第二章 針葉林地質 林雨莊編譯
許多物理的、化學的、生物的力量塑造了針葉林風景。其中一些劇烈的天氣、地震或火山爆發在幾分鐘內就產生了明顯的變化。風化，即岩石在物理、化學和生物過程中逐漸磨損，在數天到數百萬年的時間跨度內會產生明顯的變化。一些影響最深遠的變化，首先是改變了陸地的主要輪廓，從山脈到深谷，這些變化持續了數百萬年。它們關係到我們腳下深處地球的結構和過程。
地球結構
雖然我們行走的大部分地面感覺堅實，但實際上，它是一層只有幾英里厚的岩石。這個被稱為地殼的表皮和稍深的固體岩石層（稱為外地幔）正逐漸移動到地球更深的一層黏稠層（緩慢變形），稱為軟流圈。地殼和堅硬的外地幔統稱為岩石圈，以每年2.5-15公分的速度逐漸在地球表面蠕動。數百萬年來，它們推擠著大陸，因此陸地和海洋的形狀和排列方式發生了變化。
大陸，以及它們之間的海洋，躺在被稱為板塊或構造板塊的地殼上。總共大約有20個板塊，其中大約有一打板塊的直徑達數百或數千公里。這些板塊組合在一起，就像覆蓋地球表面的巨大拼圖。在一個板塊和另一個板塊之間的擠壓，板塊碰撞在一起，相互磨擦，或者分開，但動作緩慢。大多數板塊盤每年向側面移動大2.5-5公分，略高於人類指甲的生長速度。
當兩個板塊相撞時，較重的板塊沉到較輕的板塊下方。例如，當海底板塊較重的部分與構成大陸一部分的較輕板塊相遇時，就會發生這種情況。大洋地殼下沉到大陸地殼之下。當這種情況發生時，大陸地殼就會彎曲，就像滑動地毯的折疊邊緣。這種變形使山脈隆起。日本、台灣、菲律賓島弧的山脈就是這樣形成的。隨著太平洋板塊(推擠菲律賓板塊)滑入歐亞大陸板塊之下，這些山脈仍在上升。同時，隨著海洋地殼深入地下，地球內部的高溫使其變暖。地殼融化，形成被稱為岩漿的熔融岩石，可能通過火山返回地表。日本、台灣、菲律賓經常有地震或火山爆發，它的能量補給來自板塊下沉地殼的岩漿。
當板塊相互滑動時，它們的邊緣往往會被絆住而不是平滑滑動。壓力在地下的邊界處積聚，板塊試圖滑動，但摩擦力使它們保持在一起。最終，壓力增大到如此之高，以至於板塊突然滑動，壓力釋放，衝擊波穿過地面。當地球震動或地震時，我們能感受到這些震波。舊金山附近的聖安德莉亞斯斷層是北美板塊和太平洋板塊之間的滑動邊界，台灣花東海岸至呂宋島東岸也是菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊推擠的邊界。板塊推擠，每年都會有許多地震，因為板塊會突然相互移動。每隔幾十年，地球的震動就會比正常情況更大，產生的大地震會造成大災害。
當兩個板塊分開時，它們的運動為新的物質從地球深處升起以填補空隙創造了空間。這些板塊邊界大多位於海洋之下，當它們分開時，來自地殼深處的岩漿上升，形成新的海底。在北美洲太平洋沿岸，這發生在胡安德富卡海脊。在這裡，太平洋板塊正逐漸從胡安德富卡板塊（Juan de Fuca plate）緩慢移動，而胡安德富卡板塊本身正從北美板塊下方下降。
是什麼導致板塊移動？地質學家、研究地球結構及其變化過程的科學家們懷疑，在地球的深處，軟流圈含有被稱為對流流的熱激流。這些都是由溫差引起的物質的品質運動。
