土壤-在腳底下的科學

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土壤概論
地球表面覆蓋著一層薄薄的、不過數公尺厚度的土壤，我們如果把地球比喻成一座足球般的大小，那麼土壤就只是貼在足球上的一張郵票而已，不過土壤卻是所有人類、動植物與微生物生命之所寄。土壤怎麼來的?它又有什麼功能和特徵?現在就讓我們開始從土壤的成因，一探臺灣這塊土地中土壤的奧祕。

什麼是土壤

1土壤是怎麼來的
風、水、太陽幅射等風化的力量，讓岩石礦物的顆粒愈來愈小，也可能在風化時釋放出各種離子，這些離子可能流失掉，或可能重新組合為新的礦物，這些新礦與與原來殘留的岩石礦物，是構成土壤主要的物質之一，也就是無機物質的組成。土壤還包括有機組成物質，廣義的說，任何在土壤中的有生物，包括動植物與微生物活體，或是生物活動時所產生的排泄物，與死亡後所遺留下來的遺體與殘骸等，都是土壤有機物質的一部分，不過影響土壤性質最大的有機質是經過腐質化作用後產生的腐植質。當風化後的岩石礦物與有機質，組合成土壤的架構後，形成孔隙，可以保水保肥，又有生物活動其間，這個天然疏鬆而且具有生命的自然體，就是人類賴以為生的土壤。
就定義上來說，所謂土壤是指地殼表層具有三度空間、獨立且變動的自然體，是由母岩歷經幾千年甚至幾十萬年才風化生成的。土壤是鬆軟的未固結物質，厚度不均，色澤不一，是由礦物質、有機物、水分與空氣所組成的（Brady and Weil, 2014）。以粒徑大小來說，直徑小於0.2公分的顆粒，就是土壤所研究的對象。
地球上最厚的土壤可能在30公尺左右，這跟地球半徑6400公里相比較，土壤是微乎其微的，但是土壤含有各種養分，不僅支撐著植物的根可以立足生長，土壤中也存在著細菌、真菌、放線菌與藻類等各種微生物，而許多動物依賴土壤為棲息環境，所以，土壤是一切生命的起源。



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岩石變成土壤的過程

物理風化作用
大塊的岩石、礦物，崩解成為小塊的岩石、礦物，但是化學組成分並沒有改變，稱為物理風化，例如受到日夜溫差所導致的熱脹冷縮作用，或是岩石裂縫中的水在結冰後體積變大而撐破岩石，或是岩石因為滾動而破碎等，都是物理風化作用的現象。

化學風化作用
相較於物理風化，化學風化會使岩石、礦物發生化學反應而溶解產生離子，這些離子可能會流失在環境中，或是會重新組合形成新的礦物堆積在土壤。結合了物理、化學風化所形成的產物，就是土壤，而不同風化程度所呈現土壤的特性也就會不一樣。

2土壤的組成
土壤是由固相、液相及氣相所構成的，在固相部分是以風化以後的岩石礦物碎屑物以及有機質所組成，在一個適合種植農作物的土壤裡，這些約略占土壤單位體積的50%左右，而其他50%的空間，則是由土壤構造之間形成的孔隙所構成，做為儲存水分與空氣之用。
在液相部分，水會將土壤固體物質中的離子溶出，這些離子是植物的根部吸收養分的主要來源。至於氣相部分，有別於大氣層中的氣體組成分，土壤氣體的氧氣濃度較低而二氧化碳濃度則較高。土壤中水與氣體比例的變化，會隨著土壤排水程度而不同，當土壤排水好比較乾燥的時候，氣體比例較高；當土壤較為潮濕或排水不良時，氣體的比例變降低，土壤水的體積則變多。
當植物根部生長在堅實的土壤時，就可以強有力的支撐植物而使其不倒伏，土壤水供應了各種營養元素讓根攝取，而孔隙裡適當的氣體能使根順利呼吸，所以土壤的固相、液相與氣相維持在適當的比例下，植物就可以順利的生長。
一般人提到土壤時基本上會以上述這些特徵做為對土壤的初步印象，這些特徵當然都是影響植物生長的因素，而將土壤列入整體環境品質考量的時後，這些屬性也是評估土壤品質優劣的根據。

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土壤常見的特徵
在觀察土壤時，我們常以感官或簡單的測定項目來了解土壤，而這些特徵也是管理土壤、研究土壤時所常用的：

