土壤是一個包含礦物質、有機物、水和空氣的混合物，因此具備良好的物理狀況，以適合植物生長的土壤，必須在所含有的水分、空氣和固體粒子間能保持適當的比例。控制各種物理性質的基本因素，為組成土壤的固體粒子。

土壤物理性質

(一)土壤深度

土壤深度分為絕對(物理)深度和生理深度，絕對深度是指覆蓋在堅硬岩石上的土壤總深度，不論其中是否有能夠阻礙植物根分布之層次存在，在森林土壤中還可包括岩石風化層(weathered layer)。生理深度僅指土壤上部可讓植物根身長和分布的有效深度。一般的土壤深度通常指生理深度，會以A和B層的總深度來看。

(二)土壤質地

土壤質地係表示土壤粗細程度，或是指土壤中大小土粒的分布(particle size grain distributions)，明確的說即指土壤中砂粒、坋粒和黏粒含量的相對比例。依國際慣例，一般所謂土壤物質，乃指細土(fine earth)的部分，也就是把直徑小於2mm以下的礦物組成成分視為土壤粒子(圖20)。土壤的質地，還可根據砂粒、坋粒和黏粒含量的比例，分類為不同質地的土壤(圖20)。

土壤的質地是相當重要的土壤性質，其和土壤顆粒的總表面積有關，而總表面積的多寡會決定土壤對水分、養分的吸附能力，也影響到土壤構造的穩定性。基本上，顆粒愈細，總表面積越多，其吸附水分、養分的能力就會越高，土壤團塊等構造也會越穩定(圖21)。

圖20  基本土壤質地粒徑大小與等級 

圖21：土壤顆粒的總表面積。以同體積的土壤來說，質地較細致的土壤，因為組成土壤的顆粒較小，所以具有較多的總表面積，因此在水份、養分等吸附能力會較高，另外在黏、塑性上也會較佳。資料來源：引用自Brady and Weil (2008) 。

(三)土壤構造(soil structure)

土壤構造為描述土壤顆粒間互相結合或排列，已組成粒團的情況。 土壤構造的良好與否，會影響到土壤中孔隙的大小、數量、連貫與排列等現象，進而使土壤具有不同的通氣、排水等狀況。有關土壤構造形態特徵與描述等詳細的說明，請參見"土壤剖面觀察"。

(四)土壤真比重、總體密度與土壤孔隙

土壤真比重=土壤乾土重/土壤固體物質的總體積(除去土塊中的空氣體積)

土壤總體密度(假比重)=自然土壤乾土重/自然土塊體積(包含土塊中的空氣體積) (圖22)

土壤孔隙係指自然土壤中未被固體物質所佔據的部分(表16)，孔隙的大小與孔隙的多寡，受到土壤質地、構造良好與否、水分含量等因素的影響，而孔隙大小與多寡決定了土壤中通氣的狀態、保持有效水的含量、有效養分的轉變與儲藏、種子的發芽率、根系的發展等因素。若只考慮質地等級，土壤質地越細，土壤的總孔隙量越多，總體密度也比較低，但是孔隙的大小會以小孔隙或微孔隙為主，雖然水分保持狀況較好，土壤的水分移動以毛細管水為主，但可能不利於水分的移動和通氣狀態；反之，若粗質地的砂質土壤，土壤的總孔隙量較少，總體密度也較高，但以大孔隙為主，土壤排水狀況良好，而可能不利於水分的保持。

    此外，土壤的構造良好，例如有團粒、稜塊狀構造，則有助於孔隙量的增加與大孔隙的維持，對於土壤的通氣狀態與保水性有很好的幫助，因此長期農耕下，破壞土壤構造，反而會使孔隙量下降，而造成作物生長困難，耕作前便需要翻土，以翻鬆土壤增加通氣狀態。另增加土壤有機物，有助於穩定土壤構造，也能提高土壤的孔隙量。

圖22：總體密度與真比重的計算方法示意圖。資料來源：引自Brady and Weil (2008)。

(五)土壤通氣

土壤空氣和大氣在組成上有幾點差異：a)土壤空氣較易處在水蒸氣飽和狀態；b)土壤空氣含有較少的氧和較多的二氧化碳(通常二氧化碳超過1%)；c)土壤空氣中二氧化碳含量受到植物生長和微生物活動而變化。

