2 城鄉土壤
第二章 城鄉土壤環境
地質是每個生態系統的基礎。構成地球陸地表面的岩石對景觀和任何特定區域形成的土壤都有重要影響。反過來，這些因素會影響河流的流向，可以生長的植被種類，可供人類使用的原材料以及該地區可以種植哪種農作物。因此，地質可被視為人類定居和歷史故事展開的物理環境。就像戲劇舞台製作中的背景一樣，它對所有發生的事情都有很強的影響力。
城鄉景觀
景觀一詞可能使人想到一個地區，丘陵和山谷，河流和平原的物理形態。這可以稱為地理環境的地形。地形（地形的形狀和形式）受許多因素影響，例如過去的氣候，構造活動（包括地震，火山噴發等），區域演化的時間長度以及堅實的地質條件這是它的基礎。岩石有許多不同的形式，但從景觀角度來看，最重要的是岩石的堅硬程度和對水的滲透性。岩石中最堅硬的是花崗岩。當岩漿進入火山表面時，是由岩漿（位於地殼下面的熔融物質）的結晶形成的，這種岩石通常是在大陸碰撞時形成的。其質地根據其成分的結晶速度而變化，但細粒花崗岩不易被水侵蝕或被冰川冰磨碎，因此常會產生令人印象深刻的山脈和懸崖風光。加利福尼亞州的優勝美地山谷是地球上最引人入勝的花崗岩風景區之一。
石灰石是一種沉積岩，是由古老的淺暖海中存在的前生物體的沉積物堆積而成的，緩慢形成。岩石不是很硬，並且對水的運動是多孔的。它是可溶的，但由於其多孔性，通常會產生出崎in不平的懸崖和山峰，以及由於水沉入地下而留下的洞穴和坑洼的景觀。砂岩也可能產於丘陵地帶，因為水通過多孔材料而不是流過其表面，因此侵蝕過程相對較慢。另一方面，粘土不是多孔的，而是柔軟的，因此當水流過它時，通常會導致侵蝕。在景觀中的其他岩石中發現粘土的地方，通常是侵蝕最嚴重的粘土，因此地勢最低。這些山谷粘土支撐著河流和濕地。
因此，在確定景觀的性質時，地質學對人類住區發展的現有環境具有深遠的影響。景觀會影響植被，土壤甚至特定位置的氣候。它會影響與其他區域的通信性質，並且還會確定在發展中城市中可用於建造住宅或其他建築物的材料。地質還可以確定工業或其他目的所需資源的可用性。
地質與城市
阿爾利城市通常都位於要么在很容易從敵人的，如山頂上捍衛的地方，或在大海或河流峽谷提供了良好的溝通與其它地區，經常接近的地方，在那裡運送人員和商品往往在古代比較容易。位於河谷和洪氾區的城市通常以粘土為基礎。沿海地區的人的地理條件更加多樣化。現有的大多數城市都是在交通運輸比現在困難得多的日子裡建立的，因此導致其地理位置的許多因素可能不再那麼重要。確實，由於貿易和運輸性質的變化，一些古代城市不再像以前那樣重要。
在作為早期文明和城市化（城市發展）的中心的中東，許多早期定居點（大約有7,000多年的歷史）位於大河谷中，例如底格里斯河和幼發拉底河。 。陸路和水路的貿易路線穿過該地區，城市作為貿易中心而發展。這些城市位於美索不達米亞的河谷中，很難輕易防御其襲擊，它們的歷史反映了這一事實。他們經過各個征服國家的手中。這些城市位於河流氾濫的平原上，這也意味著主要的建築材料是乾泥，所以住宅和牆壁都是用泥磚建造的。但是，使用這些磚頭，古老的美索不達米亞人仍然能夠建造18 m或更高的超大型結構。泥磚牆很結實，但在雨季卻很麻煩，因為它們被水浸透了，易於膨脹和破裂。為了克服這個問題，在牆壁上開了一些小孔，稱為“哭泣孔”，多餘的水可以通過這些小孔排出。高牆的建造和這些牆中居民點的抬高都提供了一定程度的防禦能力，即使在河谷的平原上也是如此。其中一些被稱為ziggurats的建築物可以保存到今天，完好無損，這表明它們的強度和耐用性。
由於流域對於交流的重要性及其農業生產力的影響，一些偉大的早期文明都建立在這些地區。埃及就是一個明顯的例子。尼羅河三角洲是極為豐富的農業用地，每年的洪水氾濫，原因是東非的降雨使溶脹的河水沖垮了河岸，並為周圍的土壤帶來了新鮮的養分。這些洪水中產生的泥漿也為製磚業提供了原材料，因此，在美索不達米亞城市中，泥漿磚是可用於建築的基本地質材料。沿著尼羅河兩岸和三角洲沼澤地生長的蘆葦提供了額外的建築材料，其形式為屋頂的茅草屋頂或作為磚頭內部的增強劑。這裡的防禦問題不大，因為尼羅河谷的城市受到大片沙漠的保護。在這樣的地形上帶軍非常困難，埃及能夠在相對和平與孤立的情況下發展，幾乎不用擔心受到攻擊，儘管一些敵人設法克服了地理上的困難並征服了這個孤立的國家。像在美索不達米亞一樣，埃及的大型建築物和宮殿都是用泥磚建造的。木材也是從地中海地區進口的，有些甚至可能是在三角洲本地種植的。可以從海岸和周圍地區獲得硬石，例如石灰石，但是這種材料保留用於特殊目的，例如雕刻雕像，這表明了它的價值。更為珍貴的是南部上埃及的火成岩（火山岩）玄武岩，這一定很難通過水運輸，並且保留給社會的最高階層使用。