熱是由地球深處物質的放射性分解產生的，這些物質使軟流圈中的黏稠岩層變熱。這種塑性岩石變得不那麼緻密，所以慢慢地向地球表面升起。由於岩石球體的阻擋，材料被迫水準移動。當它充分冷卻並且密度再次增加時，它會下降到它開始時的水準，從而產生一個電路。板塊在這些緩慢洋流的水準運動的背面。
今天的北美地貌
如果一個人穿過加拿大，從太平洋沿岸的溫哥華島到大西洋海岸的紐芬蘭，他將走過大約4800公里的路程，沿著這條路，他將經歷一次翻山越嶺、跌入山谷的過山車之旅。第一個障礙將是海岸山脈，在它們後面，是高達4000米的洛磯山脈，在過去的8000萬年裡，太平洋板塊與北美板塊和其他板塊碰撞並滑下，使它們隆起。越過山脈，向東，旅行者會來到肥沃的大平原和中部低地，它們構成了加拿大的大草原。加拿大大部分的小麥和穀物飼養的牛都是在這裡養殖的。草原上覆蓋著冰川退縮留下的1.6公里深的沉積物。在這些肥沃平原的東北部是加拿大地盾，它是大陸的心臟，含有20億年前的古老岩石。
大約6億年前，加拿大地盾是一個活躍的造山帶，但從那時起，山脈就被冰川刮擦和風化的綜合作用所侵蝕。今天的加拿大地盾是一個巨大的平原，佈滿了湖泊和柔和的圓形的小山丘。北面是哈德遜灣，這是一個巨大的岩石凹陷，在冰蓋的重壓下形成，現在充滿了來自大西洋的海水。在東部，古老的勞倫斯山脈位於加拿大地盾和沿海平原之間。這些山在侵蝕暴露之前被沉積物覆蓋。加拿大這一地區現今的地貌清楚地表明瞭構造作用和風化侵蝕的綜合作用。在西部，附近有板塊邊界，山脈更年輕更高。在東部，遠離最近的板塊邊界，山脈古老而低矮。加拿大低地的河流向東流入大西洋，或向北流入北冰洋。
北歐和亞洲北部也有類似的特徵，曾經或繼續聚集在一起的山脈被抬升，數百萬年來被磨損成平原的古老岩石盾牌。和北美一樣，它們也被冰川反復沖刷。烏拉爾山脈將歐洲俄羅斯和西伯利亞分開，形成於2.8億年前，當時東歐板塊和西伯利亞板塊聚集在一起，使地殼發生褶皺。斯堪的納維亞半島和俄羅斯西北部的波羅的海地盾包括歐洲最古老的岩石。
冰川的作用
冰川也被稱為“冰河”。從山谷中滑下的冰川肯定是這樣的。它們形成於冬季降雪在夏季不會融化的高地。雪逐漸堆積起來，把下面的雪擠壓成冰，然後冰和雪在重力的作用下向下流動。這些是山谷冰川。
但冰川可能更大，幾乎吞噬了整個大陸。今天，冰雪覆蓋了大約80%的格陵蘭島和90%的南極洲。這些巨大的冰川不僅局限於山谷，而且幾乎把整個陸地都淹沒在厚厚的冰層中。難怪它們被稱為大陸冰川或冰原。格陵蘭冰蓋中心厚約3200米；南極冰蓋厚約3000米。就在2萬年前，像這樣的冰原覆蓋了北美一半以上的地區和歐亞大陸北部的大部分地區。兩萬年前，針葉林現在生長的景觀位於數百或數千公尺厚的冰層下。冰川需要寒冷和積雪來建造。今天，這種情況存在於高緯度地區（極地和亞極地地區）。這些地區之所以寒冷，是因為太陽在這裡的天空較低，以較淺的角度撞擊地球表面。速率。即便如此，以大多數冰川的標準來看，這種移動速度非常快，肉眼還是看不到的。
