1我們周圍的土壤

地球，我們獨特的水土覆蓋的星球。（美國國家航空航天局）

因為最終我們只會保存我們所愛的東西。

我們僅僅熱愛我們所理解的。

我們僅僅理解所被教的內(nèi)容。

-Baba Dioum，非洲環(huán)保主義者

地球是我們在浩瀚宇宙中唯一的家園，對于依靠空氣、水和土壤資源維持的生命系統(tǒng)來說，地球是獨一無二的。在我們星球上的數(shù)百萬種生命形式中，有一個物種，即人類物種，已經(jīng)變得如此占主導地位，以至于這些資源的質量現(xiàn)在取決于該物種如何學會運用全新的管理水平。

人類活動正在改變地球生態(tài)的本質。大約50%的土地被撥作人類使用。平流層臭氧的消耗正威脅著紫外線輻射使我們過載。二氧化碳、氮氧化物和甲烷氣體的排放正在使地球變暖，并破壞全球氣候穩(wěn)定。熱帶雨林及其令人難以置信的植物和動物正在以前所未有的速度消失。地下水供應正在受到污染和枯竭。在世界一些地區(qū)，盡管需要糧食的人數(shù)在增加，但土壤生產(chǎn)糧食的能力正在退化。使全球環(huán)境恢復平衡可能是當前一代研究土壤的學生面臨的決定性挑戰(zhàn)。

土壤1對地球上的生命至關重要。在很大程度上，土壤的質量決定了植物生態(tài)系統(tǒng)的性質以及土地支持動物生活和社會的能力。土壤在當今許多環(huán)境挑戰(zhàn)中也發(fā)揮著核心作用。從水污染和氣候變化到生物多樣性喪失和人類食物供應，世界生態(tài)系統(tǒng)受到土壤過程的深遠影響。隨著人類社會日益城市化，與土壤密切接觸的人越來越少，個人往往忽視了他們賴以繁榮和生存的許多方式。事實上，未來我們對土壤的依賴程度可能會增加，而不是減少。

土壤將繼續(xù)為我們提供幾乎所有的食物，但我們中有多少人記得，當我們吃一片披薩時，披薩的外皮開始于麥田，奶酪開始于扎根于奶牛場土壤中的草、三葉草和玉米？我們用于木材、紙張和服裝的大部分纖維都植根于森林和農(nóng)田的土壤中。雖然我們有時使用化石石油合成的塑料和纖維作為替代品，但從長遠來看，我們將繼續(xù)依賴陸地生態(tài)系統(tǒng)來滿足這些需求。

此外，隨著世界有限的石油供應在本世紀耗盡，土壤上生長的生物質可能會成為燃料和制造業(yè)越來越重要的原料。這一趨勢的早期市場跡象可以從玉米或生物柴油燃料合成的乙醇和可生物降解塑料以及大豆油制成的打印機油墨中看出（圖1.1）。

21世紀的一個嚴峻現(xiàn)實是，需要所有這些產(chǎn)品的人口將增加數(shù)十億（預計本世紀后期人口將穩(wěn)定在90億至100億）。不幸的是，可用于滿足這些需求的土壤量根本不會增加。事實上，由于土壤退化和城市化，資源基礎實際上正在縮小。了解如何更好地管理土壤資源對于我們的生存和為與我們共享這個星球的其他生物提供充足的棲息地至關重要。簡而言之，土壤科學的研究從未像今天這樣重要。

1.1土壤提供哪些生態(tài)系統(tǒng)服務？

科學家們現(xiàn)在認識到，世界生態(tài)系統(tǒng)每年提供的商品和服務價值估計為幾萬億美元，相當于世界所有經(jīng)濟體的國民生產(chǎn)總值（GNP）（見第20.3節(jié)）

·供應（提供水、食品、藥品、木材等貨物），

·調節(jié)（凈化水、分解廢物、控制害蟲或改變大氣氣體的過程），

·支持性（協(xié)助營養(yǎng)循環(huán)、種子擴散、初級生物質生產(chǎn)等）和

·文化（提供精神提升、風景和戶外娛樂機會）。

全球一半以上的生態(tài)系統(tǒng)服務來自土地，土壤在其中發(fā)揮著重要作用。無論是在后院、農(nóng)場、森林還是區(qū)域流域，土壤在提供生態(tài)系統(tǒng)服務方面都發(fā)揮著六個關鍵作用（圖1.2）。首先，土壤通過為植物根提供棲息地和為整個植物提供營養(yǎng)元素來支持植物生長。土壤性狀通常決定了現(xiàn)有植被的性質，并間接決定了植被能夠支持的動物（包括人）的數(shù)量和類型。第二，土壤調節(jié)水供應。水的流失、利用、污染和凈化都受到土壤的影響。第三，土壤是大自然的循環(huán)系統(tǒng)。在土壤中，植物、動物和人的廢物和尸體被吸收，它們的基本元素可供下一代生命再利用。除了回收利用，在考古學家出土人類文物之前，土壤可以作為幾個世紀的保護性覆蓋物。第四，土壤是活的，是從小型哺乳動物和爬行動物到微小昆蟲，再到數(shù)量和多樣性難以想象的微生物等生物的家園。第五，土壤通過吸收和釋放大量二氧化碳、氧氣和其他氣體，以及向空氣提供灰塵和再輻射熱能，顯著影響大氣的組成和物理條件。最后，土壤作為工程介質發(fā)揮著重要作用。土壤不僅是填土和磚塊（烘烤的土壤材料）形式的重要建筑材料，而且為我們建造的幾乎每一條道路、機場和房屋提供了基礎。

圖1.1環(huán)境和經(jīng)濟方面的迫切需要表明，我們將更加依賴土壤來生產(chǎn)可再生材料，以替代日益稀缺和對環(huán)境造成破壞的不可再生材料。由大豆和其他油料作物生產(chǎn)的生物柴油（左）污染遠小于石油柴油，對全球變暖的影響也小于石油柴油。其他油料作物可以替代石油生產(chǎn)無毒油墨（底部）、塑料和其他產(chǎn)品。玉米淀粉可以制成生物可降解塑料，用于塑料袋和泡沫包裝“花生”（右上）等產(chǎn)品。（照片由Ray R.Weil提供）

1.2土壤如何支持植物生長？

當我們想到我們周圍的森林、草原、花園和田野時，我們通常會想到植物的葉子、花朵、莖和四肢，而忘記了植物世界的一半，即根，存在于地下。因為植物的根通常隱藏在我們的視野之外，很難研究，所以我們對地下植物與環(huán)境的相互作用的了解比地上少得多，但我們必須同時了解兩者才能真正了解兩者。首先，讓我們列出并簡要討論植物從其根部生長的土壤中獲得的信息：

·物理支持

·空氣

·水

·溫度

·毒素防護

·營養(yǎng)元素

首先，土體提供物理支撐，固定根系，使植物不會倒下或被吹走。偶爾，強風或大雪確實會吹倒根系受到淺層或不適宜居住土壤條件限制的植物（圖1.3）。

圖1.2土壤的許多功能和生態(tài)系統(tǒng)服務可分為六個關鍵的生態(tài)角色。（圖由Ray R.Weil提供）

因為根呼吸和我們自己的呼吸一樣，產(chǎn)生二氧化碳（CO2）并使用氧氣（O2），所以土壤的一個重要功能是通風，通過允許CO2逸出和新鮮O2進入根區(qū)來保持空氣的數(shù)量和質量。這種通風是通過土壤孔隙網(wǎng)絡實現(xiàn)的。

土壤孔隙的一個同樣重要的功能是吸收水分，并將其保持在植物根系可以利用的地方。只要植物的葉子暴露在陽光下，植物就需要源源不斷的水來冷卻、養(yǎng)分輸送、維持膨壓和光合作用。由于植物持續(xù)用水，但大多數(shù)地方只有偶爾下雨，土壤的持水能力對植物的生存至關重要。深厚的土壤可以儲存足夠的水分，使植物能夠在沒有雨水的情況下長時間生存（圖1.4）。

土壤還可以減緩溫度波動。也許你還記得在夏天的一個下午，在花園里的土壤（甚至沙灘上的沙子）里挖掘，感覺到土壤表面有多熱，幾厘米以下的地方有多冷。土壤的絕緣性狀保護根系的深層免受土壤表面經(jīng)常出現(xiàn)的極端冷熱的影響。例如，裸露土壤表面的午后溫度達到40°C并不罕見，這對大多數(shù)植物的根來說是致命的。然而，僅僅幾厘米深的地方，溫度可能會低10°C，使根部能夠正常工作。

