土壤肥料学_谢德体_第1章土壤的形成与演变概述课件

1、第1章土壤的形成与演本章提要本章主要对土壤母质的形成和土壤的形成进行阐述。了解形成土壤母质的主要成土矿物和岩石，掌握矿物岩石的主要风化过程，熟悉土壤形成因素，弄清土壤演变规律及地质大循环与生物小循环的相互关系。土壤是由裸露在地表的坚硬岩石，在漫长的历史岁月中，经过极其复杂的风化过程和成土过程而形成的。它的演变过程，经历了从岩石在地质大循环作用形成土壤母质，进一步在生物小循环的作用下，形成真正的土壤。1.1 土壤母质的形成 出露地表的岩石经风化后，变成了在地表广泛堆积的疏松的风化产物，而这些堆积物的表层即是形成土壤的重要物质基础成土母质。1 土壤母质的来源 土壤由母质发育而成，成土母质由岩石风化

2、而来，岩石又是由一种或数种矿物所组成的复合体地壳物质的元素组成 就整个地壳来说，其化学组成非常复杂，几乎包括所有的已知化学元素，但这些化学元素在地壳中的含量差别很大，而主要包有10种元素总计占地壳重量的99.96%，其中氧几乎占一半，硅占四分之一强，硅氧合占四分之三，是构成地壳的最基本元素。 地壳中主要元素重量百分比 元素重量（%）元素重量（%）氧O46.95钠Na2.78硅Si27.88钾K2.58铝Al8.13镁Mg2.06铁Fe5.17钛Ti0.62钙Ca3.65氢H0.14 成土的主要矿物 1. 长石类 为地壳中分布最广的矿物，是构成火成岩及一部分变质岩的主要成分。长石类主要包括正长石

3、和斜长石，是土壤中K素主要来源。 成土的主要矿物2. 铁镁类矿物 这类矿物主要包括辉石、角闪石、橄榄石等。主要为Fe3+、Mg2+、Ca2+的硅酸盐，一般为黑色或绿色。其稳定性要比长石小得多，易发生化学风化而分解，生成各种次生铝硅酸盐，故为土壤中粘粒和有效性养分的来源之一。3. 云母类 是硅酸盐类，为各种火成岩的成分之一，代表矿物为黑云母和白云母，其中，黑云母的稳定性较低，风化游离出钾素，为土壤中钾素营养来源之一。成土的主要矿物4. 氧化硅类矿物 此类矿物在地壳中分布甚广，主要为酸性火成岩的成分，在沉积岩和变质岩中也常存在，在成土母质中，主要矿物为石英，化学性质稳定，硬度高，溶解度小，不易风化

4、，成为地面最稳定的矿物，石英成为土壤中砂粒的主要来源。5. 碳酸盐类矿物 主要为方解石和白云石，此类矿物的风化主要表现为溶解作用。方解石在自然界中含CO2的水作用下发生溶解与移动，成为母质和土壤中碳酸盐的主要来源；为土壤中钙、镁营养元素的来源。成土的主要矿物6. 硫化物 这类矿物主要包括黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等，其抗风化能力很低，很容易在水和氧的作用下变为硫酸盐，使风化产物呈酸性反应。7. 磷灰石 羟磷灰石、氟磷灰石、碳酸磷灰石和氯磷灰石等，羟磷灰石最为常见，主要分布于沉积岩中是土壤中磷素营养的主要来源。成土的主要矿物8. 铁矿 主要包括赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、菱铁矿等。在风化过程中，

5、可形成含水氧化铁类的胶体物质，使土壤染成红色，褐色或黄色，在热带和亚热带土壤最为常见。9. 粘土矿物 是原生矿物经风化作用后产生的次生铝硅酸矿物，又称次生粘土矿物。依其内部构造特点分为1：1型和2：1型两大类，主要粘土矿物有高岭石、蒙脱石、水化云母、绿泥石等。是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力具有重要意义。成土的主要岩石种 类名 称矿物成分岩浆岩（火成岩）花岗岩与流纹岩主要含石英、正长石、云母及少量角闪石等。正长岩与粗面岩正长岩主要含正长石。粗面岩由正长石和角闪石等组成。闪长岩与安山岩主要由斜长岩、角闪石等组成。有少量的云母和辉石。辉长岩与玄武岩辉石和少量的角闪石和黑云母组成。玄武岩主要由辉石、

