土壌

構成

土壌は、岩石が風化して生成した粗粒の無機物（一次鉱物）やコロイド状の無機物（粘土鉱物あるいは二次鉱物）、生物の死骸などの粗大有機物、粗大有機物が微生物などの分解者の作用などによって変質して生じる土壌有機物（腐植）などを含む。
土壌の固体成分は粗に充填されているため、土壌は多くの間隙を持つ。土壌中の間隙は、土壌溶液と土壌空気によって満たされている。土壌溶液の主成分は水であり、この水に水溶性の塩基や有機物などが溶解している。土壌空気の主成分は二酸化炭素、窒素および水蒸気であり、酸素濃度は大気と比較して低い。土壌の間隙には、多くの土壌微生物や土壌動物が生息しており、土壌生物と呼ばれる。

研究の歴史

土壌研究の歴史は、人間が食料と飼料を生産するための差し迫った必要性と密接な関係がある。歴史を通して、文明の繁栄と衰退は土壌の生産能力の関数であったとされる。土壌が農業生産を支える力を「地力」と言い、古代エジプト以来のエジプト社会は、ナイル川の洪水によりナイル川デルタなど流域に運ばれた肥沃な土壌を使って農業を行い、食料を得てきた。一方でインダス文明、メソポタミア文明、マヤ文明、アステカ文明などの滅亡は、侵食や塩害といった土壌の荒廃が一因となった。
古代ギリシアの歴史家クセノポン（紀元前 450–355 年）は、「地面に生えているどのような雑草であっても、土に混ぜれば糞と同じように土壌を豊かにする。」と書いているため、緑肥のメリットを解説した最初の人であると評価できる。

間隙

間隙（孔隙、空隙）は土壌体積の中で鉱物や有機物のような固体によって占められていない部分であり、空気か水によって占められている。生産力のある中程度の土性の土壌では、間隙は土壌体積の50%程度を占める。間隙の大きさは大きな幅がある。最も小さなもの (<0.1 µm) はクリプトポア (cryptopore) で、水を保持する力がとても強いため植物は利用できない。植物が利用する水は、より大きいウルトラマイクロポア (ultramicropore) やメソポア (mesopore) (0.1–75 µm) の水である。さらに大きいマクロポア (>75 µm) は、圃場容水量において空気で満たされている。
土性は最小間隙の総体積を決める。すなわち、粘土は砂よりも小さな間隙を持ち、透水性は極めて低いのにも関わらず、間隙の総体積は砂よりも大きい。土壌構造は土壌の通気性、大きな間隙への影響が強いため、水の浸透と排水に影響を与える。耕起は大きな間隙の数を増やすという一時的なメリットがあるものの、土壌団粒が破壊されることによりすぐに劣化する。
間隙径分布は植物や他の生物による水と酸素の得やすさに影響する。大きな連続した間隙は空気、水、溶解した栄養分を速やかに移動させて供給し（透水性）、小さな間隙は降雨や灌漑のような水が供給される事象の間に水を蓄える（保水性）。間隙径に幅があることにより、間隙は様々な大きさの空間に分かれて、多くの微生物や動物が居住空間が分かれているために直接的な競合をしないという効果もある。そのため、土壌には非常に多くの生物種が生存しているだけでなく、機能的にも似通っている種（通常であれば競合するために淘汰されてしまうような種）が同じ土壌中に共存できるということが説明できる。

コンシステンシー

コンシステンシーは土壌が自分自身あるいは他の物質に粘着する力であり、変形や破壊に対抗する力である。農耕の問題をおおまかに予測するため、あるいは土質力学で使われる。国際連合食糧農業機関（FAO）によれば、コンシステンシーは3種類の水分状態で測定する。湿潤状態では粘性と塑性を評価し、乾燥状態では土壌試料をこすることで土壌の「ちぎれにくさ」を試験する。湿潤状態におけるせん断力に対する抵抗は指の圧力で評価する。さらに、結合コンシステンシー (cemented consistency) は粘土以外の炭酸カルシウム、二酸化ケイ素、酸化物や塩などの結合物質に依存し、水分状態はこの評価には影響しない。コンシステンシーの境界の評価は、土壌の状態のみかけの感触を使うため、pH のような他の測定値と比べると主観的になる。日本ペドロジー学会は、粘着性と可塑性を判定する指標をまとめている。
土壌のコンシステンシーはビルディングや道路を支持する力を見積もるために有用である。建設をする前には、しばしば土壌の強さがより正確に測定される。土質工学会が1973年に提案した日本統一土質分類法では、液性限界と塑性限界が土壌のコンシステンシーを評価する指標として取り入れられた。土の液性限界と塑性限界の試験法については、JIS A 1205 に規定されている。

