地球的表皮

我们对天体运动的了解，比对脚下土壤的了解要更多。

莱昂纳多·达·芬奇

查尔斯·达尔文的最后一本书，鲜为人知且未受争议。这本书写的是蚯蚓如何将灰尘和腐烂的树叶变成土壤，并于1882年，也就是达尔文去世的前一年出版。与达尔文一生的成就相比，他的最后一部著作似乎记录了一项微不足道的观察；或者，他其实发现了一个关乎我们这个世界存亡的重大事实——一个他认为在生命的最后时日必须传递给子孙后代的信息？这本关于蚯蚓的书，被一些评论家视为是达尔文在老年时期的退化思维所产生的好奇心驱使下而作；它探讨了我们脚下的土壤是如何经过蚯蚓的身体得以循环，以及蚯蚓是如何塑造了英国的乡村景观。

达尔文自家的田地让他有机会探索蚯蚓在地质过程中所起到的重要作用。在环球旅行结束后不久，达尔文回到了自己在英国的家。这位著名的乡村士绅发现，每隔一段时间就被拱到地表的物质，与几年前被一层散落田间的灰渣所覆盖的细土极其相似。由于那几年田里既没有养牲畜又没有种粮食，这片田应该毫无变化。那之前散落田间的那层灰渣是怎么在他的眼前“下沉”的？

而唯一可能的解释听起来很荒谬——是蚯蚓年复一年地将小堆粪土翻到地表之上。难道蚯蚓真的一直在给他犁地吗？出于好奇，达尔文开始探究是不是蚯蚓在慢慢地构建起一层新的土壤。与他同时代的人则认为他疯了——他成了一个认为蚯蚓那微小的行为能够积累产生巨变的傻瓜。

达尔文开始坚定地收集并称量蚯蚓粪，以估测蚯蚓究竟翻动了多少英国乡村的土壤。他的儿子则帮助他测算那些古代遗迹“下沉”的速度。最令达尔文的朋友好奇的是，他将蚯蚓养在客厅的罐子中，尝试不同的蚯蚓喂食方式，并测量它们究竟能够多快地将地表的叶片和灰土转变为土壤。达尔文最终得出结论：“全英国的菜地已经多次经过蚯蚓的肠道，并将继续一遍遍地被蚯蚓吃进再排出。”[2]从好奇蚯蚓是如何翻动自家田地，到证明蚯蚓不断吃进并消化全英国的土壤，这的确是一个巨大的飞跃。到底是什么推动达尔文沿着这种异乎寻常的思路探究下去的呢？

在达尔文的诸多观察中，有一个例子格外引人注目。1841年，当达尔文的小儿子跑下山坡时，散布于这片坡田的石块被踢得叮当作响——那一年是达尔文最后一次在这片坡田上耕作。在三十年后的1871年，这片久未耕作的坡田已经找不到石块的痕迹——马匹可以在这片休耕多年的坡地上奔跑而踢不到一块石头。那些曾被踢得叮当响的石头究竟去哪里了？

出于好奇，达尔文挖了一条横跨这片荒田的沟槽。他发现，那些曾经散布在自家田地表层的石块，如今已被两英寸半的细土所覆盖。这些石块所经历的过程，正如同几十年前散落田地表层的那些煤渣。达尔文猜测，在无数蚯蚓的努力下，新的表层土壤正以每个世纪几英寸的速度慢慢累积。

由于不确定这是否仅仅是发生在自家田地的特殊情况，达尔文让已经长大的儿子们去考察，那些废弃了数百年的建筑物的楼层和地基，究竟是以多快的速度被新土层掩埋的。达尔文部署的这些“侦查员”向达尔文汇报，萨里郡的工人在地下两英寸半的深处发现了典型的罗马式别墅的小红瓦。来自公元2—4世纪的硬币进一步证实，这座罗马式别墅已经废弃了一千年以上。堆积在该处遗迹的地板上的土层有六到七英寸厚，也就是说，新土层累积的速度大约是每个世纪半英寸到一英寸。达尔文在自家田地里观察到的现象并非特例。

对其他一系列古代遗迹的观察，让达尔文进一步坚信了蚯蚓在英国乡村间“犁地”的事实。1872年，达尔文的大儿子威廉·达尔文发现，在亨利八世反正统天主教战争期间被摧毁的博利厄修道院中殿的步道，如今被埋在六到十二英寸的土层下；在格洛斯特郡，一栋隐藏于丛林的，与世隔绝几个世纪的大型罗马式别墅的遗迹，被一个猎场看守在挖洞猎兔的过程中偶然发现，当时它的地板已经被两三英尺的土层覆盖；而位于什罗普郡的尤里康尼亚姆废城的混凝土步道，在荒废几百年后，也被厚达一英尺的土层覆盖。可是，真的是蚯蚓完成了这些巨大的工程吗？

