矿物岩石的风化和土壤形成

第二章 矿物岩石的风化和土壤形成

主要教学目标：使学生了解由岩石经过风化形成母质，再由母质发育成土壤的过程。在学习过程中要特别注意什么是母质，母质与土壤有什么区别以与土壤层次的发育顺序。

第一节 风化作用

一、 风化作用

任何事物只是处于它生存的环境时才能稳定。而地表的矿物岩石处于和它形成时的不相同的外界条件时，这种稳定性被破坏，从而发生变化，这就是矿物岩石的风化。

二、风化作用的类型

1、物理风化：由物理作用引起的矿物岩石发生物理变化的过程。又叫机械崩解作用。

影响因素:温度变化,水分冻结,风力,流水,冰川的摩擦力等。

风化的结果使大岩石变成碎块，增大接触面，更利于化学风化进行。

2、化学风化 ：岩石的矿物成分发生化学成分和性质的变化。

主要因素：水、二氧化碳、氧气等

主要化学风化作用的类型有4个：

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溶解作用：矿物在水中溶解的过程。造岩矿物的溶解度大小顺序为：方解石>白云石>橄榄石>辉石>角闪石>斜长石>正长石>黑云母>白云母>石英。

水化作用：矿物与水相结合。如赤铁矿变成褐铁矿。

水解作用：矿物与水相遇，引起矿物分解并形成新矿物。如正长石水解后释放出钾离子，变成了高岭石。

氧化作用： 二价铁氧化成三价铁。使许多矿物和岩石表面染成红褐色。

3、生物风化：生物作用使岩石就地引起的破坏。

主要因素：

根系的压力和根系分泌物 10-15磅/cm2

微生物分解有机质产生酸,

三、岩石风化的产物

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，以与铁铝的氧化物和氢氧化物。

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3、残余的碎屑:难风化的矿物和各种岩屑。

四、矿物风化的难易

1、影响因素：外界环境条件和矿物本身的成分和结构。

2、外界条件相同时，矿物风化的相对稳定性，由易到难顺序为:

石膏，方解石<辉石<角闪石<黑云母<斜长石<正长石<白云母<石英<粘土矿物

五、 影响岩石风化难易的因素：

1、矿物的组成、结构和构造

2、形成时的热力条件与目前所处环境的差异

3、岩石的节理和裂隙发育状况。在有棱和角的地方，岩石的自由表面积最大，首先遭受风化，棱角首先消失变成球形，这种现象称为球状风化。

第二节 风化产物的类型

一、 风化产物的生态类型有五种：

1、 硅质风化物: 硅质组成或硅质胶结的岩石。 石英岩,硅质砾岩,石英砂岩

风化物的厚度极薄，砂质，多石砾，各种营养元素也十分贫乏，分散的石英颗粒与岩

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石碎屑保水能力很低。

酸性土壤。

2、 长石质风化物: 花岗岩,正长岩,正长斑岩,流纹岩,粗面岩,长石砂岩

厚层砂壤质或壤质风化物。

发育的土壤通透性能良好，植物需要的磷、钾、钙、镁等营养元素比较丰富，土壤常呈微酸性反应。

3、铁镁质风化物: 安山岩,闪长岩,闪长玢岩,玄武岩,辉长玢岩

风化层较厚，质地为壤质或稍粘重，含有大量的钙、镁、磷扽元素，惟钾的含量较少。

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，较湿润地区〔中性〕，干旱地区〔微碱性〕。

4、钙质风化物: XX岩,石灰岩,白云岩

风化物是由岩石中的少量粘土矿物等残留堆积而成，在干旱或水土流失地区所形成的风化层很薄，质地黏重。

多具石灰物质，呈中性质微碱性反应，土质黏实，土壤易干旱。

5、未成岩类物质: 黄土,次生黄土,软页岩,板岩，页岩，粉砂岩，泥炭物质。

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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堆积物。这类堆积物未经成岩硬结作用，一般均具有疏松多孔的特性。