下埃及的金字塔是用石頭建造的。他們的建築不僅是一項非凡的工程壯舉，而且原材料的收集也必須付出巨大的努力。通常，中央墓室是用花崗岩板建造的，然後金字塔的外部是用石灰石塊層建造的。吉薩吉士豹大金字塔的花崗岩板每塊重約50噸。用來構造外部的石灰石塊每個在2到15噸之間，其中230萬用於金字塔的豎立。到金字塔建成時（大約4,600至4,700年前），下尼羅河的文明已經表明自己能夠在很長的距離上移動大量建築材料，以提高其建築質量。
在埃及建造“基普斯大金字塔”的那段時間，華夏文明在東亞逐漸滅絕。這是另一條以河流為基礎的城市化，該地區的農民使用黃河（黃河）進行運輸。他們建造了用木材和竹子製成的船，以便在河上和河下進行通信。沿河兩岸建有用當地石料建造的有城牆的城市，整個文明，其通訊通過河向東通往黃海和太平洋，與西亞和東南亞的發展中國家隔離開來。歐洲。
同樣遠離這些文明和發展中心的是中美洲和南美洲人民，他們也在發展農業並開始在城市中進行社會生活。在山谷中，土坯泥磚再次成為基本的建築材料，即使是金字塔等禮儀建築也是如此。但是在現在秘魯的高地上，定居點建在山頂上，石頭可以用作建築材料。在公元前第一個千年秘魯文明的鼎盛時期，安第斯山脈建造了大型石材建築和復雜的建築結構
近年來，當地地質對城市可用建築材料的影響已不那麼明顯，尤其是在上個世紀左右，當時人造建築材料已基本取代了自然材料。但是，我們無需再深入探討歷史就可以了解當地地質的影響。歐洲的許多城鎮可追溯到200年前或更早，其建築以當地石材為主導。例如，蘇格蘭的愛丁堡和阿伯丁的特點是深色花崗岩，對遊客有強烈影響。與新石器時代的舊殖民地相比，木材比石材更豐富，更容易加工的地方，儘管使用壽命不長，卻提供了令人滿意的選擇。
北美大多數城市在過去200年中得到了發展，其建築物是用磚和混凝土而不是天然石材建造的。磚是用黏土或頁岩製成的，放在烤箱中烘烤後再使用。與舊的土坯泥磚相比，現代的磚既小又硬。它們的硬度確保它們可以經受雨水和霜凍的侵襲，並且採用了小尺寸，因為對於建築商來說，處理起來非常容易。但是，近來，與用手工砌磚相比，用於建造的機械已經變得更加有效，並且可以處理更大的構件。現代建築的大型建築構件通常由混凝土製成，而不是以前的烤製粘土。混凝土是一種人造岩石，由經過研磨和粉碎的石頭與沙子，水和粘合劑（通常是水泥（源自石灰石））一起製成。這並不是真正的現代發明。它被羅馬人用來修建渡槽和圓形劇場。羅馬人使用奴隸來搬運大型混凝土砌塊，但是隨著起重機和起重機的發展，我們現在可以不用奴隸就可以用混凝土建造房屋。現在可以將混凝土澆鑄到大板中，並使用起重機將其提升到位，這樣大型建築物的建造可以非常迅速地進行。這種遠離在建築中使用本地岩石的運動已導致世界各地的城市在設計和建築材料上變得更加統一。即使沒有合適的當地石材，它也使城市得以發展。
但是，在現代建築方法發展之前，城市底層的岩石影響著可以建造的建築物的性質。例如，在早期的美索不達米亞城市和中美洲的城市，構造活動帶來地震危險，這影響了建築方法，就像今天在洛杉磯和加利福尼亞的舊金山一樣。下層岩石的性質也會影響建築物的高度。在伊朗沙漠中的定居點很少有高度超過兩層的建築物，部分原因是它們經常賴以建造的沙地不穩定，而且還因為地震威脅不斷。在紐約，甚至在100年前就已經證明可以建造極高的建築物，而在用粘土建造的倫敦，直到相對較新的建築方法和材料的出現，高層建築的開發才得以實現。
