科学课番外篇:土壤的前世今生
讲座
类别: 科学
类型: 讲座
费用:免费
城市: 葫芦岛
地址:温州南浦中学
时间:0000-00-00
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初版文字内容源于知乎用户@刘文龙。刘文龙,农学博士,曾通过知乎专栏科普土壤学的知识。

专栏链接:每周学点土壤学




古希腊人认为水火土风是构成世界的四种基本元素,而古代中国则认为构成世界的基本元素是金木水火土,也就是我们说的五行(孙悟空就被压在五行山下。。)。土,就是土壤。

绝大多数植物的生长都离不开土壤,在肥沃的土壤上,植物生长的也会格外旺盛。在土壤肥沃的地区,产生了人类最早的文明,因为肥沃的土壤可以为人类提供足够的食物。

但是,你是否真的了解土壤?这看起来极为普通的物质里面,是否有不为我们所知的秘密呢?

希望通过这样一个探索土壤的活动,能够帮助我们找到一些答案。



我们平时讨论的土壤,到底是什么呢?从不同角度看,定义是多种多样的。

在农业研究者眼中,土壤是为作物提供物理支撑、水分和养分的载体

在生态学家眼中,土壤是提供生物多样性的重要场所

在环境学家眼中,土壤既是非点源污染的主要来源,又是天然的污水净化器;

……

研究人员从不同的角度出发,得到的土壤定义是也不同的。为了更好的揭示土壤的含义,我们从不同尺度来探索土壤的定义。

全球尺度: 土壤是地壳上层与大气交界的部分,能够提供植物生长,接纳、储存和调整降雨分布

流域尺度土壤是区域内物质交换和能量转移的主要场所,植物生长、流域产汇流和植物蒸散发均在土壤中发生

宏观尺度(Macroscale): 土壤是一种含有水分、气体、固体和生物质的多孔介质。

微观尺度(Microscale): 土壤是矿物微粒、有机质、溶液、土壤气体和微生物的混合物。


通常人们讨论的土壤都是从宏观角度定义的。也就是:土壤是存在固液汽三态且含有生物质的多孔介质。


[小提示:学会从多个角度观察和思考,这样才能有更立体的理解。]





地球的地壳表面除了土壤,还会存在沙漠、戈壁和岩石等其他地貌。如果从广义上来比较,土壤与其他地貌成分上并没有太大差别,大部分固体颗粒都是矿物质。但是,土壤最独特的特点在于,土壤是鲜活的、有生命的。

首先,土壤中存在水分、营养盐和必要的土壤大气,这些条件为土壤生物的生长提供碳源、能量和生长环境。

其次,土壤生物的代谢和死亡能够产生和补充土壤有机质,这部分有机质对土壤的物理、生化性质非常重要。

问题:沙漠是不是土壤?



地球表面覆盖的土壤层是怎么来的呢?这个事情要从头说起就要回到40亿年之前……

大约40亿年前,一连串的偶尔中,地球呱呱坠地。当时的地球还只是一团气体与尘埃,在其后的10亿年间,地球逐渐冷却、凝结与固化 (图1),出现了大气、海洋和陆地。

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由于有太阳辐射和地球大气,地球存在降雨、降雪和风等气象现象。日积月累,降水和风将陆地上的岩石侵蚀成岩石碎屑,组成了土壤的最原始成分。但是注意,这些岩石碎屑还不是土壤,因为按照定义,土壤是“鲜活的”、“有生命的”!

大约30 ~ 35亿年前,又是一系列的偶然因素,地球的海洋中出现了最原始的生命:细菌(Bacteria)和古生菌(Archaea),从此开启了地球的“新时代”。又过了无数年,这些肉眼无法观察的微生物从海洋、河流、湿地进入陆地,存活在岩石碎屑中。这些“前锋军”的出现也标志着“有生命的”土壤诞生了。

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最初出现在土壤中时,细菌的结构很简单,而且只能靠“晒太阳”养活自己,被称作“生产者”。当生产者的数量足够多时,很多微生物发现吃活的细菌效率更高,这些微生物被称为“消费者”。当生产者和消费者死亡后,岩石碎屑中就存在了很多生物残留物 (residue),一些微生物能够消化这些残留物,维持自己的生长;同时将残留物转换为生产者可以利用的无机物,这些清道夫被称作“分解者”。至此,生产者、消费者和分解者形成了一个首尾相连的循环;太阳就像汽车发动机一样,推动这个循环不停的运行(图3)。随着循环的增加,岩石碎屑中的生物越来来越多,逐渐变成了现代的土壤。



让我们把尺度拉小一些,看看现存的土壤是如何形成的?正如楼房需要基础一样,土壤也需要一些岩石碎屑作为“基础”,称为“成土母质”。成土母质来自岩石的侵蚀,主要途径包括风蚀,水蚀,酸雨,微生物作用等等。成土母质被风或者水搬运并堆积到某处后,就准备好了下一步的土壤演进。

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成土母质准备好之后,土壤生物开始发挥作用。跟上述类似,生产者是先锋,消费者和分解者紧随其后,形成完整的生物链。随着生物链的不断循环,其产生的生物质越来越多,生物链也变得更加复杂(图5)。值得注意的是,分解者降解生物排泄物和残渣时,除了自己使用,还会残留一部分形成土壤有机质。土壤有机质能够改善土壤通透性,增加土壤肥力和增加土壤生物多样性,是土壤形成的重要标志。至此,成土母质演进成为“存在固液汽三态且含有生物质的多孔介质”。

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3.       土壤的宿命

人有生老病死,土壤也不是永恒的。同样在降水与风的侵蚀下,土壤颗粒继续前行,在某个低洼地、河流或者湖泊沉降。日复一日,年复一年,土壤颗粒被逐渐压实、变质,最终重新形成岩石。

至此,尘归尘,土归土,万物循环,动态平衡




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【活动概念】

大多数人对于未知事物都抱有好奇心,而对于熟悉的事物,反倒不会去特别注意。然而,能从熟悉的事物中发现未知、找到问题,却是良好的科学素养之一。几乎人人都知道苹果熟了会落到地上来,可是牛顿却能从中发现万有引力的存在。所以,引导儿童从身边熟悉的事物开始去发现科学秘密对于培养儿童的科学精神很重要。这个活动就从孩子们人人知道,但却并不是人人了解的事物-土壤出发,让孩子更深层次的了解土壤,了解土壤也拥有“生命周期”-从“生”到“死”。


【活动目标】

1、探索土壤的成分,了解土壤的形成和演变过程。

2、引导学生能够从日常生活中熟悉的事物中发现问题,并用科学的方法去探究解决问题。


【活动准备】

1、土壤样本和相关容器、工具。

2、*农业专业的“在线顾问”一枚。(可选)


【参考方案1(讲座模式)】

一、土壤是什么?

对土壤进行定义,从多个不同角度来定义土壤。

二、土壤的功能

三、土壤中的生命

四、土壤从哪里来?

了解土壤的形成和演进过程。



第一次活动在2014年11月间完成(时光荏苒哪!),当时由北卡在读博士刘文龙进行了一次半个小时的在线分享。(比知乎live早一年吧)。线下对接学校为温州南浦实验中学,线下教师是知乎用户@白小烦。

详细活动内容可见本人在知乎专栏发布的两篇文字。

一次通过知乎完成的教育试验

实验结束:远程科普课试验小结


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教师/活动设计者

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