厚薄
土壤的厚度，有些地方的土壤不到10公分，例如年輕的沖積平原土壤，但有些地方的土壤厚度確可超過20公尺，例如沉積物堆積年代久遠的臺地紅壤。

肥沃與貧瘠
土壤有肥沃程度，顏色黑暗的土壤通常有機質含量較為豐富，是肥沃程度的指標。

質地有粗細
土壤的質地，按照顆粒的粗細，有砂土、砂質壤土、壤土、坋質壤土、坋質粘土或粘土等不同質地等級的土壤。

各種顏色
土壤顏色，如紅色、黃色、紅棕色、灰色、黑色與灰藍色等，都代表土壤在母質條件不同下，歷經各種成土作用後所產生不同的性質。

酸鹼性
土壤酸鹼性，酸性、中性與鹼性的反應，都代表著不同的成土作用結果、管理方式的差異、土壤特性與養分供給能力。

排水是否良好
排水程度，土壤容不容易將水從內部排開，直接影響了水分、養分及空氣的流動，而間接影響微生物活動與根的生長。


土壤的功能

禮記大學篇有載「有土斯有才」，的確有了土壤，才會有財富，歷史上許多國家的興起，都是因為擁有肥沃的土地，而一些國家的衰敗，也常與旱災造成土壤生產力下降有關。
植物能正常的從土壤裡生長，是土壤可提供足夠的水分，但這取決於質地粗細、排水好壞、通氣良好與否等物理性質，同時有賴適當的酸鹼值、保肥能力與有機質含量下決定了養分供給的能力，所以土壤的物理化學性質，決定了植物的根在土壤的分布與根的吸收能力。另外，各種微生物會將土壤中有機質所含有的養分轉化成可以被植物吸收的型式，讓植物有效利用。
人類必需依賴土壤才能大量的生產農作物，所以土壤學是基於農業的需求所開始發展的領域，特別在20世紀初期，隨著許多跨領域學科的發展，土壤學逐漸應用在地質學、地理學與生物學的研究中。
第二次世界大戰結束後，全世界的人口不斷的增加，所以人類對糧食的需求量也愈來愈高大，為了應付驟增的人口，農作物必須要持續的增產，因此需要開發更多的農地，而農藥與化學肥料也被大量的投入土壤中。土壤資源因為人口、糧食與工業化等問題而逐漸耗竭，環境污染問題愈來愈嚴重，自然資源無法被永續利用，這是21世紀的人類必需要正視的課題，而土壤是難以修補的自然資源，大家要落實行動加以保育。

土壤的五大功能
1. 提供植物生長的介質
土壤提供植株支撐力量並供給根部養分，植物生長的各種必需營養元素，唯有從土壤才能完整的吸收。土壤可調節過高或過低的溫度，讓植物能適應驟變的氣溫，土壤也可以發揮讓植物免於毒性物質侵害的功能。另外，不同的植物能適應不同的土壤性質，所以土壤性質有差異時，可能造就不同的植物分布。
土壤可以提供植物生長所需要的各種養分，即使植物需要施肥，這些肥料大部分也是施入土壤後來讓根部吸收，而施肥的效率，則是有賴土壤的有效管理來達成，所以農作物要有好的收穫與品質，維持健康的土壤是最好的方法。雖然時下有一些水耕栽培或是植物工廠的農作物生產方式，但是這些無土栽培方式很難大規模取代土耕，大量人口主要仍是需要土壤的依存。
2. 做為生物的棲息地
健康的土壤以一公頃表土2000公噸重量來算，只要隨手抓起一把土壤，其中所含細菌、真菌、藻類、放線菌及原生動物等各種微生物的數量就可能高達10億個以上。除了微生物外，土壤中還有鼠類、昆蟲、蚯蚓、蝸牛、線蟲與輪蟲等各種動物。
3. 可提供土壤中各種養分及有機廢棄物轉變之場所
許多物質在土壤中透過輸入、轉換與輸出等作用而完成這個物質在生態系中的養分循環。例如大氣中的二氧化碳，由綠色植物透過光合作用攝入後轉變成碳水化合物，而枯枝落葉掉落土壤後，成為土壤有機質的主要來源，最後被微生物分解後用，成為二氧化碳而又回到大氣中。這個循環如果缺少了土壤，將會影響一切的生命。
氮循環是另一個必須有土壤參與的例子，大氣中雖然高達80左右都是氮氣，但是卻無法讓植物吸收利用，唯有透過土壤中的固氮菌吸收轉換成硝酸根與銨離子，植物才能利用，而硝酸根型態與銨離子型態的氮之間，是依賴土壤中硝化菌與脫氮菌等在維持彼此間的平衡。另外，當具有毒性的污染物進入土壤後，由於土壤具有吸附、沉澱、氧化還原等作用，能夠緩衝其對生態系的危害，但是這個緩衝能力還是有一定的限度，一旦污染物濃度過高，還是會有土壤污染發生。
4. 提供水資源並淨化水質
成土作用過程中，會產生許多構造內與構造之間的孔隙，這些孔隙的類別有土壤團粒之間的空隙、根在伸展時所形成的孔洞、動物活動時的通道或棲息的空間等等。孔隙是土壤水分的儲存空間與傳輸通道，地面的水能夠進入土壤，有賴這些孔隙的存在，同時水資源也得以在土壤受到保護。當水分通過土壤顆粒表面時，可藉由吸附、脫附、沉澱、氧化還原及離子交換等作用，以去除水中雜質達到濾水的功能。
5.做為工程施工的基地
土木工程不可避免要使用土壤做為基地或材料，例如公路、機場與房屋等，當土壤含有大量的蒙特石類粘土礦物時，很容易在雨天潮濕時體積膨脹，天晴乾燥時卻收縮，導致破壞建築結構或路面凹突不平與龜裂。另外，地震時會伴隨發生的土壤液化現象，常發生在含砂量很高但地下水位較淺的土壤，因為在地震時水分多的砂粒會失去剪應力，使土壤變成流體。