一些城市出現在地質條件已提供所需的特定礦物或材料的位置。例如，工業革命導致許多城市的建立和擴張，這些城市靠近煤炭的重要能源。冶煉鐵需要大量能量才能將金屬與其母岩分離。在史前時期，這本來是由木材燃燒來提供的，但是所需的溫度很難以這種方式實現。燃煤爐徹底改變了鐵的提取方法，並迅速取代了羅馬和中世紀時期使用的原始方法。在這些條件下靠近煤炭礦床的居住區蓬勃發展，因此，新的城市因應該地區的地質條件而發展。高爐冶煉過程中使用了鐵提取所需的其他原料，鐵礦石以及石灰石。所有這三種商品均存在的地點很少，因此需要方便地運輸一種或另一種原料。對運輸的需求極大地推動了人工水道（運河）和鐵路的發展，這是一種將重磅物料運送到發展中的工業城市的廉價便捷的方式。過去200年左右的運輸革命意味著已經克服了城市發展的舊限制。新城市可以通過公路，鐵路和航空連接，因此，城市發展現在擺脫了早期的地理限制。
地理和地質極大地影響了建國之初的地理位置和建築材料。但是，所有城市的人口增長都受到糧食供應的限制，並且周邊地區（腹地）以這種方式支持城市的能力通常被證明對城市的成功至關重要。農場和城市緊密相連；沒有農場，城市就無法生存。因此，地質學對農業的影響是確定人類在地球表面上的定居方式的重要考慮因素。
地質與土壤
土壤在土地表面形成一層薄皮，是岩石的固體地質學與上方大氣之間的一種邊界層。實際上，它們是兩種材料的混合物。岩石由於稱為風化的過程而分裂成小碎片，在這些碎片之間，大氣中的空氣和降水產生的水能夠穿透土壤。因此，土壤由礦物質，大氣和水的混合物以及佔據混合物的生物和死者的遺骸組成。大多數植物與土壤接觸生長，通常其根系深入複雜的地下結構，以獲取水和化學元素的供應。不同的植物對土壤的要求各不相同，馴化的植物也不例外。因此，可耕農業的發展在很大程度上取決於任何地區可利用的土壤類型。土壤和氣候是在任何給定地點可以發展哪種農業的最重要決定因素之一。為了了解農業生態系統，我們需要詳細考慮土壤形成和發展的性質。環境的化學決定了在生態系統中執行的許多過程，這當然適用於農業。
岩石的化學成分和物理硬度差異很大，但是所有岩石在暴露於空氣和地面附近遇到的氣候條件下都會分解。岩石以兩種不同的方式分解：通過機械或物理過程以及通過化學反應。機械風化涉及將岩石物理分解成較小的顆粒，這可以通過多種方式實現。岩石的結構不均勻；它們通常由混合在一起的不同材料組成，並且這些不同材料在受熱或受冷時可能會以不同的速率膨脹和收縮。當岩石深埋在地質構造中時，它處於一組統一的條件中，並且溫度變化很小。但是，當它通過地球運動或侵蝕被帶到地面時，它開始經歷這些溫度變化。各種岩石成分的不同膨脹和收縮作用會有效地使它們鬆散，並在岩石中打開細線裂縫。滲入岩石的水可以進入這些縫隙。當水凍結時，它膨脹了，這對於在凍結天氣中發生過水管破裂的人來說都是眾所周知的。膨脹的冰所施加的力足以使金屬管破裂，並且它也可以很好地分裂岩石。植物根也可以促進機械風化過程。滲透到土壤中以尋找水和化學元素的植物細根看起來很脆弱，細膩，但它們也可以施加很大的力。當它們滑入由霜凍作用引起的細小裂縫中時，它們會生長並膨脹，迫使岩石顆粒分開並進一步分裂。
第二類風化，即化學風化，發生在分裂的片段之間發生化學反應時。水本身是一種出色的化合物，具有溶解多種物質的能力。土壤風化發生在很長的時間範圍內（幾千年），在那段時間內，水能夠去除溶液中的許多不同化合物。滲透到土壤中的水不是純淨的。甚至在降落在土壤表面之前，雨水就已經能夠溶解大氣中的某些物質。大氣中的某些氣體是可溶的，例如二氧化碳，二氧化硫和氮的氧化物。二氧化碳是大氣中的一種自然且通用的成分，其濃度非常低（通常低於0.04％）。當它溶於水時，會形成碳酸，這是一種弱酸，但會腐蝕岩石的某些成分並使它們溶解。碳酸可以從岩石中提取鈣，鎂和鉀等元素，並在土壤中形成碳酸鹽，這些碳酸鹽可供植物根系吸收。大氣中存在的硫和氮氧化物可以通過火山活動產生，但由於人類污染，特別是通過燃燒化石燃料而越來越多地被發現。這些氧化物還溶解在水中以形成硫酸和硝酸，這兩種都是強酸，會對土壤風化產生很大影響。在它們的影響下，鐵和鋁等元素變得越來越易溶。這些金屬可能對植物有毒，因此在高度污染的酸雨條件下發生的強烈風化對自然植被和農作物都可能有害。
