土壌
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。
そのため、カナダの一部の永久凍土地帯ではカナダトウヒが生育し、針葉樹の木化していない若い根は凍結に対する耐性がほとんどないが、木化して二次細胞壁によって守られているカナダトウヒの根は 5〜20 °C では影響を受けなかった。
木の根にとって最適な温度は一般に 10 から 25 °C の範囲であり、トウヒでもその範囲である。2週間成長した白いトウヒの苗を 15, 19, 23, 27, 31 °C で生育したところ、苗条の高さと乾燥質量、茎の直径、根の伸長、体積と乾燥質量は、全て19 °C で最大となった 。
しかし、trembling aspen や balsam poplar のようなポプラでは 5 から 25 °C までの土壌温度と生育に強い正の相関が見られるにも関わらず、トウヒでは土壌温度が上昇してもほとんど変化はない。そのような低温に対する反応性の低さは、多くのカナダ西部の針葉樹に共通している。
地球温暖化によって土壌温度が上昇することによる気候変動へのフィードバック効果については、有機物の分解が促進されて気候変動が促進されるという正のフィードバック効果と、二酸化炭素貯留を促進して気候変動が抑制されるという負のフィードバックの2つが議論されている。最大の懸念は永久凍土が融解して貯留されていた炭素が放出され、生態系が崩れることである。
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。
より小さいスケールでは、植物の根は大きな間隙(マクロポア)の中を伸長して水を吸い上げるため、マクロポアの体積を大きくして間隙率を小さくし、団粒をより小さくする。それと同時に、根毛と菌類の菌糸はペッドを破壊しながら小さな通り道を作る。
さらに小さいスケールの土壌の団粒化は、細菌や菌類が粘質の多糖類を生成して土粒子を結合して小さなペッドを作ることによって進行する。細菌や菌類の栄養源となる有機物を加えることで、このような望ましい土壌構造の形成を促進することができる。
最も小さなスケールでは、化学的性質が土粒子の団粒化と分散に影響する。粘土粒子は多価陽イオンを持つため粘土層の表面に負の電荷が生じる。それと同時に、板状粘土粒子の端にはわずかな正の電荷があるため、端が他の粘土表面の負の電荷にくっつき凝集する(塊になる)。一方で、ナトリウムのような1価イオンが多価陽イオンと置換すると粘土粒子の端の正電荷が弱くなり、表面の負電荷が比較的強くなる。そのため粘土表面の負電荷のみが残って粘土粒子同士はお互いに負電荷の電気的力によって反発し、お互いの距離が離れ、凝集していた粘土が分散する。その結果、粘土は分散してペッドの間隙に集積して、間隙が閉塞する。このようにして土壌中の間隙構造が破壊されて、土壌は空気と水を通さなくなる。そのようなソーダ質土 (en) は表面に円柱状のペッドを形成する。