Soil museum introduction - 土壤博物館導覽
2021/11/13
土壤博物館的參觀是農化系土壤學實驗的其中一堂課，作為助教需要協助講解土壤博物館，以下為參考老師前幾屆導覽的內容寫成的參觀解說。
前言：土壤剖面
這裡展覽的土壤剖面都是直接從原地開挖土壤剖面、灌膠乾掉之後挖出來的，可以最大程度的保留土壤在原本地下的構造，因此很適合用來觀察土壤。觀察土壤的重點有幾個，這次會著重在這些土壤是怎麼化育，以及他們的美國土壤分類系統 (USDA Soil Taxonomy)。
化育這個詞，英文稱作genesis，就跟生物學上胚胎的發育學是差不多的概念，講述土壤如何從出生到老的過程，這個過程包含了物理、化學、生物性作用，相當的複雜，而分類系統是我們為了方便不同的人有一個溝通的語言所創造的，假如我今天說這個土叫做黑土，但你說這個土叫做灰土，我們就會難以溝通，土壤分類系統就是為此而生的，現行的土壤分類系統有兩種，分別為FAO使用的World Reference Base (WRB) 以及美國農業部 (USDA) 使用的Soil Taxonomy，我們主要使用Soil Taxonomy，而在土壤博物館的剖面上也都會標示上不同的土綱 (Soil Order)。另外，土壤的分類主要靠診斷表育層 (epipedon) 與診斷化育層 (horizon)，診斷 (diagnostic) 就是不管誰來看都會得到一樣的結果，也就是一種客觀的說明。等等會逐步說明各個土壤剖面的epipedon及horizon。
Entisol：年輕的土壤們
在剖面解說牌上標的土綱排列方法是由初步風化到風化最高，最後一個是較為特別的等下會說。在風化的過程中，岩石在逐漸崩解的過程中會釋放出氧化鐵，氧化鐵將土壤染紅，因此我們剖面從一開始到後來是越來越紅的。
剖面1-3是屬於Entisol，雖然剛才說要說明土壤分類參考的epipedon與horizon，但很可惜Entisol在分類上的依據就是因為他還太年輕，沒有任何明顯足以被分類的特徵，無法被分類到其他11個土綱，因此才被分類到Entisol。
Q：土壤是從什麼東西來的？
大部分的土壤是岩石風化來的，因此剖面1、2都是以大塊的石頭為主，比較剖面1和剖面2的岩石，可以發現剖面2的石頭比較圓，這些當然不是人為磨平的，而是順著河流搬運過程所形成的鵝卵石，也就是說剖面2是沖積搬運而成的土壤，位於苗栗公館，這個剖面土層很薄，而且底下的石頭都是鵝卵石，臺灣很多的土壤都是這樣，這些鵝卵石都是從中央山脈搬運下來的。剖面1則因為風化程度低，土層也很薄，越往下石頭越大，而且和剖面2不同，主要是有稜有角的，因此這個剖面並不是沖積，而是崩積造成的，崩積就是石頭崩落下來，而不是順著流水流下來。
Entisol除了沖積的鵝卵石與崩積的有稜有角的石頭之外，還有可能是帶來泥沙，那這時候就會形成剖面3，底下並沒有大塊的石頭而是較細的泥沙，這三個剖面皆屬於Entisol，就是沒有B層的土壤。
Histosol：不是岩石的土壤們
剛剛有說大部分都是從岩石風化來的，但也是有例外，那就是有機質土壤Histosol，這種土的分類是由於其組成物基本上都是有機物，有機層超過40公分厚。剖面4-5都是有機質土，剖面4的快官是一個木材集散地，因為長期的累積才生成有機質土，但是有機質的剖面標本保存不容易，所以圖上面才會龜裂，這不是原本的龜裂可以忽略，此外，剖面4的表層30公分有明顯不同的樣貌，這是農民為了生存要種田，所以才從別的地方移土過來耕種的，我們稱之為「客土」，不是原本化育出來的。而剖面5才是最典型的有機質土壤，鴛鴦湖是一個高山湖泊，在20公分以上全部都是有機質累積所造成，有機酸還會把底下的岩石漂白。
Andisol：火山灰的特殊土壤
