第三章 岩石风化与土壤形成

null第三章 岩石风化和土壤形成 Chapter 3 Rock weathering and soil formation第三章 岩石风化和土壤形成 Chapter 3 Rock weathering and soil formation第一节 风化作用与常见的成土母质 第二节 土壤形成的实质essence和主要成土过程soil-forming process 第三节 土壤形成的因素soil-forming factors 第四节 土壤剖面soil profilenull本章要回答的主要问本章要回答的主要问题1 岩石风化？为何风化？有哪几种形式？主要影响因子分别是什么？ 2 地质大循环？生物小循环？两者关系？ 3 土壤形成与哪些自然因素有关？这些因素如何影响土壤形成？ 4 土壤剖面？典型自然土壤剖面有哪些层次？为什么会出现层次分化？ 5 土壤剖面形态包括哪些方面？ 第一节 风化作用一 风化作用及风化作用的类型一 风化作用及风化作用的类型岩石风化： 地壳面的岩石，在大气与水的联合作用以及温度变化、生物活动影响下，所发生的一系列崩解和分解作用。 风化过程同时也是土壤母质(parent material)的形成过程。坚硬的岩石是如何转变为土壤或土壤母质的？哪些因素会影响这个过程？岩石风化一般分成三类：岩石风化一般分成三类： 物理风化(physical weathering) 化学风化(chemical weathering) 生物风化(biological weathering)null风化作用实质上表现为一系列崩解和分解崩解：岩石由大块变成碎块，再渐变成细粒，其形状和大小改变了，但化学成分不发生变化。 自然界中，三种风化作用通常是联合进行与相互助长的， 划分它是为了讨论方便。物理风化化学风化分解：岩石风化过程中化学成分发生变化生物风化1． 物理风化1． 物理风化 又称机械崩解作用，是指由自然界的物理作用使岩石崩解破碎(break up)成大小不等，形状各异的颗粒，而不改变其化学成分的过程。哪些因素会影响岩石的物理风化呢？影响因素(affecting factors) 影响因素(affecting factors) （一）温度temperature（一）温度temperature：（一）温度temperature：岩石的导热性差,温度的季节变化和昼夜变化，使得裸露在地表的岩石表层发生层状剥落现象，长年累月后，便造成岩石的破碎崩解。寒裂风化寒裂风化（二） 结冰 icing：（二） 结冰 icing：（三） 风 wind：（三） 风 wind：风窝岩风窝岩拱门拱门（四）流水flowing water：（四）流水flowing water： 流水将岩石表面的碎屑冲走(sweep)，流水携带的各种沙砾在运动中会相互摩擦，同时对河床(riverbed)进行冲刷和磨蚀，使岩石粉碎(crush up)。nullnull2． 化学风化2． 化学风化 是指岩石在水，氧气，二氧化碳等风化因素作用下，岁发生的一系列化学变化过程。化学风化后，岩石改变了原来的化学成分和性质，同时产生了新的次生矿物。 什么条件下容易发生化学风化呢？化学风化主要有以下几种形式：化学风化主要有以下几种形式：溶解作用solution 水化作用hydrating course / hydration 水解作用hydrolysis 碳酸化作用carbonation 氧化作用oxidization（一） 溶解作用solution（一） 溶解作用solution 矿物和岩石或多或少地被水所溶解。例如： CaCO3+ H2O + CO2 Ca2++ 2HCO3-（二） 水化作用hydrating course / hydration（二） 水化作用hydrating course / hydration 矿物与水化合称为水化作用. 水化后的矿物体积增大，硬度下降，变得易于破碎。 水化反应： 2Fe2O3（赤铁矿 ）+ 3H2O→2Fe2O3.3H2O(褐铁矿)（三）水解作用hydrolysis（三）水解作用hydrolysis 指由于水的部分解离形成的H+，和矿物中的盐基离子发生置换反应，形成新的化合物和可溶性盐的一种化学反应。