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耕地土壤是我们进行粮食生产的基地 钟继洪 摄影
我们每个人都接触过土壤，但要给土壤下一个科学的定义却不容易。事实上，不同的土壤学家以不同的观点研究土壤时，也会得出不同的结论。一般而论，土壤的含义是地球陆地表面能够生长绿色植物的疏松表层。它能供应与协调植物生长所需的养分、水分、气体、热量。土壤的本质属性是具有肥力。
土壤只是陆地表面很薄的一层疏松物质，而且覆盖的面积不大。陆地地壳的平均厚度是33千米，而土壤的平均厚度不到10米，一般只有几厘米到两三米。整个地球表面约为5.1亿平方千米，陆地面积占29%，土壤覆盖面积仅占25%，其中可用于耕种的土地面积则更少。可见，地球上的土壤资源十分缺乏。
雷州半岛台地的砖红壤的厚度可达数十米，但与地球表壳的厚度相比，这一土壤的厚度可以说是微不足道 肖辉林 摄影
“土”字的涵义：在我国周朝，劳动人民从生产实践中，已经认识到“土”字的实质。《周礼》指出：“万物自生焉曰土。”就是说，有植物生长就有“土”，有“土”就有植物生长。许慎《说文解字》指出：“土者，地之吐生物者也。二象地之下、地之中；丨，物出形也。凡土之属皆从土。”形象化地表明了“土”与植物二者依存的关系：土是植物生长的地方，有植物生长的地方叫作土。
土字的形象解释
“壤”字的涵义：许慎《说文解字》中“壤，柔土也，无块曰壤。”《禹贡》马融注中“壤，天性和美也。”古代壤同䑋，䑋——肥肉也，即肥沃的土被称为“壤”。《周礼》指出：“以人所耕而树艺焉则曰壤。”这句话深刻阐明了“壤”的形成过程及其科学意义。“土”是自然形成的，“壤”是人为的耕种活动造成的。
“土壤”一词是在汉代以后出现的，泛指各种泥土，对“土”和“壤”并没有严格的区分。
当我们接触土壤时，第一印象应该是其中有砂、有泥，很容易弄脏我们的手。这是因为土壤是物质的混合物。一定体积的土壤是由固体、液体和气体三种成分组成，我们把它们分别叫作土壤的固相（土粒）、液相（土壤水）和气相（土壤空气），统称土壤的三相。固相部分由矿物质及有机物质组成，约占土壤总容积的50%，土粒间有孔隙，约占土壤总容积的50%。这些孔隙则充满着土壤水和土壤空气。土壤中的各相物质所占的容积随时随地在变化着。
图中可见不同大小的土壤孔隙，其中有一部分土壤孔隙可能是由植物根系穿插形成 钟继洪 摄影
（1）土壤矿物
土壤矿物来自岩石的风化，包括原生矿物和次生矿物，约占固体重量的95%以上，有土壤“骨骼”之称。土壤矿物可提供除氮素以外植物所需的各种养分元素。
土壤的原生矿物是指直接来自岩浆岩或变质岩的残留矿物，主要有石英(SiO 2 )，长石类，包括正长石(K［AlSi 3 O 8 ］)、微斜长石(K［AlSi 3 O 8 ］)、钠长石(Na［AlSi 3 O 8 ］)、钙长石(Ca［Al 2 Si 2 O 8 ］)等；云母类，包括黑云母(K｛(MgFe) 3 ［AlSi 3 O 10 ］(OH) 2 ｝)、白云母(K｛Al 2 ［AlSi 3 O 10 ］(OH) 2 ｝)。这些矿物相对抗风化能力较强。
一般土壤中的矿物主要是次生矿物。它们是由原生矿物经化学风化后转变或重新合成的矿物，体积一般比较小，主要存在于黏粒部分，因此，也被称作黏土矿物。按其化学成分与结晶状况可划分为4种类型：
①层状硅酸盐
，主要有2∶1型的黏土矿物蒙脱石类，包括蒙脱石(Na
x
(H
2
O)
4
｛(Al
2
-
x
Mg
x
)［Si
4
O
10
］(OH)
2
｝)、贝得石(Na
x
(H
2
O)
4
｛Al
2
［Al
x
Si
1-
x
O
10
