（七） 土壤的保水力
1. 何为具有保水性且排水性优异的土壤？
水分对作物而言非常重要，一旦水分不足就会枯萎； 但是水分过多，也会使作物的根部因无法呼吸而腐烂。 在一定程度内，即使持续干旱，或持续降雨，土壤都能提供作物所需的水分。这和上一篇所讲述的土壤团粒结构密不可分。（参考： 土壤基础知识讲座 （六） 土壤三相； 土壤团粒）
土壤颗粒决定保水力
请想象一下沙地和黏土。 沙地的颗粒大，沙粒之间的空隙也大，因此排水性良好，但几乎不具有保水力，所以必须经常浇水，作物才能生长。 而黏土的颗粒小，空隙也小，水在细小的空隙中具有高亲和力，所以如果只有黏土，那么保水力虽然强，但是排水性却太差，只要多下一点雨，作物就会泡在水里。
如果有恰到好处的团粒构造，就能打造一个既富有保水性，排水能力又良好，最适合作物生长的土壤环境。
重黏土土壤，可以通过添加砂土及有机物，使团粒发达。
砂质土壤，可以通过添加黏土及有机物，使团粒发达。
有机质土壤，添加适量的砂、黏土与肥料，使团粒发达。
2. 水在土壤中的功能
土壤中的水分具有以下功能：
（1） 供作物吸收、利用，促进生长。
（2） 溶解土壤中的肥料成分。
（3） 比热大，能帮助土壤保持一定的温度。
（4） 提供能让土壤生物生存的环境。
3. 作物的吸水与pF
土壤中的水分会通过毛管孔隙从湿度高的地方流向湿度低（干燥）的地方，如果遇到过大的孔隙，便会中断。
水流动的方向由位能决定，而水的位能会受到重力、毛细现象、吸附力、渗透力等因素的影响。
水的位能一般以帕 (Pa) 来表示，不过在与作物生长相关的领域中，则会用水柱高度的对数值 pF 来表示。
pF值越大，代表土壤越干燥； pF值越小，代表土壤含水量越多。
pF值为0代表全容水量，指的是土壤完全为水饱和时的含水量。这时已经无法再吸收哪怕一点点水分了。这种情况，只是在土壤被水淹没时才发生。因为完全淹水妨碍植物根的呼吸，只有少数适应水淹条件的植物能够生长。
田间容水量，是指旱田在降雨或者灌溉后，多余的重力水已经排出，土壤所保存的水量。 这是大多数植物可利用的土壤水的上限。
永久凋萎点，是指土壤已经十分干燥，虽然还含有一定的水分，但是被土壤的微毛细结构所吸，植物的根无法利用。pF值高于永久凋萎点，植物将干枯凋萎，不可逆转。
pF与水的流动以及作物生长的关系，如下图所示。 最适合作物生长的pF是1.8~3.0 （-6kPa~-100kPa)，即“正常生长有效水分”。
4. 土壤的有效水分
土壤的田间容水量（pF1.8) 与作物枯萎的永久枯萎点（pF4.2) 之间的差，就是有效水分。 有效水分的量会随着土壤的种类而不同。
砂石的颗粒较大，因此有效水分较少； 在颗粒大小不一的土壤中，有效水分会变大。
至于小颗粒的黏土，有效水分会稍微变小。
即使从保水力的观点来看，也能得知有各种大小不一的颗粒混杂的土壤，比较适合作物的生长。
（八） 土壤的保肥力
1. 何谓保肥力？
在营养液（无土）栽培时，作物能够立刻吸收施肥的肥料。但是在土壤栽培种，大多时候肥料都会先被土壤吸附，作物再从土壤里吸收养分。 营养液栽培就像是钱包里一有钱就马上拿出来用，土壤栽培就像是先把钱存进银行，需要的时候再用提款卡提出来使用。 这个宛如 “银行” 的功能，就叫做 保肥力，一般以阳离子交换能力（CEC）来表示。
2. 保肥力的结构-- 阳离子交换能力（CEC）
土壤仿佛有许多只带有负电的“小手”。 其原因有二：
第一是因为土壤的主要成分 -- 硅酸 与 氧 结合之后，带有负电；
第二则是土壤中腐殖质所含的羧基与苯酚羟基也带有负电。
相对于此，许多肥料成分在溶于水后，会成为带有正电的阳离子，因此会被土壤拥有的带负电的 “小手” 拉住（吸附）。
土壤吸附阳离子并维持的能力，叫做 “阳离子交换能力”，是一种表示保肥力的数值。
阳离子交换能力(CEC)
