土壌

土壌（一般的には土とも呼ばれる）は、有機物、鉱物、ガス、水、そして生物が混ざり合ったもので、植物や土壌生物の生命を支えている。科学的な定義の中には、土と泥を区別し、前者を移動した土壌に限定するものがある。

土壌は、鉱物と有機物の固体集合体（土壌マトリックス）、ガス（土壌雰囲気）を保持する多孔質相（間隙空間）、およびイオンまたは分子の形で有機物と無機物の両方の溶解物質と水を保持する液体相（土壌溶液）から構成されています。^{[ 1 ] [ 2 ]}したがって、土壌は固体、液体、ガスの複雑な3状態システムです。 ^{[ 3 ]}土壌は、気候、地形（標高、方位、傾斜）、生物、土壌の母材（元の鉱物）が時間とともに相互作用するいくつかの要因の影響の産物です。 ^{[ 4 ]}土壌は、風化とそれに伴う侵食を含む、数多くの物理的、化学的、生物学的プロセスを通じて継続的に発達します。^{[ 5 ]}その複雑さと強い内部的つながりから、土壌生態学者は土壌を生態系とみなしています。^{[ 6 ]}

ほとんどの土壌の乾燥かさ密度（乾燥時の空隙を考慮した土壌の密度）は 1.1 ～ 1.6  g/cm ³ですが、土壌粒子の密度 ははるかに高く、2.6 ～ 2.7 g/cm ³の範囲です。^{[ 7 ]}地球上の土壌で更新世より古いものはほとんどなく、新生代より古いものはありません。[ ^{8 ]ただし}、化石化した土壌は太古代まで遡って保存されています。^{[ 9 ]}

地球の土壌全体を総称して土壌圏と呼ぶ。土壌圏は岩石圏、水圏、大気圏、生物圏と接している。^{[ 10 ]}土壌には4つの重要な機能がある。

• 植物の生育媒体として
• 水の貯蔵、給水、および浄水手段として
• 地球の大気を変化させるものとして
• 土壌生物の生息地として

これらの機能はすべて、土壌とその性質を変化させる。

土壌科学には、土壌学と土壌学という2つの基本的な研究分野があります。土壌学は、土壌が生物に与える影響を研究します。^{[ 11 ]}土壌学は、自然環境における土壌の形成、記述（形態）、および分類に焦点を当てています。^{[ 12 ]}工学用語では、土壌はレゴリスというより広い概念に含まれ、レゴリスには、月や他の天体で見られるような、岩盤の上にある他の緩い物質も含まれます。^{[ 13 ]}

土壌は、工学的媒体、土壌生物の生息地、栄養素と有機廃棄物のリサイクルシステム、水質の調整器、大気組成の調整器、植物の成長媒体として機能し、生態系サービスの極めて重要な提供者となっています。^{[ 14 ]}土壌には利用可能なニッチと生息地の膨大な範囲があるため、地球の遺伝的多様性の大部分を占めています。1グラムの土壌には、何千種にも及ぶ数十億の生物が含まれており、そのほとんどは微生物で、まだほとんど調査されていません。^{[ 15 ] [ 16 ]}土壌の原核生物の平均 密度は1グラムあたり約10⁸^個体ですが、^{[ 17 ]海洋には海水1ミリリットル（グラム）あたり10⁷個体}以下の原核生物しかいません。^{[ 18 ]}土壌に保持されている有機炭素は、従属栄養生物が行う呼吸の過程を経て最終的に大気中に戻されますが、かなりの部分は土壌有機物の形で土壌中に保持されます。耕起は通常、土壌呼吸の速度を増加させ、土壌有機物の減少につながります。^{[ 19 ]}植物の根は酸素を必要とするため、通気性は土壌の重要な特性です。この換気は、相互に連結した土壌孔のネットワークによって実現され、雨水を吸収して保持し、植物が容易に吸収できるようにします。^{[ 20 ]}植物はほぼ継続的な水の供給を必要としますが、ほとんどの地域では断続的な降雨しか受けないため、土壌の保水能力は植物の生存に不可欠です。^{[ 21 ]}

土壌は不純物を効果的に除去し、^{[ 22 ]}病原体を殺し、^{[ 23 ]}汚染物質を分解することができ、この最後の特性は自然減衰と呼ばれます。^{[ 24 ]}通常、土壌は酸素とメタンの正味吸収を維持し、二酸化炭素と亜酸化窒素の正味放出を受けます。^{[ 25 ]}土壌は植物に物理的な支持、空気、水、温度調節、栄養素、毒素からの保護を提供します。^{[ 26 ]}土壌は死んだ有機物をさまざまな栄養素の形態に変換することにより、植物や動物にすぐに利用できる栄養素を提供します。^{[ 27 ]}

土壌は地球の生態系 の主要な構成要素です。世界の生態系は、土壌で行われるプロセスによって広範囲にわたって影響を受け、その影響はオゾン層の破壊や地球温暖化から熱帯雨林の破壊や水質汚染まで多岐にわたります。地球の炭素循環に関して、土壌は重要な炭素貯蔵庫として機能し^{[ 28 ]}、人間の撹乱^{[ 29 ]}や気候変動^{[ 30 ]}に対して最も反応しやすいものの1つである可能性があります。地球が温暖化すると、高温での生物活動の増加により土壌から二酸化炭素が大気中に放出され、正のフィードバック（増幅）が起こると予測されています^{[ 31 ]} 。しかし、この予測は、土壌炭素回転に関するより最近の知見を考慮すると疑問視されています^{[ 32 ] 。}

