問題研究 如何讓城市不再“看�！苯處熃虒W用書
第五章 植被與土壤
問題研究 如何讓城市不再“看海”
【設計思路】
本章主題是植被、土壤及其與地理環境、人類活動的關系,內容的綜合性、實踐性都很強非常適合開展綜合性活動教學,培養學生的綜合思維和地理實踐力。同時植被、土壤利用過程中存在的問題與學生的日常生活息息相關,是地理環境與人類活動關系的生動寫照。選擇這類主題開展活動教學和研究性學習,也能夠較好地把人地協調觀的培養落到實處。因此,教材在學生熟悉了水、土壤、大氣、生物等自然地理環境要素之后,設計了一個需要綜合各要素看問題的研究性學習-如何讓城市不再“看海”。
近些年來,我國城市內澇問題較為嚴重,從南方的廣州,至北方的北京,許多城市在暴雨后出現嚴重的內澇。我國城市暴雨內澇的原因主要有以下三個方面。其一,受季風氣候影響,雨季多暴雨,且近些年隨著全球變暖,極端天氣頻發,大暴雨、特大暴雨概率增大。其二,我國城鎮化發展迅速,城市面積擴展較快,但城市下水道等排水設施標準較低,且跟不上城市化的步伐。其三,城市大面積土地表面被硬化,暴雨時絕大部分降水形成徑流,且產流快而急。在上述原因中,暴雨非人力所能控,城市下水及排水設施屬于工程和城市建設問題,只有最后一個方面可根據地理原理探討解決。因此,教材設計從發揮土壤蓄水功能的角度探討解決城市“看海”問題的方法。
教材將此問題研究主要設計為三個步驟:了解城市“看海”與土壤功能缺失的關系;查尋人們為控制城市雨洪所采取的措施或努力;探索我國大多數城市解決“看海”問題的現實困難和可能的應對措施。
第一步需要的知識背景包括水循環、土壤的蓄水功能和城市地面被硬化的原因。水循環的知識在第三章已經學習過,城市地面被硬化的原因可看作是常識,于是,教材重點給出“城市洪水與土壤蓄水功能缺失”的資料。在自然狀況下,降水時,一部分降水被植被截留和下滲入土壤,剩余的降水形成地表徑流。城市地表多被硬化,因而少了下滲環節,所以絕大部分降水直接轉化為地表徑流。
土壤蓄水量取決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,土壤蓄積雨水的多少還與土壤含水量有關。土壤含水量越大,可以蓄積的雨水就越少。在南方地區,雨季時經常下雨,當土壤中水含量達到飽和狀態,就不能再蓄積雨水了。但是,北方地區雨季較短,降水又多以暴雨形式出現,在暴雨時土壤蓄積雨水的能力相當強。教材按理想狀況說明“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,可見,正常情況下,北方地區城市如能發揮土壤的蓄水功能,一般不會出現城市“看海”的情況。教材在資料中提及北京“7·21”暴雨洪澇,是把北京作為北方地區城市的代表來研究,以此說明城市大面積土地表面被硬化,成為北方地區城市暴雨洪澇的重要原因。
充分發揮自然土壤的蓄水功能,在人地關系中只是順應自然的做法。從人地協調觀的培養而言,改造自然是必然的。城市是人類對自然干預最強烈的地方,城市土地表面被硬化是人類應對城市生產和生活而對自然實施改造的必然結果。更何況,對城市土壤層的改造不只是考慮雨洪控制,還應綜合考慮城市水資源的蓄積和利用、美化城市環境、豐富城市生態系統等方面的需要。因此,教材將研究的視野擴大、深化,提供雨水花園、海綿城市等資料,引導學生實施第二步研究。
雨水花園從20世紀90年代出現后,因其對解決城市雨洪問題效果顯著,很快在世界范圍內得到推廣、改良。雨水花園不僅充分考慮了土壤的蓄水功能對解決城市雨洪的重要意義,而且對土壤經過人工不同層次物質的有序疊置,其功能遠勝于自然土壤功能。樹皮覆蓋層有利于雨水下滲并攔截地表雜物。種植土層維持生長綠色植物的功能。種植土層、人工填料層、砂層可對下滲雨水起過濾和凈化作用。蓄積的雨水可通過導水管引出使用。雨水花園除對雨水具有下滲、凈化、蓄積、利用等作用外,還具有美化環境、增加生態系統多樣性、調節局地小氣候等作用。雨水花園規模較小。在雨水花園的基礎上,我國學者放寬視野,設想將城市建設成類似的雨水花園,于是便提出海綿城市的概念。在城市內澇嚴重、受災城市較多、災害損失較大的背景下,我國很快將海綿城市的概念轉化為實踐,并在全國范圍內選擇一些城市進行試點。從海綿城市示意圖可以看出,其功能與雨水花園類似,也就是說地表以下部分按雨水花園的原理人工建設。海綿城市的建設還可以一勞永逸地解決城市地表水污染的問題,大大提升城市生態系統的功能。目前,我國在海綿城市建設中已經出現了一些比較成功的案例。
無論是雨水花園還是海綿城市,其出發點都是改變地表被硬化的方式,促使降水盡快下滲并在地表以下儲蓄起來。在城市用水緊張的狀況下,有效收集雨水并能加以利用,又成為雨洪控制后的另一目標。所以,需要對地表以下進行改造,通過人工疊置填充層,不僅加大地表以下的蓄水量,還可以對雨水進行過濾、凈化,最終加以利用。由此,還有效解決城市水污染問題,進一步改善城市環境,推進城市生態文明建設。
然而,與雨水花園相比,海綿城市的建設工程量和投資額皆巨大。此外,對于新建城區相對容易實施,對于已建城區還需考慮對既有生活和生產的影響,難度較大。所以,海綿城市的建設試點并不是從整個城市開始,而是每個試點城市選擇一些住宅小區、河流段等,逐步推進。為此,教材提出該問題研究的第三步,促使學生針對現實問題探討應對之策。
我國不同地區,城市“看海”問題的原因有差異,解決措施也應有差異。教材在問題研究的設計中將此作為一條隱線穿插其間。這也提示學生要立足于當地情況進行該問題的研究。
【實施建議】
鑒于本章所涉內容標準均高度強調“地理實踐力”的培養,因此本“問題研究”教學的核心是如何促進學生基于實地調查和實例分析對“城市內澇的形成與治理”問題進行自主、合作、探究。
問題情境
一、根據校情、學情對研究主題和內容進行二次開發
如何讓城市不再“看海”只是一個話題,其本質是要學生探討植被、土壤及其與地理環境、人類活動的關系。因此開展研究之前,教師可以圍繞土壤蓄水功能這一主題,依托教材給出的基本素材,根據學校所在地區旱澇記錄和學生區域知識背景等實際情況,重新設計、細化研究主題,進而對資料進行補充和改編。例如,干旱區的農村學�？裳芯�“如何發揮土壤攔蓄功能減少旱災”,更好地呼應教材中土壤蓄水、保水功能有利于農作物抵御適度的旱情等知識;所在城市內澇發生頻率較高的學�？商鎿Q教材中北京的案例;海綿城市試點市的學�？墒占臼袣庀髿夂蚪y計資料、海綿城市規劃方案等,供學生研討時使用。
二、基于知識學習創設豐富的、貼近生活的問題情境
在學習完土壤功能之后,利用課堂時間展示本地旱澇災害的視頻、圖片等資料,結合北京等城市內澇的視頻報道,由近及遠、由點及面再現城市內澇的場景,讓學生體會我國城市內澇問題對人們的生產生活帶來的嚴重影響。同時可適當拓展,即城市雨洪泛濫不僅引發了城市內澇,而且加劇了污染物擴散、水資源匱乏等諸多問題。
三、利用問題情境激發認知沖突,提高學生作為“研究主體”的積極性
問題研究能否有效開展的關鍵在于是否激發了學生的問題意識。在展示城市內澇場景之后,教師要利用沖突畫面進一步深化情境,一方面呈現城市通過渠化河道、拓寬地下水道建設防洪設施;另一方面呈現城市內澇頻繁發生。由此幫助學生從學習材料中產生認知矛盾和沖突,讓學生自己提出問題,如“為何越來越多、越來越龐大的水利工程沒有解決城市內澇問題”,并以學生自己的問題統領教材資料分析中提出的問題。
研究過程
城市“看海”本質上是人水矛盾的激化,是人類活動改變水循環自然過程的不良結果。具體地說,就是城鎮化和各項“灰色”基礎設施(與海綿城市、雨水花園等“綠色”基礎設施相對應)建設導致植被破壞、水土流失、硬化地面增加、濕地銳減、河湖水體破碎化、地表水與地下水連通中斷等問題,極大改變了下滲、徑流等水循環環節,總體呈現匯流加速、徑流增加、洪峰加高加快的趨勢。因此,如何讓城市不再“看海”是一個跨尺度、多要素的復雜問題,其治理是一個跨地域、跨部門、跨學科的系統工程,涉及規劃、建筑、排水、水利、道路、園林、土壤、水文等多個專業。讓高一學生研究如此宏大課題需要為其提供一個小的切入點、一條清晰的線索和一組恰當的資料。
研究前可把城市土壤蓄水功能的喪失作為課題研究的切入點,先請學生注意教材在資料1中給出的“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,這與2012年7月21日北京發生嚴重暴雨洪澇災害時全市“平均降水量170毫米”形成了鮮明對比,也就是說,如果土壤能夠充分發揮蓄水功能,暴雨與排水之間的矛盾可能不會激化,如此嚴重的城市內澇就可能不發生。進而很自然地引導學生去探尋問題的癥結,并提出解決方案。這是該問題研究的基本線索。
指導學生研究時,教師要提醒學生遵循上述基本線索,充分利用教材中的資料,結合實地調查、實驗,小步子、分層次地對城市內澇的形成原因和解決方案進行論證。
研究后期的研討可以圍繞每個資料后的問題展開,這些問題實際上是對總問題的細分。探討問題時要深入分析、充分運用甚至質疑給定的資料,例如,“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”能在短時間內完成嗎?對所列的問題可進一步細化、拓展,例如,海綿城市中哪些設施能夠充分發揮土壤的蓄水功能?分析解決方案的可行性,例如,雨水花園、海綿城市能否徹底讓城市不再“看海”?
同時,教師要遵循研究思路,針對細分問題帶領學生收集補充資料,引導學生對于案例城市(如北京)洪澇產生的地理背景和問題癥結全面、深入地了解,并能夠根據這些資料分析雨水花園、海綿城市實施前可能遇到的各種障礙和實施后產生的積極影響,從而培養學生發散思維的能力和運用地理視角分析現實地理問題的能力。具體研究過程可劃分為以下五個階段。
第一,進入問題情境。學生對城市內澇的現狀有深切的感受和了解,對其危害有初步的認識,形成積極開展研究的興趣和意向,并初步調用本章知識對其形成原因和治理措施有大致判斷。
第二,明確研究思路。學生根據問題情境提出問題,結合教材提出的問題,對如何不再讓城市“看海”進行問題細分,并根據自己興趣選擇具體問題,形成研究小組,制定研究方案,例如,如何測算學�；蛐^的硬化地面比例,如何實驗模擬硬化路面、綠地對雨水攔蓄效果,如何查詢所在城市河道暴雨前后的徑流變化,等等。
第三,實踐深化認識。學生能夠從所在地區城市雨洪管理實際情況出發,按照教材資料分析的提示,進行實地調查、實驗模擬,對硬化地面的不良影響、城市綠地和濕地的生態功能等有感性認識,同時收集、分析資料,結合具體案例深化對雨水花園、海綿城市的認識。
第四,分析解決問題。學生能夠運用水循環、植被與環境的關系、土壤功能等知識,遵循教材建議的研究思路,充分運用實地調查和資料收集獲取的信息和證據,結合實例對我國城市內澇的基本成因、現實困擾和應對措施進行分析、論證。
第五,交流展示成果。學生能夠運用科學的語言、準確的圖像、正確的邏輯關系表達個人或小組論證的結果,對他人的研究成果進行點評,對自己的研究過程進行反思,對如何充分發揮植被、土壤的攔蓄功能讓城市不再“看海”,達成開放而有方向性的共識。
五個階段中,第一階段需要教師對問題本身有深入的研究,并進行情境設計與問題引導。第二階段需要教師具體指導制定研究方案。第三階段需要教師幫助學生聯系支持單位,指導學生有針對性地收集、整理資料,并運用過程性評價來調控學生的分工合作以及實踐過程。第四階段需要教師引導學生根據教材“知識拓展”的思路和“資料分析”的提示,對所列問題深入探討。第五階段需要教師有寬容與欣賞的評價態度,激發學生暢所欲言,形成思維碰撞和交流。
知識拓展
資料1 城市洪水與土壤蓄水功能缺失
知識拓展的基礎是知識鞏固。因此,在分析本資料前,要引導學生復習“土壤蓄水功能”,引導學生遷移和應用該部分知識,探討改變城市下墊面對土壤蓄水功能的影響,即硬化地面的弊端。這樣不僅有利于學生靈活地掌握和應用正文知識,而且還可以讓學生在問題研究過程中將正文知識和拓展延伸出來的知識糅合到一起,形成合理的知識結構。
知識拓展要注重學生發散思維的培養。因此,在引導學生運用該資料時要提醒學生注意:城市洪水的成因有很多,如短時間異常強降水、湖泊濕地面積銳減、排水設施滯后等,地面硬化只是其中之一。地面硬化的不良影響也有很多,如加劇熱島效應、增加懸浮顆粒物、加劇水污染、浪費水資源等,可能導致城市內澇也只是其中之一。不能將兩者簡單因果對應起來。教材第一段即指出:如何發揮土壤蓄水功能,是解決城市“看海”問題的重要方面之一。
分析城市內澇與地面硬化的關系可通過水循環過程將兩者關聯起來,運用對比的形式呈現自然地表和硬化地面對徑流量和洪峰的影響,并結合北京“7·21”重大暴雨洪澇災發生、發展的過程對城市土壤蓄水功能喪失的嚴重后果加以闡釋。具體過程可指導學生分三步開展研究。
一、調查了解城市地面硬化的狀況。硬化地面包括的范圍較廣,主要是指用水泥、柏油、花崗巖、大理石、釉面磚等不透水的材料鋪設的城市道路、廣場、商業街、廠區、社區活動區、停車場等地面。指導學生實地調查時,可選擇學校和某個小區進行,也可通過走訪當地城市建設部門查詢數據。
二、實驗對比硬化地面和自然地表下滲和匯流狀況�？稍谑覂冗M行,分別在塑料盒內用小角度傾斜的釉面磚(下壓土)和相同面積、深度的天然帶草土塊作對比,噴灑相同水量后觀測塑料盒內的積水深度及其變化過程的差異。也可在室外進行,用水泥砂漿圍住面積相同的硬化地面和草地,噴灑相同水量后,觀測地面積水深度及其變化過程的差異。
三、查閱資料,結合調查和實驗,以北京或所在地區城市為案例,分析、討論城市過度地面硬化如何加劇城市內澇。討論時要注意引導學生認識到地面硬化是城市發展的必然產物,解決城市內澇問題不能簡單地反對地面硬化,而是控制硬化比例,采取措施降低已硬化地面的不良影響。
資料2 雨水花園
教學時,教師可先對雨水花園給予必要解釋,指出雨水花園是針對城市地面硬化弊端提出的解決方案,也是后面提出海綿城市的自然過渡。如果說海綿城市是巨大的綠色生命體,那么雨水花園就是其中的一個個細胞。解決城市不再“看海”,先要從小尺度區域和具體技術措施開始。
雨水花園又稱為“生物滯留地”,是利用自然或人工形成的地勢較低的洼地,通過植物、土壤和微生物系統蓄積、凈化雨水的“綠色”設施。
引導學生分析該資料時可突出兩點:一是雨水花園控制雨洪效果的數據,即“每棟住宅配建30-40平方米的蓄積雨水的場地”“平均減少了75%-80%的地面雨水徑流量”;二是典型雨水花園結構示意圖。教學的重點是引導學生讀圖,結合水循環知識,分析雨水花園削減地面雨水徑流的過程。讀圖時可設置如下問題:
1.雨水花園自上而下分成哪些層?
2.各層的物質組成各有什么特點?
3.各層的主要功能有哪些?
4.為何要設置最大蓄水高度?
5.導水管的作用是什么?
分析上述問題時,主要圍繞雨水的“滯-蓄-滲-凈-用-排”進行。教學時要強調,該圖展示的是雨水花園的一般結構,受地形、氣候、水文和土壤等影響,雨水花園設計有很強的地域性。同時,雨水花園的運行效果受到填充介質類型、匯流面積比、排水管布設、蓄水深度和當地氣象條件的綜合影響。分析雨水花園對徑流的控制效果以及對小區域水量平衡的影響時,不但要考慮降雨時段匯流面積、入滲量、排水量以及溢流水量,而且要考慮在非降雨時段內植物的蒸發、蒸騰量。最后要強調,雨水花園只能解決局部雨洪控制問題,要讓城市不再“看海”,還需要從城市所在區域整體出發,系統協調人水矛盾,如建設海綿城市等。
資料3 海綿城市
教學時教師可先提出:相對雨水花園,海綿城市是一個著眼全局、系統解決城市“看海”問題的可持續城市建設模式。從雨洪管理的角度看,其內涵是:現代城市應該具有像海綿一樣吸納、凈化和利用雨水的功能,以及應對氣候變化、極端降雨的防災減災、維持生態功能的能力。
引導學生分析該資料時可以圖文結合的方式,需強調三點:一是希望城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”;二是實現雨水資源化,即在下雨時吸水、滲水、蓄水、凈水,需要時能夠將水“釋放”并加以利用;三是最終目標在于提升城市生態系統功能,而非簡單地從工程上防治洪澇災害。
指導學生分析、運用該資料前可適當補充材料,了解我國城鎮化過程中人水矛盾的主要表現:一是城市建設改變了河湖水系格局和局部地形,導致河湖調蓄能力降低,城市洪澇災害頻發;二是城市污染物排放負荷超過了河湖水環境承載能力,產生了水環境、水生態惡化問題,并加劇水資源短缺;三是水資源供需壓力日趨明顯,城市水資源短缺問題普遍,全國有400余座城市缺水。資料分析的重點仍然是讀海綿城市示意圖。讀圖時可設置如下問題:
1.雨水花園可布置在圖中哪些地區?
2.圖中有哪些水體?其補給關系是怎樣的?
3.樹木、草坪、濕地公園、攔水壩、湖泊和河流對控制雨洪的作用分別是什么?
4.污水處理廠的作用是什么?還有哪些事物能起到凈化水體的作用?
5.圖中地下儲水通過哪些途徑實現?儲水又通過哪些途徑“釋放”?
6.土壤在上述補給、控制、凈化、存儲、釋放過程中分別起到什么作用?
7.圖中箭頭所示的循環過程和水循環過程有什么聯系和區別?
在點評學生回答上述問題的過程中,教師要結合試點城市成功經驗說明海綿城市建設所體現的雨洪控制理念的轉變,即應該最大限度地保護城市開發前的“海綿”要素,如原有的河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠等水生態敏感區,并留有足夠涵養水源、吸納強降雨的林地、草地、湖泊、濕地,維持城市開發前的自然水文特征。其次,合理控制開發強度,并通過低影響的設施建設,控制城市不透水面積比例,促進雨水的滲透、儲存和凈化,最大限度地維持或恢復城市開發前的自然水文循環。
最后要引導學生充分認識我國當前海綿城市建設的現實困擾,即海綿城市建設是一個循序漸進的漫長過程,受到氣象氣候條件、水文地質特點、既有土地利用構成與布局、地形及雨水管渠系統建設現狀等復雜因素的限制,現有大中城市已經很難滿足海綿城市建設的地表用地與地下管網設計等要求,單純依靠生態設施很難實現排水防澇綜合規劃控制目標。近期內實現城市不再“看海”,主要還是通過管渠、泵站、調蓄池等傳統“灰色”雨水基礎設施實現。
問題分析指引
資料1 城市洪水與土壤蓄水功能缺失
1.城市大面積土地表面硬化,改變了水循環的哪些環節?
分析該問題要針對雨洪成因進行,注意把握好三點:一是與自然地表對比,結合實驗數據說明;二是從整個水循環過程看影響,實際上特大城市大面積硬化地面影響到水循環的所有環節,如熱島效應中蒸發、局地水汽輸送的改變,雨島效應中降水的改變等;三是突出主要受影響的環節,即與自然地表相比,硬化地面對下滲的影響非常顯著,這也是導致其他環節變化的關鍵。
2.以北京為例,說明土壤對蓄積雨水和減輕洪澇災害的意義。
分析該問題要結合北京市氣候、地形等自然環境特點進行,注意把握好三點:一是要充分運用資料數據說明問題,即“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,超過了“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,但降水季節和年際變化大;三是指出北京地勢低平,部分低洼地區容易積水,但北京總體位于華北平原,土層深厚,土壤蓄水能力強。
資料2 雨水花園
1.從對雨水下滲、凈化、蓄積、利用等方面,說明雨水花園的作用。
分析該問題要緊扣教材中圖5.23進行,把握好三點:一是雨水花園與建筑物等設施的位置關系,即雨水花園相對低洼且有出水口;二是雨水花園本身的結構和材料特點;三是雨水路徑分析,即雨水進入或轉化為其他水體的過程�？傮w上說,雨水花園通過滯留雨水和地表徑流實現增加下滲,通過植物吸收、土壤和其他填充物過濾與吸附、微生物分解等作用實現凈化雨水,通過植物吸收、土壤蓄積作用實現涵養水源,通過澆灌植被、彌補公共用水等實現雨水資源化。
2.雨水花園還有哪些作用?
分析該問題要著力體現綜合思維�？山Y合城市生態環境問題從三個方面進行:一是分析雨水花園對其他地理要素的影響,如對空氣可以起到增加濕度、調節氣溫的作用,為鳥類、昆蟲、土壤生物提供棲息地,等等;二是分析雨水花園對人類活動的影響,如提供休閑觀賞景觀,保護排水管道,降解污染,等等;三是結合所在區域自然環境特征分析其生態功能,如在山城雨水花園可緩解水土流失,在干旱區雨水花園可抑制沙塵,等等。
資料3 海綿城市
1.推想海綿城市地面材料的特點。
分析該問題要緊扣教材中圖5.24進行,注意三點:一是要從功能出發進行推測,即要實現滯、滲、蓄、凈等功能,關鍵是滲;二是從結構上推測,要實現上述功能,海綿城市地面材料必須具備類似土壤的結構,特別是多孔隙的特點;三是滿足交通、建筑等對地面的要求,因而又要具備土壤不具備的結構特點,如抗壓、耐磨、不易被侵蝕等。
2.從雨水花園到海綿城市,對城市雨洪控制的思想有哪些發展?