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土壤概論
地球表面覆蓋著一層薄薄的、不過數公尺厚度的土壤，我們如果把地球比喻成一座足球般的大小，那麼土壤就只是貼在足球上的一張郵票而已，不過土壤卻是所有人類、動植物與微生物生命之所寄。土壤怎麼來的?它又有什麼功能和特徵?現在就讓我們開始從土壤的成因，一探臺灣這塊土地中土壤的奧祕。

什麼是土壤

1土壤是怎麼來的
風、水、太陽幅射等風化的力量，讓岩石礦物的顆粒愈來愈小，也可能在風化時釋放出各種離子，這些離子可能流失掉，或可能重新組合為新的礦物，這些新礦與與原來殘留的岩石礦物，是構成土壤主要的物...

序言:
美國前副總統高爾(Al Gore)在一部有關氣候變遷的紀錄片「不願面對的真相 (An Inconvenient Truth)」中提到：我們的大氣層只不過是地球表面薄薄的一層表皮。那麼，土壤呢？相較於大氣層，土壤的厚度幾乎薄到看不見，也讓民眾幾乎忘了土壤的存在。
土壤介於岩石、大氣、水與生物圈之間，做為橋梁連結這些不同特性的環境圈，傳遞與交換物質。一般民眾都知道土壤是提供糧食生產的基地，也就是說，土壤可以為植物生長提供水分、通氣、養分、物理性支持與保溫等等的功能，但事實上土壤還可以調節氣候，調控水資源，例如儲藏水分與淨化水質，而土壤也可以作為養分與有機廢棄物循環再利用的系統，土壤更是許多生物賴以生存的棲息地，而人類生活中所需要的房屋、道路等建築，都需要土壤做為工程基地。
土壤是非常珍貴與重要的自然資源。地球表面並非都是陸地，70%是海洋，陸地只有30%，扣除終年被冰覆蓋的地區、沙漠地區與其他不適合生物生存的地區，人類可使用的土壤資源非常有限。臺灣的面積不大，但有高達58%的面積是森林，而可以利用的土壤資源更是有限，身處在臺灣的我們更不能忽視土壤的存在與土壤的重要性。「萬物土中生」，深入去認識、了解與珍惜土壤，把乾淨的、生生不息的土壤資源留存下來，永續利用我們的土壤資源，是撰寫這本書的初衷。

序言:
美國前副總統高爾(Al Gore)在一部有關氣候變遷的紀錄片「不願面對的真相 (An Inconvenient Truth)」中提到：我們的大氣層只不過是地球表面薄薄的一層表皮。那麼，土壤呢？相較於大氣層，土壤的厚度幾乎薄到看不見，也讓民眾幾乎忘了土壤的存在。
土壤介於岩石、大氣、水與生物圈之間，做為橋梁連結這些不同特性的環境圈，傳遞與交換物質。一般民眾都知道土壤是提供糧食生產的基地，也就是說，土壤可以為植物生長提供水分、通氣、養分、物理性支持與保溫等等的功能，但事實上土壤還可以調節氣候，調控水資源，例如儲藏水分與淨化水...

CH1
土壤概論 
什麼是土壤 
土壤的功能 
土壤樣體與土壤剖面 
土壤生成的五大因子—母質、地形、氣候、生物、時間 
土壤的溫度與水分含量狀況 

CH2
臺灣土壤的種類 
土壤生成過程中之重要化育作用 
變化多端的臺灣土壤—臺灣主要土壤類型 
孕育糧食的土壤—平原土壤之特性與分布 
有時紅的發紫的土壤—台地土壤之特性與分布 
多石礫或坋黏質的土壤—丘陵土壤之特性與分布 
來自地心的土壤—火山地區土壤的特性與分布 
不安定的土壤—高山土壤之特性與分布 
多水的土壤—水田土壤之特性與 

CH3
土壤生態環境之保育 
土壤品質 
土壤教育與土壤博物館 

CH4
土壤汙染 

CH5
生活與土壤 
附錄 

CH1
土壤概論 
什麼是土壤 
土壤的功能 
土壤樣體與土壤剖面 
土壤生成的五大因子—母質、地形、氣候、生物、時間 
土壤的溫度與水分含量狀況 

CH2
臺灣土壤的種類 
土壤生成過程中之重要化育作用 
變化多端的臺灣土壤—臺灣主要土壤類型 
孕育糧食的土壤—平原土壤之特性與分布 
有時紅的發紫的土壤—台地土壤之特性與分布 
多石礫或坋黏質的土壤—丘陵土壤之特性與分布 
來自地心的土壤—火山地區土壤的特性與分布 
不安定的土壤—高山土壤之特性與分布 
多水的土壤—水田土壤之特性與 

CH3
土壤生態環境之保育...