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全文电子教材土壤与土壤资源学(上篇土壤学)林学专业6层*;舁(灰漠土或干旱土)层(灰化土或灰C层土)(黑钙土或均腐土)淤积物多属于近代的河流沉积物,我们国家三大冲积平原(东北平原、华北平原、长江中下游平原),就是由于大面积的这种母质构成的冲积平原是我们国家主要的农业生产区
2、静水沉积母质湖积物属于湖相静水沉积,分布在湖泊四周由于湖水的激荡,沉积物颗粒细腻,质地粘重,有机质含量高,呈暗褐色或黑色湖积物中的铁质,在嫌气条件下,与磷酸结合形成蓝铁矿Fe3(P04)
2.8H20,或是菱铁矿FeC03,使湖泥呈青灰色,这是湖积物的一个重要特征由湖积物发育的土壤,一般肥力较高,我们国家洞庭湖、鄱阳湖和太湖四周的农田,就是在这种母质上发育的在干旱的内陆地区,湖水蒸发量极大,湖水中的可溶性盐,在湖积物中有时浓度很高,甚至形成盐分结晶,含盐过度的盐渍土必需经过改良才能采用在寒冷地区,湖水中的水生植物遗体,常年积累在湖底,得不到彻底分解,于湖底形成泥炭物质,这种物质是很好的肥源
3、海水沉积母质海水物属于海相沉积由于逐次海退,使海滩露出地面海积物实际上是由河流携带入海的物质,颗粒粗细不一,往往硅质含量高江苏北部沿海有大面积海积物分布,是形成滨海盐土的一种成土母质
4、风积母质风积母质是由风力所夹带的矿物碎屑,经吹扬作用(风蚀作用)后,而沉积形成的沙丘是由风力吹扬形成的丘状沙质沉积物,我们国家西北地区的内陆性新月形沙丘,黄河故道两旁的河岸沙丘,都是风积物沙漠也是风积的产物风积物的特点是分选性强,粗细匀称,沙砾磨圆度高,但因土壤缺水而肥力较低吹扬作用常常伴随着岩石表面的磨蚀作用,荒漠地区的石漠景观就是由于磨蚀形成的
5、重积母质又称塌积物山地悬崖上的风化岩石,受重力作用而坍塌坠落,是山麓及谷地局部地段上母质的类型,它的组成以碎石砾为主,无分选性也无层次,在山麓形成倒石堆地形in第四纪沉积物第四纪距今一百万年左右,当时在各种外力作用下,进行剥蚀、搬运的风化物,积累掩盖在地层的最上层,这些沉积物是形成近代土壤的重要母质对农林业的生产有着直接的关系我们国家地域宽阔,南北气候差别很大,加以海陆分布和地形的影响,使我们国家第四纪沉积物的特点更加简单我们国家的第四纪沉积物主要包括黄土及黄土性物质、红土和冰硬物
1、黄土及黄土性物质黄土是第四纪的一种特殊沉积物据近来的讨论证明,我们国家黄土的成因很复杂一般是在气候干旱或半干旱,季节变化极明显的条件下形成的黄土为淡黄或暗黄色,土层厚度可达数十米,粉砂质地,粗细相宜,通体颗粒匀称全都,疏松多孔,通透性好,具有发达的直立性状,含有10-15%的碳酸钙,常形成石灰质结核依据黄土的性状和组成,以及发觉有蜗牛等陆地动物的化石,所以认为黄土是一种与风力搬运积累有关的母质黄土在我们国家分布很广,主要分布区域是太行山以西,大别山、秦岭以北,遍及陕西、甘肃、宁夏、山西、河南等省此外,在新疆、青海、河北、山东、内蒙古等省、自治区也有部分分布黄土性物质又称次生黄土,是由黄土经流水侵蚀、搬运后,再沉积而形成的例如在江苏省西部,南京至镇江一线,广泛分布着由次生黄土构成的丘陵,通常称下蜀黄土它的特点是土层深厚,无明显层次,颗粒细小匀称,为棕黄色粉砂质粘土,具棱柱状结构,并含有大量铁镐结核及胶膜由于地处较潮湿地区,碳酸钙被淋溶至底部多呈结核状,上部呈微酸性反应我们国家的黄土已有几千年耕种历史,早在战国时代是一种具有优良生产性能的土壤
2、红土在我们国家华中、华南及西南广阔地区,从第四纪以来,由于受海洋性气团的影响,气候酷热而潮湿,各种积累物剧烈风化,其中含有较多的铁、铝的氧化物和高岭石等红土的质地粘重,通气透水性不良,常呈酸性至强酸性反应
3、冰磺物冰磺物是冰川期的遗迹,在我们国家分布很广由于我们国家在第四纪期间没有大陆冰盖,冰川堆积多为零星式小片分布,如在甘肃、四川、广西、贵州等地都有这种不连续的冰川积累物在长江以南低山丘陵地带也有小片分布青藏高原地区,气候干燥而寒冷,有较大面积的现代冰川分布,第四纪沉积也以各种冰磺物为主冰川活动期间,气候寒冷,积雪成冰当冰层下部溶解时,整个冰体缓缓移动,冰川下面的石块相互研磨,粗细夹杂,经过之处被冰体磨蚀,致使某些岩石上仍留有冰川擦痕间冰期气候转暖,冰川消融,地面则为冰磺物所掩盖这种冰硬物层次薄,而地势较平坦,其中巨砾、粗砾及泥沙相互混杂,称为冰砾泥其次节土壤的形成
