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7.4: 土壤

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    土壤是覆盖地球表面的外层松散层。 土壤质量是决定植物分布和生长的主要因素，还有气候。 土壤质量不仅取决于土壤的化学成分，还取决于气候、地形和生活在土壤中的生物。 在农业中，土壤的历史，例如耕作方法和以前的作物，改变了该土壤的特征和肥力。

    土壤的重要性

    土壤对我们的社会很重要，主要是因为它为农业和林业提供了基础。 土壤在植物生长中起着关键作用。 植物的益处包括提供物理支持、水、热、营养和氧气。 土壤中的矿物质养分可以溶解在水中，然后可供植物使用。 植物通过其根部吸收水分和矿物质（例如硝酸盐、磷酸盐、钾、铜、锌）。 通过这些和光合作用过程中获得的二氧化碳，植物会产生消费者赖以生存的碳水化合物、蛋白质、脂质、核酸和维生素。

    土壤在地球表面的几乎所有生物地球化学循环中都起着作用。 碳（C）、氮（N）、磷（P）和硫（S）等关键元素的全球循环都会通过土壤。 在水文（水）循环中，土壤有助于介导从地表渗透（渗透）到地下水。 通过分解和固氮等其他过程，生活在土壤中的微生物也可以成为生物地球化学循环的重要组成部分。

    有几种元素被认为是植物生长必不可少的。 大量需要碳 (C)、氢气 (H) 和氧 (O)，但它们不能作为矿物质养分从土壤中吸收。 植物从大气中的二氧化碳中获取碳，从根系吸收的水中获取氢气。 氧原子来自在此期间获得的二氧化碳和大气中的气态氧（通过有氧细胞呼吸获得）以及水。 在从土壤吸收的矿物质营养素中，植物大量需要大量营养素，包括氮（N）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、磷（P）、硫（S）和硅（Si）。 微量营养素是必需的元素，仅需少量，但仍可能限制植物生长，因为这些营养素在自然界中并不那么丰富。 微量营养素包括氯（Cl）、铁（Fe）、硼（B）、锰（Mn）、钠（Na）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）和钼（Mo）。 还有其他一些元素往往有助于植物生长，但不是绝对必需的。

    尽管土壤的许多方面对植物有益，但过高的微量金属（无论是天然存在的还是人类添加的）或施用的除草剂可能对某些植物产生毒性（图\(\PageIndex{a}\)）。

    除草剂中毒后，两株植物显得黄色枯萎
    图\(\PageIndex{a}\)：这些本地植物受到用于杀死附近杂草的除草剂的影响。 图片由马特·拉文（CC-BY-SA）提供。

    微量营养素和常量营养素在特定浓度上是理想的，当土壤溶液中的浓度过低（限制）或过高（毒性）时，微量营养素和常量营养素可能不利于植物的生长。 矿物质营养素只有在土壤溶液（例如溶解离子）中以可提取的形式而不是在固体矿物质中时才对植物有用。 由于浓度梯度，许多养分通过土壤流入根系，并通过扩散从高浓度向低浓度移动。 但是，有些养分会被根膜有选择地吸收，这使得植物内部的浓度比土壤中的浓度更高。

    影响土壤肥力的一个重要因素是土壤 pH（氢离子浓度的负对数）。 土壤 pH 值是衡量土壤溶液酸度或碱度的指标。 在 pH 值（0 到 14）上，值为 7 表示中性溶液；小于 7 的值表示酸性溶液，大于 7 的值表示碱性溶液（图\(\PageIndex{b}\)）。 土壤 pH 值会影响土壤中微生物的健康，并控制土壤溶液中养分的可用性。 强酸性土壤（小于 5.5）会阻碍分解土壤中有机物的细菌的生长。 这会导致尚未分解的有机物积聚，从而留下植物无法使用的氮等重要营养素。 土壤 pH 值也会影响富含营养的矿物质的溶解度。 这很重要，因为营养素必须溶解在溶液中，植物才能通过根部吸收它们。 大多数矿物质在微酸性土壤中比在中性或微碱性土壤中更易溶解。 但是，强酸性土壤（pH 四到五）会导致土壤溶液中高浓度的铝、铁和锰，这可能会抑制某些植物的生长。