6、斜长石沉积岩砾岩由直径大于2mm的碎石经胶结物胶结而成。砂岩由0.052mm的砂粒经胶结物胶结而成，主要成分为石英。页岩由0.005mm的粘粒经压实脱水和胶结作用硬化而成。粉砂岩粒径为0.0050.05mm占50%以上，成分以石英为主，以泥质为主。石灰岩由CaCO3沉积结晶而成。变质岩片麻岩由岩浆岩、沉积岩或浅变质岩等经高温高压深度变质而成。板岩由泥质页岩等轻度变质而来，较粗且脆。千枚岩由泥质岩或隐晶质酸性岩浆岩浅变质而成。片岩由泥质岩、页岩、基性岩中度变质而来。石英岩由砂岩、粉砂岩等热接触变质而成。大理岩由石灰岩、白云岩等热接触变质而来。 成土的主要岩石 1. 岩浆岩（火成岩） 由岩浆冷却而

7、形成的岩石统称岩浆岩， 岩浆在地壳深处，冷凝形成的叫深成岩， 在地壳浅处冷凝形成的叫浅成岩， 岩浆流出地面冷凝而成的叫喷出岩。 深成岩和浅成岩又合称侵入岩。 岩浆岩据其SiO2含量又可分为酸性岩（SiO265%）、中性岩(SiO2：5065)、基性岩（SiO2：4550）和超基性岩（SiO245）四种。主要的成土岩石有花岗岩、玄武岩等。成土的主要岩石1. 花岗岩 为深成岩，是岩浆岩中最主要的成土母岩。主要矿物有石英（30%左右），钾长石和酸性斜长石，一般是钾长石（平均约40%）多于斜长石（平均约25%）。物理风化为主的情况下，花岗岩最易发生崩解，这与它的粒状结构及矿物组成复杂有关。 由花岗岩发

8、育而成的土壤，层次多半深厚，又有长石风化后供给的钾素，稍加培育后，肥力尚佳，但在砂性过强，遭受侵蚀的地方，便十分贫瘠。2. 玄武岩 是分布最广的喷出岩，主要由辉石和斜长石等矿物组成，富含铁镁，颜色较深，易吸热，。在气候潮湿的热带，玄武岩常风化为富铁的硬壳，成为铁矿。形成的土壤，多呈暗棕或棕红色，含盐基丰富，养分较多。成土的主要岩石 2. 沉积岩 沉积岩是在地表和接近地表的常温、常压条件下，原有岩石（岩浆岩、变质岩、原有的沉积岩）经过风化剥蚀的产物，在原地或经过搬运到不同环境的地方沉积下来，再经过固结而形成的岩石，另外生物的遗骸或生物的新陈代谢作用所形成的物质的沉积也可形成沉积岩。 分三类：碎屑

9、岩类、粘土岩类（或泥质岩类）、化学岩及生物化学岩类，。沉积岩的重量仅占地壳总量的5%，但在地表分布的面积很广，约占75%。沉积岩-1.页岩 属粘土岩类。页岩岩性极不坚固，页理薄，成分以粘土矿物为主，吸水和脱水后胀缩差异较大，硬度小，因而物理风化易于进行，岩石容易破碎，易受侵蚀。若在湿热的气候条件下，岩石碎块进一步风化，破碎呈细颗粒甚至分解，可形成深厚土层，此时形成的母质较粘重，矿质养分较丰富，保水力强，易形成较肥沃的土壤，我国四川的“天府之国”称号就与其广泛分布的含矿质养分丰富的紫色页岩有密切关系。沉积岩-2. 砾岩 属于粗碎屑岩类。凡碎屑直径2mm，含量50%的岩石都属于此类。砾石的主要成分

10、是比较坚硬的石英、硅质类等岩石碎屑。胶结物常为钙质、铁质、硅质及粘土质等。其风化产物及其形成的土壤多含大小不等的石块，从而形成石质土。养分含量较瘠薄，肥力水平较低。沉积岩-3 .砂岩 属于碎屑岩类。在地表分布很广。其物质组成大致可分为三类：各种岩石碎屑。石英、长石和重矿物。白云母及粘土矿物。砂岩中石英含量多，抗风化力强，所以由砂岩形成的母质与原来的岩石性质比较接近，含砂量较高，松散，易于透水。含石英较多的砂岩，形成的土壤、质地砂，养分含量少，肥力较低。沉积岩-4.粉砂岩 粉砂岩 属细碎屑岩类。粉砂岩与砂岩类似，但颗粒更细，粉砂（碎屑颗粒直径在0.0050.05mm）50%。沉积物以稳定成分居多

