第三章 岩石风化与土壤形成

第三章 岩石风化和土壤形成 一 风化作用及风化作用的类型 岩石风化： 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。 风化过程同时也是土壤母质的形成过程。 岩石风化一般分成三类： 物理风化 风化作用实质上表现为一系列崩解和分解 风化作用实质上表现为一系列崩解 崩解和 化学风化 生物风化
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。 影响因素： 影响因素： 温度temperature： （一）温度 ： 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。 （二） 结冰 （三） 风 （四）流水 流水将岩石表面的碎屑冲走，流水携带的各种沙砾在运动中会 相互摩擦，同时对河床进行冲刷和磨蚀，使岩石粉碎。
2 生物小循环 生物从土壤中摄取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于生物体内。 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。 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。
4 地形 地形在土壤形成中所起的作用是多方面的。 (1）地形影响热量的重新分配： 在北半球，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。 (2）地形还影响土壤水分，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。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。 山麓和中下坡则相反。 5 时间time 土壤形成过程是随着时间的推移而不断加深的。
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，富集了土壤中的养分； 通过植物的选择性吸收，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
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。 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。
崩解：岩石由大块变成碎块， 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， 变成细粒，其形状和大小改变了， 但化学成分不发生变化。 但化学成分不发生变化。 自然界中， 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 长的， 论方便。 论方便。 物理风化 生物风化 分解：岩石风化过程中化学 分解：岩石风化过程中化学 成分发生变化 化学风化
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 形成了疏松多孔的松散物质。 这类物质具有松散，多孔的特性，并可通气透水和保存少量水分，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。 当地球上出现生物后，低等植物开始在母质上生长，其分泌物和残落物及整 个枯死的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。
1 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： 湿度因素：
（1）湿度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： （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。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。 （2）温度影响土壤颜色：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。 （3）温度影响土壤有机质和全氮含量 土壤pH? 南方湿热 风化强烈 盐基淋失多 土壤 原生矿物少， 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， 有机质积累少，H/F<0.5 盐基淋失少（盐基饱和） 东北地区冷湿 风化不强 盐基淋失少（盐基饱和） pH高 高 东北地区冷湿 东北地区冷湿 有机质分解慢，积累多，但品质较差， 有机质分解慢，积累多，但品质较差， C/N 高 H/F低 低 不同气候下土壤的形成
2KAlSi3O8(钾长石)+3H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+ 4SiO2 +2KOH
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（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。
（五）氧化作用oxidization
自然界的许多石灰岩 溶洞不断地进行着以 上反应， 上反应， 形成千姿 百态的地貌，如石笋、 百态的地貌，如石笋、 石钟乳、石柱、 石钟乳、石柱、石林 等。
(2)当湿度较小 ， Ca(HCO3) 2 脱水并放出 2 ， 平衡向左进行 。 当湿度较小， 脱水并放出CO 当湿度较小 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：
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。 化学风化主要有以下几种形式： 溶解作用 矿物和岩石或多或少地被水所溶解。 例如：CaCO3+ H2O + CO2 Ca2++ 2HCO3水化作用 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) 水解作用 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。
母质的影响表现在几个方面： （1）影响土壤的物理性状和化学组成：铁、锰在氧化还原过程 中使土壤表现不同颜色； （2）影响土壤的化学性状：钾、钠离子使土粒分散，通透性差； 钙、镁离子促进粘粒凝聚，形成良好的团粒结构；FeS、FeS2氧 化后使土壤酸化。 （3）影响土壤的剖面构造； 3 生物
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。 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。
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 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。 花岗岩母质：由于其中的长石，云母易于风化，并富含K素，而 石英颗粒则不易风化，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。 页岩母质：页岩的矿物成分主要是粘土，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。
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。 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。
石灰岩的化学风化
＋ H2CO3
溶解度很低
(H2O+CO2)
Ca(HCO3) 2
溶解度较高
平衡的变化： 平衡的变化： (1)当CO2充足时，且有一定的湿度，平衡一直向右 充足时，且有一定的湿度，
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是土壤形成的主要标志，推动土壤形成过程 的是生物。 二 植物营养元素的地质大循环和生物小循环 1 地质大循环 植物营养元素的绝大部分最初封闭在岩石矿物中，随着岩石矿物 出露地表发生各种风化，封闭在岩石矿物中的各种养分元素就不 断从矿物的晶格上解脱下来，形成各种简单的可溶性盐类，如K， Na，Ca，Mg的各种可溶性盐。 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。在海洋中沉积硬化，最后形成沉 积岩类，使植物养分元素重新进入封闭状态。 在漫长的地质年代里，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。 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。