一、土壤形成的实质土壤形成的实质是地质大循环和生物小循环的冲突统一(-)地质大循环地质大循环植物养分物质由大陆流到海洋,海洋又变为大陆后,这些物质又由新的大陆流向新的海洋养分物质的这种循环过程称为植物养分物质的地质大循环风化作用下大块岩石不断崩解,由大变小,由粗变细,最终成为疏松多孔的散碎体在此过程中,还产生了一些溶解于水的矿物质(如硅酸盐内含有的一些钾、钠、钙、镁、磷、硫等养分元素)这些物质被降水不断地淋洗,并随着地表径流从高处流向低处,经过河流最终流到海洋中去流入海洋后的这些物质,与流入海洋的岩石和泥沙等在浓缩、沉淀、积累的过程中,经胶结和硬化的成岩作用,形成沉积岩在地壳提升的运动中,沉积岩由海洋的底部提升形成大陆;沉积岩暴露于地表之后,又重新进行风化和淋溶,重复的进行着这种作用
(二)生物小循环生物小循环通过植物(包括全部参与这一过程的生物)的反复汲取采用和积累养分物质的这一过程,称为养分物质的生物小循环由于风化作用的结果,产生了母质母质具有松散性、多孔性、透气性、透水性和保水性这就给植物的生长供应了水分、空气、养分等条件也就是供应了植物在母质上生长的可能性而最初在原始幼年土壤上生活的,只是一些需要养分较少的低等植物,它们从原始幼年土中汲取矿质养分、水分和猎取其它生活物质和条件,来建筑自身的有机体这样就使得地质大循环过程中的一些可溶性养分得到了保存当这些植物死亡之后,经微生物的分解作用,有机残体中的营养元素又变成无机物质,一部分又重新进入地质大循环的过程中,另一部分可为植物重新汲取利用
(三)地质大循环与生物小循环的冲突统一土壤形成过程是建筑在地质大循环(养分元素的释放和淋溶过程)与生物小循环养分元素被生物汲取积累和释放过程)的基础上的生物小循环是构成地质大循环中地表物质运动的一部分地质大循环使养分元素不断向下淋失,而生物小循环却从地质大循环中不断的积累生物所必需的养分元素依据生物界的进展过程,原始生物对养分元素的要求是种类少,数量低,所以积累在土壤中的养分物质也少随生物种类的进化,通过生物的选择性汲取,土壤中的养分积累也越来越多生物对土壤的影响是渐渐扩大和深入的在地质大循环和生物小循环这一对冲突相互作用、不断进展的过程中,土壤肥力也得到不断进展
二、影响土壤形成的因素
(一)自然因素自然成土因素影响土壤形成过程的因素,在没有受人类经济活动影响的成土过程中,称之为自然成土因素属于自然成土因素的有生物、气候、母质(或岩石)、地形和时间S=B+C+P+Tg+Ti(+M)
(1)母质母质是岩石风化的产物,是自然土壤形成的物质基础它对土壤的物理性质和化学性质的影响极为明显如花岗岩中的长石、云母易风化,并富含钾素;而石英则不易风化,常常呈砂粒残留在土壤中因此在花岗岩母质上发育的土壤,往往砂粒比例适中由于页岩是由富含粘土的物质经过硬化后形成的,所以在其风化产物上形成的土壤,质地较粘重石英砂岩主要是由石英颗粒组成因此在其风化产物上形成的土壤,往往砂性较强,养分较少,并含有较多的石砾2生物植物着生于母质后,就开头了土壤的形成作用植物和其死体所产生的物理作用和化学作用,不断的改善着土壤的肥力状况其中主要的是高等绿色植物通过选择汲取养分,合成有机质并在死亡后积累在土壤中土壤微生物及小动物分解有机质,释放出养分,同时还合成稳定的腐殖质物质这样,一方面增加了有机质,另一方面也改造了土壤的物理性质,形成各种土壤结构由于生物作用的结果,使土壤的肥力状况不断的得到进展3气候气候对土壤形成的作用特别简单它直接影响在土壤形成过程中起重要作用的水分和热量条件,同时在很大程度上打算着各种植被类型的分布,从而影响土壤矿物和土壤有机质的分解和合成温度直接影响着土壤形成过程的强度和方向在寒冷地带,土壤中的化学作用比较弱,植物生长也较缓慢,有机质形成量小,土壤微生物活动不旺盛,因而土壤中养分的转化也很缓慢反之,在热带地区,土壤中的矿物质除石英外大部分被分解,植物生长快速,有机质形成量大,微生物活动旺盛,生物小循环较寒冷地区快降水量对土壤形成的影响也极为显著,在干旱气候条件下,盐类不断积累,使土壤发生盐渍化现象在潮湿气候条件下,盐基离子遭到降水不断的淋洗,使土壤胶体呈不饱和状态上述这些现象在我们国家不同类型土壤的形成过程中,都剧烈地表现出来4地形地形在土壤形成过程中所起的作用是多方面的首先地形能影响热量的重新安排,不同坡度和方位的斜坡,接受太阳的热量不同南坡最多,土温高;北坡则相反,土温低在不同方位的坡向上,由于温度和湿度的差异,植物的分布也是不同的,因而在某些地区,土壤类型在不同的坡向上的分布也会有所不同地形还能影响土壤水分、养分和机械组成的安排状况在分水岭和斜坡地区,水分及其夹带的养分包括盐类,以及土壤细粒,常常以地表径流或土壤径流的方式向下坡及低地移动,引起坡地和分水岭的土壤不同坡地上部的土壤常常保持良好的排水状况,土层较薄,质地较粗,养分及盐基较少下部及低平地区,因水分集中,土壤含水量较大地形的影响还能通过海拔肯定高度的变化表现出来随海拔的增加,气候变冷湿,土壤的水热条件和植被都因此而发生相应的转变,所以山区土壤的分布和海拔高度的变化有很亲密的关系5时间土壤的形成过程随着时间的进展