通过收集并称量不同地区的蚯蚓粪便，达尔文发现蚯蚓每年可为每公顷土地带来十到二十吨的新土。也就是说，蚯蚓每年的活动可以在地表形成一层厚度约为十分之一英寸到四分之一英寸的，平铺其上的新土层。这足以解释古罗马遗迹被土层掩埋的现象，也与达尔文所推断的，在被他的儿子们称为“石场”的自家荒地上的新土壤的形成速度非常接近。通过观察和整理自家的田地，挖掘古代建筑遗址，以及直接称量蚯蚓的粪便，达尔文发现，蚯蚓的确在表土层的形成过程中起到了至关重要的作用。

但是，它们究竟是怎么办到的呢？达尔文开始观察摆在自家客厅的玻璃容器中的蚯蚓的活动，试图了解它们是怎样将有机物质“注入”土壤的。达尔文对被自己这些新宠物拖进地下洞穴的树叶的巨大数量进行了计算。他观察到，蚯蚓将树叶撕成小块并部分地消化了它们，然后又将这些有机物质与之前摄取的细土混合了起来。

达尔文注意到，蚯蚓除了能够磨碎叶片，还能够将小石块分解为矿质土壤。达尔文在解剖蚯蚓时，总是在其消化系统中发现小石头和沙粒。达尔文发现，蚯蚓的胃酸与土壤中的腐殖酸成分相匹配，并对比了蚯蚓的消化能力与植物根系缓慢分解最坚硬岩石的能力。达尔文发现，通过缓慢的翻土、分解、再加工，以及将岩石与有机物质混合的一系列过程，蚯蚓能够制造新的土壤。

达尔文还发现，蚯蚓不仅“制造”土壤，还促成了土壤的移动。他不停徘徊在被雨水浸透的自家田地，并观察到，在雨水冲刷下，蚯蚓造就的这层土，即使沿着最平缓的坡度也能扩散开来。达尔文精心收集、称量并比较了从坡地不同位置的蚯蚓洞穴中涌出的粪便量，发现下坡侧的粪便量是上坡侧的两倍。被蚯蚓拱到地表的物质向下坡方向平均移动了两英寸。仅仅通过挖洞，蚯蚓就使得土壤不断向下坡方向缓慢移动。

基于他的观察与测量，达尔文计算出，在一片长约十码的典型的英国坡地上，每年约有一磅重的土壤向下坡方向移动。据此，他得出进一步的结论：英国全境的表土层就如同一块泥土的毡垫，通过这支看不见的蚯蚓大军的挖掘与消化作用，在被草皮覆盖的山坡上慢慢下移。蚯蚓每年移动了英格兰和苏格兰境内几乎五亿吨重的土壤。达尔文认为，蚯蚓是能够在数百万年的时间尺度上重塑土地的主要地质力量。

虽然达尔文对蚯蚓展开的研究极具创新与突破性，但他那时对土壤侵蚀的了解还不全面。比如，他通过测量密西西比河所带动的泥沙含量，计算出在没有地质上升作用的情况下，阿巴拉契亚山脉会在四百五十万年内被“侵蚀”为平缓的平原。现在我们知道，这条地球上最古老的山脉之一已经存在了上亿年之久。对于不存在地质上升，已经进入地质死亡期的山脉而言，自恐龙存在时期便开始的自然侵蚀并未将其化为平地。也就是说，达尔文过分高估了山脉被侵蚀的速度。他的计算与实际情况的差距为何会如此之大？

达尔文和与他同时代的人都还不知道“地壳均衡”这一现象，即由侵蚀引发的地球深处的岩石层的上升过程。这一理论直到达尔文去世几十年之后才成为主流地质假说。如今，地壳均衡理论已经被广泛接受——“侵蚀”并非削减材料的单项过程，它也是使岩石层向上移动以达到地表海拔的动态平衡。

尽管地壳均衡理论所描述的现象与“侵蚀削减地表”这一常识性认知相左，但这一理论在更深层次上是符合常识性逻辑的。大陆，实际上是“漂浮”在地球深层致密的地幔之上，由相对较轻的岩石所构成的。大陆如同海上漂浮的冰山，或是杯中漂浮的冰块，当水面之上的部分消融，冰块就会微微上升并继续漂浮。同样，大陆的基底部分实际上向地球深处延伸了五十多英里后才触及致密的地幔。侵蚀过程所造成的地表景观的质量削减，通过被地球深层力量上推的新岩石得到了补偿。地表一英尺厚的岩石层的削减，只会造成地表下降两英寸，因为会有十英寸厚度的新岩石上移以补充质量损失。地壳均衡过程所带来的新的岩石亦是形成土壤的原材料。