分析該問題可從三個方面進行:一是對比雨水花園和海綿城市示意圖,從尺度、要素、過程、功能等方面進行分析,說明海綿城市控制雨洪具有跨尺度、綜合性、全時段、全要素的特點;二是海綿城市更側重于對原有自然水生態系統的保護和恢復,力求通過生態建設使城市自然水循環能夠保持原有的水文特征;三是海綿城市本質上是一種城市可持續建設模式,雨洪控制是其目標之一而非全部,海綿城市最終要實現城市防洪治澇、水資源利用、水環境保護與水生態修復的有機結合,使城市能夠減緩或降低自然災害和環境變化的影響,具有良好的彈性和可恢復性。
3.在什么自然條件下的城市宜建海綿城市?
分析該問題可從海綿城市建設的目標出發進行逆向思維。例如,海綿城市建設的目標之一就是控制雨洪,因而多暴雨、地勢低平的城市宜建海綿城市;又如,海綿城市建設追求雨水資源化,因而降水季節變化大,容易形成旱災的地區宜建海綿城市;等等。此題分析要避免認識誤區,作為一種城市可持續建設模式,海綿城市建設具有廣泛的地區適用性,因而不能草率地說沒有明顯雨洪的地區如干旱地區不適宜建設海綿城市。
第五章 植被與土壤
知識拓展
【植物在地理環境中的作用】
據估計,現存于地球上的植物有50萬種以上,分布十分廣泛,從赤道到兩極,從平原到高山,到處都可以見到,甚至在裸露的巖石上、干熱的荒漠中都有植物的分布。植物的質量占地球上有機體總質量的99%,成為生物圈有機部分的重要組成,在生物圈生態系統的物質循環和能量流動中處于關鍵地位。植物的生命活動使地球上各個圈層聯系起來,使各種物質和能量相互滲透。地球表面所有物質、能量運動以生物為轉化和循環中心,向著越來越豐富的方向發展。
植物是生產者。光合作用是綠色植物利用光能將二氧化碳和水合成有機物,并釋放氧氣的過程。植物是自然界中的初級生產者。綠色植物通過光合作用過程將光能轉化為化學能,并以各種形式(如形成糖類、蛋白質、脂肪等)貯藏能量,是一個巨大的能量轉化站和一個龐大的合成有機物質的綠色工廠。地球上其他生物和人類所需的能量和物質,都直接或間接來源于植物�？梢哉f,沒有綠色植物就沒有生命。
植物參與了自然界的物質循環。綠色植物在光合作用過程中,不斷地釋放氧氣以補充因呼吸、燃燒等過程消耗氧氣而引起的氧不足;微生物分解有機物質、動植物呼吸、火山爆發、物質燃燒等過程所釋放的二氧化碳,補充了大氣中因光合作用而用去的二氧化碳;碳、氧、氫、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣以及各種微量元素(如鐵、錳、鋅、銅等)被植物吸收后,又通過植物以各種途徑返還給自然界。植物維持了自然界的物質平衡,也使整個自然界,包括生物和非生物成為不可分割的統一體。
植物為地球上其他生物提供了賴以生存和繁衍后代的場所和物質基礎。植物不僅為人類和其他生物提供了食物、藥材、建筑材料和多種工業原料,而且創造了適于人類居住的環境。據統計,可供人類食用的植物有7500多種,歷史上曾有3000多種植物被用作食物。目前,人類種植的糧食作物大約有20多種,大多為禾谷類植物。這些作物為人類提供了約90%的糧食;發展中國家約80%的人口使用的傳統醫藥中很多是植物(如中藥),美國所有醫學處方中1/4的藥品有效成分從植物中提取。此外,植物還為人類提供了大量的原材料,如木材、纖維、橡膠、造紙原料、淀粉、油、樹脂、染料、酸、蠟、殺蟲劑等。
植物是環境的改造者。植物對環境具有強大的改造作用,表現在調節氣候、涵養水源、保持水土、土壤形成、群落演替、凈化環境等方面。植物生命活動對環境的影響還表現在參與巖石的風化、地形的改變、某些巖石和非金屬礦(硅石巖、泥炭、煤等)的形成等。此外地下水、地表水的化學成分在相當大程度上受植物生命活動的制約。
植物群落尤其是森林在調節全球以及地方、區域的氣候上都具有極為重要的作用。植被能反射太陽輻射,改變風向和風速,緩和溫度變化;能截流降水、蓄積降水,對降水起再分配作用,并通過根系吸收土壤中的水分,經蒸騰、蒸發作用將水汽送回大氣,增加大氣濕度,加速降水過程,促進水分循環。
植物具有涵養水源、保持水土的作用。植物能截留降水,降雨時雨水首先沖擊樹冠,然后穿過枝葉落地,不直接沖刷地面,從而減少表土的流失,同時樹冠本身還能積蓄一定數量的雨水。另外,林地土壤疏松,枯枝落葉、苔蘚等覆蓋物能吸收數倍于自身重量的水分,使附水慢慢下滲,減少了地表徑流,同時減少地面蒸發。
土壤的形成過程、土壤肥力的產生與植物的繁育存在密切關系。生物因素是促進土壤發生、發展最活躍的因素。在植物的作用下,大量的太陽能被引進成土過程,使分散在巖石圈、水圈、大氣圈中的營養元素有了向土壤積聚的可能,使土壤具有肥力的特性,推動了土壤形成和演化。在一定程度上講,土壤的形成就是母質在一定條件下被生物不斷改造的過程。例如,生活在巖石表面的地衣、苔蘚等分泌一些酸性物質溶解巖面,并積蓄空氣中的物質和水分,促進土壤的形成。實際上,植物群落組成的改變,必然會導致土壤新特征的產生。
植物參與湖泊沼澤的發展演變。苔蘚植物生長快、吸水力強,能使沼澤陸地化或使森林沼澤化。水生或濕生的蘚類常在湖泊或沼澤形成廣大群落。這些蘚類往往吸干積水,其遺體堆積成很厚的蘚層,填平洼地,其他水生植物和濕生的種子植物也逐年侵入蘚類群叢中。隨著蘚群生長面積日益擴大,湖泊或沼澤的凈水面逐漸縮小,久而久之,湖泊或沼澤日益淤積而干涸,逐漸陸地化,陸生的草本、灌木和喬木接踵而來,湖泊或沼澤便逐漸演替成森林。在寒冷的北方針葉林地帶中,往往由于過分繁茂的苔蘚植物大量吸收水分和使土壤酸性增大,抑制森林的生長,影響樹種的萌發和林木的天然更新,導致林木生長停滯或逐漸死亡,逐漸使森林演變成沼澤。
植物具有凈化環境的作用。植物通過光合作用清除空氣中過多的二氧化碳。某些植物的葉片粗糙多毛,或分泌黏液和油脂,能吸附空氣中的飄塵。據監測,一般有行道樹的街道,在離地面1.5米高的空氣層中含塵率比沒有樹的街道低一半左右。有些植物能吸收空氣、水體和土壤中的有毒物質,減少環境中毒物的含量,使某些毒物在體內分解而轉化為無毒物質。植物表面的氣孔和絨毛等結構可吸收聲波,樹葉、枝條等對聲波具有反射和折射作用,故植物具有降噪的作用。某些植物對有毒氣體特別敏感,即便有毒氣體濃度極低也能出現受害癥狀,可以指示環境污染程度。
綜上所述,植物生命活動有力地推動了自然環境的發展變化,植物既是人類活動的必需資源,又是人類生存的基本條件。
【植物群落的外貌】
植被并不是各種植物雜亂無章的聚合體,而是在自然環境下,由不同種的植物在一定地段形成的有規律的組合。這種一定地段上植物群的組合,稱為植物群落。因此,也可以說,植被是由不同的植物群落組成的。植物群落具有一定的種類組成、結構和生產量,其中植物之間,以及植物和環境之間,構成一定的相互關系。
植物群落的外貌是植物群落與環境長期適應的反映,是認識植物群落的基礎,也是區分不同植被的主要標志。植物群落的外貌主要包括生活型、葉的性質和周期性三個方面。
生活型是指植物對其生態環境長期適應而具有的相似的形態外貌、結構和習性。草本、灌木與喬木,常綠與落葉,芽發的位置,花開的位置等,都是植物生活型的表現。生活型分類標準有多種。常用的有兩種,一是根據休眠芽在不良季節的著生部位來劃分,將陸生植物分為高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物和隱芽植物。二是以植物營養器官(莖和葉)的多方面形態特征來劃分,將植物分為木本植物(又細分為喬木、灌木、竹類、藤本植物、附生木本植物、寄生植物)、半木本植物(又細分為半灌木、小半灌木)、草本植物(又細分為陸生草本植物和水生草本植物)、葉狀體植物(包括苔蘚及地衣、藻菌植物)。不同種的植物可能具有相同的生活型,同一種植物在不同的環境中可能呈現不同的生活型。一定的植被類型,一般都以某一兩種生活型占優勢。
葉的性質一般包括葉級(葉的面積)、葉型(單葉或復葉)、葉質(葉的質地)和葉緣等。例如,熱帶雨林植物以中葉和大葉占比例最高,而我國南方的常綠闊葉林則以小葉和中葉占比例最高。又如,落葉闊葉林的葉質為草質,而常綠闊葉林的葉質多為革質。
植物群落外貌的周期性是指隨季節更替而發生相應的以一年為周期的變化。這種因季節更替而出現的外貌變化,稱為季相。在四季分明的溫帶地區,植物群落的周期性外貌變化最為明顯。在溫帶草原上,有時因種類組成復雜,或降水較少,往往出現更為復雜的季相更替。相對而言,在亞熱帶特別是熱帶森林里,季相的變化不如溫帶顯著,常以喬木花期或果期顯出季相的差異。
【植物群落的演替】
植物群落的演替是指在一定地段一個植物群落被另一個植物群落替代的過程。演替現象貫穿群落以至植被發展的始終,表現為植被由低級到高級、由簡單到復雜的發展過程。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處于不同發展階段的植被,通過比較植被間的差異來推斷植被的發展順序。
新近形成的裸地一般呈斑塊狀,由于過分潮濕或過分干燥,或遭受機械干擾,或缺乏養分,對于植物的生長來說常常處于自然界的極端狀態。這些裸地對于植物僅有的有利條件是可以暫時避免生存競爭,因此,遷移能力強、個體矮小的植物首先進入裸地。經過一段時間的發展,局地小氣候以及土壤條件得到改善,最初集聚的植物不能在改善的環境中產生新的籽苗,而改善的環境較適宜區域性的一些植物的幼苗生長。于是,區域性植物逐漸滲入。由于新進入的植物比最初集聚的植物一般要大,最后就會超過并抑制它們的先驅者。這便是植物群落原生演替的概要過程。
對于植物群落演替的理論,科學家對其研究方法和理論本身都存在很大的爭議,并且嘗試用其他方法進行研究。盡管如此,對于描述和研究植被的發展,群落演替理論仍然提供了可以采用的概念和思路,并且可以指導實踐活動。
最先進入裸地的植物稱為先鋒植物,形成的最初的群落稱為先鋒群落。例如,在江南丘陵地區,新形成的裸地上首先生長的樹木是杉樹,杉樹就是這一地區的先鋒樹種。在這一地區新形成的裸地上進行植樹造林,宜種植杉樹類的先鋒樹種。
植物群落演替的最終結果(目前已知的)稱為頂級群落。到了頂級群落,群落表現出相對穩定的狀態,即群落垂直結構相對穩定,種群結構相對穩定,生物量相對穩定。據此,對一些地方植被的發展,可實施人為干預。例如,南京地處亞熱帶的北部,地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林,但馬尾松屬于先鋒樹種。紫金山風景區植被保護較好,在20世紀80年代,這里仍看到較多長勢良好的馬尾松,然而,隨著群落的自然演替,如今這里闊葉林已接近頂級群落,馬尾松較少且長勢較差。園區管理人員對長勢較差的馬尾松實施人工砍伐,有利于群落向亞熱帶常綠闊葉林演替。
【植物群落的垂直結構】
大多數植物群落都有高度上的分化或成層現象,稱為群落的垂直結構。垂直結構是群落中各種植物間及植物與環境間關系的特殊形式。
植物群落內不同種類的植物,沿著垂直高度的梯度及光照強度的梯度,占有不同高度的位置。根據不同種類植物的垂直高度,劃分出一定的層次。森林中,一般可以劃分出喬木層、灌木層、草本層和地被層。在天然的森林中,情況往往較為復雜。例如,在熱帶雨林中,喬木層的垂直高度,可以達到3040米或更高,一般還可劃分出三個亞層。由于喬木層組成復雜,高矮參差不齊,三個亞層的界限并不明顯。還有不少灌木,也能發育成幼樹的狀態。此外,雨林中還有種類豐富的藤本植物和寄生、附生植物,這些植物攀緣或附著在不同植物的不同高度,往往在整個群落的垂直高度內都有分布,并不形成獨立的層次,稱為層間植物。
森林的分層現象與光照強度密切相關。群落中的光照強度總是隨著高度的下降而減弱。森林最上層的樹木受到全光照的照射,其樹冠的枝葉可以吸收和散射一半以上的光能,灌木層大約利用全光照的10%,草本層僅利用低于5%的光照,地被層則光照微弱。
模擬天然森林的垂直結構,我國云南西雙版納地區建立了上層為三葉橡膠、中層為金雞納樹、下層為砂仁的人工植物群落,收到較好的經濟效益。
【植物對環境的適應性】
植物從種子(孢子)脫離母株落到地面時起,便在固定地點開始了它的生命過程。它從周圍環境獲取生活資源,進行伴以能量流動的物質交換,既受環境影響又影響環境。這里所說的環境是指植物周圍一切事物及現象的總和,包括毗鄰生長的其他植物個體。環境中的各種組成要素稱為環境因子,其中一些可對植物產生直接影響的稱為生態因子。為了強調生態意義,常常把環境中全部生態因子綜合組成的部分,稱為生態環境。而植物周圍具體而直接的環境,稱為植物的生境,如河谷環境分為河床、河漫灘等不同生境。當環境中某種條件出現異常,就會抑制植物生命活動或威脅植物生存,這種現象稱為環境脅迫。動物嚙食、寄生、風害、火災、土壤侵蝕等可部分或全部破壞植物生命活動的現象,稱為干擾。植物的生長過程中,可能會遇到各種各樣的不利環境條件,一般將這些不利的環境條件統稱為脅迫環境。給生態系統造成脅迫的各種因子稱為脅迫因子,包括物理的(如干旱、熱害、冷害、水害等)、化學的(如養分缺乏、鹽害、pH異常等)、生物的(如病蟲害等)等各方面的因子。
一種植物在某類生境中能夠正常生活和繁衍后代,此現象稱為適應。從本質上看,適應是生物產生改善生存和提高生殖效率的可遺傳的進化性變異,包括形態、結構、發育等方面的特征。適應是植物經受自然選擇的結果,是生物特有的普遍存在的現象,它包含兩方面的含義:一是生物的結構(從個體結構到群落結構)大都適合于一定的功能,例如,熱帶雨林中樹木的板根具有支撐樹干的功能;二是植物的結構及其功能適合該植物在一定的環境條件下生存和繁衍,例如,一些沙漠植物的葉子退化成刺有助于減少蒸騰,從而適應干旱的環境。
【生態幅和分布區】
所有生物對每種環境因素都要求有適宜的量,過多或不足都會使其生命活動受到抑制,乃至死亡。某種生物對每種因素的耐受范圍,稱為生態幅。例如,橡膠樹對溫度的耐受范圍是5-40℃,最適溫度為26-30℃。生態幅是由生物的遺傳特性決定的。很多生物的生態幅是比較寬的,它們能夠在寬范圍的溫度、濕度、鹽度等中存活。
植物分布區是某植物分類群(種、屬、科等)在地表分布的區域,其形狀和大小主要受種系發生的年齡、繁殖和傳播的能力、遷移環境條件和人類活動的影響。此外,地理的隔離和障礙也具有很大作用�？傊�,植物分布區的形狀和大小實際上是自然界多種因素綜合作用的結果。
1.氣候因素。
溫度、降水、光、風等氣候條件常常嚴格制約了某些植物的分布。例如,生長在我國山東半島和遼東半島的赤松,其分布區只局限于海洋性氣候區,稍向內陸就被松屬的其他種所代替。
2.土壤因素。
土壤的水分狀況、礦物質元素、有機物的成分和含量、土壤溫度以及土壤酸堿度等土壤理化性質和土壤生物往往影響著植物的分布。例如,一般有花植物只能生長在pH3-9的土壤上,在強酸性或強堿性的土壤上,則只能生長具有特殊適應性的酸性土植物或堿性土植物。
3.地形因素。
山脈、海洋等自然屏障往往成為分布區的天然界限。地形所引起的氣候變化常常是造成植物侵移和擴展中斷的主要原因。例如,我國的秦嶺山脈是北方溫帶植物區系和南方亞熱帶植物區系的天然界限。海洋、寬闊的海峽、大沙漠和寬闊的河谷等是植物侵移和擴展難以克服的障礙。在地質地貌條件變化顯著的地段,往往是許多植物種的分布邊界或匯集地區。
4.生物因素。
影響植物分布區的形狀和大小的生物因子很多。例如,某種寄生植物的分布決定于其寄主的地理分布,有些植物的傳播依賴于某種動物,某些植物群落可以成為某些植物傳播的障礙。
5.歷史因素。
有些植物的分布區不能用現代的自然條件來解釋,而是古地理環境的反映。例如,分布在我國西北部荒漠地區的沙冬青屬,是亞洲中部僅有的闊葉常綠灌木,它起源于古地中海區系喜熱的祖先。
6.人為因素。
人類活動不僅可縮小或消滅某些植物的分布區,而且也能擴大植物的分布區。例如,紫莖澤蘭約在20世紀40年代由緬甸傳入云南省南部,后伴隨著人類采伐森林、修筑道路等活動逐漸向外蔓延,近些年來沿著縱谷北上向中亞地區擴散,并引發了生態災難。
【熱帶雨林】
熱帶雨林是在熱帶雨林氣候條件下發育形成的、耐陰、喜濕、喜高溫、結構層次不明顯、層間植物豐富的木本植物群落,是當前地球上面積最大、對人類生存環境影響最大的森林生態系統。
熱帶雨林發育的氣候條件是全年高溫多雨,一般年均溫為25-30℃,最冷月平均氣溫在18℃以上,年溫差在6℃以下。全年降水量為2000-4000毫米,雨量大的地區(夏威夷群島的山區)可達12000-40000毫米,相對濕度很高,有的可達90%以上。
熱帶雨林是地球上種類組成最豐富的一種植被類型,組成雨林的高等植物有45000種以上,其中喬木樹種十分豐富,例如,馬來半島具有9000種以上的喬木。在熱帶雨林中很少能找到優勢種。雨林的形成除有利的氣候條件外,熱帶陸地的古老性也是一個重要原因。幾千萬年以來,這里環境較穩定,沒有經歷劇烈的環境演變。
熱帶雨林地區風化過程強烈,母巖崩解層深厚;土壤強烈淋溶,為呈酸性的磚紅壤。1公頃雨林的有機物產量可達100—200噸。但在高溫高濕氣候的作用下,有機物分解迅速,很快被植物吸收利用,土壤中幾乎沒有存留的養分,土壤極為貧瘠。
熱帶雨林是地球上結構最復雜的植物群落,層次相當復雜,大體分為喬木層、灌木層、草本層三個基本層次。另外還有豐富多彩的層間植物。熱帶雨林以裸芽的高位芽植物占絕對優勢,多速生樹種。葉具滴水尖是雨林中的一個普遍現象,如加納雨林中90%以上的植物具有滴水尖,滴水尖是對雨林濕度大、多雨環境的適應。
熱帶雨林中的喬木具有十分獨特的結構:樹干高大挺直,常常達到46-55米,分枝少,樹皮光滑、薄、色淺。熱帶雨林中的喬木特別是上層高大喬木,常常發育著板狀根。板狀根由地面上或離地面一定距離的粗大側根發育而成,常常為扁平三角形,每一樹干一般具有3-5條,有的甚至達到10條,高度可達地面以上9米。一般認為熱帶雨林多雨,根系無須扎入土壤深處即可吸收水分,故樹木根系往往是淺根系,但淺根系植物經不起風吹,容易倒伏。眾多的板狀根像一根根支柱對樹干起到支撐作用。熱帶雨林中的一些喬木發育著支柱根或氣生根。例如,榕樹的樹枝上垂直向下生長許多氣生根,當氣生根插入土壤后,很快長粗長大,支持著樹枝,一棵母植株不斷向外展開,可覆蓋地面1000-2000平方米,儼然一片森林。
熱帶雨林中下層喬木常常具有莖花現象,即直接在無葉的木質莖上開花和結果,花或花序無柄,或只有很短的無葉的柄附著在主干或老枝上。關于莖花現象形成的原因尚無定論。
富有藤本植物是熱帶雨林的一大特色。熱帶雨林中藤本植物多為木質藤本,形狀多種多樣,粗的如手臂、大腿,它們憑借吸盤、卷須等攀緣器官旋轉運動,不斷纏繞在其他植物上,直到林冠頂部。
熱帶雨林中有大量植物附生在樹干、枝條或葉片上,在面積上甚至超過草本植物。這些附生植物的孢子或種子細小,輕微的氣流也能把它們吹到其他地方。森林中的枝丫處經常積水,并積累了薄薄的腐殖質,為附生植物提供了生存的條件。有些附生花朵美麗芳香,構成了絢麗多彩的“空中花園”。
熱帶雨林還有大量的絞殺植物,它們屬于藤本植物和附生植物之間的過渡類型,稱半附生植物。絞殺植物的種子依靠鳥類傳播。當果實被鳥吞食后,種子隨糞便排到大樹的枝丫上,萌發后先長出一個小枝和氣生根。氣生根向下擴展,一部分與土壤建立聯系吸收水分和養分,另一部分大量分枝,彼此靠合,最后愈合成一個網狀的套子把樹干套在里面。最初支撐植物的樹干還能增粗,但是絞殺植物根系非常強大,生長迅速,枝葉繁茂,與支撐植物爭奪養料、水分、陽光和空間,最終導致支撐植物死亡。這些絞殺植物的根莖進一步愈合,成為一株獨立生長的大樹。對于挺直的大樹來說,只要被絞殺植物纏上,用不了幾年就被活活絞殺致死。