由於土壤中存在腐爛的有機物，因此發生了另一種化學風化形式。生態系統中的分解器分解了土壤中的根，葉，動物屍體，真菌和細菌的屍體。最早利用土壤中死物質的生物是有害生物。這些是無脊椎動物，從earth到埋藏的甲蟲和跳蟲，無食的動物會攝取死亡的物質，從中提取一些能量，然後排出糞便中殘留的物質。它們在使死物破碎方面起著重要作用，使更大的表面積暴露於真菌和細菌的進一步活動中。真菌和細菌有很多不同的種類，每種都有其專門的營養模式。一些可能將其活性集中在容易吸收的有機物分解產物上，例如糖或氨基酸（來自蛋白質），而其他一些則專門研究更大和更複雜的分子，例如纖維素或木質素（來自木材）。一些分解產物本身就是酸性的。例如，脂肪分解為脂肪酸，木質素可產生聚脲醛酸，有助於礦物土壤顆粒的化學風化。因此，土壤中有機物的分解是一個增量過程。
岩石的風化可以產生廣泛的土壤類型，僅僅是因為它們自身的岩石組成是如此變化。例如，花崗岩類型很多。最簡單的花崗岩類型由三種礦物組成：長石，雲母和石英。當岩漿冷卻成花崗岩時，這三種成分會與岩漿分開結晶，而花崗岩的自然風化會導致它們釋放到土壤中。在長石中發現的元素之一是鉀，通過雨水的化學風化將其以碳酸鹽的形式釋放出來，然後可能被植物的根吸收。從長石中除去鉀後，剩餘的材料由高嶺石組成，高嶺石是一種稱為粘土礦物的材料。高嶺石也被稱為瓷土，可用於陶瓷工業。雲母分解形成碳酸鉀和碳酸鎂鈉，以及鐵和鋁的氧化物。然而，石英是一種簡單且相對惰性的化合物，二氧化矽，通常稱為沙子。這種材料不太可能進一步降解，並保留在土壤中，使其具有永久的礦物骨架。
其他岩石生產不同類型的產品。砂岩主要由壓實在一起的砂粒組成，因此它們在物理上會降解，但在化學上幾乎不變。另一方面，石灰石主要由碳酸鈣組成。儘管它不是很溶於水，但長時間暴露於降雨的稀酸中，石灰石將完全溶解。這意味著，石灰岩土壤根本沒有礦物骨架，只是其中的碳酸鈣碎片緩慢溶解。因此，石灰岩土壤通常很淺，由有機物質和碳酸鈣顆粒混合而成。石灰岩是一種沉積岩，這意味著它是從遠古海洋中沉積下來的，顆粒落到了海底。海，在那裡積累。就石灰石而言，顆粒由碳酸鈣（石灰）組成，這些碳酸鈣已由微觀生物從水中提取出來並用於其殼中。當這些死亡時，它們的殼會與深處的沉積物結合。其他沉積岩，例如頁岩和砂岩，都來自從土地侵蝕的顆粒的再利用。這些被沖入海洋，在那裡它們以風化的顆粒形式沉積，並被埋在巨大的壓力之下，這些壓力在其上方積聚。當壓實的沉積物由於構造活動而再次升高時，它們將再次暴露於這些元素達第二次（或更長時間）。一些沉積岩石的成分被回收的事實意味著它們已經失去了許多可溶元素，因此它們比新鮮生產的岩石（如火山活動所產生的岩石）更貧窮且更均勻。沉積岩在風化作用下產生的粒徑也不同。頁岩風化主要產生黏土，導致排水不暢，而砂岩風化成沙質且排水順暢的土壤。
土壤條件和植物生長
顯然，不同的岩石會產生具有不同成分的土壤，但是這對植物的生長，特別是對農作物有何影響？為了能夠回答這個問題，我們需要精確地考慮植物從土壤中需要什麼。
與土壤最緊密接觸的植物器官通常是根。一些植物具有地下存儲器官，例如塊莖（例如土豆）和鱗莖（例如洋蔥），但是對於大多數植物而言，根是與土壤進行主要係列相互作用的根。重要的是要記住根是活著的。它的細胞與葉子的細胞一樣活躍，但是在黑暗中，根部無法進行光合作用的能量固定過程。根不斷生長，尤其是細小的根，它們可以有效地覓食土壤中的水和礦物質，並且需要向它們提供能量以保持其活動。這意味著必須不斷地從葉子中攝取糖，沿著莖的韌皮部組織一直流到根部。水分和溶解的礦物質的吸收實際上是通過根毛髮生的，根毛是根的表面細胞的管狀產物，最豐富並且在根的生長尖端之後才活躍。一項估計稱，一種年輕的（四個月大的）穀物植株大約有140億根根毛。從舊金山到莫斯科，這些設備首尾相連地延伸了6,000英里（10,000公里）。根毛的大量生產表明了植物在獲取水和礦物質上花費了多少精力，並且這一過程對植物的生存至關重要。
