问题研究 如何让城市不再“看海”
【设计思路】
本章主题是植被、土壤及其与地理环境、人类活动的关系,内容的综合性、实践性都很强非常适合开展综合性活动教学,培养学生的综合思维和地理实践力。同时植被、土壤利用过程中存在的问题与学生的日常生活息息相关,是地理环境与人类活动关系的生动写照。选择这类主题开展活动教学和研究性学习,也能够较好地把人地协调观的培养落到实处。因此,教材在学生熟悉了水、土壤、大气、生物等自然地理环境要素之后,设计了一个需要综合各要素看问题的研究性学习-如何让城市不再“看海”。
近些年来,我国城市内涝问题较为严重,从南方的广州,至北方的北京,许多城市在暴雨后出现严重的内涝。我国城市暴雨内涝的原因主要有以下三个方面。其一,受季风气候影响,雨季多暴雨,且近些年随着全球变暖,极端天气频发,大暴雨、特大暴雨概率增大。其二,我国城镇化发展迅速,城市面积扩展较快,但城市下水道等排水设施标准较低,且跟不上城市化的步伐。其三,城市大面积土地表面被硬化,暴雨时绝大部分降水形成径流,且产流快而急。在上述原因中,暴雨非人力所能控,城市下水及排水设施属于工程和城市建设问题,只有最后一个方面可根据地理原理探讨解决。因此,教材设计从发挥土壤蓄水功能的角度探讨解决城市“看海”问题的方法。
教材将此问题研究主要设计为三个步骤:了解城市“看海”与土壤功能缺失的关系;查寻人们为控制城市雨洪所采取的措施或努力;探索我国大多数城市解决“看海”问题的现实困难和可能的应对措施。
第一步需要的知识背景包括水循环、土壤的蓄水功能和城市地面被硬化的原因。水循环的知识在第三章已经学习过,城市地面被硬化的原因可看作是常识,于是,教材重点给出“城市洪水与土壤蓄水功能缺失”的资料。在自然状况下,降水时,一部分降水被植被截留和下渗入土壤,剩余的降水形成地表径流。城市地表多被硬化,因而少了下渗环节,所以绝大部分降水直接转化为地表径流。
土壤蓄水量取决于土壤厚度和孔隙度。土壤越深且孔隙度越大,土壤蓄水量越大。在雨季,土壤蓄积雨水的多少还与土壤含水量有关。土壤含水量越大,可以蓄积的雨水就越少。在南方地区,雨季时经常下雨,当土壤中水含量达到饱和状态,就不能再蓄积雨水了。但是,北方地区雨季较短,降水又多以暴雨形式出现,在暴雨时土壤蓄积雨水的能力相当强。教材按理想状况说明“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,可见,正常情况下,北方地区城市如能发挥土壤的蓄水功能,一般不会出现城市“看海”的情况。教材在资料中提及北京“7·21”暴雨洪涝,是把北京作为北方地区城市的代表来研究,以此说明城市大面积土地表面被硬化,成为北方地区城市暴雨洪涝的重要原因。
充分发挥自然土壤的蓄水功能,在人地关系中只是顺应自然的做法。从人地协调观的培养而言,改造自然是必然的。城市是人类对自然干预最强烈的地方,城市土地表面被硬化是人类应对城市生产和生活而对自然实施改造的必然结果。更何况,对城市土壤层的改造不只是考虑雨洪控制,还应综合考虑城市水资源的蓄积和利用、美化城市环境、丰富城市生态系统等方面的需要。因此,教材将研究的视野扩大、深化,提供雨水花园、海绵城市等资料,引导学生实施第二步研究。
雨水花园从20世纪90年代出现后,因其对解决城市雨洪问题效果显著,很快在世界范围内得到推广、改良。雨水花园不仅充分考虑了土壤的蓄水功能对解决城市雨洪的重要意义,而且对土壤经过人工不同层次物质的有序叠置,其功能远胜于自然土壤功能。树皮覆盖层有利于雨水下渗并拦截地表杂物。种植土层维持生长绿色植物的功能。种植土层、人工填料层、砂层可对下渗雨水起过滤和净化作用。蓄积的雨水可通过导水管引出使用。雨水花园除对雨水具有下渗、净化、蓄积、利用等作用外,还具有美化环境、增加生态系统多样性、调节局地小气候等作用。雨水花园规模较小。在雨水花园的基础上,我国学者放宽视野,设想将城市建设成类似的雨水花园,于是便提出海绵城市的概念。在城市内涝严重、受灾城市较多、灾害损失较大的背景下,我国很快将海绵城市的概念转化为实践,并在全国范围内选择一些城市进行试点。从海绵城市示意图可以看出,其功能与雨水花园类似,也就是说地表以下部分按雨水花园的原理人工建设。海绵城市的建设还可以一劳永逸地解决城市地表水污染的问题,大大提升城市生态系统的功能。目前,我国在海绵城市建设中已经出现了一些比较成功的案例。
无论是雨水花园还是海绵城市,其出发点都是改变地表被硬化的方式,促使降水尽快下渗并在地表以下储蓄起来。在城市用水紧张的状况下,有效收集雨水并能加以利用,又成为雨洪控制后的另一目标。所以,需要对地表以下进行改造,通过人工叠置填充层,不仅加大地表以下的蓄水量,还可以对雨水进行过滤、净化,最终加以利用。由此,还有效解决城市水污染问题,进一步改善城市环境,推进城市生态文明建设。
然而,与雨水花园相比,海绵城市的建设工程量和投资额皆巨大。此外,对于新建城区相对容易实施,对于已建城区还需考虑对既有生活和生产的影响,难度较大。所以,海绵城市的建设试点并不是从整个城市开始,而是每个试点城市选择一些住宅小区、河流段等,逐步推进。为此,教材提出该问题研究的第三步,促使学生针对现实问题探讨应对之策。
我国不同地区,城市“看海”问题的原因有差异,解决措施也应有差异。教材在问题研究的设计中将此作为一条隐线穿插其间。这也提示学生要立足于当地情况进行该问题的研究。
【实施建议】
鉴于本章所涉内容标准均高度强调“地理实践力”的培养,因此本“问题研究”教学的核心是如何促进学生基于实地调查和实例分析对“城市内涝的形成与治理”问题进行自主、合作、探究。
问题情境
一、根据校情、学情对研究主题和内容进行二次开发
如何让城市不再“看海”只是一个话题,其本质是要学生探讨植被、土壤及其与地理环境、人类活动的关系。因此开展研究之前,教师可以围绕土壤蓄水功能这一主题,依托教材给出的基本素材,根据学校所在地区旱涝记录和学生区域知识背景等实际情况,重新设计、细化研究主题,进而对资料进行补充和改编。例如,干旱区的农村学校可研究“如何发挥土壤拦蓄功能减少旱灾”,更好地呼应教材中土壤蓄水、保水功能有利于农作物抵御适度的旱情等知识;所在城市内涝发生频率较高的学校可替换教材中北京的案例;海绵城市试点市的学校可收集本市气象气候统计资料、海绵城市规划方案等,供学生研讨时使用。
二、基于知识学习创设丰富的、贴近生活的问题情境
在学习完土壤功能之后,利用课堂时间展示本地旱涝灾害的视频、图片等资料,结合北京等城市内涝的视频报道,由近及远、由点及面再现城市内涝的场景,让学生体会我国城市内涝问题对人们的生产生活带来的严重影响。同时可适当拓展,即城市雨洪泛滥不仅引发了城市内涝,而且加剧了污染物扩散、水资源匮乏等诸多问题。
三、利用问题情境激发认知冲突,提高学生作为“研究主体”的积极性
问题研究能否有效开展的关键在于是否激发了学生的问题意识。在展示城市内涝场景之后,教师要利用冲突画面进一步深化情境,一方面呈现城市通过渠化河道、拓宽地下水道建设防洪设施;另一方面呈现城市内涝频繁发生。由此帮助学生从学习材料中产生认知矛盾和冲突,让学生自己提出问题,如“为何越来越多、越来越庞大的水利工程没有解决城市内涝问题”,并以学生自己的问题统领教材资料分析中提出的问题。
研究过程
城市“看海”本质上是人水矛盾的激化,是人类活动改变水循环自然过程的不良结果。具体地说,就是城镇化和各项“灰色”基础设施(与海绵城市、雨水花园等“绿色”基础设施相对应)建设导致植被破坏、水土流失、硬化地面增加、湿地锐减、河湖水体破碎化、地表水与地下水连通中断等问题,极大改变了下渗、径流等水循环环节,总体呈现汇流加速、径流增加、洪峰加高加快的趋势。因此,如何让城市不再“看海”是一个跨尺度、多要素的复杂问题,其治理是一个跨地域、跨部门、跨学科的系统工程,涉及规划、建筑、排水、水利、道路、园林、土壤、水文等多个专业。让高一学生研究如此宏大课题需要为其提供一个小的切入点、一条清晰的线索和一组恰当的资料。
研究前可把城市土壤蓄水功能的丧失作为课题研究的切入点,先请学生注意教材在资料1中给出的“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,这与2012年7月21日北京发生严重暴雨洪涝灾害时全市“平均降水量170毫米”形成了鲜明对比,也就是说,如果土壤能够充分发挥蓄水功能,暴雨与排水之间的矛盾可能不会激化,如此严重的城市内涝就可能不发生。进而很自然地引导学生去探寻问题的症结,并提出解决方案。这是该问题研究的基本线索。
指导学生研究时,教师要提醒学生遵循上述基本线索,充分利用教材中的资料,结合实地调查、实验,小步子、分层次地对城市内涝的形成原因和解决方案进行论证。
研究后期的研讨可以围绕每个资料后的问题展开,这些问题实际上是对总问题的细分。探讨问题时要深入分析、充分运用甚至质疑给定的资料,例如,“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”能在短时间内完成吗?对所列的问题可进一步细化、拓展,例如,海绵城市中哪些设施能够充分发挥土壤的蓄水功能?分析解决方案的可行性,例如,雨水花园、海绵城市能否彻底让城市不再“看海”?