圖1.3這種潮濕、淺的土壤無法讓足夠深的根系生長，以防止這棵樹在冬季暴風雪期間被積雪覆蓋的樹枝吹翻。（照片由Ray R.Weil提供）

圖1.4在東非大草原上，一個非洲象家族在一棵巨大的金合歡樹的綠葉樹冠下找到了受歡迎的樹蔭。這張照片是在漫長的旱季拍攝的；將近五個月沒有下雨。樹根仍在使用前一個雨季儲存在土壤中幾米深的水。

淺色草的根更淺，要么已經(jīng)結下種子并死亡，要么進入干燥休眠狀態(tài)。（照片由Ray R.Weil提供）

土壤中的植物毒性物質可能由人類活動（如化學泄漏或除草劑施用）引起，也可能由植物根、微生物或自然化學反應產(chǎn)生。許多土壤管理者認為，良好土壤的作用是通過通風氣體、分解或吸附有機毒素或抑制產(chǎn)生毒素的生物來保護植物免受此類物質的影響。同時，土壤中的一些微生物確實會產(chǎn)生有機的、刺激生長的化合物。當這些物質被植物少量吸收時，可以提高植物的活力。

肥沃的土壤將提供持續(xù)的溶解礦物質養(yǎng)分供應，其數(shù)量和相對比例適合最佳植物生長。這些營養(yǎng)素包括鉀、鈣、鐵和銅等金屬元素，以及氮、硫、磷和硼等非金屬元素。根將這些元素從土壤溶液中提取出來，植物將大部分元素融入構成其組織的有機化合物中。動物通常通過食用植物間接從土壤中獲取礦物質營養(yǎng)。在某些情況下，動物（包括人類）通過直接攝入土壤來滿足對礦物質的渴望（圖1.5和方框1.1）。植物也吸收了一些它們似乎不需要的元素，這是幸運的，因為動物確實需要植物不需要的幾種元素（見附錄B周期表）。

在92種天然存在的化學元素中，有17種被證明是必需元素，這意味著植物沒有它們就無法生長并完成其生命周期。表1.1列出了這些和其他一些似乎是準必要的元素（一些但不是所有植物都需要）。植物大量使用的基本元素稱為常量營養(yǎng)素；少量使用的被稱為微量營養(yǎng)素。要記住這17個基本要素，請嘗試以下助記符：

C.B.HOPKINS咖啡館-

周一上午和晚上休息-

再見Zoon，Mg

粗體字母表示該短語中的化學元素；找到銅（Cu）和鋅（Zn）可能需要一些想象力。

除了剛剛列出的礦物質營養(yǎng)素，植物還可能使用土壤中微量的有機化合物。然而，這些物質的攝取對于正常的植物生長是不必要的。構成植物干物質的有機代謝產(chǎn)物、酶和結構化合物主要由碳、氫和氧組成，植物通過光合作用從空氣和水而不是從土壤中獲得這些物質。

植物可以在沒有任何土壤的營養(yǎng)溶液中生長（一種稱為水培的方法），但土壤的植物支持功能必須設計到系統(tǒng)中，并以高時間、能源和管理成本進行維護。事實上，想象一下在水培溫室中種植70億人所需的費用，是理解土壤提供的糧食供應生態(tài)系統(tǒng)服務的經(jīng)濟價值的好方法。因此，盡管小規(guī)模的水培生產(chǎn)對高價值植物是可行的，但世界糧食和纖維的生產(chǎn)以及自然生態(tài)系統(tǒng)的維護將始終取決于數(shù)百萬平方公里的肥沃土壤。

圖1.5一只山山羊（在美國冰川國家公園）參觀了一個天然的鹽舔，它直接從土壤中攝取所需的礦物質。動物通常通過食用植物間接從土壤中獲取膳食礦物質。（照片由Ray R.Weil提供）

1.3土壤如何調節(jié)供水？

人們對河流、湖泊和地下含水層的水質和水量非常關注。為了保持或改善水質，我們必須認識到，我們的河流、湖泊、河口和含水層中幾乎每一滴水都穿過土壤或流過其表面（不包括直接流入地表淡水的相對較少的降水量）。例如，想象一下，一場大雨落在圖1.7中河流周圍的山丘上。如果土壤允許雨水滲入，一些水將儲存在土壤中，一些被樹木使用，一些將通過土壤層緩慢滲透到地下水中，最終在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)作為基本流量進入河流。當污水滲入上層土壤時，被污染的水會被凈化和凈化，從而去除許多雜質并殺死潛在的疾病生物。如果土壤太淺或不透水，大部分雨水無法穿透土壤，而是從地表流失，沖刷地表土壤和碎片，就會發(fā)生上述情況。其結果將是一場破壞性的渾濁污染水山洪暴發(fā)。這一比較突出了流域土壤的性質和管理將如何影響流向水生系統(tǒng)的水的純度和數(shù)量。對于那些住在農(nóng)村的人來說，土壤的凈化作用（在第6.8節(jié)所述的化糞池排水場中）是擋在沖下廁所和流入廚房水槽的水之間的主要障礙！

1.4土壤如何回收原材料？

如果沒有土壤的循環(huán)功能，世界會是什么樣子？如果不重新利用營養(yǎng)物質，植物和動物很早就會耗盡營養(yǎng)。世界將被一層可能數(shù)百米高的植物和動物廢棄物以及尸體所覆蓋。顯然，循環(huán)利用對生態(tài)系統(tǒng)至關重要，無論是森林、農(nóng)場還是城市。土壤系統(tǒng)在主要的地球化學循環(huán)中起著關鍵作用。土壤有能力吸收大量的有機廢物，將其轉化為有益的土壤有機物質，將廢物中的礦物養(yǎng)分轉化為植物和動物可以利用的形式，并將碳作為二氧化碳返回大氣，在那里，它將通過植物光合作用再次成為活生物體的一部分。一些土壤可以積累大量的碳作為土壤有機物，從而降低大氣二氧化碳的濃度，并可能緩解全球氣候變化（見第1.5、1.14和12.2節(jié)）。

1.5土壤如何改變大氣？

當土壤“呼吸”進出時，它以多種方式與地球的空氣層相互作用。也就是說，土壤吸收氧氣和甲烷等其他氣體，同時釋放二氧化碳和一氧化二氮等氣體。土壤和大氣之間的這些氣體交換對大氣成分和全球氣候變化有重大影響。土壤水分的蒸發(fā)是大氣中水汽的主要來源，改變了空氣溫度、成分和天氣模式。

在土壤干燥、結構不良和未通風的地方，土壤顆粒會被風帶走，并向大氣中排放大量灰塵，降低能見度，增加呼吸污濁空氣對人類健康的危害，并改變空氣和地球本身的溫度。潮濕、植被良好、結構良好的土壤可以防止這種含塵空氣。

1.6土壤棲息地中生活著什么？

當談到需要保護的生態(tài)系統(tǒng)時，大多數(shù)人想象的是一片生長著豐富野生動物的古老森林，或是一個擁有牡蠣床和漁業(yè)的河口。也許，一旦你讀過這本書，當有人談到生態(tài)系統(tǒng)時，你會想到一手泥土。

圖1.7覆蓋這些藍嶺山麓的土壤狀況將極大地影響美國弗吉尼亞州詹姆斯河下游的水量和水質（照片由Ray R.Weil提供）

土壤不僅僅是一堆破碎的巖石和死亡的碎片。一手土壤可能是數(shù)十億生物的家園，屬于數(shù)千種物種，它們充當捕食者、獵物、生產(chǎn)者、消費者和寄生蟲（圖1.8）。這種水生物群落通過許多生態(tài)系統(tǒng)功能影響人類福祉，但土壤也直接影響人類健康，無論是好是壞（見方框1.2）

圖1.8土壤是多種生物的家園，既有相對較大的生物，也有非常小的生物。在這里，一只體型相對較大的食肉動物蜈蚣（圖中的蜈蚣約為實際大?。┱讷C食下一頓飯，這很可能是許多以植物殘骸為食的小型動物之一。（照片由Ray R.Weil提供）

我們說過，由數(shù)千種物種組成的數(shù)十億種生物可以在一手捧的土壤中共存。如此多樣的生物如何可能在如此狹小的空間中生存和互動？一種解釋是，即使在均勻的土壤中，也存在著大量的生態(tài)位和棲息地。土壤的一些孔隙將充滿水，蛔蟲、硅藻、輪蟲和細菌等生物在其中游動。微小的昆蟲和螨蟲可能在其他充滿潮濕空氣的大毛孔里爬行。曝氣良好的微區(qū)可能距離缺氧條件區(qū)域僅幾毫米。不同區(qū)域可能富含腐爛的有機物質；有些地方可能是高酸性的，有些地方則是堿性的。溫度也可能變化很大。