熱帶雨林的分布一般局限于赤道兩側南北緯5°-10°的熱帶范圍內,但個別地區可延伸至15°-25°,熱帶雨林的南北界限與熱帶的緯度界限并不明顯吻合。熱帶雨林主要分布在南美洲亞馬孫河流域、非洲剛果盆地、東南亞等地區。不同地區的熱帶雨林在外貌結構上非常相似,只是在種類組成上有所差異。
中國的熱帶雨林主要分布在臺灣南部,海南,廣東,廣西南部,云南南部,西藏東南部等地的山前低地或溝谷。盡管中國熱帶地區有較明顯的干季并受寒流影響,但不少地方的植被具有熱帶雨林的基本特征,如樹木高大、板狀根和莖花現象顯著,藤本植物較為豐富等,但與典型雨林相比,種類組成和結構比較簡單,各項特征仍有較大差異。
【熱帶草原】
在熱帶雨林與熱帶荒漠之間,往往會形成熱帶草原。這類地區年降水量一般在750-1000毫米,低的只有500毫米,高的可達1500毫米,降水季節分配不均,有明顯的干濕季。在溫帶地區,這樣的降水量一般可以孕育出茂密的森林。但在熱帶地區,全年高溫,一旦存在時間較長的旱季,由于蒸發量大,喬木的生長就受到抑制,而一年生草本植物以及根系發達的灌木會比較適應,因而這些地區發育成以草本植物為主的草原。相對于溫帶草原,熱帶草原由于熱量充足、降水總量較多,生物多樣性比較豐富,草本植物也相對高大,多數超過1米,有的甚至達到3米,具有耐旱特征,如熱帶禾本科植物葉子狹窄而直立,莖稈堅硬。
緊鄰熱帶雨林區的熱帶草原,由于水分條件較好,多年生草本植物增多,草原上分布著疏林甚至成片的喬木。如南美洲巴西高原的喜拉多草原西北部,分布著熱帶森林草原,植被主要由高大的(2米以上)旱生多年草本植物構成,多喬木和亞喬木,特別是在沼澤周邊和河流兩岸,分布著連片的森林。
大多數熱帶草原喬木稀疏,它們進化出特殊的耐旱結構得以生存繁衍,如澳大利亞的瓶子樹、南美洲的紡錘樹、非洲的猴面包樹等,均通過粗大的樹干蓄水度過旱季,這樣的熱帶草原稱為熱帶稀樹草原,主要分布在非洲、南美洲、北美洲、大洋洲和亞洲,我國的云南干熱河谷,海南島北部,雷州半島以及臺灣島的西南部也有分布。
有的熱帶草原幾乎沒有喬木。例如,圭亞那高原北部的拉諾斯大草原,位于委內瑞拉西部和哥倫比亞東北部,大部分地區為熱帶無樹大草原,低洼地區遍生沼澤草和蓑衣草,干燥地區則廣布長莖草和地毯草。
有的熱帶草原多灌木、亞喬木。例如,南美洲巴西高原東端的卡廷加草原,年平均降水為250-1000毫米,旱季時間比雨季時間長得多,最長的區域甚至能達到11個月,草原上廣布能夠在旱季蟄伏的灌木,以及亞喬木屬性的刺樹。
非洲熱帶草原是世界上面積最大、發育最好、特征最為典型的熱帶草原,主要分布在非洲熱帶雨林的北、東、南三面,北起蘇丹,南到南非,西起大西洋沿岸,東到印度洋之濱,約占非洲大陸面積的40%。非洲熱帶草原的氣候全年高溫,一年中有明顯的干、濕季變化,年降水量為500-1000毫米,多集中在濕季。干季的氣溫高于熱帶雨林地區,各月平均氣溫在24-30℃。南、北半球的熱帶草原干濕季節變化正好相反。非洲熱帶草原的植物具有旱生特征。草原上大部分是禾本科草類,草高一般為1-3米,大都葉狹而立,以減少水分蒸發。草原上稀疏地點綴著獨株或緩生的喬木,葉小而硬,有的小葉能運動,調整到最避光的位置;樹皮很厚,有的樹干粗大,可貯存大量水分以保證在旱季能進行生命活動,如傘狀的金合歡樹和巨大的波巴布樹等。每當干季來臨時,萬物凋零,整個草原一片枯黃,生活在這里的動物,由于缺水少食,或向水草豐茂的草原遷徙,或鉆入地下蟄眠,整個草原死一般寂靜。雨季來臨時,草木叢綠,萬象更新,一派生機勃勃的景象。
南美洲的熱帶草原主要集中分布在巴西高原中東部以及圭亞那高原的北部。巴西高原腹地覆蓋著大面積的熱帶草原。緊鄰亞馬孫雨林的喜拉多草原年平均降水量可達800-2000毫米,其雨季的時間也比旱季要更長些,因此孕育了比一般熱帶草原更多的生物種類,以及相對繁多的喬木。分布在喜拉多草原上的喬木,抵御旱季的最主要方式跟灌木一樣,就是進化出發達的根系,以更多地吸收蘊藏在地下的水分。其深入地下的部分,甚至是地上部分的兩倍,因此喜拉多草原的樹木又被形容為“顛倒的森林”。
澳大利亞典型的熱帶草原集中分布在北部地區。雨季時草原上一派欣欣向榮,旱季時則一片荒涼。茂密的大型草本植物中稀疏地散生著旱生喬木,主要是桉樹。澳大利亞的稀樹草原也有種類繁多的金合歡。瓶子樹是這里的特色樹木,形狀類似美洲的紡錘樹,根部呈大肚形,往上越來越細,里面貯藏著大量的水分和充足的營養。因此,這種樹能在石縫里、懸崖上頑強地生存。這種瓶子樹春天不見葉,但卻開著粉紅色的花朵。
熱帶草原不僅僅發育在熱帶草原氣候區,一些熱帶季風氣候區也有分布,最典型的就是德干高原中北部和中南半島中部。德干高原中北部年降水量為500-1000毫米,曾經為森林植被,后來由于人類活動等原因導致森林退化為草原和灌木植被。一些地區的熱帶草原植被發育受地形影響較大,如東帝汶的高大山脈背風坡就發育著熱帶草原植被。
【常綠硬葉林】
常綠硬葉林分布在亞熱帶大陸西岸的地中海氣候區,是與冬季溫和多雨、夏季炎熱干旱氣候特點密切相關的一種群落類型。
常綠硬葉林種類組成相對比較單調。喬灌木以旱生陽性植物為主,根系發達。林下草本植物以旱生植物或短生命植物為主,多年生草本種類豐富。植物花色十分鮮艷,其中黃花尤多。植物體能分泌揮發芳香油,連同芳香的花朵使得植物群落具有特殊的強烈香味。
由于冬季溫和多雨,常綠硬葉林的種類以裸芽植物為主。由于夏季炎熱干旱,喬灌木的葉子具有旱生適應特征:常綠,葉小,厚革質,葉緣具有尖齒或銳齒,葉表面角質層發達,常披有茸毛,葉呈灰綠色,無光澤;具有發育良好的機械組織,氣孔深陷,以防止過多蒸騰;葉片排列方向與入射光線交成銳角,以避免陽光照射時被灼熱;有些植物的葉片常常退化或縮小成刺,成為本群落的典型特征。群落終年常綠,在最干旱季節,林下一片枯黃與上層綠葉相映。
常綠硬葉林喬(灌)木層一般不分亞層。喬木層林木不高,樹高不超過20米,生長稀疏。林下常綠植物較多,生長茂密,往往使人難以通行。草本層生長稀疏。層間植物較少。
【中國的常綠闊葉林】
由于海陸位置和大氣環流的影響以及青藏高原的存在,中國亞熱帶季風氣候區域廣闊,占全國總面積的1/4以上。因此,常綠闊葉林在中國分布廣泛,從秦嶺-淮河一線往南,一直到廣東、廣西中部,東至黃海、東海海岸,西達青藏高原東緣,緯度跨度大約為11個緯度。南北氣候條件差異明顯,群落類型亦較復雜,通常分為北亞熱帶常綠闊葉林、中亞熱帶常綠闊葉林和南亞熱帶常綠闊葉林。自中生代侏羅紀以來,這些地區的海陸分布和氣候特征的變化較小,歷次冰川作用的影響不大,一直處于比較穩定的溫暖濕潤氣候條件下,因而保存大批較古老的植物種屬,如銀杏、水杉、銀杉、鵝掌楸、珙桐、喜樹等。同時也衍生出一些新種屬。因此,我國常綠闊葉林植物區系種類豐富,起源古老,是我國特有屬最多的地區。
1.北亞熱帶常綠闊葉林的北界大體為秦嶺-淮河一線,與暖溫帶落葉闊葉林交界。上層喬木常含有較多的落葉成分,以櫟屬為主,常綠樹種多為耐寒性較強的種類。常綠成分不占優勢,外貌上接近落葉闊葉林,或稱為混交林或含有常綠成分的落葉闊葉林,顯示向溫帶森林過渡性質,或隸屬于溫帶森林范疇。
2.中亞熱帶常綠闊葉林是中國亞熱帶地區最典型的地帶性植被類型,其分布于23°40′N-32°N,99°E-123°E的中亞熱帶地區,主要由常綠闊葉樹種組成。群落外貌終年常綠,一般呈暗綠色。林冠整齊而呈波狀起伏,群落一般高15-20米,喬木可分2-3個亞層,層間植物不發達,缺乏木質藤本植物。
3.南亞熱帶常綠闊葉林是中國南亞熱帶的地帶性植被類型,為亞熱帶常綠闊葉林向熱帶雨林過渡的一個類型。主要分布于臺灣玉山山脈北半部、福建戴云山以南及南嶺山地南側等海拔800米以下的丘陵、臺地,以及云南中南部、貴州南部、喜馬拉雅山脈南側等海拔500-1000米的盆地和河谷地區。本類型群落較高,分層復雜,林冠凹凸不平,喬木一般可分3層,上層以喜暖種類為主,中下層則有較多熱帶雨林成分,如板狀根、莖花、絞殺植物、木質大型藤本植物、附生植物等。在溝谷潮濕生境中,熱帶雨林特征更為顯著。
【落葉闊葉林】
落葉闊葉林是溫帶地區濕潤、半濕潤氣候下的地帶性植被之一,通常指具有明顯季相變化—夏季盛葉、冬季落葉的闊葉林,也稱為夏綠闊葉林。
落葉闊葉林分布地區的氣候四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷,全年至少有4個月的平均溫度在10℃以上,年降水量500-1000毫米,大部分集中在夏季。
落葉闊葉林分布地區的地帶性土壤主要是棕壤和褐土,二者共同特點在于具有明顯的黏化現象,但褐土具有明顯的鈣化過程,表現出一定的森林土壤向草原土壤過渡的特色。淋溶和黏化過程并存使土壤剖面中形成一個明顯的黏化層次,其黏粒含量可高達30%。在褐土的剖面中,黏化層下有明顯的鈣積層。
落葉闊葉林生長季節水熱條件充沛,中生植物能茂盛生長,種類組成相當豐富,喬木一般具有寬闊的葉片,為夏季盛葉、冬季落葉的陽性樹種。樹種大部分為風媒植物,種子與果實具翅,常常由一個種組成純林,在不同地區、不同生境中形成單優群落。林下的灌木也為落葉種類。冬季,草本植物地上部分枯死或以種子越冬。林下的灌木與草本植物靠動物來傳粉和傳播果實。
落葉闊葉林中地面芽植物和地下芽植物占優勢,高位芽植物占一定比例,植物有堅實的芽鱗,以落葉小葉為主,故落葉闊葉林也稱為小葉林。葉質地薄,無革質葉,也無茸毛,呈鮮綠色。群落季相更替十分明顯,這是落葉闊葉林的顯著特征。構成群落的喬木,都是冬季落葉的闊葉樹,林下的灌木也為落葉種類。當春季氣溫開始回暖,喬木隨即萌葉抽枝,大多數喬木進入花期。夏季是群落茂盛的生長季節,枝繁葉茂,樹冠郁閉。秋季氣溫下降,葉色轉黃,葉片脫落。喬木從萌葉、密茂到枯黃、脫落的有規律的更替,影響林下的光照和濕度條件,進而影響整個群落的結構和季相更替。春季,草本層中的多年生短生命植物,非常迅速地抽葉開花,花朵艷麗,數量眾多,構成顯著而華麗的草本層。夏季,樹木茂盛發育,形成郁閉林冠,這些春季多年生短生命植物則已結束自己的生活周期,地上部分逐漸枯死,出現了耐陰的草本植物。這時,開花植物減少、季相顯得單調。秋季,一些禾本科植物花后陸續結籽,并日趨干枯,而最終完成了整個生命周期。
落葉闊葉林的垂直結構比較簡單,分為喬木層、灌木層、草本層和地被層。喬木層分1-2個亞層,喬木往往分枝強烈,樹冠發育良好,上層喬木往往僅由1種或少數優勢種構成,形成頂部較為平整的林冠。喬木樹干與樹枝具有厚的皮層保護,芽具有堅實的芽鱗,常有樹脂保護,以抵御嚴寒。灌木層僅有1層,草本層可分為2-3個亞層。由于地表被落葉覆蓋,地被層不發達。層間植物不發達,藤本植物以草質或半木質為主,攀緣能力不強。附生植物有苔蘚、地衣,有花附生植物幾乎不存在。
世界范圍內的落葉闊葉林集中分布在三大區域:北美大西洋沿岸,西歐和中歐海洋性氣候的溫暖區域,亞洲東部的溫帶季風氣候區。南半球由于沒有適宜的條件,落葉闊葉林分布極少。
中國的落葉闊葉林主要分布于華北和東北南部的暖溫帶區域。由于人類活動干擾,中國落葉闊葉林原始植被已經被破壞,現存的落葉闊葉林大多為次生群落。
【亞寒帶針葉林】
亞寒帶針葉林由耐寒的松柏類植物組成,為寒溫帶地帶性植被類型,又稱寒溫性針葉林,其分布的北界為森林分布的最北界限。
亞寒帶針葉林分布區比落葉闊葉林分布區具有更強的大陸性特點。緯向跨度大,氣候狀況很不一致。一般來說,夏季溫和濕潤,冬季十分嚴寒。冬季長,暖季短。最暖月平均溫度在10℃以上,但不超過20℃;最冷月平均溫度為-20— -10℃,在西伯利亞可達-52℃。年降水量為300-600毫米,大部分在春季。冬季降雪,但降水量不多。
亞寒帶針葉林由松柏類植物組成,這類植物適應生長季節短、低溫引起生理干旱。隨氣候不同,組成針葉林的植物種類不同,往往由一個樹種組成純林。
亞寒帶針葉林具有十分特殊的外貌,極易與其他森林類型區別開來。它常由單一樹種構成純林,其外貌隨建群種不同而各具特色。例如,云杉屬和冷杉屬的樹冠是圓錐形或尖塔形的,松屬的樹冠是近圓形的,落葉松屬樹冠呈塔形而稀疏。在西伯利亞,由西伯利亞冷杉、西伯利亞云杉和西伯利亞松一起生長并在低地形成大片的、稍微沼澤化的森林,當地稱為泰加林。廣義的泰加林包括亞歐大陸高緯度和高海拔山地的一切針葉林。亞寒帶針葉林群落結構非常簡單,喬木層、灌木層、草本層和地被層各一層。
亞歐大陸從大西洋沿岸延伸到太平洋沿岸,亞寒帶針葉林連續成片占據非常廣闊的面積。北美洲從阿拉斯加育空河和加拿大的馬更些河以南經過大奴湖,沿蘇必利爾湖北岸而達大西洋沿岸分布著亞寒帶針葉林。南半球沒有亞寒帶針葉林分布。
【溫帶草原】
溫帶草原是在溫帶半干旱氣候條件下發育起來的地帶性植被之一,屬于夏綠旱生性草本群落,主要種類為多年生抗旱抗寒的禾本科植物。草原地區氣候干燥,降水量少且變率大,冬季寒冷漫長。
溫帶草原植被高度不高,外貌呈暗綠色。在水熱條件比較優越的地方,植被比較郁閉;干旱地區植被稀疏。生活型以地面芽植物、地上芽植物為主,還有一定數量的地下芽植物、半灌木和小半灌木。草原植物具有耐旱的形態特征,如葉面狹窄、有茸毛、卷葉、氣孔下陷、有蠟質層、機械組織發達等。溫帶草原具有明顯的季相變化。我國東北的溫帶草原冬季一片枯黃;春季一片嫩綠;夏季是雙子葉植物的花期,草原色彩極為華麗,但當禾草類抽穗開花掩蓋了雙子葉植物時,草原的色彩又轉向單調;秋季則常由于菊科,尤其是蒿類占有優勢,而使草原以黃綠色為主。
溫帶草原的群落結構一般分為3層:高草層、中草層和矮草層。植物地下部分強烈發育,其層次結構遠遠超過地上部分。
溫帶草原分布很廣,在歐亞大陸、北美中部、南美南部以及非洲南部等地均有大面積的分布。世界兩大溫帶草原分布區為亞歐草原區和北美草原區。不同地區的草原,在群落外貌、生態上具有或多或少的相似性,在種類成分上雖也有某些共同的屬,但往往有很大的差異。
【荒漠】
荒漠是極度旱生、覆蓋稀疏(小于30%)的植被類型。自然地理中的荒漠概念,是指降水稀少、蒸發強烈、極端干旱的強大陸性氣候的地區或地段。其上植被通常十分稀疏,甚至無植被,土壤中富含可溶性鹽。
荒漠的生態條件十分嚴酷,多大風與塵暴,植物常受風蝕和沙埋�；哪畾夂驅儆跇O端干燥的大陸性氣候,其主要特點為降水量少,降水變率大;氣溫高,溫差大;蒸發強,相對濕度小;光照強烈。
組成荒漠植被的植物種類十分貧乏,有時100平方米的面積上只有1-2種植物。主要由半灌木、灌木和禾本科植物組成�；哪泻瞪参锍酀{液植物和少漿液植物外,還有一類窄水旱生植物。這類植物能在水分不足的征兆出現時關閉氣孔,阻止細胞液濃度的升高,氣體交換和光合作用被迫停止,植物處于饑餓狀態。這類植物的葉子在長期干旱下不干枯,但是變黃并最終凋落。在荒漠中,植物地上部分之間沒有競爭,對它們唯一重要的事情是忍受干旱,而不是制造大量的有機物,它們往往借助于降低生活力來達到這一點,并且可以活100年以上。一般荒漠都有短暫的降水季節,一些一年生的短生命植物和多年生的類短生命植物可利用這一有水的短暫時期進行生命活動,待干旱來臨時,以種子或地下器官來度過不利的干旱季節。所以,荒漠中的短生命植物和類短生命植物是適應干旱環境、利用僅有水分的非旱生植物(旱中生植物)�；哪羞�存在變水植物。它們在干旱時體內水分蒸發散失,呈風干狀態,但原生質并未凝固死亡,一旦獲得水分,立即恢復生命活動。
在嚴酷的生態條件下,稀疏性和有大面積裸露的地面成為荒漠植被顯著的外貌特征。植被的這種特征與降水量密切相關,降水量越小,植物生長越稀疏。在年降水量不足100毫米的極端干旱區,植物全部集中到侵蝕干溝或低地生長。
荒漠植被分布于干旱的內陸地區,在地球上占有相當大的面積。由于各大陸氣候和土壤條件很不一致,加上區系成分差異,荒漠植被類型多種多樣。
【苔原】
苔原也叫凍原,主要分布在極地附近或高山上,主要由蘚類、地衣、小灌木、矮灌木及多年生草本植物組成。
苔原氣候為極地長寒氣候,冬季漫長嚴寒,夏季短促涼爽。植物生長期僅2-3月,年降水量200-300毫米,主要集中在夏季,但由于蒸發較少,氣候仍然濕潤。風力大,云量多。
在長期演化過程中,苔原植物形成了一系列苔原生境的適應特征。苔原植物都是抗寒性很強的多年生植物,在極度低溫的環境下營養器官也不會受到損傷。大多數苔原灌木是常綠植物,可以在春季很快地進行光合作用,不必耗時形成新葉。形態矮小,匍匐狀植物和墊狀植物十分典型。苔原植物地上部分較小,大部分細胞均直接參與制造和儲藏有機物質,地面老葉起著保護生長點的作用,以彌補缺乏芽鱗的缺陷。許多苔原植物呈匍匐伏地型和墊狀,如網狀柳緊貼地面匍匐生長,這些形態有利于抗風、保溫和減少蒸騰失水。植物根一般分布在土壤表層。由于營養期短促,苔原植物通常生長緩慢。
苔原具有地下永凍層,地處森林線以外,無林現象是其基本特征。大多數植物為地面芽植物和地上芽植物,缺乏一年生植物。苔原植物群落結構簡單,層次少而不明顯。
【隱域植被】
隱域植被又稱泛地帶性植被或非地帶性植被,指在一定的氣候帶或大氣候區內,因受地下水、地表水、地貌部位或地表組成物質等非地帶性因素影響而生長發育的植被類型,如草甸、沼澤、水生植被等。其與隱域生境相聯系,不是固定于某一植被帶,而是出現于兩個以上的植被帶里,具有廣布性特征。
草甸是在中等濕潤條件下形成和發展起來的,由多年生草本植物組成的植物群落,可以形成于各氣候帶內,其環境的共同特點是土壤中水分充足,地下水埋藏淺。草甸土壤土層深厚,富含有機質,肥力高。草甸的植物種類組成特別豐富,草被濃密,季相變化也多種多樣,繁花盛開時,五顏六色極為華麗,故又稱“五花草甸”。草甸結構比較清晰,在水平分布上可分為成群結構和分散結構兩類。在垂直方向上,可以把草甸草群分為高位禾草層、低位禾草層、矮草層、近地面植物層、苔蘚層。有的草甸沒有苔蘚層。典型的草甸在北半球的寒溫帶和溫帶分布特別廣泛。
沼澤是分布在土壤過濕,或者有薄層積水并有泥炭積累,或有機質開始碳化生境中的植被類型。沼澤通常出現在有積水的低地或者地形的低陷部位。沼澤植被主要由沼生植物組成,以草本植物為主,也有喬木和灌木。為了適應水下缺氧環境,大多數沼澤植物發育了良好的通氣組織。很多植物的葉、莖和根由細胞和氣腔系統通連,以滿足根部通氣的需要。
水生植被是由水生植物所組成、生長在水域環境中的植被類型。通常說的水生植被是指由水生維管植物組成的水生群落,分沉水植物群落、浮水植物群落、固著浮葉植物群落和挺水植物群落。
【風化與風化殼】
裸露在地表的巖石礦物,在大氣、水、溫度和生物等因素的綜合作用下,逐漸發生崩裂和分解,同時礦物化學組成、性質也會發生變化,形成新的物質,這一復雜的過程通常稱為風化作用或風化過程。按其作用因素和風化特點可分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型。它們在自然界中相互聯系、相互促進,同時同地進行,只是在不同條件下風化強度不同而已。巖石礦物經過風化破碎成疏松的堆積物,就形成了成土母質。
近地面基巖(或堆積物)經受風化殘存于原地的產物組成風化殼。風化殼的厚度受到巖性、氣候、地形、水文、植被等多種因素的影響。一般來說,只有在地形起伏和緩或坡度較小、植被覆蓋良好的地方,以及水、氣易于往下層滲透以及表層基巖又較容易風化的地方,發育較厚的風化殼。
【不同質地土壤的肥力特點】
土壤質地與土壤肥力關系密切,它決定土壤通氣性、透水性、蓄水性、保肥性、供肥性、保溫性、導溫性以及土壤可耕性等。
砂土的土壤顆粒以砂粒占優勢,土壤中大孔隙多而毛管孔隙少,毛管作用微弱,通氣性和透水性好,不易積聚還原性有害物質,但保水性差,抗旱力弱。土壤的礦物成分主要以石英為主,養分缺乏。由于通氣性好,好氣性微生物活動強烈,土壤有機質分解迅速而難以累積,土壤相對貧瘠。砂土的土粒大,加之缺乏黏粒和有機質,吸附、保持養分能力低,施肥后易隨灌溉和降雨而淋失,保肥性差。這類土壤含水量低,熱容量較小,易增溫也易降溫,晝夜溫差大,作物易受冷害,具有松散易耕作的特點。
