变性土
变性土（Vertisols），又称膨转土，富含蒙皂石等膨胀性矿物，是具有高胀缩性的黏质开裂土壤类型总称。这一土纲是美国科研人员于1960年提出的有关概念，曾用名有黑棉土、黑黏土等。20世纪70年代，中国境内确认有变性土分布，开始引入该土纲的概念，并将其分为潮湿变性土、干润变性土、湿润变性土共3个亚纲7个土类；在美国农业部的土壤划分中，变性土被划分为6个土纲共24个土类。
变性土主要分布在季节性干旱的季风性气候地区，比如澳大利亚东部、非洲苏丹地区以及中国的山东半岛。变性土主要特征是具有开裂、翻转、扰动等膨转特征，其形成模式比较特殊，中国学界比较倾向的形成方式是土壤扰动模型和自吞模型，土壤经开裂、胀缩、翻转、扰动等行为发育成变性土。
定义
变性土，又称膨转土，是诊断学分类中的一种土纲，以质地、湿胀干缩程度和剖面结构等要素来作为判定标准，目前学界对变性土的定义有细微差异。
美国定义：其余土壤中，存在25厘米及以上的带滑擦面或楔形结构的土层，且在细土中含30%及以上的黏土。
联合国土壤图图例单元（UNESCO）定义：开裂性黏质土，主要分布在热带、亚热带的地形平坦部位。
世界土壤资源参比基础（WRB）定义：有膨胀性黏粒含量在35%及以上的变形层。
中国定义：其它土壤中，土表至50厘米深度内黏粒比例大于等于30%，且无石质或准石质接触面，土壤干燥时有宽度大于5毫米的裂隙，土表至100厘米深度内有滑擦面或自吞特征。
发展历程
变性土这一土纲不属于中国土壤发生学分类制，1960年美国土壤分类中正式提出对这类土壤进行归类和命名，但那是这类土壤并没有被叫做变性土，这类土的曾用名有黑棉土（黑色 cotton soils， Regurs，印度）、黑黏土（Tirs， 摩洛哥）、老黑土（Dian pere，法属西非）、马格里黑黏土（Margalitic soils， 印度尼西亚）、黑油土（Smonitzas，南斯拉夫社会主义联邦共和国）、黑土（Black earths，澳大利亚）、砂姜土（Ahmad，中国）、碎裂黏质土（Grumusolscline，美国）、黑色石灰土（Grumussol， 美国）。直到美国修订第七次土壤分类草案，才将这类土壤命名为变性土。20世纪70年代，中国确认境内有变性土分布，并开启了针对变性土的基础研究。
土壤形成
成土母质
中国发现的变性土多发育于钙质沉积岩（如石灰岩、泥岩、黏土岩）风化物、黏质河湖沉积物以及基性火成岩（如玄武岩）等母质，其次是富含碳酸钙的黄土性亚黏土，以及晚更新世堆积的大面积的次生黄土和晚更新世的黄土性河湖相沉积物。有些地区的黏质河湖相沉积母质含有丰富的交换性钙、交换性镁等，在南半球亚热带和热带地区玄武岩风化物母质多为红色致密状玄武岩和暗黑色气孔状玄武岩等。
成土条件
气候条件
气候因素影响土壤含水量，进而影响土地的膨胀收缩过程，由此产生的土壤翻搅扰动等行为能够使土体产生滑擦面，所以气候是影响变性土形成的重要条件。变性土在热带、亚热带和温带均能产生，分布区主要气候特征是季节性干旱，多数地区的降水量在500~1000毫米之间。
地形条件
变性土在各类地形下均有生成的可能性，比如河湖、河谷的平原与阶地和丘陵台地这一类低平或低洼区域，一般情况下，钙、镁盐基、黏粒等物质在随水迁移的过程中在低平或低洼地带大量积累，而这些成分是形成膨胀性黏土矿物的物质基础，地形经常变动的丘陵等地区水文特征也在明显变动，也可能促进变性土的形成。
矿质成分
变性土的形成，需要含大量黏粒或者容易风化形成黏土的土壤作为基础，同时要求黏土矿物组成均富含蒙皂石、蛭石等膨胀性矿物。一般情况下变性土中的黏土矿物一般以蒙皂石为主，伴有一定数量的水云母和绿泥石、高岭石、石英等。部分剖面下层水云母增多，主要的黏土矿物为蒙皂石和水云母。