圖1.10土壤是最古老和最常見的建筑材料之一，世界上有一半的人居住在土壤制成的房屋中。（左）一位年長的非洲村民在自家屋外編織一個籃子，籃子是用紅色和黑色粘土制成的，并用小樹枝加固（這是一種被稱為荊花和涂抹的技術）。（右）位于中國福建省的幾棟圓形土樓公寓樓，每棟可容納80戶家庭。這些建筑有2米厚的墻，是千年前由壓實的黃壤與竹子和石頭混合而成的。這些巨大的“夯土”墻使建筑在冬天溫暖，但在夏天涼爽（見第7章），并抵抗地震的破壞。（左照片由Ray R.Weil提供；右照片由中國浙江省的Lu Zhang提供）

在世界的土壤中，隱藏著與水一樣的生物群落，其內(nèi)在價值與它們在大草原、森林和海洋中的同類生物一樣。事實上，土壤蘊藏著地球上大部分的遺傳多樣性。土壤，如空氣和水，是更大生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。因此，在環(huán)境保護的討論中，必須確保土壤質量以及空氣質量和水質都得到考慮。

1.7土壤作為工程介質

土壤是最早和最廣泛使用的建筑材料之一。世界上近一半的人居住在泥土建造的房子里。土壤建筑從傳統(tǒng)的非洲泥屋到中國有數(shù)百年歷史的大型圓形公寓樓（圖1.10），再到如今的環(huán)?！昂煌痢苯ㄖ▍⒁?/span>http://www./materials/夯土）。

“陸地，堅實的地面?！蔽覀兺ǔＵJ為土壤是堅實的，是修建道路和各種結構的良好基礎。事實上，大多數(shù)建筑結構都是建在土壤上的，許多建筑項目都需要在土壤中開挖。不幸的是，如圖1.11所示，一些土壤不如其他土壤穩(wěn)定。如本章和后面章節(jié)所述，在土壤上和使用土壤材料進行可靠施工需要了解土壤性狀的多樣性。在一種土壤上的一個位置工作良好的路基或建筑基礎的設計可能不適用于具有不同土壤的另一個位置。

處理天然土壤或挖掘的土壤材料與處理混凝土或鋼材不同。與人造建筑材料相比，土壤的性狀（如承載強度、壓縮性、抗剪強度和穩(wěn)定性）變化更大，更難預測。第4章介紹了土壤的一些工程性狀。討論的許多其他物理性狀將直接應用于土壤的工程用途。例如，第8章討論了某些類型粘土的性狀，這些粘土在潤濕后會以足夠的力膨脹，導致地基開裂和路面屈曲。后面幾章中討論的土壤性狀和土壤分類的大部分信息對

1.8土壤圈和臨界區(qū)？2.

我們星球的外層位于最高的樹頂和供給河流的地下蓄水層底部之間，科學家稱之為“臨界區(qū)”。環(huán)境研究越來越多地集中在這個區(qū)域，在那里，物質和能量的活躍循環(huán)和流動支持著地球上的生命。土壤在這一關鍵地帶起著核心作用。土壤的重要性很大程度上源于它作為巖石（巖石圈）、空氣（大氣）、水（水圈）和生物（生物圈）世界之間的界面。這四個世界相互作用的環(huán)境通常是地球上最富水和生產(chǎn)力的環(huán)境。淺水與陸地和空氣交匯的河口就是這種環(huán)境的一個例子。土壤或土壤層是另一個例子（圖1.12）。

土壤作為界面的概念意味著不同尺度的不同事物。以千米為單位（圖1.12a），土壤將雨水引導至河流，并將礦物元素從基巖轉移至海洋。它們還嚴重影響大氣氣體的全球平衡。在幾米的范圍內(nèi)（圖1.12b），土壤形成了堅硬巖石和空氣之間的過渡區(qū)，同時容納了液態(tài)水和氧氣，供植物根系使用。它將礦物元素從地殼轉移到植被中。它處理或儲存陸生植物和動物的有機殘留物。在幾毫米的尺度上（圖1.12c），土壤為空氣呼吸和水生生物提供了多樣的微生境，將水和營養(yǎng)物質輸送到植物根部，并為數(shù)千秒的生化反應提供了表面和溶液容器。最后，在幾微米或納米的尺度上（圖1.12d），土壤提供了有序的水表面，包括礦物和有機表面，它們充當化學反應的模板，并與水和溶質相互作用。它最微小的礦物顆粒形成了微小的電磁電荷區(qū)，吸引了從細菌細胞壁到蛋白質到水分子集合體的一切。當你閱讀這本書的全部內(nèi)容時，一章和另一章之間的頻繁交叉引用將提醒你規(guī)模和土壤故事的重要性。

1.9作為自然體的土壤

你可能會注意到，這本書有時提到“土壤”，有時提到“土”，有時提及“土壤”和有時提及“土”。“土”一詞的這些變體指的是兩個不同的概念，即土壤作為材料或土壤作為自然體。土壤是由礦物、氣體、水、有機物質和微生物組成的物質。有些人（通常不是土壤科學家?。┮矊⑦@種物質稱為污垢，特別是當它被發(fā)現(xiàn)在不受歡迎的地方時（例如，在衣服里或指甲下）。

圖1.11更好地了解修建這條道路的土壤可能使其工程師能夠制定更穩(wěn)定的設計，從而避免這種昂貴和危險的情況。（照片由Ray R.Weil提供）

2有關臨界區(qū)概念的可讀介紹，請參見Fisher（2012）。

圖1.12土壤圈，巖石（巖石圈）、空氣（大氣）、水（水圈）和生命（生物圈）的世界都在這里交匯。土壤作為界面可以在許多不同的尺度上理解。在千米尺度（a）上，土壤參與了巖石風化、大氣氣體變化、水儲存和分配以及陸地生態(tài)系統(tǒng)生命的全球循環(huán)。在米級（b），土壤在下面的堅硬巖石和上面的大氣之間形成了一個過渡區(qū)，地表水和地下水通過該過渡區(qū)流動，植物和其他生物在其中茁壯成長。在毫米尺度（c）上，礦物顆粒形成了土壤的骨架，形成了孔隙空間，其中一些充滿了空氣，一些充滿了水，微小的生物在其中生活。最后，在微米和納米尺度（d）上，土壤礦物（巖石圈）提供電荷、吸附水和溶解在水（水圈）、氣體（大氣）、細菌和水腐殖質大分子（生物圈）中的陽離子的反應表面。（圖由Ray R.Weil提供）

土壤是一個三維的自然體，其意義與山、湖或山谷相同。土壤是一系列不同的土壤體，通常被稱為覆蓋土地，就像果皮覆蓋橙子一樣。然而，雖然橙子周圍的果皮相對均勻，但地球上不同地方的土壤差異很大。其中一個單獨的身體，一種土壤，對土壤來說就像一棵單獨的樹木對地球的植被一樣。正如人們可能在特定的森林中發(fā)現(xiàn)糖楓、橡樹、鐵杉和許多其他種類的樹木一樣，人們也可能在特定景觀中發(fā)現(xiàn)Los Osos壤土、Altamont粘土、San Benito粘土壤土、Diablo粉質粘土和其他種類的土壤。

土壤是由土壤（剛剛描述的材料）加上根、動物、巖石、人工制品等組成的自然體。將水桶浸入湖中，你可以對湖水進行取樣。同樣，通過在土壤中打一個洞，你可以取回一些土壤。因此，你可以把土壤或水的樣本帶進實驗室并分析其含量，但你必須到野外去研究土壤或湖泊。

在大多數(shù)地方，暴露在地球表面的巖石已經(jīng)破碎和腐爛，在堅硬未風化的巖石上形成了一層松散的碎片。這種松散層被稱為風化層（圖1.13），其厚度從一些地方幾乎不存在（即裸露的裸露巖石）到其他地方幾十米不等。如果下伏巖石已經(jīng)風化到足以用鐵鍬挖掘的程度，則使用術語腐泥土。在其他情況下，風化層材料已從最初形成的地點運到許多公里外，然后沉積在現(xiàn)在覆蓋的基巖上。因此，風化層材料可能與現(xiàn)在在其下方發(fā)現(xiàn)的巖石有關，也可能與之無關。

通過其生物化學和物理效應，細菌、真菌和植物根等生物改變了上層，在許多情況下，還改變了整個表層的深度。在這里，在巖石、空氣、水和生物世界的交界處，土壤誕生了。無機巖石和碎屑轉化為活土壤是大自然最迷人的表現(xiàn)之一。盡管這些土壤和浮土通常隱藏在日常視野之外，但在路塹和其他挖掘工程中經(jīng)?？梢钥吹?。

土壤是破壞性和創(chuàng)造性（合成）過程的產(chǎn)物。巖石風化和有機殘留物的微生物衰變是破壞性過程的例子，而新礦物和新穩(wěn)定有機礦物水的形成是合成的例子。也許合成過程最引人注目的結果是形成了對比鮮明的土層，稱為土層。上層風化層中這些層的發(fā)育是土壤的一個獨特特征，使其與深層風化層材料不同（圖1.13）。