不断深入任何一个成土因素对土壤的影响,随时间而加深土壤形成过程的程度是以时间为转移的,随时间持续不同,土壤中物质的淋溶与聚积的程度也程度也不同,因此土壤形成过程必定受到当地地质年龄的影响在其他土壤形成条件相同的情况下,具有发育年龄不同的土壤,其肥力状况是不同的如菜园土因培育的时间长短不同,其熟化程度也不同6五个因素的关系五个成土因素中的每一个因素,不仅可以直接影响土壤的形成过程,而且可以间接影响其他因素而起作用如气候因素,一方面它对土壤形成过程有直接影响,另一方面又影响着植被的组成、有机质的数量以及微生物的分解等方面植被也能影响近地表的大气层,造成特殊的小气候,并通过这种气候影响土壤的水热状况二人为因素:人类的生产活动直接影响土壤的肥力状况,而且也会对自然成土因素有所影响长期以来,不少自然土壤早为人类开垦采用,为提高土壤生产力,人类乐观地掌握自然因素,使之向对生产有利的方向进展如通过精耕细作、合理施肥、浇灌排水等各种土壤改良措施,来改善土壤的肥力性状第三节土壤剖面
一、概念
1、土壤剖面从地表凋落物向下直到土壤母质的垂直切面、土壤发生层由于成土作用形成的土层
二、自然土壤剖面的形成
(一)土壤剖面定义
1、定义土壤剖面是指从地面对下挖掘所暴露的一段垂直切面,这段垂直切面的深度一般在两米以内
2、自然的土壤剖面是在五个主要成土因素的共同影响下形成的
3、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状况下,这些土层在颜色、结构、紧实度和其他形态特征上是不同的各个土层的特征是与该层的组成和性质全都的,是土壤内在性状的外部表现,是在土壤长期发育过程中形成的
(二)、淋溶作用和淀积作用
1、土壤剖面各发生层次的形成成土过程中,原生矿物不断风化,产生各种易溶性盐类,含水氧化铁和含水氧化铝以及硅酸等,并在肯定条件下合成不同的粘土矿物同时通过土壤有机质的分解和腐殖质的形成,产生各种有机酸和无机酸在降雨的淋洗作用下引起土壤中的这些物质的淋溶和淀积,从而形成了土壤剖面的各种发生层次
(1)、淋溶作用指土壤中的下渗水,从土壤剖面的上层淋溶或浮悬土壤中某种成分的作用因此一般将土壤剖面的上层称为淋溶层或简称A层
(2)、淀积作用指下渗水到达剖面下层沉淀其中某些溶解物或悬浮物的作用因此,土壤剖面的下层一般称为淀积层或简称B层B层之下一般是未受淋溶或淀积作用的土壤母质层,简称C层土壤母质下面,假如是未风化的基岩,称为基岩层或简称D层
(三)物质的转移作用
1、物质的转移作用淋溶作用和淀积作用亲密联系,是物质转移过程所导致的两种结果土壤水携带着溶解或悬浮的物质产生的移动,称为物质的转移作用这种转移作用分为物理性转移和化学性转移
2、物理性转移矿物质与有机物质胶粒以及其他微粒,从A层到B层而沉淀下来,使B层质地相对变粘,干燥时亦可发生裂隙
3、化学性转移矿物在风化过程中产生的可溶性盐类等,从A层随着下渗水下移,或停积在B层或到达地下水层而流失草原区域因易溶性盐的聚积常生成石灰质和石膏质硬盘温带森林区域含铁铝的有机和无机胶体可悬浮在渗漏水和毛管水中,从A层移动到B层,亦可形成铁质硬盘
4、潜育层地下水位高而排水不良的地方,矿物在风化过程中产生的可溶性盐类往往由剖面的下层,随着毛管水的提升到达地面,形成盐结皮,这种物质转移的方向和一般情形相反由于通气不良,特殊是在地下水位很高的状况下,B层的下段或C层的一部分,将因还原作用变为蓝灰色或绿灰色,称为潜育层或灰粘层或简称G层
(四)土壤发生层次
1、0层枯落物层据分解程度不同,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层分解剧烈的枯枝落叶层,已失去其原有植物组织形态
2、%层腐殖质层可分为两个亚层All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
3、A2层灰化层
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Bl、B
2、B3等亚层
6、BC层淀积层和母质层的过渡层
7、G层潜育层
8、C层母质层据盐的不同有C层母质层中有碳酸盐的聚积层;CC层母质层中有硫酸盐的聚积层S
9、D(R)层母岩层依据土壤剖面发育的程度不同可以有不同的土壤类型上面介绍的模式剖面,在实际工作中,往往不会消失那么多的层次,而且层次间的过渡状况也会各有不同,有的层次明显,有的不明显,有的是渐渐的层次间的交线有平直的、曲折的、带状的、舌状的等多种形式
三、耕作土壤剖面的形成人类生产活动和自然因素的综合作用,使耕作土壤产生层次分化典型的耕作土壤剖面层次,从上到下大体可以分为三层表土层,心土层和底土层1表土层可分为两层