根發的壽命最多只有幾天。因此，死毛細胞不斷從根部表面脫落。但是，這種努力並沒有完全浪費掉，因為根部周圍的土壤因此被供給大量的死細胞，真菌和細菌在其中繁殖。這對植物有益，因為所有這些活性微生物都會產生酸性廢物，包括二氧化碳，並且它們對土壤物質的不斷消化會釋放出植物可以吸收的可溶性物質。實際上，在根部周圍有一個高微生物活性的薄區域，稱為根際球體。根與微生物之間存在一種共生關係，根以死細胞的形式為微生物提供能量豐富的食物，微生物吸收並釋放營養元素（磷，鉀，鈣等））所需要的。
根和大多數微生物都需要氧氣才能呼吸。在呼吸過程中，活細胞利用氧氣分解糖等食物資源以產生能量，從而使其生長並開展工作。土壤的結構對於控制對根及其相關微生物的氧氣供應非常重要，因為含氧的空氣必須從上方的大氣中穿過土壤孔隙擴散。土壤中相同的多孔系統使呼吸的廢物二氧化碳得以擴散到大氣中，綠色植物可以在其中進行光合作用。如果土壤中的孔隙很少，或者被過量的水堵塞，則氣體擴散會大大減慢，並且使根和微生物的呼吸變得困難。即使沒有氧氣（厭氧細菌），某些微生物也可以繼續其活動，而某些植物比其他植物更能耐受厭氧條件。例如，水稻能夠在缺氧的澇漬土壤中生長。但是，如果大多數農作物的根部長期缺氧，就會被殺死。
“土壤氣氛”在成分上與土壤表面上方的氣氛非常相似。它主要由氮氣（約佔79％）和氧氣（約佔21％）以及少量的二氧化碳和其他微量氣體組成。如前所述，由於地下所有的呼吸作用，二氧化碳的含量可能會上升。氮是土壤大氣的主要成分，是一種相對惰性的氣體。它根本不容易與其他化合物發生化學反應。但是，存在於土壤中的細菌能夠捕集氮氣，並將其與氧氣和氫氣結合，製成稱為氨基酸的有機化合物。這些是所有生物的重要組成部分，因為它們是蛋白質的組成部分。以這種方式“固定”氮的微生物包括一些自由活動的細菌，藍綠色細菌（藍細菌）以及一些生活在植物根部（包括豌豆科物種，也包括al木，蘇鐵科植物）中的共生細菌。， 和別的）。這個過程對植物至關重要，因為氮化合物對它們的生存至關重要，而植物則無法自行利用大氣資源。由於所有這些“固氮劑”都需要進入大氣來提供氮，因此氣體的自由移動通過土壤是其功能所必需的。如果土壤孔隙被堵塞或浸水，它們將失去活性。確實，如果土壤缺氧，有些微生物會將氮化合物分解成氮氣。
農民在田間耕作，試圖將空氣混入土壤中，以防止土壤壓實並喪失孔隙度。但是，土壤中有一些生物具有完全相同的作用，即earth。這些無脊椎動物動物以土壤中的有機物為食，一端吸收土壤，消化腸道中的某些物質，向混合物中添加粘液和唾液，然後將其倒出，通常是在土壤表面。無論是隧道還是它們產生的破碎的顆粒狀廢物，在土壤循環和維持良好通風的土壤中都起著非常重要的作用。
將大氣帶入土壤的相同孔隙也是水流經土壤的通道。在世界上大多數溫帶地區，雨水或積雪融化時會吸收水，然後通過土壤向下進入飽和的岩石（含水層）或溪流和河流，然後再進入海洋。在高度乾旱的地區（例如世界乾旱地區），水可能以相反的方向流動，從地表蒸發並向上穿過土壤。正如土壤的結構影響空氣運動一樣，它也影響水的運動。在自由排水的沙質土壤中，水可以穿過土壤而不會受到任何阻礙。這樣可以防止與澇漬有關的問題，但是如果水的流通效率過高，則會使植物失去供水。最好在中期條件下為植物提供服務，在這種條件下，大部分水在重力的影響下從土壤中排泄，留下開孔供空氣滲透，但土壤中保留了足夠的水以滿足植物的需求。植物。通過毛細作用，水被保持在土壤的較細空間中。水的表面張力使其附著在細管的側面，甚至在重力作用下也會上升。正是這種毛細水構成了植物根的主要資源，因為它們可以對這些水供應施加吸力，從而將它們從毛孔中抽出並通過根毛吸收。
從這些考慮中可以清楚地看出，土壤的結構（物理排列）與其化學性質在確定植物（包括可耕作物）的生長狀況方面同樣重要。影響土壤物理條件的一個因素是土壤的質地。這意味著土壤中不同粒徑的比例。構成土壤的顆粒大小會影響其孔隙度，進而影響其排水和空氣供應。土壤科學家根據以下分類系統定義粒徑。在這些定義中使用公制單位。1毫米大約等於0.04英寸。