如： 2KAlSi3O8(钾长石)+3H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石） + 4SiO2 +2KOH（四）碳酸化作用carbonation（四）碳酸化作用carbonation自然界中的水常含有CO2，形成H2CO3，增加了水溶液中H+浓度，加快了与矿物中的盐基离子（ion）进行交换的速度，并生成可溶性的碳酸盐。碳酸化作用后矿物遭到分解破坏，并释放出有效养分。水解和碳酸化作用的实质是，矿物中的盐基离子被子氢离子取代。null CaCO3 ＋ H2CO3 Ca(HCO3) 2 溶解度很低 溶解度较高 平衡的变化： (1)当CO2充足时，且有一定的湿度，平衡一直向右 (2)当湿度较小，Ca(HCO3) 2脱水并放出CO2，平衡向左进行。(H2O+CO2)石笋石灰岩的化学风化自然界的许多石灰岩溶洞不断地进行着以上反应， 形成千姿百态的地貌，如石笋、石钟乳、石柱、石林等。（五）氧化作用oxidization（五）氧化作用oxidization指大气中的氧与矿物发生的化学反应。一般都是在有水的条件下进行的。如： 4FeS2（黄铁矿） + 2H2O +15O2 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4化学风化后形成的产物(product)有：化学风化后形成的产物(product)有：可溶性盐:硫酸盐,碳酸盐,磷酸盐,氯化物 次生粘土矿物:高岭石,蒙脱石等 残留矿物:石英,长石,云母3、生物风化biological weathering3、生物风化biological weathering 是指岩石中的矿物在生物及其分泌物或有机质分解产物的作用下，进行的机械性破碎和化学分解过程。nullnullnull植物根系对岩石的穿插能引起岩石的机械系性破碎（物理风化） 地衣(lichen) 分泌的碳酸(carbonic acid)和地衣酸能破坏和溶解岩石（化学风化） 有机物分解会产生一些弱酸性物质，对岩石会起到腐蚀作用（化学风化） Why not laugh?Why not laugh?Boss: Why did you steal two apples from my shop? Boy: It's your own son who asked me to. He said we both could share them. Mom: Don't put your thumb in your mouth, will you? Son: Then which finger should I put into my mouth, Mom? 二 风化产物的类型（自学）二 风化产物的类型（自学）第二节 土壤形成第二节 土壤形成一 土壤形成过程 二 植物营养元素的地质大循环和生物小循环Macro-geological cycle and micro-biological cycle or small biological circle of plant nutrients 三 土壤形成的实质essence 四 主要土壤成土过程一 土壤形成过程一 土壤形成过程岩石经各种自然因子作用发生各种风化作用，由大变小，由粗变细，最后形成了疏松(loose)多孔的(porous)松散物质。 这类物质具有松散，多孔的特性，并可通气(aerate)透水(penetrate)和保存(hold)少量水分，另外有极少的一点养分。我们称之为母质(parent material)。它是土壤的骨架(framework)部分，也是植物矿质营养的最初来源(source)。null当地球上出现生物后，低等植物开始在母质上生长，其分泌物(secretion)和残落物(litter)及整个枯死的(withered)植物体使母质中有机质含量增加，随着时间的推移，母质协调(harmonize)和供应水，肥，气，热的能力不断提高，最后母质产生质的变化，具备了能够不间断地供给植物水肥协调水气热的能力，这时母质就成了土壤。土壤的形成过程，简单地说就是：土壤的形成过程，简单地说就是：岩石 风化作用母质生物作用土壤 有机质的合成和分解(decomposition)是土壤形成的主要标志，推动(promote)土壤形成过程的是生物(organism)。