、大粒徑土壤顆粒轉變為小粒徑顆粒等。
  2. 位移作用(translocation):包含各種物質從土壤體內的水平或垂直移動,其可能是由水或是生物活動所造成的。
  3. 增添作用(addition):以固體、液體與氣體等狀態添加至土壤中,可能是來自於植物的枯枝落葉,或是風力、流水等外力沉積,抑或是由底部母岩礦物質的釋出等。
  4. 流失作用(loss):土體中各種有機或無機物質,隨著水的滲濾(percolating)或是生物擾動等現象,自內移出到土體以外的過程。

圖3:Simonson (1959) 土壤化育機制示意圖

資料來源:修改自Brady and Weil (2008)

土壤化育作用對土壤性質產生的影響,並非僅單純的使土壤朝向多層位的發展途徑(Horizonation),亦有可能使土壤層位簡化(Haploidization),前者使土壤出現各種化育層次,後者使土壤的多層位現象發生受阻或退化,或是造成化育層混攪等情況。多數的土壤化育作用均屬於多層次發展型,惟如土壤侵蝕、土壤騷動等作用,例如土壤騷動作用可能由生物活動(bio-pedoturbation)、凍融(cryturbation)、膨脹性黏粒(argilli-pedoturbation)、氣體移動(aero-pedoturbation)、土壤水移動(aqua-pedoturbation)、鹽類結晶(crystal-pedoturbation)以及地震振動(seismo-pedoturbation)等作用引發,會使得上下層位土壤混合,致使土壤層次變得不明顯。

目前,常見且主要的土壤化育作用如表3所示,這些作用有的是一般作用,指得是各類土壤中普遍均會出現的作用,另外有些作用則是各土壤在形成某些特定化育特徵或化育層(horizon)時,所經歷的作用與機制,稱之為特定化育作用。另無論是一般作用或特定化育作用,均可用Simonson(1959)的化育作用機制來說明之。

table 3