1、耕作层受耕作、施肥、浇灌影响最剧烈的土壤层,厚度一般约20厘米左右耕作层易受生产活动和地表生物、气候条件的影响,一般疏松多孔,干湿交替频繁,温度变化大,通透性良好,物质转化快,含有效态养分多根系主要集中分布于这一层中,一般约占全部根系总量的60%以上
2、犁底层位于耕作层之下,厚约6-8厘米典型的犁底层很紧实,孔隙度小,非毛管孔隙(大孔隙)少,毛管孔隙(小孔隙)多,所以通气性差,透水性不良,结构常呈片状,甚至有明显可见的水平层理这是常常受耕畜和犁的压力以及通过降水,浇灌使粘粒沉积而形成的2心土层位于犁底层以下,厚度约为20-30厘米,该层也能受到肯定的犁、畜压力的影响而较紧实,但不象犁底层那样紧实在耕作土壤中,心土层是起保水保肥作用的重要层次,是生长后期供应水肥的主要层次在这一层中根系的数量约占根系总量的20-30%2底土层在心土层以下,一般位于土体表面50-60厘米以下的深度此层受地表气候的影响很少,同时也比较紧实,物质转化较为缓慢,可供采用的养分物质较少,根系分布较少一般常把此层的土壤称为生土或死土
四、土壤剖面形态特征土壤形态就是土壤的外部特征,这种外部特征是通过人们的感官即视觉,嗅觉和触觉来认识的在土壤形成以后,各土层在组成和性质上市不同的,所以,反映在剖面形态特征上,各层也是有差别的在野外通过土壤剖面形态的观看,可推断出土壤的一些重要性质土壤重要的形态特征有颜色,结构,质地,坚实度,孔隙,湿度,新生体,侵入体,动物孔穴等
(一)土壤颜色土壤颜色是土壤内在物质组成在外在颜色的表现由於土壤的矿物组成和化学组成不同,所以土壤的颜色是多种多样的通常在鉴别土壤层次和土壤分类时,土壤颜色是特别明显的特征.土壤颜色采纳芒塞尔颜色命名系统,将土块与标准颜色卡对比,赐予命名给土壤的颜色定名时,用一种颜色常常有困难,往往要用两种颜色来表示,如棕色,有暗棕,黑棕,红棕等之分这样定名,在前面的字是形容词,是指次要的颜色,而后面的字是指主要的颜色打算土壤的颜色,主要有以下几种物质腐殖质含量多时,使土壤颜色呈黑色含量少时,使土壤颜色呈暗灰色氧化铁在土壤中德氧化铁一般多为含水氧化铁,如褐铁矿,针铁矿等,这些矿物使土壤呈铁锈色和黄色石英,斜长石,方解石,高岭石,二氧化硅粉末,碳酸钙粉末等,它们都能使土壤呈白色氧化亚铁广泛消失在沼泽土,潜育土中,它使土壤具有蓝色或青灰色,如蓝铁矿,这类矿物为白色,但遇空气中德氧即很快变为青灰色除物质成分影响土壤颜色外,土壤的物理性状不同,也会使土色有所差别例如,土壤愈湿,颜色愈深,土壤愈细,颜色愈浅,光线愈暗,颜色愈深所以在比较土壤颜色时,必需注明条件土壤颜色本身对树木生长并不重要,但是颜色却可指示土壤的很多重要特征.土壤颜色还可影响土壤的温度.深色土壤比浅色土壤易吸热.有森林植被的土壤受温度的影响比暴露的土壤小.森林火灾后,表层土壤颜色变深,从而导致土温增加.
(二)土壤结构土壤结构就是土壤固体颗粒的空间排列方式自然界的土壤,往往不是以单粒状态存在,而是形成大小不同,形态各异的团聚体,这些团聚体或颗粒就是各种土壤结构依据土壤的结构形状和大小可归纳为块状,核状,柱状,片状,微团聚体及单粒结构等土壤的结构状况对土壤的肥力凹凸,微生物的活动以及耕性等都有很大的影响同时一些人为的活动将很大程度上破坏土壤的结构,如森林采伐后,由于重型机械的使用将导致土壤被压实,土壤表层结构被破坏.
(三)土壤质地土壤质地是土壤中各种颗粒,如砾,砂,粉粒,粘粒的重量百分含量土壤质地影响土壤肥力,如土壤持水力,土壤通气性,有机质的贮存,养分元素的吸附和土壤的耕性,从而影响树木的生长精确测定土壤质地要用机械分析来进行,但在野外常用指测法来推断土壤质地,将土壤质地分为砂土,砂壤土,轻壤土,中壤土,重壤土,粘土等
(四)土壤湿度土壤水分是植物生长所必需的土壤肥力因素依据土壤水分含量,在野外将土壤湿度分为干,潮,湿,重湿,极湿等
(五)新生体在土壤形成过程中新产生的或聚积的物质称为新生体,它们具有肯定的外形和界限新生体可以按它们的外观分类,也可按它们的化学组成来分类按外观分,新生体盐霜,盐斑,结核等依据化学组成分,新生体可由易溶性盐类组成,如氯化钠,硫酸钠,碳酸钙等;还有由晶质或非晶质的化合物组成,如含水氧化铁的化合物,氧化亚铁的化合物,镒的化合物,二氧化硅和有机物等新生体是推断土壤性质,土壤组成和发生过程等特别重要的特征例如,盐结皮和盐霜,表示土壤中有可溶性盐类的存在锈斑和铁结核是近代或过去,在水影响下产生于干湿交替的特征
(六)侵入体位于土体中,但不是土壤形成过程中聚积和产生的物体,称为侵入体侵入体有砖头,瓦片,铁器和磁器等一般常见于耕作土壤中,是推断人为经营活动对土壤层次影响所达到的深度,以及土层的来源等孙向阳)其次章岩石风化和土壤形成及土壤剖面第一节岩石风化