土壤通氣是指土壤中氧氣的供給程度，土壤空氣大部分存在於土壤孔隙之中，其成分的變異受到土壤空氣和大氣交換的速率來決定，交換的速率通常以擴散(diffusion)的方式為主。若土壤發生通氣不良的問題，通常是土壤中多數的孔隙都被水分所占滿，使氧氣含量缺乏。

(六)土壤顏色

土壤顏色為識別土壤、判斷土壤性質與化育過程等現象的一種重要物理性質。影響土壤基本顏色的因素有：a)土壤礦物的組成，若淡色礦物多，則呈現灰白色，如長石、石英或高嶺石等；b)鐵、錳等氧化物，如氧化鐵使土壤呈棕、黃、紅色，錳氧化物則會出現黑棕色；c)有機物通常會使土壤呈現偏暗黑色；d)水分含量則會使土壤顏色出明暗的變化。

(七)土壤溫度

土壤溫度的基本來源是來自於陽光的直接輻射，其次為暖空氣的吹拂和暖雨水的滲淋，另有微量或短暫性的熱源來自於地殼內部的地質作用，抑或是微生物或化學分解釋放的熱量；影響土壤溫度的環境因子包括緯度、高度、方向、坡向、生物覆蓋與非生物覆蓋等。土壤溫度的變化會影響到種子的發芽、苗期的生長、根系的發育、細菌的活力、有機物分解與營養元素的循環。對大多數的主要作物和森林植物種子之發芽土溫，約在20℃左右或以上，而絕多數的作物與森林植物的根在零度以下時便會停止生長，2~4℃會開始生長，但相當緩慢。

(五)土壤通氣

土壤空氣和大氣在組成上有幾點差異：a)土壤空氣較易處在水蒸氣飽和狀態；b)土壤空氣含有較少的氧和較多的二氧化碳(通常二氧化碳超過1%)；c)土壤空氣中二氧化碳含量受到植物生長和微生物活動而變化。

土壤通氣是指土壤中氧氣的供給程度，土壤空氣大部分存在於土壤孔隙之中，其成分的變異受到土壤空氣和大氣交換的速率來決定，交換的速率通常以擴散(diffusion)的方式為主。若土壤發生通氣不良的問題，通常是土壤中多數的孔隙都被水分所占滿，使氧氣含量缺乏。

(六)土壤顏色

土壤顏色為識別土壤、判斷土壤性質與化育過程等現象的一種重要物理性質。影響土壤基本顏色的因素有：a)土壤礦物的組成，若淡色礦物多，則呈現灰白色，如長石、石英或高嶺石等；b)鐵、錳等氧化物，如氧化鐵使土壤呈棕、黃、紅色，錳氧化物則會出現黑棕色；c)有機物通常會使土壤呈現偏暗黑色；d)水分含量則會使土壤顏色出明暗的變化。

(七)土壤溫度

土壤溫度的基本來源是來自於陽光的直接輻射，其次為暖空氣的吹拂和暖雨水的滲淋，另有微量或短暫性的熱源來自於地殼內部的地質作用，抑或是微生物或化學分解釋放的熱量；影響土壤溫度的環境因子包括緯度、高度、方向、坡向、生物覆蓋與非生物覆蓋等。土壤溫度的變化會影響到種子的發芽、苗期的生長、根系的發育、細菌的活力、有機物分解與營養元素的循環。對大多數的主要作物和森林植物種子之發芽土溫，約在20℃左右或以上，而絕多數的作物與森林植物的根在零度以下時便會停止生長，2~4℃會開始生長，但相當緩慢。

(五)土壤通氣

土壤空氣和大氣在組成上有幾點差異：a)土壤空氣較易處在水蒸氣飽和狀態；b)土壤空氣含有較少的氧和較多的二氧化碳(通常二氧化碳超過1%)；c)土壤空氣中二氧化碳含量受到植物生長和微生物活動而變化。

土壤通氣是指土壤中氧氣的供給程度，土壤空氣大部分存在於土壤孔隙之中，其成分的變異受到土壤空氣和大氣交換的速率來決定，交換的速率通常以擴散(diffusion)的方式為主。若土壤發生通氣不良的問題，通常是土壤中多數的孔隙都被水分所占滿，使氧氣含量缺乏。