一般的な土壌は、約 50% が固形分 (45% が鉱物、5% が有機物)、50% が空隙 (または孔隙) で、その半分は水、半分はガスで占められています。^{[ 33 ]}土壌の鉱物と有機物の割合は (短期的には) 一定とみなすことができますが、土壌の水とガスの割合は非常に変動しやすいと考えられており、一方の増加は同時に他方の減少によって相殺されます。^{[ 34 ]}孔隙空間は、空気と水の浸透と移動を可能にし、どちらも土壌に生息する生命にとって不可欠です。^{[ 35 ]}土壌の一般的な問題である圧縮、特に重機の通行下では、^{[ 36 ]}この空間が減少し、空気と水が植物の根や土壌生物に到達するのを妨げます。^{[ 37 ]}

十分な時間が経過すると、未分化の土壌は、土壌層と呼ばれる 2 つ以上の層からなる土壌プロファイルを発達させます。これらの層は、質感、構造、密度、多孔性、粘稠度、温度、色、反応性などの 1 つ以上の特性が異なります。^{[ 8 ]}土壌層の厚さは大きく異なり、一般的に明確な境界はありません。土壌層の発達は、母材の種類、母材を変化させるプロセス (鉱物風化など)、およびそれらのプロセスに影響を与える土壌形成要因に依存します。土壌特性に対する生物学的影響 (生物攪乱など) は地表付近で最も強く、土壌特性に対する地球化学的影響は深さとともに増加します。成熟した土壌プロファイルには、通常、A、B、C の 3 つの基本的なマスター層が含まれます。土壌層には通常、A 層と B 層が含まれます。土壌の生物成分は主に土壌層に限定され、一般的に A 層でより顕著です。^{[ 38 ]}ペドンとは、地表から下層の母材まで垂直に伸び、そのすべての層の特徴を示すのに十分な大きさの土壌の柱であり、腐植ペドン（ほとんどの土壌生物が生息する生きた部分で、腐植形態に対応）、コペドン（中間位置で、鉱物の風化の大部分が起こる場所）、およびリソペドン（下層土と接触している部分）に細分化できることが示唆されている。^{[ 39 ]}

土壌の質感は、土壌を構成する砂、シルト、粘土といった個々の粒子の相対的な割合によって決まる。

個々の鉱物粒子が有機物、水、ガスと生物学的および非生物学的プロセスを介して相互作用すると、これらの粒子が凝集（くっつき合う）して集合体またはペッドを形成します。^{[ 40 ]}これらの集合体が識別できる場合、土壌は発達していると言われ、色、多孔性、粘稠度、反応（酸性度）などの観点からさらに説明できます。

水は、土壌を構成する物質の溶解、沈殿、侵食、輸送、堆積に関与するため、土壌の発達において重要な因子である。^{[ 41 ]}土壌の孔隙空間を占める水と溶解または懸濁物質の混合物は、土壌溶液と呼ばれる。土壌水は決して純水ではなく、数百種類の溶解した有機物や鉱物物質を含んでいるため、より正確には土壌溶液と呼ばれるかもしれない。水は、土壌断面からの鉱物の溶解、沈殿、浸出の中心である。最後に、水は土壌に生育する植生の種類に影響を与え、それが土壌の発達に影響を与える。これは、半乾燥地域の縞状植生パターンの動態に例示される複雑なフィードバックである。^{[ 42 ]}

土壌は植物に栄養素を供給しますが、そのほとんどは粘土や有機物（コロイド）の粒子によって保持されています^{[ 43 ]} 。栄養素は粘土鉱物の表面に吸着したり、粘土鉱物内に結合したり（吸収されたり）、生きている生物や死んだ土壌有機物（腐植）の一部として有機化合物内に結合したりします^{[ 44 ]} 。これらの結合した栄養素は土壌水と相互作用し、土壌が湿ったり乾いたり、植物が栄養素を吸収したり、塩類が溶脱したり、酸やアルカリが加えられたりする際に、土壌溶液の組成を緩衝します（土壌溶液の変化を緩和します）^{[ 45 ] 。}

植物の栄養素の利用可能性は土壌pHに影響されます。土壌pHは土壌溶液中の水素イオン活性の尺度です。土壌pHは多くの土壌形成要因の関数であり、一般的に風化が進んでいる場所では低くなります（より酸性になります） 。 ^{[ 46 ]}

大気から固定される窒素を除くほとんどの植物栄養素は、土壌母材を構成する鉱物に由来します。一部の窒素は、希硝酸やアンモニアとして雨からも供給されますが、^{[ 47 ]}窒素の大部分は、ジアゾ栄養細菌（例えば、ヘテロシストを持つシアノバクテリア、クロストリジウム）による窒素固定の結果として土壌中に存在します。土壌植物系に入ると、ほとんどの栄養素は、生物、植物および微生物の残渣（土壌有機物）、鉱物結合型（腐植）、および土壌溶液を通じてリサイクルされます。土壌生物（微生物、動物、植物の根）と土壌有機物は、このリサイクル、ひいては土壌形成と土壌肥沃度にとって非常に重要です。^{[ 48 ]}微生物酵素は、植物や他の微生物が利用できるように鉱物や有機物から栄養素を放出したり、それらを生細胞に隔離（取り込む）したり、揮発（ガスとして大気中に放出される）や浸出によって土壌から栄養素を失わせたりする可能性がある。^{[ 49 ]}

土壌は、有機物が蓄積し、コロイドが下方へ洗い流されて粘土、腐植、酸化鉄、炭酸塩、石膏の堆積物が残り、B層と呼ばれる明確な層が形成されるときに形成されると言われています。砂、シルト、粘土、腐植の混合物はそれ以前にも生物活動や農業活動を支えているため、これはやや恣意的な定義です。 ^{[ 50 ]}これらの構成要素は、水（浸出）と動物の活動（生物攪乱）によってある層から別の層へと移動します。その結果、土壌断面に層（地層）が形成されます。土壌内の物質の変質（風化）と移動により、特徴的な土壌地層が形成されます。しかし、最近の土壌の定義では、火星で形成されたレゴリス^{[ 51 ]}や地球の砂漠の類似条件^{[ 52 ]}など、有機物を含まない土壌も含まれるようになっています。