形成过程
变性土的土壤发生过程相对特殊，有多种发生模型，如土壤扰动模型（pedoturbation model）或自吞模型（self-swallowing model）、差异荷载模型（differential loading model）、土壤力学模型（Soil mechanics model），目前国内学界比较倾向的是土壤扰动模型和自吞模型。
土壤扰动和自吞过程
具有干缩湿胀性质的粘质土壤失水干燥，土体开裂形成较宽的裂隙，表层土壤和裂隙面的土壤填充到裂隙中。土壤再次获得足够水分后开始膨胀，同时掉进裂隙里的土壤也开始膨胀，左右的空间无法满足膨胀的需求，于是部分土壤向上向两侧移动，这就是土壤内部发生的扰动作用。与此同时，掉进来的那些浅层土壤或主动或被动地混进原土壤内部，与原有土壤充分混合，即为自吞现象。扰动和自吞过程会中断土层的形成过程，因而变性土上下土层没有特别明显的分化特征，土壤频繁膨胀收缩使得土体内部形成楔形结构体，还有可能在地表形成微高地和微低地的挤压微地形，此外，土壤在不断翻转的过程中结构面产生滑动现象，会形成有条痕的滑擦面。
土壤膨胀收缩作用
土壤膨胀收缩作用是变性土形成过程中的主要成土作用，对变性土的形成有重要影响。土壤膨胀收缩作用受多种因素影响，如气候、地形、水文等环境条件和黏粒含量、黏粒矿物组成、土壤垒结等土壤物质组成特性，土壤本体的物质组成特性是膨胀收缩过程最重要的影响因素。通常来讲，黏粒含量高的变性土膨胀收缩的能力会更强，不同黏粒含量的变性土膨胀收缩时间曲线也有一定的区别。
变性土黏土矿物组成中有大量如蒙皂石一类的膨胀性矿物，土壤膨胀收缩性与膨胀性矿物有关，如果土壤黏粒含量较高，且黏土矿物中蒙皂石、蛭石的含量相对较高，则土壤的膨胀收缩性就会是强烈的。不能同时满足这两个条件的土壤，膨胀收缩能力很弱，没有形成变性土的能力。
主要特征
物理性质
矿物组成
变性土的黏土矿物一般以蒙皂石为主，伴有一定数量的水云母和绿泥石、高岭石、石英等。部分剖面下层水云母增多，主要的黏土矿物为蒙皂石和水云母。
结构与颜色
变性土土体结构通常为均一的团粒或团块状，土体构型自上而下为耕作层（Ap层）→蒙脱石聚集及矿物分化层（Bw层）→钙化母质层（Ck层）。由于经常接受自然或人为的扰动，变性土容易进行土壤矿物与有机质的充分结合，形成有机-无机化合物复合体，使剖面颜色灰暗。
质地
绝大部分变性土由黏质河湖沉积物、玄武岩、石灰岩、泥岩和黏土岩发育而来，质地黏重，多为粉砂黏土、粉砂黏壤土、黏壤土或黏土，变性土黏粒含量的主要集中区间是400~650克/千克，少数含量较低的鱼脊形地上部如云南元谋县处仅300克/千克左右，含量高的如广西壮族自治区某些河谷阶地，黏粒含量可达600~700克/千克。
化学性质
元素含量
变性土的全氮量与有机质含量相对应，因为变性土本身属于矿质成分较高，有机质含量较低的一类土纲，故而全氮量也比较低，湿润变性土上层含氮量约在0.8~1.3克/千克之间，而下层含氮量约在0.3~0.5克/千克之间。
变性土全磷（P2O5）含量因所在地区和成土母质不同而略有差异，山东省、江苏省和安徽平原上，由古河湖相沉积物形成的湿润变性土全磷量比较高，剖面上层土壤全磷量水平在0.8~1.8克/千克范围内，部分地区甚至可以达到2.1克/千克，下层土壤全磷量有所降低。广西壮族自治区和云南省的溶蚀平原或河谷阶地上，由古河湖相沉积物形成的湿润变性土和潮湿变性土全磷量比较低，上下层含量均在0.3~0.7克/千克之间。
