當你問「這是什麼土?」–土壤學家想的是...該說到哪

到底是哪種土,是個大哉問。可從地質學、氣候學、土木學、水文學、應用角度切入,也可直接依顆粒大小分成黏土、壤土和砂土簡要說明,那土壤分類系統怎麼說呢?

美國土壤分類學是透過觀察在土壤中所出現不同特徵的診斷層(diagnoistic horizon)的分布和分析結果,來判定土壤的種類。
田間採集土樣

土壤診斷層是土壤進行化育作用後呈現相對均一的特徵,作為美國土壤分類系統的依據,依常發生位置分成接近地表的表育層(epipedon)和底層的化育層(horizon),根據土壤生成作用使剖面呈現不同診斷層的分布和組合,判定所屬的土綱加以分類後,再加上土壤水分境況(Soil Moisture Regimes)和溫度境況(Soil Temp. Regimes),也就是水分和溫度的變化,或其他特徵例如有機質的分解狀況,成為亞綱、大土類的分類依據持續分類下去。

在英文中,土壤的命名是以有涵義的字根組合成的新造字,其實很像我們的會意字,所以我們可以從大土類的名稱來推論土壤的分類和性質:舉「嚴寒氾原新成土Cryofluvents」(大土類)為例:

土壤可根據其科學名稱了解生成環境,概念與會意字相當。

不論從中文或英文,我們都可以知道嚴寒氾原新成土是一種在寒冷(0-8°C)環境中氾濫平原(生成的環境或原因)的新成土。每個土綱生成作用受環境影響(亞綱的分類依據),所以實際上單個土綱的亞綱頂多8個,造字元素總共約25個,所以分類金字塔頂端的12個土綱,才會延伸出68個亞綱,以後看到土壤的科學名稱就不會那麼害怕了。

那麼,土壤剖面必提的(O)、A、(E)、B、C呢?

國立編譯館年代生物課本的(O)、A、(E)、B、C,是俄國學家Dokuchaev在1880年代提出的土壤分類系統,經學者不斷開發,演變成美國1975年公告的土壤分類系統(Soil Toxonomy)。美國土壤分類系統保留當初系統各分層的相對位置和主要作用的概念並且沿用至今,供初學者理解土壤分層化育的學習架構,但部分原始分類的名詞和標示,經過整理已逐漸不再採用。但是留有的反而與診斷層的分類方法造成混淆,所以特別區分兩個是類似但不同的概念。

傳統土壤A、B、C標示法與美國土壤分類法兩個分類系統裡重疊的部分容易造成混淆,繪製對照圖以區分概念。

A、B、C標示方法主要用於標示土壤剖面,為精確標示土壤剖面各層的特性,會在大寫字母(O、A、E、B、C)加上「下標」的小寫字母,做為表示性質的代號,例如B層累積大量的碳酸鈣,會以Bk標示土層在土壤剖面的位置,這一個在B層出現的特徵診斷層在土壤分類系統中稱為聚鈣層(calcic horizon)。如果經由人為客土(添加外來土)形成A層和C層,則會增加一個「^」的符號,成為^A-^C-2A-2B,以和原始環境區別。

來複習一下土壤剖面:

O層(Organic):特徵是含有豐富的、未完全分解的動、植物殘餘物及腐植質所組成的有機質,容易在多雨、有機質分解速度較慢(主要仰賴真菌分解)的森林環境累積,較不容易在相對乾燥加上有機質分解快速(主要仰賴細菌分解)的草原生態發現。依分解程度低到高的程度,縮寫代號分成Oi層(含纖維(fibric)物質)、Oe層(含半分解纖維(hemic)物質)、Oa層(含高腐(sapric)植質)。美國土壤分類系統土綱之一的有機質土(histosols)的特徵就是具有機質表育層,換句話說,有機質土主要由O層構成。

A層(淋餘層):有機質與礦物質的混合層,受到水分和重力影響,進行淋溶作用(eluviation),較細的黏土顆粒和可溶性的鹽類被帶往下個B層累積,因此含有上層的腐植質,顏色較暗沉,質地較粗糙。在水分充足,淋溶作用旺盛的情況下,可能剩下石英等耐風化的礦物,呈現白色,也就出現所謂的E層(淋洗層)。此分類法的E層套用在美國分類系統的話,即為漂白(化育)層或舌狀(化育)層。

B層(澱積層):進行累積洗入物質的澱積作用(illuvation),累積鐵鋁氧化物或矽酸鹽黏土,或由下層風化作用自身合成礦物的影響,質地比A層細緻,存在鐵鋁氧化物等常呈現紅色或較E層黑的外觀。在乾燥的環境,容易因為蒸散作用析出鈣化物,以Bk標示,形成所謂的聚鈣層(calcic horizon)。如果土壤生成時間不夠久,不容易觀測到。

C層(風化層)由岩石、初始風化碎裂之岩屑與些微土壤構成,土壤的化育作用與生物影響皆非常薄弱,質地比B層粗。R層(母岩層):即未風化的母岩,通常為岩石或磚塊。

以上簡要複習土壤剖面,有一點要說明的是,A、B、C土壤剖面標示是假(想)的!是假(想)的!是假(想)的!田間不會A、B、C每層都存在,各層沒有一定的厚度、分布深度和界線。

土壤剖面隨時間的生成與演進。圖片來源:南一書局 高中地理 第一冊 第15章

實際上剖面有可能因為生成時間短不夠化育,或是因為人為或自然侵蝕作用,使得原地的剖面沒有A層甚至B層,然後另一個只有岩石(R)的地方,被覆蓋了剛剛遷移的A、B層,它的剖面就只有A、B、R層了。一般田間也少有清楚的分層,各土層間有過渡帶,會特別標示範圍,例如E、B層中,過渡帶靠近E層的會標示為EB層,靠近B層的標示為BE層,以利區分。

土壤分類學的意義是在於將不同特性的土壤加以歸類,以作為妥善、精確利用土地資源的參考。

兩個分類概念介紹下來,知道回答「這是什麼土」的難處了。在台灣,主要進行土壤的研究單位是行政院農委會農業試驗所,土壤學的學者、教授和學生到台灣各地採集土樣,拼出台灣的土壤地圖, 相關結果可在土壤資料庫系統擴展與在國土保安應用網站查詢。(之後會跟大家介紹)

最後順便介紹一下土壤剖面的製作方法:標準方法是用土鏟挖一公尺見方(以人可進入和轉身,不碰到土面的大小為原則)的坑洞來觀察土壤剖面。但不是所有的地方都可以挖,一般還是以土鑽取各層土樣進行分析和鑑定(如圖一)。以木箱套住固定取下後,再以樹脂固定完成。完全是體力活。

圖片來源:土壤調查與整治研究室

小結:雖然土壤分類顯得有點枯燥,但土壤科學大部分是蠻浪漫的,像戀人般要不斷的假說和試驗,常常在論文的結尾看到:推論是土壤的緩衝作用或其他未知的因素影響,實驗結果無顯著差異。(碩士生的哀愁)

然後就是...下一篇一定介紹12種土綱

不想說拍攝日期的土壤學實習

備註:美國分類系統從1975至今發展已久,中英文翻譯不同,因此在科學名詞後附上英文名詞供參考。