變性土（Vertisols），又稱膨轉土，富含蒙皂石等膨脹性礦物，是具有高脹縮性的黏質開裂土壤類型總稱。這一土綱是美國科研人員于1960年提出的有關概念，曾用名有黑棉土、黑黏土等。20世紀70年代，中國境內確認有變性土分布，開始引入該土綱的概念，并將其分為潮濕變性土、干潤變性土、濕潤變性土共3個亞綱7個土類；在美國農業部的土壤劃分中，變性土被劃分為6個土綱共24個土類。
變性土主要分布在季節性干旱的季風性氣候地區，比如澳大利亞東部、非洲蘇丹地區以及中國的淮北平原、南陽盆地等地區，常與砂姜黑土形成復區。變性土主要特征是具有開裂、翻轉、擾動等膨轉特征，其形成模式比較特殊，中國學界比較傾向的形成方式是土壤擾動模型和自吞模型，土壤經開裂、脹縮、翻轉、擾動等行為發育成變性土。
定義
變性土，又稱膨轉土，是診斷學分類中的一種土綱，以質地、濕脹干縮程度和剖面結構等要素來作為判定標準，目前學界對變性土的定義有細微差異。
美國定義：其余土壤中，存在25厘米及以上的帶滑擦面或楔形結構的土層，且在細土中含30%及以上的黏土。
聯合國土壤圖圖例單元（UNESCO）定義：開裂性黏質土，主要分布在熱帶、亞熱帶的地形平坦部位。
世界土壤資源參比基礎（WRB）定義：有膨脹性黏粒含量在35%及以上的變形層。
中國定義：其它土壤中，土表至50厘米深度內黏粒比例大于等于30%，且無石質或準石質接觸面，土壤干燥時有寬度大于5毫米的裂隙，土表至100厘米深度內有滑擦面或自吞特征。
發展歷程
變性土這一土綱不屬于中國土壤發生學分類制，1960年美國土壤分類中正式提出對這類土壤進行歸類和命名，但那是這類土壤并沒有被叫做變性土，這類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，法屬西非）、馬格里黑黏土（Margalitic soils， 印度尼西亞）、黑油土（Smonitzas，南斯拉夫社會主義聯邦共和國）、黑土（Black earths，澳大利亞）、砂姜土（Ahmad，中國）、碎裂黏質土（Grumusolscline，美國）、黑色石灰土（Grumussol， 美國）。直到美國修訂第七次土壤分類草案，才將這類土壤命名為變性土。20世紀70年代，中國確認境內有變性土分布，并開啟了針對變性土的基礎研究。
土壤形成
成土母質
中國發現的變性土多發育于鈣質沉積巖（如石灰巖、泥巖、黏土巖）風化物、黏質河湖沉積物、火山灰以及基性火成巖（如玄武巖）等母質，其次是富含碳酸鈣的黃土性亞黏土，以及晚更新世堆積的大面積的次生黃土和晚更新世的黃土性河湖相沉積物。變性土有機碳可以分布得很深，包括腐殖質黑粘土、黑色火山灰土等類型，中國的砂姜黑土與其近似。有些地區的黏質河湖相沉積母質含有豐富的交換性鈣、交換性鎂等，在南半球亞熱帶和熱帶地區玄武巖風化物母質多為紅色致密狀玄武巖和暗黑色氣孔狀玄武巖等。
成土條件
氣候條件
氣候因素影響土壤含水量，進而影響土地的膨脹收縮過程，由此產生的土壤翻攪擾動等行為能夠使土體產生滑擦面，所以氣候是影響變性土形成的重要條件。變性土在熱帶、亞熱帶和溫帶均能產生，分布區主要氣候特征是季節性干旱，旱季的長短各地相差很大，包括干濕季分明的季風氣候，一年內只有一兩個月濕季的較干旱氣候和只有幾星期水分不足的濕潤氣候。多數地區的年降水量少至150毫米，多可達2000毫米，但多數為500~1000毫米之間，年平均溫度一般為15.5—16.5℃。
地形條件
變性土在各類地形下均有生成的可能性，比如河湖、河谷的平原與階地和丘陵臺地這一類低平或低洼區域，以海拔低于300米的地形為多。一般情況下，鈣、鎂鹽基、黏粒等物質在隨水遷移的過程中在低平或低洼地帶大量積累，而這些成分是形成膨脹性黏土礦物的物質基礎，地形經常變動的丘陵等地區水文特征也在明顯變動，也可能促進變性土的形成。