介於岩石與有機質間，則有另一種富含有機質的土壤，也是相對年輕，就是Andisol，他們的分類依據是超過60%具有火山灰的特性，火山灰因為噴發時冷卻快，形成的礦物結晶不良好，也就是所謂的玻璃物質，這些玻璃物質具有和一般岩石礦物很不一樣的性質，Andisol這個名詞的由來是日文的「暗土」，在日本很大部分的土壤都是Andisol，這些土壤通常具有很多的有機質，和Histosol的差異在於Histosol的pH通常很低，但Andisol的pH則比較高，因此適合耕種。在臺灣Andisol的分布區域就只有陽明山一帶，例如剖面6的紗帽山。
Inceptisol：構造B層
接下來的Inceptisol中文叫做弱育土，代表他是化育程度較弱的土壤，但也是有化育喔。他的分類依據是所謂的變育層 (cambic horizon)，代表B層有初步的化育，但是我們又沒有看到其他任何物質洗入特徵，也就是不符合接下來任何一種diagnostic horizon。所謂初步的化育就是有「構造」的意思，構造代表土壤顆粒不是單純分散，而是能夠組成例如團粒、角塊這樣的形狀，因此變育層又叫做構造B層，如果一個剖面只具有構造B層，而不具有其他的診斷化育層，那麼這個剖面就會被分類到Inceptisol。
剖面7宜蘭福山是在森林，具有O層，O層出現A層，A層之下有變黃，這個變黃代表有初步的B層形成，也就是有氧化鐵釋出的現象，顯示有化育，但是我們並沒有看到物質洗入的現象，因此叫做變育層，分類到Inceptisol。剖面8則是在沖積平原，也是有變黃一點，可以叫做變育層。
Mollisol：草原氣候
接著這個也算是年輕的土壤Mollisol，有機質含量多，高鹽基飽和度，中偏鹼性土壤，是很肥沃的土壤，很有名的就是溫帶草原。剖面9東河小馬位於臺東縣內，小馬這個詞應該是原住民的語言。臺灣東部是板塊擠壓帶，所以海岸山脈以東都是菲律賓海板塊擠壓所造成，故這個剖面的母質為黑色的玄武岩，逐漸風化才變紅色的。剖面9的風化並沒有很明顯，並沒有太多紅色，反而是表層的植被是一年生或兩年生的植物，受到成土因子中的植被影響累積許多有機質，雨量也不是很大，所以不會把養分洗掉，故Mollisol診斷標準為深色且具高鹽基飽和度 (> 50%) 的黑沃表育層 (mollic epipedon)。與黑沃相對的是黑瘠表育層 (umbric epipedon)，其鹽基飽和度小於50%。
Vertisol：半夜傳出的怪聲
Mollisol跟Vertisol在臺灣的分布很常重疊。Vertisol出現在基性到超基性岩石出露的環境，在臺灣主要是蛇紋岩，蛇紋岩表面具有似蛇的紋路，風化容易生成蒙特石 (montmorillonite)，蒙特石是一種膨潤石 (smectite)，是會膨脹收縮的2:1型礦物，在臺東花蓮以往常會發生鬧鬼事件，在半夜的時候竹造的房子會開始發出扭曲的聲音，人們聽了很害怕，這是因為白天的時候很熱會膨脹，而夜晚變冷就開始收縮，地表就開始膨脹收縮並龜裂，竹造的房子就會摩擦出現聲音。
Vertisol的分類依據是由於其收縮膨脹的特性，和火山灰土壤一樣都是直接有一個足以判別的特徵，當土壤出現大量的smectite，且具有這種楔形的構造 (wedge shaped peds)，就可以被分類到Vertisol，在池上蛇紋岩出露區的剖面10跟剖面11都具有楔形構造，楔形的意思是因為smectite從四面八方來的力量不同，所以會產生這樣的形狀，當這樣的膨脹收縮持續一段時間就可能會生成斷面擦痕 (slickenside)，是很光滑的構造表面，因為構造互相摩擦而導致。這裡是風化強度達到中度。
化育程度漸高所帶來的特徵
從這裡開始，物質的洗出洗入越來越明顯，次生黏土礦物生成，無定型的非結晶物質也產生，顏色也越來越紅，先來介紹在化育程度較高的土壤中會出現的幾種特徵。首先，洗出作用會造成漂白層這樣的特徵，例如在冷涼潮濕的環境中，有機酸會帶走鐵鋁然後洗入更下層的土壤，故漂白層是個幾乎只留下矽酸鹽礦物，尤其是抗風化的石英這樣的化育層。再來，有洗出就會有洗入，這時深層的土壤就會形成淋澱層 (spodic horizon)，因此淋澱層是唯一有機質累積在B層的情況，土壤博物館內有阿里山的淋澱土土壤切片照片，裡面顯示的是有機質與鐵鋁的錯合物。