專門研究土壤學的土壤科學家（土壤學家）將土壤作為自然體進行研究，研究土壤層的性狀，以及景觀中土壤之間的關系。其他土壤科學家，被稱為土壤動物學家，專注于將土壤作為生物的棲息地，尤其是植物的棲息地。對于這兩種類型的研究，必須在所有尺度和所有三個維度（尤其是垂直維度）上檢查土壤。

圖1.13風化層、其土壤和下伏基巖的相對位置。注意，土壤是表土的一部分，A和B層是土壤的一部分（來自拉丁語solum，意為土壤或土地）。C層是表層土的一部分，位于土壤之下，但其上部可能會慢慢變?yōu)橥寥馈Ｓ袝r，風化層很薄，完全變成了土壤；在這種情況下，土壤直接位于基巖上。（照片由Ray R.Weil提供）

1.10土壤剖面及其層（層）

土壤科學家經(jīng)常挖一個大洞，稱為土坑（如圖19.6），通常幾米深，約一米寬，以露出土壤層進行研究。在這種坑壁上暴露一組地層的垂直剖面稱為土壤剖面。道路切割和其他現(xiàn)成的挖掘可以暴露土壤剖面，并作為土壤的窗口。在開放一段時間的挖掘中，如果從坑壁上刮掉一層幾厘米厚的材料，露出新的表面，則可以更清楚地看到地層。觀察不同地方的道路切口中暴露的土壤如何變化，可以為旅行增添一個迷人的新維度。一旦你學會了解釋不同的層位（見第2章），土壤剖面會告訴你一個地區(qū)的環(huán)境和歷史，同時也會提醒你使用土地的潛在問題。

土壤中的土層厚度可能有所不同，邊界有些不規(guī)則，但通常與地表平行（圖1.14）。這種排列是預期的，因為表層土分化為不同的土層主要是來自土壤-大氣界面的空氣、水、太陽輻射和植物材料等影響的結果。由于風化層的風化首先發(fā)生在表層，并向下進行，因此最上層的風化層變化最大，而最深層的風化層與原始風化層最為相似，后者被稱為土壤的母材。在風化層最初成分相當均勻的地方，土壤下面的物質可能與形成土壤的母體物質成分相似。在其他情況下，風化層材料通過風、水或冰川運輸，并沉積在不同材料的頂部。在這種情況下，在土壤下方發(fā)現(xiàn)的風化層材料可能與形成土壤的上層風化層截然不同。

圖1.14：中部非洲的這條路塹揭示了與地表平行的土層或土層?？傊@些地層構成了該土壤的剖面，如放大圖所示。在這種類型的植被下，地表凋落物或O層可能非常薄或不存在。上層被指定為A層。它們的有機質含量通常較高，顏色較低。一些成分，如氧化鐵和粘土，已經(jīng)通過滲透雨水從A層向下移動。下層被稱為B層，有時是粘土和氧化鐵聚集的區(qū)域，在其中形成了獨特的結構。該剖面中層位的存在和特征將該土壤與世界上數(shù)千種其他土壤區(qū)分開來。（照片由Ray R.Weil提供）

在未受干擾的生態(tài)系統(tǒng)中，尤其是森林，落葉和其他植物和動物材料的有機殘留物往往會堆積在地表。在那里，它們經(jīng)歷了不同程度的物理和生物化學分解和轉化，因此，新添加的碎片下面可能會有一層較舊的、部分分解的物質。土壤表面的這些有機層統(tǒng)稱為O層（圖1.15）。

土壤動物和滲透水將這些有機物質中的一些向下移動，與風化層的礦物顆?；旌?。它們與植物根的分解殘余物結合，形成使上層礦物層變暗的有機物質。此外，由于風化傾向于最接近土壤表面，因此在許多土壤中，上層通過瀝濾到下層而失去一些粘土或其他風化產(chǎn)物。A層是最接近表面的層，主要由礦物顆粒組成，但由于有機物的積累而變暗（圖1.16）。

圖1.15美國佛蒙特州一片落葉森林地面上的O層（照片由Ray R.Weil提供）

圖1.16在美國加利福尼亞州中部海岸，腐爛的植物材料使覆蓋著這些土壤的厚厚的A層變暗。（照片由Ray R.Weil提供）

在一些土壤中，未積累有機質的強風化和淋溶層出現(xiàn)在剖面的上部，通常在A層的正下方。這些層位被稱為E層位（圖1.17和1.18）。

A層和O層下面的層含有的有機質比靠近地表的層少。不同數(shù)量的硅酸鹽粘土、氧化鐵和氧化鋁、石膏或碳酸鈣可能會在下伏地層中堆積。堆積的物質可能是從上面的地層沖下來的，也可能是在風化過程中形成的。這些下伏層稱為B層（圖1.18）。

植物根和微生物通常延伸到B層以下，特別是在潮濕地區(qū)，導致土壤水發(fā)生化學變化，風化層發(fā)生一些生化風化，形成C層。C層是土壤剖面中風化程度最低的部分。

在一些土壤剖面中，成分層的顏色非常明顯，即使是新手觀察者也可以很容易地看到清晰的邊界。在其他土壤中，土層之間的顏色變化可能非常緩慢，邊界更難定位。然而，顏色只是許多性狀中的一個，通過這些屬性可以將一個地平線與其上方或下方的地平線區(qū)分開來（見圖1.18）。野外土壤研究通常是一項感官活動，需要所有感官來描繪當前的地平線。除了看到剖面圖中的顏色外，土壤科學家還可以感覺、聞、聽土壤，以及進行化學測試，以區(qū)分存在的地層

圖1.17隨著材料被添加到剖面的上部，其他材料被轉移到更深的區(qū)域，層位開始分化。在某些條件下，通常與森林植被和高降雨量相關，在富含有機質的a層和B層之間形成淋溶E層。如果降雨量充足，可溶性鹽將被帶到土壤剖面以下，可能一直帶到地下水中。許多土壤（如圖1.14中的土壤）缺少此處所示的五個土層中的一個或多個。（圖由Ray R.Weil提供）

圖1.18（左）通過在美國密歇根州南部發(fā)育良好的土壤（Hapludalf）中挖一個約2米深的坑，暴露了該土壤剖面。由于頂部地平線的顏色比其下方的顏色更深，因此很容易區(qū)分。然而，根據(jù)顏色差異，很難辨別該剖面中的一些地平線，特別是在照片中。在剖面上附加了一條白色的線，以清晰地劃分一些地平線邊界。然后，從每個地平線上取下一把裝滿泥土的抹子，放在右邊的木板上。從土壤破碎或結合的方式可以清楚地看出，來自顏色非常相似的土層的土壤材料可能具有非常不同的物理性狀。（照片由Ray R.Weil提供）

圖1.19本施工現(xiàn)場前景中的大灰褐色材料堆由表層土（A層材料）組成，表層土與下層土小心分離，并在初始平整作業(yè)期間推到一邊。它的后面是一堆來自下層（底土）的類似大小的紅棕色土壤。然后，在庫存中播種草以防止侵蝕。施工期間，底土材料將用于填充低洼處，并修建地基和路基。施工活動完成后，堆放的表層土（前樁）將用于新建筑周圍的土地景觀。（照片由Ray R.Weil提供）。

1.11表土和底土

土壤表面有機富集的A層有時被稱為表層土。犁耕和耕作土壤使剖面的上部10至25cm均勻化并改變，以形成犁耕層。耕作停止后，耕作層可能會保留很長時間。例如，美國新英格蘭地區(qū)的一片森林，在一片經(jīng)過開墾的農(nóng)田上重新生長，你仍然可以看到有著百年歷史的耕作層和下面顏色較淺、未受干擾的土壤之間的平滑邊界。

在耕作土壤中，大多數(shù)植物根都存在于表層土中，因為在表層土中耕作者最容易通過混合有機和無機改良劑、疏松結構和灌溉來增加養(yǎng)分、空氣和水的供應。有時，犁層會從土壤中移除，并作為表層土出售，供其他場地使用。表層土的這種使用尤其常見，以提供適合新建建筑物周圍草坪和灌木的生根培養(yǎng)基，其中原始表層土被移除或掩埋，并且在平整作業(yè)期間下層土層被暴露（圖1.19）。

表層土下面的土層稱為底土。盡管地下土層通常隱藏在視線之外，但它會極大地影響大多數(shù)土地的使用。植物所需的大部分水都儲存在底土中。許多底土還提供大量的某些植物養(yǎng)分。表層土的性狀通常比底土更有利于植物生長。因此，在耕種的土壤中，生產(chǎn)力通常是3。例如，手指間摩擦潮濕土壤發(fā)出的研磨聲表明土壤是沙質的。