土壌の発達の例としては、溶岩流の岩盤の風化から始まり、土壌のテクスチャーを形成する純粋な鉱物ベースの母材が生成されます。土壌の発達は、温暖な気候で、頻繁で激しい降雨がある最近の溶岩流のむき出しの岩から最も急速に進みます。このような条件下では、有機物が非常に少ないにもかかわらず、植物（最初の段階では窒素固定地衣類とシアノバクテリア、次に岩石付着性の高等植物）が玄武岩溶岩上に非常に早く定着します。 ^{[ 53 ]}玄武岩鉱物は、一般的に、 Goldich溶解系列に従って比較的早く風化します。^{[ 54 ]}植物は、岩から溶解した鉱物を運ぶ栄養分を含む水で満たされた多孔質の岩によって支えられます。岩の局所的な地形である割れ目やポケットには、細かい物質が保持され、植物の根が宿ります。植物の根の発達は、多孔質の溶岩を分解するのに役立つ鉱物風化菌根菌^{[ 55 ]と関連しており、これらの方法によって有機物とより細かい鉱物土壌が時間とともに蓄積されます。このような土壌発達の初期段階は、火山[ 56 ]}、インゼルベルク^{[ 57 ] 、氷河モレーン[ 58 ]}で記述されています。

土壌形成は、相互に関連する 5 つの土壌形成要因 (気候 (CL)、生物 (O)、地形または起伏 (R )、 母材(P)、時間(T)) によって支配され、これらが一体となって土壌の発達と進化を促進します。^{[ 59 ]}土壌形成要因は、しばしば CLORPT という頭字語で表されます。^{[ 60 ]}

土壌の物理的特性は、作物生産などの生態系サービスにとって重要度が低い順に、テクスチャ、構造、かさ密度、孔隙率、コンシステンシー、温度、色、抵抗率である。^{[ 61 ]}土壌テクスチャは、土壌分離物と呼ばれる 3 種類の土壌鉱物粒子 (砂、シルト、粘土) の相対的な割合によって決まる。次のより大きなスケールでは、鉄酸化物、炭酸塩、粘土、シリカ、腐植が粒子を覆い、それらをより大きく比較的安定した二次構造に付着させることで、ペッドまたはより一般的には土壌凝集体と呼ばれる土壌構造が土壌分離物から作られる。^{[ 62 ]}土壌かさ密度は、標準化された水分条件下で測定すると、土壌の圧縮の推定値となる。^{[ 63 ]}土壌孔隙率は、土壌体積の空隙部分で構成され、ガスまたは水で満たされている。土壌コンシステンシーは、土壌物質が互いにくっつく能力である。土壌温度と色は自己定義である。抵抗率とは電流の伝導に対する抵抗を指し、土壌に埋設された金属やコンクリート構造物の腐食速度に影響します。 ^{[ 64 ]}これらの特性は土壌断面の深さ、つまり土壌層によって変化します。これらの特性のほとんどは、土壌の通気性と、水が土壌に浸透して保持される能力を決定します。 ^{[ 65 ]}

土壌水分量は体積または重量で測定できます。土壌水分レベルは、水分量が多い順に、飽和、圃場容水量、萎凋点、風乾、オーブン乾燥です。圃場容水量とは、水分量が重力と平衡に達したときの排水された湿った土壌の状態を表します。圃場容水量を超えて土壌に灌漑すると、浸透損失のリスクがあります。萎凋点とは、植物の生育における乾燥限界を表します。生育期間中、土壌水分は植物の機能グループや種の多様性の影響を受けませんが、種の構成によって変化します。^{[ 66 ]}

有効水分容量とは、土壌断面に保持されている植物が利用できる水分量のことです。水分含有量が減少すると、植物は水を引き出すために、付着力と吸水性の増加に逆らって働かなければなりません。灌漑スケジュールは、ストレスが発生する前に枯渇した水を補充することで、水分ストレスを回避します。 ^{[ 67 ] [ 68 ]}

毛細管現象は、土壌の湿った領域から乾燥した領域へ地下水を移動させる役割を担っています。底面灌漑設計（例えば、ウィッキングベッド、底面灌漑プランター）は、植物の根に水を供給するために毛細管現象を利用しています。毛細管現象は塩分の蒸発濃縮を引き起こし、塩害による土地の劣化を招く可能性があります。^{[ 69 ]}

土壌水分測定（土壌の水分含有量を体積または重量で表す測定）は、現場プローブ（例：静電容量プローブ、中性子プローブ）またはリモートセンシング法に基づいて行うことができます。土壌水分測定は、土壌の生物学的活動の変化を決定する上で重要な要素です。^{[ 66 ]}

土壌の雰囲気、つまり土壌ガスは、上空の大気とは大きく異なります。微生物や植物の根による酸素の消費と二酸化炭素の放出により、酸素濃度は低下し、二酸化炭素濃度は上昇します。大気中の CO ₂濃度は 0.04% ですが、土壌の孔隙空間ではその 10 ～ 100 倍にもなる可能性があり、根の呼吸の阻害に寄与する可能性があります。^{[ 70 ]}石灰質土壌は炭酸塩緩衝作用によって CO 2 濃度を調節しますが、_酸性土壌では呼吸によって放出された CO ₂はすべて土壌孔隙系に蓄積されます。^{[ 71 ]}極端なレベルでは、 CO ₂は有毒です。^{[ 72 ]}これは、根や微生物の呼吸 (土壌呼吸とも呼ばれる) に対する阻害効果によって土壌 CO ₂濃度が負のフィードバック制御されている可能性を示唆しています。^{[ 73 ]}さらに、土壌の空隙は、少なくとも最大吸湿性に達するまでは水蒸気で飽和しており、それを超えると土壌の空隙空間で蒸気圧不足が発生します。 ^{[ 35 ]}十分な多孔性は、水の浸透を可能にするだけでなく、ガスが出入りできるようにするためにも必要です。ガスの移動は、高濃度から低濃度への拡散によって行われ、拡散係数は土壌の圧縮とともに減少します。^{[ 74 ]}上空の大気からの酸素は土壌中に拡散して消費され、上空の大気を超える二酸化炭素は、他のガス（温室効果ガスを含む）や水蒸気とともに拡散して排出されます。^{[ 75 ]}土壌の質感と構造は、土壌の多孔性とガス拡散に大きく影響します。土壌へのガスの拡散速度を決定するのは、孔径ではなく、土壌の総孔隙率（孔隙率）と孔隙の相互接続度（または逆に孔隙の密閉度）、水分含有量、空気の乱流、温度である。^{[ 76 ] [ 75 ]} Platy土壌構造と土壌の圧縮（低孔隙率）はガスの流れを妨げ、酸素不足は嫌気性細菌が硝酸塩NO _{3から N 2}、 N ₂ O 、および NOガスに還元（酸素を奪う）することを促し、これらのガスはその後大気中に放出され、それによって土壌から窒素が枯渇します。これは脱窒と呼ばれる有害なプロセスです。^{[ 77 ]}通気性のある土壌はメタン（CH ₄）の正味の吸収源でもありますが^{[ 78 ]} 、土壌から酸素が枯渇し、高温にさらされると、メタンの正味の生成源（強力な温室効果ガス）になります。 ^{[ 79 ]}