礦質成分
變性土的形成，需要含大量黏粒或者容易風化形成黏土的土壤作為基礎，同時要求黏土礦物組成均富含蒙皂石、蛭石等膨脹性礦物。一般情況下變性土中的黏土礦物一般以蒙皂石為主，伴有一定數量的水云母和綠泥石、高嶺石、石英等。部分剖面下層水云母增多，主要的黏土礦物為蒙皂石和水云母。
形成過程
變性土的土壤發生過程相對特殊，有多種發生模型，如土壤擾動模型（pedoturbation model）或自吞模型（self-swallowing model）、差異荷載模型（differential loading model）、土壤力學模型（Soil mechanics model），目前國內學界比較傾向的是土壤擾動模型和自吞模型。
土壤擾動和自吞過程
具有干縮濕脹性質的粘質土壤失水干燥，土體開裂形成較寬的裂隙，表層土壤和裂隙面的土壤填充到裂隙中。土壤再次獲得足夠水分后開始膨脹，同時掉進裂隙里的土壤也開始膨脹，左右的空間無法滿足膨脹的需求，于是部分土壤向上向兩側移動，這就是土壤內部發生的擾動作用。與此同時，掉進來的那些淺層土壤或主動或被動地混進原土壤內部，與原有土壤充分混合，即為自吞現象。擾動和自吞過程會中斷土層的形成過程，因而變性土上下土層沒有特別明顯的分化特征，土壤頻繁膨脹收縮使得土體內部形成水平斜交的楔形結構體，還有可能在地表形成草丘微地形的擠壓微地形，此外，心土在不斷翻轉的過程中結構面產生滑動現象，會形成有交錯滑動擦痕的滑擦面。
土壤膨脹收縮作用
土壤膨脹收縮作用是變性土形成過程中的主要成土作用，對變性土的形成有重要影響。土壤膨脹收縮作用受多種因素影響，如氣候、地形、水文等環境條件和黏粒含量、黏粒礦物組成、土壤壘結等土壤物質組成特性，土壤本體的物質組成特性是膨脹收縮過程最重要的影響因素。通常來講，黏粒含量高的變性土膨脹收縮的能力會更強，不同黏粒含量的變性土膨脹收縮時間曲線也有一定的區別。
變性土黏土礦物組成中有大量如蒙皂石一類的膨脹性礦物，土壤膨脹收縮性與膨脹性礦物有關，如果土壤黏粒含量較高，且黏土礦物中蒙皂石、蛭石的含量相對較高，則土壤的膨脹收縮性就會是強烈的。不能同時滿足這兩個條件的土壤，膨脹收縮能力很弱，沒有形成變性土的能力。
主要特征
物理性質
礦物組成
變性土的黏土礦物一般以蒙皂石為主，伴有一定數量的水云母和綠泥石、高嶺石、石英等。部分剖面下層水云母增多，主要的黏土礦物為蒙皂石和水云母。
結構與顏色
變性土土體結構通常為均一的團粒或團塊狀，土體構型自上而下為耕作層（Ap層）→蒙脫石聚集及礦物分化層（Bw層）→鈣化母質層（Ck層）。由于經常接受自然或人為的擾動，變性土容易進行土壤礦物與有機質的充分結合，形成有機-無機化合物復合體，使剖面顏色灰暗。
質地
絕大部分變性土由黏質河湖沉積物、玄武巖、石灰巖、泥巖和黏土巖發育而來，質地黏重，多為粉砂黏土、粉砂黏壤土、黏壤土或黏土，變性土黏粒含量的主要集中區間是400~650克/千克，少數含量較低的魚脊形地上部如云南元謀縣處僅300克/千克左右，含量高的如廣西壯族自治區某些河谷階地，黏粒含量可達600~700克/千克。
化學性質
元素含量
變性土的全氮量與有機質含量相對應，因為變性土本身屬于礦質成分較高，有機質含量較低的一類土綱，故而全氮量也比較低，濕潤變性土上層含氮量約在0.8~1.3克/千克之間，而下層含氮量約在0.3~0.5克/千克之間。
變性土全磷（P2O5）含量因所在地區和成土母質不同而略有差異，山東省、江蘇省和安徽平原上，由古河湖相沉積物形成的濕潤變性土全磷量比較高，剖面上層土壤全磷量水平在0.8~1.8克/千克范圍內，部分地區甚至可以達到2.1克/千克，下層土壤全磷量有所降低。廣西壯族自治區和云南省的溶蝕平原或河谷階地上，由古河湖相沉積物形成的濕潤變性土和潮濕變性土全磷量比較低，上下層含量均在0.3~0.7克/千克之間。