同时,教师要遵循研究思路,针对细分问题带领学生收集补充资料,引导学生对于案例城市(如北京)洪涝产生的地理背景和问题症结全面、深入地了解,并能够根据这些资料分析雨水花园、海绵城市实施前可能遇到的各种障碍和实施后产生的积极影响,从而培养学生发散思维的能力和运用地理视角分析现实地理问题的能力。具体研究过程可划分为以下五个阶段。
第一,进入问题情境。学生对城市内涝的现状有深切的感受和了解,对其危害有初步的认识,形成积极开展研究的兴趣和意向,并初步调用本章知识对其形成原因和治理措施有大致判断。
第二,明确研究思路。学生根据问题情境提出问题,结合教材提出的问题,对如何不再让城市“看海”进行问题细分,并根据自己兴趣选择具体问题,形成研究小组,制定研究方案,例如,如何测算学校或小区的硬化地面比例,如何实验模拟硬化路面、绿地对雨水拦蓄效果,如何查询所在城市河道暴雨前后的径流变化,等等。
第三,实践深化认识。学生能够从所在地区城市雨洪管理实际情况出发,按照教材资料分析的提示,进行实地调查、实验模拟,对硬化地面的不良影响、城市绿地和湿地的生态功能等有感性认识,同时收集、分析资料,结合具体案例深化对雨水花园、海绵城市的认识。
第四,分析解决问题。学生能够运用水循环、植被与环境的关系、土壤功能等知识,遵循教材建议的研究思路,充分运用实地调查和资料收集获取的信息和证据,结合实例对我国城市内涝的基本成因、现实困扰和应对措施进行分析、论证。
第五,交流展示成果。学生能够运用科学的语言、准确的图像、正确的逻辑关系表达个人或小组论证的结果,对他人的研究成果进行点评,对自己的研究过程进行反思,对如何充分发挥植被、土壤的拦蓄功能让城市不再“看海”,达成开放而有方向性的共识。
五个阶段中,第一阶段需要教师对问题本身有深入的研究,并进行情境设计与问题引导。第二阶段需要教师具体指导制定研究方案。第三阶段需要教师帮助学生联系支持单位,指导学生有针对性地收集、整理资料,并运用过程性评价来调控学生的分工合作以及实践过程。第四阶段需要教师引导学生根据教材“知识拓展”的思路和“资料分析”的提示,对所列问题深入探讨。第五阶段需要教师有宽容与欣赏的评价态度,激发学生畅所欲言,形成思维碰撞和交流。
知识拓展
资料1 城市洪水与土壤蓄水功能缺失
知识拓展的基础是知识巩固。因此,在分析本资料前,要引导学生复习“土壤蓄水功能”,引导学生迁移和应用该部分知识,探讨改变城市下垫面对土壤蓄水功能的影响,即硬化地面的弊端。这样不仅有利于学生灵活地掌握和应用正文知识,而且还可以让学生在问题研究过程中将正文知识和拓展延伸出来的知识糅合到一起,形成合理的知识结构。
知识拓展要注重学生发散思维的培养。因此,在引导学生运用该资料时要提醒学生注意:城市洪水的成因有很多,如短时间异常强降水、湖泊湿地面积锐减、排水设施滞后等,地面硬化只是其中之一。地面硬化的不良影响也有很多,如加剧热岛效应、增加悬浮颗粒物、加剧水污染、浪费水资源等,可能导致城市内涝也只是其中之一。不能将两者简单因果对应起来。教材第一段即指出:如何发挥土壤蓄水功能,是解决城市“看海”问题的重要方面之一。
分析城市内涝与地面硬化的关系可通过水循环过程将两者关联起来,运用对比的形式呈现自然地表和硬化地面对径流量和洪峰的影响,并结合北京“7·21”重大暴雨洪涝灾发生、发展的过程对城市土壤蓄水功能丧失的严重后果加以阐释。具体过程可指导学生分三步开展研究。
一、调查了解城市地面硬化的状况。硬化地面包括的范围较广,主要是指用水泥、柏油、花岗岩、大理石、釉面砖等不透水的材料铺设的城市道路、广场、商业街、厂区、社区活动区、停车场等地面。指导学生实地调查时,可选择学校和某个小区进行,也可通过走访当地城市建设部门查询数据。
二、实验对比硬化地面和自然地表下渗和汇流状况。可在室内进行,分别在塑料盒内用小角度倾斜的釉面砖(下压土)和相同面积、深度的天然带草土块作对比,喷洒相同水量后观测塑料盒内的积水深度及其变化过程的差异。也可在室外进行,用水泥砂浆围住面积相同的硬化地面和草地,喷洒相同水量后,观测地面积水深度及其变化过程的差异。
三、查阅资料,结合调查和实验,以北京或所在地区城市为案例,分析、讨论城市过度地面硬化如何加剧城市内涝。讨论时要注意引导学生认识到地面硬化是城市发展的必然产物,解决城市内涝问题不能简单地反对地面硬化,而是控制硬化比例,采取措施降低已硬化地面的不良影响。
资料2 雨水花园
教学时,教师可先对雨水花园给予必要解释,指出雨水花园是针对城市地面硬化弊端提出的解决方案,也是后面提出海绵城市的自然过渡。如果说海绵城市是巨大的绿色生命体,那么雨水花园就是其中的一个个细胞。解决城市不再“看海”,先要从小尺度区域和具体技术措施开始。
雨水花园又称为“生物滞留地”,是利用自然或人工形成的地势较低的洼地,通过植物、土壤和微生物系统蓄积、净化雨水的“绿色”设施。
引导学生分析该资料时可突出两点:一是雨水花园控制雨洪效果的数据,即“每栋住宅配建30-40平方米的蓄积雨水的场地”“平均减少了75%-80%的地面雨水径流量”;二是典型雨水花园结构示意图。教学的重点是引导学生读图,结合水循环知识,分析雨水花园削减地面雨水径流的过程。读图时可设置如下问题:
1.雨水花园自上而下分成哪些层?
2.各层的物质组成各有什么特点?
3.各层的主要功能有哪些?
4.为何要设置最大蓄水高度?
5.导水管的作用是什么?
分析上述问题时,主要围绕雨水的“滞-蓄-渗-净-用-排”进行。教学时要强调,该图展示的是雨水花园的一般结构,受地形、气候、水文和土壤等影响,雨水花园设计有很强的地域性。同时,雨水花园的运行效果受到填充介质类型、汇流面积比、排水管布设、蓄水深度和当地气象条件的综合影响。分析雨水花园对径流的控制效果以及对小区域水量平衡的影响时,不但要考虑降雨时段汇流面积、入渗量、排水量以及溢流水量,而且要考虑在非降雨时段内植物的蒸发、蒸腾量。最后要强调,雨水花园只能解决局部雨洪控制问题,要让城市不再“看海”,还需要从城市所在区域整体出发,系统协调人水矛盾,如建设海绵城市等。
资料3 海绵城市
教学时教师可先提出:相对雨水花园,海绵城市是一个着眼全局、系统解决城市“看海”问题的可持续城市建设模式。从雨洪管理的角度看,其内涵是:现代城市应该具有像海绵一样吸纳、净化和利用雨水的功能,以及应对气候变化、极端降雨的防灾减灾、维持生态功能的能力。
引导学生分析该资料时可以图文结合的方式,需强调三点:一是希望城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”;二是实现雨水资源化,即在下雨时吸水、渗水、蓄水、净水,需要时能够将水“释放”并加以利用;三是最终目标在于提升城市生态系统功能,而非简单地从工程上防治洪涝灾害。
指导学生分析、运用该资料前可适当补充材料,了解我国城镇化过程中人水矛盾的主要表现:一是城市建设改变了河湖水系格局和局部地形,导致河湖调蓄能力降低,城市洪涝灾害频发;二是城市污染物排放负荷超过了河湖水环境承载能力,产生了水环境、水生态恶化问题,并加剧水资源短缺;三是水资源供需压力日趋明显,城市水资源短缺问题普遍,全国有400余座城市缺水。资料分析的重点仍然是读海绵城市示意图。读图时可设置如下问题:
1.雨水花园可布置在图中哪些地区?
2.图中有哪些水体?其补给关系是怎样的?
3.树木、草坪、湿地公园、拦水坝、湖泊和河流对控制雨洪的作用分别是什么?
4.污水处理厂的作用是什么?还有哪些事物能起到净化水体的作用?
5.图中地下储水通过哪些途径实现?储水又通过哪些途径“释放”?
6.土壤在上述补给、控制、净化、存储、释放过程中分别起到什么作用?
7.图中箭头所示的循环过程和水循环过程有什么联系和区别?
在点评学生回答上述问题的过程中,教师要结合试点城市成功经验说明海绵城市建设所体现的雨洪控制理念的转变,即应该最大限度地保护城市开发前的“海绵”要素,如原有的河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区,并留有足够涵养水源、吸纳强降雨的林地、草地、湖泊、湿地,维持城市开发前的自然水文特征。其次,合理控制开发强度,并通过低影响的设施建设,控制城市不透水面积比例,促进雨水的渗透、储存和净化,最大限度地维持或恢复城市开发前的自然水文循环。
最后要引导学生充分认识我国当前海绵城市建设的现实困扰,即海绵城市建设是一个循序渐进的漫长过程,受到气象气候条件、水文地质特点、既有土地利用构成与布局、地形及雨水管渠系统建设现状等复杂因素的限制,现有大中城市已经很难满足海绵城市建设的地表用地与地下管网设计等要求,单纯依靠生态设施很难实现排水防涝综合规划控制目标。近期内实现城市不再“看海”,主要还是通过管渠、泵站、调蓄池等传统“灰色”雨水基础设施实现。
问题分析指引
资料1 城市洪水与土壤蓄水功能缺失
1.城市大面积土地表面硬化,改变了水循环的哪些环节?
分析该问题要针对雨洪成因进行,注意把握好三点:一是与自然地表对比,结合实验数据说明;二是从整个水循环过程看影响,实际上特大城市大面积硬化地面影响到水循环的所有环节,如热岛效应中蒸发、局地水汽输送的改变,雨岛效应中降水的改变等;三是突出主要受影响的环节,即与自然地表相比,硬化地面对下渗的影响非常显著,这也是导致其他环节变化的关键。
2.以北京为例,说明土壤对蓄积雨水和减轻洪涝灾害的意义。
分析该问题要结合北京市气候、地形等自然环境特点进行,注意把握好三点:一是要充分运用资料数据说明问题,即“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,超过了“7·21”北京暴雨全市“平均降水量170毫米”的降水量;二是指出北京多年平均降水量不足700毫米,但降水季节和年际变化大;三是指出北京地势低平,部分低洼地区容易积水,但北京总体位于华北平原,土层深厚,土壤蓄水能力强。
资料2 雨水花园
1.从对雨水下渗、净化、蓄积、利用等方面,说明雨水花园的作用。
分析该问题要紧扣教材中图5.23进行,把握好三点:一是雨水花园与建筑物等设施的位置关系,即雨水花园相对低洼且有出水口;二是雨水花园本身的结构和材料特点;三是雨水路径分析,即雨水进入或转化为其他水体的过程。总体上说,雨水花园通过滞留雨水和地表径流实现增加下渗,通过植物吸收、土壤和其他填充物过滤与吸附、微生物分解等作用实现净化雨水,通过植物吸收、土壤蓄积作用实现涵养水源,通过浇灌植被、弥补公共用水等实现雨水资源化。
2.雨水花园还有哪些作用?
分析该问题要着力体现综合思维。可结合城市生态环境问题从三个方面进行:一是分析雨水花园对其他地理要素的影响,如对空气可以起到增加湿度、调节气温的作用,为鸟类、昆虫、土壤生物提供栖息地,等等;二是分析雨水花园对人类活动的影响,如提供休闲观赏景观,保护排水管道,降解污染,等等;三是结合所在区域自然环境特征分析其生态功能,如在山城雨水花园可缓解水土流失,在干旱区雨水花园可抑制沙尘,等等。
资料3 海绵城市
1.推想海绵城市地面材料的特点。
分析该问题要紧扣教材中图5.24进行,注意三点:一是要从功能出发进行推测,即要实现滞、渗、蓄、净等功能,关键是渗;二是从结构上推测,要实现上述功能,海绵城市地面材料必须具备类似土壤的结构,特别是多孔隙的特点;三是满足交通、建筑等对地面的要求,因而又要具备土壤不具备的结构特点,如抗压、耐磨、不易被侵蚀等。
2.从雨水花园到海绵城市,对城市雨洪控制的思想有哪些发展?
