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1、第二章 矿物岩石风化与土壤形成,第一节 矿物与岩石的风化 第二节 土壤的形成 第三节 土壤剖面,第一节 矿物与岩石的风化,一、风化作用1、概念: 地表或接近地表的岩石、矿物与大气、水及生物接触过程中产生物理、化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程 驱动机理： 任何事物只是处于它生存的环境时才能稳定，矿物岩石所处环境发生改变，稳定性破坏而发生变化。1)物理风化： 由物理作用引起的矿物岩石发生物理变化的过程。又叫机械崩解作用。,2)化学风化 ：主要化学风化作用的类型有4个：溶解作用： 矿物在水中溶解的过程。水化作用： 矿物与水相结合。如赤铁矿变成褐铁矿。水解作用： 矿物与水相遇，引起矿物分解并形成
2、新矿物。如正长石水解后释放出钾离子，变成了高岭石。氧化作用： 二价铁氧化成三价铁。使许多矿物和岩石表面染成红褐色。,3)生物风化： 生物作用使岩石就地引起的破坏。 主要因素： 根系的压力和根系分泌物 10-15磅/cm2 微生物分解有机质产生酸等。,二、岩石风化的产物,包括三部分：1、可溶性盐 :硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氯化物等2、合成次生矿物:如伊利石,蒙脱石,高岭石等粘土矿物，以及铁铝的氧化物和氢氧化物。3、残余的碎屑:难风化的矿物和各种岩屑。,三、 风化产物母质类型,1、母质： 地表岩石经风化作用使岩石破碎形成的松散碎屑物质，是土壤形成的物质基础和植物矿物养分元素（除氮外）的最初来源。与
3、土壤的本质区别是不含生物体。2、类型： 根据搬运方式和沉积特点将 分为定积母质和运积母质。1）定积母质: 又叫残积母质，就地风化而未经搬运的岩石风化物。母质特点为：颗粒粗，厚度薄，母质疏松，通透性好。,2）运积母质,（1）坡积母质：山坡上部的风化物，在雨水的冲刷下，其中一些较细小的碎屑发生搬运，并在山坡的中下部发生堆积，形成坡积母质。母质特点：颗粒粗细不匀，其中石砾含量较高，矿物成分不稳定。 （2）洪积母质： 又叫洪积物或洪积扇，主要是由于洪水搬运沉积。母质特点：粗细混杂，分选性差，在山口处以砾石、粗砂为主，向外逐渐为细砂和粘土，土层薄，易透水。 （3）冲积母质或冲积物 这种母质是由于风化物在
4、河水的侵蚀、搬运和堆积作用下形成的。母质特点：有明显的层理，而且各层中的颗粒粗细均匀。 此外还有风积母质、海水沉积母质、湖积母质等,洪 积 物（洪积扇）,河积物 （甘孜道孚县）,湖泊沉积, 湖积物 湖积物指原湖泊底部的沉积物质，以后由于湖水位的下降或陆地上升而出露的一种母质。,各种海岸地貌,浅海沉积,浅海沉积物 浅海沉积物指河流携带泥沙，在海岸边沉积的物质。,3）第四纪沉积物,第四纪距今一百万年左右。在第四纪有多次的冰川活动。沉积物包括黄土、次生黄土、红土和冰碛物 黄土： 黄色风积沉积物，由风力搬运、堆积形成，以粉砂为主，质地均一，垂直节理显著，是没有被固结的黄色堆积物。分布在陕西,山西,甘肃
5、,宁夏,河南,河北等。次生黄土： 黄土经流水搬运后的沉积物，常带有砾石，称次生黄土。红土： 在第四纪间冰期形成。矿物岩石强烈风化，富含铁、铝的红色粘土。质地粘重，通透性差，常呈酸性反应。冰碛物：冰川携带的物质沉积形成。,3）第四纪沉积物,3）第四纪沉积物,海螺沟冰川沉积物,四、成土母质形成的阶段性（地球化学类型）风化壳 由风化残余物质组成的地表岩石的表层部分，或者说已风化了的地表岩石的表层部分，就称为风化壳或风化带。 根据元素的迁移情况，成土母质的形成大致经过4个阶段：,1碎屑阶段 是岩石风化的最初阶段，物理风化占优势，化学风化不明显，只有氯和硫元素发生移动，以机械破碎为主，其成分基本上与母岩
6、一致。,风化后的碎屑物质,2钙积阶段 大部分氯和硫已淋失，Ca、Mg、K、Na等元素大部分保留下来，有些钙游离出来，形成碳酸钙，往往沉积在碎屑孔隙内，母质呈中至碱性反应。黑钙土、栗钙土等土类的发育就停留在这一阶段.,中国北方的黑钙土,3酸性铝硅阶段（硅铝化类型） 这一阶段的母质中Ca、Mg、K、Na都受到淋失，同时硅酸盐和铝硅酸盐中的硅酸也部分淋失，母质呈酸性反应，颜色以棕或红棕色为主，黄棕壤及部分棕色成土母质的发育至此阶段。,黄棕壤,4铝阶段（富铝化类型） 母质中的盐基和硅酸全部淋失，残留的只是硅和铝的氧化物，形成鲜明的红色，母质呈酸性至强酸性。我国华南的红壤、砖红壤的成土母质发育至此阶段。