變性土全鉀含量也因所在地區和成土母質不同而略有差異，山東、江蘇和安徽平原上，由古河湖相沉積物形成的濕潤變性土全鉀量比較高，剖面層土壤全鉀量水平在16~23克/千克范圍內，且上下層含量基本一致。廣西和云南的溶蝕平原或河谷階地上，由古河湖相沉積物形成的濕潤變性土和潮濕變性土全鉀量比較低，上下層含量均在10~14克/千克之間。
pH和CaCO3
變性土pH在6. 2~8.9范圍內，多屬于中性或微堿性，干潤變性土的pH偏于上限，呈微堿性或堿性。pH在土壤剖面中不同層次間的差值很小，但有從上至下呈增大的趨勢。
變性土的CaCO3相當物含量因成土母質、地形及水文條件不同而差異懸殊，變化在0~365克/千克之間。這種差異不僅出現在土壤剖面間，而且也存在于同一個土壤剖面的不同層次間。如在臨沂市，分布于平原上，由富含CaCO3的黃土性物質再沉積形成的古河湖相沉積物發育而來的潮濕變性土，其剖面上部的土層中幾乎不含CaCO3，但在土表下50~100厘米的土層中CaCO3相當物含量卻高達100克/千克；在新沂市，分布于平原上，由古河湖相沉積物形成的潮濕變性土，不但其剖面上部的土層中幾乎不含CaCO3，而且在土表下50~100厘米的土層中CaCO3相當物含量也不足5克/千克；在云南硯山分布于溶蝕平原低洼部位，由河湖相沉積物形成的潮濕變性土，其剖面的上下土層均無鹽酸泡沫反應，即完全不含CaCO3。
陽離子交換量
變性土的陽離子交換量比較高，原因是其黏粒含量高且黏土礦物組成以2:1晶型為主，剖面土壤陽離子交換量變化在15~45cmol（+）/kg范圍內浮動。
診斷層和診斷特性
變性土的診斷特性有兩點，分別是：
礦質土表至100厘米深度內出現變性特征；
礦質土表至50厘米深度內無石質或準石質接觸面。
變性特征
變性土的變性特征是指富含膨脹性黏土礦物、高脹縮性粘質的土壤有開裂、擾動、翻轉特征，具有以下條件：
耕作影響層或土表至18厘米深度內黏粒的質量占土重的30%以上，耕作影響層下界或18厘米深度處至50厘米深度內各亞層黏粒含量均大于等于30%；
除人工影響外，大多數年份一年內部分時期土表至50厘米深度內，連續厚度大于等于25厘米的土壤有寬度大于等于0.5厘米的裂隙，若地表有開裂現象，則50%及以上的裂隙應大于等于1厘米；
在上界出現于土表至100厘米深度內的厚度大于等于25厘米的土層中出現密集相交、發亮且有槽痕的滑擦面；
在耕作層下界或腐殖質表層至100厘米深度內出現自吞特征，后者裂隙壁有上層掉落的暗色腐殖土土體或土膜。
變性現象
對于某些達不到變性特征指標的一些屬性的土壤，特地創建了變性現象（診斷現象的一種，是中國土壤研究者創造的符合中國土壤情況的判斷標準）以作為其它土綱中變性亞類的劃分依據。變性現象不完全符合變性特征的全部要求，但滿足以下條件：
在土表至50厘米深度內出現或不出現石質或準石質接觸面的情況下，累計厚度30厘米及以上的亞層中黏粒的質量比大于等于30%；
土表至石質、準石質接觸面（深于50厘米淺于100厘米）或100厘米深度內線脹度大于等于6厘米；
除人工影響外，大多數年份一年內部分時期土表至100厘米深度內，連續厚度大于等于25厘米的土層土壤中有寬度大于等于0.5厘米的裂隙；
在上界出現于土表至100厘米深度內，厚度至少有15厘米的土層中出現滑擦面。
其他參考特征
黏土礦物組成
一般以蒙皂石為主，伴有一定數量的水云母和綠泥石、高嶺石、石英等。在熱帶地區，細黏粒含量較高的情況下可能出現高嶺石；
線脹系數（COLE）
線脹系數是表示土壤脹縮性大小的一種指標，由于它難以在變性土綱和其他土綱之間劃出嚴格的定量界限，所以對于其是否可以用作變性土土綱的鑒別依據或者作為變性土亞類的定量指標這一議題還沒有定論，但可以用作變性土劃分的參考指標。富含蒙皂石等膨脹性黏土礦物的變性土，其線脹系數為0.1~0.2或更高；
