土壤剖面

墙上的一条土

给一块土做标本，先挖一个 1⁠–⁠1.5 米深的坑，用刀和铁锹把坑壁修平，把一个金属框钉进坑壁，沿着框切出一条土柱，连着木板一起取下来。

取下的土柱背面锯平、涂胶，翻过来贴到展示板上。晾干以后，用小刀和小镐把正面一点点挑开，露出土原来的结构，再刷一层稀胶水。这样做成的叫整段标本。

荷兰瓦赫宁根的 ISRIC 世界土壤参考标本库有 1,⁠100 多个整段标本，来自约 82 个国家，大多约 1.5 米深。它的前身是 1966 年成立的国际土壤博物馆。

台上木框里的标本是同一种土，到坚硬的花岗岩为止：那样的岩石，铁锹挖不动。

整段标本：从坑壁上竖着取下的一条土 · ISRIC 收藏 1,⁠100 多个

从落叶到花岗岩

台上这块土属于 Saw 土系，分布在美国北卡罗来纳州和佐治亚州的山麓丘陵上，由斑状花岗岩就地风化而成。美国农业部的描述给了它每一层的深度和颜色；往下挖 51⁠–⁠102 厘⁠米，一般就到了坚硬的基岩。

从上往下：O 层是落叶；A 层是表土，腐殖质和矿物混在一起；E 层颜色浅，黏粒和铁被水带走了；Bt 层是红色的黏土；C 层是烂掉的花岗岩；R 层是坚硬的花岗岩。典型剖面里各层的深度是：Bt 层 20⁠–⁠51 厘⁠米，BC 层 51⁠–⁠66 厘⁠米，C 层 66⁠–⁠74 厘⁠米，再往下是岩石。

这些层看上去像一层层摞起来的，其实不是一层层堆上去的。河水沉积的泥沙一层层叠起来，叫地层；土的层叫发生层，是在原地形成的。添加、损失、迁移、转化，这几种过程从地表往下改造原来的岩石，把它原来的纹理抹掉。

O 落叶 · A 表土 · E 淋溶层 · Bt 黏土淀积层 · C 腐岩 · R 基岩

落叶变成表土

最上面的 O 层几乎全是有机物：刚落的叶子在上，越往下越碎、越黑。土壤学家按分解的程度，从上往下记作 Oi、Oe、Oa。

A 层在地表形成，腐殖质和矿物颗粒紧紧混在一起，所以通常是剖面里最暗的一层。根也集中在这里：同一地区一种森林土的描述里，A 层有“很多”细根和中根，下面的黏土层是“常见”的细根和中根。

Saw 的表层有机质只有 0.5⁠–⁠2%，下面的 Bt 层是 0⁠–⁠0.5%。量不多，颜色却深：土的深浅，主要看颗粒表面有多少暗色的腐殖质。

有机质：表层 0.5⁠–⁠2% · Bt 层 0⁠–⁠0.5%（Saw 土系）

黏粒往下走

E 层的特点，是黏粒、铁和铝被水带走，剩下砂粒和粉粒。砂粒上的氧化铁薄膜没了，颗粒露出本色，多是浅色的石英，所以 E 层比上下两层都浅。

雨水往下渗，把表层分散开的黏粒带下去。到了下面比较干的土里，水被吸走，黏粒被“滤”下来，贴在土块表面和孔壁上，成了一层光亮的黏粒胶膜。Saw 的 Bt 层，土块表面有常见的、明显的黏粒胶膜。

于是表层是砂壤土，黏粒 5⁠–⁠20%；Bt 层是黏土，黏粒 35⁠–⁠60%。B 层的黏粒也不全是从上面搬下来的，有一部分是那里的矿物就地风化出来的。

黏粒：表层 5⁠–⁠20% · Bt 层 35⁠–⁠60%（Saw 土系）

红色从哪里来

土壤学家用孟塞尔比色卡读土的颜色，记成“色相 明度/彩度”：Saw 的 Bt 层是 2.5YR 4/8，叫作“红”。2.5YR 在红和黄之间，明度 4 偏暗，彩度 8 是土壤比色卡上最浓的一档。比色要避开直射的阳光，拿掰开的土块对着色片比。

土的颜色主要来自颗粒表面极细的一层：腐殖质是暗色的，氧化铁是黄、褐、橙、红色的。土越红，往往含的赤铁矿越多；以针铁矿为主的土偏黄。氧化铁不多，就能把土染上色。

赤铁矿常见于温暖湿润、风化很深的土。长期泡在水里的土，铁被还原、带走，土会变灰；Saw 排水良好，剖面里没有这样的灰色层。Bt 层里还夹着少量棕黄色的斑点（10YR 6/6）。

Bt 层 2.5YR 4/8（湿）· 暗色来自腐殖质，红黄来自氧化铁

花岗岩烂成土

最下面的 R 层是坚硬的斑状花岗岩：较细的基质里嵌着大块的长石晶体。铁锹挖不动，裂隙少，根很难进去。

上面的 C 层是腐岩：岩石在原地风化，一部分矿物被溶走，岩石的纹理和构造还在，体积也几乎没变，却松得一捏就碎。Saw 的 C 层里，花岗岩碎粒和长石晶体占 20%，还有很多细小的云母片。

