第5章 土壤形成与发育.ppt

土壤形成与发育 郭笑彤guoxtina 1 2015 04 17 植物营养与土壤肥料学 土壤母质土壤形成因素土壤形成过程土壤发育与土壤剖面 土壤形成与发育 土壤是与地球与生俱来的吗 土壤形成与发育 地质时间简表与土壤出现 46亿年前 地球诞生40亿年前 地质运动开始40 25亿年 太古宙气圈 水汽 CO2 N2 H2S NH3 CH4 HCl水圈 海水盐浓度比现在低岩石圈 富含低价铁矿 地壳薄弱 不坚固 岩浆活动频繁 土壤形成与发育 25 5 7亿年 元古宙气圈 CO2减少 O2出现 24 5亿至23 2亿年 岩石圈 紫红色石英砂岩出现 不坚固 岩浆活动频繁 8 5 7亿年 震旦纪 藻类大量出现 5 7 4 09亿年 早古生代海生无脊椎动物 地质时间简表与土壤出现 土壤形成与发育 4 09 2 5亿年 晚古生代植物界的第一次大发展 嶡类 水生 造煤期 4 09 3 6亿年 晚古生代泥盆纪裸蕨类植物 陆生 土壤发生2 5 0 65亿年 中生代裸子植物时代 苏铁 银杏 松柏 6500万年 新生代 被子植物 地质时间简表与土壤出现 土壤形成与发育 土壤形成的阶段 岩石 成土母质 成土母质 风化壳的表层 是形成土壤的重要物质基础 土壤形成与发育 土壤母质 1 岩石与岩石风化2 土壤母质的类型 土壤母质 地表岩石经过风化 搬运 堆积等过程所形成的在地质历史上最年轻的疏松矿物质层 土壤形成与发育 土壤母质 岩石 岩石 是由一种或几种矿物构成的 矿物的天然集合体 岩浆岩 指地球内部熔融岩浆上浸地壳的一定深度或喷出地表冷却凝固所形成的岩石 沉积岩 岩石风化物经搬运 沉积再胶结而成的岩石 变质岩 岩浆岩或沉积岩在高温 高压下发生质变而形成的岩石 土壤形成与发育 土壤母质 岩石风化 土壤母质 物理化学生物 土壤形成与发育 又称机械崩解作用 其特点是岩石因冰冻或胀缩而被机械破碎成大小不等的碎屑 但化学成分不变 使岩石获得了通气透水性能 温差引起岩石的热力学变化 破碎程度 碎屑颗粒愈小 受热愈均匀 物理风化作用变得缓慢 风化的产物颗粒较粗 岩石风化 物理风化 土壤形成与发育 气温变化引起岩石胀缩不均而崩解 冰的冻结扩大了岩石的裂隙 水蚀 风蚀 魔鬼城 化学风化作用是指岩石在水和空气 主要是CO2 O2 的参与下进行的溶解作用 水化作用 水解作用 氧化作用等的总称 结果 在物理风化的基础上 岩石进一步破碎成胶体状微粒 使原生矿物发生化学成分和矿物组成的变化 产生在地表条件下比较稳定的次生矿物 岩石风化 化学风化 土壤形成与发育 1 溶解作用 solubilization 方解石在纯水中的溶解度为10 5g l 但在含有CO2的水中 就增加到16 75g l 方解石的碳酸化反应式如下 CaCO3 H2O CO2 Ca2 2HCO3 岩石风化 化学风化 土壤形成与发育 溶有CO2的流水对石灰岩的溶解 2 水化作用hydration CaSO4 2H2OCaSO4 2H2O 硬石膏 石膏 Fe2O3 赤铁矿 红色2Fe2O3 H2O 赤褐铁矿 浅红棕色Fe2O3 H2O 针铁矿 棕色2Fe2O3 3H2O 褐铁矿 棕黄色Fe2O3 2H2O 褐铁矿 黄色 岩石风化 化学风化 土壤形成与发育 3 水解作用hydrolysis H2O CO2 H2CO3 2H CO32 岩石风化 化学风化 CaAl2Si2O8 3H2O 2CO2 Ca2 2HCO3 Al2SiO5 OH 4 CaCO3 H2O CO2 斜长石 原生矿物转化 土壤形成与发育 水解作用 养分分解 Ca2 PO4 2H2O 2CO2 Ca H2PO4 2 2CaCO3 磷灰石 磷酸二氢钙 岩石风化 化学风化 次生矿物形成 2KAlSi3O8 CO2 2H2O 正长石 H2Al2Si2O8 H2O 2SiO2 K2CO3 高岭石 土壤形成与发育 岩石风化 氧化作用 矿物氧化通常都是在有水的条件下进行的 如岩浆岩中的铁多呈低价铁 可被氧化成高铁 从而破坏了矿物晶格 2FeS2 16H2O 7O2 