盐基（阳离子）： 钙、镁等二价阳离子，会用2只“小手”与二价阴离子相连； 钾、铵等一价阳离子会用1只“小手”与一价阴离子相连。
土壤每100克“小手”的数量，就是CEC， 以 meq/100g 或 cmol / kg表示
阳离子交换能力亦可称为CEC (Cation Exchange Capacity), 或盐基置换容量， 可表示为100克的土壤所带的负电荷相当于多少毫克（meq）。阳离子交换能力越大，土壤中所含的阳离子就越多，保肥力也就越大。 CEC数值的大小，会随着土壤性质、腐殖质的量以及黏土矿物的种类而定。
阳离子交换能力就像是土壤养分的银行，阳离子交换能力越大，就能存进越多的钱（保肥力）。 品质好的土壤，数值大约是 15 meq/100g 以上。
土壤的性质，腐殖质的多少，矿物的种类等，都会影响CEC的大小
保肥力与保水力相同，在砂石中较小，在多为黏土或腐殖质的土壤里较大。黏土的种类也会影响保肥力， 如高岭石、禾乐石保肥力较小， 蒙脱石、蛭石比较大。
保肥力受到腐殖质的影响更大。在保肥力小的土壤里加入堆肥，便能增加腐殖质，提高保肥力。此外，亦可以黏土为客土，或是通过牧草栽培，增加土壤的团粒构造， 也很有效。
3. 阳离子的比例（盐基平衡）也很重要
如上所述，土壤颗粒中的钙、镁、钾、铵等，都是能够吸附并维持作物所需肥料养分的阳离子。然而除了量之外，维持各种阳离子比例的平衡，对作物的生长也很重要。这就是所谓的“盐基平衡”。
CEC中钙、镁、钾三者的总和，就叫做 盐基饱和度。 当盐基饱和度达到80%，就表示CEC的离子当中，这三种离子占了80%。 盐基饱和度与pH值的关系非常密切。
在pH值比较低的酸性土壤中，盐基不饱和。 当土壤是弱酸性或中性时（pH值6-7），盐基趋于饱和。
有关土壤pH值对作物的影响，后续会有专文详细讲述。
（九） 什么是地力？
什么是地力？
在农业领域中，作物的产量和品质，是判断土壤好坏的依据。 土壤生产作物的能力，一般称为 “地力”。 有时也以 “肥沃度” 或 “土壤生产力”来表示。 地力表示的不仅是构成土壤的自然条件，而且包括了栽种的作物、栽培的方法等农业条件的综合土壤能力。
地力必须 同时满足 物理性要素、化学性要素及生物性要素。
地力的构成要素
物理性要素包括土层或有效土层的厚度、整地的难易度、保水性与排水性、以及对风蚀和水蚀的耐性等等。
化学性要素包括养分的保持与供给能力（CEC), 土壤缓冲能力（pH）、氧化与还原能力、有无重金属等有害物质等等。
生物性要素包括有机物的分解能力、氮固定能力、对于病虫害的缓冲能力、以及是否能提供对可分解有害化学物质的微生物友善的环境。
上述要素必须相辅相成，才能打造出适合作物生长的环境。若仅单独存在，是没有效果的。 例如，表示土壤肥沃度的保肥力，必须结合物理性与化学性的相乘效果； 因为团粒构造达到的土壤柔软度，则需要物理性与生物性的相乘效果； 地力氮的运作则是生物性与化学性的相乘效果。 当这些因素互相取得平衡，便是良好的地力。
“土壤改良运动”在全国各地开展，采取施用有机肥料等措施，但却成效不彰。 这是因为地力是多方面效果相辅相成的。 想要提升地力，就必须进行综合性的改良，并不能只靠施肥或深耕等单独的措施来达成。
何为优质土壤？
大家经常说的“优质土壤栽培出的农作物比较健康，营养价值也比较高”。 那么“优质土壤”指的是什么呢？
先不讨论会大幅影响作物品质的品种因素，只要将土壤的物理环境打造妥善，让作物的根部可以充分生长，同时适当地维持土壤的化学性，施加最适合作物生长的肥料，就能生产出高品质的农作物。 另外，只要土壤微生物丰富又多样，就能适度地分解进入土壤中的异物。 符合以上条件的土壤，就是“优质土壤”。
优质土壤的条件
让我们再具体地看看何谓适合作物生长的条件。
一、 从物理性的角度看：
1. 耕土松软，以硬度计测量时，表层约为15mm, 下层约为18mm.