11、，岩屑很少或无。矿物组成以石英为主，其次为长石、云母碎片、绿泥石和粘土矿物等。粉砂岩是介于细砂岩与粘土岩之间的过渡岩石，胶结物以泥质为主。其风化特点与砂岩相似，但较砂岩易风化，风化产物为粉粒，养分状况较砂岩略好。沉积岩-5.石灰岩 石灰岩 属于化学及生物化学岩类。主要由方解石组成，通常含有少量的白云石，以及粉砂、粘土、二氧化硅。在湿润气候条件下，风化作用以溶解为主。形成的母质质地粘重，钙质丰富，酸性较弱。石灰岩风化层下面常有地下水造成的溶洞与起伏不平的基岩面，造成土层厚度多变，同时水分自溶洞中漏失后可引起表土干旱。成土的主要岩石 3. 变质岩 由岩浆岩、沉积岩与原有的变质岩经高温高压或受岩浆接

12、触的影响而使岩石成分和内部结构、构造发生重大改变，矿物重新结晶或重新排列，甚至化学成分改变，而生成新的岩石称为变质岩。变质岩(1) 板岩 由粘土岩（如页岩）、粉砂岩或中酸性凝灰岩经区域浅变质而成岩。没有明显的重结晶，矿物颗粒极为细小。(2) 千枚岩 为富泥质（包括凝灰岩）岩石经浅变质而成，分布很广。矿物成分主要丝绢云母和石英组成，还有绿泥石等。因含云母较多，含钾素丰富。变质岩(3) 片岩 主要由页岩等粘土岩类变质而来。片岩呈片状构造，矿物以云母、绿泥石、角闪石等为主。(4) 片麻岩 片麻岩的岩石来源较广，主要由花岗岩类岩浆岩和凝灰岩（斜长片麻岩）等岩石经深度变质而成，所以分布很广。由岩浆岩变来

13、的岩石称“正片麻岩”，由沉积岩变来的称“副片麻岩”。原已形成的变质岩经变质作用也可形成片麻岩。变质岩的风化特点与花岗岩相似。变质岩(5) 大理岩 是由石灰岩或白云岩经过热接触重结晶作用变质而成。具等粒（细粒到粗粒）变晶结构，块状构造。纯粹的大理岩几乎不含杂质，称汉白玉。多数大理岩因含有杂质，重结晶后可产生若干新矿物而呈现出花纹和不规则条带。大理岩的风化特点与石灰岩相似，但较石灰岩难风化。(6) 石英岩 是由石英砂岩、粉砂岩、硅质岩等变质而来，石英岩的主要矿物成分为石英，可有少量云母长石等。石英岩坚硬致密，风化最为困难，风化时以机械破碎为主，风化层薄，风化层中含有大小不一的带棱碎石。所以石英岩上

14、形成的土壤，养分含量低，酸性强，质地粗，对养分和水分的保蓄力不强，大多肥力不高。 岩石矿物的风化作用 地壳表层的岩石矿物在大气和水的联合作用以及温度变化和生物活动的影响下，所发生的一系列崩解和分解作用，称为风化作用。 影响岩石风化的主要因素为温度、水、氧气、CO2和生物的作用，同时人类活动也是一个不可忽略的因素。 分为物理风化、化学风化和生物风化三大类。1. 物理风化 因温度变化和孔隙中水的冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。只有物理形状的改变，由大变小，而不会引起岩石的成分和性质的改变。 1) 热力作用 受热因昼夜和季节的不同而变化，因而气温与地表温度均有相应的日变化和年变化。 2) 冰

15、劈作用 在寒冷地带、岩石的孔隙或裂隙中的水在冻结成冰时，由于体积的膨胀，产生960/cm2的压力，使岩石逐渐崩解为岩屑。 3) 盐崩作用 随着水分的蒸发，浓度逐渐达到饱和，对周围裂隙壁产生巨大的压力，使岩石崩裂。物理风化是机械力作用的结果 流水的冲击、风、冰川等自然动力对岩石的磨蚀，树根生长时对岩石造成的挤压作用，均能加速岩石的破碎。物理风化的结果，产生许多岩石碎屑和细粒，获得了岩石所没有的透水性和通气性。但由于物理风化只是岩石在机械力作用下的破碎，产生的岩屑一般都大于0.1mm，没有毛管作用，所以对水的保蓄性能很差。增加了与大气和水的接触面积，为化学风化创造了有利的条件。2. 化学风化 化学