土壌大気は、炭素酸化物や窒素酸化物以外の揮発性物質が、根^{[ 80 ]} 、細菌^{[ 81 ] 、菌類[ 82 ]}、動物^{[ 83 ]などの様々な土壌生物から放出される場所でもある}。これらの揮発性物質は化学的シグナルとして利用され、土壌大気は相互作用ネットワーク^{[ 84 ] [ 85 ]}の場となり、土壌生態系の安定性、動態、進化において決定的な役割を果たしている^{[ 86 ]} 。生物起源の土壌揮発性有機化合物は地上大気と交換され、地上植生からの揮発性有機化合物よりもわずか1～2桁低い濃度である^{[ 87 ] 。}

干ばつ期間の後、浸透した雨水が土壌の雰囲気全体を洗い流したり、土壌が掘り起こされたりしたときに、よく知られている「雨上がりの」匂いを通して、人間は土壌の雰囲気をある程度把握することができます^{[ 88 ]。}これは、還元主義的な方法でペトリコールやジオスミンなどの特定の生化学物質に起因するとされる全体的な特性です。

土壌粒子は、その化学組成（鉱物組成）とサイズによって分類できます。土壌の粒度分布、つまり土壌のテクスチャは、その土壌の多くの特性、特に透水係数と水ポテンシャルを決定しますが^{[ 89 ]} 、これらの粒子の鉱物組成は、これらの特性を大きく変化させる可能性があります。最も細かい土壌粒子である粘土の鉱物組成は特に重要です。^{[ 90 ]}

土壌には多数の微生物、動物、植物、菌類が生息している。 ^{[ 91 ]}しかし、土壌の生物多様性は、そのほとんどが目に見えないため、研究がはるかに難しく、土壌の生物多様性に関する推定は不十分であった。最近の研究では、土壌は地球上の種の 59 ± 15% の住処である可能性が高いと示唆されている。土壌に生息する種の割合が最も高いのは、ミミズ科 ( Enchytraeidae ) (98.6%) で、次いで菌類 (90%)、植物 (85.5%)、シロアリ ( Isoptera ) (84.2%) となっている。他の多くの動物群も、土壌に生息する種の割合がかなり高く、例えば昆虫の約 30%、クモ類の約 50% である。^{[ 92 ]}ほとんどの脊椎動物は地上に生息しているが（水生種を除く）、多くの種は地中性、つまり土壌に生息している（例：モグラ、ホリネズミ、ハタネズミ、メクラヘビ）。これは、過去の地球規模の生態学的危機から受け継がれたと考えられている地下生活への適応である。^{[ 93 ]}

土壌の化学組成は、利用可能な植物栄養素を供給する能力を決定し、その物理的特性とそこに生息する生物の健康に影響を与えます。さらに、土壌の化学組成は、腐食性、安定性、汚染物質を吸収 し水をろ過する能力も決定します。土壌の化学的性質を決定するのは、鉱物および有機コロイドの表面化学です。 ^{[ 94 ]}コロイドは、1ナノメートルから1マイクロメートルまでの大きさの小さな不溶性粒子であり、流体媒体中で沈降せずにブラウン運動によって懸濁状態を維持できるほど小さいです。 ^{[ 95 ]}ほとんどの土壌には、腐植と呼ばれる有機コロイド粒子と、粘土の無機コロイド粒子が含まれています。コロイドの非常に高い比表面積と正味の電荷により、土壌はイオンを保持および放出する能力を持ちます。コロイド上の負に帯電した部位は、陽イオン交換と呼ばれる現象で陽イオンを引き付け、放出します。陽イオン交換容量は、乾燥土壌の単位重量あたりの交換可能な陽イオンの量であり、土壌100グラムあたりの正電荷イオンのミリ当量（または土壌1キログラムあたりの正電荷のセンチモル； cmol _c /kg ）で表されます。同様に、コロイド上の正電荷部位は土壌中の陰イオンを引き付けたり放出したりすることができ、土壌の陰イオン交換容量を与えます。 

植物の成長と繁殖には、17種類の元素または栄養素が不可欠です。これらは、炭素（C）、水素（H） 、酸素（ O）、窒素（N） 、リン（ P ）、カリウム（ K）、硫黄（S）、カルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）、鉄（Fe） 、ホウ素（B ）、マンガン（Mn）、銅（Cu）、亜鉛（Zn）、モリブデン（Mo）、ニッケル（Ni） 、塩素（Cl）です。^{[ 153 ] [ 154 ] [ 155 ]}植物がライフサイクルを完了するために必要な栄養素は、必須栄養素とみなされます。植物の成長を促進するが、植物のライフサイクルを完了するために必要ではない栄養素は、非必須栄養素とみなされます。二酸化炭素と水から供給される炭素、水素、酸素、および窒素固定によって供給される窒素を除いて、^{[ 155 ]}栄養素はもともと土壌の鉱物成分に由来します。最小律とは、土壌溶液中に利用可能な栄養素の形態が十分な割合で存在しない場合、植物は他の栄養素を最適な速度で吸収できないという法則である。^{[ 156 ]}したがって、植物の成長を最適化するには、土壌溶液の特定の栄養素比（化学量論）が必須であり、その値は植物の組成から計算された栄養素比とは異なる場合がある。^{[ 157 ]}