7、,黄壤,红壤,风化产物的地球化学类型简表,第二节 土壤的形成,一、土壤形成因素分析二、土壤形成过程分析,一 土壤形成因素分析,道库恰耶夫(1881年) 首次建立了 f(, , , ) 表示土壤与成土因素之间的发生关系。式中：表示土壤；, , , 分别表示气候、生物、母质和时间因素。他还提出土壤是一个独立自然体，成为现代土壤科学及土壤地理学的独特研究对象。,美国土壤学家H.詹尼(Jenny H) 对土壤与成土因素进行了深入研究，于1941年发表Factors of Soil Formation，提出S = f ( Cl, O, R, P, T, ) 简称clorpt函数式，成为土壤形成的通用公式
8、。,1、气候,气候是土壤形成的能量源泉。土壤与大气之间经常进行水分和热量的交换，气候直接影响着土壤的水热状况、土壤中物质的迁移转化过程，并决定着母岩风化与土壤形成过程的方向和强度。,图1 土壤温度与大气温度的相关分析图式(据沃洛布耶夫，1958),图2 北京大兴通量观测站点,图3 不同地带土壤中苜蓿碎屑分解速率的实验模拟(据Jenny,1983),图4 土壤剖面发育与气候湿润度的关系图,2 生物因素的成土作用分析,生物将太阳辐射能转变为化学能引入成土过程，并合成土壤腐殖质。在土壤中生活着有数百万种植物、动物和微生物，它们的生理代谢过程构成了地表营养元素的生物小循环，使得养分在土壤中保持与富集，
9、从而促使了土壤的发生与发展，如图,图9 生物小循环,1）生物小循环 生物吸收 生 死 淋溶 物 亡 搬运 吸 收 矿质化 腐质化 微生物分解,岩石碎屑与可溶性物质,土壤发生和发展,活有机物,松散堆积物,可溶和难溶的有机质和矿物质,有机残体,腐殖质,图10 生物群落及其对成土过程的作用图式,图12 不同植物作用下形成土壤的有机质垂直分布比较,2）生物因素包括植物、动物和微生物。绿色植物是土壤有机质的初始生产者，可吸收土壤中的营养元素，利用光能制造有机体；土壤动物的生命活动和机械扰动，参加物质与能量转化、转换过程，影响土壤的形成和发育；土壤微生物促进生理生化活动的进行，导致土壤腐殖质的形成和累积。
10、,3 母质因素的成土作用分析,母质是形成土壤的物质基础，年轻土壤的某些性质主要是继承母质的。1）母质的质地与土壤性状的关系 母质质地直接决定土壤的颗粒组成，从而影响土壤的物理性质和养分含量； 母质质地影响土壤发育的速度和程度。2）母质层理对土壤发育的影响 上砂下粘蒙金土；上粘下砂漏风土3）母质组成和土壤性质的关系 母质组成决定土壤,4 地形因素的成土作用分析,地形是影响土壤与环境之间进行物质和能量交换的重要场所，它对物质和气候条件的再分配影响土壤的形成。1）地形通过影响降水和辐射的再分配而影响土壤发生 一般地，阳坡热量条件好，阴坡水分条件好。2）地形影响土壤形成过程中的物质再分配 重力导致土壤
11、物质运移； 水分淋洗导致土壤养分含量差异及土壤盐化。,图13 地形对水分运动的影响(据John Gerrard，2000),5 时间因素在成土过程中的作用,1）土壤发育速度取决于成土条件 有利的土壤发育条件是：温暖湿润的气候、森林植被、低石灰含量的松散母质、排水良好的平地；阻碍条件是干冷的气候、草原植被、高石灰含量且通透性差、紧实的母质和陡峭的地形。2）土壤发育的主要阶段 随着时间的进展，土壤发育经历幼年、成熟和老年等阶段。,图16 不同地带土壤剖面发育与成土年龄相关示意图(据Gerrard，2000),3)时间作为成土因素则是阐明土壤形成发展的历史动态过程。母质、气候、生物、水文和地形等对成