］(OH)
2
｝)等；2∶1型的水云母类，包括水白云母(K
1-
x
(H
2
O)
x
｛Al
2
［AlSi
3
O
10
］［OH］
2
-
x
(H
2
O)
x
｝)、伊利石(KAl
2
［(Si,Al)
4
O
10
］Al
2
［Si
2
O
5
］(OH)
4
·(1~2)H
2
O(OH)
2
·nH
2
O)等；1∶1型的高岭类，包括高岭石(Al
4
［Si
4
O
10
］(OH)
8
)、埃洛石(Al
4
(H
2
O)
4
［Si
4
O
10
］(OH)
8
)。它们是土壤黏粒部分的主要矿物成分。这类矿物的特点是具有较高的抗风化稳定性和高分散性，晶粒微细，结晶度低，同晶置换现象普遍。
广东省的红壤类土壤风化作用强烈，形成的黏土矿物以1∶1型高岭类为主。高岭石的土壤阳离子交换量低，保持土壤阳离子养分的能力差。
②氧化物，主要有氧化硅（SiO 2 ）、氧化铁（F e 2 O 3 ）、氧化铝（Al 2 O 3 ）、氧化锰（MnO）、氧化钛（Ti 2 O 3 ）等，氧化物的矿物成分比较单纯、晶体结构也比较简单，其中一部分以非晶质状态存在，即土壤中的无定形物质。广东省的红壤类土壤中的氧化铁、氧化铝聚集明显。这类三氧化二物作为胶结物，形成的土壤结构稳定性较高，但结构体内部的大孔隙较少，不利于土壤通气、透水。此外，氧化铁与土壤中的磷反应生成磷酸铁沉淀，会降低土壤磷素的有效性。
层状硅酸盐是指具有层状晶体结构和片状晶型的硅酸盐矿物。土壤中的黏土矿物由两个基本部分组成，一个是硅氧四面体（硅和四个配位的氧），另一个是铝八面体（铝和六个配位点的氧或氢氧，具八个面）。层状硅酸盐中的四面体片和铝八面体片构成层，按单元层内硅氧片与铝氧片的比例不同，分为2∶1和1∶1两种层型。2∶1型层状硅酸盐的八面体与上下两片四面体相结合，1∶1型层状硅酸盐的八面体只与一片四面体相结合。
层状硅酸盐存在同晶置换现象，在其结构单元层中，四面体中的硅离子（Si 4+ ）可能被大小相似的铝离子（Al 3+ ）取代，八面体中的铝离子可能被大小相似的镁离子（Mg 2+ ）、亚铁离子（Fe 2+ ）取代，结果结构中就出现了负电荷，为平衡多余的负电荷，必然出现层间阳离子。这就是土壤中的黏土矿物具有吸附阳离子能力的原因所在。
蒙脱石类是2∶1型的黏土矿物，如蒙脱石，容易在两边硅氧片中以铝离子取代硅离子，有时可在硅铝片中以镁离子取代铝离子；水云母类也是2∶1型的黏土矿物，如伊利石，结构与蒙脱石相类似，只是同晶替代产生的负电荷主要被钾离子中和，少部分被钙离子（Ca 2+ ）、镁离子中和；高岭类是1∶1型黏土矿物，很少发生同晶替代，其负电荷主要来源于晶格外露的羟基（-OH）离子的交代作用。
铝硅酸盐类矿物的基本结构单元
③难溶性盐，除层状硅酸盐、氧化物之外的其他难溶性盐，如碳酸盐（常见的有方解石，CaCO 3 ）、磷酸盐（如磷灰石，［Ca 5 X（PO 4 ） 3 ］）、硫化物（如黄铁矿，FeS 2 ）。广东省的石灰土含有较多的碳酸盐，发育于酸性硫酸盐土的咸酸型水稻土，剖面常含有硫化物（硫黄结晶）。
④可溶盐类，一般为钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）的氯化物（如氯化钠，NaCl）、硝酸盐（如硝石，NaNO 3 ）、重碳酸盐（如碳酸氢钠，NaHCO 3 ）、硫酸盐（如石膏，CaSiO 4 ·2H 2 O）等。
（2）土壤有机质
土壤有机质是指存在于土壤中的含碳的有机物质，它包括各种动植物的残体、微生物体及其分解和合成的土壤腐殖质。其中土壤腐殖质是土壤有机质的主要成分，是土壤中除有机体内已知的各类有机化合物（非腐殖质）外的各种淡棕色至暗褐色的天然缩聚高分子化合物的总称