然後根據這些顆粒大小中的任何一個來描述土壤的質地，因此取決於主要顆粒，土壤可以是粘土，沙質粘土或粉質土壤。顆粒相對均勻混合的土壤稱為壤土。如圖所示，可以將與壤土條件的偏差描述為例如粉質粘土壤土或沙質粘土壤土等。因此，有關土壤質地的信息可以很好地表明其性質，特別是其排水特性。紋理類型的定義由不同粒徑的比例確定，最好在三角圖中進行說明，如圖所示。
土壤中的大顆粒會導致毛孔粗大，排水效果更好。如果孔的直徑大於約0.05毫米，則水將在重力的作用下自由地從中排出。另一方面，如果孔的直徑小於0.0005mm，則水在毛細作用力和表面張力的作用下會被緊緊地固定，並且很難提取。在這兩者之間，水可以抵抗重力而保留，但可用於植物的根部，這些根部能夠產生足夠的吸力（由於葉片中水分的蒸發而產生），以將水分從植物的根部吸出。土壤的毛孔和根毛。
在土壤中的各種顆粒中，粘土部分需要特別注意，因為它的行為方式對植物及其營養供應特別重要。淤泥和沙子主要由石英組成，石英是岩石風化產生的惰性殘留物，但粘土的性質要復雜得多，反應性也要好得多。粘土是晶體材料，由一系列氧化鋁和氧化矽交替組成的多層三明治組成。這種不尋常的結構使粘土晶體在其表面上帶有負電荷，從而產生了一些卓越的性能。粘土的一個顯著特徵是，當與水混合時，它保持懸浮狀態，並且不容易沉澱到底部。（此特性為從大顆粒中分離粘土提供了便利的技術。）粘土保持懸浮的能力部分是由於其表面上的電荷，因為每個顆粒上的負電荷會排斥周圍的顆粒並將其保持相距不遠，就像磁鐵一樣，磁極彼此面對。但是可以通過添加過量的包含原子或帶正電的原子團的材料來中和負電荷。帶電原子或原子團稱為離子，它們可以帶正電或帶負電。如果我們向粘土懸浮液中添加鹽（氯化鈉），則帶正電荷的鈉離子將自身附著於粘土表面的負電荷上，並對其進行中和，從而使粘土絮凝，即聚集門從懸浮液中掉落，並落在底部。這在農業土壤中可能是重要的過程。如果海水淹沒了耕作區，則可能導致土壤中的粘土絮凝。結果可能是土壤結構崩潰，並且在遭受海澇影響的地區恢復土壤可能需要很多年。
粘土顆粒上的負電荷對土壤及其所支持的植物具有重要意義。儘管大量帶正電的離子會導致粘土塌陷，但實際上有少量離子粘在粘土晶體的表面上並鬆散地固定在該表面上。我們已經看到，母岩的風化作用將許多元素釋放到土壤中，而土壤中有機碎屑的分解又補充了這些元素。帶正電的離子可以被粘土顆粒捕獲或吸附，這些離子包括鉀（K +），鈣（Ca ++），鎂（Mg ++）和銨（NH4 +）離子。植物需要所有這些，但是植物可以從粘土上的位置中回收它們，還是將它們牢固地固定在那裡？這個問題的答案涉及到根際，即根毛周圍的細菌豐富且活躍的區域。根際中高水平的微生物活性會產生酸，包括來自溶解二氧化碳的碳酸。酸釋放帶正電的氫離子（質子）（酸的定義是在解離時釋放質子的化合物），這些帶正電的離子能夠從粘土顆粒中清除其他帶正電的離子。因此，氫取代了粘土中的鉀，鈣和其他離子，它們返回到根毛周圍的土壤水中，並被植物吸收。
因此，土壤中的粘土成分可作為植物所需的許多礦物質元素的倉庫，並為這些元素提供一定的保護，否則這些元素會在溶液中流失到土壤中，並在重力作用下通過排水而流失。儘管粘土具有這種活性，但仍會以這種方式損失一些離子，這一過程稱為浸出。如果從土壤中排泄的水在性質上特別是酸性，那麼它甚至可以從粘土表面竊取離子，並將其帶到植物根部無法觸及的地方。這是工業空氣污染地區降雨酸度增加可能對土壤造成破壞的原因之一。
粘土並不是唯一能夠將帶電離子保持在土壤中的物質。有機物也具有此特性。有機物質或腐殖質是生物材料的部分分解產物，因此腐殖質的生物化學極其複雜。像粘土一樣，有機物質的某些部分具有負表面電荷，並且同樣能夠在其表面上吸附帶正電的離子。因此這裡是植物可以利用的第二種礦物質離子的儲存庫，同樣是在根部周圍的微生物的幫助下。由於腐殖質的這種特性，園丁和農業學家認為有機物是土壤的寶貴添加物，並經常在土壤中添加堆肥以提高其礦物質保持能力。腐殖質還能夠在土壤中保持水分，這是一個額外的優勢，特別是在沙質，排水良好的土壤中。園丁和園藝師經常添加泥炭，泥炭是一種特殊的有機材料，來自沼澤，可以通過瀝乾沼澤並剝去泥炭覆蓋層來回收。（但是，保護主義者通常不贊成這種做法，因為這些獨特的濕地生境產生的泥炭可能已經花了數千年的時間形成，並且無法在任何合理的時間範圍內被替換。最好使用枯枝落葉或取自林業用樹木樹幹上的樹皮皮，因為它們是可再生資源。）