一、风化作用的概念及类型当岩石处在风化它的环境条件下时,它是很稳定的,但一旦条件发生的变化,为了在新的条件下达到平衡,岩石必定发生相应的变化位于地壳深部的岩石,由于地质作用的结果露出地表,岩石本身因外压力的削减而产生膨胀,导致岩石产生缝隙和裂纹同时岩石与大气接触以后,受到各种自然因素(主要是水、热及空气等)和生物的影响,这种影响是长期的和简单的依据外界因素对岩石作用的性质,可以将风化作用区分为物理风化和化学风化当然,在自然界这两类作用是紧密相联系的,有时很难把它们区分开来生物的活动,就其对岩石或矿物的作用性质而言,也是以物理或化学的方式作用于岩石矿物的也有人将生物活动所引起的岩石或矿物的风化,称为生物风化由于地球表面广泛的存在着大量的生物,它们在风化过程中起着乐观的影响,以至在自然界中地表物质的风化过程几乎都有生物参与从原始幼年土形成来看,风化过程先于土壤形成,风化过程先产生形成原始土壤的母质,因此风化过程可以说是土壤形成的基础从现代的土壤形成和进展来看,风化过程则是成土过程本身的一部分(-)物理风化过程物理风化又称为机械崩解作用,主要是由温度变化、水分冻结、碎石劈裂以及风力、流水、冰川的磨擦力等物理因素的作用所引起的温度变化可以引起物质产生热胀冷缩岩石是由各种矿物组成的,而各种矿物的热学性质是不同的,例如石英的热膨胀系数为
0.0000075,而正长石为
0.000020,当昼夜或季节温度变化时,在矿物之间的接触面上产生张力,使岩石产生裂隙和崩解粗粒结晶的花岗岩,由于结晶矿物的膨胀幅度较大,这种作用更为明显含有暗色矿物的岩石,由于提高了岩石的热辐射力量,温度变化比较大,因此像玄武岩、辉长岩及辉绿岩等一些深色岩石,常产生剥蚀现象而由单一矿物集合的岩石或浅色岩石(如石灰岩、石英岩等),受到温度的影响较小,崩解也比较慢由于温度的反复变化,坚硬的岩石便渐渐散碎浸入岩石缝隙中的水,结冰是体积膨胀增大1/11,所产生的压力可高达960公斤/平方厘米,因而引起岩石裂开落在岩隙中的碎石,起着像楔子一样的作用,当碎石受热膨胀时,岩隙扩大;当碎石冷却收缩时则向岩缝中堕落,对岩体产生劈裂作用此外,风和流水对岩石的侵蚀摩擦,也是很重要的物理风化作用,尤其在携有泥砂时其作用更为剧烈第三纪末、第四纪处,我们国家广阔区域内曾有国冰川的活动,第四纪中又有过几次冰川,冰川移动时摩擦粉碎着地表的岩石大陆性气候的干旱地区昼夜温差悬殊,物理风化作用比较剧烈,地面上多形成乱石滩,其风化产物粗糙并且夹杂石砾较多,养分释放极少在较高的山地,由于结冰和重力等综合因素的作用,有时在山麓形成倒石堆,残留的岩石依旧屹立物理风化作用的结果,使岩石由大块变成碎块,再嘴尖变成细粒,其外形和大小转变了,但成分的变化很小,只是空气、水分的通透性增加了,暴露的表面积增大了,为化学风化制造了条件
(二)化学风化作用化学风化又称为化学分解作用主要是由水、二氧化碳和氧气等参与下进行的各种过程,包括溶解、水化、水解和氧化等作用1溶解作用是指矿物和岩石为水所溶解的作用一般矿物是难溶于水的,但是在大量的水分和较高的温度下,也可以使矿物的溶解度增大在多雨的地区,降水中溶有二氧化碳,使碳酸钙变成溶解度大得多的碳酸氢钙,从而提高它的溶解性2水化作用矿物与水化合称为水化作用如石膏和氧化铁的水化过程,其反应式如下石膏水化CaS04+2H20-CaS
04.2H20氧化铁水化2Fe203+3H20-2Fe
203.3H20(赤铁矿)(褐铁矿)矿物水化后膨胀并失去光泽,变得松软,有利于进一步风化3水解作用是化学风化作用中最重要的一种作用水有肯定的解离度,当水分子进行解离时形成H+和0H-离子水解作用就是由于水的H+离子从硅酸盐矿物中,部分取代了碱金属和碱土金属的盐基离子,生成可溶性盐类当水中含有二氧化碳和酸性物质时,解离的氢离子增多,提高了氢离子浓度,因而增加了水解作用土壤中的各种生物学过程增加着二氧化碳的含量,所以矿物的水解强度与生活动有着亲密的关系在水解过程中由于可形成易溶性盐类,所以水解过程也是矿物质养分的有效化过程
1.含钾矿物的水解过程土壤中含钾矿物主要有正长石、云母和含钾的黏土矿物,经水解作用生成可被植物汲取的可溶性钾盐如钾长石经水解作用生成较为稳定的高岭石和钾盐,其反应式如下2KAISi3O8+H.HCO3—KHA12Si6016+KHCO3(钾长石)(酸性铝硅酸盐)KHAI2Si6016+H.HCO3—H2AI2Si6OI6+KHCO3(游离铝硅酸)H2AI2S16016+H.HC03—H2AI2Si
208.H20+4S102+C02(高岭石)
2.含磷矿物的水解过程土壤中含磷矿物,如氟磷石灰3Ca3PO
42.CaF2,经水解作用其主要成分可转化为易溶性酸式磷酸盐,其反应式如下Ca3P042+H20+C02—2CaHP04+CaC03弱酸溶性2CaHP04+H20+C02—Ca H2P042+CaC03水溶性