第一章我們周圍的土壤與表層土的厚度有關。過密、酸性或潮濕的底土層會阻礙根系生長。對底土進行物理或化學改性可能極為困難和昂貴。

上層土壤中發(fā)生的許多化學、生物和物理過程也在一定程度上發(fā)生在C層，C層可能會深入到下層腐泥土或其他風化層材料中。傳統(tǒng)上，土壤的下邊界被認為發(fā)生在天然植被的最大扎根深度，但土壤科學家正越來越多地研究其以下的層，以了解關鍵區(qū)域的生態(tài)過程，如地下水污染、母材風化和生物地球化學循環(huán)（框1.3）。

圖1.21當條件適合植物生長時，壤土表層土壤的體積組成。水和空氣之間的虛線表明，這兩種成分的比例隨著土壤變濕或變干而波動。盡管如此，空氣和水的比例幾乎相等，通常是植物生長的理想選擇。

1.12空氣、礦物、水和生命的土壤界面

空氣、水、礦物質和有機質的相對比例極大地影響著土壤的行為和生產(chǎn)力。在土壤中，這四種成分以水的形式混合在一起。圖1.21顯示了在植物生長良好的壤土表層土壤中發(fā)現(xiàn)的組分的近似比例（按體積）。盡管一手土壤起初看起來是固體，但應該注意的是，只有大約一半的土壤體積由固體材料（礦物和有機）組成；另一半由充滿空氣或水的孔隙空間組成。在固體物質中，通常大部分是來自地殼巖石的礦物質。在這種理想土壤中，只有約5%的體積由有機物質組成。由于其密度遠低于礦物質，有機質僅占土壤重量的2%左右。然而，有機成分對土壤性狀的影響往往遠大于這些小比例的建議。固體材料顆粒之間的空間對土壤的性質和顆粒本身一樣重要。固體含量超過50%的土壤可能過于壓實，不利于良好的植物生長。正是在這些孔隙空間中，空氣和水循環(huán)，根系生長，微觀生物生存。植物的根需要空氣和水。在大多數(shù)植物的最佳條件下，孔隙空間將在兩者之間大致相等，土壤體積的25%由水組成，25%由空氣組成。如果水比這多得多，土壤就會積水。如果水資源少得多，植物就會遭受干旱。水和空氣的相對比例隨著水的加入或流失而波動。與表層土壤相比，底土的有機質含量較少，總孔隙空間較小，孔隙空間的較大比例由小孔隙（微孔）組成，這些孔隙往往充滿水而不是空氣。

1.13土壤的礦物（無機）成分是什么？

除有機土壤外，大多數(shù)土壤的固體骨架由礦物4顆粒組成。較大的土壤顆粒（石頭、礫石和粗砂）通常是由幾種不同礦物組成的巖石碎片。較小的顆粒往往由單一礦物組成。

4礦物一詞在土壤科學中有三種用法：（1）作為一個一般形容詞，用來描述源自巖石的無機材料；（2） 作為一個特定名詞，指自然界中發(fā)現(xiàn)的不同礦物，如石英和長石（見第2章，詳細討論土壤形成礦物及其巖石）；和（3）作為形容詞來描述化學元素，如氮和磷，它們處于無機狀態(tài)，而不是作為有機化合物的一部分出現(xiàn)。

目前，不包括較大的巖石碎片（如石頭和礫石），土壤顆粒的大小超過四個數(shù)量級：直徑從2.0毫米（mm）到小于0.0002毫米（表1.2）。砂粒足夠大（2.0–0.05毫米），肉眼可以看到，用手指摩擦時會感覺到砂礫。砂粒不會彼此粘附；因此，沙子不會覺得粘。淤泥顆粒（0.05–0.002 mm）太小，無法在顯微鏡下看到或單獨感覺，因此淤泥摸起來光滑但不粘，即使在潮濕的情況下也是如此。粘土顆粒是最小的礦物顆粒（<0.002 mm），潮濕時粘附在一起形成粘性物質，干燥時形成硬塊。較小的粘土顆粒（60.001 mm）（以及類似大小的有機顆粒）具有膠體5性狀，只能借助電子顯微鏡才能看到。由于膠體顆粒的尺寸非常小，每單位質量具有大量的表面積。土壤膠體（礦物和有機）的表面呈現(xiàn)出吸引正負離子和水的電磁電荷，使這部分土壤的化學和物理活性最強（見第8章）。

土壤質地

這些不同尺寸范圍內(nèi)的顆粒比例由土壤質地描述。術語如砂壤土、粉質粘土和粘壤土用于識別土壤質地。質地對許多土壤性狀有著深刻的影響，它影響著土壤對大多數(shù)用途的適用性。要了解土壤性狀受紋理影響的程度，請想象一下先在多沙海灘（松散的沙子）上曬日光浴，然后在多粘土海灘（粘性泥）上曬。這兩種體驗的差異主要是由于表1.2中描述的性狀。

為了預測粘土對土壤行為的影響，有必要了解粘土的種類以及存在的數(shù)量。正如房屋建筑商和公路工程師所熟知的那樣，某些粘性土，例如高含量的蒙脫石粘土，會產(chǎn)生非常不穩(wěn)定的材料，因為它們在潮濕時會膨脹，在干燥時會收縮。這種收縮-膨脹作用很容易使地基開裂，并導致?lián)跬翂Φ顾?。這些粘土在潮濕時也變得非常粘稠，難以處理。其他類型的粘土，在不同的條件下形成，可以非常穩(wěn)定，易于使用。了解不同類型的粘土礦物將有助于我們了解世界各地土壤的許多物理和化學差異（見方框1.4）。

表1.2 無機土壤顆粒三種主要粒徑的部分性質

5膠體系統(tǒng)是兩相系統(tǒng)，其中一種物質的非常小的顆粒分散在不同物質的介質中。直徑小于約0.001 mm（1微米，μm）的粘土和有機土壤顆粒通常被認為是膠體。牛奶和血液是膠體系統(tǒng)的其他例子，其中非常小的固體顆粒分散在液體介質中。

土壤礦物

自在熔融熔巖中擠出以來，成分變化不大的礦物（如石英、云母和長石）被稱為原生礦物。它們在土壤的沙子和淤泥部分中很突出，含有植物所需的許多營養(yǎng)元素。其他礦物，如硅酸鹽粘土和氧化鐵，是在土壤形成過程中，抵抗力較弱的礦物分解和風化形成的。這些礦物被稱為次生礦物，并傾向于主導粘土，在某些情況下，還包括淤泥部分。土壤礦物學特征是法醫(yī)土壤科學家用來定位犯罪受害者或通過將附著在鞋子、輪胎、工具或指甲下的土壤與犯罪現(xiàn)場的土壤匹配來確定犯罪的線索之一（圖1.24）。

土壤結構

沙子、淤泥和粘土顆?？梢员徽J為是構建土壤的基石。土壤結構描述了這些建筑砌塊在不同大小和形狀的骨料中相互關聯(lián)的方式（例如，參見圖1.18中土壤“團塊”的性質，右圖）。土壤結構（顆粒排列在一起的方式）與土壤質地（不同大小顆粒的相對數(shù)量）在控制土壤中水和空氣如何移動方面同樣重要。結構和質地從根本上影響土壤中的許多過程，包括植物根系的生長。

1.14土壤有機質的性質

土壤有機質由各種各樣的有機（碳質）物質組成，包括活生物體（土壤生物量）、曾經(jīng)占據(jù)土壤的生物體的碳質殘留物，以及土壤中當前和過去代謝產(chǎn)生的有機化合物。隨著時間的推移，有機物質被微生物呼吸破壞，其碳作為二氧化碳從土壤中流失。由于這種損失，需要重復添加新的植物和/或動物殘留物，以保持土壤有機質。

在有利于植物生產(chǎn)而不是微生物腐爛的條件下，植物在光合作用中使用的大量大氣二氧化碳被封存在豐富的植物組織中，這些組織最終成為土壤有機質的一部分。由于二氧化碳是一種主要的溫室氣體，其在大氣中的增加使地球氣候變暖，因此土壤有機物的積累和微生物呼吸造成的損失之間的平衡具有全球意義。事實上，世界土壤中儲存的碳比世界植物生物量和大氣中的碳總和還要多。

即便如此，有機質只占典型土壤質量的一小部分。按重量計，典型排水良好的礦物表層土壤含有1至6%的有機質。底土的有機質含量甚至更小。然而，有機質對土壤性狀的影響，進而對植物生長的影響，遠大于低百分比所表明的（另見第12章）。