。根据其溶解度，可分为胡敏酸、富啡酸和胡敏素等三个组分。
土壤有机质 钟继洪 摄影
通过稻草还田等措施可增加土壤有机质含量 钟继洪 摄影
土壤有机碳化合物在微生物的作用下，由复杂的有机物分解为简单的能溶于水的无机物的过程，称为矿质化过程。矿质化的结果是释放出养分，供植物生长。土壤有机物质在微生物的作用下，合成复杂的有机质——土壤腐殖质，称为腐殖化过程。土壤有机质和腐殖质的产生与变化强烈地改变了土壤的物理和化学性质。
①提高土壤的吸水、保肥能力。腐殖质是一种有机胶体，吸水率高达400%～600%，可有效地保持水分，腐殖质的阳离子代换量很高，可吸持水溶性养分如钾，减少它的淋溶损失。
②腐殖质是形成团粒结构的良好胶结剂，形成的结构体稳定并有较多的大孔隙，可以提高黏重土壤的疏松度和通气性，改变砂土的松散状态。
③有机质在分解过程中产生的腐殖酸、有机酸、维生素及一些植物激素，对作物生育有良好的促进作用。
④有机酸类对土壤矿物有一定的溶解与破坏能力，能破坏硅酸盐矿物和铁铝氧化物，使其中的金属元素［铁（Fe）、铝（Al）、锰（Mn）、钙、镁及一些微量元素］析出。一般有机质含量＜10克/千克，表示土壤生产力与功能相对差；有机质含量介于30～50克/千克，土壤生产力与功能最好。
（3）土壤水
土壤水主要由地上进入土中。由于含有溶解物质（其中包括许多植物所需养料），因此，所谓的土壤水，实际上是浓度不等的土壤溶液。
土壤水可分为两类。一类是紧紧附在土粒表面的水，叫作束缚水（包括吸湿水和膜状水），在生产上意义不大。另一类是不受土粒吸附而能自由运动的自由水（又分为毛管水、重力水）。毛管水是保持在具有毛细作用的较小孔隙中的水，而重力水是在重力作用下可在土粒间自由移动的水。
对于植物生长来说，土壤中能被植物根系大量吸收的是毛管水。重力水（包括地下水）也是植物水分的重要来源，但当它们过多而滞留于根系活动层，会阻碍土壤通气，抑制根系呼吸和好气微生物的活性，这时就要采取排水措施。
（4）土壤空气
土壤空气一部分由地上大气层进入，主要为氧气（O 2 ）、氮气（N 2 ）等，另一部分由土壤内部产生，主要为二氧化碳（CO 2 ）、水汽等。土壤空气与大气组成有所不同，土壤空气中的氧气含量比大气少，二氧化碳含量比大气多。这是由于植物根系和微生物的呼吸、有机物质的分解，都消耗了氧气，产生了二氧化碳的缘故。
对于大多数植物来说，土壤通气良好（氧化状态）：大多数养分元素是以植物可以利用的状态存在，如硝酸根（
）、磷酸根（
）等，这是有利于正常生长的；土壤通气差（水分过多，还原状态）：一些元素以毒质状态存在，如硫化氢（H
2
S）、甲烷（CH
4
）等，除了影响植物营养条件外，更由于它们产生生理毒害而抑制植物的正常生理活动。
一些黏粒含量高的土壤，其通气的情况会差一些，我们可以通过改善土壤结构孔隙状况来改善这种状况，如增加土壤有机质含量，形成的结构体稳定并有较多的大孔隙，就可以达到提高疏松度和通气性的目的。
综上所述可知：土壤由三相物质构成，互相联系，互相制约，为植物生长提供必需水、肥（养分）、气（空气）、热（温度）条件。这就是土壤肥力的物质基础。
根深才能叶茂。土壤的固相、液相、气相的比例合适，可为植物生长提供坚实支撑及充足的空气、养分和水分 曾晓舵 摄影
如果我们从地面向下挖一个垂直断面，将得到一个有层次的土壤剖面。它是由原始成土母质在成土作用影响下分化成一系列组成、性质和形态各不相同的层次，称为发生层。从地表至母质层，一般有十几厘米至数米。
土壤学重视野外考察工作，观察土壤剖面是了解土壤的重要方法 梁广灶 摄影