12、土过程的作用随着时间延续而加强.,图17 在稳定条件下土壤发育的时间序列示意图,6 人为活动对土壤发展的影响,1)人为活动的特点： 人为活动具有快速性； 人为影响建立在自然因素基础上； 人为活动具有两重性； 人为活动具有目的性2)影响途径: 一是通过改变成土条件， 二是通过改变土壤组成和性状来影响成土过程,简答:影响土壤形成的因素及其机理(150字),二 土壤形成过程分析(soil forming process)（本部分为了解内容）,土壤形成过程是一个复杂的物质与能量迁移和转化过程的总体.主导过程: 母质与生物之间的物质与能量交换;基本动力: 母质与气候之间辐射能和水分之间的交换;实在内容:
13、 土体内部物质和能量的迁移、转化。,物质迁移与转化,土壤形成过程中能量转换示意图,（一） 基本成土过程,基本成土过程可概括为：有机物与无机物以固体、液体或气体的形式添加到土壤中（addition）这些物质从土壤中丧失(loss) ；在土壤内部有机物或无机物的迁移(translocation)；在土壤内部物质或能量的转化(transformation).,1 淋溶与淀积过程：,淋溶(eluvation): 下渗水将土壤剖面上部的可溶性盐溶解，向下运移的过程的过程；淀积（illuvation）： 溶解的物质在土壤剖面下层沉淀积累的过程。,2 淋洗过程（Leaching）,淋洗:土壤中的盐分被淋洗出
14、土体的过程。 前苏联学者波洛诺夫列举部分土壤成分的相对活性表： Cl- 100 SO42- 57 Ca2+ 3.00 Na+ 2.40 Mg2+ 1.30 K+ 1.25 SiO2 0.20 Fe2O3 0.04 Al2O3 0.02,3 枯枝落叶堆积过程(littering)： 植物残体在矿质土表面累积的过程；4分解（decomposition）与合成(synthesis)：土壤中矿物质和有机物质分解过程与新矿物和新有机物的形成过程。,5 棕化（braunification）、红棕化(rubification)与铁化(ferrugination) 从极地到赤道，土壤存在逐渐红化的趋势6 还原
15、过程: 土体下部，因土壤处于还原状态而产生低价态物质如二价的铁、锰，形成蓝灰或青灰的还原土层，称为潜育层，此过程也成为潜育化过程（gleization）7 熟化过程（ripening） 还原性土壤中有机物质在排水条件下发生的分解反应过程。,8 疏松（loosening）与紧实(hardening)过程： 即土壤孔隙变化的过程。9 土壤混合过程：动物的混合作用；植物的混合作用；冻融作用引起的土壤混合；泥流引起的土壤混合。,（二） 形成土壤发生层的成土过程,、原始成土过程（formation of primordial soil） 在冰雪复盖、寒冷干燥的条件下，从岩石露出地表而有微生物着生开始到高
16、等植物定居之前形成的土壤过程，称之为原始成土过程。包括：）“岩漆”阶段； ）地衣阶段）苔藓阶段,南极洲基岩表面地衣着生与土壤的发生景观,、腐质化过程（humification）,土壤中的粗有机物质，如根、茎、叶等分解转化为腐殖质的过程。,土壤腐殖质化过程示意图(据于天仁等，1990年资料改编),2 粘化过程(clayization),粘化过程是指土体中的矿质颗粒由粗变细而成粘粒，以及粘粒在剖面中积聚的过程，若粘化发生在B层，则形成粘化层Bt层。粘化过程的类型主要有残积粘化和即移积粘化两种。,图13.4 由土壤粘化过程所形成的模式土层示意图,1、残积粘化过程(residual clayizati
17、on)：它指在温暖的半湿润气候条件下，原生矿物进行土内风化形成粘粒并聚集B层，形成粘化层Bt层的过程。2、粘粒淋移淀积(eluvial clayization)：也称移积粘化、淀积粘化，它是指在湿润和半湿润的温暖地带，土体上层风化的粘粒分散与土壤水中形成悬液，并随渗漏水活动而在土体内迁移，一般也称为悬迁作用或粘粒的机械淋洗。,3 钙化过程,特指土壤剖面中碳酸盐的淋溶和淀积过程，其一般反应式为：CaCO3+H2O+CO2 Ca(HCO3)2 脱钙（decalcification）作用被认为发生于水和CO2存在的情况下，反应式向右移动，形成可溶的重碳酸盐，并随水分淋溶出某一土层或土体； 钙积（ca