從這個簡短的說明可以看出，土壤是一種非常複雜的材料。它是動植物，植物根系和微生物活躍活動的場所，所有人都在這個黑暗潮濕的世界中謀生。它也是地球表面上最有價值的材料之一，因為它支持最終構成所有陸地食物網基礎的植物。土壤是農業的基本資源。正是在這里地質對全球糧食生產產生了巨大影響。
土壤，氣候和農作物生長
儘管土壤在支持植物生長方面如此重要，但氣候（尤其是溫度和降水）最終控制了該地區的植被。它限制了在已轉變為可耕農業的地區可以種植哪些農作物。氣候對土壤也有很強的影響，影響著風化和淋洗等過程，並且還受其對植被覆蓋的影響而起作用，這反過來又決定了從上方進入土壤的有機物的類型。但是，在給定的氣候條件下，土壤可能會根據母岩材料以及坡度和坡向（坡度的朝向）等因素而變化。就像不同的農作物都有其特定的氣候要求一樣，它們對土壤條件也有偏好。
保留在土壤中的水量不僅取決於降水和排水的速率，還取決於土壤質地（不同粒徑的比例）和地形（山頂，坡度，谷底和土壤）。依此類推）。有些農作物對乾旱敏感，而另一些農作物對過量水分敏感，因此要么必鬚根據土壤條件改變農作物的類型，要么必須改變土壤條件以適應農作物。實際上，這兩種過程都用於農業。相對很少的農作物種類能夠耐受土壤中的高水分位，因此許多溫帶地區都經過了排水處理，以降低水位，並使條件更適合農作物。通常，地下水位應在土壤表層以下三英尺（1 m）左右，以確保作物健康生長。這可以通過多種手段來實現。在地面挖到三英尺深的溝渠將帶走地表水並降低地下水位。但是，根據土壤的滲透性，水可能不會很快進入溝渠，因此如果溝渠之間的距離不夠近，則漬水會持續。可以使用地下排水管，例如陶瓷管或帶孔的塑料管，它們從土壤中吸收水分並將其迅速帶走。一種不太持久但更便宜的方法是使用排泄器。這些是地下土方隧道，可以用mole鼠犁挖開，將其拉過土壤，而不會對地面造成很大干擾。
通過使用這樣的設備，即使是低窪地的粘土也可以被墾殖用於作物生長。然而，在這種潮濕的情況下，另一種選擇可能是牧場草的生長和動物的放牧。但是，如果要最大限度地提高草的生產力，並避免濕的“雜草”物種（例如草叢和柳樹）的入侵，則即使牧場也可能需要排水。治理濕草原的古老系統是修建水草場。交替的山脊和溝渠使水在初春時氾濫到河邊的草地上，這具有使土壤變暖的效果，否則土壤會結霜。洪水的結果是草在季節較早時開始生長。
另一方面，土壤可能排幹得太少或水分供應不足，無法維持農作物的增產。在這種情況下，農民將希望對農作物進行灌溉而不是排乾土壤。當人們想到灌溉時，就會想到世界上的干旱地區，但是即使在較涼的溫帶地區，過度乾旱也常常是一個問題。在夏季的悶悶不樂的一天，每英畝新英格蘭玉米田可能會損失多達12噸水（30噸/公頃）。如果沒有替代品，大量的水將從土壤中帶走。在世界範圍內，灌溉需求很大。目前正在灌溉約6.7億英畝（2.7億公頃）的土地，用於此目的的淡水供應越來越稀缺。淡水最終可能是地球上糧食生產的限制因素，因此，也是人口增長的限制因素。
灌溉可以通過將水引導到農作物中來進行，例如在水草場的情況下，可以從上方噴灑，可以通過將水直接輸送到各個植物的管道滴灌補給，也可以通過安裝地下供水管道紮根。前兩種方法（尤其是第二種）被廣泛使用，但也很浪費，因為大量供應的水直接蒸發回大氣中。其他兩種方法的安裝成本較高，但運行效率更高，因此在以色列和其他乾旱地區等水價昂貴的地區，它們越來越受到青睞。有效地將水以其實際需要的速度滴入植物。
除水外，土壤對植物的另一主要需求是提供營養元素，包括磷，氮，鉀，鈣和鎂。土壤根據母岩的化學性質，浸出速度以及一旦風化（或微生物分解）釋放到土壤中后土壤保留元素的能力而變化。如本章前面所述，這種保持能力與土壤中的粘土和腐殖質含量密切相關，因為這些成分會保留離子。農業學家可能發現有必要向土壤中添加有機物，以提高其養分和持水能力。傳統上，這是通過在有此類材料的混合農場中使用堆肥或動物糞便來完成的。