黏土的土粒間孔隙小,多為極細毛管孔隙,通氣、透水性差,礦物質養分豐富,特別是鉀、鈣、鎂含量較多。黏粒有較強的吸附能力,易受漬害和積累還原性有毒物質。一般礦物質養分不易淋失,保肥力強。由于黏土通氣性差,好氣性微生物受到抑制,有機質分解較慢,易于積累腐殖質,故黏土中有機質含量一般比砂土高。黏土保水性強,含水量大,熱容量較大,升溫慢降溫也慢,晝夜溫差小。這類土壤干時緊實堅硬,濕時泥爛,耕作費力,宜耕期短。
壤土兼備砂土和黏土的優點,既有一定數量的大孔隙,又有相當多的毛細孔隙,故有較好的通氣透水性,又有較強的保水保肥性。壤土含水較適宜,土溫比較穩定,可耕性較好,宜耕期較長,適宜種植各種作物,是農業生產比較理想的土壤。
【土壤土體構型】
自然界的土壤是時間上處于動態變化、空間上具有垂直和水平分異的三維連續體,是從形態特征、物質組成、結構和功能上可以剖析的物質實體。從地面垂直向下至母質的土壤縱斷面稱為土壤剖面。土壤剖面中與地面大致平行的、由成土作用形成的、組成物質及性狀相對均勻的各土壤層,稱為土壤發生層,簡稱土層;由非成土作用形成的層次,稱土壤層次。土壤發生層是土壤剖面的基本組成單元。土壤剖面中的土層數目、排列組合形式和厚度,統稱為土體構型,又稱土壤剖面構造,它是土壤最重要的形態特征之一。在同一土壤剖面中的每個土層與其上下相鄰的土層之間,在土壤顏色、結構體、質地、有機質含量等方面具有明顯差別。任一土壤類型均具有其特定的土壤剖面構造,并成為土壤類型辨別的重要依據。
【道庫恰耶夫與成土因素學說】
道庫恰耶夫是成土因素學說的創始人。19世紀80年代,他利用土壤地理比較法,對溫帶草甸、草原區的土壤進行調查研究。在此基礎上,他于1883年發表了著名專題論文《俄國黑鈣土》,首創“黑鈣土”一詞,并且確立了將土壤作為一系列成土因素作用于母質而形成的獨立自然體。道庫恰耶夫指出,土壤有它自身的起源,始終是母巖、有機體、氣候、陸地年齡和地形綜合作用的結果。土壤與成土因素之間的發生關系式為:H=f(K,O,R,P)T,其中,H土壤,K氣候,O生物,R巖石,P地形,T時間。
該關系式明確表示了以下三個方面。①土壤是母質、氣候、生物、地形和時間等五種自然成土因素綜合作用的產物。②所有的成土因素始終是同時同地、不可分割地影響著土壤的發生和發育,它們同等重要和不可替代地參與了土壤的形成過程。各個因素的“同等性”絕不意味著每一個因素始終、處處都在同樣地影響著土壤形成過程。對于某個具體土壤形成過程而言,每個成土因素在土壤中所表現出的特點或個別因素的相互作用,都有本質上的差別,其中必然是某個成土因素為主導因素。③土壤是永遠發展變化的,即隨著成土因素的變化土壤也在不斷地形成和演化。土壤有時進化,有時退化以至消亡,是一個動態的自然體,是一個有生有滅的自然體。成土因素有地理分布規律和規律性變化,隨著時間與空間的不同,成土因素及其組合方式會有所改變,因而土壤不斷地發生變化。
【原始成土過程】
在裸露的巖石表面或薄層的巖石風化物上著生低等植物,如地衣、苔蘚,以及真菌、細菌等微生物。在低等植物和微生物的作用下,巖石風化物開始累積有機質,并為高等植物的生長發育創造了條件。這是土壤發育的最初階段,即原始土壤的形成。
本過程基本可分三個階段:①出現自養型微生物的巖漆階段;②出現各種異養型微生物,如由細菌、黏液菌、真菌、地衣共同組成的原始植物群落,著生于巖石表面與細小孔隙中,通過生命活動使礦物進一步分解,使細土和有機質不斷增加,即地衣階段;③苔蘚階段,生物風化與成土過程的速度大大加快,為高等綠色植物的生長準備了肥沃的基質。
【土壤有機質積累過程】
土壤有機物質的轉化是指進入土壤中的各種動植物殘體,在土壤微生物的參與下,一方面把復雜的有機質分解為簡單的化合物,最后徹底分解為無機化合物,該過程稱為礦質化過程;另一方面是分解后的較簡單的產物,被土壤微生物重新合成為更復雜的有機質即腐殖質,該過程稱為腐殖質化過程。
土壤有機物質的礦質化過程包括不含氮碳水化合物的分解,含氮有機物質的氨化、硝化和反硝化作用,含磷和含硫有機化合物的分解作用,以及脂肪、單寧和樹脂等有機物的分解等。這些過程在好氣條件下進行時,生成二氧化碳、水和其他的礦物質養分,其分解速度快、徹底,放出大量熱能,不產生有毒物質;在厭氧條件下進行時,速度慢,分解不徹底,釋放的熱量少,除產生植物所需養分外,還產生較多的還原性有毒物質,如甲烷、硫化氫、氫等。
影響有機質分解的因素主要有以下兩方面。一是土壤環境條件,包括土壤的通氣性、干濕狀況、土壤溫度和土壤酸堿度。這些條件通過影響土壤中微生物的活動而影響有機物質的分解。凡是有利于微生物活動的,都有利于有機物質的分解,反之則分解受到阻礙。二是有機物質的碳氮比。有機物質中所含的碳素與氮素的比例,稱為碳氮比,其值過大的有機質分解緩慢。土壤微生物的繁殖同時需要碳和氮,碳是能量的來源,氮是構成細胞的要素。當有機物被分解時,碳變為二氧化碳而大多散失,氮則被攝取而留在微生物細胞中,如有剩余的氮,它多以化合物的形式留在土壤中。碳氮比過大,則氮供應量不足,于是微生物的活動受到限制,因而有機物質的分解就變慢。一般來說,碳氮比值在25:1-30:1時,最有利于有
機質的分解。
有機質在土體中的積累是生物因素在土壤形成過程中的具體表現,但生物創造有機質及其分解與積累又常受到氣候與其他成土因素的綜合影響。
【土壤鹽漬化、堿化過程】
鹽漬化過程指易溶性鹽類在土體上部的聚積過程。這是干旱少雨氣候帶及高山寒漠帶常見的現象,特別是在暖溫帶荒漠,土壤鹽類積聚最為嚴重。成土母質中的易溶性鹽類,富集在排水不暢的低平地區或凹地,在蒸發作用下,鹽分向土體表層聚集,形成鹽化層。其中硫酸鹽和氯化物是突岀的鹽類,硝酸鹽和硼鹽出現很少。
堿化和鹽化有密切聯系,但有本質區別。土壤堿化是指土壤吸收復合體上鈉的飽和度很高,即交換性鈉占陽離子交換量的20%以上,水解后釋出堿質,其pH可高達9以上,呈強堿性反應,并引起土壤物理性質惡化的過程。堿土的表層就會積滯堿性反應的水分,使土壤腐殖質擴散于堿液而被淋溶,并在下層形成不透水的堿化層。
【氣候對土壤形成的作用】
氣候對土壤形成的作用,主要是溫度、降水、風等因子綜合作用的結果。溫度及其變化對土壤礦物體的物理崩解、土壤有機物與無機物的化學反應速率具有明顯的作用;對土壤水分的蒸散、土壤礦物的淋溶與沉淀、有機質的分解與腐殖質的合成都有重要的影響,從而制約土壤中元素遷移轉化的能力和方式。降水對礦物風化和土壤形成過程有重要的影響,水分是許多礦物風化過程與成土過程的媒介與載體。風對成土過程的影響是巨大的,也是多種多樣的。風力導致土壤表層粉粒大量流失,即土壤被風蝕沙化;風力堆積作用常造成土壤物質組成的變化。
【母質對成土過程的影響】
在一些土壤形成過程中,母質因素起著重要的作用。在富含碳酸鹽母質上發育的土壤,因其鹽基含量豐富從而保持較高的土壤酸堿度,同時也抑制了土壤中鐵、鋁的遷移轉化。在其他成土因素相同或類似的情況下,母巖或母質起主導作用形成的土壤稱為巖成土壤或巖成土系列。如在熱帶、亞熱帶石灰巖上發育的鈣質濕潤雛形土、淋溶土和富鐵土(或具有石灰性、中性和酸性的紅色石灰土),在紫色砂頁巖上發育的紫色濕潤雛形土和新成土,在火山沉降物(火山灰)上發育的土壤。其中,石灰土和紫色土在顏色、質地、化學性質上均保持了母質的某些特性,被稱為初育土。如果說在宏觀地理研究方面,注重氣候因素對土壤產生的影響,那么在一定的氣候條件下,則應將注意力集中到研究母質對土壤產生的影響上。在一定的地理區域內,其他成土條件相似的情況下,土壤發生和土壤性狀與母質有著緊密的發生學關系,土壤類型的不同主要是母質不同造成的。
【地形對土壤形成的影響】
地形作為土壤形成發育的一個空間條件,在成土過程中深刻地影響著土壤和環境之間進行物質、能量交換的過程,是土壤形成過程中重要的影響因素之一。地形對成土過程的作用與母質、氣候、生物等不同,最重要的差異在于地形因素與土壤之間并沒有物質(不提供任何新的物質)與能量的交換,其主要通過影響其他成土因素對土壤形成起作用,即地形只是引起地表物質與能量的再分配(如地形影響土壤溫度、水分和成土母質再分配等),從而間接影響土壤發育的方向和強度。毫無疑問,地形與土壤之間相互作用的界面是土壤發生過程的一個重要“地帶”。地形的作用主要表現在大、中、小不同尺度的地形,以及海拔、坡向、坡長、位置、地表形態和地形演變對土壤發育的影響。
【土壤形成的時間因素】
各種成土因素中,母質和地貌是比較穩定的影響因素,氣候和生物則是比較活躍的影響因素,時間因素則是有別于其他成土因素的一類特殊因素。實際上時間因素是成土過程的歷史背景,在成土過程中作為一個強度因子反映出土壤在各種成土條件的共同作用下所經歷的階段和效果。任何事物的發生發展都離不開具體的時間、地點和條件�？紤]成土過程的時間因素可促使人們用動態的發生觀點去研究土壤。各種成土因素在土壤形成中的作用隨著時間的演變而不斷變化。
【土壤形成的人為因素】
人類活動對土壤形成的影響主要表現在通過不同的土地利用方式,改變成土因素作用于土壤的形成與演化。在各種土地利用方式中,以改變地表生物狀況的影響最為突出,典型例子是農業生產活動,它以稻、麥、玉米、大豆等一年生草本農作物代替天然植被。這種人工栽培的植物群落結構單一,必須在大量額外的物質、能量輸入和人類精心的護理下才能獲得高產。因此,人類通過耕耘改變土壤的結構、保水性、通氣性;通過灌溉改變土壤的水分、溫度狀況;通過農作物的收獲剝奪本應歸還土壤的部分有機質,改變土壤的養分循環狀況;再通過施用化肥和有機肥補充養分的損失,改變土壤的營養元素組成、數量和微生物活動等。最終,人類將自然土壤改造成為耕作土壤。
人類活動對土壤的積極影響是培育一些肥沃、高產的耕作土壤。例如,長江下游的太湖平原和中游的云夢澤,在自然狀態下原來是草甸土和沼澤土分布的區域,經過人們幾千年的改造,培育成了穩產、高產的水稻土。又如,陜西關中地區原來在黃土母質上形成的褐土,由于在長期農業生產活動中施用土糞,熟化的耕作層不斷加厚,形成了壚土。人為干預措施得當,符合土壤肥力發展的客觀規律,便產生有益的效果,否則產生有害的后果。例如,在鹽化土壤地區,采取引水洗鹽與深溝排水相配合,降低地下水位就能有效地改良鹽土,消除鹽害;反之,如灌溉不當,抬高了高礦化度地下水的水位就會造成土壤次生鹽漬化。20世紀50年代我國的引黃灌溉,就曾導致大面積土壤的次生鹽漬化。當前世界人口迅速增長,人口與土地、環境的矛盾日益突出,要特別注意一些非理性的人為活動對土壤發生、發展造成的消極影響。
【土壤水分狀況】
對于正地形表面的土壤而言,土壤水的收入項是大氣降水,支出項是表土蒸發與植物蒸騰,以及對地下水的補給。由于氣候濕潤狀況決定大氣降水量、表土蒸發量及植物蒸騰量,因此氣候濕潤狀況是決定土壤水分狀況的重要外部因子。按照美國土壤系統分類的標準,土壤水分狀況劃分為潮濕、濕潤、干潤、夏干、干旱五個基本類型。除了潮濕的土壤水分狀況與負地形,特別是濕潤氣候區的負地形密切相關之外,其他的土壤水分狀況均決定于氣候的濕潤狀況。氣候的水分因素即干濕度,同時取決于降水和水分蒸發,后者又與溫度有關。有研究者指出濕潤的土壤水分狀況通常岀現在排水良好的濕潤氣候區,干潤的土壤水分狀況通常出現在半濕潤氣候區及熱帶、亞熱帶的季風氣候區,夏干的土壤水分狀況僅出現在地中海氣候區,干旱的土壤水分狀況僅出現在溫帶干旱荒漠氣候區和亞熱帶干旱荒漠氣候區。
【土壤與人類社會發展】
土壤是自然地理要素、人類活動和時間綜合作用的產物,它不僅是自然地理環境的重要組成部分,同時也是人類賴以生存、生產和發展所必需的物質基礎和條件,是人類勞動的對象和產物,是一種極為重要的自然資源,具有物質生產功能和環境凈化功能。隨著人類社會的發展,保持土壤的生產物質資料功能和穩定土壤的環境凈化功能直接關系到人類自身的生存安全問題�？梢哉f人類面臨的社會問題,無論是人口、能源,或是環境、生態都與土壤及土壤系統密切相關。一般認為土壤的重要作用有:保持生物的活性、多樣性和生產性;調節水體和溶質的流動;過濾、緩沖、降解、固定并解毒無機和有機化合物;儲存并使生物圈及地表養分和其他元素進行再循環;支撐社會經濟構架并保護人類文明遺產。因此,土壤與人類社會發展的關系集中表現為人類活動對土壤肥力的改造作用和土壤對生態環境的穩定作用兩個方面。
1.土壤肥力與人類活動。
土壤肥力指天然植物或作物在生長過程中,土壤具有能為之延續不斷地提供營養物質(水分、養分)和協調環境條件(空氣、熱量)的能力。土壤肥力是土壤的本質屬性。在自然因素綜合作用下形成的土壤稱為自然土壤,它具有穩定、均勻、充足、適合地提供植物生長發育的能力,又稱自然肥力。土壤自然肥力的高低決定著天然植物生產量的高低,是土壤生產能力的標志之一。一般來說,當自然土壤在被開墾利用之后,土壤受自然因素作用的同時,也承受人類活動的影響。人類在利用土壤資源用于物質生產的過程中,有意識地改變土壤與地理環境要素之間的物質遷移、能量轉化過程和成土方向。人類通過改良、施肥,使自然土壤肥力不斷提高。經過人類耕作等措施形成的土壤肥力又稱人工肥力。
在一些自然生態環境較為脆弱的地區,土壤資源的開發利用存在一定的風險,過度利用和利用不當,都會引起土壤肥力下降,導致土壤退化,如土壤侵蝕、土壤風蝕沙化、土壤污染、土壤鹽堿化等。
2.土壤自凈能力與人類活動。
土壤自凈能力是指土壤對進入土壤中的污染物通過復雜多樣的物理、化學及生物過程,使其濃度降低、毒性減輕或者消失的性能,又稱土壤的環境容納量。有的學者稱這種性能為土壤的“凈化器”功能。按照土壤對污染物質吸納降解的方式與過程,土壤自凈能力可分為物理自凈、化學自凈、物理化學自凈、生物自凈等。隨著現代工業社會的發展以及環境污染物的類型和數量增多,土壤的這種環境凈化功能越來越顯著。但土壤的自凈能力是有限、有條件的,利用不當將會導致土壤自凈能力的衰竭以至喪失�，F代農業高強度地施用化肥和化學農藥,已經加重了區域土壤的自凈負荷,對區域土壤產生了深刻的影響。如果再疊加大量工業“三廢”(廢渣、廢水和廢氣)、生活污水與生活垃圾等,土壤自凈能力將超過“閾值”,形成日益嚴重的土壤污染。土壤污染不但直接影響農副產品品質,威脅人類健康與安全,也降低土壤維護和改善人類生存環境質量的作用。因此,客觀評價區域土壤類型的自凈能力,適度利用土壤的自凈功能,尋找修復被污染土壤自凈能力的新技術途徑,將成為人類合理利用土壤資源的重要研究與應用領域。
【北京“7·21”特大暴雨】
2012年7月21日,北京市突降特大暴雨,降雨總量之多歷史罕見。氣象觀測顯示,除延慶外,北京90%以上的行政區域降雨量都在100毫米以上,全市平均降雨量170毫米,城區平均降雨量為215毫米。11個氣象站觀測到的雨量突破了建站以來的歷史極值,部分地區一天降雨量達到甚至超過了年平均降雨量。有記錄的最大降雨量出現在房山區河北鎮,為460毫米,達到了特大暴雨量級。
本次強降雨歷時之長歷史罕見,強降雨持續近16個小時。本次暴雨過程中的短時雨強也同樣驚人。氣象上規定,24小時降水量為50毫米或以上的強降雨稱為暴雨,但在“7.21”暴雨中,北京有些地區一小時內的降雨量就超過了50毫米,平谷掛甲峪更是高達100毫米,雨強之大超乎想象。全市最大降雨點房山區河北鎮為460毫米,接近五百年一遇,城區最大降雨點石景山模式口為328毫米,達到百年一遇;小時降雨超70毫米的站數多達20個。局部洪水之巨歷史罕見。拒馬河最大洪峰流量達2500立方米每秒,北運河最大流量達1700立方米每秒。
受強降雨影響,首都機場21日全天共取消航班571架次,延誤航班701架次,最高峰時有近8萬人滯留機場。暴雨還導致京港澳高速公路出京方向17.5千米處的南崗洼鐵路橋下嚴重積水,積水最嚴重時,被淹路段長約900米,平均水深4米,最深處6米,橋下積水20余萬立方米,81輛汽車被困水下。全市主要積水道路63處,積水深30厘米以上路段30處;路面塌方31處;3處在建地鐵基坑進水;軌道7號線明挖基坑雨水流入;5條運行地鐵線路的12個站口因漏雨或進水臨時封閉,機場線東直門至T3航站樓段停運。
這場暴雨由于雨量大,雨勢強,北京出現嚴重城市內澇,部分中小河流和水庫出現汛情。全市受災人口達1602萬人,因災造成經濟損失116.4億元。
【海綿城市的建設途徑】
顧名思義,海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設應遵循生態優先等原則,將自然途徑與人工措施相結合,在確保城市排水防澇安全的前提下,最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化,促進雨水資源的利用和生態環境保護。在海綿城市建設過程中,應統籌自然降水、地表水和地下水的系統性,協調給水、排水等環節,并考慮其復雜性和長期性。
海綿城市的建設途徑主要有以下幾方面。一是對城市原有生態系統的保護。最大限度地保護原有的河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠等水生態敏感區,留有足夠涵養水源、應對較大強度降雨的林地、草地、湖泊、濕地,維持城市開發前的自然水文特征。這是海綿城市建設的基本要求。二是生態恢復和修復。對傳統粗放式城市建設模式下,已經受到破壞的水體和其他自然環境,運用生態的手段進行恢復和修復,并維持一定比例的生態空間。三是低影響開發。按照對城市生態環境影響最低的開發建設理念,合理控制開發強度,在城市中保留足夠的生態用地,控制城市不透水面積比例,最大限度地減少對城市原有水生態環境的破壞。同時,根據需求適當開挖河湖溝渠、增加水域面積,促進雨水的積存、滲透和凈化。
海綿城市建設應統籌低影響開發雨水系統、城市雨水管渠系統及超標雨水徑流排放系統。低影響開發雨水系統可以通過對雨水的滲透、儲存、調節、轉輸與截污凈化等功能,有效控制徑流總量、徑流峰值和徑流污染。城市雨水管渠系統即傳統排水系統,應與低影響開發雨水系統共同組織徑流雨水的收集、轉輸與排放。超標雨水徑流排放系統用來應對超過雨水管渠系統設計標準的雨水徑流,一般通過綜合選擇自然水體、多功能調蓄水體、行泄通道、調蓄池、深層隧道等自然途徑或人工設施構建。以上三個系統并不是孤立的,也沒有嚴格的界限,三者相互補充、相互依存,是海綿城市建設的基礎元素。
問題研究 如何讓城市不再“看海”
【設計思路】
本章主題是植被、土壤及其與地理環境、人類活動的關系,內容的綜合性、實踐性都很強非常適合開展綜合性活動教學,培養學生的綜合思維和地理實踐力。同時植被、土壤利用過程中存在的問題與學生的日常生活息息相關,是地理環境與人類活動關系的生動寫照。選擇這類主題開展活動教學和研究性學習,也能夠較好地把人地協調觀的培養落到實處。因此,教材在學生熟悉了水、土壤、大氣、生物等自然地理環境要素之后,設計了一個需要綜合各要素看問題的研究性學習-如何讓城市不再“看海”。
近些年來,我國城市內澇問題較為嚴重,從南方的廣州,至北方的北京,許多城市在暴雨后出現嚴重的內澇。我國城市暴雨內澇的原因主要有以下三個方面。其一,受季風氣候影響,雨季多暴雨,且近些年隨著全球變暖,極端天氣頻發,大暴雨、特大暴雨概率增大。其二,我國城鎮化發展迅速,城市面積擴展較快,但城市下水道等排水設施標準較低,且跟不上城市化的步伐。其三,城市大面積土地表面被硬化,暴雨時絕大部分降水形成徑流,且產流快而急。在上述原因中,暴雨非人力所能控,城市下水及排水設施屬于工程和城市建設問題,只有最后一個方面可根據地理原理探討解決。因此,教材設計從發揮土壤蓄水功能的角度探討解決城市“看海”問題的方法。
