第一章土壤的形成和发育

第一章土壤的形成和发育教学重点了解主星成土矿物、岩石及其基本特性。掌握风化作用的几种类型，影响物理、化学风化作用和生物风化作用的因素』了解不同土壤母质类型的成因和特点。正确理解岩石与母质的关系°了解土壤的成土因素：熟悉主要成土因素在土壤形成过程中的作用，以及各成土因素之间的相互关系。掌握自然土壤的形成过程和实质，并区别与农业土壤形成的不同之处，第一节形成土壤母质的矿物岩石一、 主要的成土矿物（―）矿物（mineral）的概念矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下形成的自然产物。有的矿物是由单一元素所组成的。有的是由几种元素组成的化合物，它们具有一定的化学性质,内部构造和物理特性，并以各种形态，（固、液、气）存在于自然界中（二）成土的主要矿物1、 原生矿物（primarvmineral）由地壳深处的岩浆冷凝而成的矿物，在风化过程中没有改变原来的化学成分和结构，只遭到物理性的破坏，而留存于土壤中。在土壤中常见的原生矿物有石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、磷灰石等。2、 次生矿物（secondarymineral）由原生矿物经过化学变化，（如变质作用和风化作用）形成的新矿物。它的性质、成分、形态都发生了变化。土壤中颗粒最细的粘粒大都是次生矿物，由于这些次生矿物颗粒很细，又称粘土矿物。它们有高岭石、蒙脱石、水云母（伊利石），含水氧化物和二、三氧化物，铝土矿A12O3・3H2O、褐铁矿2Fe2O3・3H2O、针铁矿等。不同地理环境中次生矿物形成的一般模式二、 成土的主要岩石（_）岩石（rock）的概念岩石是由一种或数种矿物组成的自然集合体。由多种矿物集合而成的岩石称为复成岩，如花岗石就是一种复成岩，它是由石英、长石和云母以及少量的其它矿物组成的°由一种矿物组成的岩石称为单成岩，如烧石灰用的石灰岩，就是一种单成岩，是由方解石一种矿物组成的。（二）成土的岩石1、岩浆岩（magmaticrock）火成岩岩浆岩是由地下的岩浆，经熔融作用以后上升到地表或地壳内，经过冷凝以后形成的岩石。在地壳深处冷凝的叫侵入岩，岩浆流出地表形成的叫喷出岩。（1） 酸性岩含SiO2>65%,有花岗岩、花岗斑岩、石英斑岩、流纹岩，主要含石英、长石等难以风化的矿物。（2） 中性岩含SQ252%〜65%,有正长石、粗面岩，所含矿物以石英、长石为主，闪长岩、安山岩主要含斜长石，角闪石。（3） 基性岩含SQ245%~52%,常见的有辉长岩、玄武岩等，含盐基丰富，无游离SiO2o（4） 超基性岩含S1O2V45%,常见的有橄榄岩、辉岩。岩浆岩的共同特点是不具层理、不含化石，侵入岩多具大形的矿物结晶，喷出岩则具玻璃质结晶与气孔构造。2、 沉积岩（sedimentaryrock）沉积岩是由地壳上早期形成的各种岩石，经风化、搬运、沉积、胶结作用形成的岩石。其特点是有明显的层理，常含有化石、所含矿物成分极其复杂常见的有砾岩、砂岩、页岩、石灰岩等。3、 变质岩（metamorphicrock）变质岩是由岩浆岩、沉积岩在高温高压下发生变质作用所形成的，其矿物组成、结构和化学成分较岩浆岩、沉积岩有显著改变。一般特点是片状（或片麻状）组织，变质后的岩石较变质前致密、坚硬、比较不容易风化。常见的有片麻岩、板岩、石英岩、大理岩。