二 植物营养元素的地质大循环和生物小循环 Macro-geological cycle and micro-biological cycle or small biological circle of plant nutrients 二 植物营养元素的地质大循环和生物小循环 Macro-geological cycle and micro-biological cycle or small biological circle of plant nutrients 1 地质大循环macro-geological cycle ： 1 地质大循环macro-geological cycle ：植物营养元素的绝大部分最初封闭(occlude)在岩石矿物中，随着岩石矿物出露(expose)地表发生各种风化，封闭在岩石矿物中的各种养分元素就不断从矿物的晶格(crystal lattice)上解脱下来，形成各种简单的可溶(soluble) 性盐类，如K，Na，Ca，Mg的各种可溶性盐。null含有养料元素的易溶性盐会随着降到地面的雨水淋洗出风化体，首先流入江河，最后进入海洋。在海洋中沉积(deposit,sediment)硬化(ossify)，最后形成沉积岩类，使植物养分元素重新进入封闭状态。null在漫长的地质年代(geological age )里，海底重新变为大陆，这些沉积岩再度接受风化作用，植物营养元素又一次被释放(release)。 这种植物营养元素由大陆流到海洋,海洋又变为大陆后,这些物质又由新的大陆流向新的海洋.营养物质的这种循环过程称为植物营养元素的地质大循环。 2 生物小循环 micro-biological cycle， small biological circle ： 2 生物小循环 micro-biological cycle， small biological circle ：生物从土壤中摄取(ingest)养分元素以组成有机体时，养料元素便从易溶性、无机态，转变为有机态化合物而固定(fix)于生物体内。null死亡后残体经微生物分解又重新释放出养分元素，供别的生物或下一代生物吸收利用。null这样，有限量的养料元素在生物因素的生命活动中，发挥无限的营养作用。 这种由风化释放的无机养分变为生物有机质，再转为无机养分的吸收归还循环过程称为植物营养元素的生物小循环。null生物小循环的意义： 生物小循环使母质中有限的矿质养料元素，发挥无穷的营养作用，富集(enrich)了土壤中的养分； 通过植物的选择性(selective)吸收，富集在表土中的养料元素的组成，更适合于植物生长的需要，能不断改进土壤养分的质量。三 土壤形成的实质essence三 土壤形成的实质essence土壤形成的实质就是地质大循环和生物小循环的矛盾(contradiction)与统一(unification)。 如果只有地质大循环就仅能生成母质；生物如果不作用于母质就不能形成土壤。null第三节 土壤形成因素 factors influencing soil formation第三节 土壤形成因素 factors influencing soil formation一 土壤形成的自然因素 1 母质parent material 2 生物biosphere, vegetation 3 气候climate 4 地形topography, relief 5 时间time 二 人类生产活动对土壤形成的影响土壤形成与哪些自然因素有关系？与人类活动有关吗？一 土壤形成的自然因素一 土壤形成的自然因素19世纪末，俄罗斯的土壤学家道库恰耶夫土壤形成因素学说，指出“母质，气候，地形，生物和时间”是自然土壤的5大成土因素。null20世纪40年代，美国土壤学家(H.Jenny)提出成土因素的数学函数式(function)： Soil= f(cl, pgm, r, o)t1+(m)t2 cl-climate pgm-parent geological material r-relief o-organisms m-management t-time1 气候climate1 气候climate首先，气候通过影响水分和热量条件而直接影响土壤的形成过程。 其次，气候在很大程度上决定了各种植物类型的分布，从而间接地影响土壤矿物质和土壤有机质的分解与合成。 温度对土壤形成有显著影响。在寒冷地区，土壤中化学反应微弱，植物生长缓慢，微生物活动较弱，养分转化速率慢。相反，在热带地区，矿物质分解彻底，植物生长旺盛，微生物活动旺盛，养分转化速率快。 降水（precipitation)对土壤形成也有重要影响。干旱地区，土壤中盐基(base)不易淋失，易造成盐基累积而发生土壤盐渍化，使许多植物不能生长；在降水量多的地区，盐基遭受强烈淋洗。 