(六)土壤顏色

土壤顏色為識別土壤、判斷土壤性質與化育過程等現象的一種重要物理性質。影響土壤基本顏色的因素有：a)土壤礦物的組成，若淡色礦物多，則呈現灰白色，如長石、石英或高嶺石等；b)鐵、錳等氧化物，如氧化鐵使土壤呈棕、黃、紅色，錳氧化物則會出現黑棕色；c)有機物通常會使土壤呈現偏暗黑色；d)水分含量則會使土壤顏色出明暗的變化。

(七)土壤溫度

土壤溫度的基本來源是來自於陽光的直接輻射，其次為暖空氣的吹拂和暖雨水的滲淋，另有微量或短暫性的熱源來自於地殼內部的地質作用，抑或是微生物或化學分解釋放的熱量；影響土壤溫度的環境因子包括緯度、高度、方向、坡向、生物覆蓋與非生物覆蓋等。土壤溫度的變化會影響到種子的發芽、苗期的生長、根系的發育、細菌的活力、有機物分解與營養元素的循環。對大多數的主要作物和森林植物種子之發芽土溫，約在20℃左右或以上，而絕多數的作物與森林植物的根在零度以下時便會停止生長，2~4℃會開始生長，但相當緩慢。

土壤的化學性質

 (一)土壤膠體與黏土礦物

真正的膠體粒子的粒徑約為0.1 µm(0.0001 mm)，而土壤黏粒係指粒徑< 2 µm (0.002 mm)以下的顆粒，所以又把2~0.2 µm稱為粗黏粒，粒徑小於0.2 µm者為細黏粒(亦有規定為<0.1µm)，細黏粒可歸入膠體中。不過，黏粒因為粒徑甚微，許多重要的化學性質和作用受到黏粒影響甚大，而黏粒的作用與機制與膠體相仿。

在黏粒部分，主要的礦物類型幾乎均為次生礦物，即是由岩屑、砂粒等矽酸鹽類礦物風化分解而成，所形成的次生礦物多為含水的矽酸鋁複合體，以及鐵、鋁氧化物，有的可以形成結晶體，有些則無法形成結晶構造，形成無定型物質，另有部分會與腐植質結合變成複合物。表17為常見的黏土礦物和基礎性質。這些黏土礦物的生成與環境、礦物的風化速率有關，圖23呈現各主要礦物的風化序列。

一般來說，2：1型的黏土礦物因為表面積較大，故可以有較多的位置攜帶電荷，進而吸附鹽基陽離子和水分子，同樣腐植質也有相似的功能，反之1：1型黏土礦物或鐵鋁氧化物，吸附陽離子的能力便比較差，反而吸附陰離子的能力較好。而陽離子和水分子吸附能力的高低，對土壤的養分狀況來說有很重要的影響。

圖23：黏土礦物的風化序列，由左到右風化時間和強度越大，因此原生礦物風化後，經過脫去鹽基陽離子和脫矽等作用，會從2:1型的黏土礦物，逐漸變為1：1型的黏土礦物，進而形成鐵、鋁氧化物等。 

土壤的有機膠體基本來源為有機物，有機物為土壤中所存在的各種有機物質，不管是動物或植物來源，存在於土壤或以與土壤礦物質粒子做各種程度的混和，或形成有機-無機的複合物，根據分解程度可以分為：a)新鮮有機物；b)半分解有機物；c)腐植質；d)簡單有機化合物等。其中腐植質又可分為：

(1).  腐植素：強鹼不溶之部分，結構複雜，分子量龐大。

(2).  腐植酸：強鹼可溶但強酸不可溶，聚合程度較強，分子量較大，碳含量可達60%以上。

(3).  黃酸：強酸與強鹼均可溶，聚合程度較弱，分子量較小，碳含量可達45%。

由於，土壤的有機質，特別是腐植質具有聚合程度較強、分子量較大、可帶較多電荷，因此在穩定土壤構造、吸附水分和養分等方面，均有較佳的表現，可改善土壤的形態特徵與性質。另外，腐植質也較不容易被細菌分解，可以將碳固定下來後，保留碳長達數十年、甚至數百年的時間，對於減碳有很顯著幫助。但是若土壤有機物含量太高，腐植酸豐富，也有可能使土壤呈現強酸反應，不利於植物的生長。