变性土全钾含量也因所在地区和成土母质不同而略有差异，山东、江苏和安徽平原上，由古河湖相沉积物形成的湿润变性土全钾量比较高，剖面层土壤全钾量水平在16~23克/千克范围内，且上下层含量基本一致。广西和云南的溶蚀平原或河谷阶地上，由古河湖相沉积物形成的湿润变性土和潮湿变性土全钾量比较低，上下层含量均在10~14克/千克之间。
pH和CaCO3
变性土pH在6. 2~8.9范围内，多属于中性或微碱性，干润变性土的pH偏于上限，呈微碱性或碱性。pH在土壤剖面中不同层次间的差值很小，但有从上至下呈增大的趋势。
变性土的CaCO3相当物含量因成土母质、地形及水文条件不同而差异悬殊，变化在0~365克/千克之间。这种差异不仅出现在土壤剖面间，而且也存在于同一个土壤剖面的不同层次间。如在临沂市，分布于平原上，由富含CaCO3的黄土性物质再沉积形成的古河湖相沉积物发育而来的潮湿变性土，其剖面上部的土层中几乎不含CaCO3，但在土表下50~100厘米的土层中CaCO3相当物含量却高达100克/千克；在新沂市，分布于平原上，由古河湖相沉积物形成的潮湿变性土，不但其剖面上部的土层中几乎不含CaCO3，而且在土表下50~100厘米的土层中CaCO3相当物含量也不足5克/千克；在云南砚山分布于溶蚀平原低洼部位，由河湖相沉积物形成的潮湿变性土，其剖面的上下土层均无盐酸泡沫反应，即完全不含CaCO3。
阳离子交换量
变性土的阳离子交换量比较高，原因是其黏粒含量高且黏土矿物组成以2:1晶型为主，剖面土壤阳离子交换量变化在15~45cmol（+）/kg范围内浮动。
诊断层和诊断特性
变性土的诊断特性有两点，分别是：
矿质土表至100厘米深度内出现变性特征；
矿质土表至50厘米深度内无石质或准石质接触面。
变性特征
变性土的变性特征是指富含膨胀性黏土矿物、高胀缩性粘质的土壤有开裂、扰动、翻转特征，具有以下条件：
耕作影响层或土表至18厘米深度内黏粒的质量占土重的30%以上，耕作影响层下界或18厘米深度处至50厘米深度内各亚层黏粒含量均大于等于30%；
除人工影响外，大多数年份一年内部分时期土表至50厘米深度内，连续厚度大于等于25厘米的土壤有宽度大于等于0.5厘米的裂隙，若地表有开裂现象，则50%及以上的裂隙应大于等于1厘米；
在上界出现于土表至100厘米深度内的厚度大于等于25厘米的土层中出现密集相交、发亮且有槽痕的滑擦面；
在耕作层下界或腐殖质表层至100厘米深度内出现自吞特征，后者裂隙壁有上层掉落的暗色腐殖土土体或土膜。
变性现象
对于某些达不到变性特征指标的一些属性的土壤，特地创建了变性现象（诊断现象的一种，是中国土壤研究者创造的符合中国土壤情况的判断标准）以作为其它土纲中变性亚类的划分依据。变性现象不完全符合变性特征的全部要求，但满足以下条件：
在土表至50厘米深度内出现或不出现石质或准石质接触面的情况下，累计厚度30厘米及以上的亚层中黏粒的质量比大于等于30%；
土表至石质、准石质接触面（深于50厘米浅于100厘米）或100厘米深度内线胀度大于等于6厘米；
除人工影响外，大多数年份一年内部分时期土表至100厘米深度内，连续厚度大于等于25厘米的土层土壤中有宽度大于等于0.5厘米的裂隙；
在上界出现于土表至100厘米深度内，厚度至少有15厘米的土层中出现滑擦面。
其他参考特征
黏土矿物组成
一般以蒙皂石为主，伴有一定数量的水云母和绿泥石、高岭石、石英等。在热带地区，细黏粒含量较高的情况下可能出现高岭石；
线胀系数（COLE）
线胀系数是表示土壤胀缩性大小的一种指标，由于它难以在变性土纲和其他土纲之间划出严格的定量界限，所以对于其是否可以用作变性土土纲的鉴别依据或者作为变性土亚类的定量指标这一议题还没有定论，但可以用作变性土划分的参考指标。富含蒙皂石等膨胀性黏土矿物的变性土，其线胀系数为0.1~0.2或更高；
土体层厚度