教材將此問題研究主要設計為三個步驟:了解城市“看海”與土壤功能缺失的關系;查尋人們為控制城市雨洪所采取的措施或努力;探索我國大多數城市解決“看海”問題的現實困難和可能的應對措施。
第一步需要的知識背景包括水循環、土壤的蓄水功能和城市地面被硬化的原因。水循環的知識在第三章已經學習過,城市地面被硬化的原因可看作是常識,于是,教材重點給出“城市洪水與土壤蓄水功能缺失”的資料。在自然狀況下,降水時,一部分降水被植被截留和下滲入土壤,剩余的降水形成地表徑流。城市地表多被硬化,因而少了下滲環節,所以絕大部分降水直接轉化為地表徑流。
土壤蓄水量取決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,土壤蓄積雨水的多少還與土壤含水量有關。土壤含水量越大,可以蓄積的雨水就越少。在南方地區,雨季時經常下雨,當土壤中水含量達到飽和狀態,就不能再蓄積雨水了。但是,北方地區雨季較短,降水又多以暴雨形式出現,在暴雨時土壤蓄積雨水的能力相當強。教材按理想狀況說明“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,可見,正常情況下,北方地區城市如能發揮土壤的蓄水功能,一般不會出現城市“看海”的情況。教材在資料中提及北京“7·21”暴雨洪澇,是把北京作為北方地區城市的代表來研究,以此說明城市大面積土地表面被硬化,成為北方地區城市暴雨洪澇的重要原因。
充分發揮自然土壤的蓄水功能,在人地關系中只是順應自然的做法。從人地協調觀的培養而言,改造自然是必然的。城市是人類對自然干預最強烈的地方,城市土地表面被硬化是人類應對城市生產和生活而對自然實施改造的必然結果。更何況,對城市土壤層的改造不只是考慮雨洪控制,還應綜合考慮城市水資源的蓄積和利用、美化城市環境、豐富城市生態系統等方面的需要。因此,教材將研究的視野擴大、深化,提供雨水花園、海綿城市等資料,引導學生實施第二步研究。
雨水花園從20世紀90年代出現后,因其對解決城市雨洪問題效果顯著,很快在世界范圍內得到推廣、改良。雨水花園不僅充分考慮了土壤的蓄水功能對解決城市雨洪的重要意義,而且對土壤經過人工不同層次物質的有序疊置,其功能遠勝于自然土壤功能。樹皮覆蓋層有利于雨水下滲并攔截地表雜物。種植土層維持生長綠色植物的功能。種植土層、人工填料層、砂層可對下滲雨水起過濾和凈化作用。蓄積的雨水可通過導水管引出使用。雨水花園除對雨水具有下滲、凈化、蓄積、利用等作用外,還具有美化環境、增加生態系統多樣性、調節局地小氣候等作用。雨水花園規模較小。在雨水花園的基礎上,我國學者放寬視野,設想將城市建設成類似的雨水花園,于是便提出海綿城市的概念。在城市內澇嚴重、受災城市較多、災害損失較大的背景下,我國很快將海綿城市的概念轉化為實踐,并在全國范圍內選擇一些城市進行試點。從海綿城市示意圖可以看出,其功能與雨水花園類似,也就是說地表以下部分按雨水花園的原理人工建設。海綿城市的建設還可以一勞永逸地解決城市地表水污染的問題,大大提升城市生態系統的功能。目前,我國在海綿城市建設中已經出現了一些比較成功的案例。
無論是雨水花園還是海綿城市,其出發點都是改變地表被硬化的方式,促使降水盡快下滲并在地表以下儲蓄起來。在城市用水緊張的狀況下,有效收集雨水并能加以利用,又成為雨洪控制后的另一目標。所以,需要對地表以下進行改造,通過人工疊置填充層,不僅加大地表以下的蓄水量,還可以對雨水進行過濾、凈化,最終加以利用。由此,還有效解決城市水污染問題,進一步改善城市環境,推進城市生態文明建設。
然而,與雨水花園相比,海綿城市的建設工程量和投資額皆巨大。此外,對于新建城區相對容易實施,對于已建城區還需考慮對既有生活和生產的影響,難度較大。所以,海綿城市的建設試點并不是從整個城市開始,而是每個試點城市選擇一些住宅小區、河流段等,逐步推進。為此,教材提出該問題研究的第三步,促使學生針對現實問題探討應對之策。
我國不同地區,城市“看海”問題的原因有差異,解決措施也應有差異。教材在問題研究的設計中將此作為一條隱線穿插其間。這也提示學生要立足于當地情況進行該問題的研究。
【實施建議】
鑒于本章所涉內容標準均高度強調“地理實踐力”的培養,因此本“問題研究”教學的核心是如何促進學生基于實地調查和實例分析對“城市內澇的形成與治理”問題進行自主、合作、探究。
問題情境
一、根據校情、學情對研究主題和內容進行二次開發
如何讓城市不再“看海”只是一個話題,其本質是要學生探討植被、土壤及其與地理環境、人類活動的關系。因此開展研究之前,教師可以圍繞土壤蓄水功能這一主題,依托教材給出的基本素材,根據學校所在地區旱澇記錄和學生區域知識背景等實際情況,重新設計、細化研究主題,進而對資料進行補充和改編。例如,干旱區的農村學�？裳芯�“如何發揮土壤攔蓄功能減少旱災”,更好地呼應教材中土壤蓄水、保水功能有利于農作物抵御適度的旱情等知識;所在城市內澇發生頻率較高的學�？商鎿Q教材中北京的案例;海綿城市試點市的學�？墒占臼袣庀髿夂蚪y計資料、海綿城市規劃方案等,供學生研討時使用。
二、基于知識學習創設豐富的、貼近生活的問題情境
在學習完土壤功能之后,利用課堂時間展示本地旱澇災害的視頻、圖片等資料,結合北京等城市內澇的視頻報道,由近及遠、由點及面再現城市內澇的場景,讓學生體會我國城市內澇問題對人們的生產生活帶來的嚴重影響。同時可適當拓展,即城市雨洪泛濫不僅引發了城市內澇,而且加劇了污染物擴散、水資源匱乏等諸多問題。
三、利用問題情境激發認知沖突,提高學生作為“研究主體”的積極性
問題研究能否有效開展的關鍵在于是否激發了學生的問題意識。在展示城市內澇場景之后,教師要利用沖突畫面進一步深化情境,一方面呈現城市通過渠化河道、拓寬地下水道建設防洪設施;另一方面呈現城市內澇頻繁發生。由此幫助學生從學習材料中產生認知矛盾和沖突,讓學生自己提出問題,如“為何越來越多、越來越龐大的水利工程沒有解決城市內澇問題”,并以學生自己的問題統領教材資料分析中提出的問題。
研究過程
城市“看海”本質上是人水矛盾的激化,是人類活動改變水循環自然過程的不良結果。具體地說,就是城鎮化和各項“灰色”基礎設施(與海綿城市、雨水花園等“綠色”基礎設施相對應)建設導致植被破壞、水土流失、硬化地面增加、濕地銳減、河湖水體破碎化、地表水與地下水連通中斷等問題,極大改變了下滲、徑流等水循環環節,總體呈現匯流加速、徑流增加、洪峰加高加快的趨勢。因此,如何讓城市不再“看海”是一個跨尺度、多要素的復雜問題,其治理是一個跨地域、跨部門、跨學科的系統工程,涉及規劃、建筑、排水、水利、道路、園林、土壤、水文等多個專業。讓高一學生研究如此宏大課題需要為其提供一個小的切入點、一條清晰的線索和一組恰當的資料。
研究前可把城市土壤蓄水功能的喪失作為課題研究的切入點,先請學生注意教材在資料1中給出的“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,這與2012年7月21日北京發生嚴重暴雨洪澇災害時全市“平均降水量170毫米”形成了鮮明對比,也就是說,如果土壤能夠充分發揮蓄水功能,暴雨與排水之間的矛盾可能不會激化,如此嚴重的城市內澇就可能不發生。進而很自然地引導學生去探尋問題的癥結,并提出解決方案。這是該問題研究的基本線索。
指導學生研究時,教師要提醒學生遵循上述基本線索,充分利用教材中的資料,結合實地調查、實驗,小步子、分層次地對城市內澇的形成原因和解決方案進行論證。
研究后期的研討可以圍繞每個資料后的問題展開,這些問題實際上是對總問題的細分。探討問題時要深入分析、充分運用甚至質疑給定的資料,例如,“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”能在短時間內完成嗎?對所列的問題可進一步細化、拓展,例如,海綿城市中哪些設施能夠充分發揮土壤的蓄水功能?分析解決方案的可行性,例如,雨水花園、海綿城市能否徹底讓城市不再“看海”?
同時,教師要遵循研究思路,針對細分問題帶領學生收集補充資料,引導學生對于案例城市(如北京)洪澇產生的地理背景和問題癥結全面、深入地了解,并能夠根據這些資料分析雨水花園、海綿城市實施前可能遇到的各種障礙和實施后產生的積極影響,從而培養學生發散思維的能力和運用地理視角分析現實地理問題的能力。具體研究過程可劃分為以下五個階段。
第一,進入問題情境。學生對城市內澇的現狀有深切的感受和了解,對其危害有初步的認識,形成積極開展研究的興趣和意向,并初步調用本章知識對其形成原因和治理措施有大致判斷。
第二,明確研究思路。學生根據問題情境提出問題,結合教材提出的問題,對如何不再讓城市“看海”進行問題細分,并根據自己興趣選擇具體問題,形成研究小組,制定研究方案,例如,如何測算學�；蛐^的硬化地面比例,如何實驗模擬硬化路面、綠地對雨水攔蓄效果,如何查詢所在城市河道暴雨前后的徑流變化,等等。
第三,實踐深化認識。學生能夠從所在地區城市雨洪管理實際情況出發,按照教材資料分析的提示,進行實地調查、實驗模擬,對硬化地面的不良影響、城市綠地和濕地的生態功能等有感性認識,同時收集、分析資料,結合具體案例深化對雨水花園、海綿城市的認識。
第四,分析解決問題。學生能夠運用水循環、植被與環境的關系、土壤功能等知識,遵循教材建議的研究思路,充分運用實地調查和資料收集獲取的信息和證據,結合實例對我國城市內澇的基本成因、現實困擾和應對措施進行分析、論證。
第五,交流展示成果。學生能夠運用科學的語言、準確的圖像、正確的邏輯關系表達個人或小組論證的結果,對他人的研究成果進行點評,對自己的研究過程進行反思,對如何充分發揮植被、土壤的攔蓄功能讓城市不再“看海”,達成開放而有方向性的共識。
五個階段中,第一階段需要教師對問題本身有深入的研究,并進行情境設計與問題引導。第二階段需要教師具體指導制定研究方案。第三階段需要教師幫助學生聯系支持單位,指導學生有針對性地收集、整理資料,并運用過程性評價來調控學生的分工合作以及實踐過程。第四階段需要教師引導學生根據教材“知識拓展”的思路和“資料分析”的提示,對所列問題深入探討。第五階段需要教師有寬容與欣賞的評價態度,激發學生暢所欲言,形成思維碰撞和交流。
知識拓展
資料1 城市洪水與土壤蓄水功能缺失
知識拓展的基礎是知識鞏固。因此,在分析本資料前,要引導學生復習“土壤蓄水功能”,引導學生遷移和應用該部分知識,探討改變城市下墊面對土壤蓄水功能的影響,即硬化地面的弊端。這樣不僅有利于學生靈活地掌握和應用正文知識,而且還可以讓學生在問題研究過程中將正文知識和拓展延伸出來的知識糅合到一起,形成合理的知識結構。
知識拓展要注重學生發散思維的培養。因此,在引導學生運用該資料時要提醒學生注意:城市洪水的成因有很多,如短時間異常強降水、湖泊濕地面積銳減、排水設施滯后等,地面硬化只是其中之一。地面硬化的不良影響也有很多,如加劇熱島效應、增加懸浮顆粒物、加劇水污染、浪費水資源等,可能導致城市內澇也只是其中之一。不能將兩者簡單因果對應起來。教材第一段即指出:如何發揮土壤蓄水功能,是解決城市“看海”問題的重要方面之一。
分析城市內澇與地面硬化的關系可通過水循環過程將兩者關聯起來,運用對比的形式呈現自然地表和硬化地面對徑流量和洪峰的影響,并結合北京“7·21”重大暴雨洪澇災發生、發展的過程對城市土壤蓄水功能喪失的嚴重后果加以闡釋。具體過程可指導學生分三步開展研究。
一、調查了解城市地面硬化的狀況。硬化地面包括的范圍較廣,主要是指用水泥、柏油、花崗巖、大理石、釉面磚等不透水的材料鋪設的城市道路、廣場、商業街、廠區、社區活動區、停車場等地面。指導學生實地調查時,可選擇學校和某個小區進行,也可通過走訪當地城市建設部門查詢數據。
二、實驗對比硬化地面和自然地表下滲和匯流狀況�？稍谑覂冗M行,分別在塑料盒內用小角度傾斜的釉面磚(下壓土)和相同面積、深度的天然帶草土塊作對比,噴灑相同水量后觀測塑料盒內的積水深度及其變化過程的差異。也可在室外進行,用水泥砂漿圍住面積相同的硬化地面和草地,噴灑相同水量后,觀測地面積水深度及其變化過程的差異。
三、查閱資料,結合調查和實驗,以北京或所在地區城市為案例,分析、討論城市過度地面硬化如何加劇城市內澇。討論時要注意引導學生認識到地面硬化是城市發展的必然產物,解決城市內澇問題不能簡單地反對地面硬化,而是控制硬化比例,采取措施降低已硬化地面的不良影響。
資料2 雨水花園
教學時,教師可先對雨水花園給予必要解釋,指出雨水花園是針對城市地面硬化弊端提出的解決方案,也是后面提出海綿城市的自然過渡。如果說海綿城市是巨大的綠色生命體,那么雨水花園就是其中的一個個細胞。解決城市不再“看海”,先要從小尺度區域和具體技術措施開始。
雨水花園又稱為“生物滯留地”,是利用自然或人工形成的地勢較低的洼地,通過植物、土壤和微生物系統蓄積、凈化雨水的“綠色”設施。
引導學生分析該資料時可突出兩點:一是雨水花園控制雨洪效果的數據,即“每棟住宅配建30-40平方米的蓄積雨水的場地”“平均減少了75%-80%的地面雨水徑流量”;二是典型雨水花園結構示意圖。教學的重點是引導學生讀圖,結合水循環知識,分析雨水花園削減地面雨水徑流的過程。讀圖時可設置如下問題:
1.雨水花園自上而下分成哪些層?
2.各層的物質組成各有什么特點?
3.各層的主要功能有哪些?
4.為何要設置最大蓄水高度?
5.導水管的作用是什么?
分析上述問題時,主要圍繞雨水的“滯-蓄-滲-凈-用-排”進行。教學時要強調,該圖展示的是雨水花園的一般結構,受地形、氣候、水文和土壤等影響,雨水花園設計有很強的地域性。同時,雨水花園的運行效果受到填充介質類型、匯流面積比、排水管布設、蓄水深度和當地氣象條件的綜合影響。分析雨水花園對徑流的控制效果以及對小區域水量平衡的影響時,不但要考慮降雨時段匯流面積、入滲量、排水量以及溢流水量,而且要考慮在非降雨時段內植物的蒸發、蒸騰量。最后要強調,雨水花園只能解決局部雨洪控制問題,要讓城市不再“看海”,還需要從城市所在區域整體出發,系統協調人水矛盾,如建設海綿城市等。
資料3 海綿城市
教學時教師可先提出:相對雨水花園,海綿城市是一個著眼全局、系統解決城市“看海”問題的可持續城市建設模式。從雨洪管理的角度看,其內涵是:現代城市應該具有像海綿一樣吸納、凈化和利用雨水的功能,以及應對氣候變化、極端降雨的防災減災、維持生態功能的能力。
引導學生分析該資料時可以圖文結合的方式,需強調三點:一是希望城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”;二是實現雨水資源化,即在下雨時吸水、滲水、蓄水、凈水,需要時能夠將水“釋放”并加以利用;三是最終目標在于提升城市生態系統功能,而非簡單地從工程上防治洪澇災害。
指導學生分析、運用該資料前可適當補充材料,了解我國城鎮化過程中人水矛盾的主要表現:一是城市建設改變了河湖水系格局和局部地形,導致河湖調蓄能力降低,城市洪澇災害頻發;二是城市污染物排放負荷超過了河湖水環境承載能力,產生了水環境、水生態惡化問題,并加劇水資源短缺;三是水資源供需壓力日趨明顯,城市水資源短缺問題普遍,全國有400余座城市缺水。資料分析的重點仍然是讀海綿城市示意圖。讀圖時可設置如下問題:
1.雨水花園可布置在圖中哪些地區?
2.圖中有哪些水體?其補給關系是怎樣的?
3.樹木、草坪、濕地公園、攔水壩、湖泊和河流對控制雨洪的作用分別是什么?
4.污水處理廠的作用是什么?還有哪些事物能起到凈化水體的作用?
5.圖中地下儲水通過哪些途徑實現?儲水又通過哪些途徑“釋放”?
6.土壤在上述補給、控制、凈化、存儲、釋放過程中分別起到什么作用?
7.圖中箭頭所示的循環過程和水循環過程有什么聯系和區別?
在點評學生回答上述問題的過程中,教師要結合試點城市成功經驗說明海綿城市建設所體現的雨洪控制理念的轉變,即應該最大限度地保護城市開發前的“海綿”要素,如原有的河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠等水生態敏感區,并留有足夠涵養水源、吸納強降雨的林地、草地、湖泊、濕地,維持城市開發前的自然水文特征。其次,合理控制開發強度,并通過低影響的設施建設,控制城市不透水面積比例,促進雨水的滲透、儲存和凈化,最大限度地維持或恢復城市開發前的自然水文循環。
最后要引導學生充分認識我國當前海綿城市建設的現實困擾,即海綿城市建設是一個循序漸進的漫長過程,受到氣象氣候條件、水文地質特點、既有土地利用構成與布局、地形及雨水管渠系統建設現狀等復雜因素的限制,現有大中城市已經很難滿足海綿城市建設的地表用地與地下管網設計等要求,單純依靠生態設施很難實現排水防澇綜合規劃控制目標。近期內實現城市不再“看海”,主要還是通過管渠、泵站、調蓄池等傳統“灰色”雨水基礎設施實現。
問題分析指引
資料1 城市洪水與土壤蓄水功能缺失
1.城市大面積土地表面硬化,改變了水循環的哪些環節?
分析該問題要針對雨洪成因進行,注意把握好三點:一是與自然地表對比,結合實驗數據說明;二是從整個水循環過程看影響,實際上特大城市大面積硬化地面影響到水循環的所有環節,如熱島效應中蒸發、局地水汽輸送的改變,雨島效應中降水的改變等;三是突出主要受影響的環節,即與自然地表相比,硬化地面對下滲的影響非常顯著,這也是導致其他環節變化的關鍵。
2.以北京為例,說明土壤對蓄積雨水和減輕洪澇災害的意義。
分析該問題要結合北京市氣候、地形等自然環境特點進行,注意把握好三點:一是要充分運用資料數據說明問題,即“1米厚的多孔隙土壤能截留300毫米的降水量”,超過了“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,但降水季節和年際變化大;三是指出北京地勢低平,部分低洼地區容易積水,但北京總體位于華北平原,土層深厚,土壤蓄水能力強。
資料2 雨水花園
1.從對雨水下滲、凈化、蓄積、利用等方面,說明雨水花園的作用。
分析該問題要緊扣教材中圖5.23進行,把握好三點:一是雨水花園與建筑物等設施的位置關系,即雨水花園相對低洼且有出水口;二是雨水花園本身的結構和材料特點;三是雨水路徑分析,即雨水進入或轉化為其他水體的過程�？傮w上說,雨水花園通過滯留雨水和地表徑流實現增加下滲,通過植物吸收、土壤和其他填充物過濾與吸附、微生物分解等作用實現凈化雨水,通過植物吸收、土壤蓄積作用實現涵養水源,通過澆灌植被、彌補公共用水等實現雨水資源化。
2.雨水花園還有哪些作用?
分析該問題要著力體現綜合思維�？山Y合城市生態環境問題從三個方面進行:一是分析雨水花園對其他地理要素的影響,如對空氣可以起到增加濕度、調節氣溫的作用,為鳥類、昆蟲、土壤生物提供棲息地,等等;二是分析雨水花園對人類活動的影響,如提供休閑觀賞景觀,保護排水管道,降解污染,等等;三是結合所在區域自然環境特征分析其生態功能,如在山城雨水花園可緩解水土流失,在干旱區雨水花園可抑制沙塵,等等。
資料3 海綿城市
1.推想海綿城市地面材料的特點。
分析該問題要緊扣教材中圖5.24進行,注意三點:一是要從功能出發進行推測,即要實現滯、滲、蓄、凈等功能,關鍵是滲;二是從結構上推測,要實現上述功能,海綿城市地面材料必須具備類似土壤的結構,特別是多孔隙的特點;三是滿足交通、建筑等對地面的要求,因而又要具備土壤不具備的結構特點,如抗壓、耐磨、不易被侵蝕等。
2.從雨水花園到海綿城市,對城市雨洪控制的思想有哪些發展?