土體層厚度
土表至50厘米深內出現石質、準石質接觸面者，即土體層厚度不足50厘米時，不論其他性質如何，不能歸屬到變性土綱。
土壤分類
美國分類
在美國最新的土壤分類系統中，將變性土分為6個亞綱，共計24個土類。
中國分類
在中國，變性土被分為3個亞綱，7個土類。
潮濕變性土
變性土中有潮濕土壤，在礦質土表至50厘米深度處內有10厘米及以上的土層有氧化還原特征。中國潮濕變性土形成條件是：季風氣候，夏季溫暖潮濕，冬季寒冷干燥，平均氣溫14~15℃，降水在800~1600毫米范圍內；母質為黃河性河湖沉積物，普遍位于地勢低洼區域；土壤水分為潮濕土壤水分情況。濕變性土主要分布區域有山東半島平原、淮北平原和襄樊平原等地，分為鈣積潮濕變性土和簡育潮濕變性土兩個土類。
這一土類是指潮濕變性土中有上界在礦質土表至100厘米內的鈣積層或鈣磐的土壤。它們主要分布在華北平原及其鄰近地區，其分布區地形低洼，長期積水，在溫暖濕潤氣候條件下，濕生和水生植物生長茂盛。植物的殘體是變性土上部的黑土層層段有機質的主要來源。 由于母質富含碳酸根，地下水富含碳酸氫鹽，在不同深度形成了具有不同數量、不同形態的鈣質結核乃至鈣磐的鈣積層。鈣質新生體在土壤剖面中大多在20~60厘米深度處出現，一般在剖面上部少而小，并且多為雛形鈣質結核；剖面下部大而多，并且多為正常鈣質結核。鈣磐多出現于2米，甚至3米深度以下。
這一土類只有潮濕變性土亞綱必要的診斷特性，無其他次要過程造成的診斷層或診斷特性。它與鈣積潮濕變性土的不同之處在于表層至100厘米深度缺乏鈣積層。雖然在多數情況下，它也有所謂的“砂姜層”，但或出現位置較深（上界位于100厘米深以下），或“砂姜”含量按體積計<10%。另外，在0~100厘米深度內，土層的CaCO3含量也較低，不符合鈣積層規定的條件。
干潤變性土
其它變性土中有半干潤土壤水分情況，正常年份下，除人為影響，有持續90天以上的大于5毫米寬、25厘米深的裂隙存在于地表至50厘米深度內。中國干潤變性土分布特征是：多數位于河谷，氣候干旱燥熱，降水偏少，有較長旱季，年干燥度可達2.8以上；成土母質多為古近紀、新近紀和第四紀的河湖相沉積物，黏粒或黏粉含量在600~800克/千克左右，且黏粒礦物組成以蒙脫石為主；植被生長極差，甚至完全不能生長植物。
干潤變性土的土壤開裂時間長、寬度大、裂隙深，開裂時間一般在6~8個月；有的大裂隙寬度可超過8厘米；開裂深度可達50~90厘米。土體劇烈膨脹，常見局部隆起土丘。剖面特征是：在旱季常常形成具有龜裂的薄層土殼，厚1~2厘米。發現的此類土壤主要分布在金沙江干熱河谷區、廣西百色和田東盆地的河谷地區等地。干潤變性土按有無鈣積作用或所形成的鈣積層，劃分有鈣積干潤變性土和簡育干潤變性土兩個土類。
是干潤變性土中有上界在礦質土表至100厘米內的鈣積層的土壤，主要分布在金沙江及其支流河谷區。母質為厚重的第四系黃色黏土和亞黏土堆積物，水土流失十分嚴重，區內形成稀樹灌木草叢景觀。鈣積干潤變性土的主要特性是：除剖面中有大量的鈣質砂姜或有一鈣積層，剖面下層有明顯的滑擦面，具有光澤、劃痕短而平行有序的特點以外，用掃描電鏡觀察還可見到多次滑擦過程疊加、滑擦方向扭轉等現象；此外，在滑擦面上還可發現較多的黑褐色條紋，觀察滑擦面的土壤微形態，可見到土體中有非常明顯的龜裂微結構; 土壤發育弱，黏粒SiO2/Al2O3率一般為2.58~3.98，黏土礦物組成以蒙皂石為主；同時，土壤多為堿性，pH多為7.8~9.0；鹽基飽和，含多量CaCO3，土壤干旱、肥力性狀差，植物生長不良，現多為荒地。
其成土條件與鈣積干潤變性土相似，唯一區別是無上界在礦質土表至100厘米深度內的鈣積層。