黄铁矿 2FeSO4 7H2O 2H2SO4 硫酸亚铁 土壤形成与发育 指动物 植物 微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用 根系的挤压 岩石风化 生物风化 土壤形成与发育 风化残体石英 白云母和一部分长石 构成风化残积物的主体 成为土壤固相粗土粒的主要来源 易溶于水的简单盐类植物的矿质营养元素的最初来源 如K2CO3 Ca HCO3 2 Mg HCO3 2 Ca H2PO4 2等 各种不同风化程度的次生矿物高岭石 Al2O3 2SiO2 2H2O 蒙脱石 Al2O3 4SiO2 11H2O 伊利石 OH 4Ky Si8 2y AlO20 风化作用的产物 土壤形成与发育 残积体坡积体洪积体冲积体 土壤母质的类型 土壤形成与发育 残积体 残积体是经过淋溶而残留在原地的岩石碎屑 主要分布在位置较高 或比较平缓的丘陵山地 是搬运与堆积作用较少的地段 由大小不等的岩石碎块或颗粒组成 层理不明显 表层为风化强烈的岩石细屑 下面的岩石矿物分解较差 具有较大棱角的碎块 再往下是半风化的岩石层 岩石的外貌尚可辨别 最基层是未经风化的基岩 坡积体 坡积体是山坡靠上部的风化产物 在重力和片流的联合作用下发生移动 在山坡中部或山麓处堆积的物质 颗粒分选程度差 岩屑磨园程度不高 在山坡下部有与坡面平行的层次组成区别于其下部的基岩 无过渡 洪积体与洪积扇群 山洪搬运的碎屑物质在山前平原的堆积物 洪积物 上部 分选度较差 主要为石砾和粗砂 层次不分明 透水性好 地下水位深 底部 细砂和粉粒 不规则的层理 透水性差 地下水位浅 冲积体Alluvialdeposit 风化的碎屑物质 经河流常年性流水的侵蚀 搬运 沉积在河流两岸的沉积物 河流冲积物 河床 河流沉积二元结构 延庆盆地 冲积物的组成特点 垂直剖面上层次分明 界线清晰整齐 每层内土粒大小一致 磨圆度高 冲积平原alluvialplain 风积体 黄土母质 米脂县 成土母质 土壤 成土过程 母质生物气候地形时间人为 土壤形成的因素 土壤形成与发育 土壤发生学理论 19世纪末 俄罗斯的土壤学家道库恰耶夫创立了土壤形成因素学说 奠定了土壤发生学理论基础 20世纪40年代 美国土壤学家詹尼 H Jenny 根据成土因素学说提出成土因素的数学公式 即 S f Cl O R P T 式中S为土壤 Cl为气候 O为生物 R为地形 P为母质 T为时间 代表未确定因素 母质是指固结状态的岩体的风化产物 它是构成土体的基本材料 是土壤的 骨架 部分 也是植物矿质营养元素的最初来源 土壤形成的因素 母质 土壤形成与发育 土壤的物理性状和化学组成石英含量丰富的花岗岩 由于抗风化强的石英砂 砾多 使土体疏松 透水性强 但盐基成分少 在强烈淋溶条件下 盐基易淋失使土壤呈酸性反应 富含盐基成分多的玄武岩 辉绿石等基性岩 不含石英砂砾 粘粒含量高 盐基成分亦较丰富 抗淋溶作用强 一般土质粘重且通透性不良 土壤盐基代换量高 矿质养料多 土壤呈中性或碱性反应 母质对土壤形成过程的影响 土壤形成与发育 花岗岩球状风化 土壤的化学性状铁 锰 不同的氧还产物表现颜色不同 钾 钠 使土壤粘粒分散 易使土壤粘闭 影响其通透性 钠盐富集可使土壤盐碱化 钙 镁 促进粘粒凝聚 形成良好的团粒结构体 硫 以FeS FeS2形态存在 可被氧化成硫酸而使土壤酸化 硫酸钠盐在还原条件下生成硫化钠 与碳酸钙进行置换反应生成碳酸钠又可使土壤碱化 母质对土壤形成过程的影响 土壤形成与发育 土壤的成土过程粗质地 如山坡堆积物 水分自上而下迅速穿过 难以引起母质中的化学风化作用 故成土作用进行缓慢 土壤剖面发育不明显 细质地 如湖积体等 由于土体渗透性极差 水分常滞留于土壤中 容易引起土壤潜育化的发展 母质对土壤形成过程的影响 土壤形成与发育 母质的层次性影响土壤的剖面构造河流冲积形成的母质 冲积体 由于江河冲积物具有明显的质地层次性 所发育的土壤剖面 都带有原沉积层土体构型的特征 母质的化学组成影响土壤腐殖质特性石灰母质土壤 