植物による栄養素の吸収は、植物が利用可能な形態で存在する場合にのみ進行します。ほとんどの場合、栄養素は土壌水から（または土壌水とともに）イオン形態で吸収されます。ミネラルはほとんどの栄養素の起源であり、土壌中のほとんどの栄養素の大部分は一次鉱物および二次鉱物の結晶形態で保持されていますが、それらは植物の急速な成長を支えるには風化が遅すぎます。たとえば、微粉砕した鉱物、長石、アパタイトを土壌に施用しても、ほとんどの栄養素がこれらの鉱物の結晶に結合したままであるため、植物の良好な成長に必要な量のカリウムとリンが十分な速度で供給されることはほとんどありません。^{[ 158 ]}しかし、植物は、直接的（二酸化炭素、有機酸、配位子などの風化剤など）および間接的（菌根菌、根圏細菌など）なさまざまなプロセスを通じて、鉱物の風化を促進し、それによって鉱物に結合した栄養素の利用可能性を高めることができます。^{[ 159 ] [ 160 ] [ 161 ]}

粘土コロイドや土壌有機物の表面に吸着した栄養素は、多くの植物栄養素（例えば、K、Ca、Mg、P、Zn）のより利用しやすい貯蔵庫となる。植物が土壌水から栄養素を吸収すると、可溶性プールは表面に結合したプールから補充される。微生物による土壌有機物の分解は、栄養素の可溶性プールを補充するもう1つのメカニズムであり、これは土壌から植物が利用できるN、S、P、Bを供給する上で重要である。^{[ 162 ]}

グラム単位で比較すると、腐植の栄養分と水分を保持する能力は粘土鉱物よりもはるかに大きく、土壌の陽イオン交換容量の大部分は有機物上の荷電カルボキシル基に由来する。 ^{[ 163 ]}しかし、腐植は一度水に浸されると水分を保持する能力が非常に高いにもかかわらず、その高い疎水性により乾燥すると濡れ性が低下し、これはヒステリシスと呼ばれる不可逆的なプロセスである。^{[ 164 ]}少量の腐植は、植物の成長を促進する土壌の能力を著しく高める可能性がある。^{[ 165 ] [ 162 ]}

土壌中の有機物は有機化合物で構成されており、植物、動物、微生物の物質（生きているものと死んでいるもの両方）が含まれます。典型的な土壌のバイオマス構成は、微生物が70%、大型動物が22%、根が8%です。1エーカーの土壌の生物成分には、ミミズ 900ポンド、菌類2400ポンド、細菌1500ポンド、原生動物133ポンド、節足動物と藻類890ポンドが含まれる場合があります。^{[ 166 ]}    

土壌有機物の数パーセントは、滞留時間が短く、死んだ有機物を分解する働きをする細菌、カビ、放線菌の微生物バイオマスと代謝物で構成されています。 [ 167 ^{] [ 168 ]これらの}微生物の鉱化作用がなければ、大気中の二酸化炭素全体が土壌中の有機物として隔離されるでしょう。しかし同時に、土壌微生物は安定した腐植の形成を通じて表土の炭素隔離に貢献しています。^{[ 169 ]}温室効果を緩和するために土壌により多くの炭素を隔離するという目的においては、落葉分解を減らすよりも腐植化を促進する方が長期的には効率的でしょう。^{[ 170 ]}

土壌有機物の大部分は、腐植または腐植物質と呼ばれる小さな有機分子の複雑な集合体である。明確な化学分類に基づかないこれらの用語の使用は、時代遅れとみなされている。^{[ 171 ]}他の研究では、古典的な分子の概念は腐植には適しておらず、2世紀にわたって行われた単位成分への分解の試みのほとんどを回避してきたが、それでも多糖類、リグニン、タンパク質とは化学的に区別されることが示されている。^{[ 172 ]}

土壌中の植物、動物、細菌、菌類を含むほとんどの生物は、有機物中の栄養素とエネルギーを変換し、その要求を満たすために有機物に依存しています。^{[ 173 ]}土壌にはさまざまな分解段階の有機化合物があり、その速度は温度、土壌水分、通気に依存します。^{[ 174 ]}細菌と菌類は未分解の有機物を餌とし、それを原生動物が餌とし、さらに線虫、環形動物、節足動物が餌とし、これら自身も未分解または腐植化した有機物を消費して変換することができます。これは土壌食物網と呼ばれ、消化器系のようにすべての有機物が処理されます。^{[ 175 ]有機物は土壌を開放し、空気[ 176 ]}と水^{[ 177 ]}の浸透を可能にし、その重量の2倍もの水を保持することができます。^{[ 178 ]}砂漠土壌や岩石砂利土壌など、多くの土壌には有機物がほとんど、あるいは全く含まれていません。^{[ 179 ]}泥炭（ヒストソル）のように、すべて有機物で構成されている土壌は不毛です。^{[ 180 ]}分解の初期段階では、元の有機物はしばしば生の有機物または新鮮な有機物と呼ばれます。分解の最終段階は腐植と呼ばれます。