在达尔文看来，地表土壤有着一种动态平衡，即在自然侵蚀与深层岩石分解补充这两者之间维持着稳定状态。达尔文认为，表土层持续地变化着，却能够保持稳定状态。通过观察蚯蚓，他发现了地球表面这层薄薄的土壤的动态特性。在他写下的人生最后一章中，达尔文开启了“土壤是地球表皮”的这一现代认知。

达尔文认识到了蚯蚓在土壤制造过程中的重要作用，并将其视为大自然的园丁。

当我们注视着那青草覆盖的广阔田野，我们要把它那平整的美记在心底。这平整，是大地的缤纷美丽赖以存在的基础；这平整，得益于蚯蚓慢慢将一切崎岖化作平齐。对人类而言，这必是惊人的认知：眼前这般宽广的地球表层泥土，从古至今，以数年一次的周期进出着蚯蚓的身体。对人类而言，犁具是我们最古老而珍贵的发明之一；我们更要感叹，蚯蚓对土地的规律性耕犁的历史，始于人类出现之前，并将继续下去。是否还会有许多其他动物，能够像这些构造简单的生物一样，在世界历史中扮演如此重要的角色？关于这一点，也许还存在疑问。[3]

近年来对苏格兰东南部地区以及设德兰群岛土壤细部纹理的观察，再次证实了达尔文的推断。荒废了几个世纪的田野的表土层，几乎全部由混杂了岩石颗粒的蚯蚓粪便组成。正如达尔文猜测的那样，蚯蚓仅需要几个世纪就可以把表土层彻底“耕犁”一遍。

达尔文对土壤作为一种介于岩石与生命之间的动态界面的认知，进一步引发了他对土壤层厚度与当地环境条件之间关系的思考。达尔文指出，厚的土壤层使得仅在地面之下几英尺范围内活动的蚯蚓不会去触及更深处的岩石。同时达尔文注意到，蚯蚓排入土壤中的腐殖酸在渗进地下更深处之前就已分解。达尔文因此推断，厚土层是介于岩石与外界环境之间的隔离层，它使岩石较少受到极端温度变化或是霜冻和结冰的剧烈作用的影响。土壤层会不断加厚，直到表土层受侵蚀的速度与深层岩石转化为土壤的速度形成动态平衡。

达尔文的推断是正确的。土壤的确是一个会响应环境变化的动态系统。如果新土壤的形成量大于受侵蚀的消耗量，那么土壤层就会加厚。正如达尔文所描述的那样，当土壤层达到一定的厚度时，就会将岩石与能够使其转化为新土壤的物理化学过程相隔离。相反，地表景观的土壤的过度侵蚀与消耗，则会加剧作用于裸露岩石的环境侵蚀，这既可以在一定程度上加快土壤的生成速度，也有可能使新土壤的形成完全停滞——这要取决于植物是否能够成功在此地扎根生长。

从较长的一段时间来看，动态的土壤系统将逐渐趋于一种侵蚀消耗与风化重生之间的平衡。这种规律使得土壤厚度与某一特定景观的环境特征相匹配。虽然大量土壤受到地表侵蚀，并由深层岩石风化作用所产生的新泥土所补充，土壤、景观以及整个植物群落，始终是作为一个整体在不断演进，因为它们都是在土壤的消耗与重生这一动态平衡中相互依存。

从土地本身的形式来看，这种相互作用也是显而易见的。光秃且棱角分明的山坡常出现在干旱地区，那里的夏季雷雨对土壤的剥蚀速度长期超过土壤的生成速度；而气候湿润的地区情况则不同，这些地方的土壤生成速度能够赶上土壤侵蚀速度，所以能反映土壤性质的是由较厚土层覆盖而成的圆形山丘，而不是土壤层之下深层岩石的形态。因此，土壤形成较慢的干旱景观以棱角分明的山坡为主，而湿润的热带地区则充满了起伏的圆形山丘。

坡面上土壤的厚度，反映了表土层在侵蚀作用下的消耗过程与深层岩石在风化作用下转化为土壤的生成过程两者之间的平衡。

土壤不仅塑造了土地的形态，而且提供了植物生存所需的最基本条件：土壤为植物提供营养，并能够持续提供氧气与水分。好的土壤就如同催化剂，使得植物能够吸收太阳光，并将太阳能以及二氧化碳转化为碳水化合物，从而维系陆地生物食物链。

植物的生长需要氮、钾、磷以及其他诸多营养元素。有一些元素，比如钙或钠，其供应通常充足，不会因稀缺而限制植物生长；而另一些元素（比如钴）非常稀少，但对植物生长至关重要。新土壤的生成过程亦包含营养物质在生态系统中的循环，因此它也间接地使土地变得适于动植物生存。进一步来说，土壤的肥力决定了陆地生态系统的生产力。海洋之外的整个生命系统，事实上依赖于土壤中产生与保存的营养物质。它们通过生态循环过程从土壤进入动植物，然后再次进入土壤。