自然生態系統具有一種營養物質的循環利用系統，該系統通過分解死植物的物質來運作，但是農業生態系統需要定期進行捕撈，這會從土壤中去除某些元素。（將在第3章中對此進行更多說明。）如果元素的去除速率超過了土壤中礦物質碎片的風化速率，則有必要通過人工手段補充營養。換句話說，我們需要施肥。
有時土壤中某些化學元素可能過多。這通常發生在使用灌溉的地方，特別是在乾旱條件下蒸發旺盛的地方。土壤中的水由於地表的蒸發作用而向上移動，鹽分在向上的過程中溶解在水中。當水在地表蒸發時，鹽分會留在水中，並會濃縮在土壤的表層，恰好是植物根系所在的位置。此過程涉及多種鹽，包括普通鹽（氯化鈉），氯化鎂，碳酸鈣和硫酸鈣（石膏）。石膏可以在土壤表面形成堅硬的固結物，幾乎不滲入根或水，因此，即使雨水也可能從表面流下，從不浸入土壤中。土壤中鹽分的積累稱為鹽鹼化。
作物應對土壤中鹽分或提高化學濃度的程度各不相同。一些作物，例如小麥，大麥，棉花，甜菜和棗椰子，對植物的耐受性很強，這些作物在需要灌溉的干旱國家比較受歡迎。這些物種中的每一個都有許多不同的菌株和變種，其中一些比其他的更耐鹽度。例如，以大麥為例，有一些遺傳菌株對高鹽分非常寬容，為此人們花了很多精力從這些品種中進行選擇和育種，以適應鹽漬土壤的需求，例如伊拉克和伊朗。
其他農作物，包括水稻，捲心菜和西蘭花，對鹽度中等敏感，並且在發生鹽鹼化的地方通常不種植。還有其他一些，例如草莓，杏，鱷梨和花生，對鹽分非常敏感，因此，如果土壤變成鹽分，這些作物就會有效地喪失。
城市用水
正如農作物和家畜生存需要水一樣，人類也是如此，我們的行業也是如此。最初建立城市時，通常可以確保從當地河流供水，但是近來人口的增長意味著該城市的飲水量經常超過當地的水量。因此，就像食物一樣，水也必須從外部進口。向我們的農場供水很困難且昂貴，向我們的城市和工廠供水也是如此。
在美國，我們的用水量是世界上最高的，每人每天用水1,400加侖（5,300升）。這個數字不僅考慮了我們的個人用水，還考慮了在農業和工業上用於支持我們的水。如果整個世界人口都需要這個數量，那麼全球水資源將無法支持目前的地球人口。美國用水的大部分用於農業（41％）和冷卻電廠（38％）。工業使用11％，公共使用10％。這些數據加在一起表明，美國消耗的水有一半以上是在城市中消耗的。
美國東部的水供應相當充足，仍然普遍認為資源充足，但中部各州和西部卻缺乏水。新墨西哥州，亞利桑那州，猶他州，內華達州和加利福尼亞州（尤其是加利福尼亞南部）是受缺水影響最嚴重的州。大壩用於集水和儲水以及長距離輸水的使用正在增加。此類措施以景觀改變和可能被認為具有保護價值的地區流失的形式造成了環境問題。另一方面，水壩還可以以水力發電的形式提供能源，以及娛樂設施，如划船和釣魚。
節約用水已成為世界性的問題。大型水壩項目將在不久的將來改變地球許多地方的星球面貌。印度有雄心勃勃的計劃，既要建造大型水壩又要建造小型水壩，特別是要收集落在喜馬拉雅山脈上的水域，並在到達海洋的途中穿過乾燥的土地。中國計劃在長江上建造世界上最大的水壩和水庫，這將在山谷上空延伸370英里（590公里）。大壩本身的高度將達到600英尺（180 m），所捕獲的供水應足以滿足1.5億人的需求。
結論
一個區域下面的岩石影響著土地景觀的形式，而景觀對農業的發展和城市的位置產生了重大影響。一個地區的地質性質影響著河流的位置，這通常通過提供通訊聯繫和飲用水對建立城市很重要。城市需要岩石的原材料作為建築材料，而在交通不佳的日子裡，城市需要在附近迅速提供這些材料。但是，新建的城市較少使用當地的岩石，因為它們使用混凝土作為主要建築材料。許多城市需要為其行業提供各種地質資源，包括鐵，煤和石灰石。
地質學是決定一個地區盛行土壤的主要決定因素，這是農業發展的重要方面。岩石類型影響土壤中顆粒的性質，也影響其化學組成，尤其是植物可利用的元素。土壤的粘土部分尤為重要，因為它充當了可以被植物根部挖掘的礦質元素的儲存庫。但是，如果存在一定範圍的粒徑（壤土），則土壤最有效地起作用，因為這將確保土壤的有效排水和空氣向土壤的滲透。可以通過人工添加肥料或有機物以及通過排水或灌溉來改善土壤的農業生產力，具體取決於給定地點的特定要求。