(二)陽離子交換能力(cation exchange capacity, CEC)

陽離子交換能力係指土壤顆粒與有機物內部和外部表面吸附之陽離子，與土壤中(特別是土壤溶液中)可交換之陽離子間，均能自由地交換，一般以一公斤的土壤可交換之百分之一莫耳數陽離子為單位(cmol(+)/kg soil)。而因土壤中黏粒和腐植質的表面積大，所攜帶的電荷較多，主導了土壤陽離子交換能力。不同的有機物和黏土礦物的CEC值不同，值越大，表示土壤吸附陽離子的能力越強(表18)。一般影響土壤CEC值大小的因子有：a)有機質的含量越多則CEC越大；b)黏土礦物的種類；c)黏粒含量越多，CEC值越大；d)土壤礦物的風化程度，風化程度高的礦物含量越多(風化程度越強)，CEC值越小。

(三)土壤反應(土壤pH)

土壤反應(酸鹼值)會影響到土壤內部種種的化學作用，進而引發生物的生理反應，因此在評估土壤健康與品質的時候，土壤酸鹼值是用來判斷的一種很好的指標。

1.土壤反應的表示法

    土壤溶液的酸度和鹼度是由氫離子和氫氧離子量來決定。因此，目前測定土壤酸鹼度的方式，是測定土壤溶液中的氫離子濃度，然後取對數表示之，以pH值表示。pH7為中性，低於7為酸性土壤，高於7為鹼性土壤。圖24為常見土壤的pH值。

    2.土壤反應的重要性

    土壤pH會影響到植物對於營養元素，特別是微量原素的吸收，一般而言在強酸的狀況下，鋁、鐵、錳、鋅、銅、鈷等元素之溶解度會增加，因此植物生長可能遭受此類元素的毒害。相反的，在強鹼的環境下，這些元素幾無法溶入土壤溶液中，因此使植物缺乏這些微量元素，其次強鹼環境下，是因碳酸鈉所致者，則會影響到植物的生長。再者，在強酸或強鹼的環境下，土壤中的硼容易沉澱，而植物無法取用，形成缺乏的癥狀，而鈣含量過高，則會阻礙硼進入植物體內；鉬則在pH6以上時，有效性較大。最後，磷在強酸的環境中容易與鐵和鋁結合，而在強鹼的環境下則會與鈣結合，形成不溶性化合物，植物不易取用，會有缺磷的問題，而鈣鎂等鹽基陽離子亦隨淋溶而損失，讓土壤pH值降低。

    土壤生物的活動，特別是細菌和真菌等，對於pH的變化也較為敏感，這些細菌和真菌的活動主導了土壤中有機物的分解、養分的循環和利用等現象，對土壤品質有重要的影響；例如在強酸與強鹼的環境中，微生物的活力均較差，而且細菌的固氮和硝化作用則需要pH5.5以上活力較好。此外，強鹼狀態若有高含量的鈉，容易分散黏粒，強鹼也易分解腐植質，阻礙土壤團粒生成。

因此對土壤來說，微酸性到中性左右的土壤反應(約pH6.5)，對於營養元素的均衡、化學反應與微生物活動等諸現象，能維持一最適宜多數植物生長的土壤品質。 

3.酸性土壤

    所謂的酸性土壤，是指土壤的酸度已經影響到土壤中養分的可供給程度、根的伸展、微生物活性等現象，使植物或農作物的生長產生障礙。表19為土壤pH值的等級區分。土壤酸度的來源有a)土壤本身所含的酸性物質，包含母質性質、有機物、可溶性鹽類多寡等；b)人為的施肥，如硫酸鹽或硝酸鹽類肥料；c)作物吸收鉀、鈣、鎂、鈉等鹽基離子；d)土壤受到淋洗作用；e)有機質的分解；f)二氧化碳的溶入；g)硫化物的風化；h)工業排放的廢氣導致酸性物質的沉降等。