色

土を見る時には、まず土の色 (en) に印象づけられることが多い。鮮明な色と対照的なパターンがあれば、特に注目される。アメリカ合衆国のレッド川は赤土が侵食された堆積物を運ぶ。中国の黄河は黄土が侵食された黄色い堆積物を運ぶ。グレートプレーンズのモリソル (en) は有機物に富み、暗褐色である。タイガのポドゾルは酸性と溶脱のために明瞭な層を形成する。
土の色は一般に有機物量、排水条件、酸化の度合いによって決まる。土の色は簡単に認識できるが土壌の性質を推測するためにはほとんど役に立たない。土壌断面観察において土壌層位の境界を見分ける時には役に立つ。土壌層位による色の違いは、土壌の母材、水分量と浸水条件、土壌中の有機物、酸化鉄、粘土の量の定性的な指標となる。土の色はマンセル・カラー・システムで 10YR3/4 のように記録される。ここで 10YR3/4 の 10YR は色相、3 は明度、 4 は彩度を表す。マンセルの色の三属性（色相、彩度、明度）は試料で平均して定量的なパラメータとして取り扱うことができて、土壌や植生の種類と強い相関を示す。
土の色は主に土壌鉱物に影響を受ける。多くの土の色は種々の鉄鉱物によるものである。土壌断面に発達する色の分布は化学的および生物的風化、特に酸化還元反応によるものである。土壌の母材の一次鉱物が風化すると、元素は新しい様々な色の化合物になる。鉄は黄色または赤色の二次鉱物となり、有機物は黒色と褐色の腐植となり
、マンガンと硫黄は黒い沈殿物を形成する。これらの色素は土壌中で様々な色のパターンを作る。酸素が豊富な環境では均一のあるいは緩やかな色の変化を生じるのに対し、酸素が乏しい環境では複雑な斑点模様や色の集積を伴う速やかな色の流れが生じる。

電気抵抗

土壌の電気抵抗 (en) は土壌が電流の伝導を妨げる力を表すものである。土壌の電気抵抗は、土壌と接触する金属建造物の電気化学的腐食 (en) に影響する。高い含水率あるいは高い電解質濃度は電気抵抗を下げて電気伝導を増加させ、腐食の速度を上げる。土壌の電気抵抗値は一般に 1 Ω·m（塩性土壌）から 100000 Ω·m（結晶質岩上の乾燥土壌）までの幅がある。

植物による吸水

植物による水と栄養の吸収も、土壌中の水の貯留と移動にとって同じように重要である。凝集力張力理論 (cohesion-tension theory) によれば、多くの土壌水は、水の蒸散する力が植物の根から葉までの木部樹液の水分通導に伝わって生じる吸収力によって植物に取り入れられる。水の上昇移動と溶液の再分配（水圧リフト hydraulic lift）は根の内皮、気孔の伝導力による植物の葉で制御され、根と茎の導管のキャビテーション（泡の発生）に阻害されることがあり、エンボリズム (xylem embolism) とも言われる。さらに、植物の根の高塩分濃度は土壌水から植物の根に向かっての浸透圧勾配を生じる。浸透圧による吸水は夜のような低温時と湿度が高いために蒸散が少ない時には重要になり、高温と低湿度時はその逆である。それぞれ溢液現象 (en) と、しおれの原因となる。
根の伸長は植物の生存にとって不可欠である。冬のライ麦を4ヶ月間、1立方フィート（0.0283 立方メートル）のローム土で育てた実験によれば、その植物は 13,800,000 本の根を伸ばし、長さは合計 620 km、表面積は 237 平方メートルとなった。また、毛根の長さは合計 10,620 km、面積は 400 平方メートル、表面積は 638 平方メートルであった。そしてローム土の総表面積は 52,000 平方メートルと推定された。すなわち、根は土壌の 1.2% としか接触していなかったことになる。しかし、根の伸長は、毎日新しい根が新しい土壌の体積を探し出し、ある期間に土壌中の探し出された体積は大きく増加し、その期間に根から吸収される水の体積も増加する、という動的な過程としてとらえるべきである。根の構造、すなわち空間的な根の配置は、植物の水と栄養の可用性に対する順応と、その結果としての植物の生産性にとって、重要な役割を果たしている。
不飽和水分移動は1日に 2.5 cm 以下であるため、根は水を探す必要がある。その結果、根は常に死滅と成長をしながら、土壌水分量が多いところを探し続ける。植物がしおれを引き起こすほどに土壌水分が不足すると、植物は恒久的な被害を受け、作物の収穫量は低下する。モロコシが種子の芽生え期間と結実段階に 1300 kPa の低サクションにさらされた時には、生産量が 34% 低下した。