2. 在旱田土壤，土壤三相应分别为固相率40%，气相率30%，液相率30%左右。
二、 从化学性的角度看：
3. 土壤的pH值呈微酸性，约为5.5~6.5
4. 吸附肥料成分的阳离子交换能力约为20~30meq/100g 左右。
5. 阳离子应50%为钙、20为镁、10%为钾。
6. 有效磷酸含量为10meq/100g以上。 若超过100mg则为过剩。
7. 土壤中的腐殖质含量应为3~4%.
8. 适度含有各种微量元素。
9. 不含重金属或残留农药等对人体或作物有害的物质。
10. 水田中的铁和硅酸含量也很重要。
三、 从微生物的角度看：
11. 有种类多样的土壤生物栖息其中，有机物分解能力佳，净化作用强。
符合上述所有11项条件的土壤，就是适合作物生长的土壤。
上述条件有许多都能够通过土壤诊断来判断，因此定期进行土壤诊断非常重要。
（十） 气温和地温
1. 一天中的日照强度与气温变化
正如同其他在太阳下生活的陆地生物一样，土在一天之内的生活也有许多变化。前两天刚刚度过秋分，这时的昼夜时间几乎相等。 随着太阳的升起和落下， 每天的气温会发生剧烈变化。
（秋分时节）一天的日照强度与气温和地温的对比
热在土中的传导速度较慢，再加上地球内部也有热散发出来，因此热在地表的进出变化虽然剧烈，地温却能维持稳定。
2. 一天中地表附近的温度变化
地表因为直接接受太阳能（这里指热能），所以温度会迅速上升。但是有一部分的热会在空气中散开，或是渐渐往地面下窜去。当环境里含有适量的水分时，大部分的热都会成为水的蒸发热（汽化热）而消失，温度几乎不会变化。
另外，随着太阳越升越高，地表所接受的热量也会增加，热往地底传递，使得地面下的温度也开始上升。到了下午，地表所接受的热开始渐渐减少； 到了晚上，地表的温度甚至会变得比地面下还低。
3.下层的地温变化
在一天之内，热能影响的范围大约会到地表下70cm左右，在这个范围内，一整天的温度变化不大。
我国大部分地区四季分明， 气温会随着季节变化而改变，因此地表下70cm的地温也会以年为单位产生些微的变化。 一整年当中地温都不会变化的深度，大约是在地下10~20米； 在此深度以下，则会收到地热的影响，随着深度的增加，温度上升。深度每增加1千米， 地温就会上升大约30°C。
地底的温度变化
4. 气温和地温对土壤的影响
气温和地温会影响微生物的生活，间接影响土壤有机物分解或合成的速度。 另外，对于不进行光合作用的微生物来说，比起光线，它们更容易受到热（地温）的影响，因此反应速度会随着地温的变化而不同。
从地表传来的热量，也会对岩石的风化造成极大的影响。 沙漠的沙粒表层每天都必须承受摄氏好几十度的温差，因此岩石会受到物理性的破坏。无论是什么种类的岩石，都会因为温度和水分变化而逐渐成为细微的颗粒，此时植物开始生长，分解也会日益加剧。
降雨或灌溉水对土壤水分含量变化的影响，也会影响土壤中的微生物、小动物的活动，进而促使腐殖质的生成与消耗也产生变化。
整地翻土也会让土壤中的成分改变，加速有机物分解或养分流失。 而蚯蚓吃下的土，在一夜之间就能成为团粒构造发达的土。 土壤就是因为上述各种方面的因素不断变化。
（十一） 作物的养分吸收
1. 构成作物的养分元素
作物会通过吸收土壤中所含的氮、磷、钾等多量元素，钙、镁等中量元素，以及硼等微量元素而成长。
作物的身体大部分是由水组成的。 假如水分占75%， 那么剩下的25%则是干物质量。干物质大部分是碳水化合物、蛋白质等有机物，燃烧后会形成二氧化碳和水（水蒸气）， 但最后仍会留下无法燃烧的灰烬。 这些灰烬中有钾、钙、镁、硅、硫、氯、铁、锰、锌、铜、硼、钼等在作物生长过程中不可或缺的无机元素（矿物）。