生命的历史与土壤的历史紧密相关。在地球历史早期，大地被裸露的岩石覆盖。雨水落到寸草不生的地面，侵蚀地表岩石，并携带浸出的矿质元素慢慢下渗。岩石形态的地表矿物最终被风化为黏土。水分慢慢下渗的过程使得新生成的黏土得以被重新分布，这时便形成了地球早期的土壤——原始矿质土壤。世界上最古老的化石土壤年龄超过三十亿岁，几乎与最古老的沉积岩相当——化石土壤甚至可能与大地自身出现在同一时期。早期形成的土壤以黏土为主；最早的化石土壤含有异常丰富的钾，因为此时地球上还没有植物吸收黏土中的营养。

一些科学家认为，黏土矿物甚至在地球生命进化过程中起到过关键作用——在早期地质历史中，黏土自身高度的反应性使其成为简单有机分子向生物体转变的理想场所。海洋沉积物中发现的早期生命化石与最古老的土壤年龄相仿。鸟嘌呤和胞嘧啶（它们是组成DNA的四种含氮碱基中的两种）形成于黏土质含量极高的溶液中，这或许并非偶然。不管岩石变为黏土的过程是否启动了生命的演化机制，最早期的土壤演变，的确是使地球向一个能够承载复杂生命形式的可居之地转变的关键动因。

四十亿年前，地球表面的温度接近沸点。最早的细菌是那些至今仍覆盖在黄石公园的壮观温泉池中的嗜热细菌的近亲。幸运的是，这些古老的嗜热细菌的生长与扩展，加快了岩石表面的侵蚀速度，使其能够将那些在这层“细菌垫”保护下的岩石转变为原始土壤。这些古老细菌对大气中的二氧化碳的消耗，使得地球的温度下降了30°C到40°C——一种逆温室效应。若没有这些生产土壤的细菌，地球大概永远无法成为可居之地。

土壤的演变最终创造了使植物得以在地球上大量繁衍的条件。大约三亿五千万年前，原始的植物从河口三角洲一直向沿海河谷蔓延。这里堆积着大量被河流从光秃高地冲刷下来的泥沙所形成的淤泥。一旦这些向内陆进军的植物来到山脚下，它们的根系就会将岩石碎屑与泥土紧紧抓牢。原始土壤促进了岩石的进一步分解，从而形成更多土壤。土壤中植物根系与土壤生物群的呼吸作用将地下的二氧化碳浓度提升到了大气中水平的十倍到一百倍，使土壤中的水分转变成了弱碳酸。因此，那些被生长着植物的泥土所覆盖的岩石，比裸露在地表的岩石分解得快得多。植物的进化加快了土壤形成的速度，而逐渐增加的土壤则能够支持更多植物的生长。

一旦有机物质使土壤变得肥沃，使其能够支持更多植物的生长，便形成了一个自我强化的良性机制：更加肥沃的土壤能够支持更多植物的生长。至此，植物群落得以在富含有机物质的表土层生长，并最终以有机物质的形式再次回归土壤。更大更繁茂的植物能够通过化为腐烂的有机物质，令土壤更加肥沃；繁茂的植物也能为更多的动物提供食物，这些动物在死后也将营养物质归还给土壤。尽管在地球历史上偶尔会出现生物大灭绝的现象，但生命与土壤始终共生发展，并在气候变化和大陆板块移动的共同作用下不断多样化。

当土壤完成了生命的循环过程——它将有机物质分解、循环，并恢复自身支持植物生长的肥力——它便成了一个能够净化动植物尸体并将其转化为支持新生命的营养“过滤器”。也就是说，土壤是一种交界面，它的一边是组成这个星球的岩石，另一边是依靠阳光和从岩石中渗出的营养元素而生的动植物。植物直接从空气中获得二氧化碳，从土壤中获得水分，但就如同工厂的运作一样，关键营养元素的缺失将限制土壤的生产力。三种元素——氮、钾和磷——常常是限制植物生长，并决定整个生态系统生命力的关键所在。从更宏观的角度来看这一过程，我们可以发现，土壤实际上控制着地球内部的元素向地表外侧环境的转移。生命的延续实际上需要使土壤得以不断更新的“侵蚀”过程的存在——只要这侵蚀过程不要太快，以至于土壤被一扫而空。

从最基本的层面上来说，陆地生命需要土壤；反过来，生命与泥土又进一步制造土壤。据达尔文估算，英国每一英亩优良土壤中差不多生活着四百磅重的蚯蚓。优良的表土层中还蕴含着能够协助植物从有机质和矿质土壤中获得养分的微生物。一捧土壤中的微生物数量可达数十亿；而一磅肥沃泥土中的微生物数量则比地球上的全部人口还要多——当你挤在东京的地铁中，或是试图穿过拥挤的加尔各答或纽约的街道时，这似乎很难想象。然而从很多方面来看，我们生活的现实却是依赖于这些生活在土壤中的数量庞大的微生物群，它们能够加快营养物质的释放，以及有机物质的分解。它们使土地适于植物生存，进而适于人类生存。