雨水溶进了空气和土里的二氧化碳，带一点酸性。拿钠长石来说，它的化学式是 NaAlSi₃O₈，和水、氢离子反应以后，变成一种黏土矿物：高岭石，化学式是 Al₂Si₂O₅(OH)₄；钠和硅溶在水里流走。含铁的矿物氧化，留下氧化铁。根把裂缝撑大，水结冰也会把裂缝胀开。

R 坚硬的花岗岩 · C 腐岩：保留岩石的构造，一捏就碎

五个因素

1941 年，Hans Jenny 在他的《成土因素》一书里，写下了一个式子：s = f(cl, o, r, p, t, …)。土由五个因素决定：气候、生物、地形、母质和时间。式子末尾的省略号，表示也许还有别的。他写道，这几样确定了，土就确定了。

这个想法更早就有了：1883 年，Dokuchaev 在《俄国黑钙土》里，已经把土看成气候、生物、母质、地形和时间共同作用的产物。

只换一个因素，土就不同。美国艾奥瓦州有两种土，都长在黄土上，气候也相近。橡树和山核桃林下的叫 Fayette，暗色的表土 8 厘⁠米，下面是一层浅色的淋溶层；高草草原下的叫 Tama，暗色的表层厚 46 厘⁠米，没有淋溶层。

Saw 土的母质是花岗岩；当地的年平均气温在 15⁠–⁠17 °C 左右，一年下雨大约 990⁠–⁠1,⁠250 毫⁠米；地上长着松树和橡树，土在山脊和坡上。它有多老，描述里没有写。

s = f(cl, o, r, p, t, …)：气候 · 生物 · 地形 · 母质 · 时间

一厘米要多久

土长得很慢，可到底多慢，答案差得很远。联合国粮农组织的一张海报说，形成 1 厘⁠米土“可能要 1,⁠000 年”；它的世界土壤日网页说的却是：1,⁠000 年“只能形成 2⁠–⁠3 厘⁠米”。这两句说的都是“最多可达”，不是平均。

汇编世界各地的测量，土壤生成速度的中位数约每年 0.017 毫⁠米，平均约每年 0.036 毫⁠米；照这两个数算，1 厘⁠米土要 590 年或 280 年左右（计算）。粮农组织 2015 年的报告说，土壤形成通常远低于每公顷每年 1 吨，中位数约 0.15 吨。

常规翻耕的农田里，土被冲走的速度，中位数约每年 1.5 毫⁠米，比土壤生成快一到两个数量级。山坡上的土原本在生成和流失之间大致平衡；雨水怎样把土冲走，见「雨水如何雕刻一座山」。

生成：中位数约 0.017 毫⁠米⁠/⁠年 · 翻耕农田的侵蚀：中位数约 1.5 毫⁠米⁠/⁠年

砂、粉、黏

土里直径小于 2 毫⁠米的颗粒叫细土。美国农业部是这样分的：砂粒在 2 到 0.05 毫⁠米之间，粉粒在 0.05 到 0.002 毫⁠米之间，黏粒比 0.002 毫⁠米还小；更粗的叫砾石。国际上通用的世界土壤资源参比基础（WRB）用的是另一条线：砂和粉以 0.063 毫⁠米为界。

砂、粉、黏各占多少，决定土的质地。美国农业部分成 12 类：比如壤土，黏粒 7⁠–⁠27%、粉粒 28⁠–⁠50%、砂粒不超过 52%；黏粒 40% 以上、砂和粉都不多的叫黏土。Saw 的 Bt 层就是黏土。台上的沉降瓶是示意：摇匀以后，砂最先沉到底，粉在中间，最细的黏粒沉得最慢。

黏土存的水最多，大部分却被黏粒抓得太紧，植物吸不出来；能给植物用的水，粉土、粉壤土一类最多，砂土最少，黏土并不更多。砂土的总孔隙并不比黏土多，只是孔大：饱和时，砂土每小时渗下约 21 厘⁠米，黏土约 0.06 厘⁠米，相差约 350 倍（计算）。

砂 2⁠–⁠0.05 毫⁠米 · 粉 0.05⁠–⁠0.002 毫⁠米 · 黏粒小于 0.002 毫⁠米（美国农业部）

土里活着的

一克土里可能有多达 10 亿个细菌、长达 200 米的真菌菌丝。线虫是土里数量最多的动物，全世界的土里约有 4.4 × 10²⁰ 条；每平方米的跳虫常有 1 万到 10 万只。

蚯蚓把土吞下去又排出来。1881 年，达尔文估计，英格兰很多地方每英亩每年有超过 10 吨干土穿过蚯蚓的身体、被带到地面，约合每平方米 2.6 千⁠克（计算）。菌丝把小颗粒缠成团粒，丛枝菌根真菌留下的一种黏性蛋白像胶一样把它们粘住。

土里还存着很多碳。按 IPCC 的碳循环图，多年冻土区以外的土壤约有 1.7 万⁠亿⁠吨碳，约是大气的两倍（计算）。碳怎样在空气、植物和土之间流动，见「温室效应」。

每克土：细菌多达 10 亿个 · 菌丝长达 200 米（粮农组织 2020）

一层一层分开

模型按发生层分成六块：O、A、E、B、C、R。分开以后，能看到每一层的上下两面。它们的边界起伏不平，有的清楚，有的渐变，不像沉积层那样平直。

根和 A 层连在一起：提起表土，根就从下面拖出来。指针停在哪一层上，那一层就被单独托起来，标出名字。

O · A · E · B（Bt 和 BC）· C · R