归纳起来，气候对土壤形成的影响表现在：归纳起来，气候对土壤形成的影响表现在： 湿度因素 温度因素湿度因素：湿度因素：（1）湿度(humidity)影响土壤有机质和氮素的含量：一般表土有机质含量与大气湿度呈正相关。 （2）湿度影响土壤矿物质的组成：干旱地区，易溶性矿物和植物养料可保留于土壤中。湿度还影响土壤中钠、钾及钙的淋溶迁移强度。 （3）湿度影响矿物质的风化程度。温度因素：温度因素：（1）温度影响土壤母质和风化层的厚度：土层厚度随土温升高而加厚。 （2）温度影响土壤颜色：在寒温带（cool temperate zone ），土色以灰色为主；在暖热半湿带，土色呈棕色-褐色；在湿热带，土色呈赤色、棕红色或黄色。 （3）温度影响土壤有机质和全氮含量 花岗岩风化壳在广东可厚达30～40米，浙江一般在5～6米，而青海高原常不足1米。不同气候下土壤的形成不同气候下土壤的形成南方湿热 风化强烈 盐基淋失多 土壤pH? 原生矿物少，且粘土矿物以高岭石为主 南方湿热 生物生长旺盛 微生物活动强烈 有机质积累少，H/F<0.5 东北地区冷湿 风化不强 盐基淋失少（盐基饱和） pH高 东北地区冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差，C/N 高 H/F低 null在中国温带东部湿润区，由北而南热量递增，土壤分布依次为： 暗棕壤 棕壤（褐土） 黄棕壤 黄壤 红壤 砖红壤 2 母质parent material2 母质parent material 母质是构成矿物质部分的基本材料，是植物矿质养料元素的最初来源。 母质对土壤肥力状况有巨大作用，对土壤物理性质和化学性质的影响也极为明显。null花岗岩(granite)母质：由于其中的长石，云母(mica)易于风化，并富含K素，而石英(quartz)颗粒则不易风化，经常呈砂粒状态残留在土壤中，因此，花岗岩母质上发育的土壤，往往砂粘比例适中，通气透水性能良好，保水保肥能力强。null页岩(shale)母质：页岩的矿物成分主要是粘土(clay)，其母质上形成的土壤质地比较粘重，通气性能较差，但养分一般较为丰富且保水保肥能力强。 石英砂岩母质：石英砂岩形成的土壤，砂性强，矿质养分贫乏，保水保肥能力差，土层薄，但通气良好。nullnullThe less developed a soil is, the greater will be the effect of parent material on the properties of the soil.3 生物biosphere, vegetation 3 生物biosphere, vegetation 生物包括植物，微生物和土壤动物。 植物从土壤中吸收N，P，K，Ca，Mg等元素，植物死亡后，这些元素随植物残体保留在上层土壤中。 经过植物的反复吸收与归还，土壤中（尤其是表层）的营养元素逐渐保蓄和积累。null 植被类型和土壤类型的关系 (据Bridges: World Soils)nullnull同时，许多生物具有固定空气中的N素的功能，可将空气中的N转移到土壤中来，提高土壤N素含量。 另外，土壤中的微生物和一些小动物分解有机质，释放出养分，同时还合成稳定的腐殖质(humus)，改善土壤的物理性质和肥力性质。 null4 地形topography, relief4 地形topography, relief 地形在土壤形成中所起的作用是多方面的。null(1）地形影响热量的重新分配(redistribution)： 在北半球(northern hemisphere)，西南坡接受的热量多，土温高，导致水分含量低，植被稀疏，东北坡接受热量少，土壤温度低，水分蒸发作用弱，植被生长茂盛。 南半球刚好相反，在寒冷潮湿地区，西南坡的土壤生产力更高。null(2）地形还影响土壤水分，养分和机械组成。 一般在分水岭(watershed)和斜坡(slope)的上坡，水分及其夹带的养分及土壤细微颗粒，常以地表径流的方式向下坡及低处移动。这就造成这些地区土壤水分和养分含量低，土壤颗粒以粗颗粒为主。 山麓(piedmont)和中下坡则相反。null5 时间time5 时间time 土壤形成过程是随着时间的推移而不断加深的。null二 人类生产活动对土壤形成的影响二 人类生产活动对土壤形成的影响人类的生产活动直接影响土壤的肥力性质，而且也会对自然成土因素产生影响。