国际土壤学会提出把土壤剖面从表层至深层划分为有机层（O层）、腐殖质层（A层）、淋溶层（E层）、淀积层（B层）、母质层（C层）和基岩（R层），这已为国际土壤学界所公认。其中，A、B、C是三个基本层次。
中国土壤学会曾提出，对于一些在特定条件下形成的、在发生上具有共性的，但又难以归入O、A、E、B、C、R发生层，也可独立为主要发生层，例如G层（潜育层）。
土壤的主要发生层按其成土作用特征可进一步划分特性发生层，例如，淀积层中可划分为腐殖质淀积层、铁锰淀积层、黏粒淀积层等，以一个或两个英文字母作为附加符号并列于主要发生层的英文大写字母后，如Bh（腐殖质淀积层）、Ap（犁底层）等。但目前特性发生层的表示符号尚未统一
。
不同的土层垂直序列组合构成不同的土壤剖面构造类型，简称土壤剖面构型。发生层的顺序及变化情况，反映了土壤的形成过程及土壤性质。
（1）有机层（O层）
有机层（凋落物层或泥炭层）：枯枝落叶、苔藓地被物或草本植物活体层次，有机物未遭分解或分解程度很差，基本上没有矿物质。森林土壤一般均有枯枝落叶层。
森林土壤中的有机层（凋落物） 钟继洪 摄影
（2）腐殖质层（A层）
腐殖质层：在O层的下方，有一层次是由腐殖化的有机质与矿物颗粒结合在一起形成的发生层，称为（A层）。这一层是土壤中最重要的发生层，由于含有较多的腐殖质而呈黑色。
对于农田土壤来说，由于耕作的影响，使O层被混合或者被移去了，所以表层土壤不是O层，而是A层。
黄壤的腐殖质层呈黑色 卢家诚 摄影
（3）淋溶层（E层）
淋溶层：淋溶作用形成的土层。是土层中的硅酸盐黏粒、铁、铝等单独或一起淋失，石英或其他抗风化矿物的砂粒或粉粒相对富集的矿质发生层。该层一般接近表层，位于O层或A层之下、B层之上，在野外常呈灰白色。右图为漂洗型水稻土剖面，由于受侧渗水的影响，淋溶作用特别强烈，有明显的淋溶层。
漂洗型水稻土有明显的淋溶层 刘鉴明 摄影
（4）淀积层（B层）
淀积层：在腐殖质层与淋溶层之下，是土壤中可移动的物质相对聚积的层次，淀积物包括硅酸盐黏粒、腐殖质、碳酸盐、石膏或硅及残余三氧化二物等类型，是土壤分类的重要依据之一。
侵蚀赤红壤的淀积层，其腐殖质层已被冲刷流失 钟继洪 摄影
（5）母质层（C层）
母质层：多数是矿质层，但有机的湖积层和黄土层等也划为母质层。
母质层以下，就是基岩（R层）。
母质层（C层） 钟继洪 摄影
土壤整段标本是根据规定的取土器尺寸采集一定大小、形状的连续的土壤样品，再进行加工制作而成的典型土壤制品。主要供陈列、教学和科学研究使用。
制作土壤整段标本，首先要在野外挖掘土坑，修出和取土器内径相同且突出的长方形土柱；然后对木框套好的土柱自上而下小心修理分离，取出土坑后，盖上加固后盖；最后在室内用黏结剂进行加固，并将1块与土柱尺寸相同的木板粘在土柱底面，再用小刀等工具轻轻修出土壤结构面。
用木框套好土柱 钟继洪 摄影
分离取出木框套好的土柱 钟继洪 摄影
通过参观室内陈列的整段土壤标本，可以对土壤有一个初步的认识 杨秀敏 摄影
土壤科学工作者研究土壤的重要办法，就是通过野外观察土壤剖面的颜色、质地、结构、湿度、动物孔洞、新生体和侵入体等，并进行分层采集土壤样品，进行理化分析，来判断土壤的类型、性质、发育过程及历史演变。依据对以上这些土壤性状的了解，我们就可以对所研究的土壤进行分类，并更合理地做好土壤的保护和开发利用了。
（1）土层厚度
土壤中土层母质层以上的部分就是土壤厚度，土壤有厚薄，薄者如山顶处的石质土，厚度不到10厘米；厚者如台地上的红壤类，有的可达10米以上。
风化程度高的红壤（A）厚度有的可达10多米；紫色页岩发育的土壤（B）土层较薄 钟继洪 摄影
（2）土壤颜色