另一種化育過程會產生的特徵，是黏土礦物的洗入，除了前面說的有機質與鐵鋁洗入之外，黏粒也會隨著水向下流動，而洗入的黏粒會形成有整齊排列的黏聚層 (argillic horizon)，整齊排列的黏粒具有雙折射現象，黏聚層的黏粒膜是光滑平整的，可以看到猶如抹白膠一樣的光滑，孔隙襯裡 (pore lining) 是根腐爛之後氧化鐵和黏粒堆積在根孔的表面，如果挖到這樣的東西就可以判斷有強烈的洗出與洗入作用。
此外若累積很多氧化鐵，表層的有機物可以將其還原並往下移動，但再次氧化就會形成鐵錳結核 (看起來很像石頭但不是石頭)，水平形成的鐵錳結核就會形成薄膠層 (placic horizon)，會阻礙根的發育。
Alfisol：風化程度較高
繼續風化，澎湖拱北，澎湖的母質是玄武岩 (鐵含量比較多)，且氣候為熱帶，很容易就變成鐵染紅的土壤，剖面12的黏粒洗入明顯到有黏聚層所以可以被分類到Ultisol或是Alfisol，而這裡的土壤又具高鹽基飽和度與高pH，因此可被分類到Alfisol淋餘土，澎湖的雨量不夠多，但長久以來也是有黏粒累積的情況。
剖面13臺南林鳳營，在嘉南平原內陸，這地方原本都是湖泊的底泥乾涸之後逐漸變成土壤母質，因此很黏，黏粒很多但是smectite、蒙特石不多不會成為Vertisol，構造尺寸比較大，剖面13中黏粒是累積在一個很大的斷面上，有比較光滑的斷面，這個也是Alfisol。
Spodosol：我個人的最愛
繼續風化，假如是在冷涼潮濕的環境例如深山，就可能生成Spodosol，剖面14為阿里山的Spodosol，在分類上Spodosol是因具有診斷化育層spodic horizon而分類，由於冷涼潮濕的氣候累積了有機質表層，表層的有機酸溶解礦物並且漂白了E層，把有機質與鐵鋁都帶走，進入到較深處 (砂質地有利於洗入)，顏色比較暗是因為有機質包裹住金屬，這個顏色也可以作為現場分類的依據之一，而且有機碳儲存在B層，這裡的母質是砂岩，但淋澱土在臺灣只出現在嘉義以北，以南則因為氣候炎熱而不會有。
Ultisol：老年的土壤
再回到低海拔臺地，剖面15為新北三芝的Ultisol，Ultisol的分類依據是具有黏聚層，但是在長年多雨的條件下鹽基離子都被洗掉了，鹽基飽和度與pH都低，就會被分類到Ultisol。這是陽明山的熔岩流所堆積成臺地，氣候高溫多雨下可以快速風化出氧化鐵累積，黏粒經過質地分析可以確定其累積。
剖面16是新屋桃園農改場，這是桃園臺地的紅土，是第四紀大約兩百萬年到兩萬年間大量的洪水堆積成一個臺地，河水流經下切也會造成河階地。但可以發現剖面16其實沒有那麼紅，這是因為清朝的漢人來臺開發時要解決糧食作物，那漢人就是種水稻，因此桃園有很多埤塘來收集雨水，日本人也開始開桃園大圳，之後民國時期也造石門水庫，都是為了種水稻，那一直種水稻的話，鐵會開始被還原，所以可以看到有些沒有那麼紅的地方就是淹水造成的還原，還原後的鐵在乾季又重新氧化，然後種跟不種的時期又會造成地下水位的交替變化，這時就會發生這種鐵錳重新分布的現象，甚至形成網狀現象，這就是這裡呈現的鐵網紋 (plinthite)，他的特徵是你在野外挖出來之後就回不去了，會直接乾在那裏，鐵網紋可以用來判斷地下水位最高點。
剖面17金門的Ultisol不是搬運的，而是原地花崗岩風化產生的黏粒，pH低，鐵鋁帶正電。只剩下高嶺石與石英，高嶺石是礦物風化最終的產物，而因為高溫多雨所以有機質不多。
Oxisol：最老的土壤
最老的剖面18屏東老埤與剖面19楊梅埔心都屬於Oxisol，因為都只剩下氧化物所以就叫做氧化物土，已經接近一百萬年，黏粒膜都已經崩垮，土壤的化育就跟人的一生一樣，此時的土壤全部都是黏的，CEC也是最低，已經沒有分層的感覺。
Aridisol：特例
第十一個土綱Aridisols，雖然臺灣沒有沙漠，但是鹽化土壤也算在Aridisol底下，所以臺灣具有十一種土綱。