有機物將礦物顆粒結合成粒狀土壤結構，這在很大程度上是生產(chǎn)性土壤疏松、易于管理的原因。對穩(wěn)定這些顆粒特別有效的部分土壤有機物由各種土壤生物（包括植物根）產(chǎn)生的某些膠狀物質組成（圖1.25）。

有機質還增加了土壤可容納的水量和植物生長所需的水量比例（圖1.26）。此外，有機質是植物養(yǎng)分氮、磷和硫的主要來源。隨著土壤有機質的衰變，這些以有機組合形式存在的營養(yǎng)元素以可溶性離子的形式釋放出來，可被植物根系吸收。最后，包括植物和動物殘留物在內(nèi)的有機物是向土壤生物提供碳和能量的主要食物。沒有它，對生態(tài)系統(tǒng)功能至關重要的生物化學活動將幾乎停止。

圖1.24土壤在解決犯罪謎團方面很有用，通常在法庭訴訟中作為證據(jù)。粘在靴子上的泥（中間）被用來證明一名被控搶劫和入室搶劫的男子的清白。在本案中，在靴子泥中發(fā)現(xiàn)的砂粒類型是典型的富含石英的土壤（左），發(fā)生在被告的工作現(xiàn)場，但不在犯罪現(xiàn)場附近的任何地方，而是富含云母砂的土壤（右）。兩張照片中最大的沙粒直徑約為1毫米。（照片由Ray R.Weil提供）

圖1.25豐富的有機物質，包括植物根系，有助于創(chuàng)造有利于高等植物和微生物生長的物理條件（左）。相比之下，有機質含量低的土壤，尤其是淤泥和粘土含量高的土壤，通常是泥濘的（右），不適合最佳的植物生長。（照片由Ray R.Weil提供）

圖1.26有機質含量高的土壤比有機質含量低的土壤顏色更深，持水能力更強。每個容器中的土壤都具有相同的質地，但右邊的容器中的大部分有機物已經(jīng)耗盡。將相同量的水施加到每個容器上。如照片所示，高有機質土壤（左）的水滲透深度較小，因為其蓄水能力更強。它需要更大體積的低有機質土壤來保持相同的水量。（照片由Ray R.Weil提供）

腐殖質，通常為黑色或棕色，是一種有機化合物的集合，當部分分解的植物和動物殘留物受到土壤環(huán)境中各種因素的保護而免于完全腐爛時，這些有機化合物會積聚在土壤中。和粘土一樣，土壤中的大部分腐殖質都是膠態(tài)的，表面帶電很強。腐殖質和粘土都充當較大土壤顆粒之間的接觸橋梁；因此，兩者在土壤結構的形成中起著重要作用。腐殖質的表面電荷和粘土的表面電荷一樣，吸引并保持營養(yǎng)離子和水分子。然而，從克到克，腐殖質保持養(yǎng)分和水分的能力遠遠大于粘土。與粘土不同，腐殖質可能含有使植物更容易使用微量營養(yǎng)素的成分，甚至可能對某些植物過程產(chǎn)生激素樣的刺激?？傊?，少量的腐殖質顯著提高了土壤促進植物生長的能力。

1.15土壤水動力和水

土壤水分狀況通常反映氣候因素，是陸地生態(tài)系統(tǒng)（包括農(nóng)業(yè)系統(tǒng)）生產(chǎn)力的主要決定因素。水和溶解在其中的物質通過土壤剖面的運動會影響當?shù)睾蛥^(qū)域水資源的質量和數(shù)量。穿過風化層的水也是土壤形成的主要驅動力（見方框2.1）。

兩個主要因素有助于解釋為什么土壤水不同于我們?nèi)粘５母拍?，例如，在玻璃杯中飲用水?/span>

1.水被保持在土壤孔隙中，其中水與土壤顆粒表面之間的吸引力極大地限制了水在飲用杯中流動的能力。

2.因為土壤水從來不是純凈水，而是含有數(shù)百種溶解的有機和無機物質，所以可以更準確地稱之為土壤溶液。土壤溶液的一個重要功能是作為一種不斷補充的稀釋營養(yǎng)液，將溶解的營養(yǎng)元素（如鈣、鉀、氮和磷）帶到植物根部。

當土壤含水量最適合植物生長時（圖1.21），大孔隙和中等孔隙中的水可以在土壤中流動，并且很容易被植物利用。然而，植物的根首先從最大的孔隙中去除水分。很快，較大的孔隙只容納空氣，剩余的水只在中等和最小尺寸的孔隙中發(fā)現(xiàn)。中等大小的孔隙中的水仍然可以向植物根部移動并被它們吸收。然而，最小孔隙中的水與固體顆粒非常接近，因此可能被牢牢地抓住，以至于植物根無法將其帶走。因此，并非所有的土壤水都可用于植物。根據(jù)土壤的不同，在植物因缺乏水分而枯萎或死亡后，六分之一到一半的水可能會留在土壤中。

土壤溶液

土壤溶液中含有少量但大量的可溶性有機和無機物質，包括表1.1中列出的植物營養(yǎng)素。土壤固體，特別是細小的有機和無機膠體顆粒（粘土和腐殖質），將營養(yǎng)元素釋放到土壤溶液中，由植物根吸收。即使從土壤中添加或移除化合物，土壤溶液也傾向于抵抗其成分的變化。這種抵抗變化的能力被稱為土壤緩沖能力，取決于許多化學和生物反應，包括膠體顆粒對物質的吸引和釋放（見第8章）。

許多化學和生物反應都是由土壤溶液中氫離子（H+）的優(yōu)勢導致的相對酸度和羥基離子（OH?）的優(yōu)勢造成的相對堿度控制的（圖1.27）。pH值是用來表示土壤酸堿度的對數(shù)標度（見第9章，特別是方框9.1和圖9.2）影響土壤中大多數(shù)化學過程的主變量，對土壤科學的幾乎所有方面都具有重要意義。

圖1.27酸度、中性和堿性示意圖。在中性（pH=7）時，H+和OH-離子的數(shù)量相等。在pH6時，H+離子的數(shù)量是pH7時的10倍，而OH-離子的數(shù)量則是pH7的10倍。因此，在pH為6時，H+的數(shù)量超過OH-離子的100比1，因此溶液是酸性的。相反，在pH為8時，OH-的含量是H+的100倍，并且溶液是堿性的。每當考慮pH值數(shù)據(jù)時，必須記住H+和OH-離子之間的相互逆關系。（圖由N.C.Brady提供）

1.16土壤空氣：不斷變化的氣體混合物

想想如果沒有窗戶的教室的通風管道堵塞，空氣會變得多么悶熱。如果我們將土壤孔隙網(wǎng)絡視為連接空氣空間和大氣的土壤通風系統(tǒng)，我們可以理解，當孔隙充滿水時，通風系統(tǒng)就會堵塞。由于氧氣既不能進入室內(nèi)，二氧化碳也不能離開室內(nèi)，室內(nèi)的空氣很快就會耗盡氧氣，并通過室內(nèi)人員的呼吸（呼吸）而富含二氧化碳和水蒸氣。

在充滿空氣的土壤孔隙中，由充滿水的較小孔隙包圍，植物根和微生物的代謝活動具有類似的作用。

因此，土壤空氣在幾個方面不同于大氣。首先，土壤中不同地方的土壤空氣成分差異很大。在局部區(qū)域，一些氣體被植物根系和微生物反應消耗，另一些氣體被釋放，從而極大地改變了土壤空氣的組成。第二，土壤空氣的含水量通常高于大氣；除非土壤非常干燥，否則土壤空氣的相對濕度接近100%。第三，二氧化碳（CO2）的含量通常比大氣中這些氣體的含量高得多，氧氣（O2）的含量更低。土壤空氣中的二氧化碳濃度通常是大氣中0.035%濃度的幾百倍。氧氣會相應減少，在極端情況下，氧氣含量可能為5-10%，甚至更低，而大氣中的氧氣含量約為20%。在極端情況下，土壤空氣和土壤水中溶解氧的缺乏可能從根本上改變土壤溶液中發(fā)生的化學反應。這對于理解濕地土壤的功能尤為重要。土壤中空氣的量和組成在很大程度上取決于土壤的含水量。當水進入土壤時，它將空氣從一些孔隙中排出；因此，土壤的空氣含量與其含水量成反比。當大雨或灌溉導致土壤流失時，大孔隙首先被空氣填滿，然后是中等孔隙，最后是小孔隙，因為水分通過蒸發(fā)和植物使用被去除。這解釋了具有高比例微孔的土壤透氣性差的趨勢。