土壤颜色是土壤内在物质形成外在色彩的表现，是土壤最重要的形态特征之一。由于土壤的矿物组成和化学组成不同，所以土壤的颜色多种多样。通常在鉴别土壤层次和土壤分类时，土壤颜色是非常明显的特征。
土壤的颜色，与土壤有机质、矿物种类、水分状况等有关。
①黑色：表示土壤腐殖质含量高，含量少则呈灰色。
②白色：与土壤中含有石英、高岭石、碳酸盐、长石、石膏和可溶性盐类有关。
③红色：表示土壤中含较高的赤铁矿（ F e 2 O 3 ）或水化赤铁矿（Fe 5 HO 8 ·4H 2 O）。
④黄色：为水合氧化铁［针铁矿，FeO（OH）］造成的。
⑤棕色：表示土壤含大量的伊利石、云母类矿物质和不同水化程度的氧化铁混合物。
⑥紫色：表示游离氧化锰含量高。
⑦绿色或蓝色：表示土壤长期浸水而处于还原状态，含大量二价铁氧化物。
黄壤的淀积层因含较高的水合氧化铁（针铁矿）而呈黄色 卢家诚 摄影
排水不良的土壤，因土体中含氧化亚铁而呈灰蓝色 谭军 摄影
（3）土壤质地
土壤是由许多大小不同的土粒按不同比例组合而成的，这些不同的土粒组合在一起所表现出来的土壤粗细状况，就称作土壤质地。
土壤有砂土、壤土、黏土等不同质地的等级之分。在野外常根据手指研磨湿润土壤的感觉作出近似判断。土壤质地的准确测定要用机械分析来进行。实验室测定土壤机械组成的方法有比重计法和吸管法等。
国际土壤质地分级三角图
砂质土中缺少黏粒和有机物质，土壤颗粒多呈无结构状态 钟继洪 摄影
一般来说，农业生产中最理想的土壤是壤土。这是因为壤土含有合适比例的空气、水和由动植物碎片组成的腐殖质，因此最能满足植物生长的要求。
壤质土是最佳质地的土壤类型 钟继洪 摄影
（4）土壤结构
自然界的土壤往往不是以单粒状态存在，而是形成大小和形态均各异的团聚体，这些团聚体或颗粒就是土壤结构。根据形状大小可区分为块状、核状、柱状、片状、微团聚体及单粒等。
团粒结构体较稳定并含较多孔隙，一般存在于腐殖质较多、植物生长茂盛的表土层中 钟继洪 摄影
缺乏有机物质的黏土容易形成块状结构，这种土壤的耕作性能较差 钟继洪 摄影
（5）土壤酸碱性
土壤的酸碱性是土壤许多化学性质特别是盐基状况的综合反映，一般用pH值［溶液中氢离子（H + ）活度的负对数］来表征［pH = -log（H + ）］。它对土壤的各种肥力特性，如养分有效性、土壤微生物活动、植物生长发育有深刻影响。
土壤的pH值可采用混合指示剂比色法，或用pH值广泛试纸速测，从而判断该土壤属于酸性、微酸性、中性、微碱性或碱性。
我国热带、亚热带地区红壤类土壤，由于风化和成土作用均甚强烈，生物物质的循环十分迅速，加之酸沉降等影响，这类土壤盐基高度不饱和，多呈酸性或强酸性，pH值一般在4.5～6。
土壤酸碱性分级
芒箕是酸性土壤的指示植物 钟继洪 摄影
（6）土壤胶体吸附性能
随着土壤在风化过程中的形成，一些矿物和有机质被分解成极细小的颗粒。这些最细小（直径在1～100微米）的颗粒叫作“胶体”。土壤胶体具有较大的比表面和表面能，大部分胶体带净负电荷。因此，它能够吸附和保持溶于水的分子（如尿素肥料分子）和带正电的许多阳离子，如钙离子、镁离子、钾离子（K
＋
）、钠离子（Na
＋
）、氢离子和铵离子（
）等。同时，这些被吸附的阳离子相互交换或被另一种阳离子从土壤胶体上代换下来进入土壤溶液。这种相互代换作用，称为阳离子交换作用。
土壤胶体吸附
土壤阳离子交换量（Cation-exchange capacity ，CEC）是指一定的pH条件下土壤所能保持和交换的阳离子的能力［单位：厘摩尔（+）/千克］，阳离子交换量受胶体数量和种类的影响。热带、亚热带地区土壤的高岭土、铁铝氧化物含量较高，有机质含量较低，因此，其阳离子交换量较低。