分析該問題可從三個方面進行:一是對比雨水花園和海綿城市示意圖,從尺度、要素、過程、功能等方面進行分析,說明海綿城市控制雨洪具有跨尺度、綜合性、全時段、全要素的特點;二是海綿城市更側重于對原有自然水生態系統的保護和恢復,力求通過生態建設使城市自然水循環能夠保持原有的水文特征;三是海綿城市本質上是一種城市可持續建設模式,雨洪控制是其目標之一而非全部,海綿城市最終要實現城市防洪治澇、水資源利用、水環境保護與水生態修復的有機結合,使城市能夠減緩或降低自然災害和環境變化的影響,具有良好的彈性和可恢復性。
3.在什么自然條件下的城市宜建海綿城市?
分析該問題可從海綿城市建設的目標出發進行逆向思維。例如,海綿城市建設的目標之一就是控制雨洪,因而多暴雨、地勢低平的城市宜建海綿城市;又如,海綿城市建設追求雨水資源化,因而降水季節變化大,容易形成旱災的地區宜建海綿城市;等等。此題分析要避免認識誤區,作為一種城市可持續建設模式,海綿城市建設具有廣泛的地區適用性,因而不能草率地說沒有明顯雨洪的地區如干旱地區不適宜建設海綿城市。
第五章 植被與土壤
知識拓展
【植物在地理環境中的作用】
據估計,現存于地球上的植物有50萬種以上,分布十分廣泛,從赤道到兩極,從平原到高山,到處都可以見到,甚至在裸露的巖石上、干熱的荒漠中都有植物的分布。植物的質量占地球上有機體總質量的99%,成為生物圈有機部分的重要組成,在生物圈生態系統的物質循環和能量流動中處于關鍵地位。植物的生命活動使地球上各個圈層聯系起來,使各種物質和能量相互滲透。地球表面所有物質、能量運動以生物為轉化和循環中心,向著越來越豐富的方向發展。
植物是生產者。光合作用是綠色植物利用光能將二氧化碳和水合成有機物,并釋放氧氣的過程。植物是自然界中的初級生產者。綠色植物通過光合作用過程將光能轉化為化學能,并以各種形式(如形成糖類、蛋白質、脂肪等)貯藏能量,是一個巨大的能量轉化站和一個龐大的合成有機物質的綠色工廠。地球上其他生物和人類所需的能量和物質,都直接或間接來源于植物�？梢哉f,沒有綠色植物就沒有生命。
植物參與了自然界的物質循環。綠色植物在光合作用過程中,不斷地釋放氧氣以補充因呼吸、燃燒等過程消耗氧氣而引起的氧不足;微生物分解有機物質、動植物呼吸、火山爆發、物質燃燒等過程所釋放的二氧化碳,補充了大氣中因光合作用而用去的二氧化碳;碳、氧、氫、氮、磷、硫、鉀、鎂、鈣以及各種微量元素(如鐵、錳、鋅、銅等)被植物吸收后,又通過植物以各種途徑返還給自然界。植物維持了自然界的物質平衡,也使整個自然界,包括生物和非生物成為不可分割的統一體。
植物為地球上其他生物提供了賴以生存和繁衍后代的場所和物質基礎。植物不僅為人類和其他生物提供了食物、藥材、建筑材料和多種工業原料,而且創造了適于人類居住的環境。據統計,可供人類食用的植物有7500多種,歷史上曾有3000多種植物被用作食物。目前,人類種植的糧食作物大約有20多種,大多為禾谷類植物。這些作物為人類提供了約90%的糧食;發展中國家約80%的人口使用的傳統醫藥中很多是植物(如中藥),美國所有醫學處方中1/4的藥品有效成分從植物中提取。此外,植物還為人類提供了大量的原材料,如木材、纖維、橡膠、造紙原料、淀粉、油、樹脂、染料、酸、蠟、殺蟲劑等。
植物是環境的改造者。植物對環境具有強大的改造作用,表現在調節氣候、涵養水源、保持水土、土壤形成、群落演替、凈化環境等方面。植物生命活動對環境的影響還表現在參與巖石的風化、地形的改變、某些巖石和非金屬礦(硅石巖、泥炭、煤等)的形成等。此外地下水、地表水的化學成分在相當大程度上受植物生命活動的制約。
植物群落尤其是森林在調節全球以及地方、區域的氣候上都具有極為重要的作用。植被能反射太陽輻射,改變風向和風速,緩和溫度變化;能截流降水、蓄積降水,對降水起再分配作用,并通過根系吸收土壤中的水分,經蒸騰、蒸發作用將水汽送回大氣,增加大氣濕度,加速降水過程,促進水分循環。
植物具有涵養水源、保持水土的作用。植物能截留降水,降雨時雨水首先沖擊樹冠,然后穿過枝葉落地,不直接沖刷地面,從而減少表土的流失,同時樹冠本身還能積蓄一定數量的雨水。另外,林地土壤疏松,枯枝落葉、苔蘚等覆蓋物能吸收數倍于自身重量的水分,使附水慢慢下滲,減少了地表徑流,同時減少地面蒸發。
土壤的形成過程、土壤肥力的產生與植物的繁育存在密切關系。生物因素是促進土壤發生、發展最活躍的因素。在植物的作用下,大量的太陽能被引進成土過程,使分散在巖石圈、水圈、大氣圈中的營養元素有了向土壤積聚的可能,使土壤具有肥力的特性,推動了土壤形成和演化。在一定程度上講,土壤的形成就是母質在一定條件下被生物不斷改造的過程。例如,生活在巖石表面的地衣、苔蘚等分泌一些酸性物質溶解巖面,并積蓄空氣中的物質和水分,促進土壤的形成。實際上,植物群落組成的改變,必然會導致土壤新特征的產生。
植物參與湖泊沼澤的發展演變。苔蘚植物生長快、吸水力強,能使沼澤陸地化或使森林沼澤化。水生或濕生的蘚類常在湖泊或沼澤形成廣大群落。這些蘚類往往吸干積水,其遺體堆積成很厚的蘚層,填平洼地,其他水生植物和濕生的種子植物也逐年侵入蘚類群叢中。隨著蘚群生長面積日益擴大,湖泊或沼澤的凈水面逐漸縮小,久而久之,湖泊或沼澤日益淤積而干涸,逐漸陸地化,陸生的草本、灌木和喬木接踵而來,湖泊或沼澤便逐漸演替成森林。在寒冷的北方針葉林地帶中,往往由于過分繁茂的苔蘚植物大量吸收水分和使土壤酸性增大,抑制森林的生長,影響樹種的萌發和林木的天然更新,導致林木生長停滯或逐漸死亡,逐漸使森林演變成沼澤。
植物具有凈化環境的作用。植物通過光合作用清除空氣中過多的二氧化碳。某些植物的葉片粗糙多毛,或分泌黏液和油脂,能吸附空氣中的飄塵。據監測,一般有行道樹的街道,在離地面1.5米高的空氣層中含塵率比沒有樹的街道低一半左右。有些植物能吸收空氣、水體和土壤中的有毒物質,減少環境中毒物的含量,使某些毒物在體內分解而轉化為無毒物質。植物表面的氣孔和絨毛等結構可吸收聲波,樹葉、枝條等對聲波具有反射和折射作用,故植物具有降噪的作用。某些植物對有毒氣體特別敏感,即便有毒氣體濃度極低也能出現受害癥狀,可以指示環境污染程度。
綜上所述,植物生命活動有力地推動了自然環境的發展變化,植物既是人類活動的必需資源,又是人類生存的基本條件。
【植物群落的外貌】
植被并不是各種植物雜亂無章的聚合體,而是在自然環境下,由不同種的植物在一定地段形成的有規律的組合。這種一定地段上植物群的組合,稱為植物群落。因此,也可以說,植被是由不同的植物群落組成的。植物群落具有一定的種類組成、結構和生產量,其中植物之間,以及植物和環境之間,構成一定的相互關系。
植物群落的外貌是植物群落與環境長期適應的反映,是認識植物群落的基礎,也是區分不同植被的主要標志。植物群落的外貌主要包括生活型、葉的性質和周期性三個方面。
生活型是指植物對其生態環境長期適應而具有的相似的形態外貌、結構和習性。草本、灌木與喬木,常綠與落葉,芽發的位置,花開的位置等,都是植物生活型的表現。生活型分類標準有多種。常用的有兩種,一是根據休眠芽在不良季節的著生部位來劃分,將陸生植物分為高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物和隱芽植物。二是以植物營養器官(莖和葉)的多方面形態特征來劃分,將植物分為木本植物(又細分為喬木、灌木、竹類、藤本植物、附生木本植物、寄生植物)、半木本植物(又細分為半灌木、小半灌木)、草本植物(又細分為陸生草本植物和水生草本植物)、葉狀體植物(包括苔蘚及地衣、藻菌植物)。不同種的植物可能具有相同的生活型,同一種植物在不同的環境中可能呈現不同的生活型。一定的植被類型,一般都以某一兩種生活型占優勢。
葉的性質一般包括葉級(葉的面積)、葉型(單葉或復葉)、葉質(葉的質地)和葉緣等。例如,熱帶雨林植物以中葉和大葉占比例最高,而我國南方的常綠闊葉林則以小葉和中葉占比例最高。又如,落葉闊葉林的葉質為草質,而常綠闊葉林的葉質多為革質。
植物群落外貌的周期性是指隨季節更替而發生相應的以一年為周期的變化。這種因季節更替而出現的外貌變化,稱為季相。在四季分明的溫帶地區,植物群落的周期性外貌變化最為明顯。在溫帶草原上,有時因種類組成復雜,或降水較少,往往出現更為復雜的季相更替。相對而言,在亞熱帶特別是熱帶森林里,季相的變化不如溫帶顯著,常以喬木花期或果期顯出季相的差異。
【植物群落的演替】
植物群落的演替是指在一定地段一個植物群落被另一個植物群落替代的過程。演替現象貫穿群落以至植被發展的始終,表現為植被由低級到高級、由簡單到復雜的發展過程。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處于不同發展階段的植被,通過比較植被間的差異來推斷植被的發展順序。
新近形成的裸地一般呈斑塊狀,由于過分潮濕或過分干燥,或遭受機械干擾,或缺乏養分,對于植物的生長來說常常處于自然界的極端狀態。這些裸地對于植物僅有的有利條件是可以暫時避免生存競爭,因此,遷移能力強、個體矮小的植物首先進入裸地。經過一段時間的發展,局地小氣候以及土壤條件得到改善,最初集聚的植物不能在改善的環境中產生新的籽苗,而改善的環境較適宜區域性的一些植物的幼苗生長。于是,區域性植物逐漸滲入。由于新進入的植物比最初集聚的植物一般要大,最后就會超過并抑制它們的先驅者。這便是植物群落原生演替的概要過程。
對于植物群落演替的理論,科學家對其研究方法和理論本身都存在很大的爭議,并且嘗試用其他方法進行研究。盡管如此,對于描述和研究植被的發展,群落演替理論仍然提供了可以采用的概念和思路,并且可以指導實踐活動。
最先進入裸地的植物稱為先鋒植物,形成的最初的群落稱為先鋒群落。例如,在江南丘陵地區,新形成的裸地上首先生長的樹木是杉樹,杉樹就是這一地區的先鋒樹種。在這一地區新形成的裸地上進行植樹造林,宜種植杉樹類的先鋒樹種。
植物群落演替的最終結果(目前已知的)稱為頂級群落。到了頂級群落,群落表現出相對穩定的狀態,即群落垂直結構相對穩定,種群結構相對穩定,生物量相對穩定。據此,對一些地方植被的發展,可實施人為干預。例如,南京地處亞熱帶的北部,地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林,但馬尾松屬于先鋒樹種。紫金山風景區植被保護較好,在20世紀80年代,這里仍看到較多長勢良好的馬尾松,然而,隨著群落的自然演替,如今這里闊葉林已接近頂級群落,馬尾松較少且長勢較差。園區管理人員對長勢較差的馬尾松實施人工砍伐,有利于群落向亞熱帶常綠闊葉林演替。
【植物群落的垂直結構】
大多數植物群落都有高度上的分化或成層現象,稱為群落的垂直結構。垂直結構是群落中各種植物間及植物與環境間關系的特殊形式。
植物群落內不同種類的植物,沿著垂直高度的梯度及光照強度的梯度,占有不同高度的位置。根據不同種類植物的垂直高度,劃分出一定的層次。森林中,一般可以劃分出喬木層、灌木層、草本層和地被層。在天然的森林中,情況往往較為復雜。例如,在熱帶雨林中,喬木層的垂直高度,可以達到3040米或更高,一般還可劃分出三個亞層。由于喬木層組成復雜,高矮參差不齊,三個亞層的界限并不明顯。還有不少灌木,也能發育成幼樹的狀態。此外,雨林中還有種類豐富的藤本植物和寄生、附生植物,這些植物攀緣或附著在不同植物的不同高度,往往在整個群落的垂直高度內都有分布,并不形成獨立的層次,稱為層間植物。
森林的分層現象與光照強度密切相關。群落中的光照強度總是隨著高度的下降而減弱。森林最上層的樹木受到全光照的照射,其樹冠的枝葉可以吸收和散射一半以上的光能,灌木層大約利用全光照的10%,草本層僅利用低于5%的光照,地被層則光照微弱。
模擬天然森林的垂直結構,我國云南西雙版納地區建立了上層為三葉橡膠、中層為金雞納樹、下層為砂仁的人工植物群落,收到較好的經濟效益。
【植物對環境的適應性】
植物從種子(孢子)脫離母株落到地面時起,便在固定地點開始了它的生命過程。它從周圍環境獲取生活資源,進行伴以能量流動的物質交換,既受環境影響又影響環境。這里所說的環境是指植物周圍一切事物及現象的總和,包括毗鄰生長的其他植物個體。環境中的各種組成要素稱為環境因子,其中一些可對植物產生直接影響的稱為生態因子。為了強調生態意義,常常把環境中全部生態因子綜合組成的部分,稱為生態環境。而植物周圍具體而直接的環境,稱為植物的生境,如河谷環境分為河床、河漫灘等不同生境。當環境中某種條件出現異常,就會抑制植物生命活動或威脅植物生存,這種現象稱為環境脅迫。動物嚙食、寄生、風害、火災、土壤侵蝕等可部分或全部破壞植物生命活動的現象,稱為干擾。植物的生長過程中,可能會遇到各種各樣的不利環境條件,一般將這些不利的環境條件統稱為脅迫環境。給生態系統造成脅迫的各種因子稱為脅迫因子,包括物理的(如干旱、熱害、冷害、水害等)、化學的(如養分缺乏、鹽害、pH異常等)、生物的(如病蟲害等)等各方面的因子。
一種植物在某類生境中能夠正常生活和繁衍后代,此現象稱為適應。從本質上看,適應是生物產生改善生存和提高生殖效率的可遺傳的進化性變異,包括形態、結構、發育等方面的特征。適應是植物經受自然選擇的結果,是生物特有的普遍存在的現象,它包含兩方面的含義:一是生物的結構(從個體結構到群落結構)大都適合于一定的功能,例如,熱帶雨林中樹木的板根具有支撐樹干的功能;二是植物的結構及其功能適合該植物在一定的環境條件下生存和繁衍,例如,一些沙漠植物的葉子退化成刺有助于減少蒸騰,從而適應干旱的環境。
【生態幅和分布區】
所有生物對每種環境因素都要求有適宜的量,過多或不足都會使其生命活動受到抑制,乃至死亡。某種生物對每種因素的耐受范圍,稱為生態幅。例如,橡膠樹對溫度的耐受范圍是5-40℃,最適溫度為26-30℃。生態幅是由生物的遺傳特性決定的。很多生物的生態幅是比較寬的,它們能夠在寬范圍的溫度、濕度、鹽度等中存活。
植物分布區是某植物分類群(種、屬、科等)在地表分布的區域,其形狀和大小主要受種系發生的年齡、繁殖和傳播的能力、遷移環境條件和人類活動的影響。此外,地理的隔離和障礙也具有很大作用�？傊�,植物分布區的形狀和大小實際上是自然界多種因素綜合作用的結果。
1.氣候因素。
溫度、降水、光、風等氣候條件常常嚴格制約了某些植物的分布。例如,生長在我國山東半島和遼東半島的赤松,其分布區只局限于海洋性氣候區,稍向內陸就被松屬的其他種所代替。
2.土壤因素。
土壤的水分狀況、礦物質元素、有機物的成分和含量、土壤溫度以及土壤酸堿度等土壤理化性質和土壤生物往往影響著植物的分布。例如,一般有花植物只能生長在pH3-9的土壤上,在強酸性或強堿性的土壤上,則只能生長具有特殊適應性的酸性土植物或堿性土植物。
3.地形因素。
山脈、海洋等自然屏障往往成為分布區的天然界限。地形所引起的氣候變化常常是造成植物侵移和擴展中斷的主要原因。例如,我國的秦嶺山脈是北方溫帶植物區系和南方亞熱帶植物區系的天然界限。海洋、寬闊的海峽、大沙漠和寬闊的河谷等是植物侵移和擴展難以克服的障礙。在地質地貌條件變化顯著的地段,往往是許多植物種的分布邊界或匯集地區。
4.生物因素。
影響植物分布區的形狀和大小的生物因子很多。例如,某種寄生植物的分布決定于其寄主的地理分布,有些植物的傳播依賴于某種動物,某些植物群落可以成為某些植物傳播的障礙。
5.歷史因素。
有些植物的分布區不能用現代的自然條件來解釋,而是古地理環境的反映。例如,分布在我國西北部荒漠地區的沙冬青屬,是亞洲中部僅有的闊葉常綠灌木,它起源于古地中海區系喜熱的祖先。
6.人為因素。
人類活動不僅可縮小或消滅某些植物的分布區,而且也能擴大植物的分布區。例如,紫莖澤蘭約在20世紀40年代由緬甸傳入云南省南部,后伴隨著人類采伐森林、修筑道路等活動逐漸向外蔓延,近些年來沿著縱谷北上向中亞地區擴散,并引發了生態災難。
【熱帶雨林】
熱帶雨林是在熱帶雨林氣候條件下發育形成的、耐陰、喜濕、喜高溫、結構層次不明顯、層間植物豐富的木本植物群落,是當前地球上面積最大、對人類生存環境影響最大的森林生態系統。
熱帶雨林發育的氣候條件是全年高溫多雨,一般年均溫為25-30℃,最冷月平均氣溫在18℃以上,年溫差在6℃以下。全年降水量為2000-4000毫米,雨量大的地區(夏威夷群島的山區)可達12000-40000毫米,相對濕度很高,有的可達90%以上。
熱帶雨林是地球上種類組成最豐富的一種植被類型,組成雨林的高等植物有45000種以上,其中喬木樹種十分豐富,例如,馬來半島具有9000種以上的喬木。在熱帶雨林中很少能找到優勢種。雨林的形成除有利的氣候條件外,熱帶陸地的古老性也是一個重要原因。幾千萬年以來,這里環境較穩定,沒有經歷劇烈的環境演變。
熱帶雨林地區風化過程強烈,母巖崩解層深厚;土壤強烈淋溶,為呈酸性的磚紅壤。1公頃雨林的有機物產量可達100—200噸。但在高溫高濕氣候的作用下,有機物分解迅速,很快被植物吸收利用,土壤中幾乎沒有存留的養分,土壤極為貧瘠。
熱帶雨林是地球上結構最復雜的植物群落,層次相當復雜,大體分為喬木層、灌木層、草本層三個基本層次。另外還有豐富多彩的層間植物。熱帶雨林以裸芽的高位芽植物占絕對優勢,多速生樹種。葉具滴水尖是雨林中的一個普遍現象,如加納雨林中90%以上的植物具有滴水尖,滴水尖是對雨林濕度大、多雨環境的適應。
熱帶雨林中的喬木具有十分獨特的結構:樹干高大挺直,常常達到46-55米,分枝少,樹皮光滑、薄、色淺。熱帶雨林中的喬木特別是上層高大喬木,常常發育著板狀根。板狀根由地面上或離地面一定距離的粗大側根發育而成,常常為扁平三角形,每一樹干一般具有3-5條,有的甚至達到10條,高度可達地面以上9米。一般認為熱帶雨林多雨,根系無須扎入土壤深處即可吸收水分,故樹木根系往往是淺根系,但淺根系植物經不起風吹,容易倒伏。眾多的板狀根像一根根支柱對樹干起到支撐作用。熱帶雨林中的一些喬木發育著支柱根或氣生根。例如,榕樹的樹枝上垂直向下生長許多氣生根,當氣生根插入土壤后,很快長粗長大,支持著樹枝,一棵母植株不斷向外展開,可覆蓋地面1000-2000平方米,儼然一片森林。
熱帶雨林中下層喬木常常具有莖花現象,即直接在無葉的木質莖上開花和結果,花或花序無柄,或只有很短的無葉的柄附著在主干或老枝上。關于莖花現象形成的原因尚無定論。
富有藤本植物是熱帶雨林的一大特色。熱帶雨林中藤本植物多為木質藤本,形狀多種多樣,粗的如手臂、大腿,它們憑借吸盤、卷須等攀緣器官旋轉運動,不斷纏繞在其他植物上,直到林冠頂部。
熱帶雨林中有大量植物附生在樹干、枝條或葉片上,在面積上甚至超過草本植物。這些附生植物的孢子或種子細小,輕微的氣流也能把它們吹到其他地方。森林中的枝丫處經常積水,并積累了薄薄的腐殖質,為附生植物提供了生存的條件。有些附生花朵美麗芳香,構成了絢麗多彩的“空中花園”。
熱帶雨林還有大量的絞殺植物,它們屬于藤本植物和附生植物之間的過渡類型,稱半附生植物。絞殺植物的種子依靠鳥類傳播。當果實被鳥吞食后,種子隨糞便排到大樹的枝丫上,萌發后先長出一個小枝和氣生根。氣生根向下擴展,一部分與土壤建立聯系吸收水分和養分,另一部分大量分枝,彼此靠合,最后愈合成一個網狀的套子把樹干套在里面。最初支撐植物的樹干還能增粗,但是絞殺植物根系非常強大,生長迅速,枝葉繁茂,與支撐植物爭奪養料、水分、陽光和空間,最終導致支撐植物死亡。這些絞殺植物的根莖進一步愈合,成為一株獨立生長的大樹。對于挺直的大樹來說,只要被絞殺植物纏上,用不了幾年就被活活絞殺致死。