    彩虹条表示 pH 值。 常见的基本溶液是海水和漂白剂。 常见的酸性溶液是黑咖啡和柠檬汁。
    图\(\PageIndex{b}\)：pH 标度用于测量物质中氢离子 (H +) 的含量。 这显示了常见家用溶液的 pH 值。 pH 值大于 7 的为碱性（碱性），pH 值小于 7 的为酸性。 从高到低 pH 的溶液是漂白剂 (13)、肥皂水 (12)、氨溶液 (11)、氧化镁奶 (10)、小苏打 (9)、海水 (8)、蒸馏水 (7)、尿液 (6)、黑咖啡 (5)、番茄汁 (4)、橙汁 (3)、柠檬汁 (2) 和胃酸 (1)。 请注意，pH 值是近似值。 来自 OpenStax/Edward Stevens（CC-B Y）的图片和标题（修改）。 在 openstax.org 上免费访问。

    几个因素决定了土壤的pH值。 土壤中的有机物质会在一定程度上降低pH值，但它也可以起到缓冲作用，限制pH值的变化。 气候也很重要，大量降雨会增加浸出量并降低pH值。 某些类型的母体材料，例如硅含量高的母体材料会降低pH值，而其他类型的母体材料，例如石灰石会增加pH值。

    土壤成分

    土壤由有机物（约5％）、无机矿物质（占土壤体积的40-45％）、水（约25％）和空气（约25％）组成。 土壤四个主要成分的含量取决于土壤中存在的植被量、土壤压实度和水分。

    有机物质由处于不同分解阶段的死亡生物组成。 它是深色的，因为它含有腐殖质，即含有有机酸的部分腐烂物质。 腐殖质使土壤富含养分，使土壤具有松散的质地，可以容纳水分，并允许空气在土壤中扩散。 氧气对植物根系和土壤中的许多居民都很重要。 土壤中的有机成分充当水泥剂，为植物返回养分，使土壤储存水分，使土壤可以耕作，并为土壤微生物提供能量。 大多数土壤微生物——细菌、藻类或真菌——在干燥的土壤中处于休眠状态，但一旦有水分就会活跃。

    土壤中的无机物质由岩石组成，岩石会慢慢分解成大小不同的较小颗粒。 直径为 100 微米到 2 毫米的土壤颗粒是沙子。 （微米、微米、10 -6 m 或百万分之一米。） 介于 2 到 100 μm 之间的土壤颗粒被称为淤泥，即使是直径小于 2 μm 的较小颗粒也称为粘土。

    理想情况下，土壤应含有 50% 的固体物质和 50% 的孔隙空间（图\(\PageIndex{c}\)）。 孔隙空间是指土壤颗粒之间的间隙。 土壤颗粒越大，孔隙空间越大。 水可以快速穿过较大的孔隙空间，因此含沙量高的土壤很容易流失。 相对于体积，较小的土壤颗粒具有更大的表面积，并且会产生狭窄的孔隙空间。 水会粘附在这些表面，因此粘土含量高的土壤会保留水分。 （粘土也会带负电荷，从而吸引水。） 大约一半的孔隙空间应含有水，另一半应包含空气。

    不同大小的圆形代表土壤颗粒。 它们之间有孔隙空间。 有些空格有阴影，表示水。
    图\(\PageIndex{c}\)：土壤颗粒及其之间的孔隙空间。 黑色阴影代表水，它填充土壤下部的孔隙空间，并粘附在土壤顶部的狭窄孔隙空间上。 图片来自 “森林地理；美国的地理学和与林业相关的土壤原理”（公共领域）。

    土壤质地基于沙子、淤泥和粘土的百分比（图\(\PageIndex{d}\)）。 一颗粒大小百分比高的土壤以该颗粒命名（粘土中粘土的粘土含量很高）。 其他土壤混合了两种颗粒大小，几乎没有第三种大小。 例如，粉质粘土含有大约 50% 的粘土和 50% 的淤泥，而沙质粘土有 50-60% 的沙子和 35-50% 的粘土。 有些土壤没有主要的颗粒大小，含有沙子、泥沙和腐殖质的混合物。 这些土壤被称为壤土，是农业的最佳土壤。 中等大小的壤土含有大约 40% 的沙子、40% 的淤泥和 20% 的粘土。 较大的颗粒（沙子）有利于排水，而小颗粒（粘土）有助于保水，因此壤土既具有良好的排水性，又可以保持湿润。 与中等壤土略有偏离的土壤包括壤土、沙质壤土、沙质粘土壤土、粘土壤土、粉质粘土壤土和粉质壤土。