分析该问题可从三个方面进行:一是对比雨水花园和海绵城市示意图,从尺度、要素、过程、功能等方面进行分析,说明海绵城市控制雨洪具有跨尺度、综合性、全时段、全要素的特点;二是海绵城市更侧重于对原有自然水生态系统的保护和恢复,力求通过生态建设使城市自然水循环能够保持原有的水文特征;三是海绵城市本质上是一种城市可持续建设模式,雨洪控制是其目标之一而非全部,海绵城市最终要实现城市防洪治涝、水资源利用、水环境保护与水生态修复的有机结合,使城市能够减缓或降低自然灾害和环境变化的影响,具有良好的弹性和可恢复性。
3.在什么自然条件下的城市宜建海绵城市?
分析该问题可从海绵城市建设的目标出发进行逆向思维。例如,海绵城市建设的目标之一就是控制雨洪,因而多暴雨、地势低平的城市宜建海绵城市;又如,海绵城市建设追求雨水资源化,因而降水季节变化大,容易形成旱灾的地区宜建海绵城市;等等。此题分析要避免认识误区,作为一种城市可持续建设模式,海绵城市建设具有广泛的地区适用性,因而不能草率地说没有明显雨洪的地区如干旱地区不适宜建设海绵城市。
第五章 植被与土壤
知识拓展
【植物在地理环境中的作用】
据估计,现存于地球上的植物有50万种以上,分布十分广泛,从赤道到两极,从平原到高山,到处都可以见到,甚至在裸露的岩石上、干热的荒漠中都有植物的分布。植物的质量占地球上有机体总质量的99%,成为生物圈有机部分的重要组成,在生物圈生态系统的物质循环和能量流动中处于关键地位。植物的生命活动使地球上各个圈层联系起来,使各种物质和能量相互渗透。地球表面所有物质、能量运动以生物为转化和循环中心,向着越来越丰富的方向发展。
植物是生产者。光合作用是绿色植物利用光能将二氧化碳和水合成有机物,并释放氧气的过程。植物是自然界中的初级生产者。绿色植物通过光合作用过程将光能转化为化学能,并以各种形式(如形成糖类、蛋白质、脂肪等)贮藏能量,是一个巨大的能量转化站和一个庞大的合成有机物质的绿色工厂。地球上其他生物和人类所需的能量和物质,都直接或间接来源于植物。可以说,没有绿色植物就没有生命。
植物参与了自然界的物质循环。绿色植物在光合作用过程中,不断地释放氧气以补充因呼吸、燃烧等过程消耗氧气而引起的氧不足;微生物分解有机物质、动植物呼吸、火山爆发、物质燃烧等过程所释放的二氧化碳,补充了大气中因光合作用而用去的二氧化碳;碳、氧、氢、氮、磷、硫、钾、镁、钙以及各种微量元素(如铁、锰、锌、铜等)被植物吸收后,又通过植物以各种途径返还给自然界。植物维持了自然界的物质平衡,也使整个自然界,包括生物和非生物成为不可分割的统一体。
植物为地球上其他生物提供了赖以生存和繁衍后代的场所和物质基础。植物不仅为人类和其他生物提供了食物、药材、建筑材料和多种工业原料,而且创造了适于人类居住的环境。据统计,可供人类食用的植物有7500多种,历史上曾有3000多种植物被用作食物。目前,人类种植的粮食作物大约有20多种,大多为禾谷类植物。这些作物为人类提供了约90%的粮食;发展中国家约80%的人口使用的传统医药中很多是植物(如中药),美国所有医学处方中1/4的药品有效成分从植物中提取。此外,植物还为人类提供了大量的原材料,如木材、纤维、橡胶、造纸原料、淀粉、油、树脂、染料、酸、蜡、杀虫剂等。
植物是环境的改造者。植物对环境具有强大的改造作用,表现在调节气候、涵养水源、保持水土、土壤形成、群落演替、净化环境等方面。植物生命活动对环境的影响还表现在参与岩石的风化、地形的改变、某些岩石和非金属矿(硅石岩、泥炭、煤等)的形成等。此外地下水、地表水的化学成分在相当大程度上受植物生命活动的制约。
植物群落尤其是森林在调节全球以及地方、区域的气候上都具有极为重要的作用。植被能反射太阳辐射,改变风向和风速,缓和温度变化;能截流降水、蓄积降水,对降水起再分配作用,并通过根系吸收土壤中的水分,经蒸腾、蒸发作用将水汽送回大气,增加大气湿度,加速降水过程,促进水分循环。
植物具有涵养水源、保持水土的作用。植物能截留降水,降雨时雨水首先冲击树冠,然后穿过枝叶落地,不直接冲刷地面,从而减少表土的流失,同时树冠本身还能积蓄一定数量的雨水。另外,林地土壤疏松,枯枝落叶、苔藓等覆盖物能吸收数倍于自身重量的水分,使附水慢慢下渗,减少了地表径流,同时减少地面蒸发。
土壤的形成过程、土壤肥力的产生与植物的繁育存在密切关系。生物因素是促进土壤发生、发展最活跃的因素。在植物的作用下,大量的太阳能被引进成土过程,使分散在岩石圈、水圈、大气圈中的营养元素有了向土壤积聚的可能,使土壤具有肥力的特性,推动了土壤形成和演化。在一定程度上讲,土壤的形成就是母质在一定条件下被生物不断改造的过程。例如,生活在岩石表面的地衣、苔藓等分泌一些酸性物质溶解岩面,并积蓄空气中的物质和水分,促进土壤的形成。实际上,植物群落组成的改变,必然会导致土壤新特征的产生。
植物参与湖泊沼泽的发展演变。苔藓植物生长快、吸水力强,能使沼泽陆地化或使森林沼泽化。水生或湿生的藓类常在湖泊或沼泽形成广大群落。这些藓类往往吸干积水,其遗体堆积成很厚的藓层,填平洼地,其他水生植物和湿生的种子植物也逐年侵入藓类群丛中。随着藓群生长面积日益扩大,湖泊或沼泽的净水面逐渐缩小,久而久之,湖泊或沼泽日益淤积而干涸,逐渐陆地化,陆生的草本、灌木和乔木接踵而来,湖泊或沼泽便逐渐演替成森林。在寒冷的北方针叶林地带中,往往由于过分繁茂的苔藓植物大量吸收水分和使土壤酸性增大,抑制森林的生长,影响树种的萌发和林木的天然更新,导致林木生长停滞或逐渐死亡,逐渐使森林演变成沼泽。
植物具有净化环境的作用。植物通过光合作用清除空气中过多的二氧化碳。某些植物的叶片粗糙多毛,或分泌黏液和油脂,能吸附空气中的飘尘。据监测,一般有行道树的街道,在离地面1.5米高的空气层中含尘率比没有树的街道低一半左右。有些植物能吸收空气、水体和土壤中的有毒物质,减少环境中毒物的含量,使某些毒物在体内分解而转化为无毒物质。植物表面的气孔和绒毛等结构可吸收声波,树叶、枝条等对声波具有反射和折射作用,故植物具有降噪的作用。某些植物对有毒气体特别敏感,即便有毒气体浓度极低也能出现受害症状,可以指示环境污染程度。
综上所述,植物生命活动有力地推动了自然环境的发展变化,植物既是人类活动的必需资源,又是人类生存的基本条件。
【植物群落的外貌】
植被并不是各种植物杂乱无章的聚合体,而是在自然环境下,由不同种的植物在一定地段形成的有规律的组合。这种一定地段上植物群的组合,称为植物群落。因此,也可以说,植被是由不同的植物群落组成的。植物群落具有一定的种类组成、结构和生产量,其中植物之间,以及植物和环境之间,构成一定的相互关系。
植物群落的外貌是植物群落与环境长期适应的反映,是认识植物群落的基础,也是区分不同植被的主要标志。植物群落的外貌主要包括生活型、叶的性质和周期性三个方面。
生活型是指植物对其生态环境长期适应而具有的相似的形态外貌、结构和习性。草本、灌木与乔木,常绿与落叶,芽发的位置,花开的位置等,都是植物生活型的表现。生活型分类标准有多种。常用的有两种,一是根据休眠芽在不良季节的着生部位来划分,将陆生植物分为高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物和隐芽植物。二是以植物营养器官(茎和叶)的多方面形态特征来划分,将植物分为木本植物(又细分为乔木、灌木、竹类、藤本植物、附生木本植物、寄生植物)、半木本植物(又细分为半灌木、小半灌木)、草本植物(又细分为陆生草本植物和水生草本植物)、叶状体植物(包括苔藓及地衣、藻菌植物)。不同种的植物可能具有相同的生活型,同一种植物在不同的环境中可能呈现不同的生活型。一定的植被类型,一般都以某一两种生活型占优势。
叶的性质一般包括叶级(叶的面积)、叶型(单叶或复叶)、叶质(叶的质地)和叶缘等。例如,热带雨林植物以中叶和大叶占比例最高,而我国南方的常绿阔叶林则以小叶和中叶占比例最高。又如,落叶阔叶林的叶质为草质,而常绿阔叶林的叶质多为革质。
植物群落外貌的周期性是指随季节更替而发生相应的以一年为周期的变化。这种因季节更替而出现的外貌变化,称为季相。在四季分明的温带地区,植物群落的周期性外貌变化最为明显。在温带草原上,有时因种类组成复杂,或降水较少,往往出现更为复杂的季相更替。相对而言,在亚热带特别是热带森林里,季相的变化不如温带显著,常以乔木花期或果期显出季相的差异。
【植物群落的演替】
植物群落的演替是指在一定地段一个植物群落被另一个植物群落替代的过程。演替现象贯穿群落以至植被发展的始终,表现为植被由低级到高级、由简单到复杂的发展过程。通常采用的研究植物群落演替的方法是考察一些生境彼此接近但处于不同发展阶段的植被,通过比较植被间的差异来推断植被的发展顺序。
新近形成的裸地一般呈斑块状,由于过分潮湿或过分干燥,或遭受机械干扰,或缺乏养分,对于植物的生长来说常常处于自然界的极端状态。这些裸地对于植物仅有的有利条件是可以暂时避免生存竞争,因此,迁移能力强、个体矮小的植物首先进入裸地。经过一段时间的发展,局地小气候以及土壤条件得到改善,最初集聚的植物不能在改善的环境中产生新的籽苗,而改善的环境较适宜区域性的一些植物的幼苗生长。于是,区域性植物逐渐渗入。由于新进入的植物比最初集聚的植物一般要大,最后就会超过并抑制它们的先驱者。这便是植物群落原生演替的概要过程。
对于植物群落演替的理论,科学家对其研究方法和理论本身都存在很大的争议,并且尝试用其他方法进行研究。尽管如此,对于描述和研究植被的发展,群落演替理论仍然提供了可以采用的概念和思路,并且可以指导实践活动。