这些存在于人们的视线之外、栖于土壤之中的微生物，实际上是地球生物多样性最为丰富的资源。植物通过提供由落叶层和腐烂的动植物变成的有机物质，为地下的微生物补充了能量；而微生物则通过加快岩石风化和有机物质分解，反过来促进了植物的营养吸收。这形成了某些特定的土栖微生物与特定的植物的共生现象。这意味着，特定植物群落的改变，将导致其下方的土壤生物群的转变，进而影响土壤肥力以及植物的生长。

除了达尔文的蚯蚓之外，还有一系列物理和化学过程可以促进土壤的生成：穴居动物——比如地鼠、白蚁、蚂蚁——将岩石碎屑混入土壤；植物根系将石头撑开；折断的树木掀起岩石碎片并将它们混入土壤。岩石因地下深处的巨大压力而形成；当接近地表时，它就会膨胀并碎裂。巨大的岩石碎成小块岩石，并最终在反复的“湿润与干燥”、“冰冻与解冻”或是野火烧灼的作用下，化为细小的矿物颗粒。一些造岩矿物，比如石英，其抗化学侵蚀性极强，因而只是不断地分解成同质的岩石碎屑；另一些造岩矿物，尤其是长石和云母，很容易因风化而转变为黏土。

黏土的颗粒如此之小——这句话末尾的句号上面，就可以堆上几十个黏土颗粒。这些微小的黏土颗粒聚集在一起，便形成几乎封闭的地面，并促进了地表雨水径流。新鲜的黏质土壤虽然含有丰富的植物所需的营养物质，但由于黏土一旦吸收水分便将其牢牢抓住，因此黏质土壤排水缓慢，且会在干燥时形成厚壳，不适于植物生长；沙粒比黏土颗粒大得多，即使最小的沙粒也都可用肉眼看见。沙土排水迅速，植物因此也很难在上面生长；淤泥在颗粒大小上介于沙土和黏土之间，淤泥质土壤非常适合种植农作物，因为它既能够保留足够的水来滋养植物，又能够及时排水防止内涝。黏土、淤泥以及沙土的混合物，也被称为亚黏土或沃土（loam），它具有空气流通性好、排水性好并且肥沃的特性，是特别理想的农业土壤。

黏土矿物非常独特，因为它们具有巨大的表面面积——半磅重的黏土中的矿物颗粒的表面积可达两百英亩。就像层层薄纸片构成一副纸牌那样，黏土是由钾、钙、镁等层状阳离子矿物，与硅酸盐片相互叠加而成。当水进入黏土的层状结构中，能够溶解阳离子，并因此为土壤提供了丰富的植物所需的营养物质。

由于内部矿质层表面游离着大量的阳离子，因此新鲜的黏土可以促进肥沃土壤的生成。但是，随着风化过程的继续，越来越多的营养物质将从土壤中流失，因为黏土的硅酸盐层中叠加的阳离子不断减少。最终，黏土中能够为植物生长提供的营养元素所剩无几。不过，黏土还可以固定土壤中的有机物质：随着岩石风化释放磷和硫等营养元素，黏土促进了土壤中植物所必需的营养元素的补充。

与此相反，土壤中的氮元素供应，则主要依靠生物固氮过程将大气中游离态的氮转化为含氮化合物。由于并不存在“固氮植物”，因此生物固氮是通过与植物宿主——比如三叶草——共生的细菌完成：植物根部长约两三毫米的固氮根瘤菌，能够将大气中的惰性氮素转变为能够被生物利用的氨。一旦氮元素被吸纳进土壤的有机物质，就能够通过微生物分解生物残体再次进入植物：在土壤中微生物分泌酶的作用下，大的有机聚合物被分解为可溶形式，比如能够被植物吸收并再次使用的氨基酸。

土壤生成的速度依赖于环境条件。1941年，加州大学伯克利分校的汉斯·珍妮教授提出，土壤的特性反映了其所在地理环境的地形、气候以及生物学特征——它们提供了制造土壤的原材料。珍妮指出决定土壤形成的五个关键因素：母材（岩石）、气候、生物、地形和时间。

区域的地质特征决定了土壤的特征。当深层岩石最终裸露于地表，将被风化为土壤。花岗岩被分解为沙质土壤；玄武岩被风化为黏土质丰富的土壤；石灰岩则只是被溶解掉，形成覆盖薄土的岩石景观和大量的洞穴。一些岩石被快速风化而形成厚厚的土壤；一些岩石则能够抵抗侵蚀，慢慢化为薄土。由于营养元素是否可被植物利用取决于形成土壤的母材的化学组成，因此对土壤形成的理解始于对母质岩石的理解。