主要成土岩石的风化和风化产物三、矿物岩石对土壤性质的影响（一） 影响土壤颗粒的粗细如花岗岩、石英岩、片麻岩、含石英多、抗风化力强形成的土壤粗的颗粒多，土壤通气透水性好，保水保肥力差，由云母、角闪石、页岩、板岩、玄武岩形成的土壤粘重，其保水保肥性强。（二） 影响土壤的酸碱性石灰岩地区，岩石内含CaCO3多，土壤为碱性、微碱性、花岗岩地区，由于含大量酸性硅酸盐土壤呈酸性反应。（三） 影响土壤养分状况如母质中含长石、云母较多时，土壤中遗留的钾素较多，含有磷灰石则土壤中磷素含量增加，含辉石、角闪石、橄榄石、褐铁矿、白云母等矿物。土壤中的Ca2+、Mg2+、Fe3+等养分物质较多。含石英较多时，则土壤中养分贫乏。第二节岩石矿物的风化与土壤母质一、风化过程（weatheringporocess）（一） 概念岩石风化指的是露出地面的大块岩石，在地表各种自然因素的作用下，逐渐由大块散碎成小块，同时化学成分也发生了改变，岩石所发生的这一切变化，就叫岩石的风化过程。（二） 风化作用的类型1、物理风化作用（physicalweathering）岩石在外力影响下，机械地分裂成碎屑，只改变大小与形状，而不改变其成分的过程。影响物理风化的因素（j）温度温度主要影响岩石的膨胀及收缩。由于组成岩石的各种矿物具有不同的吸热和膨胀系数，因此,白天因增温而膨胀，夜间因降温而收缩的能力不均一，同时由于岩石导热率小，热量不易传导,白天岩石表面受热增温强度大于内部，夜间则相反，这样岩石的表面和内部因增温不均一就产生了上下交错的裂隙。天长日久，岩石则破碎崩解.如石英的膨胀系数为0.000036,正长石为0.000017,角闪石为0.000028,方解石为0.00002。（2）冻结主要使冰的体积增大，使岩石分裂成大小不同的多角形碎块，一旦岩石有了裂隙，水分便可进入其中促使裂隙扩大加速崩解作用，一般冻结后体积可增大1/lb所产生的压力可高达960k矽cm2这种作用对含水的多的岩石（如砂岩含水10%~25%）特别明显。（3） 水分雨水冲刷的重力作用°如屋檐下的砖被雨水滴成洞，河流两岸的岩石，由于浪击，被磨蚀。（4） 风将岩石表面的碎屑吹走，使岩石暴露，从而加速岩石的物理风化。物理风化的结果，使紧密的实体变成了疏松的多孔体，给水分、空气进入创造了条件，风化产物较粗，形成的母质偏砂，石砾多，养分不易释放。2、 化学风化作用(chemicalweathering)岩石在外界条件的影响下，引起化学成分的改变，产生新的物质的过程。影响化学风化的因素水的溶解作用指矿物溶于水的作用，一般矿物不溶于水，但在大量水分和较高温度下，也可以使矿物的溶解度增大，尤其是当水中溶有二氧化碳(生物呼吸作用和有机物分解产生)而形成碳酸时，可大大促进矿物的溶解。例：滑石的溶解度1：115000云母 1：340000石英 1：10000(热水70°以上)据估计，地球上所有的河流每年把溶解状态的盐类带入海洋的量达40亿公斤。水化作用无水的矿物与水接触后，生成含水矿物的作用。常使矿物体积增大一半至一倍半，因而促进岩石崩解。水解作用是化学风化过程中最基本的，也是最重要的作用，当水中含有CO2或其他酸类时，由于水的解离作用而产生氢离子。3、 生物风化作用(biologicalweathering)生物风化作是指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石的风化作用。生物风化作用具有重要的意义。首先，没有生物的生命活动，大气成分中就不可能补充光合作用所消耗的大量的CO2,没有CO2化学风化就不能迅速进行，由于土壤中为数巨大的微生物生命活动的结果，每年可产生大量的CO2,这样就加强了岩石的化学风化作用，其次更重要的是,生物风化作用不仅使岩石破碎，分解，而旦还能积累养分，创造有机质，发展土壤肥力。