冰川可能流動緩慢，但它們具有巨大的能量。冰川的力量隱藏在它光滑的表面之下。當它流動時，它的底部和側面會撕裂岩石。平均大小300公尺左右的冰川相當於幾十輛推土機。當冰層遇到破裂的岩石時，它會吞沒岩石並使之自由。當巨石被冰川帶走時，它就會變成一種武器，在基岩上磨碎。冰川帶著一大堆被採摘下來的岩石，把岩石碾向山谷的兩側。隨著時間的推移，房屋大小的岩石會被碾成小汽車大小的巨石。較小的巨礫和碎塊從較大的巨石上脫落下來，被磨成粉土和粘土，恰當地稱之為“石粉”。當冰川邊緣融化的冰留下這些灰塵時，它會變乾，然後被風吹走，形成黃土（風吹的淤泥）。
當冰川穿過地貌，然後在氣候變暖時退縮，冰川的岩石負載的磨擦作用在下面的岩石上留下了被稱為條紋的痕跡。這些條紋沿著冰的運動方向。地質學家可以通過研究現今岩石上的條紋模式來計算出遠古大陸冰川的流動模式。
景觀中的其他特徵提供了古代冰川流向和範圍的線索。冰川留下的基岩小山（小丘）被稱為羅氏山（roches moutonées-形狀類似於羊背的輪廓）。它們在上升流一側有一個平滑、平緩的斜坡，在那裡冰川的冰已經流過；在下流的一側，有一個陡峭、粗糙的邊緣，冰川在那里拉出了岩石碎片。
冰川留下的成堆的碎石和小顆粒叫做冰磧。冰川前緣融化後退時留下的堆積物稱為末端冰磧。它在冰川曾經到達的地方形成了一個獨特的彎曲沉積物。
冰川內的冰融化產生了冰內和冰下的水流。它們運輸、分類和沉積一些冰川碎屑。由於流動水的分選作用，這類沉積物往往含有比冰磧更均勻的顆粒。
冰川作用留下的特徵創造了各種環境條件，有利於不同類型的針葉林植被。在留下窪地的地方，形成湖泊和沼澤，這些湖泊和泥沼通常從泥炭蘚沼澤，穿過蘆葦和灌木，到闊葉樹，然後是針葉樹，如黑雲杉。在冰水留下沙子的地方，它會產生排水良好的土壤，松樹很可能以犧牲其他針葉樹為代價而茁壯成長。
在過去的7萬年裡，冰川向南移動，穿過北美和歐亞大陸北部，刮走了土壤。在過去的1萬年裡，針葉林地區的大部分土壤都是在冰川消融留下的運輸材料中發展起來的。
冰川景觀
針葉林帶土壤
大多數針葉林帶土壤都是灰化土(podzols )。ash like很好地描述了土壤的質地和表層之下的灰色。在美國土壤分類系統中，podzol被稱為spodosol。
灰化土在針葉林涼爽潮濕的環境中發育。涼爽的溫度減緩了微生物的活動，這些微生物分解了松針和其他附著在森林地面上的動植物殘骸。因此，就在地表之下，有一層富含腐殖質和植物物質。同時，降水量遠大於蒸發量。換言之，在一年的時間裡，落到地面的水的體積比從地面蒸發到空氣中的水要大。這種情況導致水在土壤中的整體向下運動。當水向下排水時，它會帶走溶解的植物營養物質，如硝酸鹽和磷酸鹽。植物的分解產物捕獲金屬並把它們帶到地下深處。這種可溶性物質被向下滲透的水從上層土壤中帶走的整個過程稱為淋溶，其作用是近地表土壤養分變差。土壤的酸性也很強，PH值通常在3.5-4.5之間。最主要的原因是
冰川也在靠近赤道的高緯度地區形成。離地球最近的大氣層在高空比在低空時要冷。在靠近赤道的地方，冰川可以形成約5500米的高度。在兩極附近，由於有雪，冰川在海平面附近形成。
冰川中壓實的冰的行為幾乎像岩石。事實上，對地質學家來說，冰川冰是由冰晶構成的岩石。埋在冰河中，隨著更多的雪堆積在上面，雪花單個的，蓬鬆的冰晶被壓縮成一個巨大的固體晶體。