有的生产活动，如耕作，绿化荒山，封山育林等，对土壤形成起促进作用； 相反，炼山，掠夺性地利用土地,土壤污染等则会对土壤造成很大的破坏。 null(Grandpa went to school to see his grandson Bill, who often plays truant with various excuses.) Grandpa: Headmaster, I'd like to see my grandson Bill. Isn't he very lovely at school? Headmaster: I am terribly sorry. You can't see him today, for he has just gone to attend your funeral. Kate: Mary out and play table tennis with me. Mary: Sorry, I can't. My father will do my homework wrong unless I keep watching. 第四节 土壤剖面及其形态特征第四节 土壤剖面及其形态特征概述 一 自然土壤剖面形成过程 二 耕作土壤(cultivated soil)剖面 三土壤剖面形态特征morphological character概述概述土壤剖面: 从地面向下挖掘直至母质层所裸露的一块垂直切面，深度一般在2米以内。 在土壤形成过程中，土体中的物质，如Mn，Fe，Al的水化物，腐殖质胶体（可溶性的）也在不同土壤层次之间变化转移，产生移动和淀积，使土体上下发生层次分化，形成一定的剖面形态和土体构型。土壤剖面土壤剖面一 自然土壤剖面形成过程一 自然土壤剖面形成过程土壤中物质转移主要包括两个过程。 淋溶作用:一是土壤中的下渗水,从土壤剖面的上层溶解或悬浮土壤中的一些物质； 淀积作用:下渗水到达剖面下层沉淀其中某些溶解物或悬浮物的作用.自然土壤从上到下，土壤颜色、养分含量、颗粒粗细、松紧状况相同吗？淋溶层eluviation layer：淋溶层eluviation layer： 由于淋溶作用而使物质迁移和损失的土层，称为淋溶层,有时叫A层。 灰化土的灰化层，白浆土的白浆层，都是典型的淋溶层。null发生淀积作用的土层称为淀积层,或B层. 淀积层可产生于土体的表层，如盐壳-地表积盐。在干旱和半干旱带，土体的中下部常有碳酸盐淀积层，它是草原栗钙土和黑钙土的典型发生学土层。null一般将土壤剖面的上层称为淋溶层或A层，它是受成土过程影响较深的土层。腐殖质积累多，一般颜色较暗，由于此层一部分物质遭到淋洗下移，故称为淋溶层。nullA层之下为B层，一般比较紧实，A层淋洗下来的物质在该层淀积，故称为淀积层。nullB层之下为未受淋溶或淀积作用的母质层，C层。母质层下面，一般为未风化的基岩，称母岩层。在平原地区，有时由于地下水位较高，加上土壤通气不良，在B层的下段C层的一部分，将因还原作用变为蓝灰色或绿灰色，这一层我们称之为潜育层，或G层。null一个发育完整的土壤常有如下的剖面模式： 代号：发生层名 Ｏ： 枯落物层（未分解和半分解的植物凋落物） Ａ： 腐殖质 又叫表土层（含大量腐殖质） E： 淋溶层 Ｂ： 淀积层 又叫心土层 （表层物质淋至此层淀积） Ｃ： 母质层 （以风化岩石为主） R： 母岩层 （未风化的坚硬岩石）   但大部分园林土壤或果园、人工林土壤及农业土壤都不具备上述标准模式。 nullnull有时，有的土壤只有淋溶层而暂未出现淀积层，我们称之为AC型剖面，这类土壤处于发育初期。 随着成土过程的发展，淋溶下来的物质渐多，出现了发育明显的B层。 有的土壤只有A层和D层，称为A-D型剖面。 有时由于侵蚀严重，A0，A层被冲掉，土壤只剩下B，C层。null几种常见的土壤剖面类型示意图A、B、C代表土壤发生层。 1、2、3代表堆积层。 不明显 不明显 土壤剖面层次过渡明显null土壤剖面实图 黑土（东北） 砖红壤（海南） null灰化层null脱硅富铝化过程nullABCnullACnull土壤形成速率和所需的时间许多土壤中在100年内就可使土壤有机质达到准平衡； 在较有利的条件下，一个弱发育的B层可在数百年内形成; 在400～500年的成土时间内,就可看出粘粒由A层向B层的迁移。