    三角形，三边各表示粘土、淤泥和沙子的百分比。 土壤纹理写在三角形内。
    图\(\PageIndex{d}\)：土壤质地三角形用于根据沙子、淤泥和粘土的百分比确定土壤质地。 左轴表示粘土的百分比。 右轴表示淤泥的百分比。 底部轴表示沙子的百分比。 大多数含量超过 40% 的土壤被归类为粘土。 粉质粘土例外，其中含有 40-60% 的粘土和 40-60% 的淤泥。 另一个例外是沙质粘土，它含有35-50％的粘土和50-70％的沙子。 粘土壤土和粉质粘土壤土含有 25-40% 的粘土。 粘土壤土含有 20-60% 的淤泥，粉质粘土壤土含有 60-75% 的淤泥。 沙质粘土壤土含有 20-35% 的粘土和 50-80% 的沙子。 中等大小的壤土含有 5-25% 的粘土、20-50% 的淤泥和 30-55% 的沙子。 淤泥超过 50%、粘土不超过 25% 的土壤要么是粉质壤土，要么是淤泥。 淤泥的淤泥含量为 80-100%，粘土不超过 15%。 沙子有 90-100% 的沙子。 壤土沙有 75-90% 的沙子，不超过 15% 的粘土。 其成分不符合上述类别的土壤就是沙质壤土。 要确定土壤质地，首先找到粘土的百分比，然后向右水平画一条线。 同时，找到淤泥的百分比，然后沿对角线（向下和向左，平行于粘土轴）画一条线。 这两条线将以正确的土壤类型相交。 例如，来自20％粘土和40％淤泥的追踪线在中等壤土类别中相交。 要进行确认，请从该点到沙轴描绘一条对角线（向下和向右，平行于坐轴）。 这条线以 40% 的速度穿过轴。 总而言之，可以从每个轴上追踪一条线，该直线平行于该轴逆时针方向的轴。 图片由理查德·惠勒/泽菲里斯在英语维基百科（CC-BY-SA）上拍摄。

    有机土壤与矿物土壤

    根据土壤的形成方式，土壤可以分为两组。 有机土壤是由沉积形成的土壤，通常含有超过30％的有机物。 当有机物（例如树叶垃圾）的沉积速度超过其分解速度时，它们就会形成（图\(\PageIndex{e}\)）。 矿物土壤是由岩石的风化形成的，通常含有不超过30％的有机物，并且主要由无机材料组成。 当生物、物理和化学过程（例如侵蚀、浸出或高温）分解岩石时，就会发生@@ 风化。

    一个停滞的水池，里面有藻类和苔藓，周围环绕着蕨类植物和小树
    图\(\PageIndex{e}\)）：在这个酸性沼泽中，有机物质的分解非常缓慢。 有机物质会积聚，这是有机土壤的特征。 图片由 William L. Farr（CC-BY-SA）提供。

    土壤地平线

    土壤分布不均匀，因为土壤的形成会产生土壤层；土壤的垂直部分共同称为土壤剖面。 在土壤剖面图中，土壤科学家定义了称为地平线的区域。 地平线是具有不同物理和化学特性的土壤层，与其他层不同。

    土壤剖面有四个不同的层：1) O 地平线；2) A 地平线；3) B 地平线和 4) C 地平线（图\(\PageIndex{f}\)-g）。 上层（标记为A和O地平线）富含有机物质，因此在植物生长中很重要，而较深的层（例如B和C地平线）保留了下方基岩的更多原始特征。 有些土壤可能有额外的层（例如 E 地平线，图\(\PageIndex{f}\)），或者缺少其中一层。 层的厚度也是可变的，取决于影响土壤形成的因素。 一般而言，未成熟土壤可能具有O、A和C水平，而成熟土壤可能显示所有这些水平，再加上额外的层。