地形也会影响土壤的特性。在因地质活动形成且坡体不断变化的陡峭山坡上，覆盖着一层不断更新的薄薄的矿质土壤；而在地质稳定的缓坡景观之上，则覆盖着已被深度风化的较厚土层。

气候强烈地影响着土壤的形成。高降雨率和高温天气有利于化学风化作用，并将岩石态矿物质转变为黏土；寒冷的气候则加剧机械风化作用，在融冻循环中通过反复的膨胀和收缩使大块岩石破碎。同时，低温会延缓化学风化。因此，高山和极地土壤往往具有大量可以产生新的营养成分的新鲜矿物质表层，而热带土壤则不适于作农业耕作土，因为它们由已被高度风化且营养成分容易流失的黏土所组成。

气温和降雨决定了代表不同生态系统特征的主要植物群落。在高纬度地区，永久冻土层只供养得起极地冻原的低矮植被；温带地区适中的气温和降雨，能够维系森林，它们通过让叶子掉到地上腐烂来制造富含有机质的土壤；干燥一些的草原土壤能够支持大量微生物的活动，它不但能从死去的草根和叶片的循环中获取有机物质，还能从放牧牲畜的粪便中获取有机物质；干旱环境中分布着薄薄的岩质土壤，其上植被稀疏；赤道附近生长着茂密热带雨林的土壤，虽然营养物质含量低，但是在高温多雨的影响下风化作用强且植物残体分解速度快，因而能够维持营养物质的循环。由此可见，全球各气候区成了承载不同类型的土壤和植被群落演化的模板。

地质和气候条件的不同，使各个地区土壤的农耕适宜性不同。特别是对于热带地区景观而言，丰富的降雨和高风化率作用于平缓的坡面，快速下渗的雨水经过一段时间就能够滤出土壤以及土壤下被风化的岩石中几乎所有的营养物质。在这种情况下，茂盛植被所需的营养多来自其自身，它们体内储存并循环着很久以前通过岩石风化所形成的营养物质。由于这些地区大多数的营养元素都在植物体内，而不在土壤之中，因此一旦原生植被消失，就意味着土壤生产力的消失。在森林被砍伐后的数十年里，土壤由于自身极度贫瘠，无法支持农作物耕作或牲畜养殖。贫瘠的热带土壤说明了“新生命的存续依赖于已逝生命的物质循环”这一普遍规则。

人类至今还未能描述自然土壤之中所生存的一切物种。然而，土壤以及其所蕴含的生物群，持续地提供干净的饮用水，将死亡的动植物循环转化为新生命，促进营养物质被植物吸收，储存碳，甚至能够分解废物和污染物，并生产几乎所有的食物。

存在于人们的视线和思想之外的土栖微生物，会受到农耕行为的巨大影响：翻土可以杀死大量土栖生物，并减少蚯蚓的数量；农药亦可以杀灭微生物和微型动物。传统的短周期轮种以及单一种植，会降低那些有益的土壤生物群的多样性、丰富性以及活性，并间接地加剧通过土壤传播的病毒、病原体以及以农作物为食的昆虫的扩散。总的来说，所谓的“替代性农业系统”也是旨在更好地保护能够增强土壤肥力的土栖生物。

土壤的侵蚀速度与其形成速度一样，都取决于母材（岩石）、本地气候、微生物以及地形。土壤在结构方面的如下性质，共同决定了它抗侵蚀的能力：土壤中淤泥、沙土或泥土的配比；土壤与有机物质混合后的抓固能力。有机物质含量较高的土壤能够抑制水土流失，这是因为有机质将土壤颗粒抓合在一起，形成了抵抗侵蚀的聚合物。一个地区的气候也会影响土壤侵蚀速度，这主要是看降水量的多少，以及落地雨水是否以河流和冰川的形式从地面流走。地形亦是决定侵蚀速度的重要因素：在其他条件相同的情况下，陡坡的侵蚀速度要高于缓坡。然而，高降雨量不但意味着会造成侵蚀的地表径流，也意味着促进能够防止水土流失的地表植被的生长。这种最基本的双向作用意味着，降雨量不是单向地在决定侵蚀速度。在干旱或是受到干扰的土壤裸露的地区（如农田），风可以成为造成侵蚀的主要过程。生物过程，无论是达尔文探究的蚯蚓还是人类自身活动（如犁地等），也会使土壤向下坡向移动。

