土壌
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。
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。
土壌は侵食による風化など、多くの物理的、化学的、生物的過程によって常に変化している。土壌はとても複雑で強い内部相互作用を持つ生態系である。
多くの土壌の仮比重(水がない状態での間隙を含んだ土壌の密度、乾燥密度とも言う)は 1.1 から 1.6 g/cm であり、土粒子そのものの密度は 2.6 から 2.7 g/cm とずっと大きい。地球上には更新世よりも古い土壌はほとんどなく、新生代よりも古い土壌は全くない。ただし、太古代の土壌が化石土壌として残っていることがある。
土壌学はエダフォロジー (edaphology) とペドロジー (pedology) に分かれる。エダフォロジーは土壌が生物に与える影響を研究する。ペドロジーは自然環境における土壌の形成、状態の記述、分類をする。工学的には土壌はレゴリスに含まれる。レゴリスには母岩の上の土壌以外の物質も含まれ、地球以外の天体にも存在する。
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。
その状態では、植物は水を吸い上げるために吸引圧をかける必要がある。この圃場容水量の状態から、植物が利用できる水の量を有効水分量という。有効水分量を利用しきってしまうと、残りの水は植物が吸い上げる力が足りなくて利用することができないので、そのような植物が利用できない水の量を無効水分量という。その時の吸引圧は 1500 kPa (15 bar) の永久しおれ点であり、種は発芽せず、植物はしおれてやがて枯死する。水は重力、浸透圧、毛細管現象の影響を受けて移動する。水が土に入ると、土壌中のマクロポアから空気を浮力によって追い出し、団粒中に空気を封入させて団粒を破壊する。この現象をスレーキング (en) という。
土壌が水を吸収する速度は土壌の性質とその他の条件に依存する。植物が成長すると、根はまず大きな間隙(マクロポア)から水を取り入れる。すぐに大きな間隙は空気だけになり、残りの水は中程度あるいは小さなサイズの間隙にだけ存在するようになる。最小間隙の水は土粒子の表面にあまりにも強く結合していて、根はそれを引きはがすだけの力を持っていない。そのため、土壌中の全ての水が植物にとって利用可能でなく、利用可能な水の量は土性に強く依存する。
形状: ペッドの形と配列によって区分する。 板状 (Platy): 厚さ 1–10 mm のペッドが平板状に重なる。森林土壌のA層と池の沈積物に見られる。 柱状 (Prismatic): 鉛直に長く、幅は 10–100 mm である。上部が平らな角柱状 (Prismatic) と上部が円形の円柱状 (Columnar) に分かれる。ナトリウム土壌のB層に粘土が集積すると生じやすい。 塊状 (Blocky): 不完全な 5–50 mm の立方体の角形のペッド。鋭い角を持つ角塊状 (Angular) と滑らかな角を持つ亜角塊状 (Subangular) に分かれる。粘土が集積したB層に生じやすく、水の浸透が少ないことを示唆している。 粒状 (Granular): 1–10 mm の多面体の長球状のペッド。粒状 (Granular) と屑粒状 (団粒状; Crumb) に分かれ、屑粒状の方がより多孔質で理想的であるとされる。有機物があるA層でよく見られる。
大きさ: ペッドの最小径によって区分する。ペッドの形状によって大きさの分類が異なる。
吸着力が水を鉱物や腐植の表面に強く結合させ、水同士の結合力はそれよりも小さい。植物の根は土壌に吸着しているとても体積が小さい水があるところに侵入することがある。最初は弱い結合力によって保持されている水を吸い込むことができるが、そのような水滴が吸い込まれてなくなってしまうにつれて、土壌に水が吸着する力の強さは表面張力によって徐々に大きなサクションを生じるようになり、やがて 1500 kPa (pF = 4.2) に到達する。サクション 1500 kPa における土壌水の量を永久しおれ点と言う。植物は蒸散によって水が失われ続けるため、永久しおれ点では必要な水を得ることができなくなり、植物の膨圧が失われてしおれる。ただし、特に乾燥に対する適応や順応があると、気孔が閉じて蒸散が減り、永久しおれ点からしおれるまでの時間を遅らせることがある。さらに乾燥が進むと、サクション 100 MPa (pF = 6) で風乾となり、1000 MPa (pF = 7) で炉乾となる。永久しおれ点で残っている水を無効水分量という。
植物の成長にとって適している土壌水分量では、大から中サイズの間隙の水が土壌中を移動して植物にとって利用しやすい状態にある。圃場容水量と有効水分量は土壌の種類によって異なる。砂質土は保水量が少なく、粘土は保水量が最も大きい。この表のように、シルトロームの有効水分量は体積で 20% 程度であり、砂の有効水分量は 6% 程度である。
上の表は土性ごとの平均値である。