二、土壤母质(—)土壤母质(soilparentmaterial)地表的岩石经过风化、搬运、堆积等过称所形成的在地质历史上最年轻的疏松矿物质层。(二)母质的类型和特点1、 残积母质(residualparentmaterial)由当地基岩风化而成的，残留在原地未经搬运的母质。特点：从上到下，由细变粗跟基岩接近，本身的性质和化学成分和基岩一致』2、 坡积母质(slopeparentmaterial)山坡上部的风化碎屑物质，经雨水或融雪水的冲刷，搬运到山坡中，下部堆积形成。特点：由上到下，逐渐增厚，颗粒逐渐变细，透水通气性好，养分较丰富3、洪积母质(diluvialparentmaterial)由山洪所携带的泥砂冲刷到山前平缓地带，由于山洪的流速不同，形成扇形，称为洪积扇。特点：分选性较差，颗粒粗细不同，洪积扇上部有大块砾石，细颗粒少，层次不明显，透水性能好，边缘沉积物质细，层次明显。5、 湖积母质(laciistnneparentmaterial)是湖泊的静水沉积物。特点：质地偏粘、养分半富、有机物含量高，淤泥厚，内陆地区有盐矿存在，改良后才能利用。湖积母质6、 风积母质(wind-blownparentmaterial)风力的搬运沉积而成。我省雁北西南、西北沿黄河一带都是风积物。特点：分选性强，砂粒磨圆度高，砂性大7、 黄土(loess)x黄土性母质(loessalparentmaterial)黄土是第四纪地质时期的一种特殊沉积物°特点：黄土为淡黄或暗黄色，土层厚度达数十米，粉砂质地，粗细适宜，通体颗粒均匀一致，疏松多孔，通透性好，具有发达的直立性状，含10%-15%的CaCO3常形成石灰质结核。黄土中有新黄土，又称为马兰黄土（malanloess）。形成时间晚，淡灰黄色，较疏松、无层理、石灰含量高，轻壤土。老黄土是离石黄土（hshiloess）和午城黄土（wuchengloess）的总称，又称为红色黄土，形成时间早,为棕黄色或红黄色，重壤土，有石灰结核。黄土性母质又称次生黄土，是由马兰黄土经流水侵蚀，搬运后，再沉积而形成的。特点：土层深厚，无明显层次，颗粒细小均匀，为棕黄色粉砂质粘土，具有棱柱状结构，并含有大量铁、镒结核及胶膜。第三节土壤的形成一、成土因素19世纪末，俄国土壤学家B・B•道库恰耶夫对俄罗斯大草原土壤进行了调查，提出了土壤是地理景观的一面镜子，是一个独立的历史自然体：土壤是在母质、气候、生物、地形和时间的综合作用下形成的，这五大成土因素始终是同时地、不可分割地影响着土壤的发生和发展，同等重要和不可相互代替地参加了土壤的形成过程，制约着土壤的形成和演化•随着农业生产的发展和科学技术的进步，人为因素对土壤形成的干预日益深刻和广泛，它在农业土壤的发展变化上己成为一个具有特殊重大作用的因素。（一） 母质因素母质不同于岩石，它己有肥力因素的初步发展，可释放出少量的矿质养分，但释放的养分分散难以满足植物生长的需要；母质疏松多孔，有一定的吸附作用、透水性和蓄水性。母质又不同于土壤，其缺乏养分，几乎不含氮、碳。母质是形成土壤的物质基础，是土壤的“骨架”，是土壤中植物所需矿质养分的最初来源』母质中的某些性质，例如机械性质、渗透性、矿物组成和化学特性等都直接影响成土过程的速度和方向。（二） 气候因素气候支配着成土过程的水热条件，水分和热量不但直接参与母质的风化过程和物质的地质淋溶过程，而旦更重要的是它们在很大程度上控制着植物和微生物的生长，影响土壤有机物质的积累和分解，决定着营养物质的生物学循环的速度和范围。