    土壤被切割，在较薄的白色层之上显示地平线上有一层深棕色。 它们下面有一层中等深的棕色层。 草生长在地表上。
    图\(\PageIndex{f}\)）：土壤剖面。 照片显示了来自南达科他州的土壤剖面图，揭示了三个地平线。 A 地平线（表土）呈深棕色，延伸约 1 英尺。 它的下方是白色 E（稀释的）地平线，厚度约为 6 英寸。 B 地平线（底土，标为 Bt）是中棕色和最低的可见层。黄色箭头象征着细粘土向 B 地平线的移动。 体重秤以英尺为单位。 资料来源：爱达荷大学，由 D. Grimley 修改。
    从上到下有五层土壤：薄而深棕色；稍厚一点灰色；厚而浅棕色；厚而棕褐色；灰色坚硬的岩石。
    图\(\PageIndex{g}\)）：这张图显示了土壤中的不同地平线或层次。 植被生长在地表上。 最上面的深棕色层是 O（有机）地平线。 在此之下是灰色的 A 地平线（表层土壤或表面）。 接下来是浅棕色的 B 地平线（底土）。 C 地平线（底层或土基）为棕褐色，包括较大的岩石。 灰色的基岩是最深的一层。 这里不存在有时出现在 A 和 B 视野之间的 E（解脱的）地平线。 Wilsonbiggs 的@@ 这部作品已获得 CC BY-SA 4.0 的许可

    在地平线上

    O 地平线的最顶端由部分腐烂的有机碎片组成，例如树叶。 由于腐殖质，这个地平线通常是深色的。

    地平线

    A Horizon（表土）由有机材料和无机风化产物的混合物组成，因此它是真正的矿物土壤的开始。 在这个区域，雨水渗透到土壤中并从地表带走物质。 A 水平线可能只有 5 厘米（2 英寸），也可能超过一米。 例如，像密西西比河三角洲这样的河流三角洲有深层表土。 微生物过程发生在表层土壤中，这个地平线支持植物的生长。 在这个地平线上，许多生物，例如蚯蚓、昆虫，生活在植物根系中。

    B 地平线

    B 地平线（底土）由向下移动的小颗粒组成，从而在土壤中形成密集层。 在某些土壤中，B 地平线含有结核或一层碳酸钙。 底土的颜色通常比表土更浅，并且经常含有大量矿物质。

    C 地平线

    C 地平线（土基）包括母体材料，即土壤形成的有机和无机物质。 耐候母体材料代表了岩石化学分解成土壤的第一步。 风化的母材通常由母体材质本身支撑，尽管在某些地方，它是通过风、水或冰川从另一个地方带走的。 C 地平线之下是基岩。 母体材料（例如花岗岩、石灰石或砂岩）的化学性质对由此产生的土壤的肥力有很大的影响。

    影响土壤形成和成分的因素

    影响土壤成因的基本因素可以分为五个要素：气候、生物、地形、母体物质和时间。 可以说，地貌、气候和生物决定了当地的土壤环境，随着时间的推移，它们共同作用导致土壤母体物质的风化和混合。

    气候

    气候在土壤发育中的作用包括温度和降水等方面。 由于生长季节短，处于永久冻土条件的非常寒冷的地区（例如北极苔原），土壤往往较浅且发育较弱。 在温暖的热带气候中，土壤往往更厚（但缺乏有机物），会发生大量的浸出和矿物质的改变。 在这种气候下，有机物分解和化学风化的速度加快。 风化产生的水分和养分的存在还将促进生物活性，这是优质土壤的关键组成部分。 有关气候对土壤影响的更多详细信息，请参阅生物群落章节。

    古代土壤，有时埋藏和保存在地下，被称为古土壤（图\(\PageIndex{h}\)），反映了过去的气候和环境条件。

    两个土壤剖面垂直堆叠在一起。 地质学家站在地下土壤剖面上。
    图\(\PageIndex{h}\)：现代与埋地土壤剖面图。 埋地土壤剖面图或古土壤（地质学家头顶上方）代表最后一个间冰期的土壤发育情况。 现代土壤剖面图（Alfisol）出现在陆地表面附近。 资料来源：D. Grimley。

    生物

    土壤中活生物体（土壤生物群）的存在极大地影响了土壤的形成和结构。 在土壤中发现了各种各样的动物，例如线虫、蜘蛛、昆虫、蚯蚓、千足虫、药虫、蛞蝓、蚯蚓（图\(\PageIndex{i}\)）。 土壤还含有细菌、古细菌、真菌和 “原生物” 等微生物。 动物和微生物可以产生毛孔和缝隙，植物根部可以渗透到缝隙中产生更多的碎片。 此外，从植物上掉下来的树叶和其他物质会分解并影响土壤成分。 微生物不仅分解有机物，还会促进营养循环中的其他过程，例如固氮。