18、lcification）发生于土壤脱水CO2或分压降低的情况下，溶液中的重碳酸盐转化为难溶的碳酸盐在土壤中淀积下来。,4 盐化过程,盐化过程（salinization） 多发生于干旱、半干旱地区，蒸发量大于降水量的情况下，地下水中的盐分被上行水携带到土体表层聚集的过程； 脱盐（de-） 指由于淋洗，可溶盐从某一土层或从整个土壤剖面中移去的过程。,5 碱化过程(solonization),指土壤吸收性复合体为钠离子饱和的过程，又称钠质化过程。 Na2CO3 + Ca+- 2Na+ +CaCO3 土壤呈强碱性反应，pH值9.0,土壤粘粒被高度分散，造成湿时泥泞，干时坚硬，土体内闭结，少大空隙，物理
19、性状极差。碱土的表层就会积滞碱性反应的水分，使土壤腐殖质扩散于碱液而被淋溶，并在下层形成柱状的不透水的碱化层。,6 灰化过程(podzolization),灰化过程指在土体上部二氧化硅的富集，在土体下部三、二氧化物相对富集的过程。 寒湿气候，郁闭的针叶林内，有机酸溶液在下渗过程中，使矿物中的硅铝酸盐蚀变并析出铝、铁、锰等离子，并与有机酸络合后随下渗水淋溶（cheluviated leaching)， 在土体下部遇到高盐基状态或水分被土壤吸收而淀积。 于土体下部形成三、二氧化物合腐殖质富集的红棕色淀积层，称灰化淀积层（Spodic horizon）； 土体上部，蚀变分解的硅铝酸盐留下二氧化硅，形
20、成一个富集层次，成为漂白层（Albic horizon）,7 富铝化过程（fersialitization）,富铁铝化过程是指在湿热的生物气候条件下进行的脱硅作用(desilicification)和铁铝相对富集的作用。也称为富铝化作用(allitic enrichment allitization)。,第一阶段：在湿热的生物气候条件下，原生硅铝酸盐矿物发生强烈水解，形成大量碱金属和碱土金属，使风化溶液呈中性到微碱性，形成所谓的硅酸碱性淋溶； 第二阶段：风化盐基进一步淋溶，土体上部酸化，从而铁、铝胶体开始活动，即脱硅富铝化； 第三阶段：土壤干旱期形成赤铁矿，使土壤颗粒变红，即红化过程；而粘土矿
21、物进一步破坏形成三水铝石。,8 水成土壤过程,在潜水位较高的影响下，在底土中进行的以还原或以氧化还原交替进行为主的成土过程。 包括潜育化、潴育化过程、泥碳化,1) 潜育化过程(gleization),在渍水还原的环境和有机物还原影响下，土壤矿物质中的铁锰处于还原低价状态，可产生磷铁矿、菱铁矿等次生矿物，从而使土体染成灰蓝色或青灰色,形成潜育层,潴育化过程(redoxing),假潜育过程。它是指渍水经常处于变动状况下，土体中干湿变化、氧化还原交替比较明显，由于这个特点，土壤中变价的铁锰物质，淋溶与淀积交替而使土体出现锈纹斑、黑色铁锰斑或结核、红色胶膜或“鳝血斑”等新生体。形成潴育层。这些现象在半
22、水成土中经常出现，它也是良水型水稻土构型的特色。,图13.9 由土壤的潴育化过程所形成的模式土层示意图,3)泥碳化过程(paludification),主要发生在地表有积水、生长有湿生植物的沼泽地段,8 熟化过程（mellow effect ripening）,人为干预下，土壤在自然因素和认为因素综合作用下进行的土壤发育过程。 具有快速、定向的特征； 分为旱耕熟化和水耕熟化。,水耕熟化,第三节 土壤剖面,3.1 土壤剖面 3.2 土壤剖面调查 3.3 自然土壤剖面层次 3.4 土壤剖面样品采集,土壤学,第三节,Company Logo,3.1 土壤剖面,概念： 土壤剖面是指从地面凋落物向下挖掘
23、直到母质层所裸露的一段垂直切面。深度一般在2米以内。 根据调查目的，土壤剖面深度可能会有差异。,土壤学,3.1,Company Logo,3.1 土壤剖面,应用：,土壤学,3.1,Company Logo,3.1 土壤剖面,应用：,土壤学,2）农林业生产,3）实习,3.1,Company Logo,3.2 土壤剖面调查,关键是代表性，应注意以下几点： 1）地面景观上具有代表性 2）避免人为扰动 3）自然断面可作参考，但不能作正式的土壤剖面 4）山地应平行于等高线，无林地应使观察面向阳,土壤剖面点的选择,土壤学,3.2,Company Logo,3.2 土壤剖面调查,规格: 宽1.01.5m，