（三） 生物因素生物因素是影响土壤发生发展的最活跃因素。由于生物的生命活动，把大量的太阳能引进成土过程的轨道，才能使分散在岩石圈、水圈和大气圈中的营养元素有了向土壤聚积的可能，从而创造出仅为土壤所固有的肥力特性，并推动了土壤的形成和演化，所以从一定意义上说，没有生物的作用，就没有土壤的形成过程。（四） 地形因素在成土过程中，地形是影响土壤和环境之间进行物质、能量交换的一个重要条件。它和母质、气候、生物等因素不同，在成土过程中，不提供任何新的物质，和土壤之间并未进行着物质和能量的交换。其主要作用表现为：一方面是使物质在地表进行再分配：另一方面是使土壤及母质在接受水热条件方面发生差异。（五） 时间因素时间和空间是一切事物存在的基本形式。土壤形成的母质、气候、生物和地形等因素的作用程度或强度，都随着时间的延长而加深。因此，土壤也随着时间的进展而不断地变化发展着。具有不同年龄，不同发生历史的土壤，在其它因素相同的条件下，必定属于不同类型的土壤。土壤年龄分为绝对年龄和相对年龄两种：绝对年龄是指该土壤在当地新鲜风化层或新母质上开始发育时算起迄今所经历的时间，通常用年来表示，可以通过地质学上的地层对比法、泡粉分析法、放射性14C测定法等进行近似测算。相对年龄则是指土壤的发育阶段或土壤的发育程度，无具体年份，一般用土壤剖面分异程度加以确定，在一定区域内，土壤的发生土层分异越明显，剖而发育度就高，相对年龄就大；反之相对年龄小。通常所谓的“土壤年龄”是指相对年龄。（六）人为因素人类活动与自然成土诸因素相比，在土壤形成过程中具有独特的作用。首先，人类活动对土壤的影响是有意识、有目的、定向的。其演变速度远远大于自然演化过程°第二，人类活动是社会性的，它受着社会制度和社会生产力的制约。在不同的社会制度和不同的生产力水平下，人类活动对土壤的影响及其效果有很大的不同。第三，人类活动对土壤的影响具有两重性，可以产生正效应，提高土壤肥力，也可产生负效应，造成土壤退化，因此，农业土壤的形成实质上是自然与人为因素共同作用的产物，只是人为因素主导了农业土壤的发展而己。上述各成土因素在成土过程中的作用各具特色。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。各成土因素在成土过程中既有差别，而又是同等重要、彼此不可代替的。同时，每一个成土因素都不是孤立地起作用，它们之间有着发生上的联系，彼此相互作用、相互制约共同作用于土壤。二、土壤的形成过程土壤的形成过程是指在一定的时、空条件下，母质与生物、气候因素以及土体内部所进行的物质与能量的迁移和转化的总体。首先，母质与生物之间的物质交换是土壤形成过程的主导过程：母质一气候（太阳辐射能和水分）之间的交换是土壤形成过程的基本动力：土体内部物质能量的迁移、转化则是土壤形成过程的实质内容。其次，土壤形成过程是随时间而进行的、它经历了从无到有，由简单到复杂，从低级到高级的不断完善的形成过程。第三，土壤形成过程是在一定地理位置、地形和地球重力场条件下进行的。地理位置影响着这一过程的方向、速度和强度』地球重力场是引起物质（能量）在土体中向下移动的重要条件』地形则是引起物质（能量）水平方向移动的首要因素。（一）自然土壤的形成过程1、 物质的地质大循环物质的地质大循环是指地面岩石的风化产物经过淋溶与搬运，最终流归海洋，湖中沉积下来，再进行成岩作用形成次生岩，并随着地壳的上升，又回到陆地上来。