    各种土壤动物的线条图。 他们中的许多人有分段的身体和关节的附属物。
    图\(\PageIndex{i}\)：土壤中常见动物的插图。 图片来源：Arne Hendriks（CC-BY）

    家长材料

    矿物土壤直接由基岩的风化形成，基岩是位于土壤之下的坚硬岩石，因此，它们的成分与原始岩石相似。 其他土壤是由来自其他地方的物质形成的，例如沙子和冰川漂移。 与沉积的物质相比，位于土壤深处的物质相对没有变化。 河流中的沉积物可能具有不同的特征，这取决于溪流是快速还是缓慢移动。 快速移动的河流可能有岩石和沙子的沉积物，而缓慢移动的河流可能有质地细腻的物质，例如粘土。

    母体材料的类型也可能影响土壤发育的速度。 高度耐候的母体材料（例如火山灰）将更快地转化为高度发达的土壤，而富含石英的母体材料则需要更长的时间才能发育。 母体材料还为植物提供营养，并可能影响土壤的内部排水。

    地形

    区域表面特征（俗称 “陆地布局”）可以对土壤的特征和肥力产生重大影响。 地形会影响水的径流，从而剥夺母体物质并影响植物的生长。 陡坡上的土壤更容易受到侵蚀，可能比地面相对平坦的土壤更薄。 渗透，即水在土壤中的渗透，在陡峭的土壤中受到限制。

    当地地形可能产生重要的小气候影响。 在北半球，朝南的斜坡暴露在更多的阳光直射角度下，因此比朝北的斜坡更温暖、更干燥。 较凉潮湿的朝北斜坡具有更具活力的植物群落和更厚的土壤，因为广泛的根系可以稳定土壤并减少侵蚀（图\(\PageIndex{j}\)）。

    两个斜坡在中间交汇，形成一条沟渠。 左坡的灌木紧密地挤在一起，但右坡的植被较为稀少。
    图\(\PageIndex{j}\)：加利福尼亚州圣莫尼卡山脉地中海气候（丛林）中朝北的斜坡（左）和朝南的斜坡（右）。 相对于朝南的斜坡，由于凉爽潮湿的条件，朝北斜坡上的植被更密集。 图片由诺亚·埃尔哈特（CC-BY）拍摄。

    时间

    时间是土壤形成的重要因素，因为土壤是长期发育的。 土壤形成是一个动态过程。 随着时间的推移，材料会沉积、分解并转化为其他物质，这些材料可供活生物体使用或沉积在土壤表面。

    总的来说，随着时间的推移，土壤剖面往往会变得更厚（更深）、更发达、变化更大。 但是，处于早期发育阶段的土壤的变化速度更快。 随着时间的推移，土壤的变化和深化程度会减慢，在几万或数十万年后的某个时候，可能会接近平衡状态，侵蚀和深化（清除和添加）变得平衡。 幼土（<10,000年）受到母体材料的强烈影响，通常会迅速发展视野和特征。 随着时间的推移，随着风化过程加深、混合和改变土壤，随着化学、物理和生物过程的生效，母体材料变得不那么容易识别。 中等年龄的土壤（大约有10,000至500,000年的历史）的轮廓发育和深化速度正在放缓，并可能开始接近平衡状态。 就@@ 土壤水平和物理结构而言，旧土壤（>500,000年的历史）通常已达到极限，但可能会继续发生化学或矿物学变化。

    土壤发育并不总是持续的。 滑坡、冰川推进或海岸线上升等地质事件会迅速掩埋土壤。 河流和海岸线的侵蚀可能导致土壤的移除或截断，风或洪水会慢慢沉积沉积沉积物，从而增加土壤。 动物会混入土壤，有时会导致土壤退化、正常发育路径逆转或 “颠簸”，随着时间的推移，这会增加发育速度。

    土壤分类学

    根据土壤地平线、土壤的形成方式及其化学成分，土壤被分为12种土壤顺序之一。 例如，存在于温带草原的Mollisols（图\(\PageIndex{f}\)）的表土很厚，富含有机物。 另一方面，Aridisols是干燥的土壤，含有碳酸钙，存在于沙漠中。 每个土壤顺序进一步分为子顺序。 有关更多详细信息，请参阅美国农业部的《土壤分类学十二令》和《爱达荷大学的十二个土壤命令》。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：