土壤科學

土壤科學

土壤科學涵蓋土壤研究的許多方面，例如土壤物理學、土壤化學、土壤分類、土壤微生物學等學科。其中一項研究是土壤學。土壤學是在自然環境中，從景觀角度研究土壤的三維結構，包括起源、形態（形式）、分類、特徵或屬性、剖面或橫截面、地表和內部水分關係、地質、植物生態學等，並對其進行解釋以用於使用和管理。

大多數土壤形成於風化的礦物地質材料，其上部通常包含一些有機物質。這被稱為O 層，由有機物質組成，通常不被視為表土，而是落葉層和泥炭。礦物土壤起源的岩石被稱為母質。透過新增、移除、轉移和轉化等土壤形成過程的進一步影響，母質的性質發生了改變，最終演變成土壤。土壤形成過程受母質、氣候、生物、地形和時間等土壤形成因素的控制。因此，土壤在不同地點的相似性或對比反映了土壤形成過程和因素的相似性或對比。

為土壤命名的一般慣例是選擇在土壤首次被識別並確定為一種新土壤的附近的一個命名地理特徵，例如：以紐約伊利湖附近的鄧克爾克村命名的鄧克爾克土壤系列。所有被發現具有密切相似屬性的土壤都歸類為鄧克爾克，無論它們在哪裡被發現。這種分佈可以是更區域性的，也可以是更廣泛的。

土壤的描述通常會確定諸如 pH 值（鹼度或酸度）、成熟度（成土發育階段）、質地、稠度、顏色、礫石含量和型別、排水等級以及其他土壤特徵等屬性。

美國和其他國家都有土壤圖，顯示了土壤在景觀中的相互關係。在這些地圖上，每種土壤都與獨特的景觀位置相關。因此，可以理解土壤分佈的模式以及土壤型別的分佈位置和範圍。土壤圖是許多需要現場資訊以就許多使用和管理方面做出明智決定的使用者的首要需求。還可以比較土壤資源及其各自的適宜性和/或限制，以評估預期用途的替代地點。

在美國，合作土壤調查已有百年以上的歷史。各種調查以文字和地圖的形式出版，作為軟封面書籍。現在，它們透過網際網路 Web Soil Survey 釋出：http://websoilsurvey.nrcs.usda.gov/app/

土壤方程

土壤的容重是指其幹質量除以土壤的總原始體積。土壤的孔隙度是指其孔隙體積除以土壤的總體積。土壤的顆粒密度是指其固體質量除以其固體體積。

土壤水分

田間持水量 當土壤在降雨或灌溉後自由排水數天後，其含水量即為土壤的田間持水量。

田間持水量是衡量土壤儲水能力的指標。沙質土壤排水良好，田間持水量低。粘土土壤會保留水分，田間持水量高。粘土土壤比沙質土壤可以儲存更多水分。

土壤結構會影響田間持水量。無大孔隙的無結構粘土具有非常高的田間持水量。具有大孔隙的良好結構粘土會自由排水，田間持水量較低。

有機質可以吸收水分並增加田間持水量。

土壤的田間持水量主要由孔隙尺寸分佈決定。小孔隙透過毛細作用力保留水分。大孔隙會自由排水，在田間持水量時不會保留水分。

萎蔫點 當土壤乾燥，植物因無法吸收水分而發生永久萎蔫時，土壤的含水量即為土壤的萎蔫點。

當含水量高於萎蔫點時，植物可以從土壤中吸收水分。低於萎蔫點時，水分被緊緊吸附在粘土顆粒上，植物無法利用。

沙質土壤的萎蔫點非常低，而粘土的萎蔫點很高。粘土包含大量植物無法利用的水分。

有效水分 土壤儲存的植物可以吸收的水量稱為有效水分，等於田間持水量減去萎蔫點。

有效水分是土壤儲存的水分，對植物有用。質地、結構和有機質會影響有效水分。粘土土壤通常比沙質土壤具有更高的有效水分。良好的結構可以增加有效水分。有機質吸收水分並增加有效水分。