濕潤變性土
中國濕潤變性土主要形成在濕潤熱帶以及南亞熱帶濕潤條件下，主要發育自玄武巖母巖的風化母質，雖屬于潮濕土壤水分條件，但由于土壤主要成分是高脹縮性黏質礦物，地表常出現強烈開裂現象。濕潤變性土主要分布地區為海南島北部、廣東雷州半島、華南平原等地，按診斷特性差異劃分為腐殖質濕潤變性土、鈣積濕潤變性土和簡育濕潤變性土。
是濕潤變性士中有腐殖質特性的土壤。它們主要分布于右江區百色和田東盆地的階地上。其分布地區屬于中亞熱帶向南亞熱帶過渡的氣候區，高溫多雨，夏季炎熱，冬季溫暖，干濕季節明顯，但土壤水分狀況屬濕潤土壤水分狀況。母質為河湖相沉積物，下伏泥質或鈣質頁巖，在過去的湖相沉積環境下，腐殖質積累較多，并有一定厚度，地形抬升后成為河成階地。
是濕潤變性土中有上界在礦質土表至100厘米深內的鈣積層的土壤。這類變性土的分布和成土環境與上述的腐殖濕潤變性土相同，但剖面中具有鈣積層。如果具有腐殖質特性，按檢索先后順序，盡管有鈣積層，也不能劃分為鈣積濕潤變性土，只能歸為腐殖濕潤變性土。
是濕潤變性土中除腐殖濕潤變性士和鈣積濕潤變性土以外的其他土壤。在中國主要分布于熱帶、亞熱帶地區玄武巖臺地的下段或低地，如福建漳浦、龍海區帶沿海地區。其分布區地處南亞熱帶，屬海洋性季風氣候，干濕季分明，4~9 月為濕季，10月至次年3月為干季。母巖為新近紀至第四紀初多次噴發的玄武巖。
地理分布
世界分布
變性土分布于亞熱帶季節性干旱區和大陸性季風氣候的一些平原河谷階地等地區，世界上最大的幾個分布區位于非洲東部平原、印度平原、澳大利亞東部以及南美洲東南部的河谷平原地區。
中國分布
中國變性土分布較為分數，變性土主要分布于山東半島、淮北平原、福建漳浦、廣西壯族自治區西南部、雷州半島、海南省北部以及金沙江干熱河谷地區，不同亞綱的變性土又有其獨特的空間分布規律。
改良利用
潮濕變性土具有潮濕土壤水分狀況，大多數年份土溫>5C （生物學零度）時的某一時期， 全部或某些土層被水飽和呈還原狀態，變性土本身具有一些不良的物理化學特性，肥力多較低。在利用管理上的重點有：興修水利工程，以水治土；合理利用，盡量將有水利條件的該類土壤都改造為水早輪耕田；建立高效、持續的農業系統，如灌排系統、有機一無機肥源和配方施肥系統、多樣化多層次少免耕種植系統等。
干潤變性土一般都分布在干熱河谷區，旱季長、自然環境差，只有少數幾種耐旱耐瘠植物能夠生存，容易出現荒漠化問題。同時，土壤肥力的黏、裂、堿、瘦特點突出，土地利用困難。在元謀地區曾經采用多種農業利用模式，多年試驗都未取得明顯效果。例如，20世紀90年代初采用酸角樹和間作牧草的方式；90年代中期采用銀合歡胡同式農業方式。經過多年試驗，目前尚未找到改善土壤肥力和改變當地生態環境以及取得生產效益的措施。最新研究認為，在經濟發展條件許可的情況下，對干潤變性土只有采取“以土治土”強化培土對策，才有機會達到改良和高效利用的目的，即采用工程措施，就近取第四系古紅土母質或干潤富鐵土為改土原料客土來改造變性土。主要是利用該類母質和土壤的沙性、酸性改良干潤變性土的黏、堿問題。同時配施有機肥，改良土壤膠體品質和土壤微結構，克服土壤裂、瘦的問題。土壤得到改造培肥后，實施其他生態工程措施，通過這些措施發展持續農業和改善地區生態環境條件。
濕潤變性土在幾類變性土中是肥力較好的類型。多被開墾利用，種植甘蔗等經濟作物，或種植人工馬尾松、桉樹等。在玄武巖臺地區的濕潤變性土，多種植水稻、甘蔗、花生等經濟作物。但仍存在土壤黏性大、缺肥問題。所以摻沙客土，增施磷鉀和微肥，實行用養結合的耕作制度等，仍然是濕潤變性土持續高效利用的必要利用管理措施。
參考資料 >
變性土.中國大百科全書.2024-06-20
vertisols.Britannica.2024-05-20