这一过程需要时间的长而且涉及的范围广,2、 物质的生物小循环生物小循环是指植物营养元素在生物体与土壤之间的循环：植物从土壤中吸收养分形成植物有机体。一部分作为营养物质供动物食用的需要，而动、植物死亡后的有机残体又回到土壤中，在微生物的作用下转化为矿质供植物吸收，促进土壤肥力的形成和发展。3、 大小循环的矛盾统一是自然土壤形成的本质土壤形成过程的实质是物质的地质大循环和营养元素的生物小循环的矛盾与统一。生物小循环是以相反的方向在地质大循环的轨道上进行的即没有地质大循环，也就没有生物的小循环。在土壤形成过程中，这两种方向相反的循环是相互渗透、不可分割的•地质大循环不断使营养物质淋溶损失，而生物小循环则从地质大循环中保存累积一系列的生物所必需的营养元素，给原始生物的生存提供了物质条件，原始生物的生长繁殖又为绿色植物的产生奠定了基础。因此，生物作用对母质的影响是在不断扩大和深化的。从对土壤的肥力来说，生物小循环并不是一个封闭的体系，而是随着生物的进化发展，不断扩大其循环领域，形成一种螺旋式上升的运动。土壤的形成过程正是建筑在这一地质大循环与生物小循环的矛盾统一的基础之上』4、生物在自然成土因素中的主导作用生物、母质、气候、地形和时间五大成土因素，前三者有物质和能量的交换，称之为成土因素,后二者不参加物质和能量的交换，只是对前三者之间进行的物质和能量的交换有着协调或一定程度的影响，被称为土壤形成的条件。生物是形成土壤的主导因素。如何理解这一结论，应当从土壤本质特性来解释。我们知道，土壤之所以能生长植物而成为人类生存之本，是由于它具有肥力，而土壤肥力发展过程正是生物活动的结果。生物的生命活动产生了氮素和灰分元素的转移聚积，填补了风化物无氮素的空白』生物体所形成的有机质，又在微生物的作用下进行分解，构成了在地质大循环基础上的营养元素的生物小循环，促进了土壤肥力的逐步发生和发展，生物小循环不断扩大，特别是高等绿色植物出现后，把生物小循环的范围进一步延伸，有机物质的累积量更为丰富，加速了土壤肥力发展过程。第二，生物是母质与气候进行物质和能量交换的重要媒体。固然母质与气候在土壤形成中都有着十分重要的作用，而旦土壤母质和气候类型也决定着植物的不同组合与分布』在气候与母质之间某些能量交换是松散型的，只有当生物出现之后，两者之间的交换则从低级上升到高级阶段，如生物摄取游离态氮素使之在母质中得以贮存，最终使母质具有生命的基础物质。植物通过吸收、蒸腾等作用使大气与母质的水分、空气、热量等交换有规律地进行。生物呼吸作用调节和净化着母质与大气环境，引导着母质有序地演变为土壤。由此可见，在生物、气候、母质三者中，生物是连接它们的纽带。第三，时间因素是通过生物完善土壤的肥力过程。如果没有生物的存在，不论时间有多么长久,自然界只有无休止的地质大循环，只有岩石的风化、流失、淀积和地形的夷平与隆起的过程，土壤永远也不会形成。同理，离开了生物，导致地形对水、热再分配的能力更强，也只能是地质大循环的承载体或间接的动力。总之，五大成土因素之间是相互制约、相互渗透、相互影响的关系，它们既是相互矛盾的个体,又是共同完成土壤形成过程的整体。在这个整体中，生物因素则主导着土壤及其肥力形成的最基本的因素。（二）农业的土壤形成农业土壤的形成并不是在自然土壤基础上通过某些成土因素作用的简单重复，也不是对自然土壤个别因素的改造和调节，而是全部肥力因素的综合控制和提高。农业土壤是在农业生产活动中“脱胎”于自然土壤，在农业生产的不断发展中而不断完善，与自然土壤有着发生上的必然联系，并在科学的管理中建立了自己的形象，诸如剖面构造特征、肥力性状和生产力水平等，都在一定程度上有别于自然土壤。