冰川中的雪流動緩慢，就像濃稠的蜂蜜撒在麵包片上，但速度更慢。在冰川更厚、坡度更陡的地方，冰川的流動速度會更快。冰川冰有兩種流動方式。在特別寒冷的地區，大部分的運動都是由冰晶片相互滑動造成的。冰被凍結在地面上，當冰晶移動時，它們會把錨定的任何鬆散的岩石或土壤拉起。這種運動稱為塑性流動。
在稍暖和的環境中，地面的溫暖和冰從上面向下的壓力（壓力的增加降低了熔點）可能足以融化一層薄薄的冰川冰。上覆的冰雪可以在這個液體層上滑動。這種運動稱為基底滑動，發生在山谷冰川移動最快的部分。瑞士先驅地質學家和動物學家路易士·阿加西（Louis Agassiz）測量了一個山谷冰川在一年內的流速高達約75米。阿加西後來成為美國國家科學院的創始成員和史密森學會的攝政委員。現代衛星測量南極大陸冰川離開南極時的速度為每年8米。然而，一些冰流衝破了南極的主要冰蓋，形成了以100倍的速度流動的“冰流”，這種冰流通常富含矽石，矽石是沙子的主要成分。當岩石因風化而分解時，富含二氧化矽(silica)的顆粒會產生酸性土壤。針葉樹的殘餘，真菌分解後釋放出酸，往往會保持甚至提高土壤的酸性。這些營養貧乏、高酸性的環境有利於針葉樹的生長，而不是大多數闊葉植物。
從一個典型的褐色土壤層下，一個富含養分的褐色土壤層從頂部延伸出來。在灰色層的下面通常是一層從腐殖質中濾出的富含營養的物質，下面是一層紅褐色的富含鐵和鋁的層，是由不斷下降的酸性水沉積下來的。富金屬層最終會變得非常緻密，幾乎沒有水可以穿透它。如果是這樣的話，這一層上面的土壤可能會被水淹沒，為泥炭的形成提供了理想的條件（一層深褐色的部分腐爛的植物殘骸）。紅棕色富含金屬的層通常位於風化的冰川沉積物或基岩上。
灰化土的頂層富含腐爛的葉片，而深層富含營養物質，是針葉林植物營養的主要來源，根系向這些區域轉移。許多針葉樹產生小種子，其中包括落葉松、冷杉和松樹，這些種子在森林地面上的落葉層中不能很好地發芽。幼樹最好生長在森林中倒下的樹幹或樹枝腐爛的木頭上。
沼澤、泥炭和森林
沼澤地是低窪地區，一年中有一部分或一整年的時間，地面都浸在水中。植被、水和土壤的海綿狀混合物對任何人或動物來說都是危險的。
在沼澤地，土壤中過多的水會減緩空氣中氧氣的進入。這反過來又會減緩分解植被的微生物的活動。再加上針葉林的寒冷條件，這種緩慢的分解促進了泥炭的形成，泥炭是一種深褐色的植物殘骸層，部分已經腐爛。考慮到數百萬年的時間，泥炭的堆積可能會被埋入地下，並被壓縮形成煤炭礦床。一些針葉林人使用乾泥炭本身作為低級燃料來源。但不僅僅是人類的草炭和動物屍體。保存下來的植物、動物和人類遺骸提供了一個地區氣候和歷史的時間膠囊。
當泥炭沉積形成時，它們含有大量不易回收的營養物質。在許多情況下，生長在泥炭沼澤地上的植物必須應對營養物質的缺乏和氧氣的缺乏。植物的種類相當少，存活下來的是專家，比如泥炭蘚和昆蟲消費豬籠草。
針葉林沼澤通常形成於冰川在地面留下的凹陷處，這些窪地充滿了水，形成了湖泊。貧瘠的苔蘚和苔蘚可以在貧瘠的湖邊生存。隨著泥炭蘚向湖心推進，開闊水域的面積縮小。泥炭蘚向上生長，使下層苔蘚失去陽光。下面光照不足的苔蘚死亡，並增加泥炭。逐漸地，積累的泥炭把湖邊變成了海綿狀的沼澤，泥炭層越長越高，開始乾涸。燈心草在湖邊定居。隨著時間的推移，灌木和樹木在曾經泥濘的土地上生根發芽。最終，大型針葉樹滲入前湖的中心。森林取代了開闊的水域。