二 耕作土壤(cultivated soil)剖面二 耕作土壤(cultivated soil)剖面耕作土受人为干扰较大，其层次划分一般分为以下三层： 表土层：可分为耕作层和犁底层 耕作层:受耕作施肥影响最深的土层，作物根系主要分布在该层。 犁底层:位于耕作层下，土壤紧实，通透性差。 心土层：位于犁底层下，一般厚20-30cm，可保水保肥。 底土层：位于心土层下，由于营养物质少，根系分布稀少，一般被称为生土或死土。nullWife: You always sent me a rose every day before. Why don't you do that now? Husband: Will a fisherman go on feeding a fish after he has caught it? Professor: What's the punishment of illegal remarriage? Student: Two mothers-in-law. Passenger (angrily): Didn't I pay you $10 to wake me up at Cliffland? Conductor: Oh, my god. No wonder that the man next to you was unwilling to get off when I pushed him off the train. 三 土壤剖面形态特征morphological character三 土壤剖面形态特征morphological character 土壤剖面主要的形态特征有颜色，结构，质地，紧实度，孔隙，湿度，新生体，侵入体，根系，动物孔穴等。1 颜色：1 颜色： 土壤物质表现出的外观色彩。土类命名往往采用土壤颜色，如红，黄壤。土壤颜色一般用复合颜色，如红棕，赤红等，前面的是次色，后面的是主色。 确定土壤的颜色一般用芒赛尔比色卡(Munsell color charts) null土壤中的不同物质呈现的颜色不同。 腐殖质:一般为黑色或暗灰色，含量多,土壤呈黑色;含量低,呈暗灰色 氧化铁:呈锈色或黄色， 石英，长石,高岭石,方解石等:呈白色， 氧化亚铁:呈兰色或青灰色。 土壤愈湿，颜色越深，颗粒愈细，颜色越浅。2 土壤结构structure：2 土壤结构structure： 固体颗粒的空间排列方式。 一般有团粒结构，块状，核状，柱状，片状，及单粒结构。3 质地texture：3 质地texture： 土壤中各种粒径（大小）的土壤颗粒（如砾，砂，粉粒，粘粒）的重量百分含量。对肥力，耕性有影响。 一般分为沙土，壤土和粘土三大类。4 松紧度hardness和孔隙porosity状况：4 松紧度hardness和孔隙porosity状况：影响土壤的通气透水性能和根系穿插的难易。松紧度分： 散碎：轻微挤压，便散开。 疏松：用力不大，小刀可插入较深土层。 稍紧：用力不大，小刀可出入2-3厘米。 紧密：用较大力，仅能插入很浅的土层。 紧：用较大力，几乎不能插入土层。5 干湿度degree of wetness：5 干湿度degree of wetness：水分含量是重要的肥力因子。野外根据手感可将土壤分为干，潮，湿，重湿，极湿。 干：放在手中五潮湿的感觉。 潮：有潮湿感。 湿：用手握可成团，氮无水流出。 重湿：用手挤压有水流出。 极湿：不挤压便有水流出。6 新生体neosome：6 新生体neosome： 土壤形成过程中新产生的或聚积的具有一定外形和界限的物质。 常见的新生体有盐霜，盐斑，铁锰结核等。7 侵入体intrusive body：7 侵入体intrusive body： 砖头，瓦片，铁器，塑料，文物等。8 植物根系root system：8 植物根系root system： 草根及树木主根、须根的分布深度和数量9 动物孔穴animal cavity：9 动物孔穴animal cavity： 记录种类，大小，数量10 酸碱性(pH)：10 酸碱性(pH)： 可借助指示植物phytoindicator，indicator plant,或用pH混合指示剂indicator测定。 本章主要问题本章主要问题1 岩石风化？为何风化？有哪几种形式？主要影响因子分别是什么？ 2 地质大循环？生物小循环？两者关系？ 3 土壤形成与哪些自然因素有关？这些因素如何影响土壤形成？ 4 土壤剖面？典型自然土壤剖面有哪些层次？为什么会出现层次分化？ 5 土壤剖面形态包括哪些方面？