为了深入理解农业土壤的形成过程，我们把农业土壤与自然土壤的形成过程作如下比较。1、 成土因素上的差异农业土壤的形成具有以下特点：①变自然植被为栽培作物：②平整土地、兴修水利及其他建设使原有地形地貌发生了一定的变化：③施肥灌溉、耕作栽培改变了自然土壤的肥力状况以及土壤微生物的组成和分布状况：④上述变化必然引起区域性气候与水热状况的变化。这些人为措施使自然成土因素作用受到不同程度的削弱或加强乃至发生根本性变化•2、 成土过程上的比较由于人为因素的强烈干预，土壤的形成过程不再按照自然土壤原有的成土方向继续发展，而是沿着新的形成方向和特点发展。在这一过程中，介入农业土壤形成的因素有了新的变化。现将土壤的形成过程作如下比较。从比较可看出，各个不同的成土阶段既有共同性，又有显著差异。相同性是土壤形成的各阶段都有赖于成土因素、风化过程和成土过程同时同地的进行，不同点乃是参加成土过程的主导因素的变化。正是主导因素的变化，使土壤肥力过程在各成土阶段展示了不同的特点』原始土壤形成阶段只是累积极少量的有机物质和矿质养料元素。一旦原始土壤以高等植物群落为主导，就进入了土壤有机物质大量累积的自然土壤形成阶段。人类的生产活动从多方面改变了自然土壤所固有的生态环境，自然肥力演变为经济肥力，土壤资源内存的生产潜力也就转化为现实生产力，为维持生产力的稳定并促进其提高，又辅之以多途径、多层次的科学技术措施，从而全面改变了自然土壤的肥力状况，使之适应于农作物全面半产之需，使自然土壤向农业土壤的高级阶段发展。三、 成土过程（一）原始成土过程从岩石露出地面有微生物着生开始到植物定居之前形成的土壤过程，称为原始成土过程。根据过程中生物的变化，可把该过程分为三个阶段：首先是“岩漆”阶段，出现的生物为自养型微生物，如绿藻、硅藻及其共生的固氮微生物，将许多营养元素吸收到生物地球化学过程中；其次为“地衣”阶段，在这一阶段各种异养型微生物，如细菌、粘液菌、真菌、地衣共同组成的原始植物群落着生于岩石表面与细小孔隙中，通过生命活动促使矿物进一步分解，使细土和有机质不断增加：第三阶段是苔薛阶段，生物风化与成土过程的速度大大加快，为高等绿色植物的生长准备了肥沃的基质。原始成土过程与岩石风化同时同步进行。（二） 有机质聚积过程有机质聚积过程是指在各种植被下，有机质在土体上部积累的过程。有机质积累过程的结果，在土体上部形成一暗色的腐殖质层。由于植被类型、覆盖度以及有机质的分解情况不同，有机质聚积的特点也各不相同。有草甸腐殖质聚积，草原腐殖质聚积。（三） 粘化过程粘化过程是指土体中粘土矿物的生成和聚集过程。包括淀积粘化和残积粘化。前者主要是指在风化和成土作用形成的粘粒，由土体上层向下迁移至一定深度发生淀积，从而使该土层的粘粒含量增加，质地变粘：后者是指原生矿物进行土内风化形成的粘粒，未经迁移，原地积累所导致的粘化。粘化过程的结果，往往使土体的中、下层形成一个相对较粘重的层次，称粘化层。（四） 钙积与脱钙过程钙积过程是指碳酸盐在土体中的淋溶、淀积过程。在干旱、半干旱气候条件下，由于土壤淋溶较弱，大部分易溶性盐类被降水淋洗，钙、镁部分淋失，部分残留在土壤中，土壤胶体表面和土壤溶液多为钙（或镁）饱和。土壤表层残存的钙离子与植物残体分解时产生的碳酸结合，形成溶解度大的重碳酸钙，在雨季随水向下移动，至一定深度，由于水分减少和二氧化碳分压降低，重新形成碳酸钙淀积于剖面的中部或下部，形成钙积层。与钙积过程相反，在降水量大于蒸发量的生物气候条件下，