熱帶雨林的分布一般局限于赤道兩側南北緯5°-10°的熱帶范圍內,但個別地區可延伸至15°-25°,熱帶雨林的南北界限與熱帶的緯度界限并不明顯吻合。熱帶雨林主要分布在南美洲亞馬孫河流域、非洲剛果盆地、東南亞等地區。不同地區的熱帶雨林在外貌結構上非常相似,只是在種類組成上有所差異。
中國的熱帶雨林主要分布在臺灣南部,海南,廣東,廣西南部,云南南部,西藏東南部等地的山前低地或溝谷。盡管中國熱帶地區有較明顯的干季并受寒流影響,但不少地方的植被具有熱帶雨林的基本特征,如樹木高大、板狀根和莖花現象顯著,藤本植物較為豐富等,但與典型雨林相比,種類組成和結構比較簡單,各項特征仍有較大差異。
【熱帶草原】
在熱帶雨林與熱帶荒漠之間,往往會形成熱帶草原。這類地區年降水量一般在750-1000毫米,低的只有500毫米,高的可達1500毫米,降水季節分配不均,有明顯的干濕季。在溫帶地區,這樣的降水量一般可以孕育出茂密的森林。但在熱帶地區,全年高溫,一旦存在時間較長的旱季,由于蒸發量大,喬木的生長就受到抑制,而一年生草本植物以及根系發達的灌木會比較適應,因而這些地區發育成以草本植物為主的草原。相對于溫帶草原,熱帶草原由于熱量充足、降水總量較多,生物多樣性比較豐富,草本植物也相對高大,多數超過1米,有的甚至達到3米,具有耐旱特征,如熱帶禾本科植物葉子狹窄而直立,莖稈堅硬。
緊鄰熱帶雨林區的熱帶草原,由于水分條件較好,多年生草本植物增多,草原上分布著疏林甚至成片的喬木。如南美洲巴西高原的喜拉多草原西北部,分布著熱帶森林草原,植被主要由高大的(2米以上)旱生多年草本植物構成,多喬木和亞喬木,特別是在沼澤周邊和河流兩岸,分布著連片的森林。
大多數熱帶草原喬木稀疏,它們進化出特殊的耐旱結構得以生存繁衍,如澳大利亞的瓶子樹、南美洲的紡錘樹、非洲的猴面包樹等,均通過粗大的樹干蓄水度過旱季,這樣的熱帶草原稱為熱帶稀樹草原,主要分布在非洲、南美洲、北美洲、大洋洲和亞洲,我國的云南干熱河谷,海南島北部,雷州半島以及臺灣島的西南部也有分布。
有的熱帶草原幾乎沒有喬木。例如,圭亞那高原北部的拉諾斯大草原,位于委內瑞拉西部和哥倫比亞東北部,大部分地區為熱帶無樹大草原,低洼地區遍生沼澤草和蓑衣草,干燥地區則廣布長莖草和地毯草。
有的熱帶草原多灌木、亞喬木。例如,南美洲巴西高原東端的卡廷加草原,年平均降水為250-1000毫米,旱季時間比雨季時間長得多,最長的區域甚至能達到11個月,草原上廣布能夠在旱季蟄伏的灌木,以及亞喬木屬性的刺樹。
非洲熱帶草原是世界上面積最大、發育最好、特征最為典型的熱帶草原,主要分布在非洲熱帶雨林的北、東、南三面,北起蘇丹,南到南非,西起大西洋沿岸,東到印度洋之濱,約占非洲大陸面積的40%。非洲熱帶草原的氣候全年高溫,一年中有明顯的干、濕季變化,年降水量為500-1000毫米,多集中在濕季。干季的氣溫高于熱帶雨林地區,各月平均氣溫在24-30℃。南、北半球的熱帶草原干濕季節變化正好相反。非洲熱帶草原的植物具有旱生特征。草原上大部分是禾本科草類,草高一般為1-3米,大都葉狹而立,以減少水分蒸發。草原上稀疏地點綴著獨株或緩生的喬木,葉小而硬,有的小葉能運動,調整到最避光的位置;樹皮很厚,有的樹干粗大,可貯存大量水分以保證在旱季能進行生命活動,如傘狀的金合歡樹和巨大的波巴布樹等。每當干季來臨時,萬物凋零,整個草原一片枯黃,生活在這里的動物,由于缺水少食,或向水草豐茂的草原遷徙,或鉆入地下蟄眠,整個草原死一般寂靜。雨季來臨時,草木叢綠,萬象更新,一派生機勃勃的景象。
南美洲的熱帶草原主要集中分布在巴西高原中東部以及圭亞那高原的北部。巴西高原腹地覆蓋著大面積的熱帶草原。緊鄰亞馬孫雨林的喜拉多草原年平均降水量可達800-2000毫米,其雨季的時間也比旱季要更長些,因此孕育了比一般熱帶草原更多的生物種類,以及相對繁多的喬木。分布在喜拉多草原上的喬木,抵御旱季的最主要方式跟灌木一樣,就是進化出發達的根系,以更多地吸收蘊藏在地下的水分。其深入地下的部分,甚至是地上部分的兩倍,因此喜拉多草原的樹木又被形容為“顛倒的森林”。
澳大利亞典型的熱帶草原集中分布在北部地區。雨季時草原上一派欣欣向榮,旱季時則一片荒涼。茂密的大型草本植物中稀疏地散生著旱生喬木,主要是桉樹。澳大利亞的稀樹草原也有種類繁多的金合歡。瓶子樹是這里的特色樹木,形狀類似美洲的紡錘樹,根部呈大肚形,往上越來越細,里面貯藏著大量的水分和充足的營養。因此,這種樹能在石縫里、懸崖上頑強地生存。這種瓶子樹春天不見葉,但卻開著粉紅色的花朵。
熱帶草原不僅僅發育在熱帶草原氣候區,一些熱帶季風氣候區也有分布,最典型的就是德干高原中北部和中南半島中部。德干高原中北部年降水量為500-1000毫米,曾經為森林植被,后來由于人類活動等原因導致森林退化為草原和灌木植被。一些地區的熱帶草原植被發育受地形影響較大,如東帝汶的高大山脈背風坡就發育著熱帶草原植被。
【常綠硬葉林】
常綠硬葉林分布在亞熱帶大陸西岸的地中海氣候區,是與冬季溫和多雨、夏季炎熱干旱氣候特點密切相關的一種群落類型。
常綠硬葉林種類組成相對比較單調。喬灌木以旱生陽性植物為主,根系發達。林下草本植物以旱生植物或短生命植物為主,多年生草本種類豐富。植物花色十分鮮艷,其中黃花尤多。植物體能分泌揮發芳香油,連同芳香的花朵使得植物群落具有特殊的強烈香味。
由于冬季溫和多雨,常綠硬葉林的種類以裸芽植物為主。由于夏季炎熱干旱,喬灌木的葉子具有旱生適應特征:常綠,葉小,厚革質,葉緣具有尖齒或銳齒,葉表面角質層發達,常披有茸毛,葉呈灰綠色,無光澤;具有發育良好的機械組織,氣孔深陷,以防止過多蒸騰;葉片排列方向與入射光線交成銳角,以避免陽光照射時被灼熱;有些植物的葉片常常退化或縮小成刺,成為本群落的典型特征。群落終年常綠,在最干旱季節,林下一片枯黃與上層綠葉相映。
常綠硬葉林喬(灌)木層一般不分亞層。喬木層林木不高,樹高不超過20米,生長稀疏。林下常綠植物較多,生長茂密,往往使人難以通行。草本層生長稀疏。層間植物較少。
【中國的常綠闊葉林】
由于海陸位置和大氣環流的影響以及青藏高原的存在,中國亞熱帶季風氣候區域廣闊,占全國總面積的1/4以上。因此,常綠闊葉林在中國分布廣泛,從秦嶺-淮河一線往南,一直到廣東、廣西中部,東至黃海、東海海岸,西達青藏高原東緣,緯度跨度大約為11個緯度。南北氣候條件差異明顯,群落類型亦較復雜,通常分為北亞熱帶常綠闊葉林、中亞熱帶常綠闊葉林和南亞熱帶常綠闊葉林。自中生代侏羅紀以來,這些地區的海陸分布和氣候特征的變化較小,歷次冰川作用的影響不大,一直處于比較穩定的溫暖濕潤氣候條件下,因而保存大批較古老的植物種屬,如銀杏、水杉、銀杉、鵝掌楸、珙桐、喜樹等。同時也衍生出一些新種屬。因此,我國常綠闊葉林植物區系種類豐富,起源古老,是我國特有屬最多的地區。
1.北亞熱帶常綠闊葉林的北界大體為秦嶺-淮河一線,與暖溫帶落葉闊葉林交界。上層喬木常含有較多的落葉成分,以櫟屬為主,常綠樹種多為耐寒性較強的種類。常綠成分不占優勢,外貌上接近落葉闊葉林,或稱為混交林或含有常綠成分的落葉闊葉林,顯示向溫帶森林過渡性質,或隸屬于溫帶森林范疇。
2.中亞熱帶常綠闊葉林是中國亞熱帶地區最典型的地帶性植被類型,其分布于23°40′N-32°N,99°E-123°E的中亞熱帶地區,主要由常綠闊葉樹種組成。群落外貌終年常綠,一般呈暗綠色。林冠整齊而呈波狀起伏,群落一般高15-20米,喬木可分2-3個亞層,層間植物不發達,缺乏木質藤本植物。
3.南亞熱帶常綠闊葉林是中國南亞熱帶的地帶性植被類型,為亞熱帶常綠闊葉林向熱帶雨林過渡的一個類型。主要分布于臺灣玉山山脈北半部、福建戴云山以南及南嶺山地南側等海拔800米以下的丘陵、臺地,以及云南中南部、貴州南部、喜馬拉雅山脈南側等海拔500-1000米的盆地和河谷地區。本類型群落較高,分層復雜,林冠凹凸不平,喬木一般可分3層,上層以喜暖種類為主,中下層則有較多熱帶雨林成分,如板狀根、莖花、絞殺植物、木質大型藤本植物、附生植物等。在溝谷潮濕生境中,熱帶雨林特征更為顯著。
【落葉闊葉林】
落葉闊葉林是溫帶地區濕潤、半濕潤氣候下的地帶性植被之一,通常指具有明顯季相變化—夏季盛葉、冬季落葉的闊葉林,也稱為夏綠闊葉林。
落葉闊葉林分布地區的氣候四季分明,夏季炎熱多雨,冬季寒冷,全年至少有4個月的平均溫度在10℃以上,年降水量500-1000毫米,大部分集中在夏季。
落葉闊葉林分布地區的地帶性土壤主要是棕壤和褐土,二者共同特點在于具有明顯的黏化現象,但褐土具有明顯的鈣化過程,表現出一定的森林土壤向草原土壤過渡的特色。淋溶和黏化過程并存使土壤剖面中形成一個明顯的黏化層次,其黏粒含量可高達30%。在褐土的剖面中,黏化層下有明顯的鈣積層。
落葉闊葉林生長季節水熱條件充沛,中生植物能茂盛生長,種類組成相當豐富,喬木一般具有寬闊的葉片,為夏季盛葉、冬季落葉的陽性樹種。樹種大部分為風媒植物,種子與果實具翅,常常由一個種組成純林,在不同地區、不同生境中形成單優群落。林下的灌木也為落葉種類。冬季,草本植物地上部分枯死或以種子越冬。林下的灌木與草本植物靠動物來傳粉和傳播果實。
落葉闊葉林中地面芽植物和地下芽植物占優勢,高位芽植物占一定比例,植物有堅實的芽鱗,以落葉小葉為主,故落葉闊葉林也稱為小葉林。葉質地薄,無革質葉,也無茸毛,呈鮮綠色。群落季相更替十分明顯,這是落葉闊葉林的顯著特征。構成群落的喬木,都是冬季落葉的闊葉樹,林下的灌木也為落葉種類。當春季氣溫開始回暖,喬木隨即萌葉抽枝,大多數喬木進入花期。夏季是群落茂盛的生長季節,枝繁葉茂,樹冠郁閉。秋季氣溫下降,葉色轉黃,葉片脫落。喬木從萌葉、密茂到枯黃、脫落的有規律的更替,影響林下的光照和濕度條件,進而影響整個群落的結構和季相更替。春季,草本層中的多年生短生命植物,非常迅速地抽葉開花,花朵艷麗,數量眾多,構成顯著而華麗的草本層。夏季,樹木茂盛發育,形成郁閉林冠,這些春季多年生短生命植物則已結束自己的生活周期,地上部分逐漸枯死,出現了耐陰的草本植物。這時,開花植物減少、季相顯得單調。秋季,一些禾本科植物花后陸續結籽,并日趨干枯,而最終完成了整個生命周期。
落葉闊葉林的垂直結構比較簡單,分為喬木層、灌木層、草本層和地被層。喬木層分1-2個亞層,喬木往往分枝強烈,樹冠發育良好,上層喬木往往僅由1種或少數優勢種構成,形成頂部較為平整的林冠。喬木樹干與樹枝具有厚的皮層保護,芽具有堅實的芽鱗,常有樹脂保護,以抵御嚴寒。灌木層僅有1層,草本層可分為2-3個亞層。由于地表被落葉覆蓋,地被層不發達。層間植物不發達,藤本植物以草質或半木質為主,攀緣能力不強。附生植物有苔蘚、地衣,有花附生植物幾乎不存在。
世界范圍內的落葉闊葉林集中分布在三大區域:北美大西洋沿岸,西歐和中歐海洋性氣候的溫暖區域,亞洲東部的溫帶季風氣候區。南半球由于沒有適宜的條件,落葉闊葉林分布極少。
中國的落葉闊葉林主要分布于華北和東北南部的暖溫帶區域。由于人類活動干擾,中國落葉闊葉林原始植被已經被破壞,現存的落葉闊葉林大多為次生群落。
【亞寒帶針葉林】
亞寒帶針葉林由耐寒的松柏類植物組成,為寒溫帶地帶性植被類型,又稱寒溫性針葉林,其分布的北界為森林分布的最北界限。
亞寒帶針葉林分布區比落葉闊葉林分布區具有更強的大陸性特點。緯向跨度大,氣候狀況很不一致。一般來說,夏季溫和濕潤,冬季十分嚴寒。冬季長,暖季短。最暖月平均溫度在10℃以上,但不超過20℃;最冷月平均溫度為-20— -10℃,在西伯利亞可達-52℃。年降水量為300-600毫米,大部分在春季。冬季降雪,但降水量不多。
亞寒帶針葉林由松柏類植物組成,這類植物適應生長季節短、低溫引起生理干旱。隨氣候不同,組成針葉林的植物種類不同,往往由一個樹種組成純林。
亞寒帶針葉林具有十分特殊的外貌,極易與其他森林類型區別開來。它常由單一樹種構成純林,其外貌隨建群種不同而各具特色。例如,云杉屬和冷杉屬的樹冠是圓錐形或尖塔形的,松屬的樹冠是近圓形的,落葉松屬樹冠呈塔形而稀疏。在西伯利亞,由西伯利亞冷杉、西伯利亞云杉和西伯利亞松一起生長并在低地形成大片的、稍微沼澤化的森林,當地稱為泰加林。廣義的泰加林包括亞歐大陸高緯度和高海拔山地的一切針葉林。亞寒帶針葉林群落結構非常簡單,喬木層、灌木層、草本層和地被層各一層。
亞歐大陸從大西洋沿岸延伸到太平洋沿岸,亞寒帶針葉林連續成片占據非常廣闊的面積。北美洲從阿拉斯加育空河和加拿大的馬更些河以南經過大奴湖,沿蘇必利爾湖北岸而達大西洋沿岸分布著亞寒帶針葉林。南半球沒有亞寒帶針葉林分布。
【溫帶草原】
溫帶草原是在溫帶半干旱氣候條件下發育起來的地帶性植被之一,屬于夏綠旱生性草本群落,主要種類為多年生抗旱抗寒的禾本科植物。草原地區氣候干燥,降水量少且變率大,冬季寒冷漫長。
溫帶草原植被高度不高,外貌呈暗綠色。在水熱條件比較優越的地方,植被比較郁閉;干旱地區植被稀疏。生活型以地面芽植物、地上芽植物為主,還有一定數量的地下芽植物、半灌木和小半灌木。草原植物具有耐旱的形態特征,如葉面狹窄、有茸毛、卷葉、氣孔下陷、有蠟質層、機械組織發達等。溫帶草原具有明顯的季相變化。我國東北的溫帶草原冬季一片枯黃;春季一片嫩綠;夏季是雙子葉植物的花期,草原色彩極為華麗,但當禾草類抽穗開花掩蓋了雙子葉植物時,草原的色彩又轉向單調;秋季則常由于菊科,尤其是蒿類占有優勢,而使草原以黃綠色為主。
溫帶草原的群落結構一般分為3層:高草層、中草層和矮草層。植物地下部分強烈發育,其層次結構遠遠超過地上部分。
溫帶草原分布很廣,在歐亞大陸、北美中部、南美南部以及非洲南部等地均有大面積的分布。世界兩大溫帶草原分布區為亞歐草原區和北美草原區。不同地區的草原,在群落外貌、生態上具有或多或少的相似性,在種類成分上雖也有某些共同的屬,但往往有很大的差異。
【荒漠】
荒漠是極度旱生、覆蓋稀疏(小于30%)的植被類型。自然地理中的荒漠概念,是指降水稀少、蒸發強烈、極端干旱的強大陸性氣候的地區或地段。其上植被通常十分稀疏,甚至無植被,土壤中富含可溶性鹽。
荒漠的生態條件十分嚴酷,多大風與塵暴,植物常受風蝕和沙埋�；哪畾夂驅儆跇O端干燥的大陸性氣候,其主要特點為降水量少,降水變率大;氣溫高,溫差大;蒸發強,相對濕度小;光照強烈。
組成荒漠植被的植物種類十分貧乏,有時100平方米的面積上只有1-2種植物。主要由半灌木、灌木和禾本科植物組成�；哪泻瞪参锍酀{液植物和少漿液植物外,還有一類窄水旱生植物。這類植物能在水分不足的征兆出現時關閉氣孔,阻止細胞液濃度的升高,氣體交換和光合作用被迫停止,植物處于饑餓狀態。這類植物的葉子在長期干旱下不干枯,但是變黃并最終凋落。在荒漠中,植物地上部分之間沒有競爭,對它們唯一重要的事情是忍受干旱,而不是制造大量的有機物,它們往往借助于降低生活力來達到這一點,并且可以活100年以上。一般荒漠都有短暫的降水季節,一些一年生的短生命植物和多年生的類短生命植物可利用這一有水的短暫時期進行生命活動,待干旱來臨時,以種子或地下器官來度過不利的干旱季節。所以,荒漠中的短生命植物和類短生命植物是適應干旱環境、利用僅有水分的非旱生植物(旱中生植物)�；哪羞�存在變水植物。它們在干旱時體內水分蒸發散失,呈風干狀態,但原生質并未凝固死亡,一旦獲得水分,立即恢復生命活動。
在嚴酷的生態條件下,稀疏性和有大面積裸露的地面成為荒漠植被顯著的外貌特征。植被的這種特征與降水量密切相關,降水量越小,植物生長越稀疏。在年降水量不足100毫米的極端干旱區,植物全部集中到侵蝕干溝或低地生長。
荒漠植被分布于干旱的內陸地區,在地球上占有相當大的面積。由于各大陸氣候和土壤條件很不一致,加上區系成分差異,荒漠植被類型多種多樣。
【苔原】
苔原也叫凍原,主要分布在極地附近或高山上,主要由蘚類、地衣、小灌木、矮灌木及多年生草本植物組成。
苔原氣候為極地長寒氣候,冬季漫長嚴寒,夏季短促涼爽。植物生長期僅2-3月,年降水量200-300毫米,主要集中在夏季,但由于蒸發較少,氣候仍然濕潤。風力大,云量多。
在長期演化過程中,苔原植物形成了一系列苔原生境的適應特征。苔原植物都是抗寒性很強的多年生植物,在極度低溫的環境下營養器官也不會受到損傷。大多數苔原灌木是常綠植物,可以在春季很快地進行光合作用,不必耗時形成新葉。形態矮小,匍匐狀植物和墊狀植物十分典型。苔原植物地上部分較小,大部分細胞均直接參與制造和儲藏有機物質,地面老葉起著保護生長點的作用,以彌補缺乏芽鱗的缺陷。許多苔原植物呈匍匐伏地型和墊狀,如網狀柳緊貼地面匍匐生長,這些形態有利于抗風、保溫和減少蒸騰失水。植物根一般分布在土壤表層。由于營養期短促,苔原植物通常生長緩慢。
苔原具有地下永凍層,地處森林線以外,無林現象是其基本特征。大多數植物為地面芽植物和地上芽植物,缺乏一年生植物。苔原植物群落結構簡單,層次少而不明顯。
【隱域植被】
隱域植被又稱泛地帶性植被或非地帶性植被,指在一定的氣候帶或大氣候區內,因受地下水、地表水、地貌部位或地表組成物質等非地帶性因素影響而生長發育的植被類型,如草甸、沼澤、水生植被等。其與隱域生境相聯系,不是固定于某一植被帶,而是出現于兩個以上的植被帶里,具有廣布性特征。
草甸是在中等濕潤條件下形成和發展起來的,由多年生草本植物組成的植物群落,可以形成于各氣候帶內,其環境的共同特點是土壤中水分充足,地下水埋藏淺。草甸土壤土層深厚,富含有機質,肥力高。草甸的植物種類組成特別豐富,草被濃密,季相變化也多種多樣,繁花盛開時,五顏六色極為華麗,故又稱“五花草甸”。草甸結構比較清晰,在水平分布上可分為成群結構和分散結構兩類。在垂直方向上,可以把草甸草群分為高位禾草層、低位禾草層、矮草層、近地面植物層、苔蘚層。有的草甸沒有苔蘚層。典型的草甸在北半球的寒溫帶和溫帶分布特別廣泛。
沼澤是分布在土壤過濕,或者有薄層積水并有泥炭積累,或有機質開始碳化生境中的植被類型。沼澤通常出現在有積水的低地或者地形的低陷部位。沼澤植被主要由沼生植物組成,以草本植物為主,也有喬木和灌木。為了適應水下缺氧環境,大多數沼澤植物發育了良好的通氣組織。很多植物的葉、莖和根由細胞和氣腔系統通連,以滿足根部通氣的需要。
水生植被是由水生植物所組成、生長在水域環境中的植被類型。通常說的水生植被是指由水生維管植物組成的水生群落,分沉水植物群落、浮水植物群落、固著浮葉植物群落和挺水植物群落。
【風化與風化殼】
裸露在地表的巖石礦物,在大氣、水、溫度和生物等因素的綜合作用下,逐漸發生崩裂和分解,同時礦物化學組成、性質也會發生變化,形成新的物質,這一復雜的過程通常稱為風化作用或風化過程。按其作用因素和風化特點可分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型。它們在自然界中相互聯系、相互促進,同時同地進行,只是在不同條件下風化強度不同而已。巖石礦物經過風化破碎成疏松的堆積物,就形成了成土母質。
近地面基巖(或堆積物)經受風化殘存于原地的產物組成風化殼。風化殼的厚度受到巖性、氣候、地形、水文、植被等多種因素的影響。一般來說,只有在地形起伏和緩或坡度較小、植被覆蓋良好的地方,以及水、氣易于往下層滲透以及表層基巖又較容易風化的地方,發育較厚的風化殼。