最先进入裸地的植物称为先锋植物,形成的最初的群落称为先锋群落。例如,在江南丘陵地区,新形成的裸地上首先生长的树木是杉树,杉树就是这一地区的先锋树种。在这一地区新形成的裸地上进行植树造林,宜种植杉树类的先锋树种。
植物群落演替的最终结果(目前已知的)称为顶级群落。到了顶级群落,群落表现出相对稳定的状态,即群落垂直结构相对稳定,种群结构相对稳定,生物量相对稳定。据此,对一些地方植被的发展,可实施人为干预。例如,南京地处亚热带的北部,地带性植被为亚热带常绿阔叶林,但马尾松属于先锋树种。紫金山风景区植被保护较好,在20世纪80年代,这里仍看到较多长势良好的马尾松,然而,随着群落的自然演替,如今这里阔叶林已接近顶级群落,马尾松较少且长势较差。园区管理人员对长势较差的马尾松实施人工砍伐,有利于群落向亚热带常绿阔叶林演替。
【植物群落的垂直结构】
大多数植物群落都有高度上的分化或成层现象,称为群落的垂直结构。垂直结构是群落中各种植物间及植物与环境间关系的特殊形式。
植物群落内不同种类的植物,沿着垂直高度的梯度及光照强度的梯度,占有不同高度的位置。根据不同种类植物的垂直高度,划分出一定的层次。森林中,一般可以划分出乔木层、灌木层、草本层和地被层。在天然的森林中,情况往往较为复杂。例如,在热带雨林中,乔木层的垂直高度,可以达到3040米或更高,一般还可划分出三个亚层。由于乔木层组成复杂,高矮参差不齐,三个亚层的界限并不明显。还有不少灌木,也能发育成幼树的状态。此外,雨林中还有种类丰富的藤本植物和寄生、附生植物,这些植物攀缘或附着在不同植物的不同高度,往往在整个群落的垂直高度内都有分布,并不形成独立的层次,称为层间植物。
森林的分层现象与光照强度密切相关。群落中的光照强度总是随着高度的下降而减弱。森林最上层的树木受到全光照的照射,其树冠的枝叶可以吸收和散射一半以上的光能,灌木层大约利用全光照的10%,草本层仅利用低于5%的光照,地被层则光照微弱。
模拟天然森林的垂直结构,我国云南西双版纳地区建立了上层为三叶橡胶、中层为金鸡纳树、下层为砂仁的人工植物群落,收到较好的经济效益。
【植物对环境的适应性】
植物从种子(孢子)脱离母株落到地面时起,便在固定地点开始了它的生命过程。它从周围环境获取生活资源,进行伴以能量流动的物质交换,既受环境影响又影响环境。这里所说的环境是指植物周围一切事物及现象的总和,包括毗邻生长的其他植物个体。环境中的各种组成要素称为环境因子,其中一些可对植物产生直接影响的称为生态因子。为了强调生态意义,常常把环境中全部生态因子综合组成的部分,称为生态环境。而植物周围具体而直接的环境,称为植物的生境,如河谷环境分为河床、河漫滩等不同生境。当环境中某种条件出现异常,就会抑制植物生命活动或威胁植物生存,这种现象称为环境胁迫。动物啮食、寄生、风害、火灾、土壤侵蚀等可部分或全部破坏植物生命活动的现象,称为干扰。植物的生长过程中,可能会遇到各种各样的不利环境条件,一般将这些不利的环境条件统称为胁迫环境。给生态系统造成胁迫的各种因子称为胁迫因子,包括物理的(如干旱、热害、冷害、水害等)、化学的(如养分缺乏、盐害、pH异常等)、生物的(如病虫害等)等各方面的因子。
一种植物在某类生境中能够正常生活和繁衍后代,此现象称为适应。从本质上看,适应是生物产生改善生存和提高生殖效率的可遗传的进化性变异,包括形态、结构、发育等方面的特征。适应是植物经受自然选择的结果,是生物特有的普遍存在的现象,它包含两方面的含义:一是生物的结构(从个体结构到群落结构)大都适合于一定的功能,例如,热带雨林中树木的板根具有支撑树干的功能;二是植物的结构及其功能适合该植物在一定的环境条件下生存和繁衍,例如,一些沙漠植物的叶子退化成刺有助于减少蒸腾,从而适应干旱的环境。
【生态幅和分布区】
所有生物对每种环境因素都要求有适宜的量,过多或不足都会使其生命活动受到抑制,乃至死亡。某种生物对每种因素的耐受范围,称为生态幅。例如,橡胶树对温度的耐受范围是5-40℃,最适温度为26-30℃。生态幅是由生物的遗传特性决定的。很多生物的生态幅是比较宽的,它们能够在宽范围的温度、湿度、盐度等中存活。
植物分布区是某植物分类群(种、属、科等)在地表分布的区域,其形状和大小主要受种系发生的年龄、繁殖和传播的能力、迁移环境条件和人类活动的影响。此外,地理的隔离和障碍也具有很大作用。总之,植物分布区的形状和大小实际上是自然界多种因素综合作用的结果。
1.气候因素。
温度、降水、光、风等气候条件常常严格制约了某些植物的分布。例如,生长在我国山东半岛和辽东半岛的赤松,其分布区只局限于海洋性气候区,稍向内陆就被松属的其他种所代替。
2.土壤因素。
土壤的水分状况、矿物质元素、有机物的成分和含量、土壤温度以及土壤酸碱度等土壤理化性质和土壤生物往往影响着植物的分布。例如,一般有花植物只能生长在pH3-9的土壤上,在强酸性或强碱性的土壤上,则只能生长具有特殊适应性的酸性土植物或碱性土植物。
3.地形因素。
山脉、海洋等自然屏障往往成为分布区的天然界限。地形所引起的气候变化常常是造成植物侵移和扩展中断的主要原因。例如,我国的秦岭山脉是北方温带植物区系和南方亚热带植物区系的天然界限。海洋、宽阔的海峡、大沙漠和宽阔的河谷等是植物侵移和扩展难以克服的障碍。在地质地貌条件变化显著的地段,往往是许多植物种的分布边界或汇集地区。
4.生物因素。
影响植物分布区的形状和大小的生物因子很多。例如,某种寄生植物的分布决定于其寄主的地理分布,有些植物的传播依赖于某种动物,某些植物群落可以成为某些植物传播的障碍。
5.历史因素。
有些植物的分布区不能用现代的自然条件来解释,而是古地理环境的反映。例如,分布在我国西北部荒漠地区的沙冬青属,是亚洲中部仅有的阔叶常绿灌木,它起源于古地中海区系喜热的祖先。
6.人为因素。
人类活动不仅可缩小或消灭某些植物的分布区,而且也能扩大植物的分布区。例如,紫茎泽兰约在20世纪40年代由缅甸传入云南省南部,后伴随着人类采伐森林、修筑道路等活动逐渐向外蔓延,近些年来沿着纵谷北上向中亚地区扩散,并引发了生态灾难。
【热带雨林】
热带雨林是在热带雨林气候条件下发育形成的、耐阴、喜湿、喜高温、结构层次不明显、层间植物丰富的木本植物群落,是当前地球上面积最大、对人类生存环境影响最大的森林生态系统。
热带雨林发育的气候条件是全年高温多雨,一般年均温为25-30℃,最冷月平均气温在18℃以上,年温差在6℃以下。全年降水量为2000-4000毫米,雨量大的地区(夏威夷群岛的山区)可达12000-40000毫米,相对湿度很高,有的可达90%以上。
热带雨林是地球上种类组成最丰富的一种植被类型,组成雨林的高等植物有45000种以上,其中乔木树种十分丰富,例如,马来半岛具有9000种以上的乔木。在热带雨林中很少能找到优势种。雨林的形成除有利的气候条件外,热带陆地的古老性也是一个重要原因。几千万年以来,这里环境较稳定,没有经历剧烈的环境演变。
热带雨林地区风化过程强烈,母岩崩解层深厚;土壤强烈淋溶,为呈酸性的砖红壤。1公顷雨林的有机物产量可达100—200吨。但在高温高湿气候的作用下,有机物分解迅速,很快被植物吸收利用,土壤中几乎没有存留的养分,土壤极为贫瘠。
热带雨林是地球上结构最复杂的植物群落,层次相当复杂,大体分为乔木层、灌木层、草本层三个基本层次。另外还有丰富多彩的层间植物。热带雨林以裸芽的高位芽植物占绝对优势,多速生树种。叶具滴水尖是雨林中的一个普遍现象,如加纳雨林中90%以上的植物具有滴水尖,滴水尖是对雨林湿度大、多雨环境的适应。
热带雨林中的乔木具有十分独特的结构:树干高大挺直,常常达到46-55米,分枝少,树皮光滑、薄、色浅。热带雨林中的乔木特别是上层高大乔木,常常发育着板状根。板状根由地面上或离地面一定距离的粗大侧根发育而成,常常为扁平三角形,每一树干一般具有3-5条,有的甚至达到10条,高度可达地面以上9米。一般认为热带雨林多雨,根系无须扎入土壤深处即可吸收水分,故树木根系往往是浅根系,但浅根系植物经不起风吹,容易倒伏。众多的板状根像一根根支柱对树干起到支撑作用。热带雨林中的一些乔木发育着支柱根或气生根。例如,榕树的树枝上垂直向下生长许多气生根,当气生根插入土壤后,很快长粗长大,支持着树枝,一棵母植株不断向外展开,可覆盖地面1000-2000平方米,俨然一片森林。
热带雨林中下层乔木常常具有茎花现象,即直接在无叶的木质茎上开花和结果,花或花序无柄,或只有很短的无叶的柄附着在主干或老枝上。关于茎花现象形成的原因尚无定论。
富有藤本植物是热带雨林的一大特色。热带雨林中藤本植物多为木质藤本,形状多种多样,粗的如手臂、大腿,它们凭借吸盘、卷须等攀缘器官旋转运动,不断缠绕在其他植物上,直到林冠顶部。
热带雨林中有大量植物附生在树干、枝条或叶片上,在面积上甚至超过草本植物。这些附生植物的孢子或种子细小,轻微的气流也能把它们吹到其他地方。森林中的枝丫处经常积水,并积累了薄薄的腐殖质,为附生植物提供了生存的条件。有些附生花朵美丽芳香,构成了绚丽多彩的“空中花园”。
热带雨林还有大量的绞杀植物,它们属于藤本植物和附生植物之间的过渡类型,称半附生植物。绞杀植物的种子依靠鸟类传播。当果实被鸟吞食后,种子随粪便排到大树的枝丫上,萌发后先长出一个小枝和气生根。气生根向下扩展,一部分与土壤建立联系吸收水分和养分,另一部分大量分枝,彼此靠合,最后愈合成一个网状的套子把树干套在里面。最初支撑植物的树干还能增粗,但是绞杀植物根系非常强大,生长迅速,枝叶繁茂,与支撑植物争夺养料、水分、阳光和空间,最终导致支撑植物死亡。这些绞杀植物的根茎进一步愈合,成为一株独立生长的大树。对于挺直的大树来说,只要被绞杀植物缠上,用不了几年就被活活绞杀致死。