1.17土壤成分如何相互作用為植物提供養(yǎng)分？

當您閱讀我們對四種主要土壤成分中每一種的討論時，您可能已經(jīng)注意到，一種成分對土壤性狀的影響很少獨立于其他成分。相反，這四種成分相互作用，以確定土壤的性質。因此，土壤水分直接滿足植物對水的需求，同時控制著植物根部的大部分空氣和養(yǎng)分供應。礦物顆粒，尤其是最細的礦物顆粒，會吸引土壤水分，從而決定其運動和植物的可利用性。同樣，有機物由于其物理結合力，影響礦物顆粒成簇的排列，從而增加大土壤孔隙的數(shù)量，從而影響水和空氣的關系。

基本要素可用性

可能涉及四種土壤成分的最重要的交互過程是向植物提供必需的營養(yǎng)元素。植物直接從土壤溶液中吸收必需的營養(yǎng)素和水分。然而，土壤溶液中的基本營養(yǎng)素在任何時候都足以滿足植物生長的幾個小時或幾天的需要。因此，必須不斷從土壤的無機或有機部分以及添加到農(nóng)業(yè)土壤中的肥料或肥料中補充土壤溶液養(yǎng)分水平。通過一系列的化學和生化過程，養(yǎng)分從這些固體形式中釋放出來，以補充土壤溶液中的養(yǎng)分。例如，最小的膠體大小的顆?！惩梁透迟|——都顯示出正負電荷。這些電荷傾向于我們周圍的土壤。第一章從土壤溶液中吸引或吸附6個帶相反電荷的離子，并將它們作為交換離子。通過離子交換，Ca2+和K+等元素從膠體表面上的靜電吸附狀態(tài)中釋放出來，并逃逸到土壤溶液中，在土壤溶液中它們很容易被植物根吸收。一些科學家認為這種離子交換過程是自然界中最重要的化學反應之一。

當土壤微生物分解有機組織時，營養(yǎng)離子也釋放到土壤溶液中。只要土壤空氣中有足夠的O2來支持根的新陳代謝，植物的根就可以很容易地從土壤溶液中吸收所有這些養(yǎng)分。

大多數(shù)土壤含有大量的植物養(yǎng)分，與生長植被的年需求量相對應。然而，大部分營養(yǎng)元素都保存在原生和次生礦物和有機物質的結構框架中。土壤中只有一小部分養(yǎng)分以植物容易獲得的形式存在。表1.3將讓您了解潮濕和干旱地區(qū)典型土壤中不同形式的各種基本元素的數(shù)量。

圖1.28說明了兩種固體土壤成分如何與液體成分（土壤溶液）相互作用，為植物提供基本元素。植物根不吸收土壤顆粒，無論多么細，但只能吸收溶解在土壤溶液中的養(yǎng)分。由于土壤中較粗的土壤骨架中的元素在很長一段時間內(nèi)才緩慢釋放到土壤溶液中，因此土壤中的大部分養(yǎng)分不易供植物使用。膠體顆?？蚣苤械臓I養(yǎng)元素對植物來說更容易獲得，因為這些顆粒的分解速度更快，因為它們的表面積更大。因此，結構框架是主要的倉庫，在某種程度上，是許多土壤中重要元素的重要來源。

如圖1.28所示，肥沃土壤的各種成分之間的養(yǎng)分分布可與富人投資組合中的金融資產(chǎn)分布相比較?？晒┲参锸褂玫臓I養(yǎng)素類似于個人口袋里的現(xiàn)金。百萬富翁可能會將大部分資產(chǎn)投資于房地產(chǎn)或債券等長期投資（粗分數(shù)固體框架），而將少量資產(chǎn)投資于短期股票和債券（膠體框架）。為了更直接地使用，一個與自動取款機相連的支票賬戶中可能會保留更少的金額（可交換的營養(yǎng)素），而總財富的一小部分可能會作為貨幣和硬幣（土壤溶液中的營養(yǎng)素。當現(xiàn)金用完時，通過從ATM取款來補充供應。反過來，支票賬戶偶爾會通過出售長期投資來補充。即使富人擁有大量有價值的房地產(chǎn)，他們也有可能在自動售貨機上買不到硬幣。以類似的方式，即使土壤中的養(yǎng)分總供應量非常大，植物也可能會耗盡現(xiàn)成的養(yǎng)分供應。幸運的是，在肥沃的土壤中，圖1.28中描述的過程可以幫助補充土壤溶液，就像植物根系去除基本元素一樣快。

6吸附是指離子對顆粒表面的吸引，而不是吸收，即離子進入植物根部的過程。吸附的離子可與土壤溶液中的離子交換。

表1.3溫帶地區(qū)代表性上部15公分土層中發(fā)現(xiàn)的數(shù)種基本元素的數(shù)量

通常，根的一部分與土壤顆粒緊密接觸（見圖1.29），因此吸附在土壤膠體表面的營養(yǎng)離子和來自根細胞壁表面的H+離子之間可能發(fā)生直接交換。在任何情況下，與根部接觸的營養(yǎng)物質供應都將很快耗盡。那么，一旦根表面的營養(yǎng)離子全部被吸收到根中，根如何獲得額外的供應呢？保持根表面營養(yǎng)離子濃度的基本機制有三種（圖1.30）。

首先，當根不斷地生長到新的、未被破壞的土壤中時，根部攔截開始發(fā)揮作用。尋找養(yǎng)分的根探索通過稱為根毛的根細胞延伸而大大增強。事實上，根毛生長最近被發(fā)現(xiàn)是由一種調節(jié)植物基因控制的，這種基因在低營養(yǎng)條件下“開啟”。即使根毛延伸到微小的充滿水的土壤孔隙中，營養(yǎng)物質可能會溶解，但大多數(shù)情況下，營養(yǎng)離子仍必須在土壤溶液中移動一定距離才能到達根表面。這種運動可以通過質量流來進行，例如當溶解的營養(yǎng)物質隨著流動的土壤水被帶向正在從土壤中積極汲取水分的根時。在這種類型的運動中，營養(yǎng)離子有點類似于順流而下的樹葉。另一方面，即使在夜間，植物也能繼續(xù)吸收養(yǎng)分，此時根部吸收的水分很少（如果有的話）。營養(yǎng)離子通過從根表面周圍濃度較高的區(qū)域向濃度較低的營養(yǎng)耗盡區(qū)域擴散而不斷移動。

在擴散過程中，離子在各個方向上的隨機運動導致從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的凈運動，而與溶解離子的水的任何質量流無關。土壤壓實、低溫和低土壤含水量等因素會減少根系截留、質量流或擴散，即使在可溶性養(yǎng)分供應充足的土壤中，這些因素也會導致植物養(yǎng)分吸收不良。此外，吸收營養(yǎng)物質的可用性也可能受到在根部附近生長的微生物的活動的負面或正面影響。因此，保持植物根表面有效養(yǎng)分的供應是一個涉及不同土壤成分之間水分相互作用的過程。

圖1.28營養(yǎng)元素以不同形式存在于土壤中，其特征在于植物根系的可及性不同。大部分營養(yǎng)物質被鎖定在原生礦物、有機物、粘土和腐殖質的結構框架中。每種營養(yǎng)素中的一小部分被吸附在土壤膠體（粘土和有機物）表面附近的離子群中。從吸附的離子群中，少量的離子被釋放到土壤溶液中，植物根可以在土壤溶液中吸收。下圖考慮了金融資產(chǎn)和營養(yǎng)資產(chǎn)之間的類比。（圖由Ray R.Weil提供）

圖1.29大田土壤中生長的大麥根的橫截面。注意到根部和土壤之間的緊密接觸，由于長而細的根毛滲透到附近的土壤中并將其與根部結合，使得這種接觸更加緊密。根部本身的直徑約為0.3mm。（低溫掃描電子顯微照片由澳大利亞堪培拉植物工業(yè)CSIRO的Margaret McCully提供）

圖1.30土壤溶液中溶解的營養(yǎng)離子與植物根系接觸的三種主要機制。這三種機制可能同時運作，但一種或另一種機制可能對特定營養(yǎng)素最為重要。例如，在鈣的情況下，鈣通常在土壤溶液中很豐富，單是質量流通?？梢越o根表面帶來足夠的量。然而，在磷的情況下，需要擴散來補充質量流，因為與植物所需的量相比，土壤溶液中的磷含量非常低。（圖由Ray R.Weil提供）

It should be noted that the plant membrane separating the inside of the root cell from the soil solution is permeable to dissolved ions only under special circumstances. Plants do not merely take up, by mass flow, those nutrients that happen to be in the water that roots are removing from the soil. Nor do dissolved nutrient ions brought to the root’s outer surface by mass flow or diffusion cross the root cell membrane and enter the root passively by diffusion.