針葉林湖泊演替三階段
針葉林區土壤構造
永久凍土
在北美洲和歐亞大陸的針葉林北部和東部的大部分地區，地表以下幾英尺的土地仍然永久凍結。在阿拉斯加、加拿大北部和西伯利亞東部的大部分地區，這種被稱為永久凍土的冰凍層厚度超過300米。在永凍層之下，來自地球深處的溫暖確保了地面的解凍。
多年凍土強烈影響著針葉林地區三分之一以上的植被。它阻礙了向下流經地面的水流，鼓勵雨水從土地上流失，並容易使土壤淹水。當凍土表層在夏季融化，冬季又自上而下重新凍結時，會對地面產生巨大的應力，導致凍脹。土壤在一個高達50公分的小山丘中膨脹和上升。這種破壞足以把樹木連根拔起。凍脹是由於凍結空氣溫度穿透土壤時在土壤表面附近形成的透鏡狀冰塊引起的。水結冰時會膨脹，在嚴重濕潤的土壤中，更多的水被吸引到積冰上，積冰會結冰，因此冰塊就會生長。這就在土壤中形成了一個充滿冰的空間，將上覆的土壤向上推。當融化時，冰塊逐漸融化，但它所騰出的空間可能會被從側面或從上方移入的土壤填充，因此凍脹的作用是部分混合土壤。在斑塊中，這種混合將深層土壤推向地表。年復一年的反復凍脹會使土壤的深度大大超過30公分。
在受永久凍土影響的土壤中，水可能會在土壤中上升或下沉，這取決於一年中的季節以及表層解凍和凍結之間的平衡。當沉積物質隨水的主要運動方向上升和下降時，這會導致波德唑變得不那麼明顯，與組成層相比。
永凍土層在涉及挖掘地面的專案中會產生問題，例如石油勘探或建築施工。挖掘使永久凍土暴露在溫暖的空氣中，凍土的頂層融化。因為水不能通過下面的凍土排出，所以它留在土壤裡。淹水後的土壤表現為緩慢流動的液體，會下垂或蠕動，給修建道路、建築、工廠或管道的人帶來麻煩。幾十年來，在西伯利亞寒冷的地區，人們一直在用高高的支撐物建造房屋，這樣住宅裡的溫暖就不會融化永久凍土。設計阿拉斯加輸油管道的工程師們和懷斯一樣，決定修建一條長距離的架空管道，並與之絕緣，以避免永久凍土融化的問題。當西伯利亞探礦者開發出類似的地上管道，但未能將其與地面適當隔離時，這些管道就會彎曲並裂開，從而引發石油污染事件。他們沒有吸取同胞的教訓。
現在的針葉林生物群落是在一個被冰川推進的先期挖出的地貌上發展起來的，上面覆蓋著後退的冰留下的沉積物。在過去的200萬至300萬年（更新世，結束於大約11000年前）內，這種地質作用已經多次重複。最後一次重塑發生在過去7萬年內。在此期間，最近一次冰川（北美和歐亞大陸北部冰川和冰原分佈廣泛的時期）在出現之前的20000年左右達到頂峰。當前的間冰期（冰期之間的溫暖期）始於大約1萬1000年前。它被稱為法蘭德裡亞紀，與全新世或最近的紀元相對應。在過去的1萬1000年裡，隨著冰層的消退，留下的窪地充滿了雨水，形成了無數的湖泊。冰川留下的沙子和較輕的顆粒隨風飄揚，有的地方被沖走，有的地方聚集起來。針葉林帶土壤年輕而淺，在過去的1萬年裡，在基岩或沉積物上發育。下墊料及其排水的變化導致土壤條件出現一些不規則。有的地方乾燥，有的潮濕，有的營養豐富，有的營養貧乏。這種變異性有助於建立今天在針葉林發現的植物群落的多樣性。
西伯利亞永久凍土泥炭丘