【不同質地土壤的肥力特點】
土壤質地與土壤肥力關系密切,它決定土壤通氣性、透水性、蓄水性、保肥性、供肥性、保溫性、導溫性以及土壤可耕性等。
砂土的土壤顆粒以砂粒占優勢,土壤中大孔隙多而毛管孔隙少,毛管作用微弱,通氣性和透水性好,不易積聚還原性有害物質,但保水性差,抗旱力弱。土壤的礦物成分主要以石英為主,養分缺乏。由于通氣性好,好氣性微生物活動強烈,土壤有機質分解迅速而難以累積,土壤相對貧瘠。砂土的土粒大,加之缺乏黏粒和有機質,吸附、保持養分能力低,施肥后易隨灌溉和降雨而淋失,保肥性差。這類土壤含水量低,熱容量較小,易增溫也易降溫,晝夜溫差大,作物易受冷害,具有松散易耕作的特點。
黏土的土粒間孔隙小,多為極細毛管孔隙,通氣、透水性差,礦物質養分豐富,特別是鉀、鈣、鎂含量較多。黏粒有較強的吸附能力,易受漬害和積累還原性有毒物質。一般礦物質養分不易淋失,保肥力強。由于黏土通氣性差,好氣性微生物受到抑制,有機質分解較慢,易于積累腐殖質,故黏土中有機質含量一般比砂土高。黏土保水性強,含水量大,熱容量較大,升溫慢降溫也慢,晝夜溫差小。這類土壤干時緊實堅硬,濕時泥爛,耕作費力,宜耕期短。
壤土兼備砂土和黏土的優點,既有一定數量的大孔隙,又有相當多的毛細孔隙,故有較好的通氣透水性,又有較強的保水保肥性。壤土含水較適宜,土溫比較穩定,可耕性較好,宜耕期較長,適宜種植各種作物,是農業生產比較理想的土壤。
【土壤土體構型】
自然界的土壤是時間上處于動態變化、空間上具有垂直和水平分異的三維連續體,是從形態特征、物質組成、結構和功能上可以剖析的物質實體。從地面垂直向下至母質的土壤縱斷面稱為土壤剖面。土壤剖面中與地面大致平行的、由成土作用形成的、組成物質及性狀相對均勻的各土壤層,稱為土壤發生層,簡稱土層;由非成土作用形成的層次,稱土壤層次。土壤發生層是土壤剖面的基本組成單元。土壤剖面中的土層數目、排列組合形式和厚度,統稱為土體構型,又稱土壤剖面構造,它是土壤最重要的形態特征之一。在同一土壤剖面中的每個土層與其上下相鄰的土層之間,在土壤顏色、結構體、質地、有機質含量等方面具有明顯差別。任一土壤類型均具有其特定的土壤剖面構造,并成為土壤類型辨別的重要依據。
【道庫恰耶夫與成土因素學說】
道庫恰耶夫是成土因素學說的創始人。19世紀80年代,他利用土壤地理比較法,對溫帶草甸、草原區的土壤進行調查研究。在此基礎上,他于1883年發表了著名專題論文《俄國黑鈣土》,首創“黑鈣土”一詞,并且確立了將土壤作為一系列成土因素作用于母質而形成的獨立自然體。道庫恰耶夫指出,土壤有它自身的起源,始終是母巖、有機體、氣候、陸地年齡和地形綜合作用的結果。土壤與成土因素之間的發生關系式為:H=f(K,O,R,P)T,其中,H土壤,K氣候,O生物,R巖石,P地形,T時間。
該關系式明確表示了以下三個方面。①土壤是母質、氣候、生物、地形和時間等五種自然成土因素綜合作用的產物。②所有的成土因素始終是同時同地、不可分割地影響著土壤的發生和發育,它們同等重要和不可替代地參與了土壤的形成過程。各個因素的“同等性”絕不意味著每一個因素始終、處處都在同樣地影響著土壤形成過程。對于某個具體土壤形成過程而言,每個成土因素在土壤中所表現出的特點或個別因素的相互作用,都有本質上的差別,其中必然是某個成土因素為主導因素。③土壤是永遠發展變化的,即隨著成土因素的變化土壤也在不斷地形成和演化。土壤有時進化,有時退化以至消亡,是一個動態的自然體,是一個有生有滅的自然體。成土因素有地理分布規律和規律性變化,隨著時間與空間的不同,成土因素及其組合方式會有所改變,因而土壤不斷地發生變化。
【原始成土過程】
在裸露的巖石表面或薄層的巖石風化物上著生低等植物,如地衣、苔蘚,以及真菌、細菌等微生物。在低等植物和微生物的作用下,巖石風化物開始累積有機質,并為高等植物的生長發育創造了條件。這是土壤發育的最初階段,即原始土壤的形成。
本過程基本可分三個階段:①出現自養型微生物的巖漆階段;②出現各種異養型微生物,如由細菌、黏液菌、真菌、地衣共同組成的原始植物群落,著生于巖石表面與細小孔隙中,通過生命活動使礦物進一步分解,使細土和有機質不斷增加,即地衣階段;③苔蘚階段,生物風化與成土過程的速度大大加快,為高等綠色植物的生長準備了肥沃的基質。
【土壤有機質積累過程】
土壤有機物質的轉化是指進入土壤中的各種動植物殘體,在土壤微生物的參與下,一方面把復雜的有機質分解為簡單的化合物,最后徹底分解為無機化合物,該過程稱為礦質化過程;另一方面是分解后的較簡單的產物,被土壤微生物重新合成為更復雜的有機質即腐殖質,該過程稱為腐殖質化過程。
土壤有機物質的礦質化過程包括不含氮碳水化合物的分解,含氮有機物質的氨化、硝化和反硝化作用,含磷和含硫有機化合物的分解作用,以及脂肪、單寧和樹脂等有機物的分解等。這些過程在好氣條件下進行時,生成二氧化碳、水和其他的礦物質養分,其分解速度快、徹底,放出大量熱能,不產生有毒物質;在厭氧條件下進行時,速度慢,分解不徹底,釋放的熱量少,除產生植物所需養分外,還產生較多的還原性有毒物質,如甲烷、硫化氫、氫等。
影響有機質分解的因素主要有以下兩方面。一是土壤環境條件,包括土壤的通氣性、干濕狀況、土壤溫度和土壤酸堿度。這些條件通過影響土壤中微生物的活動而影響有機物質的分解。凡是有利于微生物活動的,都有利于有機物質的分解,反之則分解受到阻礙。二是有機物質的碳氮比。有機物質中所含的碳素與氮素的比例,稱為碳氮比,其值過大的有機質分解緩慢。土壤微生物的繁殖同時需要碳和氮,碳是能量的來源,氮是構成細胞的要素。當有機物被分解時,碳變為二氧化碳而大多散失,氮則被攝取而留在微生物細胞中,如有剩余的氮,它多以化合物的形式留在土壤中。碳氮比過大,則氮供應量不足,于是微生物的活動受到限制,因而有機物質的分解就變慢。一般來說,碳氮比值在25:1-30:1時,最有利于有
機質的分解。
有機質在土體中的積累是生物因素在土壤形成過程中的具體表現,但生物創造有機質及其分解與積累又常受到氣候與其他成土因素的綜合影響。
【土壤鹽漬化、堿化過程】
鹽漬化過程指易溶性鹽類在土體上部的聚積過程。這是干旱少雨氣候帶及高山寒漠帶常見的現象,特別是在暖溫帶荒漠,土壤鹽類積聚最為嚴重。成土母質中的易溶性鹽類,富集在排水不暢的低平地區或凹地,在蒸發作用下,鹽分向土體表層聚集,形成鹽化層。其中硫酸鹽和氯化物是突岀的鹽類,硝酸鹽和硼鹽出現很少。
堿化和鹽化有密切聯系,但有本質區別。土壤堿化是指土壤吸收復合體上鈉的飽和度很高,即交換性鈉占陽離子交換量的20%以上,水解后釋出堿質,其pH可高達9以上,呈強堿性反應,并引起土壤物理性質惡化的過程。堿土的表層就會積滯堿性反應的水分,使土壤腐殖質擴散于堿液而被淋溶,并在下層形成不透水的堿化層。
【氣候對土壤形成的作用】
氣候對土壤形成的作用,主要是溫度、降水、風等因子綜合作用的結果。溫度及其變化對土壤礦物體的物理崩解、土壤有機物與無機物的化學反應速率具有明顯的作用;對土壤水分的蒸散、土壤礦物的淋溶與沉淀、有機質的分解與腐殖質的合成都有重要的影響,從而制約土壤中元素遷移轉化的能力和方式。降水對礦物風化和土壤形成過程有重要的影響,水分是許多礦物風化過程與成土過程的媒介與載體。風對成土過程的影響是巨大的,也是多種多樣的。風力導致土壤表層粉粒大量流失,即土壤被風蝕沙化;風力堆積作用常造成土壤物質組成的變化。
【母質對成土過程的影響】
在一些土壤形成過程中,母質因素起著重要的作用。在富含碳酸鹽母質上發育的土壤,因其鹽基含量豐富從而保持較高的土壤酸堿度,同時也抑制了土壤中鐵、鋁的遷移轉化。在其他成土因素相同或類似的情況下,母巖或母質起主導作用形成的土壤稱為巖成土壤或巖成土系列。如在熱帶、亞熱帶石灰巖上發育的鈣質濕潤雛形土、淋溶土和富鐵土(或具有石灰性、中性和酸性的紅色石灰土),在紫色砂頁巖上發育的紫色濕潤雛形土和新成土,在火山沉降物(火山灰)上發育的土壤。其中,石灰土和紫色土在顏色、質地、化學性質上均保持了母質的某些特性,被稱為初育土。如果說在宏觀地理研究方面,注重氣候因素對土壤產生的影響,那么在一定的氣候條件下,則應將注意力集中到研究母質對土壤產生的影響上。在一定的地理區域內,其他成土條件相似的情況下,土壤發生和土壤性狀與母質有著緊密的發生學關系,土壤類型的不同主要是母質不同造成的。
【地形對土壤形成的影響】
地形作為土壤形成發育的一個空間條件,在成土過程中深刻地影響著土壤和環境之間進行物質、能量交換的過程,是土壤形成過程中重要的影響因素之一。地形對成土過程的作用與母質、氣候、生物等不同,最重要的差異在于地形因素與土壤之間并沒有物質(不提供任何新的物質)與能量的交換,其主要通過影響其他成土因素對土壤形成起作用,即地形只是引起地表物質與能量的再分配(如地形影響土壤溫度、水分和成土母質再分配等),從而間接影響土壤發育的方向和強度。毫無疑問,地形與土壤之間相互作用的界面是土壤發生過程的一個重要“地帶”。地形的作用主要表現在大、中、小不同尺度的地形,以及海拔、坡向、坡長、位置、地表形態和地形演變對土壤發育的影響。
【土壤形成的時間因素】
各種成土因素中,母質和地貌是比較穩定的影響因素,氣候和生物則是比較活躍的影響因素,時間因素則是有別于其他成土因素的一類特殊因素。實際上時間因素是成土過程的歷史背景,在成土過程中作為一個強度因子反映出土壤在各種成土條件的共同作用下所經歷的階段和效果。任何事物的發生發展都離不開具體的時間、地點和條件�？紤]成土過程的時間因素可促使人們用動態的發生觀點去研究土壤。各種成土因素在土壤形成中的作用隨著時間的演變而不斷變化。
【土壤形成的人為因素】
人類活動對土壤形成的影響主要表現在通過不同的土地利用方式,改變成土因素作用于土壤的形成與演化。在各種土地利用方式中,以改變地表生物狀況的影響最為突出,典型例子是農業生產活動,它以稻、麥、玉米、大豆等一年生草本農作物代替天然植被。這種人工栽培的植物群落結構單一,必須在大量額外的物質、能量輸入和人類精心的護理下才能獲得高產。因此,人類通過耕耘改變土壤的結構、保水性、通氣性;通過灌溉改變土壤的水分、溫度狀況;通過農作物的收獲剝奪本應歸還土壤的部分有機質,改變土壤的養分循環狀況;再通過施用化肥和有機肥補充養分的損失,改變土壤的營養元素組成、數量和微生物活動等。最終,人類將自然土壤改造成為耕作土壤。
人類活動對土壤的積極影響是培育一些肥沃、高產的耕作土壤。例如,長江下游的太湖平原和中游的云夢澤,在自然狀態下原來是草甸土和沼澤土分布的區域,經過人們幾千年的改造,培育成了穩產、高產的水稻土。又如,陜西關中地區原來在黃土母質上形成的褐土,由于在長期農業生產活動中施用土糞,熟化的耕作層不斷加厚,形成了壚土。人為干預措施得當,符合土壤肥力發展的客觀規律,便產生有益的效果,否則產生有害的后果。例如,在鹽化土壤地區,采取引水洗鹽與深溝排水相配合,降低地下水位就能有效地改良鹽土,消除鹽害;反之,如灌溉不當,抬高了高礦化度地下水的水位就會造成土壤次生鹽漬化。20世紀50年代我國的引黃灌溉,就曾導致大面積土壤的次生鹽漬化。當前世界人口迅速增長,人口與土地、環境的矛盾日益突出,要特別注意一些非理性的人為活動對土壤發生、發展造成的消極影響。
【土壤水分狀況】
對于正地形表面的土壤而言,土壤水的收入項是大氣降水,支出項是表土蒸發與植物蒸騰,以及對地下水的補給。由于氣候濕潤狀況決定大氣降水量、表土蒸發量及植物蒸騰量,因此氣候濕潤狀況是決定土壤水分狀況的重要外部因子。按照美國土壤系統分類的標準,土壤水分狀況劃分為潮濕、濕潤、干潤、夏干、干旱五個基本類型。除了潮濕的土壤水分狀況與負地形,特別是濕潤氣候區的負地形密切相關之外,其他的土壤水分狀況均決定于氣候的濕潤狀況。氣候的水分因素即干濕度,同時取決于降水和水分蒸發,后者又與溫度有關。有研究者指出濕潤的土壤水分狀況通常岀現在排水良好的濕潤氣候區,干潤的土壤水分狀況通常出現在半濕潤氣候區及熱帶、亞熱帶的季風氣候區,夏干的土壤水分狀況僅出現在地中海氣候區,干旱的土壤水分狀況僅出現在溫帶干旱荒漠氣候區和亞熱帶干旱荒漠氣候區。
【土壤與人類社會發展】
土壤是自然地理要素、人類活動和時間綜合作用的產物,它不僅是自然地理環境的重要組成部分,同時也是人類賴以生存、生產和發展所必需的物質基礎和條件,是人類勞動的對象和產物,是一種極為重要的自然資源,具有物質生產功能和環境凈化功能。隨著人類社會的發展,保持土壤的生產物質資料功能和穩定土壤的環境凈化功能直接關系到人類自身的生存安全問題�？梢哉f人類面臨的社會問題,無論是人口、能源,或是環境、生態都與土壤及土壤系統密切相關。一般認為土壤的重要作用有:保持生物的活性、多樣性和生產性;調節水體和溶質的流動;過濾、緩沖、降解、固定并解毒無機和有機化合物;儲存并使生物圈及地表養分和其他元素進行再循環;支撐社會經濟構架并保護人類文明遺產。因此,土壤與人類社會發展的關系集中表現為人類活動對土壤肥力的改造作用和土壤對生態環境的穩定作用兩個方面。
1.土壤肥力與人類活動。
土壤肥力指天然植物或作物在生長過程中,土壤具有能為之延續不斷地提供營養物質(水分、養分)和協調環境條件(空氣、熱量)的能力。土壤肥力是土壤的本質屬性。在自然因素綜合作用下形成的土壤稱為自然土壤,它具有穩定、均勻、充足、適合地提供植物生長發育的能力,又稱自然肥力。土壤自然肥力的高低決定著天然植物生產量的高低,是土壤生產能力的標志之一。一般來說,當自然土壤在被開墾利用之后,土壤受自然因素作用的同時,也承受人類活動的影響。人類在利用土壤資源用于物質生產的過程中,有意識地改變土壤與地理環境要素之間的物質遷移、能量轉化過程和成土方向。人類通過改良、施肥,使自然土壤肥力不斷提高。經過人類耕作等措施形成的土壤肥力又稱人工肥力。
在一些自然生態環境較為脆弱的地區,土壤資源的開發利用存在一定的風險,過度利用和利用不當,都會引起土壤肥力下降,導致土壤退化,如土壤侵蝕、土壤風蝕沙化、土壤污染、土壤鹽堿化等。
2.土壤自凈能力與人類活動。
土壤自凈能力是指土壤對進入土壤中的污染物通過復雜多樣的物理、化學及生物過程,使其濃度降低、毒性減輕或者消失的性能,又稱土壤的環境容納量。有的學者稱這種性能為土壤的“凈化器”功能。按照土壤對污染物質吸納降解的方式與過程,土壤自凈能力可分為物理自凈、化學自凈、物理化學自凈、生物自凈等。隨著現代工業社會的發展以及環境污染物的類型和數量增多,土壤的這種環境凈化功能越來越顯著。但土壤的自凈能力是有限、有條件的,利用不當將會導致土壤自凈能力的衰竭以至喪失�，F代農業高強度地施用化肥和化學農藥,已經加重了區域土壤的自凈負荷,對區域土壤產生了深刻的影響。如果再疊加大量工業“三廢”(廢渣、廢水和廢氣)、生活污水與生活垃圾等,土壤自凈能力將超過“閾值”,形成日益嚴重的土壤污染。土壤污染不但直接影響農副產品品質,威脅人類健康與安全,也降低土壤維護和改善人類生存環境質量的作用。因此,客觀評價區域土壤類型的自凈能力,適度利用土壤的自凈功能,尋找修復被污染土壤自凈能力的新技術途徑,將成為人類合理利用土壤資源的重要研究與應用領域。
【北京“7·21”特大暴雨】
2012年7月21日,北京市突降特大暴雨,降雨總量之多歷史罕見。氣象觀測顯示,除延慶外,北京90%以上的行政區域降雨量都在100毫米以上,全市平均降雨量170毫米,城區平均降雨量為215毫米。11個氣象站觀測到的雨量突破了建站以來的歷史極值,部分地區一天降雨量達到甚至超過了年平均降雨量。有記錄的最大降雨量出現在房山區河北鎮,為460毫米,達到了特大暴雨量級。
本次強降雨歷時之長歷史罕見,強降雨持續近16個小時。本次暴雨過程中的短時雨強也同樣驚人。氣象上規定,24小時降水量為50毫米或以上的強降雨稱為暴雨,但在“7.21”暴雨中,北京有些地區一小時內的降雨量就超過了50毫米,平谷掛甲峪更是高達100毫米,雨強之大超乎想象。全市最大降雨點房山區河北鎮為460毫米,接近五百年一遇,城區最大降雨點石景山模式口為328毫米,達到百年一遇;小時降雨超70毫米的站數多達20個。局部洪水之巨歷史罕見。拒馬河最大洪峰流量達2500立方米每秒,北運河最大流量達1700立方米每秒。
受強降雨影響,首都機場21日全天共取消航班571架次,延誤航班701架次,最高峰時有近8萬人滯留機場。暴雨還導致京港澳高速公路出京方向17.5千米處的南崗洼鐵路橋下嚴重積水,積水最嚴重時,被淹路段長約900米,平均水深4米,最深處6米,橋下積水20余萬立方米,81輛汽車被困水下。全市主要積水道路63處,積水深30厘米以上路段30處;路面塌方31處;3處在建地鐵基坑進水;軌道7號線明挖基坑雨水流入;5條運行地鐵線路的12個站口因漏雨或進水臨時封閉,機場線東直門至T3航站樓段停運。
這場暴雨由于雨量大,雨勢強,北京出現嚴重城市內澇,部分中小河流和水庫出現汛情。全市受災人口達1602萬人,因災造成經濟損失116.4億元。
【海綿城市的建設途徑】
顧名思義,海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設應遵循生態優先等原則,將自然途徑與人工措施相結合,在確保城市排水防澇安全的前提下,最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化,促進雨水資源的利用和生態環境保護。在海綿城市建設過程中,應統籌自然降水、地表水和地下水的系統性,協調給水、排水等環節,并考慮其復雜性和長期性。
海綿城市的建設途徑主要有以下幾方面。一是對城市原有生態系統的保護。最大限度地保護原有的河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠等水生態敏感區,留有足夠涵養水源、應對較大強度降雨的林地、草地、湖泊、濕地,維持城市開發前的自然水文特征。這是海綿城市建設的基本要求。二是生態恢復和修復。對傳統粗放式城市建設模式下,已經受到破壞的水體和其他自然環境,運用生態的手段進行恢復和修復,并維持一定比例的生態空間。三是低影響開發。按照對城市生態環境影響最低的開發建設理念,合理控制開發強度,在城市中保留足夠的生態用地,控制城市不透水面積比例,最大限度地減少對城市原有水生態環境的破壞。同時,根據需求適當開挖河湖溝渠、增加水域面積,促進雨水的積存、滲透和凈化。
海綿城市建設應統籌低影響開發雨水系統、城市雨水管渠系統及超標雨水徑流排放系統。低影響開發雨水系統可以通過對雨水的滲透、儲存、調節、轉輸與截污凈化等功能,有效控制徑流總量、徑流峰值和徑流污染。城市雨水管渠系統即傳統排水系統,應與低影響開發雨水系統共同組織徑流雨水的收集、轉輸與排放。超標雨水徑流排放系統用來應對超過雨水管渠系統設計標準的雨水徑流,一般通過綜合選擇自然水體、多功能調蓄水體、行泄通道、調蓄池、深層隧道等自然途徑或人工設施構建。以上三個系統并不是孤立的,也沒有嚴格的界限,三者相互補充、相互依存,是海綿城市建設的基礎元素。
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-lp.jpg "高清世界地形圖")