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第二章岩石风化和土壤形成

土壤形成

土壤形成过程

简

岩石→（风化作用）→母质→（生物作用）→土壤

过程

岩石风化，形成母质

这类物质松散，多孔，通气透水，保存少量水分，另外有极少的一点养分。我们称之为母质

它是土壤的骨架部分，也是植物矿质营养的最初来源

生物作用下，产生土壤有机质，形成土壤

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。

地质大循环和生物小循环

地质大循环

过程

岩石→

（风化）→

母质→

（成土）→

土壤→

（淋溶）→

江海堆积物→

（成岩）→

岩石

生物小循环

过程

土壤→

（吸收）→

生物体→

（分解）→

土壤

意义

富集养分

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

优化养分组成

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

循环利用养分

土壤形成的实质

就是地质大循环和生物小循环的矛盾与统一

土壤形成影响因素

土壤形成的自然因素

自然土壤的五大成土因素

母质、气候、地形、生物和时间

母质

“啥土根子有啥土”

母质对土壤性质（肥力）有巨大影响

母质是构成土壤矿物质部分的基本材料，是植物矿质养料元素的最初来源

常见母质

花岗岩母质

花岗岩中的长石、云母(mica)易于风化，并富含K素，而石英(quartz)则不易风化，经常呈砂粒状态残留在土壤中

花岗岩母质上发育的土壤

砂粘比例适中

通气透水性能良好

养分比较丰富

保水保肥能力较强

页岩母质

页岩（泥质结构）矿物成分主要是粘土

其母质形成的土壤

质地比较粘重

通气性能较差

养分一般较为丰富

保水保肥能力强

石英砂岩母质

石英砂岩的矿物成分主要是二氧化硅（97.30一97.32%）

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

通气良好

气候

湿度因素

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

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

湿润多雨地区？

影响土壤钠、钾及钙的淋溶迁移强度

影响矿物质的风化程度

影响土壤氧化还原状态

温度因素

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

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

影响土壤有机质和全氮含量

与土壤颜色有关

在寒温带，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。

不同气候条件下土壤的形成

北方

东北地区冷湿→风化不强→盐基淋失少（盐基饱和）,pH↑

东北地区冷湿→有机质分解慢，积累多，但品质较差，C/N 高

南方

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

在中国东部湿润区，由北而南热量和水分递增，土壤分布依次为

暗棕壤

棕壤（褐土）

黄棕壤

黄壤

红壤

砖红壤

生物

生物包括植物、微生物和土壤动物

植物

有机质的来源

生物小循环

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

植被类型和土壤类型的关系

针叶林

阔叶林

高草草原

矮草草原

灰化土

淋溶土

黑钙土

栗钙土

微生物

微生物固氮，提高土壤N素含量

土壤中的微生物分解有机质，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

动物

土壤中的各种动物改善土壤的物理性质,或分解有机质，释放出养分

地形

地形影响土壤热量（温度）

在北半球，西南坡接受的热量多，土温高，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

地形影响土壤水分、养分和机械组成

一般在分水岭和斜坡的上坡，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，
造成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

时间

地球表面土壤的平均形成速率约为0.056毫米/年

形成1米厚的土壤，大概需要15000年

人类生产活动对土壤形成的影响

耕作，绿化荒山，封山育林等生产活动，对土壤形成起促进作用

炼山，掠夺性地利用土地,土壤污染等则会对土壤造成很大破坏

土壤剖面及其形态特征

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

自然土壤剖面形成过程

淋溶作用

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并运移至下层

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

剖面层次

0层（A。、有机质层、枯落物层）

L亚层（未分解的枯枝落叶层）

F亚层（半分解的枯枝落叶层）

H亚层（分解完全的枯枝落叶层）

A层（淋溶层、腐殖质层）

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

一般土壤剖面的上层为淋溶层或A层，它是受成土过程影响较深的土层。一般腐殖质积累多，颜色较暗

B层（淀积层）

发生淀积作用的土层称为淀积层,或B层，一般在A层之下

淀积层比较紧实，A层淋洗下来的物质在该层淀积

C层（母质层）

B层之下为未受淋溶或淀积作用的母质层，或简称为C层

R层（D层、母岩层、基岩层）

母质层下面，一般为未风化的基岩，称母岩层，或简称R层

G层（潜育层）

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层的下段和C层的一部分，因还原作用变为蓝灰色或绿灰色，称为潜育层，或G层

耕作土壤剖面

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

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

形态特征

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

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)

不同土壤物质呈现不同颜色

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

CaCO₃ ＋ H₂CO₃ ↔ Ca(HCO₃)₂
溶解度很低 ↑ 溶解度较高
(H₂O+CO₂)

湿度、颗粒粗细影响土壤颜色

土壤愈湿，颜色越深

颗粒愈细，颜色越浅

土壤结构

固体颗粒的空间排列和组合的形式

团状、板状、柱状、块状等

质地

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

松紧度

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

干湿度

放在手中无潮湿感

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

潮

有潮湿感

湿

用手握可成团，但无水流出

重湿

用手挤压有水流出

极湿

不挤压便有水流出

新生体

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

侵入体

砖头，瓦片，铁器，塑料，文物等

植物根系

草根及树木主根、须根的分布深度和数量

土壤动物

记录种类，大小，数量

岩石风化

风化定义

地壳表面的岩石，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

物理风化（机械崩解）

定义

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

影响因素

温度变化

热胀冷缩

如寒裂风化

风

如风窝岩、球石

流水

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

结冰

冰楔作用

盐分结晶

溶解于岩石裂隙水中的盐分因过饱和而结晶，晶体不断长大对周围岩石产生压力，造成岩石破坏

化学风化

概念

岩石在水、氧气、二氧化碳等风化因素作用下，所发生的一系列化学变化过程

注意

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

风化形式

溶解作用

矿物和岩石中的元素被水所溶解

水化作用

无水矿物与水结合，成为含水矿物的作用

水化后的矿物体积增大，硬度下降，变得易于破碎

水解作用

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

碳酸化作用

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

石灰岩的化学风化

方程式

平衡的变化

当CO₂充足时，且有一定的湿度，平衡一直向右；

当湿度较小，Ca(HCO₃) ₂脱水并放出CO₂，平衡向左进行

例

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。

氧化作用

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

水解和碳酸化作用的实质均是，
矿物中的盐基离子被氢离子取代

生物风化

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

三种风化作用的关系：崩解和分解

生物风化

物理风化

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

化学风化

分解：岩石风化过程中化学成分发生变化

自然界中，三种风化作用通常是联合进行、相互助长。

岩石风化和土壤形成

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