草原では、土壌に加わる有機物の大部分は、深く繊維状の草の根系に由来します。対照的に、森林では、森林の地面に落ちた木の葉が土壌有機物の主な供給源です。もう 1 つの違いは、草原では火災が頻繁に発生し、地上部の大量の物質を破壊しますが、根からの有機物の供給をさらに促進することです。^{[ 181 ]}また、森林の下の酸性度がはるかに高いため、本来であれば地表の落葉を鉱物土壌に混ぜ込むはずの特定の土壌生物の活動が阻害されます。^{[ 182 ]}その結果、草原の下の土壌は、一般的に、森林の下の同等の土壌よりも厚いA 層を発達させ、有機物の分布がより深くなります。森林の下の土壌は、特徴的に有機物の大部分を森林の地面 ( O 層) と薄い A 層に蓄積します。^{[ 183 ]}

土壌の水平層で、その物理的特徴、組成、年代が上下の層と異なる層は、土壌層と呼ばれます。層の命名は、その層を構成する物質の種類に基づいています。これらの物質は、土壌形成の特定のプロセスの期間を反映しています。色、大きさ、質感、構造、一貫性、根の量、pH、空隙、境界特性、結節または凝結物の存在に関して層を説明する文字と数字の略記法を使用してラベル付けされます。[ ^{184 ]土壌}断面には、すべての主要な層があるわけではありません。エンティソルと呼ばれるものの中には、1 つの層しかないものや、現在層がないと考えられているものがあり、特に、未再生の鉱山廃棄物堆積物、^{[ 185 ]}モレーン、^{[ 186 ]}火山円錐丘、 ^{[ 187 ]}砂丘または沖積段丘からの初期土壌です。^{[ 188 ]}風や水の浸食によって切り落とされた土壌では、上層の土壌層が欠落している場合があり、同時に斜面下方に土壌層が埋没します。これは、耕起などの農業慣行によって悪化する自然プロセスです。^{[ 189 ]}樹木の成長も撹乱の原因の一つであり、樹木が枯死した後も土壌層に見られる微細な不均一性を生み出します。^{[ 190 ]}土壌プロファイルの最上部から最下部へと、ある層から別の層へと移動することで、堆積層のように土壌層に記録された過去の出来事を遡ることができます。^{[ 191 ]}土壌層中の花粉、有殻アメーバ、植物残骸をサンプリングすることで、土壌形成の過程で発生した環境変化（気候変動、土地利用の変化など）を明らかにするのに役立つ場合があります。^{[ 192 ]}土壌層の年代測定には、放射性炭素年代測定法などいくつかの方法があり、ミミズの活動やその他の機械的撹乱による土壌攪乱を受けない程度の大きさの木炭片を用いる。^{[ 193 ]}古土壌の化石土壌層は堆積岩中に見られることがある。配列は、過去の環境の研究を可能にする。^{[ 194 ]}

母材が好ましい条件にさらされると、侵食された土壌の場合のように、植物の生育にぎりぎり適した鉱物土壌が生成されます。 ^{[ 195 ]}植生の成長により、植物の地上部（落葉）の落葉として地面に落ちる有機残渣、または地下の植物器官（根の落葉）の落葉として地下で直接生成され、溶解した有機物を放出する有機残渣が生成されます。^{[ 196 ]}残りの表層有機層はO層と呼ばれ、その中に生息する生物の影響により、より活性な土壌が生成されます。生物は有機物をコロニー化して分解し、他の植物や動物が生息できる栄養素を利用可能にします。^{[ 197 ]}十分な時間が経過すると、腐植は下方へ移動し（浸出、溶脱）、A層と呼ばれる特徴的な有機鉱物表層に堆積します（集積）。この層では、穴を掘る動物の活動によって有機物が鉱物と混ざり合い、生物擾乱と呼ばれるプロセスが起こります。この自然プロセスは、強酸性、寒冷気候、汚染など、土壌生物にとって有害な条件が存在する場合には完了しません。これは、鉱物土壌の上に単一の有機層内に未分解の有機物が蓄積すること^{[ 198 ]}、および下層の鉱物層において腐植化した有機物と鉱物粒子が密接に混ざり合わずに並存することに起因します。^{[ 199 ]}

最初の土壌分類システムの 1 つは、1880 年頃にロシアの科学者ヴァシリー・ドクチャエフによって開発されました。 ^{[ 200 ]}これは、アメリカとヨーロッパの研究者によって何度も修正され、1960 年代まで一般的に使用されるシステムへと発展しました。これは、土壌はそれを形成する物質と要因に基づいて特定の形態を持つという考えに基づいています。1960 年代には、母材や土壌形成要因ではなく土壌形態に焦点を当てた別の分類システムが登場し始めました。それ以来、さらに修正が加えられています。世界土壌資源基準ベース^{[ 201 ]}は、土壌分類の国際的な基準ベースを確立することを目的としています。

米国では、土壌分類システム^{[ 202 ]}が使用されています。このシステムは、米国農務省天然資源保全局によって確立され、現在は土壌調査スタッフによって1999年に発行された第2版となっています。^{[ 203 ]}

土壌は農業で利用され、植物の基盤および主要な栄養源として機能します。土壌の種類と利用可能な水分によって、栽培できる植物の種類が決まります。農業土壌科学は、19 世紀に土壌学が登場するずっと以前から、土壌知識の原始的な領域でした。しかし、エアロポニックス、アクアポニックス、水耕栽培が示すように、土壌材料は農業にとって絶対的に不可欠なものではなく、土壌を使わない栽培システムは、際限なく増え続ける人類のための農業の未来であると主張されています。^{[ 204 ]}

土壌材料は、鉱業、建設業、景観開発業（ランドスケープアーキテクチャとも呼ばれる）においても重要な構成要素である。 ^{[ 205 ]}土壌は、ほとんどの建設プロジェクトの基礎となる。大量の土壌の移動は、露天掘り、道路建設、ダム建設などに関わることがある。アースシェルターは、建物の壁に外部の熱容量として土壌を使用する建築手法である。多くの建築材料は土壌をベースとしている。都市化による土壌の損失は多くの地域で急速に増加しており、自給農業の維持にとって重大な問題となる可能性がある。^{[ 206 ]}