水の消費と利用効率

植物が利用する水の中で、わずかな部分 (0.1% から 1%) だけしか植物の体内に残らない。ほとんどの水は、最終的には蒸散によって失われる。土壌表面からの蒸発も重要であり、蒸散量と土壌表面からの蒸発量の合計は蒸発散である。（蒸散 / 蒸発散）の比は植生の種類と気候によって変わり、熱帯雨林では大きく、ステップや砂漠では小さい。蒸発散量と植物中に保持される水の量の合計は消費利用量 (consumptive use) であり、蒸発散量とほぼ等しい。
農地における総水利用量は表面流出、排水と消費利用量の合計である。目の粗いマルチングは灌漑後の蒸発損失を減らすが、最終的には蒸発散量の合計はマルチングをしていない土壌に近くなり、植物の成長に直結する水の量は増える。水利用効率は蒸散率、すなわち植物による蒸散量を収穫後の植物の乾燥重量で割った値によって測定される。作物の蒸散率は 300 から 700 である。たとえば、アルファルファの蒸散率は 500 程度であるため、500 kg の蒸散によって乾燥重量 1 kg のアルファルファが生産される。

ガス

土壌中の空気、すなわち土壌ガス (en) は、大気とは極めて異なる。微生物と植物の根による酸素の消費と二酸化炭素（CO₂）の放出は、酸素濃度を下げて二酸化濃度を上げる。大気中の CO₂ 濃度は 0.04% であるが、土壌間隙中ではその 10 倍から 100 倍に達し、根の呼吸を抑制する働きがある。

固体の組成

土壌の粒子は大きさだけでなく化学組成（鉱物学）によって分類できる。土粒子の大きさの分布、すなわち土性は、土壌の多くの性質、特に透水係数と水ポテンシャルを決めるが、そのような性質は鉱物学的な性質によって強く変化させられる。最も粒径が小さい土粒子である粘土の鉱物学は特に重要である。

化学

土壌の化学的性質は植物に栄養を供給する能力を決め、土壌の物理性と微生物数に影響する。それに加えて、土壌化学は腐食性、安定性、水を浄化するための汚染物質の吸収性を決める。鉱物と有機コロイドの表面化学が土壌の化学的性質を決める。コロイドは、分子よりは大きく液体中を沈降せずに浮き続けていられるほどには小さい、不溶性・不拡散性の粒子である。多くの土壌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を含んでいる。コロイドのとても高い比表面積と電荷は土壌がイオンを保持したり放出したりする力の元となっている。コロイド表面の負電荷の場所は陽イオンを引きつけたり放出したりする。これを陽イオン交換と言う。陽イオン交換容量 (CEC) は単位質量の乾燥土壌が持つ交換性陽イオンであり、100 g の土壌あたりの陽イオンのミリグラム当量（あるいは1キログラムの土壌あたりの正電荷センチモル cmolc/kg）で表される。同様に、コロイドの正電荷がある場所は陰イオンを引きつけて解放し、土壌に陰イオン交換容量 (AEC) を与える。