    酸性土壤可能會產生的問題：a)鐵、鋁、錳毒害；b)磷容易與鐵、鋁氧化物結合、沉澱，植物會有缺磷的現象；c)強酸環境下，土壤有機物不易釋出植物所需的氮、硫與磷等營養；d)強酸環境下，土壤鹽基離子容易流失，硼、鋅、銅與鉬等微量元素也會欠缺；e)細菌等微生物活性下降；f)強酸環境下，真菌的活性會增加，而真菌往往是農作物疾病的主要原因之一；g)酸性土壤中溶出的鋁，可能容易進入地下水，進而影響到河川或湖泊中鋁的含量增加。

    改良酸性土壤的方法，主要是依據每公頃土壤表層的反應，以及所需作物的類型，然後添加適量的碳酸鹽類物質，一般為高石灰質的材料。

 4.鹼性土壤：鹽土、鹼土、鹽鹼土

(1)鹽土：土壤中可溶性鹽類含量達到足以對多數作物產量產生不利影響者，一般以pH<8.5但電導度(EC)≧4 dS/m (圖25)。

(2)鹼土：土壤中的交換性鈉含量達到可以妨礙多數植物生長的狀態者，稱為鹼土。一般是交換性鈉飽和度達15%以上，pH值大於8.5，電導度(EC)<4 dS/m。此種土壤因高鹼性而溶解有機物，使土壤表面常成為黑色，故又被稱為黑鹼土。當土壤飽和時，此種高鈉含量狀態土壤，會使得細顆粒物質趨向分散，不易絮聚，對於土壤構造的破壞大，而且容易塞住小孔隙，乾燥後會出現整塊狀，堅硬而密實，使得土壤的物理情況極為不良。

(3)鹽鹼土：指兼具鹽性和鹼性兩種性質的土壤，一般是電導度(EC)≧4 dS/m、交換性鈉超過15%(鈉吸附比>13)。

    鹼性土壤的改良主要有:a)引用低鹽的水灌溉、洗鹽；b)增加土壤的排水狀況；c)栽培耐鹽作物；d)使用石膏等改良劑，可減低鈉含量過高的危害。 

圖24 常見土壤的pH值範圍。資料來源：引自Brady and Weil (2008) 。

圖25：鹽土、鹼土、鹽鹼土的區分標準。資料來源：引自Brady and Weil (2008) 

(四)土壤營養

    土壤有中許多元素與物質，其中有些元素對於植物生長有著重要的影響，其在植物完成生命史的過程中是必要的，而有的需要參與植物的新陳代謝活動，根據植物的需要量，一般可將這些元素分為巨量元素(macronutrient elements)和微量元素(micronutrient elements)，前者需要量大如氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂等，後者需要量較少，主要有硼、鐵、錳、銅、鋅、鉬、鈷、氯等，不過根據學術研究的進展，發現植物生長的微量元素已不只侷限在這幾種而已，已有十幾種微量元素被證實對植物生長有其重要性。這些元素在植物體內的角色如表20所示。

    這些營養元素中，因為氮和磷所需要的量較大，而且在循環過程較為特殊，因此常是植物生長最重要的限制因子。氮對植物而言，是吸收量最大的一種元素，而氮大量儲存在大氣中，卻無法被植物直接利用，因此除了少數因閃電可將氮氣合成植物可利用的型態外，便需要透過固氮菌的協助，多數狀態乃透過固氮菌和植物根系共生的方式，將大氣中的氮轉變為植物可利用的型態(有效氮)，不過土壤中的有效但也可能因某些脫氮菌的活動，將有效態氮轉變為氮氣從土壤中離開(脫氮作用)；其次，土壤中的有機物分解後釋出有機態氮，也可因礦質化作用轉變成銨態氮(NH4+)，或因硝化菌轉變為硝酸根離子(NO3-)，此種狀態便可能因為土壤中的淋洗作用，而自土體中移出。因此若土壤長年耕種，無休耕、或施肥的情況，氮的持續損失，將會使土壤肥力下降。

    其次，磷在多數的環境生態系中均是限制因子，原因是植物對磷的需求量高，而自然界的磷多半以礦物的方式存在，這種型態的磷很穩定，植物不容易取用，而且磷進入土壤，不是很快的被淋溶流失，便是與其他陽離子結合而沉澱，在自然的狀態下，磷的補充通常來自於含磷酸鹽礦物的風化，或是有機物的分解所釋放。