腐殖质组成中富含CaO火山灰母质土壤 腐殖质中含有较多的P2O5和K2O 母质对土壤形成过程的影响 土壤形成与发育 气候在土壤形成的外在因素中决定着成土过程的水 热条件 并控制植物生长和微生物活动 影响有机质的分解与积累 影响营养物质的生物小循环的速度和范围 土壤形成的因素 气候 土壤形成与发育 气候对植被的影响 湿润区和干旱区土壤酸溶性矿物组成的比较 湿度对土壤矿物质组成的影响 气候对土壤形成的影响 湿度 土壤形成与发育 湿度影响土壤矿物质的风化度 湿润多雨地带土壤风化作用强烈 尤其是化学风化作用的强度增大 矿物质和有机质分解速度加快且彻底 而干旱地带则矿物质风化度较弱 气候对土壤形成的影响 湿度 土壤形成与发育 1 温度影响硅酸盐类的水解过程不同温度带化学风化强度有着极大的差异 在赤道高温带 土壤的风化强度几乎为温带土壤的4倍 是极地寒冷带土壤的9倍 2 母质和风化层的厚度土层厚度随土温升高而加厚 在湿热气候区 花岗岩风化壳的厚度可达30多米以上 在干旱寒冷的西北高山区 岩石风化壳很薄 母质风化度低 形成粗骨性土壤 气候对土壤形成的影响 温度 土壤形成与发育 3 温度影响土壤颜色寒温带 灰色暖热半湿带 棕色 褐色湿热带 赤色 棕红色或黄色在土温高 土体排水通畅的情况下 土壤中的Fe Mn的氧化或水化作用强烈 土壤呈红 黄色 反之 土壤则呈青灰色 气候对土壤形成的影响 温度 土壤形成与发育 对生命元素的选择吸收与积累 生命元素 地球元素 N0 1 生物对土壤形成的影响 土壤形成与发育 对营养元素的表聚作用 Ca Mg K P Fe Zn Ca Mg K P Fe Zn 1 2m 20cm 生物对土壤形成的影响 土壤形成与发育 微生物1 分解有机质 释放各种养料 为植物吸收利用2 合成土壤腐殖质 发展土壤胶体性能3 固定大气中的N素 增加土壤含N量4 促进土壤物质的溶解和迁移 增加矿质养分的有效性 生物对土壤形成的影响 土壤形成与发育 真菌对土壤颗粒的作用 地形对母质或土壤物质的再分配 地形对土壤形成的影响 土壤形成与发育 山地阴阳坡的植被差异 不同地形所处的土壤接受光 热的差别以及降水在地表的再分配 地形对土壤形成的影响 土壤形成与发育 百花山920m淋溶褐土 百花山1130m碳酸盐褐土 百花山1500m山地棕攘 百花山1750m山地草甸土 土壤的发生 发育是在成土因素长时间综合作用下进行的 时间是土壤发育的函数 即土壤形成的相对年龄愈长 土体层次分化愈明显 反之 则分化较弱 时间对土壤形成的影响 土壤形成与发育 同自然成土因素相比 人类活动给于土壤形成 演化的影响十分明显 不同于自然因素 人类在认识土壤发生规律的前提下 根据需要有目的地去改造自然土壤 不仅针对性强 而且措施也多种多样 给土壤以深刻广泛的影响 使土壤发生某种质变的速度远远超过自然演化过程 人为活动影响土壤形成 土壤形成与发育 西藏自然草皮 地质大循环与生物小循环主要成土过程 土壤形成过程 土壤形成与发育 地面岩石的风化作用 风化产物的淋溶 搬运与堆积作用 以及堆积物的再成岩作用 构成了地球表面恒定的 周而复始的大循环 岩石元素释放海洋岩石空间大 时间长 植物养料元素不积累 土壤形成过程 地质大循环 土壤形成与发育 地质大循环中的元素运动 地质大循环过程中的岩石风化作用是土壤形成过程的第一步 生物所需的营养元素由矿物晶格态转变为离子态 微生物和低等植物可以利用这些养分 使得以生物作用为中心的成土过程有了起点 岩石风化过程中形成的次生矿物 使母质开始具有保水 保肥 缓冲等高等植物生长所必不可少的土壤性质 在此基础上土壤逐渐具有了肥力 地质大循环在土壤形成中的作用 土壤形成与发育 矿质元素在生物体与土壤之间的循环 即植物从土壤中吸收养分 形成植物体 植物体供动物生长 而动 植物残体又回到土壤中 在微生物的作用下转化为植物需要的养分的过程 离子活植物体死植物体分解离子涉及空间小 时间短 植物养料元素积累 使土壤中有限的养分元素发挥无限的作用 土壤形成过程 生物小循环 土壤形成与发育 