热带雨林的分布一般局限于赤道两侧南北纬5°-10°的热带范围内,但个别地区可延伸至15°-25°,热带雨林的南北界限与热带的纬度界限并不明显吻合。热带雨林主要分布在南美洲亚马孙河流域、非洲刚果盆地、东南亚等地区。不同地区的热带雨林在外貌结构上非常相似,只是在种类组成上有所差异。
中国的热带雨林主要分布在台湾南部,海南,广东,广西南部,云南南部,西藏东南部等地的山前低地或沟谷。尽管中国热带地区有较明显的干季并受寒流影响,但不少地方的植被具有热带雨林的基本特征,如树木高大、板状根和茎花现象显著,藤本植物较为丰富等,但与典型雨林相比,种类组成和结构比较简单,各项特征仍有较大差异。
【热带草原】
在热带雨林与热带荒漠之间,往往会形成热带草原。这类地区年降水量一般在750-1000毫米,低的只有500毫米,高的可达1500毫米,降水季节分配不均,有明显的干湿季。在温带地区,这样的降水量一般可以孕育出茂密的森林。但在热带地区,全年高温,一旦存在时间较长的旱季,由于蒸发量大,乔木的生长就受到抑制,而一年生草本植物以及根系发达的灌木会比较适应,因而这些地区发育成以草本植物为主的草原。相对于温带草原,热带草原由于热量充足、降水总量较多,生物多样性比较丰富,草本植物也相对高大,多数超过1米,有的甚至达到3米,具有耐旱特征,如热带禾本科植物叶子狭窄而直立,茎秆坚硬。
紧邻热带雨林区的热带草原,由于水分条件较好,多年生草本植物增多,草原上分布着疏林甚至成片的乔木。如南美洲巴西高原的喜拉多草原西北部,分布着热带森林草原,植被主要由高大的(2米以上)旱生多年草本植物构成,多乔木和亚乔木,特别是在沼泽周边和河流两岸,分布着连片的森林。
大多数热带草原乔木稀疏,它们进化出特殊的耐旱结构得以生存繁衍,如澳大利亚的瓶子树、南美洲的纺锤树、非洲的猴面包树等,均通过粗大的树干蓄水度过旱季,这样的热带草原称为热带稀树草原,主要分布在非洲、南美洲、北美洲、大洋洲和亚洲,我国的云南干热河谷,海南岛北部,雷州半岛以及台湾岛的西南部也有分布。
有的热带草原几乎没有乔木。例如,圭亚那高原北部的拉诺斯大草原,位于委内瑞拉西部和哥伦比亚东北部,大部分地区为热带无树大草原,低洼地区遍生沼泽草和蓑衣草,干燥地区则广布长茎草和地毯草。
有的热带草原多灌木、亚乔木。例如,南美洲巴西高原东端的卡廷加草原,年平均降水为250-1000毫米,旱季时间比雨季时间长得多,最长的区域甚至能达到11个月,草原上广布能够在旱季蛰伏的灌木,以及亚乔木属性的刺树。
非洲热带草原是世界上面积最大、发育最好、特征最为典型的热带草原,主要分布在非洲热带雨林的北、东、南三面,北起苏丹,南到南非,西起大西洋沿岸,东到印度洋之滨,约占非洲大陆面积的40%。非洲热带草原的气候全年高温,一年中有明显的干、湿季变化,年降水量为500-1000毫米,多集中在湿季。干季的气温高于热带雨林地区,各月平均气温在24-30℃。南、北半球的热带草原干湿季节变化正好相反。非洲热带草原的植物具有旱生特征。草原上大部分是禾本科草类,草高一般为1-3米,大都叶狭而立,以减少水分蒸发。草原上稀疏地点缀着独株或缓生的乔木,叶小而硬,有的小叶能运动,调整到最避光的位置;树皮很厚,有的树干粗大,可贮存大量水分以保证在旱季能进行生命活动,如伞状的金合欢树和巨大的波巴布树等。每当干季来临时,万物凋零,整个草原一片枯黄,生活在这里的动物,由于缺水少食,或向水草丰茂的草原迁徙,或钻入地下蛰眠,整个草原死一般寂静。雨季来临时,草木丛绿,万象更新,一派生机勃勃的景象。
南美洲的热带草原主要集中分布在巴西高原中东部以及圭亚那高原的北部。巴西高原腹地覆盖着大面积的热带草原。紧邻亚马孙雨林的喜拉多草原年平均降水量可达800-2000毫米,其雨季的时间也比旱季要更长些,因此孕育了比一般热带草原更多的生物种类,以及相对繁多的乔木。分布在喜拉多草原上的乔木,抵御旱季的最主要方式跟灌木一样,就是进化出发达的根系,以更多地吸收蕴藏在地下的水分。其深入地下的部分,甚至是地上部分的两倍,因此喜拉多草原的树木又被形容为“颠倒的森林”。
澳大利亚典型的热带草原集中分布在北部地区。雨季时草原上一派欣欣向荣,旱季时则一片荒凉。茂密的大型草本植物中稀疏地散生着旱生乔木,主要是桉树。澳大利亚的稀树草原也有种类繁多的金合欢。瓶子树是这里的特色树木,形状类似美洲的纺锤树,根部呈大肚形,往上越来越细,里面贮藏着大量的水分和充足的营养。因此,这种树能在石缝里、悬崖上顽强地生存。这种瓶子树春天不见叶,但却开着粉红色的花朵。
热带草原不仅仅发育在热带草原气候区,一些热带季风气候区也有分布,最典型的就是德干高原中北部和中南半岛中部。德干高原中北部年降水量为500-1000毫米,曾经为森林植被,后来由于人类活动等原因导致森林退化为草原和灌木植被。一些地区的热带草原植被发育受地形影响较大,如东帝汶的高大山脉背风坡就发育着热带草原植被。
【常绿硬叶林】
常绿硬叶林分布在亚热带大陆西岸的地中海气候区,是与冬季温和多雨、夏季炎热干旱气候特点密切相关的一种群落类型。
常绿硬叶林种类组成相对比较单调。乔灌木以旱生阳性植物为主,根系发达。林下草本植物以旱生植物或短生命植物为主,多年生草本种类丰富。植物花色十分鲜艳,其中黄花尤多。植物体能分泌挥发芳香油,连同芳香的花朵使得植物群落具有特殊的强烈香味。
由于冬季温和多雨,常绿硬叶林的种类以裸芽植物为主。由于夏季炎热干旱,乔灌木的叶子具有旱生适应特征:常绿,叶小,厚革质,叶缘具有尖齿或锐齿,叶表面角质层发达,常披有茸毛,叶呈灰绿色,无光泽;具有发育良好的机械组织,气孔深陷,以防止过多蒸腾;叶片排列方向与入射光线交成锐角,以避免阳光照射时被灼热;有些植物的叶片常常退化或缩小成刺,成为本群落的典型特征。群落终年常绿,在最干旱季节,林下一片枯黄与上层绿叶相映。
常绿硬叶林乔(灌)木层一般不分亚层。乔木层林木不高,树高不超过20米,生长稀疏。林下常绿植物较多,生长茂密,往往使人难以通行。草本层生长稀疏。层间植物较少。
【中国的常绿阔叶林】
由于海陆位置和大气环流的影响以及青藏高原的存在,中国亚热带季风气候区域广阔,占全国总面积的1/4以上。因此,常绿阔叶林在中国分布广泛,从秦岭-淮河一线往南,一直到广东、广西中部,东至黄海、东海海岸,西达青藏高原东缘,纬度跨度大约为11个纬度。南北气候条件差异明显,群落类型亦较复杂,通常分为北亚热带常绿阔叶林、中亚热带常绿阔叶林和南亚热带常绿阔叶林。自中生代侏罗纪以来,这些地区的海陆分布和气候特征的变化较小,历次冰川作用的影响不大,一直处于比较稳定的温暖湿润气候条件下,因而保存大批较古老的植物种属,如银杏、水杉、银杉、鹅掌楸、珙桐、喜树等。同时也衍生出一些新种属。因此,我国常绿阔叶林植物区系种类丰富,起源古老,是我国特有属最多的地区。
1.北亚热带常绿阔叶林的北界大体为秦岭-淮河一线,与暖温带落叶阔叶林交界。上层乔木常含有较多的落叶成分,以栎属为主,常绿树种多为耐寒性较强的种类。常绿成分不占优势,外貌上接近落叶阔叶林,或称为混交林或含有常绿成分的落叶阔叶林,显示向温带森林过渡性质,或隶属于温带森林范畴。
2.中亚热带常绿阔叶林是中国亚热带地区最典型的地带性植被类型,其分布于23°40′N-32°N,99°E-123°E的中亚热带地区,主要由常绿阔叶树种组成。群落外貌终年常绿,一般呈暗绿色。林冠整齐而呈波状起伏,群落一般高15-20米,乔木可分2-3个亚层,层间植物不发达,缺乏木质藤本植物。
3.南亚热带常绿阔叶林是中国南亚热带的地带性植被类型,为亚热带常绿阔叶林向热带雨林过渡的一个类型。主要分布于台湾玉山山脉北半部、福建戴云山以南及南岭山地南侧等海拔800米以下的丘陵、台地,以及云南中南部、贵州南部、喜马拉雅山脉南侧等海拔500-1000米的盆地和河谷地区。本类型群落较高,分层复杂,林冠凹凸不平,乔木一般可分3层,上层以喜暖种类为主,中下层则有较多热带雨林成分,如板状根、茎花、绞杀植物、木质大型藤本植物、附生植物等。在沟谷潮湿生境中,热带雨林特征更为显著。
【落叶阔叶林】
落叶阔叶林是温带地区湿润、半湿润气候下的地带性植被之一,通常指具有明显季相变化—夏季盛叶、冬季落叶的阔叶林,也称为夏绿阔叶林。
落叶阔叶林分布地区的气候四季分明,夏季炎热多雨,冬季寒冷,全年至少有4个月的平均温度在10℃以上,年降水量500-1000毫米,大部分集中在夏季。
落叶阔叶林分布地区的地带性土壤主要是棕壤和褐土,二者共同特点在于具有明显的黏化现象,但褐土具有明显的钙化过程,表现出一定的森林土壤向草原土壤过渡的特色。淋溶和黏化过程并存使土壤剖面中形成一个明显的黏化层次,其黏粒含量可高达30%。在褐土的剖面中,黏化层下有明显的钙积层。
落叶阔叶林生长季节水热条件充沛,中生植物能茂盛生长,种类组成相当丰富,乔木一般具有宽阔的叶片,为夏季盛叶、冬季落叶的阳性树种。树种大部分为风媒植物,种子与果实具翅,常常由一个种组成纯林,在不同地区、不同生境中形成单优群落。林下的灌木也为落叶种类。冬季,草本植物地上部分枯死或以种子越冬。林下的灌木与草本植物靠动物来传粉和传播果实。