虽然在不同地方，不同类型的侵蚀过程都具有一定的影响力，但是有几种侵蚀过程所产生的影响是巨大的。当雨水落到地面上，或是渗入土中，或是顺着地表流走时，地表径流越大，其侵蚀作用越强。当地表径流足够大时，它会将土壤卷起并冲走，在地面刻出被称为“细沟”（rill）的小水道，而这些“细沟”会汇入更大、侵蚀作用更强的“冲沟”（gully），即无法耕作的较深沟渠。在陡峭的山坡上，强烈或持续的降雨可能会大量渗入土壤进而引发滑坡。风也可以席卷并侵蚀植被稀疏的干燥土壤。虽然景观会受到诸多侵蚀力量的作用，但是占主导地位的侵蚀过程主要还是由地形和气候决定。

20世纪50年代，关注土壤侵蚀的研究人员开始寻找能够解释土壤流失的通用方程式。通过综合各个土壤侵蚀研究站获得的数据，他们发现土壤侵蚀如同土壤生成一样，是由土壤本身特性、当地气候、地形，以及当地植被的特性和生长状况所决定的。其中，土地坡度以及农业耕作能够对土壤侵蚀的速度产生巨大影响。一般来说，坡度越陡，雨量越大，植被越稀疏，导致的侵蚀就会越严重。

植物及其落叶能够使地表不直接受到掉落的雨水冲击或地表径流的侵蚀。当裸露的土壤暴露在雨中，每一滴落下的雨水都将泥土向下坡冲刷。强降雨导致表层土壤快速流失，使更深、更致密的土层暴露于地表。这一土层吸水缓慢，这造成了更大的径流量，进而使得地表径流的侵蚀力更大。有些土壤对这种增益性的反作用效应异常敏感，其表层会迅速被径流从植被稀疏的地面冲走。

在这层表土之下，密集的根系网络将众多植物连接起来，并稳定了地形。在森林形成的封闭遮盖之下，单棵树木的根部相互缠绕，结成了一张有生命的网，它有助于将土壤固定在坡面上。相应地，当森林覆被遭到砍伐时，陡峭的坡面更容易受到迅速的侵蚀。

土壤科学家用了一个简单的描述系统，来描述土壤的不同层次，即泥土的ABC层。位于土壤顶层、部分分解的有机物质，被称为O层。这层有机物质的厚度受不同的植物群落和气候而影响，它主要是由覆盖在矿质土壤之上的落叶、枯枝以及其他植物残体构成。干旱且植被稀疏地区的土壤可能完全没有这层有机物质，而茂密热带雨林的土壤的O层则储存着土壤中绝大部分养分。

O层下面的A层，有机物质含量高，由已被分解的有机物质和矿质土壤混合组成。颜色偏暗、富含有机物质的A层接近或位于地表层，也就是我们通常所说的“泥土”（dirt）。在降雨、地表径流以及强风的作用下，由O层与A层共同组成的表土层（topsoil）很容易受到侵蚀。

随着时间的推移，风化岩石层之上形成特征分明的表土层和心土层。

A层再下面的B层一般来说比表土层要厚，但由于有机物质含量低，因此不如A层肥沃。B层常被称为心土层（subsoil），它会积聚黏土和被带入土壤的阳离子。B层之下的风化岩石层被称为C层。

由于A层富含有机质与营养元素，因此具有良好A层的土壤非常肥沃。在水分、温度以及土壤气体之间维持了良好平衡的表土层，可以使植物迅速生长。与此相反，典型的心土层聚积了过量的黏土，因此植物根系很难穿透，而且它的低pH值特征会抑制作物的生长，丰富的铁、铝、钙等元素也会使它像水泥一般坚硬。失去了表土层的土壤一般生产力都较低，因为心土层远不如表土层肥沃。

土壤在层级结构、厚度和成分上千差万别，因为不同土壤是在不同条件、不同时长下形成的。美国大概有两万余种土壤类型。尽管种类繁多，大多数土壤的厚度都在一到三英尺之间。

土壤，的确是地球的表皮——它是地质与生物之间的边界。薄薄几英尺的土壤层，只占了地球六千三百八十公里半径的千万分之一。与这一数据形成对比的是，人类皮肤的厚度小于十分之一英寸，这大约占人类平均身高的千分之一不到。按比例来看，地球的皮肤比人类的皮肤更薄，也更脆弱。与人类皮肤排外的保护性不同，土壤实际上是一层破坏性的覆盖物，它会将岩石不断破碎分解。从地质时间的尺度来看，正是土壤生产与侵蚀之间的平衡，使地球上的生命得以在地球表面薄薄的一层风化岩石外壳上生存。

土壤的全球地理分布，使一些地区特别适合维持集约型农业。地球上的大部分土壤都是贫瘠且不适于耕作的，或是在清除表面植被后进行耕作非常容易受到侵蚀。从全球角度来看，温带草原土壤对农业而言最为重要，因为它异常肥沃，拥有很厚的富含有机质的A层。这些易于耕作的深厚土壤，正是世界各大粮食产区形成的背后原因。