二、 风化产物的地球化学类型

1、碎屑类型:在干旱的荒漠,寒冷的高山地带,主要是碎屑、岩块。

2、钙化类型:降水量多,半干旱,半湿润,有一部分盐类流失,残留了很多碳酸盐类和粘土矿物

3、硅铝化类型:温带和暖温带,化学物理风化强烈,形成了伊利石、蒙脱石等粘土矿物,土壤呈中性或微酸性

4、富铝化类型:热带、亚热带的潮湿地区,剩下大量Fe,Al,形成高岭石,三水铝石,赤铁矿

三、风化产物的母质类型

岩石风化形成的成土母质，有的堆积在原处，但大多数风化产物在外力用下〔重力、水流、风力、冰川等〕搬运到其他地方，形成各种沉积物。

根据搬运方式和沉积特点将母质分为定积母质和运积母质。

1、定积母质:

又叫残积母质，就地风化而未经搬运的岩石风化物，多分布在山区较平缓的高地。母质特点为：颗粒粗，厚度薄，母质疏松，通透性好。

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2、运积母质，又细分为:

〔1〕坡积母质：

山坡上部的风化物，在雨水的冲刷下，其中一些较细小的碎屑发生搬运，并在山坡的中下部发生堆积，形成坡积母质。母质特点：颗粒粗细不匀，其中石砾含量较高，矿物成分不稳定。

〔2〕洪积母质：

又叫洪积物或洪积扇，主要是由于洪水搬运沉积。母质特点：粗细混杂，分选性差，在山口处以砾石、粗砂为主，向外逐渐为细砂和粘土，土层薄，易透水。

〔3〕冲积母质或冲积物，这种母质是由于风化物在河水的侵蚀、搬运和堆积作用下形成的。母质特点：有明显的层理，而且各层中的颗粒粗细均匀。

此外还有风积母质、海水沉积母质、湖积母质等

〔4〕海水沉积物海积物

形成：河流携带泥沙，在海岸边沉积的物质。母质特点：颗粒粗细不一，往往硅质含量较高。

〔5〕重积母质〔塌积物〕

形成：山地陡崖上的风化岩石，受重力作用而坍塌坠落——山麓与谷地局部地段上母

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质的类型。母质特点：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。

3、 第四纪沉积物:

第四纪距今一百万年左右。在第四纪有多次的冰川活动。

沉积物包括黄土、次生黄土、红土和冰碛物

〔1〕黄土：

形成条件：干旱和半干旱气候，季节变化极明显。由风力搬运、堆积形成

性质：淡黄或暗黄色，土层厚度可达数十米，粉砂质地，粗细适宜，通体颗粒均匀一致，疏松多孔，通透性好，具有发达的直立形状，含有10-15%的碳酸钙，常形成石灰质结核。

黄色风积沉积物，，以粉砂为主，质地均一，垂直节理显著，是没有被固结的黄色堆积物。分布：太行山以西，大别山、秦岭以北，遍与XX,XX,XX, XX,XX等省。

〔2〕次生黄土

形成： 湿润地区，黄土经流水搬运后的沉积物

性质：土层深厚，无明显层次，颗粒细小均匀，为棕黄色，粉砂质粘土，具棱柱状结构，并含有大量铁锰结核与胶膜。

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分布：XX西部，XX至XX一线。

红土：

形成：在第四纪间冰期形成，海洋性气候，炎热潮湿。

性质：矿物岩石强烈风化，富含铁、铝的氧化物和高岭石等。质地粘重，通气透水性差，常呈酸性至强酸性反应。

分布：华中、华南与西南广大地区。

冰碛物：冰川携带的物质沉积形成。

性质：层次薄，地势平坦。

分布：第四季期间没有冰盖，冰川堆积，多为零星式小片分布。

第三节 土壤的形成

土壤形成过程:在一定的时空条件下，母岩或母质与生物、气候因素以与土体内部所进行的物质与能量的迁移和转化过程的总体。

〔1〕地质大循环

地壳表层的岩石矿物经过物理、化学风化，形成细小的颗粒，同时有一部分元素溶于水，这些岩石矿物的风化物随流水进人海洋，在海洋中经过长期的地质作用重新形成各种

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沉积岩，这一过程我们称之为地质大循环。

〔2〕生物小循环

土壤中的生物，特别是绿色植物选择吸收各种矿质养分，通过光合作用合成有机物，当生物体死去之后，生物残体通过微生物的分解作用，各种养分又重新释放出来，供给土壤生物循环利用，这一周而复始的过程称之为生物小循环。——土壤养分得到固持富积。