生物小循环 示意图 生物小循环使从岩石风化作用中释放出来的离子态养分从地质大循环中脱离出来 保存累积在成土母质中 为原始生物长期生存提供了物质条件 在此基础上形成的原始肥力 为绿色植物在成土母质上成功生存的创造了条件 生物小循环使成土母质中出现了有机质和N素并不断积累 最终使母质发生了质的变化而成为土壤 土壤有机质和N素的来源是生物小循环的结果 是土壤区别于母质最重要的标志 生物小循环在土壤形成中的作用 土壤形成与发育 土壤形成与大小循环的关系 土壤形成过程不可能发生在岩石风化之前 也不可能发生于其结束后 没有地质大循环 也就没有生物的小循环 土壤形成与发育 土壤形成过程中的大小循环 岩石 成土母质 江海堆积物 风化 成岩 搬运 土壤形成过程是指在一定的时 空条件下 母质在生物 气候的作用下在风化壳内部所进行的物质与能量的迁移和转化的总体 转化 迁移输入 损失 主要成土过程 土壤形成与发育 在土体上部一定深度内 植物残体的土壤微生物分解产物经聚合作用形成的结构复杂的天然有机化合物 积累深度 SOM组成等与植物类型密切相关 积累数量残体输入与分解平衡的结果 68 主要成土过程 有机质合成过程 上层土壤物质以悬浮态或溶液态向下移动的过程 称为淋溶作用 下行水滞留或停止移动 溶液中的物质发生淀积 称为淀积作用 发生淀积时一定会有条件改变 如浓度增加 主要成土过程 淋溶与积淀过程 土壤形成与发育 干旱 半干旱地区土壤碳酸盐发生移动和积累的过程 在季节性淋溶的水分条件下 土壤表层残积的钙离子与植物残体分解时产生的碳酸结合形成重碳酸钙 在雨季向下移动并淀积在剖面中下部 形成钙积层 碳酸钙淀积的形态有粉末状 假菌丝状 结核状等 70 主要成土过程 钙积化过程 古土壤中的钙积层 热带 亚热带地区 由于矿物的水解作用 可溶盐 碱金属 Na K 和碱土金属 Ca Mg 及硅酸 SiO2 的大量流失 而造成铁 铝在土体内相对富集的过程 富铁铝层 主要成土过程 富铝化过程 土壤形成与发育 寒温带 寒带针叶林植被和湿润条件下 残落物富含单宁 树脂等多酚类物质 产生酸性淋洗液 铝硅酸盐分离 还原态Fe Al与有机酸物质鳌合向下淋洗 在土体上部形成二氧化硅富集的灰白淋溶层 称漂白层 在下部形成二三氧化物和腐殖质富积的棕红色淀积层 称为灰化淀积层 主要成土过程 灰化过程 土壤形成与发育 粘化过程系指土壤剖面中粘粒形成和积累过程 一般分为残积粘化和淀积粘化两种形式 残积粘化是指土内风化作用所形成的粘土矿物 因缺乏稳定的降水流未向较深土层移动而就地累积 形成一个明显粘土化或铁质化的土层 多发生在漠境和半漠境土壤中 主要成土过程 粘化过程 土壤形成与发育 淀积粘化是风化和成土作用所形成的粘土矿物 其特点是自上向下淋溶和淀积 形成淀积粘化土层 该层铁 铝氧化物显著增加 但胶体组成无明显变化 仍处于开始脱钾阶段 多发生在暖温带和北亚热带湿润地区的土壤中 主要成土过程 粘化过程 土壤形成与发育 小结 母质是形成土壤的物质基础 气候中的热量要素是能量的基本来源 生物通过自己的生命活动将无机物转变成有机物 把太阳能转化为化学能 并以无限循环的形式把它们保存下来 使母质转变成土壤 地形只是间接的影响因素 对土壤形成不起直接作用 时间因素是土壤形成过程的一个条件 任何一个空间因素或它们综合作用的效果都随时间的增长而加强 本节重点 五大成土因素各是什么 地质大循环与生物小循环的作用钙积化过程富铝化过程 1 土壤发育与剖面2 土壤年龄 土壤发育与土壤剖面 土壤形成与发育 概念 具体的土壤从岩石风化产物或其他新的母质上开始发育的时候起 直到目前状态的具体历程 土壤发育的结果是形成土壤剖面 土壤发育与剖面 土壤形成与发育 初期 未风化的母质 青少年期 风化开始 许多母质物质仍保留在土壤中 壮年期 易风化矿物大部分分解 粘粒明显增加 老年期 矿物分解已处于最后阶段 只有少数强抗风化的原生矿物被保存 最后阶段 土壤发育完成 原生矿物基本上彻底风化 土壤的发育阶段 土壤形成与发育 指土壤三维实体的垂直切面 显露