3.含钙镁矿物的水解过程土壤中含钙镁的矿物主要有橄榄石、角闪石、辉石等硅酸盐类等矿物和方解石、白云石等碳酸盐类含钙镁的碳酸盐类经水解作用增加了溶解度硅酸盐类则需经过一系列水解作用,才能分解成较简洁的盐类如含镁矿物橄榄石彻底水解的反应式如下2Mg2SiO4+2H.HCO3—H2Mg3Si2O
8.H2O+MgCO3+CO2(橄榄石)(蛇纹石类盐酸盐)H2Mg3Si2O
8.H2O+6H.HC03—3MgCO3+2H4SiO4+3CO2+4H2OMgCO3+H.HCO3-Mg(HC03)24氧化作用大气中的氧气促使矿物发生氧化作用在潮湿的条件下含铁、硫的矿物普遍地进行着氧化过程如黄铁矿FeS2的氧化反应如下4FeS2+1502+2H2O—2Fe2SO43+2H2SO44Fe2SO43+8H2O—4FeOOH+6H2SO4原生矿物经过风化以后,以各种形式的风化产物留存在土壤中一部分以残存的原生矿物存留在土壤中,一部分以可溶性盐存留在土壤中;一部分以粘土矿物存留在土壤中现概括如下
4.形成可溶性盐由岩石矿物中释放出来的盐基成分,形成简洁的无机盐类,如碱金属和碱土金属的硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐和氯化物等,这是化学风化作用中最普遍和最基本的过程由于所形成的盐类大多数是可溶于水的,植物可以从中摄取一部分钙、镁、钾、磷及微量元素,一部分盐类贮存在土壤中,另一部分则随水流入海洋,因此,除干旱地区外,在一般土壤中含量较少形成粘土矿物、氧化物和氢氧化物长石、云母、角闪石、橄榄石等原生矿物,在风化过程中生成各种土壤粘土矿物粘土矿物一般是指高岭石和蒙脱石等含有0H基的结晶质的硅酸盐次生矿物,但土壤工作者常常把晶质和非晶质的硅、铁、铝的氧化物矿物也统称为土壤粘土矿物,由于这些矿物和铝硅酸盐类矿物都同样是岩石风化和成土过程的产物它们对土壤外形和林木养分有肯定的关系
5.残留矿物经过风化作用后,一些难风化的或是尚未彻底风化的原生矿物,如石英、钾长石、白云母等,以颗粒状残留在母质或土壤中土壤中的粉砂、砂粒及石砾部分,主要是由它们组成的
(三)生物活动与风化作用生活在岩石表面和土壤中的各种生物,由于它们的生命活动,对岩石和矿物的风化过程起着重要影响它们可以直接参与岩石矿物的分解破坏,但更重要的是生物活动加强了物理和化学风化的作用在岩石裂隙中生长的林木根系,对岩壁产生强大的挤压力,引起岩石崩解裂开微生物在分解有机质过程中或活根系分泌葡萄酸、柠檬酸等有机酸,与矿物中的盐基离子形成螯合物,可加速矿物的分解自然界微生物的种类简单,数量极多某些微生物的活动,对岩石的分解有着重要的意义土壤微生物的代谢过程都产生CO2,不断增加它们生活环境中的碳酸含量,因此,促进各种矿物水解作用增加硝化细菌产生的硝酸,硫化细菌产生的硫酸,以及硅酸盐细菌对矿质元素的采用,都可以加速分解硅酸盐类矿物还有丁酸细菌能够用它分泌的物质使硅酸盐和磷灰石剧烈的分解含钾丰富的黑云母和长石所以受到分解,是与细菌、真菌和藻类从中吸取钾素分不开的各种藻类(如绿藻和蓝绿藻)使岩石表面变得松软,起着破坏作用硅藻对风化过程的影响更大,它可以从硅酸盐中摄取硅,以组成本身的有机体,过去曾被认为是比较稳定的高岭石,也可以被硅藻分解生长在岩石表面上的地衣,直接最岩石产生着机械破坏和化学溶解地衣在潮湿的状况下,可以汲取超过本身体重三倍的水分而充分膨胀,在干燥的状况下就剧烈卷缩,从岩石上拔起细小的岩屑,甚至连最难风化的石英也会呈鳞片状脱落地衣的菌丝体可沿云母、角闪石及某些长石的解理裂缝往里深化,以吸取钾、钙、铁等养分,结果造成这些矿物的裂开在花岗岩及石灰岩上,地衣的菌丝体甚至伸入岩石内数毫米深,并形成极薄的土层地衣酸是一些多羟基一一多竣基酸,地衣分泌的这种酸,可以剧烈的与岩石矿物中的盐基离子形成可溶形螯合物,引起矿物的溶蚀
二、风化产物的类型岩石的风化产物包括三部分
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
(一)风化产物的生态类型土壤是林木生长的生态环境因素之一林木生长在各种立地条件下,土壤对它产生着影响在相同的水、热、气候条件下,岩石风化产物的性质和化学组成直接影响着土壤的性状如泥质页岩简洁风化,常生成较厚的风化层,由它所形成的土壤,质地也比较粘重,养分含量较为丰富,保水及绿肥力量也较强;同样条件下由硅质砂岩形成的风化物,则厚度浅薄,砂粒含量高,养分贫乏且易漏水这两种风化物对林木明显产生着不同的影响岩石风化产物对土壤性状的影响,主要表现在土壤的物理性质和化学性质两方面,如土壤的厚度、质地、结构、水分、空气、温度、养分等状况,以及酸度和交换量等等,都受岩石风化物的影响这些性质又都是评定土壤宜林性的重要指标土