落叶阔叶林中地面芽植物和地下芽植物占优势,高位芽植物占一定比例,植物有坚实的芽鳞,以落叶小叶为主,故落叶阔叶林也称为小叶林。叶质地薄,无革质叶,也无茸毛,呈鲜绿色。群落季相更替十分明显,这是落叶阔叶林的显著特征。构成群落的乔木,都是冬季落叶的阔叶树,林下的灌木也为落叶种类。当春季气温开始回暖,乔木随即萌叶抽枝,大多数乔木进入花期。夏季是群落茂盛的生长季节,枝繁叶茂,树冠郁闭。秋季气温下降,叶色转黄,叶片脱落。乔木从萌叶、密茂到枯黄、脱落的有规律的更替,影响林下的光照和湿度条件,进而影响整个群落的结构和季相更替。春季,草本层中的多年生短生命植物,非常迅速地抽叶开花,花朵艳丽,数量众多,构成显著而华丽的草本层。夏季,树木茂盛发育,形成郁闭林冠,这些春季多年生短生命植物则已结束自己的生活周期,地上部分逐渐枯死,出现了耐阴的草本植物。这时,开花植物减少、季相显得单调。秋季,一些禾本科植物花后陆续结籽,并日趋干枯,而最终完成了整个生命周期。
落叶阔叶林的垂直结构比较简单,分为乔木层、灌木层、草本层和地被层。乔木层分1-2个亚层,乔木往往分枝强烈,树冠发育良好,上层乔木往往仅由1种或少数优势种构成,形成顶部较为平整的林冠。乔木树干与树枝具有厚的皮层保护,芽具有坚实的芽鳞,常有树脂保护,以抵御严寒。灌木层仅有1层,草本层可分为2-3个亚层。由于地表被落叶覆盖,地被层不发达。层间植物不发达,藤本植物以草质或半木质为主,攀缘能力不强。附生植物有苔藓、地衣,有花附生植物几乎不存在。
世界范围内的落叶阔叶林集中分布在三大区域:北美大西洋沿岸,西欧和中欧海洋性气候的温暖区域,亚洲东部的温带季风气候区。南半球由于没有适宜的条件,落叶阔叶林分布极少。
中国的落叶阔叶林主要分布于华北和东北南部的暖温带区域。由于人类活动干扰,中国落叶阔叶林原始植被已经被破坏,现存的落叶阔叶林大多为次生群落。
【亚寒带针叶林】
亚寒带针叶林由耐寒的松柏类植物组成,为寒温带地带性植被类型,又称寒温性针叶林,其分布的北界为森林分布的最北界限。
亚寒带针叶林分布区比落叶阔叶林分布区具有更强的大陆性特点。纬向跨度大,气候状况很不一致。一般来说,夏季温和湿润,冬季十分严寒。冬季长,暖季短。最暖月平均温度在10℃以上,但不超过20℃;最冷月平均温度为-20— -10℃,在西伯利亚可达-52℃。年降水量为300-600毫米,大部分在春季。冬季降雪,但降水量不多。
亚寒带针叶林由松柏类植物组成,这类植物适应生长季节短、低温引起生理干旱。随气候不同,组成针叶林的植物种类不同,往往由一个树种组成纯林。
亚寒带针叶林具有十分特殊的外貌,极易与其他森林类型区别开来。它常由单一树种构成纯林,其外貌随建群种不同而各具特色。例如,云杉属和冷杉属的树冠是圆锥形或尖塔形的,松属的树冠是近圆形的,落叶松属树冠呈塔形而稀疏。在西伯利亚,由西伯利亚冷杉、西伯利亚云杉和西伯利亚松一起生长并在低地形成大片的、稍微沼泽化的森林,当地称为泰加林。广义的泰加林包括亚欧大陆高纬度和高海拔山地的一切针叶林。亚寒带针叶林群落结构非常简单,乔木层、灌木层、草本层和地被层各一层。
亚欧大陆从大西洋沿岸延伸到太平洋沿岸,亚寒带针叶林连续成片占据非常广阔的面积。北美洲从阿拉斯加育空河和加拿大的马更些河以南经过大奴湖,沿苏必利尔湖北岸而达大西洋沿岸分布着亚寒带针叶林。南半球没有亚寒带针叶林分布。
【温带草原】
温带草原是在温带半干旱气候条件下发育起来的地带性植被之一,属于夏绿旱生性草本群落,主要种类为多年生抗旱抗寒的禾本科植物。草原地区气候干燥,降水量少且变率大,冬季寒冷漫长。
温带草原植被高度不高,外貌呈暗绿色。在水热条件比较优越的地方,植被比较郁闭;干旱地区植被稀疏。生活型以地面芽植物、地上芽植物为主,还有一定数量的地下芽植物、半灌木和小半灌木。草原植物具有耐旱的形态特征,如叶面狭窄、有茸毛、卷叶、气孔下陷、有蜡质层、机械组织发达等。温带草原具有明显的季相变化。我国东北的温带草原冬季一片枯黄;春季一片嫩绿;夏季是双子叶植物的花期,草原色彩极为华丽,但当禾草类抽穗开花掩盖了双子叶植物时,草原的色彩又转向单调;秋季则常由于菊科,尤其是蒿类占有优势,而使草原以黄绿色为主。
温带草原的群落结构一般分为3层:高草层、中草层和矮草层。植物地下部分强烈发育,其层次结构远远超过地上部分。
温带草原分布很广,在欧亚大陆、北美中部、南美南部以及非洲南部等地均有大面积的分布。世界两大温带草原分布区为亚欧草原区和北美草原区。不同地区的草原,在群落外貌、生态上具有或多或少的相似性,在种类成分上虽也有某些共同的属,但往往有很大的差异。
【荒漠】
荒漠是极度旱生、覆盖稀疏(小于30%)的植被类型。自然地理中的荒漠概念,是指降水稀少、蒸发强烈、极端干旱的强大陆性气候的地区或地段。其上植被通常十分稀疏,甚至无植被,土壤中富含可溶性盐。
荒漠的生态条件十分严酷,多大风与尘暴,植物常受风蚀和沙埋。荒漠气候属于极端干燥的大陆性气候,其主要特点为降水量少,降水变率大;气温高,温差大;蒸发强,相对湿度小;光照强烈。
组成荒漠植被的植物种类十分贫乏,有时100平方米的面积上只有1-2种植物。主要由半灌木、灌木和禾本科植物组成。荒漠中旱生植物除多浆液植物和少浆液植物外,还有一类窄水旱生植物。这类植物能在水分不足的征兆出现时关闭气孔,阻止细胞液浓度的升高,气体交换和光合作用被迫停止,植物处于饥饿状态。这类植物的叶子在长期干旱下不干枯,但是变黄并最终凋落。在荒漠中,植物地上部分之间没有竞争,对它们唯一重要的事情是忍受干旱,而不是制造大量的有机物,它们往往借助于降低生活力来达到这一点,并且可以活100年以上。一般荒漠都有短暂的降水季节,一些一年生的短生命植物和多年生的类短生命植物可利用这一有水的短暂时期进行生命活动,待干旱来临时,以种子或地下器官来度过不利的干旱季节。所以,荒漠中的短生命植物和类短生命植物是适应干旱环境、利用仅有水分的非旱生植物(旱中生植物)。荒漠中还存在变水植物。它们在干旱时体内水分蒸发散失,呈风干状态,但原生质并未凝固死亡,一旦获得水分,立即恢复生命活动。
在严酷的生态条件下,稀疏性和有大面积裸露的地面成为荒漠植被显著的外貌特征。植被的这种特征与降水量密切相关,降水量越小,植物生长越稀疏。在年降水量不足100毫米的极端干旱区,植物全部集中到侵蚀干沟或低地生长。
荒漠植被分布于干旱的内陆地区,在地球上占有相当大的面积。由于各大陆气候和土壤条件很不一致,加上区系成分差异,荒漠植被类型多种多样。
【苔原】
苔原也叫冻原,主要分布在极地附近或高山上,主要由藓类、地衣、小灌木、矮灌木及多年生草本植物组成。
苔原气候为极地长寒气候,冬季漫长严寒,夏季短促凉爽。植物生长期仅2-3月,年降水量200-300毫米,主要集中在夏季,但由于蒸发较少,气候仍然湿润。风力大,云量多。
在长期演化过程中,苔原植物形成了一系列苔原生境的适应特征。苔原植物都是抗寒性很强的多年生植物,在极度低温的环境下营养器官也不会受到损伤。大多数苔原灌木是常绿植物,可以在春季很快地进行光合作用,不必耗时形成新叶。形态矮小,匍匐状植物和垫状植物十分典型。苔原植物地上部分较小,大部分细胞均直接参与制造和储藏有机物质,地面老叶起着保护生长点的作用,以弥补缺乏芽鳞的缺陷。许多苔原植物呈匍匐伏地型和垫状,如网状柳紧贴地面匍匐生长,这些形态有利于抗风、保温和减少蒸腾失水。植物根一般分布在土壤表层。由于营养期短促,苔原植物通常生长缓慢。
苔原具有地下永冻层,地处森林线以外,无林现象是其基本特征。大多数植物为地面芽植物和地上芽植物,缺乏一年生植物。苔原植物群落结构简单,层次少而不明显。
【隐域植被】
隐域植被又称泛地带性植被或非地带性植被,指在一定的气候带或大气候区内,因受地下水、地表水、地貌部位或地表组成物质等非地带性因素影响而生长发育的植被类型,如草甸、沼泽、水生植被等。其与隐域生境相联系,不是固定于某一植被带,而是出现于两个以上的植被带里,具有广布性特征。
草甸是在中等湿润条件下形成和发展起来的,由多年生草本植物组成的植物群落,可以形成于各气候带内,其环境的共同特点是土壤中水分充足,地下水埋藏浅。草甸土壤土层深厚,富含有机质,肥力高。草甸的植物种类组成特别丰富,草被浓密,季相变化也多种多样,繁花盛开时,五颜六色极为华丽,故又称“五花草甸”。草甸结构比较清晰,在水平分布上可分为成群结构和分散结构两类。在垂直方向上,可以把草甸草群分为高位禾草层、低位禾草层、矮草层、近地面植物层、苔藓层。有的草甸没有苔藓层。典型的草甸在北半球的寒温带和温带分布特别广泛。
沼泽是分布在土壤过湿,或者有薄层积水并有泥炭积累,或有机质开始碳化生境中的植被类型。沼泽通常出现在有积水的低地或者地形的低陷部位。沼泽植被主要由沼生植物组成,以草本植物为主,也有乔木和灌木。为了适应水下缺氧环境,大多数沼泽植物发育了良好的通气组织。很多植物的叶、茎和根由细胞和气腔系统通连,以满足根部通气的需要。
水生植被是由水生植物所组成、生长在水域环境中的植被类型。通常说的水生植被是指由水生维管植物组成的水生群落,分沉水植物群落、浮水植物群落、固着浮叶植物群落和挺水植物群落。
【风化与风化壳】
裸露在地表的岩石矿物,在大气、水、温度和生物等因素的综合作用下,逐渐发生崩裂和分解,同时矿物化学组成、性质也会发生变化,形成新的物质,这一复杂的过程通常称为风化作用或风化过程。按其作用因素和风化特点可分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。它们在自然界中相互联系、相互促进,同时同地进行,只是在不同条件下风化强度不同而已。岩石矿物经过风化破碎成疏松的堆积物,就形成了成土母质。
近地面基岩(或堆积物)经受风化残存于原地的产物组成风化壳。风化壳的厚度受到岩性、气候、地形、水文、植被等多种因素的影响。一般来说,只有在地形起伏和缓或坡度较小、植被覆盖良好的地方,以及水、气易于往下层渗透以及表层基岩又较容易风化的地方,发育较厚的风化壳。