應注意，將根細胞內(nèi)部與土壤溶液分離的植物膜僅在特殊情況下才可滲透溶解的離子。植物不只是通過大量的流動吸收那些恰好存在于土壤中的營養(yǎng)物質。通過質量流或擴散帶到根外表面的溶解營養(yǎng)離子也不會穿過根細胞膜，并通過擴散被動地進入根。

相反，營養(yǎng)素通常只通過與嵌入根膜的大蛋白分子上的特定化學結合位點反應而被植物根細胞吸收。這些蛋白質在疏水性脂質（脂肪）膜上形成親水通道。根細胞中代謝產(chǎn)生的能量被用來激活這種載體蛋白，從而使營養(yǎng)離子穿過細胞膜并釋放到細胞內(nèi)部。這種載體機制使植物在根細胞內(nèi)積累的養(yǎng)分濃度遠遠超過土壤溶液中的養(yǎng)分濃度。由于不同的營養(yǎng)物質被特定類型的蛋白質分子所吸收，植物能夠對所吸收的基本元素的數(shù)量和相對比例施加一定的控制。

養(yǎng)分吸收是一個活躍的代謝過程，抑制根系代謝的條件也可能抑制養(yǎng)分吸收。此類條件的例子包括土壤含水量過高或土壤壓實導致土壤通風不良、土壤溫度過高或過低，以及導致糖向植物根轉移的地上條件。我們可以看到，植物營養(yǎng)涉及生物、物理和化學過程，以及土壤和環(huán)境中許多不同成分之間的相互作用。

1.19土壤健康、退化和復原力

土壤是支撐所有陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本資源。小心管理，土壤是一種可重復利用的資源，但以人類的壽命來看，它們不能被視為可再生資源。正如我們將在下一章中看到的，大多數(shù)土壤剖面都是千年前的。在世界上所有地區(qū)，人類活動破壞一些土壤的速度遠遠超過了自然重建土壤的速度。越來越多的人要求從地球固定的土地上獲得越來越多的生態(tài)系統(tǒng)服務。這種情況給土壤科學家和人類帶來了一系列重大挑戰(zhàn)，如果人類文明和自然要共存，就必須應對這些挑戰(zhàn)（表1.4）。

在世界上大部分地區(qū)，幾乎所有最適合種植作物的土壤都已經(jīng)在耕種。因此，隨著每年增加數(shù)百萬人的食物，人均耕地數(shù)量不斷下降。此外，世界上許多主要城市最初都位于肥沃的土壤支持繁榮的農(nóng)業(yè)社區(qū)的地方。如果沒有保護農(nóng)田的政策，隨著這些城市的擴張，許多最適合耕種的土壤都會流失到郊區(qū)發(fā)展中。

找到更多的土地種植糧食并不容易。大部分新增耕地都是以清理天然森林、稀樹草原和草原為代價的。從軌道衛(wèi)星拍攝的地球圖像顯示，森林和其他自然生態(tài)系統(tǒng)所覆蓋的土地因此減少。因此，當人類掙扎著養(yǎng)活自己時，野生動物種群被剝奪了重要的棲息地，總體生物多樣性受到影響。如果我們的子孫后代要繼承一個宜居的世界，就必須加快減少甚至扭轉人口增長的努力。同時，如果要為人類和野生動物提供空間，我們現(xiàn)有的最好的農(nóng)田土壤將需要改進和更密集的管理。雖然被侵蝕完全沖走的土壤或被城市蔓延挖掘和鋪設的土壤永久流失，但更多的土壤質量退化，而不是完全毀壞。

土壤質量與健康

從事土地工作并依靠土壤發(fā)揮關鍵功能的人希望改善和保持土壤健康。他們認識到，土壤是具有高度水分和多樣生物群落的生物系統(tǒng)。在最佳狀態(tài)下，這些生物體協(xié)同工作，以自我調節(jié)和持久的方式發(fā)揮作用（第20章）。與不健康、退化的土壤相比，健康的土壤運行效率更高，不需要昂貴的人為干預和投入。土壤質量是衡量土壤執(zhí)行特定生態(tài)功能的能力，如第1.2–1.7節(jié)所述。土壤質量反映了化學、物理和生物性狀的組合。其中一些性狀是相對不變的固有性狀，有助于定義特定類型的土壤。土壤質地和礦物組成（第1.13節(jié)）是示例。其他土壤性狀，如結構（第1.13節(jié)）和有機質含量（第1.14節(jié)），可以通過管理進行顯著改變。這些變化更大的土壤性狀可以表明土壤質量相對于我們周圍土壤的狀態(tài)（第一章）及其潛力，就像水的濁度或含氧量指示河流的水質狀態(tài)一樣。

土壤退化和恢復力

森林、農(nóng)場和牧場的不當管理會導致土壤質量的廣泛退化，侵蝕會一點一點地去除表層土（見第17章）。土壤退化的另一個普遍原因是干旱地區(qū)灌溉不當土壤中的鹽分積累（見第10章）。當人們在不返回有機殘留物和礦物養(yǎng)分的情況下耕種土壤和收獲作物時，土壤中的有機物質和養(yǎng)分供應就會耗盡（見第12章）。這種耗竭在撒哈拉以南非洲特別普遍，那里的土壤質量惡化反映在生產(chǎn)糧食的能力下降（見第20章）。工業(yè)過程或化學品泄漏產(chǎn)生的有毒物質污染土壤，會降低土壤為土壤生物提供棲息地、種植安全食用植物或安全補給地下水和地表水的能力（見第18章）。污染導致的土壤質量退化通常是局部的，但所涉及的環(huán)境影響和成本非常大。

雖然保護土壤質量必須是第一要務，但通常有必要嘗試恢復已經(jīng)退化的土壤質量。如果讓土壤自行再生，一些土壤有足夠的彈性從輕微退化中恢復。在其他情況下，需要更多的努力來恢復退化的土壤（見第17章）?？赡鼙仨毷┯糜袡C和無機改良劑，可能必須種植植被，可能必須通過耕作或分級進行物理改變，或者必須清除污染物。隨著世界各地的社會評估對其自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的破壞，恢復生態(tài)學的科學迅速發(fā)展，以指導管理者將植物和動物群落恢復到以前的多樣性和生產(chǎn)力水平。土壤修復工作是這些工作的重要組成部分，需要深入了解土壤系統(tǒng)的各個方面。

表1.4 2050年的重大土壤科學挑戰(zhàn)

1.20結論

地球的土壤由許多土壤個體組成，每一個都是陸地景觀中的三維自然體。每種土壤都有一組獨特的性狀和土壤層，如剖面所示。特定剖面中所見土層的性質與現(xiàn)場環(huán)境條件的性質密切相關。

土壤具有六大生態(tài)功能：它們是植物生長的主要媒介，調節(jié)水供應，調節(jié)大氣，回收原材料和廢物，為多種生物提供棲息地，并作為人類建筑結構的主要工程媒介。因此，土壤本身就是一個主要的生態(tài)系統(tǒng)。世界上的土壤極其多樣，每種土壤都有一套獨特的土壤層。植物生長條件良好的典型表層土壤由大約一半的固體物質（主要是礦物，但也含有重要的有機成分）和一半的孔隙空間組成，孔隙空間中充滿了不同比例的水和空氣。這些組成部分相互作用，影響著無數(shù)的水土功能，充分了解這些功能對于明智地管理我們的陸地資源至關重要。

如果我們花時間學習這片土地的語言，土壤就會對我們說話。

學習問題

1.作為一個社會，我們對土壤的依賴在未來幾十年中會增加還是減少？解釋

2.討論土壤（一種天然物質）與土壤（用于修建路基的材料）的區(qū)別。

3.土壤在生態(tài)系統(tǒng)中的六個主要作用是什么？對于這些生態(tài)角色中的每一個，建議與六個角色中的另一個角色發(fā)生相互作用的方式。

4.回想過去一周的活動。列出盡可能多的直接或間接接觸土壤的事件。

5.圖1.21顯示了植物生長理想條件下壤土表層土壤的體積組成。為了幫助您理解這四個組成部分之間的關系，請重新繪制此餅圖，以表示在交通繁忙的情況下土壤被壓實后的情況。然后繪制另一個餅圖，以顯示原始理想土壤的四個組成部分在質量（重量）基礎上而不是在體積基礎上的關系。

6.用你自己的話解釋土壤的養(yǎng)分供應是如何以不同的形式保持的，就像一個人的金融資產(chǎn)可能以不同的方式保持一樣。

7.列出植物主要來源于土壤的基本營養(yǎng)元素。

8.植物中含有的所有元素都是必需的營養(yǎng)素嗎？解釋

9.定義這些術語：土壤質地、土壤結構、土壤pH值、腐殖質、土壤剖面、B層、土壤質量、土壤和腐泥土。

10.描述通常導致土壤質量退化的四個過程。

11.比較土壤研究的土壤學和土壤學方法。哪一個與地質學和生態(tài)學更密切相關？

12.表1.4中列出的哪些重大挑戰(zhàn)對您來說最令人興奮和鼓舞，為什么？