24、长2m左右， 为便于观察时上下，需挖成逐级台阶式。,土壤剖面的挖掘,土壤学,3.2,Company Logo,土壤学,3.2 土壤剖面调查,3.2,Company Logo,土壤学,3.2 土壤剖面调查,3.2,Company Logo,平地土壤剖面,山地土壤剖面,3.2 土壤剖面调查,3.2,Company Logo,3.2 土壤剖面调查,注意事项： 剖面必须垂直 表土与底土分别堆放于土坑两侧 一旦选定剖面，观察面上方禁止扰动 观察完成后需回填,土壤剖面的挖掘,土壤学,3.2,Company Logo,3.2 土壤剖面调查,3.2,土壤学,Company Logo,3.3 自然土壤剖面层次,
25、3.3,土壤学,（二） 典型土壤剖面的构造,1、土壤剖面构造： 指土壤剖面从上到下不同土层的排列方式。一般情况下，这些土层在颜色、结构、紧实度和其他形态特征上是不同的。,Company Logo,3.3 自然土壤剖面层次,3.3,土壤学,O层：据分解程度不同，可分为三个亚层。 L层：分解较少的枯枝落叶层； F层：分解较多的半分解的枯枝落叶层； H层：分解强烈的枯枝落叶层，已失去其原 有植物组织形态。,Company Logo,3.3 自然土壤剖面层次,3.3,土壤学,A1层：可分为两个亚层。A11层：聚积过程占优势（当然也有淋溶作用）、颜色较深的腐殖质层。A12层：颜色较浅的腐殖质层。,Com
26、pany Logo,3.3 自然土壤剖面层次,3.3,土壤学,3）A2层：灰化层，主要通过淋溶作用形成4）AB层：腐殖质层和淀积层的过渡层。 5）B层：淀积层，里面含有由上层淋洗下来的物质，所以一般较坚实。据发育程度的不同可分为B1、B2、B3等亚层。,Company Logo,3.3 自然土壤剖面层次,3.3,土壤学,BC层：淀积层和母质层的过渡层。G层：潜育层。C层：母质层。据盐的不同有： CC层：母质层中有碳酸盐的聚积层； CS层：母质层中有硫酸盐的聚积层。D(R)层：母岩层。,Company Logo,暗棕壤,3.3,3.3 自然土壤剖面层次,土壤学,Company Logo,暗棕壤,
27、3.3,3.3 自然土壤剖面层次,土壤学,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,1)剖面分析样品的采集 采样时应由下向上逐层采集， 每层土壤纳采1kg左右。 装入布袋，并应填写一式三份标签。,3.4,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,1)剖面分析样品的采集,3.4,北京西山样品采集,山西吉县样品采集,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,2)环刀样品的采集,3.3,山西吉县样品采集,1 逐层采集；2 自上而下；3 居中采集。,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,3) 土盒标本的采集目的： 一般展示和作土壤剖面的对比。方法： 逐层采集
28、、中间部位。 分装于相应各层， 不要用力按压。,3.3,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,3) 土盒标本的采集,3.3,Company Logo,3.4 土壤剖面样品采集,3.5 土壤剖面形态特征,湿度分4级记载： 湿 用手挤压土壤出水； 潮 挤压土壤成面团状，但不出水； 润 土壤不散碎成粉，放在手上有凉爽的感觉； 干 土壤散碎成粉，放在手上无湿润的感觉。,土壤坚实度分5级： 很坚实 用锤打才可把刀插入土中几毫米； 坚实 用手力可把刀插入土中几毫米； 紧实 用手力可把刀插入土中23厘米； 稍紧实 用不大的力即可把刀插入土中几厘米； 稍松 轻轻一压，土即散开。,植物根,根的多少分为4级（1）很多 土层内根密集成网状，交织得很紧（2）多 根很多，但不成根的交织（3）少 土层内只有较少的根（4）极少 土层内有个别的留根根的粗细分4级（1）极粗 根的直径大于10毫米（2）粗 根的直径310毫米（3）细 根的直径0.63毫米（4）极细 根的直径小于0.6毫米记载时注意分辨根的性质（禾本科、肉质、纤维、根茎），根的形状（自由生长的、扭曲的）、死根和活根、老根和幼根，根的强弱等。,1,DO Remember: Soil Profile,Never Forget: A B C of Soil,