土表至50厘米深内出现石质、准石质接触面者，即土体层厚度不足50厘米时，不论其他性质如何，不能归属到变性土纲。
土壤分类
美国分类
在美国最新的土壤分类系统中，将变性土分为6个亚纲，共计24个土类。
中国分类
在中国，变性土被分为3个亚纲，7个土类。
潮湿变性土
变性土中有潮湿土壤，在矿质土表至50厘米深度处内有10厘米及以上的土层有氧化还原特征。中国潮湿变性土形成条件是：季风气候，夏季温暖潮湿，冬季寒冷干燥，平均气温14~15℃，降水在800~1600毫米范围内；母质为黄河性河湖沉积物，普遍位于地势低洼区域；土壤水分为潮湿土壤水分情况。湿变性土主要分布区域有山东半岛平原、淮北平原和襄樊平原等地，分为钙积潮湿变性土和简育潮湿变性土两个土类。
这一土类是指潮湿变性土中有上界在矿质土表至100厘米内的钙积层或钙磐的土壤。它们主要分布在华北平原及其邻近地区，其分布区地形低洼，长期积水，在温暖湿润气候条件下，湿生和水生植物生长茂盛。植物的残体是变性土上部的黑土层层段有机质的主要来源。 由于母质富含碳酸根，地下水富含碳酸氢盐，在不同深度形成了具有不同数量、不同形态的钙质结核乃至钙磐的钙积层。钙质新生体在土壤剖面中大多在20~60厘米深度处出现，一般在剖面上部少而小，并且多为雏形钙质结核；剖面下部大而多，并且多为正常钙质结核。钙磐多出现于2米，甚至3米深度以下。
这一土类只有潮湿变性土亚纲必要的诊断特性，无其他次要过程造成的诊断层或诊断特性。它与钙积潮湿变性土的不同之处在于表层至100厘米深度缺乏钙积层。虽然在多数情况下，它也有所谓的“砂姜层”，但或出现位置较深（上界位于100厘米深以下），或“砂姜”含量按体积计\u003c10%。另外，在0~100厘米深度内，土层的CaCO3含量也较低，不符合钙积层规定的条件。
干润变性土
其它变性土中有半干润土壤水分情况，正常年份下，除人为影响，有持续90天以上的大于5毫米宽、25厘米深的裂隙存在于地表至50厘米深度内。中国干润变性土分布特征是：多数位于河谷，气候干旱燥热，降水偏少，有较长旱季，年干燥度可达2.8以上；成土母质多为古近纪、新近纪和第四纪的河湖相沉积物，黏粒或黏粉含量在600~800克/千克左右，且黏粒矿物组成以蒙脱石为主；植被生长极差，甚至完全不能生长植物。
干润变性土的土壤开裂时间长、宽度大、裂隙深，开裂时间一般在6~8个月；有的大裂隙宽度可超过8厘米；开裂深度可达50~90厘米。土体剧烈膨胀，常见局部隆起土丘。剖面特征是：在旱季常常形成具有龟裂的薄层土壳，厚1~2厘米。发现的此类土壤主要分布在金沙江干热河谷区、广西百色和田东盆地的河谷地区等地。干润变性土按有无钙积作用或所形成的钙积层，划分有钙积干润变性土和简育干润变性土两个土类。
是干润变性土中有上界在矿质土表至100厘米内的钙积层的土壤，主要分布在金沙江及其支流河谷区。母质为厚重的第四系黄色黏土和亚黏土堆积物，水土流失十分严重，区内形成稀树灌木草丛景观。钙积干润变性土的主要特性是：除剖面中有大量的钙质砂姜或有一钙积层，剖面下层有明显的滑擦面，具有光泽、划痕短而平行有序的特点以外，用扫描电镜观察还可见到多次滑擦过程叠加、滑擦方向扭转等现象；此外，在滑擦面上还可发现较多的黑褐色条纹，观察滑擦面的土壤微形态，可见到土体中有非常明显的龟裂微结构; 土壤发育弱，黏粒SiO2/Al2O3率一般为2.58~3.98，黏土矿物组成以蒙皂石为主；同时，土壤多为碱性，pH多为7.8~9.0；盐基饱和，含多量CaCO3，土壤干旱、肥力性状差，植物生长不良，现多为荒地。
其成土条件与钙积干润变性土相似，唯一区别是无上界在矿质土表至100厘米深度内的钙积层。
湿润变性土