土壌資源は環境だけでなく、食料や繊維の生産にも不可欠であり、人間が消費する食料の 98.8% を生産しています。^{[ 207 ]}土壌は、植物の栄養に関わるいくつかのプロセスに従って、植物にミネラルと水を提供します。土壌は雨水を吸収し、後で放出することで、洪水や干ばつを防ぎ、洪水調節は土壌が提供する主要な生態系サービスの 1 つです。^{[ 208 ]}土壌は、水が浸透する際に水を浄化します。^{[ 209 ]}

土壌は多くの土壌生物にとって主要な、あるいは唯一の生息地です。既知および未知の生物多様性の大部分は土壌中に存在し、ミミズ、ダンゴムシ、ヤスデ、ムカデ、カタツムリ、ナメクジ、ダニ、トビムシ、エンキトレウス、線虫、原生生物、細菌、古細菌、菌類、藻類などが含まれます。また、地上に生息するほとんどの生物は、体の一部（植物）を地下に持ち、生活環の一部を地下で過ごします（例：昆虫）。^{[ 210 ]}地上と地下の生物多様性は密接に相互に関連しているため、^{[ 183 ] ​​[ 211 ]}土壌保護はあらゆる復元または保全計画において最重要事項となります。

土壌の生物成分は、生物成分の約 57% が炭素であるため、非常に重要な炭素吸収源です。砂漠でさえ、シアノバクテリア、地衣類、コケ類が生物土壌クラストを形成し、光合成によってかなりの量の炭素を捕捉および隔離します。^{[ 212 ]}集約的な農業と放牧の方法により土壌が劣化し^{[ 213 ]} 、隔離された炭素の多くが大気中に放出されました。^{[ 214 ]}世界の土壌を回復させることで、温室効果ガスの排出量の増加と地球温暖化の影響を相殺し、作物の収量を向上させ、水の必要量を削減することができます。^{[ 215 ] [ 216 ] [ 217 ]}

廃棄物管理には土壌が関係することが多い。浄化槽排水処理場では、浄化槽からの排水を好気性土壌プロセスで処理する。 ^{[ 218 ]}廃水の土地への散布は、 BOD を好気的に処理するために土壌生物に依存している。^{[ 219 ]}あるいは、埋立地では、廃棄物堆積物を大気から隔離し、不快な臭いを防ぐために、土壌を日常的な覆いとして使用する。 ^{[ 220 ]}コンポスト化は現在、固形家庭廃棄物や沈殿槽の乾燥排水を好気的に処理するために広く使用されている。^{[ 221 ]}コンポストは土壌ではないが、コンポスト化中に起こる生物学的プロセスは、土壌有機物の分解と腐植化中に起こるプロセスと似ている。^{[ 222 ]}

有機土壌、特に泥炭は、重要な燃料および園芸資源として利用されています。泥炭土壌は、北欧諸国では農業のためにも一般的に利用されています。これは、泥炭地を排水すると、食料生産に適した肥沃な土壌が得られるためです。^{[ 223 ]}しかし、雨水によって供給されるミズゴケ湿原（湿原、ブランケット湿原、隆起湿原とも呼ばれる）のような広大な泥炭生産地は、その高い文化遺産価値のために、現在では脅威にさらされ、保護されています。^{[ 224 ]}例えば、スコットランドの起伏に富んだブランケット湿原が4,000平方キロメートルに及ぶフローカントリーは、現在ユネスコの世界遺産として認められています。現代の地球温暖化の下では、泥炭土壌は温室効果ガス（メタンと二酸化炭素）の排出量の増加と気温の上昇という自己強化（正のフィードバック）プロセスに関与していると考えられているが、 ^{[ 225 ]}野外規模で置き換えられ、植物の成長が促進された場合、この主張はまだ議論の的となっている。^{[ 226 ]}

土食とは、土のような物質を食べる行為である。動物も人間も、薬用、娯楽用、宗教的な目的で土を摂取することがある。^{[ 227 ]}一部のサルは、タンニンの毒性を軽減するために、好みの食物（木の葉や果実）と一緒に土を摂取することが示されている。 ^{[ 228 ]}

土壌は水をろ過して浄化し、その化学組成に影響を与えます。雨水や池、湖、川の水たまりは土壌層と上部の岩盤層を浸透して地下水になります。害虫（ウイルス）や残留性有機汚染物質（塩素系農薬、ポリ塩化ビフェニル）、油（炭化水素）、重金属（鉛、亜鉛、カドミウム）、過剰な栄養素（硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩）などの汚染物質は土壌によってろ過されます。^{[ 229 ]}土壌生物は汚染物質をバイオマスとネクロマス（死んだバイオマス）に代謝または固定化し、^{[ 230 ]}それによって汚染物質を安定した腐植土に組み込みます。^{[ 231 ]}土壌の物理的完全性は、険しい地形での地滑りを避けるための前提条件でもあります。^{[ 232 ]}

土地劣化は、土地の機能能力を損なう人為的または自然的なプロセスである。^{[ 233 ]}土壌劣化には、酸性化、汚染、砂漠化、侵食、塩類化が含まれる。^{[ 234 ]}

砂漠化

砂漠化は、乾燥地帯や半乾燥地帯における生態系の劣化という環境プロセスであり、過放牧や薪の過剰採取など、人間活動の不適切な適応によって引き起こされることが多い。干ばつが砂漠化を引き起こすというのはよくある誤解である。^{[ 243 ]}乾燥地帯や半乾燥地帯では干ばつはよくあるが、適切に管理された土地は雨が戻れば干ばつから回復することができる。土壌管理ツールには、土壌の栄養分と有機物レベルの維持、耕起の削減、植生被覆の増加などがある。^{[ 244 ]}これらの慣行は、水分が利用可能な期間に侵食を抑制し、生産性を維持するのに役立つ。しかし、干ばつ中に土地の乱用が続くと、土地の劣化が進む。限界地への人口と家畜の圧力の増加は、砂漠化を加速させる。^{[ 245 ]}現在の気候温暖化が砂漠化を促進するのか抑制するのかについては疑問視されており、気温上昇に伴う降雨量の予測傾向に関する報告は矛盾しており、同じ国の中でも地域によって大きな相違が見られる。^{[ 246 ]}