只有当一个文明拥有足够多的可耕土壤来养活其人口时，它才能够存续。地表景观的土壤预算，和普通的家庭预算是一样的——有收入、支出和储蓄。一个家庭的生活依赖于其所剩积蓄；同样，一个社会只有在其资源消耗量与“资源储蓄”产生的“利息”对等时——土壤的消耗速度与其形成速度相当——才具有偿还“自然债务”的能力。但如果土壤侵蚀速度超过了土壤生产速度，土壤损失最终会将“本金”消耗殆尽。根据不同的侵蚀速度，较厚的土壤会在持续数百年的开采后被用完；较薄的土壤则会更加迅速地消失。

大多数情况下，本土植物群落会终年覆盖土壤；而对于农田来说情况则不同。作物只有在一年中的一段时间内覆盖土壤，而在其余的时间里，土壤则暴露在风雨之中，因而侵蚀情况更加严重。与有植被覆盖的土壤相比，光秃的坡地同样会造成更大量的地表径流，其侵蚀量可达前者的千百倍。不同类型的传统耕作制度所造成的水土流失，比草地或森林的要快许多倍。

此外，在持续的耕作下，土壤中的有机物质会因为暴露于空气中被氧化而出现数量减少。因此，由于富含有机物质的土壤的抗侵蚀能力最多可提高一倍，经过长期耕作的土壤更容易受到侵蚀。

传统农业会加剧土壤侵蚀，使其速度远远高于自然侵蚀的水平，这造成了一个严峻的问题。根据美国农业部估算，一英寸的表土层需要经过五百年的时间才能够形成；达尔文在英国基于对蚯蚓活动的观察，认为一英寸的表土层需要一到两个世纪才能生成。诚然，土壤的生成速度依各个地区的环境而异；但是加速的土壤侵蚀可以在不到十年的时间内，就将几个世纪才生成的表土层消耗殆尽，这是不争的事实。覆盖着地球表面的那层薄薄的土壤，是地球上的生命赖以健康生存的基础；然而，我们却在逐渐将地球的这层表皮剥去。

但是，农业耕作也可以起到延缓土壤侵蚀的作用。将陡坡耕地改造为梯田，能够使侵蚀速度降低80%—90%，具体做法是将陡坡耕地转化为一块块相对平整的土面，让它们像台阶一样层级而下。免耕法能够最大限度地减少对土壤的直接干扰。将作物残茬留在耕地表面，而不是通过耕犁让它进入土里，这种做法为土壤提供了护盖物，能够保持土壤湿度并延缓侵蚀。间植作物则能够提供更完整的地面覆盖层，并延缓侵蚀。所有这些替代性实践方案都并非新的想法，但对其应用的逐步扩大则是新理念。

经过几十年的研究，农学家发展出了预测标准地块在不同环境条件及农耕方式下土壤流失量的方法。尽管一流的研究已经进行了半个世纪之久，土壤侵蚀速度仍然非常难预测；同一地区的各个地块的侵蚀速度不同，且同一处景观上各年的侵蚀速度也差异巨大。为了得到具有代表性的估测数值，需要在几十年内对罕见大风暴及常见阵雨下难以获得的侵蚀数据进行持续收集。由此产生的不确定性与当代巨大的土壤侵蚀速度之间的差异，使人们在过去的几十年中，针对“土壤流失是否是一个严重的问题”进行争论。土壤流失或许取决于土壤侵蚀速度与土壤生成速度之间的比例，而人们对土壤生成速度的了解，比对土壤侵蚀速度的了解更少。

持怀疑态度的人认为，在小块土地或标准实验地块上获得的数据，无法通过模型将结果推广至更大的地区。他们也理所当然地指出，土壤侵蚀速度的真实数据不但很难获得，而且会因各地情况不同而变化，并需要进行几十年的持续追踪；这样看来，我们还不如猜测一个答案。此外，除了最近几十年所收集的数据，关于土壤生成速度的数据很少。再进一步而言，虽然现有数据显示，常规农作方法让土壤的侵蚀速度远远超过了它的生成速度——但问题的关键是究竟超过多少。这样一来，土壤流失问题与全球变暖问题处在了同样尴尬的位置——当学术界争论问题的细节时，现有土地制度下的既得利益者则躲避在“不确定”这一烟幕弹背后。

无论如何，即使我们已拥有技术实力，我们还是需要肥沃的土壤来种植粮食，以及那些我们赖以为生的植物——我们的后代亦是如此。在承载大部分现代农业耕作的坡地上，土壤保护是一场艰苦的战斗。但也有一些地方，其水文和地质特征有利于进行长期的农业耕作——比如人类文明萌发的肥沃河谷。