土壤中儲存的有效水分通常以毫米水分計量。農民喜歡在土壤中儲存足夠的水分來確保植物良好生長時播種作物。如果儲存的水量很少，農民就需要祈求降雨。植物可利用的水量也取決於植物根系的深度。

土壤中的可溶性鹽會降低植物對水的利用率。鹽會增加水的滲透壓。土壤中鹽分含量過高會導致植物死亡。[1]

土壤水分入滲

眾所周知，城市發展會加劇洪水。在城市地區，徑流係數增加，匯流時間縮短。在未受干擾的地區，徑流係數可能低至 0.1，而在市中心郊區，徑流係數可能高達 0.9。

在降雨期間，當大部分降雨流過土地，很少有水分被土壤吸收時，徑流係數的值很高。當所有雨水都流過地表，沒有雨水滲入土壤時，徑流係數等於 1。如果大量水分進入土壤，徑流係數很小，接近 0。

淡水的主要來源是降雨徑流，廣泛用於滿足人類需求。徑流是長期水供應的重要組成部分，可以更新水資源，無論是河流、湖泊還是水庫。植物需要水分才能生長，植物蒸騰作用會將土壤中的水分返回大氣。

水分入滲率 水分在降雨或灌溉期間進入土壤的速度稱為入滲率。

當雨水首次進入乾燥的土壤時，入滲速度很快，然後隨著降雨的持續，入滲速度會下降。在降雨的初期，水分會填滿乾燥的孔隙。當孔隙被水分充滿，土壤飽和時，入滲速度會減慢，直到達到一個恆定值。

當雨停後，表層土壤會充滿水分。飽和土壤中的自由水會在重力的作用下向下滲透。大約 2-3 天后，自由水會向下滲透，土壤水分會達到平衡。當自由水向下滲透後，水分即為“田間持水量”。

在田間持水量下，土壤水分通過幾種力保留在土壤中。大部分水分透過毛細作用力保留。一些水分被吸附到土壤顆粒，尤其是粘土顆粒和有機質的表面上。

毛細管水分是植物水分供應的主要來源。毛細管水分可以透過植物蒸騰作用和蒸發作用去除。如果表層土壤乾燥，而底層土壤潮溼，水分可以透過毛細作用向上移動。

在地下水位之上有一個毛細管邊緣。水分透過毛細管力從地下水位向上移動。在一些土壤中，尤其是包含許多細孔的粘土中，毛細管邊緣可以高於地下水位一米。

在降雨期間，隨著土壤變溼，入滲率會下降。

不同土壤之間的入滲率差異很大，典型的值是：在降雨的第一小時內為 100 毫米/小時，在降雨六小時後降至 10 毫米/小時。

團聚體是許多土壤中發現的小團聚體 (1-2 毫米)。團聚體土壤結構良好，水分可以很容易地流過這些土壤。無團聚體土壤結構不好，無團聚體Template:Fix/category粘土土壤水分入滲性差。沙質土壤通常具有較高的水分入滲率，而粘土土壤具有較低的入滲率。

如果降雨強度恆定，而入滲率以典型的速率下降，那麼在降雨的初期階段不會出現徑流。當入滲率低於降雨強度時，預計會發生徑流。

入滲率受水力傳導率最低的土壤層控制。通常，表土是壤土，具有較高的水力傳導率。具有較低水力傳導率的粘土亞層將充當節流閥，減緩最終入滲率。

在野外，可以使用環狀滲透儀直接測量滲透率。將一個圓形管子插入土壤中，並用水分保持土壤表面溼潤。在特定時間間隔內，記錄水流入土壤的速度。為了減少變異性，環狀滲透儀需要足夠大，通常直徑應大於112米。通常使用雙環滲透儀來減少側向水流造成的誤差。這些實驗的變異性通常很高，因此建議進行多次重複試驗。

在許多土壤中，滲透率在降雨六小時後通常會下降十倍。通常在六小時前達到穩態平衡。不同土壤的滲透率差異很大，典型值為降雨第一小時100毫米/小時，降雨六小時後降至1毫米/小時。