壤发育的时间愈短,其性状愈接近于风化物的特性,其组成也愈与原风化物的组成类似因此,对于幼年土和受到人为破坏较严峻地区的土壤(如水土流失严峻地区,土壤表层被冲刷,有时甚至土层整体被破坏冲走,诸如此类的土壤宜林性的影响依据风化产物对土壤肥力有影响的性状,作为分类标准,将各种风化产物进行生态上的区分,分为以下五种生态类型1硅质风化物形成这类风化物的岩石种类,主要包括由硅质组成或硅质胶结的岩石,如石英岩、硅质砾岩、石英砂岩及其它硅质岩类这类岩石的矿物组成中含有大量石英,化学成分以二氧化硅为主,耐剥蚀而难风化,岩性坚硬,节理发达,多构成陡峻的山脊和山坡硅质岩类风化物的厚度极薄,砂质,多石砾,各种养分元素也特别贫乏,分散的石英颗粒及岩石碎屑保水力量很低,因此这类风化物所形成的土壤宜林性通常较差,尤其在干旱地区,造林不易成活在暖和潮湿的条件下,这类物质常形成酸性土壤2长石质风化物长石质岩石包括含有正长石矿物组成的岩石,主要种类有岩浆岩中的花岗岩、正长岩、斑岩、霏细岩、流纹岩、粗面岩,沉积岩中的正长砂岩,以及变质岩中的片麻岩等这类岩石的风化物,由于岩石本身的矿物组成和构造的特点,其风化难易是不同的花岗岩、正长岩及片麻岩等粒状结晶岩,比较简洁发生物理崩解,形成厚层砂壤质或壤质风化物,由其发育的土壤通透性能良好,植物需要的磷、钾、钙、镁等养分元素比较丰富,土壤常呈微酸性反应这种风化物宜林性好,适于要求微酸性及通气良好的树种生长尤其适合各种松、杉等针叶树种生长隐晶质结构的霏细岩、流纹岩及粗面岩,比粒状岩石较难风化,且多形成壤质风化物在干旱气候条件下,这类岩石风化物多石砾,含石英颗粒多的花岗岩则生成砂砾质;在暖和潮湿的条件下,则形成深厚的风化层,呈红色的粘壤土或砂质粘壤土,多呈酸性3铁镁质风化物由辉石、角闪石、橄榄石等含有铁、镁成分的矿物组成的岩石,属于铁镁质岩类主要种类有闪长岩、安山岩、场岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩以及铁镁质砾岩(如火山熔砾岩)、片岩这类岩石由于含有简洁风化的暗色矿物,化学风化及物理风化均进行得特别快速一般形成的风化层较厚,质地为壤质或稍粘重,含有大量的钙、镁、磷等元素,唯钾的含量较少由这种风化物发育的土壤,养分状况良好,保水性能强,但通气状况较花岗岩风化物稍差在较潮湿的地区,可呈中性反应,在干旱地区则呈微碱性反应,宜林性良好,适于进展各种经济林木和对肥力条件要求比较高的针、阔叶树种4钙质风化物主要由碳酸钙组成的岩石,都称为钙质岩类如石灰岩、大理岩、结晶石灰岩、白云岩,以及含钙质的砂岩和页岩等石灰岩的矿物组成中以方解石及白云石占主要成分,可占全部矿物重量的90%以上钙质岩类在经受化学风化的溶蚀作用时,碳酸钙受酸性水溶解,大量随水流失其风化物是由岩石中的少量粘土矿物等残留积累而成的在干旱或水土流失地区所形成的风化层很薄,常常残积在裸岩之间,质地粘重由钙质岩类风化物形成的土壤,有时缺乏林木需要的磷和钾,多具石灰物质,呈中性至微碱性反应,土质粘实,土壤易干旱在干旱缺水状况下,林木一般生长不良,造林不简洁成活,不太适合于针叶树种生长,但是某些喜钙耐旱的树种尚能良好生长在水分条件良好又无水土流失的状况下,一般土层较厚,肥力高,土壤的宜林性质好5未成岩类物质这类物质不是某一类岩石的风化物,而是包括多种来源的矿物质或有机物的积累物这类积累物未经成岩硬结作用,一般均具有疏松多孔的特性矿质的未成岩物质包括各种成因的沙土、黄土、次生黄土或黄土性岩石,以及部分松软的板岩、页岩及粉砂岩等这些物质的性质及养分含量的差别很大在无地下水时,砂土的立地特点通常是松散、干旱、保水性也较强,宜林性较好,但若地下水位极深,土壤也易遭干旱有机的未成岩物质,主要是冷湿低凹地及高山地带形成的泥炭物质由于温度低、湿度大,有效养分缺乏,常呈强酸性反应,这种立地类型的宜林性极差,林木生产力很低,必需进行排水,促进泥炭物质分解,林木才能生长良好
(二)风化产物的地球化学类型地球表面疏松的风化层,是形成土壤的母质,它的成分和性质直接影响着土壤的性质风化层的物质组成,化学成分以及进一步风化的速率,一方面打算于风化物的种类及其特性;同时也打算于风化环境的生物气候条件岩石的风化过程,随着时间的推移,可以分成若干阶段,生物气候条件影响各个阶段的进程在肯定的生物气候条件下消失的风化产物,可分为几种地球化学类型1碎屑类型是岩石风化的最初期类型岩石受物理风化作用,形成大块状或部分细粒状的残积物这种风化类型消失在山地,流水冲走了可溶性成分和细粒物质,只遗留下原岩的碎屑残块此外,在干旱的荒漠地区,剧烈的温差变化,也可以使岩石形成这种类型的风化物碎屑类型风化物的化学成分和矿物组成与原岩基本相同2钙化类型岩石矿物经过化学风化,生成易溶性钾、钠、钙、镁的氯化物和硫酸盐,受