中国湿润变性土主要形成在湿润热带以及南亚热带湿润条件下，主要发育自玄武岩母岩的风化母质，虽属于潮湿土壤水分条件，但由于土壤主要成分是高胀缩性黏质矿物，地表常出现强烈开裂现象。湿润变性土主要分布地区为海南岛北部、广东雷州半岛、华南平原等地，按诊断特性差异划分为腐殖质湿润变性土、钙积湿润变性土和简育湿润变性土。
是湿润变性士中有腐殖质特性的土壤。它们主要分布于右江区百色和田东盆地的阶地上。其分布地区属于中亚热带向南亚热带过渡的气候区，高温多雨，夏季炎热，冬季温暖，干湿季节明显，但土壤水分状况属湿润土壤水分状况。母质为河湖相沉积物，下伏泥质或钙质页岩，在过去的湖相沉积环境下，腐殖质积累较多，并有一定厚度，地形抬升后成为河成阶地。
是湿润变性土中有上界在矿质土表至100厘米深内的钙积层的土壤。这类变性土的分布和成土环境与上述的腐殖湿润变性土相同，但剖面中具有钙积层。如果具有腐殖质特性，按检索先后顺序，尽管有钙积层，也不能划分为钙积湿润变性土，只能归为腐殖湿润变性土。
是湿润变性土中除腐殖湿润变性士和钙积湿润变性土以外的其他土壤。在中国主要分布于热带、亚热带地区玄武岩台地的下段或低地，如福建漳浦、龙海区带沿海地区。其分布区地处南亚热带，属海洋性季风气候，干湿季分明，4~9 月为湿季，10月至次年3月为干季。母岩为新近纪至第四纪初多次喷发的玄武岩。
地理分布
世界分布
变性土分布于亚热带季节性干旱区和大陆性季风气候的一些平原河谷阶地等地区，世界上最大的几个分布区位于非洲东部平原、印度平原、澳大利亚东部以及南美洲东南部的河谷平原地区。
中国分布
中国变性土分布较为分数，变性土主要分布于山东半岛、淮北平原、福建漳浦、广西壮族自治区西南部、雷州半岛、海南省北部以及金沙江干热河谷地区，不同亚纲的变性土又有其独特的空间分布规律。
改良利用
潮湿变性土具有潮湿土壤水分状况，大多数年份土温\u003e5C （生物学零度）时的某一时期， 全部或某些土层被水饱和呈还原状态，变性土本身具有一些不良的物理化学特性，肥力多较低。在利用管理上的重点有：兴修水利工程，以水治土；合理利用，尽量将有水利条件的该类土壤都改造为水早轮耕田；建立高效、持续的农业系统，如灌排系统、有机一无机肥源和配方施肥系统、多样化多层次少免耕种植系统等。
干润变性土一般都分布在干热河谷区，旱季长、自然环境差，只有少数几种耐旱耐瘠植物能够生存，容易出现荒漠化问题。同时，土壤肥力的黏、裂、碱、瘦特点突出，土地利用困难。在元谋地区曾经采用多种农业利用模式，多年试验都未取得明显效果。例如，20世纪90年代初采用酸角树和间作牧草的方式；90年代中期采用银合欢胡同式农业方式。经过多年试验，目前尚未找到改善土壤肥力和改变当地生态环境以及取得生产效益的措施。最新研究认为，在经济发展条件许可的情况下，对干润变性土只有采取“以土治土”强化培土对策，才有机会达到改良和高效利用的目的，即采用工程措施，就近取第四系古红土母质或干润富铁土为改土原料客土来改造变性土。主要是利用该类母质和土壤的沙性、酸性改良干润变性土的黏、碱问题。同时配施有机肥，改良土壤胶体品质和土壤微结构，克服土壤裂、瘦的问题。土壤得到改造培肥后，实施其他生态工程措施，通过这些措施发展持续农业和改善地区生态环境条件。
湿润变性土在几类变性土中是肥力较好的类型。多被开垦利用，种植甘蔗等经济作物，或种植人工马尾松、桉树等。在玄武岩台地区的湿润变性土，多种植水稻、甘蔗、花生等经济作物。但仍存在土壤黏性大、缺肥问题。所以掺沙客土，增施磷钾和微肥，实行用养结合的耕作制度等，仍然是湿润变性土持续高效利用的必要利用管理措施。
参考资料
变性土.中国大百科全书.2024-06-20
vertisols.Britannica.2024-05-20