【不同质地土壤的肥力特点】
土壤质地与土壤肥力关系密切,它决定土壤通气性、透水性、蓄水性、保肥性、供肥性、保温性、导温性以及土壤可耕性等。
砂土的土壤颗粒以砂粒占优势,土壤中大孔隙多而毛管孔隙少,毛管作用微弱,通气性和透水性好,不易积聚还原性有害物质,但保水性差,抗旱力弱。土壤的矿物成分主要以石英为主,养分缺乏。由于通气性好,好气性微生物活动强烈,土壤有机质分解迅速而难以累积,土壤相对贫瘠。砂土的土粒大,加之缺乏黏粒和有机质,吸附、保持养分能力低,施肥后易随灌溉和降雨而淋失,保肥性差。这类土壤含水量低,热容量较小,易增温也易降温,昼夜温差大,作物易受冷害,具有松散易耕作的特点。
黏土的土粒间孔隙小,多为极细毛管孔隙,通气、透水性差,矿物质养分丰富,特别是钾、钙、镁含量较多。黏粒有较强的吸附能力,易受渍害和积累还原性有毒物质。一般矿物质养分不易淋失,保肥力强。由于黏土通气性差,好气性微生物受到抑制,有机质分解较慢,易于积累腐殖质,故黏土中有机质含量一般比砂土高。黏土保水性强,含水量大,热容量较大,升温慢降温也慢,昼夜温差小。这类土壤干时紧实坚硬,湿时泥烂,耕作费力,宜耕期短。
壤土兼备砂土和黏土的优点,既有一定数量的大孔隙,又有相当多的毛细孔隙,故有较好的通气透水性,又有较强的保水保肥性。壤土含水较适宜,土温比较稳定,可耕性较好,宜耕期较长,适宜种植各种作物,是农业生产比较理想的土壤。
【土壤土体构型】
自然界的土壤是时间上处于动态变化、空间上具有垂直和水平分异的三维连续体,是从形态特征、物质组成、结构和功能上可以剖析的物质实体。从地面垂直向下至母质的土壤纵断面称为土壤剖面。土壤剖面中与地面大致平行的、由成土作用形成的、组成物质及性状相对均匀的各土壤层,称为土壤发生层,简称土层;由非成土作用形成的层次,称土壤层次。土壤发生层是土壤剖面的基本组成单元。土壤剖面中的土层数目、排列组合形式和厚度,统称为土体构型,又称土壤剖面构造,它是土壤最重要的形态特征之一。在同一土壤剖面中的每个土层与其上下相邻的土层之间,在土壤颜色、结构体、质地、有机质含量等方面具有明显差别。任一土壤类型均具有其特定的土壤剖面构造,并成为土壤类型辨别的重要依据。
【道库恰耶夫与成土因素学说】
道库恰耶夫是成土因素学说的创始人。19世纪80年代,他利用土壤地理比较法,对温带草甸、草原区的土壤进行调查研究。在此基础上,他于1883年发表了著名专题论文《俄国黑钙土》,首创“黑钙土”一词,并且确立了将土壤作为一系列成土因素作用于母质而形成的独立自然体。道库恰耶夫指出,土壤有它自身的起源,始终是母岩、有机体、气候、陆地年龄和地形综合作用的结果。土壤与成土因素之间的发生关系式为:H=f(K,O,R,P)T,其中,H土壤,K气候,O生物,R岩石,P地形,T时间。
该关系式明确表示了以下三个方面。①土壤是母质、气候、生物、地形和时间等五种自然成土因素综合作用的产物。②所有的成土因素始终是同时同地、不可分割地影响着土壤的发生和发育,它们同等重要和不可替代地参与了土壤的形成过程。各个因素的“同等性”绝不意味着每一个因素始终、处处都在同样地影响着土壤形成过程。对于某个具体土壤形成过程而言,每个成土因素在土壤中所表现出的特点或个别因素的相互作用,都有本质上的差别,其中必然是某个成土因素为主导因素。③土壤是永远发展变化的,即随着成土因素的变化土壤也在不断地形成和演化。土壤有时进化,有时退化以至消亡,是一个动态的自然体,是一个有生有灭的自然体。成土因素有地理分布规律和规律性变化,随着时间与空间的不同,成土因素及其组合方式会有所改变,因而土壤不断地发生变化。
【原始成土过程】
在裸露的岩石表面或薄层的岩石风化物上着生低等植物,如地衣、苔藓,以及真菌、细菌等微生物。在低等植物和微生物的作用下,岩石风化物开始累积有机质,并为高等植物的生长发育创造了条件。这是土壤发育的最初阶段,即原始土壤的形成。
本过程基本可分三个阶段:①出现自养型微生物的岩漆阶段;②出现各种异养型微生物,如由细菌、黏液菌、真菌、地衣共同组成的原始植物群落,着生于岩石表面与细小孔隙中,通过生命活动使矿物进一步分解,使细土和有机质不断增加,即地衣阶段;③苔藓阶段,生物风化与成土过程的速度大大加快,为高等绿色植物的生长准备了肥沃的基质。
【土壤有机质积累过程】
土壤有机物质的转化是指进入土壤中的各种动植物残体,在土壤微生物的参与下,一方面把复杂的有机质分解为简单的化合物,最后彻底分解为无机化合物,该过程称为矿质化过程;另一方面是分解后的较简单的产物,被土壤微生物重新合成为更复杂的有机质即腐殖质,该过程称为腐殖质化过程。
土壤有机物质的矿质化过程包括不含氮碳水化合物的分解,含氮有机物质的氨化、硝化和反硝化作用,含磷和含硫有机化合物的分解作用,以及脂肪、单宁和树脂等有机物的分解等。这些过程在好气条件下进行时,生成二氧化碳、水和其他的矿物质养分,其分解速度快、彻底,放出大量热能,不产生有毒物质;在厌氧条件下进行时,速度慢,分解不彻底,释放的热量少,除产生植物所需养分外,还产生较多的还原性有毒物质,如甲烷、硫化氢、氢等。
影响有机质分解的因素主要有以下两方面。一是土壤环境条件,包括土壤的通气性、干湿状况、土壤温度和土壤酸碱度。这些条件通过影响土壤中微生物的活动而影响有机物质的分解。凡是有利于微生物活动的,都有利于有机物质的分解,反之则分解受到阻碍。二是有机物质的碳氮比。有机物质中所含的碳素与氮素的比例,称为碳氮比,其值过大的有机质分解缓慢。土壤微生物的繁殖同时需要碳和氮,碳是能量的来源,氮是构成细胞的要素。当有机物被分解时,碳变为二氧化碳而大多散失,氮则被摄取而留在微生物细胞中,如有剩余的氮,它多以化合物的形式留在土壤中。碳氮比过大,则氮供应量不足,于是微生物的活动受到限制,因而有机物质的分解就变慢。一般来说,碳氮比值在25:1-30:1时,最有利于有
机质的分解。
有机质在土体中的积累是生物因素在土壤形成过程中的具体表现,但生物创造有机质及其分解与积累又常受到气候与其他成土因素的综合影响。
【土壤盐渍化、碱化过程】
盐渍化过程指易溶性盐类在土体上部的聚积过程。这是干旱少雨气候带及高山寒漠带常见的现象,特别是在暖温带荒漠,土壤盐类积聚最为严重。成土母质中的易溶性盐类,富集在排水不畅的低平地区或凹地,在蒸发作用下,盐分向土体表层聚集,形成盐化层。其中硫酸盐和氯化物是突岀的盐类,硝酸盐和硼盐出现很少。
碱化和盐化有密切联系,但有本质区别。土壤碱化是指土壤吸收复合体上钠的饱和度很高,即交换性钠占阳离子交换量的20%以上,水解后释出碱质,其pH可高达9以上,呈强碱性反应,并引起土壤物理性质恶化的过程。碱土的表层就会积滞碱性反应的水分,使土壤腐殖质扩散于碱液而被淋溶,并在下层形成不透水的碱化层。
【气候对土壤形成的作用】
气候对土壤形成的作用,主要是温度、降水、风等因子综合作用的结果。温度及其变化对土壤矿物体的物理崩解、土壤有机物与无机物的化学反应速率具有明显的作用;对土壤水分的蒸散、土壤矿物的淋溶与沉淀、有机质的分解与腐殖质的合成都有重要的影响,从而制约土壤中元素迁移转化的能力和方式。降水对矿物风化和土壤形成过程有重要的影响,水分是许多矿物风化过程与成土过程的媒介与载体。风对成土过程的影响是巨大的,也是多种多样的。风力导致土壤表层粉粒大量流失,即土壤被风蚀沙化;风力堆积作用常造成土壤物质组成的变化。
【母质对成土过程的影响】
在一些土壤形成过程中,母质因素起着重要的作用。在富含碳酸盐母质上发育的土壤,因其盐基含量丰富从而保持较高的土壤酸碱度,同时也抑制了土壤中铁、铝的迁移转化。在其他成土因素相同或类似的情况下,母岩或母质起主导作用形成的土壤称为岩成土壤或岩成土系列。如在热带、亚热带石灰岩上发育的钙质湿润雏形土、淋溶土和富铁土(或具有石灰性、中性和酸性的红色石灰土),在紫色砂页岩上发育的紫色湿润雏形土和新成土,在火山沉降物(火山灰)上发育的土壤。其中,石灰土和紫色土在颜色、质地、化学性质上均保持了母质的某些特性,被称为初育土。如果说在宏观地理研究方面,注重气候因素对土壤产生的影响,那么在一定的气候条件下,则应将注意力集中到研究母质对土壤产生的影响上。在一定的地理区域内,其他成土条件相似的情况下,土壤发生和土壤性状与母质有着紧密的发生学关系,土壤类型的不同主要是母质不同造成的。
【地形对土壤形成的影响】
地形作为土壤形成发育的一个空间条件,在成土过程中深刻地影响着土壤和环境之间进行物质、能量交换的过程,是土壤形成过程中重要的影响因素之一。地形对成土过程的作用与母质、气候、生物等不同,最重要的差异在于地形因素与土壤之间并没有物质(不提供任何新的物质)与能量的交换,其主要通过影响其他成土因素对土壤形成起作用,即地形只是引起地表物质与能量的再分配(如地形影响土壤温度、水分和成土母质再分配等),从而间接影响土壤发育的方向和强度。毫无疑问,地形与土壤之间相互作用的界面是土壤发生过程的一个重要“地带”。地形的作用主要表现在大、中、小不同尺度的地形,以及海拔、坡向、坡长、位置、地表形态和地形演变对土壤发育的影响。
【土壤形成的时间因素】
各种成土因素中,母质和地貌是比较稳定的影响因素,气候和生物则是比较活跃的影响因素,时间因素则是有别于其他成土因素的一类特殊因素。实际上时间因素是成土过程的历史背景,在成土过程中作为一个强度因子反映出土壤在各种成土条件的共同作用下所经历的阶段和效果。任何事物的发生发展都离不开具体的时间、地点和条件。考虑成土过程的时间因素可促使人们用动态的发生观点去研究土壤。各种成土因素在土壤形成中的作用随着时间的演变而不断变化。