除此之外，灰烬里也会含有铝、镍、锶、铷等元素。只是目前还无法得知这些元素对作物的成长有什么影响。
植物体的元素构成
各种养分在土壤中溶于水或弱酸之后，氮会变成铵根离子，磷会变成磷酸根离子，钾会变成钾离子。即使离子数量稀少，也会被作物根部强大的吸收力吸收，因此需要耗费很多能量。 这些能量的来源，便是经由光合作用储存在作物叶片或茎里的淀粉。 淀粉会转换为糖类，送到根部，为吸收养分提供源源不断的动力。
假如光合作用不足，作物合成淀粉的能力就会衰退，送到根部的糖类也就跟着变少，如此一来根部的活性便会降低，吸收养分的效率变差。
土壤的元素构成
2. 养分的选择性吸收
即使是土壤溶液中浓度较低的养分离子，根部也会利用呼吸作用所得到的能量来抵抗渗透压，吸收所需的离子。这就是所谓的选择性吸收。
这是因为作物体内有一种称为运输蛋白（transporter) 的蛋白质，可以挑选养分并送进体内，让作物吸收必要的养分，再送至必要的地方。
要选择什么样的离子来吸收，通常会因为作物的种类而异，不过大部分的作物吸收的离子依序为：
钾（K) > 钙 (Ca) > 镁 (Mg) > 钠 (Na)
这是在作物成长过程中的重要顺序， 尤其是钾， 被吸收的量比氮还多。
植物的养分吸收和能量供给
植物根尖放大后的结构图
根毛放大后
根毛会释放出氢离子，不仅吸附水溶性离子，也会吸附土壤胶体，来吸收养分
3 根部的生长速度和生长量
作物的根会在土壤中一边寻找养分，一边不断生长。根的生长的速度十分惊人。 例如，小麦发芽后只需40~50天，根就能长到一米。
根会在土中长出许多支根与细根。据说在一株小麦收成时，根部合计总长将达数百公里，根毛总数则有好几亿。
如此惊人的生长力，全都由根部末端的分裂细胞进行，而根毛最密集的部分，则负责吸收养分与水分。
（十二） 土壤pH与作物生长
1. 适合作物生长的土壤pH值
土壤pH值对作物的生长有很大的影响。
在我国秦岭淮河以南地区， 降水丰富，
露天栽培时，盐基容易因为淋溶作用而
酸化；
但是在有屋顶遮雨的设施栽培中，
则容易累积盐类，使得土壤
碱化。
土壤pH值不但会
影响土壤中各种元素的溶解性，
也会影响微生物。
一旦土壤酸化（pH值降低）,
丝状真菌就会优先生长，
而丝状真菌中有许多
如镰刀菌的作物病原菌，
因此必须
特别注意土壤病害。
此外，pH值一旦降低
与吸收氮密不可分的
硝化菌
更容易受到影响，
使作物生长状况不佳。
一般而言，
最适合作物生长的pH值为
5.5~6.5
但是随着作物的不同，
此数值也会有很大的差异。
通常
水田或旱田的适当pH值为
6.0~6.5
果园的适当pH值为
5.5~6.5
茶园的适当pH值为
4.0~5.5
一些常见作物的适合生长的pH值范围
2. pH值与元素的溶解
土壤中的元素是否容易被溶解，
会因为pH值而异。
酸性过强时
铝 和 锰
更容易溶解。
所谓耐酸性的作物，
就是即使这些成分较多，
也不会受到负面影响的作物。
而所谓不耐酸性的作物
则需要较多的
钙、镁 等
不易溶于酸性的元素。
若pH值变低，
铝 和 铁 等
变得更容易溶解
土壤溶液中
这些元素的离子便会增加
而这些离子，一旦与
磷酸根离子
结合
便会形成
难溶性化合物
作物可能会
缺磷
土壤pH值与各种元素的溶解性
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