栄養素

植物の成長と繁殖に必要な16種類の元素は、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である。植物の生活環を完結するために必須の栄養素を必須栄養素と言う。植物の成長を促進するが、生活環を完結するために必須ではない栄養素は非必須であるとされる。炭素、水素、酸素は二酸化炭素と水から供給され、窒素は窒素固定によって供給されるが、それ以外の栄養素は全て土壌の無機成分に由来する。

有機物と生物

土壌有機物は有機化合物によって構成され、土壌中に存在する生きている動植物以外の全ての有機物質である。動植物の遺体や排泄物、それらを分解する過程で生じる腐植物質、土壌微生物の細胞、土壌微生物が合成した物質がある。
典型的な土壌のバイオマス構成は 70% が微生物、22% が大型動物（肉眼で見える程度の大きさの動物）、8%が根である。
土壌中には、多数の土壌生物が住んでいる。その多くは土壌中にのみ生活しているものである。
動物の場合、これを土壌動物という。大きいものではモグラやミミズ等が穴を掘って生活しており、中型～小型のものには落ち葉や土の間に生活する昆虫やダニなど、小さなものでは落ち葉表面の水に生活する原生動物などが含まれる。
微生物も重要である。カビやキノコなどの菌類、細菌類といった土壌微生物も極めて多数生活している。土壌中の従属栄養性の微生物は、生物遺体や排泄物あるいは有害な有機化合物等を分解して、二酸化炭素や水などに変換し、大]や地下水などへ放出する。土壌には、植物の根と共生して養分を供給する菌根菌や根粒菌などが生息し、植物の生育を支えている一方、動植物の生育を阻害する多くの病原微生物も生息している。
これらの生物は堆積する植物遺体の分解や、土壌の撹拌をすることで、土壌の形成に大いにかかわっている。

層位

土壌は、その構成成分の供給と消失の様式によって、土壌層が積み重なった形状を示すことが多い。土壌層とは、土壌への物質の供給と消失の様式によって形成される平行な境界を持つ層のことである。
例えば、土壌の表層部に植物遺体などの粗大有機物が集積する場合には、この表層部はO層（Organic層）と呼ばれる。O層の下部には、粗大有機物が分解あるいは溶脱されて生じた黒色の層（A層）が観察されることが多い。また、有機物に由来する黒色化が不十分で、風化が進行した鉱物質の層はB層と呼ばれ、風化が十分に進行していない岩石層（母岩）はC層などと呼ばれる。
土壌層は、土壌を分類するための重要な指標とされている。
なお日本の考古学の分野でも、遺跡を構成する土壌を層序学的に分層した「土層」と言う概念が存在するが、本項のような土壌学的な土壌層とはその定義や認識が大きく異なるものである。

利用

土壌は建物などの構築のほか、農業で利用され、後者では植物にとって主要な栄養供給源となっている。不足する栄養を補うため肥料の使用（施肥）が行われる。砂漠であっても、不足する栄養と水をピンポイントで与える点滴灌漑で農業は可能である。
水耕栽培で立証されたように、土壌中の栄養が水中に溶解していれば植物は生育できる。土壌の種類と利用可能な水の量が栽培できる植物の種を決める。

劣化

土壌の劣化 (en)あるいは土壌劣化は、人間あるいは自然による土地の機能を害するような変化の過程である。土壌劣化には土壌の酸性化 (en)、土壌汚染、砂漠化、侵食、塩害が含まれる。
農作物の生育と収穫で、土壌中の栄養が減少することも多い。対策としては施肥や、土に有機物などを補給する他の植物との輪作などがある。

改良

スメクタイトのような特定の粘土を多く含む土壌は、とても肥沃な土であることが多い。たとえば、タイ中部の平地は世界で最も農業生産力の高い地域の1つである。
しかし、多くの熱帯の農家では、土壌に有機物を保持することに苦労している。たとえば、タイ北部の粘土が少ない土壌で生産力が低下した時に、農家はシロアリの巣から有機物を持ってきて加えたが、長期的には持続しなかった。そこで、科学者が土壌にスメクタイトの一種であるベントナイトを加えた。