【土壤形成的人为因素】
人类活动对土壤形成的影响主要表现在通过不同的土地利用方式,改变成土因素作用于土壤的形成与演化。在各种土地利用方式中,以改变地表生物状况的影响最为突出,典型例子是农业生产活动,它以稻、麦、玉米、大豆等一年生草本农作物代替天然植被。这种人工栽培的植物群落结构单一,必须在大量额外的物质、能量输入和人类精心的护理下才能获得高产。因此,人类通过耕耘改变土壤的结构、保水性、通气性;通过灌溉改变土壤的水分、温度状况;通过农作物的收获剥夺本应归还土壤的部分有机质,改变土壤的养分循环状况;再通过施用化肥和有机肥补充养分的损失,改变土壤的营养元素组成、数量和微生物活动等。最终,人类将自然土壤改造成为耕作土壤。
人类活动对土壤的积极影响是培育一些肥沃、高产的耕作土壤。例如,长江下游的太湖平原和中游的云梦泽,在自然状态下原来是草甸土和沼泽土分布的区域,经过人们几千年的改造,培育成了稳产、高产的水稻土。又如,陕西关中地区原来在黄土母质上形成的褐土,由于在长期农业生产活动中施用土粪,熟化的耕作层不断加厚,形成了垆土。人为干预措施得当,符合土壤肥力发展的客观规律,便产生有益的效果,否则产生有害的后果。例如,在盐化土壤地区,采取引水洗盐与深沟排水相配合,降低地下水位就能有效地改良盐土,消除盐害;反之,如灌溉不当,抬高了高矿化度地下水的水位就会造成土壤次生盐渍化。20世纪50年代我国的引黄灌溉,就曾导致大面积土壤的次生盐渍化。当前世界人口迅速增长,人口与土地、环境的矛盾日益突出,要特别注意一些非理性的人为活动对土壤发生、发展造成的消极影响。
【土壤水分状况】
对于正地形表面的土壤而言,土壤水的收入项是大气降水,支出项是表土蒸发与植物蒸腾,以及对地下水的补给。由于气候湿润状况决定大气降水量、表土蒸发量及植物蒸腾量,因此气候湿润状况是决定土壤水分状况的重要外部因子。按照美国土壤系统分类的标准,土壤水分状况划分为潮湿、湿润、干润、夏干、干旱五个基本类型。除了潮湿的土壤水分状况与负地形,特别是湿润气候区的负地形密切相关之外,其他的土壤水分状况均决定于气候的湿润状况。气候的水分因素即干湿度,同时取决于降水和水分蒸发,后者又与温度有关。有研究者指出湿润的土壤水分状况通常岀现在排水良好的湿润气候区,干润的土壤水分状况通常出现在半湿润气候区及热带、亚热带的季风气候区,夏干的土壤水分状况仅出现在地中海气候区,干旱的土壤水分状况仅出现在温带干旱荒漠气候区和亚热带干旱荒漠气候区。
【土壤与人类社会发展】
土壤是自然地理要素、人类活动和时间综合作用的产物,它不仅是自然地理环境的重要组成部分,同时也是人类赖以生存、生产和发展所必需的物质基础和条件,是人类劳动的对象和产物,是一种极为重要的自然资源,具有物质生产功能和环境净化功能。随着人类社会的发展,保持土壤的生产物质资料功能和稳定土壤的环境净化功能直接关系到人类自身的生存安全问题。可以说人类面临的社会问题,无论是人口、能源,或是环境、生态都与土壤及土壤系统密切相关。一般认为土壤的重要作用有:保持生物的活性、多样性和生产性;调节水体和溶质的流动;过滤、缓冲、降解、固定并解毒无机和有机化合物;储存并使生物圈及地表养分和其他元素进行再循环;支撑社会经济构架并保护人类文明遗产。因此,土壤与人类社会发展的关系集中表现为人类活动对土壤肥力的改造作用和土壤对生态环境的稳定作用两个方面。
1.土壤肥力与人类活动。
土壤肥力指天然植物或作物在生长过程中,土壤具有能为之延续不断地提供营养物质(水分、养分)和协调环境条件(空气、热量)的能力。土壤肥力是土壤的本质属性。在自然因素综合作用下形成的土壤称为自然土壤,它具有稳定、均匀、充足、适合地提供植物生长发育的能力,又称自然肥力。土壤自然肥力的高低决定着天然植物生产量的高低,是土壤生产能力的标志之一。一般来说,当自然土壤在被开垦利用之后,土壤受自然因素作用的同时,也承受人类活动的影响。人类在利用土壤资源用于物质生产的过程中,有意识地改变土壤与地理环境要素之间的物质迁移、能量转化过程和成土方向。人类通过改良、施肥,使自然土壤肥力不断提高。经过人类耕作等措施形成的土壤肥力又称人工肥力。
在一些自然生态环境较为脆弱的地区,土壤资源的开发利用存在一定的风险,过度利用和利用不当,都会引起土壤肥力下降,导致土壤退化,如土壤侵蚀、土壤风蚀沙化、土壤污染、土壤盐碱化等。
2.土壤自净能力与人类活动。
土壤自净能力是指土壤对进入土壤中的污染物通过复杂多样的物理、化学及生物过程,使其浓度降低、毒性减轻或者消失的性能,又称土壤的环境容纳量。有的学者称这种性能为土壤的“净化器”功能。按照土壤对污染物质吸纳降解的方式与过程,土壤自净能力可分为物理自净、化学自净、物理化学自净、生物自净等。随着现代工业社会的发展以及环境污染物的类型和数量增多,土壤的这种环境净化功能越来越显著。但土壤的自净能力是有限、有条件的,利用不当将会导致土壤自净能力的衰竭以至丧失。现代农业高强度地施用化肥和化学农药,已经加重了区域土壤的自净负荷,对区域土壤产生了深刻的影响。如果再叠加大量工业“三废”(废渣、废水和废气)、生活污水与生活垃圾等,土壤自净能力将超过“阈值”,形成日益严重的土壤污染。土壤污染不但直接影响农副产品品质,威胁人类健康与安全,也降低土壤维护和改善人类生存环境质量的作用。因此,客观评价区域土壤类型的自净能力,适度利用土壤的自净功能,寻找修复被污染土壤自净能力的新技术途径,将成为人类合理利用土壤资源的重要研究与应用领域。
【北京“7·21”特大暴雨】
2012年7月21日,北京市突降特大暴雨,降雨总量之多历史罕见。气象观测显示,除延庆外,北京90%以上的行政区域降雨量都在100毫米以上,全市平均降雨量170毫米,城区平均降雨量为215毫米。11个气象站观测到的雨量突破了建站以来的历史极值,部分地区一天降雨量达到甚至超过了年平均降雨量。有记录的最大降雨量出现在房山区河北镇,为460毫米,达到了特大暴雨量级。
本次强降雨历时之长历史罕见,强降雨持续近16个小时。本次暴雨过程中的短时雨强也同样惊人。气象上规定,24小时降水量为50毫米或以上的强降雨称为暴雨,但在“7.21”暴雨中,北京有些地区一小时内的降雨量就超过了50毫米,平谷挂甲峪更是高达100毫米,雨强之大超乎想象。全市最大降雨点房山区河北镇为460毫米,接近五百年一遇,城区最大降雨点石景山模式口为328毫米,达到百年一遇;小时降雨超70毫米的站数多达20个。局部洪水之巨历史罕见。拒马河最大洪峰流量达2500立方米每秒,北运河最大流量达1700立方米每秒。
受强降雨影响,首都机场21日全天共取消航班571架次,延误航班701架次,最高峰时有近8万人滞留机场。暴雨还导致京港澳高速公路出京方向17.5千米处的南岗洼铁路桥下严重积水,积水最严重时,被淹路段长约900米,平均水深4米,最深处6米,桥下积水20余万立方米,81辆汽车被困水下。全市主要积水道路63处,积水深30厘米以上路段30处;路面塌方31处;3处在建地铁基坑进水;轨道7号线明挖基坑雨水流入;5条运行地铁线路的12个站口因漏雨或进水临时封闭,机场线东直门至T3航站楼段停运。
这场暴雨由于雨量大,雨势强,北京出现严重城市内涝,部分中小河流和水库出现汛情。全市受灾人口达1602万人,因灾造成经济损失116.4亿元。
【海绵城市的建设途径】
顾名思义,海绵城市是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市建设应遵循生态优先等原则,将自然途径与人工措施相结合,在确保城市排水防涝安全的前提下,最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化,促进雨水资源的利用和生态环境保护。在海绵城市建设过程中,应统筹自然降水、地表水和地下水的系统性,协调给水、排水等环节,并考虑其复杂性和长期性。
海绵城市的建设途径主要有以下几方面。一是对城市原有生态系统的保护。最大限度地保护原有的河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区,留有足够涵养水源、应对较大强度降雨的林地、草地、湖泊、湿地,维持城市开发前的自然水文特征。这是海绵城市建设的基本要求。二是生态恢复和修复。对传统粗放式城市建设模式下,已经受到破坏的水体和其他自然环境,运用生态的手段进行恢复和修复,并维持一定比例的生态空间。三是低影响开发。按照对城市生态环境影响最低的开发建设理念,合理控制开发强度,在城市中保留足够的生态用地,控制城市不透水面积比例,最大限度地减少对城市原有水生态环境的破坏。同时,根据需求适当开挖河湖沟渠、增加水域面积,促进雨水的积存、渗透和净化。
海绵城市建设应统筹低影响开发雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统。低影响开发雨水系统可以通过对雨水的渗透、储存、调节、转输与截污净化等功能,有效控制径流总量、径流峰值和径流污染。城市雨水管渠系统即传统排水系统,应与低影响开发雨水系统共同组织径流雨水的收集、转输与排放。超标雨水径流排放系统用来应对超过雨水管渠系统设计标准的雨水径流,一般通过综合选择自然水体、多功能调蓄水体、行泄通道、调蓄池、深层隧道等自然途径或人工设施构建。以上三个系统并不是孤立的,也没有严格的界限,三者相互补充、相互依存,是海绵城市建设的基础元素。