侵食

土壌の侵食は、水、風、氷、重力による動きによって引き起こされます。複数の種類の侵食が同時に発生することもあります。侵食は風化とは区別されます。侵食は侵食された土壌を元の場所から運び去るからです（移動中の土壌は堆積物と呼ばれることがあります）。侵食は本来自然のプロセスですが、多くの場所で人間の活動、特に不適切な土地利用によって大きく増加しています。^{[ 247 ]}これには、大雨や強風時に土壌をむき出しにする農業活動、過放牧、森林伐採、不適切な建設活動などが含まれます。管理を改善することで侵食を抑えることができます。採用されている土壌保全技術には、土地利用の変更（侵食されやすい作物を草やその他の土壌結合植物に置き換えるなど）、農業作業の時期や種類の変更、段々畑の建設、侵食抑制被覆材（被覆作物やその他の植物を含む）の使用、建設中の攪乱の制限、侵食されやすい時期や急斜面などの侵食されやすい場所での建設の回避などがある。^{[ 248 ]}歴史的に、不適切な土地利用慣行による大規模な土壌侵食の最も良い例の 1 つは、風による侵食（いわゆるダスト ボウル）であり、1930 年代にアメリカとカナダのプレーリーを荒廃させた。当時、両国の連邦政府に奨励された移民農民が入植し、元の短草プレーリーを農作物や牧畜に転換した。

中国では、黄河中流域と長江上流域で深刻かつ長期にわたる水食問題が発生している。黄河からは毎年16億トン以上の堆積物が海に流れ込んでいる。この堆積物は主に中国北西部の黄土高原地域における水食（ガリー侵食） に由来する。^{[ 249 ]}

土壌パイピングは、土壌表面下で発生する特殊な土壌侵食の一種です。^{[ 250 ]}堤防やダムの決壊、陥没穴の形成を引き起こします。乱流は浸透流の河口から土壌を運び去り、下層土の侵食は上流に向かって進行します。^{[ 251 ]}活発な土壌パイプの排出端の外観を表すのに「砂噴出」という用語が使われます。^{[ 252 ]}

スメクタイトなどの膨潤性の高い特定の粘土を多く含む土壌は、しばしば非常に肥沃です。例えば、タイの中央平原のスメクタイトを豊富に含む水田土壌は、世界で最も生産性の高い土壌の一つです。しかし、灌漑集約型稲作における鉱物性窒素肥料と農薬の過剰使用は、これらの土壌を危険にさらしており、農家はコスト削減運用原則に基づく統合的な手法を導入せざるを得なくなっています。^{[ 256 ]}

しかし、熱帯地域の多くの農家は、耕作している土壌に有機物や粘土を保持するのに苦労している。例えば、タイ北部の低粘土土壌では、焼畑農業を放棄してより恒久的な土地利用に移行した結果、生産性が低下し、土壌侵食が増加した。^{[ 257 ]}農家は当初、シロアリ塚の材料から有機物や粘土を加えることで対応したが、シロアリ塚が希薄化するため、これは長期的に持続不可能であった。科学者たちは、スメクタイト系の粘土の一つであるベントナイトを土壌に加える実験を行った。国際水管理研究所（IWMI）の科学者がコンケン大学や地元の農家と協力して行った野外試験では、水と栄養分の保持に役立つ効果が見られた。農家の通常の慣行に加えて、1ライあたり200キログラム（1,300 kg/ha、1,100 lb/acre）のベントナイトを1回施用したところ、平均収量が73 %増加した。^{[ 258 ]}他の研究では、劣化した砂質土壌にベントナイトを施用すると、干ばつ年の作物の不作リスクが軽減されることが示された。^{[ 259 ]}  

2008年、最初の試験から3年後、IWMIの科学者たちはタイ北東部の250人の農家を対象に調査を実施し、そのうち半数が畑にベントナイトを施用していた。粘土を添加した農家の平均改善率は、粘土を使用していない農家よりも18%高かった。粘土を使用することで、より肥沃な土壌を必要とする野菜の栽培に切り替えることができた農家もいた。これにより、農家の収入が増加した。研究者たちは、タイ北東部の200人の農家とカンボジアの400人の農家が粘土の使用を採用し、さらに2万人の農家がこの新しい技術を導入したと推定した。^{[ 260 ]}

土壌の粘土分や塩分が多すぎる場合（例えば、塩類性ナトリウム土壌）、石膏、洗浄した川砂、有機物（例えば、都市固形廃棄物）を加えることで、組成のバランスが取れる。^{[ 261 ]}

栄養分が不足し、砂分が多すぎる土壌に、枝葉のチップや堆肥などの有機物を加えると、土壌の質が向上し、生産性が向上します。 ^{[ 262 ] [ 263 ]}

栄養分の乏しい熱帯土壌を改良するために木炭、より一般的にはバイオ炭を使用することは特筆すべきである。このプロセスは、安定した腐植の源としての土壌黒色炭素の興味深い物理的および化学的特性により、人為的なコロンブス以前のアマゾン黒土（テラ・プレタ・デ・インディオとも呼ばれる）の肥沃度が高いことに基づいている。^{[ 264 ]}しかし、あらゆる種類の炭化廃棄物を無秩序に使用すると、土壌生物と人間の健康を危険にさらす可能性がある。^{[ 265 ]}

土壌研究の歴史は、人間が自らの食料を確保し、家畜の飼料を調達するという切実なニーズと密接に結びついている。歴史を通じて、文明は土壌の利用可能性と生産性に応じて繁栄したり衰退したりしてきた。^{[ 266 ]}