〔3〕土壤形成是地质大循环和生物小循环的矛盾统一。地质大循环是营养元素不断向下淋失，而生物小循环却从地质大循环中不断地积累生物所必需的营养元素。

一. 影响土壤形成的因素

1、 自然因素

〔1〕母质—血缘关系

1．土壤矿物质源于土壤母质，并在土壤发育过程中进一步风化；

2．土壤母质的机械组成决定了土壤的机械组成

3．母质透水性对成土作用有显著影响

岩浆岩：花岗岩形成的土壤—富钾而缺磷；玄武岩形成的土壤—缺钾而富磷

沉积岩：砂岩形成的土壤—盐基养分较贫乏；页岩形成的土壤—盐基养分较丰富

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〔2〕气候(水热条件)

1、直接参与母质的风化，直接影响矿物质的分解与合成与物质积累和淋失；

2、控制植物生长和微生物的活动，影响有机质积累和分解，决定养料物质循环的速度。

Ⅰ 湿度因子对土壤形成的影响

 影响土壤中物质的迁移(emigration )

淋溶型水分状况在降水量大于蒸发量的地区，土壤表层每年水分的收入大于支出，有多余的水补给地下水。这种土壤常具有盐基饱和度低、酸性强等特点。

非淋溶型水分状况蒸发量略大于降水量，降水只能到达一定的深度，蒸发较强，土壤淋溶作用弱。这类土壤常具有中性至微碱性反应、盐基饱和度高的特点，剖面中常有钙积层。

上升水型水分状况：其特点是蒸发、蒸腾总量大大超过降水量，其差额由地下水补充，如果地下水矿化度高，则会导致盐渍化；如果地下水达不到地表，而只能达到剖面中部，则称为“半上升水型〞水分状况。

停滞型水分状况：其特点是地表经常积水，沼泽化土壤即属此类型。

 影响土壤中物质的分解、合成和转化

表土有机质含量常随大气湿度的增加而增加。

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湿润地区的土壤风化度较高，而在干旱地区则较弱。

Ⅱ温度对土壤形成的影响

影响矿物和有机物质的风化与合成。一般来说，每增加10℃温度，反应速率可成倍增加。

温度从0℃增长到50℃时，化合物的解离度可增加7倍。

温度、水分起主要作用。花岗岩风化壳在XX可厚达30～40米，XX一般在5～6米，而XX高原常不足1米。

Ⅲ温度和湿度的共同影响

实际上水热两因子是共同作用着的，只有两者互相配合，才能促进土壤的形成发展。 在热带地区(tropic region),只有在充足的水分条件下,高温才能促进原生矿物的深度风化，形成砖红壤，而在缺少水分的条件下，风化强度较弱，土壤向燥红土方向发展。

Ⅳ气候变化与土壤形成

由于气候带、植被和土壤之间存在明显的关系，许多土壤学家非常重视气候在土壤形成中的作用，并提出了土壤地带性(soil zonality)的概念 。

在中国温带，自西向东大气湿度递增，依次出现：

棕漠土、灰棕漠土、灰漠土、棕钙土〔灰钙土〕、栗钙土、黑钙土和黑土。

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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、红壤和砖红壤。

〔3〕生物因素在土壤发生中的作用

土壤形成的生物因素包括植物、土壤动物和土壤微生物。

〔一〕植物在成土过程中的作用

能量转化(conversion of energy)与有机质形成

利用太阳辐射能，合成有机质 据科夫达估计，在陆地上植物每年形成的生物量约为3.5×1010吨,相当于2.13×1017千卡的能量

促进土壤形成与结构体的发展

植物根系可分泌有机酸，通过溶解和根系的挤压作用破坏矿物晶格，改变矿物的性质，促进土壤的形成；并通过根系活动，促进土壤结构的发展。

自然植被和水热条件(natural vegetation and hydrothermal condition)的演变，引起土壤类型的演变

由东北往华南的森林植被和土壤的分布依次为：针叶林(棕色针叶林土)→针阔混交林(暗棕壤)→落叶阔叶林(棕壤)→落叶常绿阔叶林(黄棕壤)→常绿阔叶林(红壤、黄壤、赤红壤)→雨林、季雨林(砖红壤)。