流水作用渐渐淋溶流失,风化产物中只残留着大量溶解度较低的碳酸钙,并且形成各种次生矿物,主要有方解石、白云石、菱铁矿、绢云母、伊利石、蒙脱石等钙化类型的风化物,形成在干旱和半潮湿条件下,我们国家新疆、内蒙古以及西北黄土高原、华北平原等地区均属于这种类型,这些地区的浅层地下水中,常含有各种可溶性盐分,矿化度比较高从风化物中淋失的氯化物和硫酸盐,常积累在该区域内的盆地中,形成内陆盐土分布区,例如新疆塔里木盆地、准喝尔盆地以及青海柴达木盆地,就有大量盐分积聚3硅铝化类型岩石中的矿物受长期风化,可溶性氯化物及硫酸盐遭到剧烈淋失,甚至溶解度较小的碳酸钙也被淋溶,而铝、铁、硅等元素尚有残留风化物的反应由碱性或中性变成微酸性,并且形成伊利石、蛭石、蒙脱石等次生粘土矿物这种类型的风化产物,形成在温带或暖温带雨量适中的条件下5富铝化类型由于长期剧烈的化学分解,原生和次生的硅酸盐矿物,均遭到很大破坏,不仅盐基成分全部淋失殆尽,而且硅酸也产生淋溶,风化物中只残存着一些最难风化的石英、铁和铝的氧化物以及次生粘土矿物高岭石等无论是热带的砖红壤或亚热带的红壤,硅的迁移量均达40-70归钙、镁、钾的迁移量更大,最高可接近100%;铁的富积量达7-15%;铝达1072%,主要粘土矿物为高岭石,并含有赤铁矿及多水氧化铁这是我们国家富铝化类型的一般特点
(三)风化产物的母质类型岩石矿物经过风化作用产生的土壤母质,除少量仍保留在原来生成的地方外,大多数成土母质经风力、水力、冰川力或重力等外力的作用,沿地表进行搬运,并在肯定地区积累下来母质的搬运和积累受地形直接影响很大,在不同的地形部位,积累着各种不同类型的母质由于生物在地球表层空间广泛的分布和大量的存在,有些母质态的疏松矿物质(风化产物),实际上是不同方式形成的各种幼年土例如在岩石风化物上、沙丘上和海滩上进行的造林,说明这些能被林业生产所采用的风化物实际上是幼年土但从农业土壤来看,这些风化物是难于种庄稼的风化母质在野外工作中,确定母质类型,是讨论土壤生态性状的重要依据近代形成的母质可依据其搬运方式和积累特点,分为定积母质和运积母质定积母质是未经搬运的风化残留物,或称为残积物运积母质则依据不同搬运作用的外力方式,可分为各种自然沉积物第四纪沉积物形成的母质,在我们国家也有较大面积的分布I定积母质又称为残积物,它一般分布在山区比较平缓的高地上,是山区主要成土母质之一地面上的残积物,在经过水流临洗后,具有粗骨性的特征残留在原地的岩石碎屑和难风化的矿物如石英颗粒,多具未经磨蚀的棱角,它的组成和性质已与原岩有较大的差别下层的风化物渐渐过渡到基岩,具有连续性的特征有时在裂面上积有白色的碳酸钙粉末,或存在黄色、红褐色的氧化铁、镒的斑痕残积物在气候寒冷的地区,其厚度一般较浅,在坡度较陡的山坡上部,因受水流冲刷,其厚度更为浅薄在潮湿酷热的热带及亚热带地区,由于剧烈的化学风化作用,可形成深厚的红色风化层残积物的厚度及其发育的土壤肥力状况,打算于环境条件和基岩的性质这种成土母质与山区进展林业生产有亲密的关系II运积母质
1、流水运积母质即风化物经流水搬运而沉积的母质依据流水的性质和沉积的地形,可分为三类1)坡积物坡积物是由于山坡上部的风化碎屑物质,经雨水或融雪水的冲刷,搬运到山坡的中、下部积累形成的在山坡上部,积累层薄,物质较粗;山坡下部,则积累层厚,物质较细坡积物分选性较差,质地多为含砾质壤土,并且常存在埋藏土壤剖面在坡积物的上部与残积物连接地带的母质,称为坡积一一残积物在山麓的坡积物常形成宽阔的裙状地形,称为坡积裙,并常与洪积扇交互汇合坡积物是山区的主要成土母质,在自然条件较好的低山区,其形成的土壤是进展山区果树和经济林木的主要林业用地
(2)洪积物在干旱与半干旱地区的山地,由于骤融的雪水,或是间歇性的暴雨,形成流速湍急的洪水,将山区的风化碎屑夹杂泥沙,搬运到山谷出口处,由于地势宽坦而水流减缓,使所携带的物质沉积下来,形成扇形地形,称为洪积扇洪积物具有粗略的分选性,但分选性很差,地势高处含有较多砾石和粗砂,在洪积扇的边缘,则物质渐渐变细,多为细砂质或粉砂质洪积扇的中、上部,地下水位很深,土壤渗透性强,常常水分不足,而扇缘地带的水量却往往比较充足有些地区在扇缘与冲积平原连接处,地势低洼,称为山前交接凹地,此处地下水位过高,易形成沼泽化,或因地下水含盐量较多,产生土壤盐渍化
(3)淤积物淤积物又称冲积物或沉积物风化碎屑物质,受河流(常常性水流)的侵蚀,搬运和积累而形成的淤积物最明显的特征,是有明显的分层性,层内质地或砂或粘,粗细匀称由于河水中携带的沙、石,在搬运过程中相互碰撞和滚动,棱角均被腐蚀,所以一般淤积沙、石的磨圆度很好此外,河水中携带的泥沙颗粒,随流速的变化,按大小不同分别沉积下来;因此,淤积物的分选性很好一般状况下,水流越快的部位,沉积物越粗;水流减缓的部位,沉积物越细。