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富集作用(enrichment)与有效化(effectuation)

气候:

植被(生物)：主要是高等绿色植物。

地形:对热量、水分以与母质进行再分配。

母岩〔母质〕:影响土壤的性状。

时间：陆地土壤的形成大约于4亿年左右的古生代中期，为原始幼年土。

2、人为因素:通过改变地形、人工排水、人工灌溉等各种活动影响土壤的发育。

二.土壤形成的实质

苏联道库恰耶夫指出了五大成土因素。

苏联威廉士提出：在五大因素中生物起主要作用，认为生物产生以前,地球上仅存在物质的地质大循环,即岩石风化——搬运——沉积——岩石——风化——搬运。生物出现后，改变了物质的去向，形成了物质的生物小循环，即营养元素——有机体——营养元素。

土壤形成的实质就是物质的地质大循环和物质的生物小循环矛盾统一。

第四节 土壤的形态特征

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土壤形态特征是土壤的外部特征，这种外部特征通过人们的感官〔视觉，触觉，嗅觉〕来实现。

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。

2、土壤发生层：由于成土作用形成的土层。

二、典型的森林土壤的发生层

O层：枯枝落叶层 由覆盖在矿质土壤中的有机物构成。

A层：腐殖质层〔淋溶层〕 颜色较暗，根系多，动物活动明显。

B层：淀积层 由上层淋溶来的物质淀积而成。

C层：母质层 由岩石风化物的残积物或运积母质形成。

坚实岩层用D表示，过渡层用相邻层的符号表示。

在黄土高原地区由于水土流失，土壤受到侵蚀作用而失去A层，保留B，C层的剖面构型。

三、 耕作土壤的层次

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耕作层：受耕作影响，疏松，暗质，根系多集中于这层。

犁底层：颜色较浅, 较紧实。

心土层：犁底层之下，颜色浅，根系少。

底土层：不受耕作影响，人们把这层土称为生土或死土。

四、 土壤剖面形态特征

1、颜色：是土壤最重要的形态特征之一，是划分土壤层次的重要依据，也是一些土壤命名的依据之一。土壤颜色主要决定于土壤化学组成和矿物组成。

2、质地

3、结构

4、坚实度

5、孔隙状况

6、新生体：土壤形成过程中，由于物质的迁移、淋洗和聚积所产生的物质。

7、侵入体：由人类活动影响产生的。

1、 根量

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10、石砾含量

11、碳酸钙含量

12、pH值：用混合指示剂测定。

13、层次过渡状况

本章重点：岩石的风化产物、与岩石的风化产物的母质类型，土壤的发生层次和形态特征描述术语。

本章难点：土壤的发生层次。自然土壤的发育先从A层开始，然后再发育B层。母质层一般没有生物活动。另外各层的界限并不十分明显。这需配合土壤教学实习来学习。

第二章 岩石风化和土壤形成复习思考题

一、名词解释

1、物理风化；2、化学风化；3、生物风化；4、成土母质；5、土壤剖面；

一、 简答题

1、 化学风化包括哪几种作用？

2、 简述矿物抵抗风化的相对稳定性顺序。

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3、 影响岩石风化的因素有哪些？

4、 风化产物的生态类型有哪些类型？并详细说明。

5、 土壤成土母质有哪些类型？并详细说明。

6、 土壤颜色能反映哪些物质组成？

7、 土壤的剖面形态特征包括哪些？

8、 自然土壤剖面包括哪些层次？

9、 耕作土壤剖面包括哪些层次？

10、土壤新生体和侵入体有什么区别？

二、 影响土壤形成的因素有哪些？他们是如何影响土壤形成的。

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