16、风化指岩石在水、CO2、氧等作用下所发生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化作用，而水、氧、CO2对岩石作用的结果常是交叉进行的。化学风化-水解作用 水解作用是水中呈离解状态的H+和OH-离子与 风化矿物中的离子发生交换的反应，影响水的解离平衡，有两大因素：一为温度。二为水中溶解的CO2和各种酸类， K2A水解的结果使一些金属离子与OH-离子一道溶解于水被淋失，还有一部分金属离子可被土壤胶体吸附。水解作用是化学风化中最主要的作用与基本环节。化学风化-水化作用 水化作用 指无水的矿物与水结合，成为含水矿物的作用。 CaSO4(硬石膏)+2H2OCaSO42H2O(石膏) 2Fe

17、2O3(赤铁矿)+nH2OFe2O3nH2O(褐铁矿) 矿物经水化后，硬度降低，体积增大，溶解度增加，从而促进物理风化。化学风化-溶解作用 溶解作用 水是一种极性溶剂，岩石中的矿物都是无机盐，在水中都将产生一定程度的溶解。 Ca(PO4)2+2H2O+2CO2Ca(H2PO4)2+2CaCO3 矿物在水中的溶解度，岩石中易溶解矿物的含量愈多，愈易风化。化学风化-碳酸化作用 碳酸化作用 指溶解在水中的CO2成为H2CO3溶液后，其可以促进对岩石的水解作用。 CaCO3(方解石)+CO2+H2OCa(HCO3)2(重碳酸钙) KAlSi3O8(正长石)+4H2O+2CO2 2K2CO3+8SiO2

18、+Al4Si4O10OH8(高岭石) 这一反应在含CO2的水溶液中的速度要比在纯水中快得多。化学风化-氧化作用 氧化作用：空气中的氧，在有水的情况下氧化能力很强，如： 2Fe2SiO4(橄榄石)+3H2O+O2 2Fe2O33H2O(含水氧化铁)+2SiO2(氧化硅胶状) 4FeS2(黄铁矿)+14H2O+15O2 2(Fe2O33H2O)(含水氧化铁)+8H2SO43. 生物风化1) 生物的物理风化主要表现为机械破碎作用，如树根在岩隙中的穿插与长大，穴居幼物的挖掘作用等。2) 生物的化学作用，其表现为多方面。如生命活动与动植物残体的分解所产生的大量CO2，在水解和溶解作用中起着重要作用；而使

19、岩石矿物更易发生风化。另外，人类活动如开矿、筑路、耕作等都会对风化作用有影响。风化阶段前苏联科学家B.B波雷诺夫顺序阶段名称从残积层中大量淋失的元素堆积在残积层中的元素及化合物残积层水化作用程度1碎屑阶段无无弱2钙淀积阶段（饱和硅铝阶段）Cl、SCaCO3硅铝（铁）次生粘土矿物、蒙脱石、拜来石、白云母、绢云母3酸性硅铝铁阶段Cl、Ca、Na、Mg、K、SFe2O3.nH2O,SiO2(石英)、硅铝（铁）组次生粘土矿物，高岭石、多水高岭石、绿高岭石4铝铁阶段Cl、Ca、Na、Mg、K、S、SiO2（硅酸盐）Fe2O3.nH2O Al2O3.nH2O SiO2(石英),偏多水高岭石强风化产物的搬运

20、与堆积水残积物冲积物流水沉积坡积物 风化残余物洪积物湖积物海积物运积物风黄 土沙 丘 冰川冰碛物重力重积物（崩积物）母质与母岩 岩石经过风化作用后形成土壤母质。母质与母岩相比有较大的区别，变化不单纯是形状上的变化，而是母质产生了一些母岩所没有的新特性。 （1） 由于物理风化的作用使岩石的形状由大到小，从坚硬致密状态变为松散状态。 （2） 随着化学风化的进行，母岩彻底分解，使母质中出现了粘粒，因粘粒之间具有毛管孔隙，使母质具有了初步的通透性、保水性能，因而母质初步具备了肥力因素中的水、气、热条件。 （3） 母岩经过化学风化作用，使得其矿物的化学成分发生变化，释放出可溶性盐基物质，成为植物所需的矿

21、质养料的最初来源。母质与土壤 母质并不等于土壤，因为母质还缺乏完整的肥力要素。（1） 作为土壤肥力的重要因素之一的养分在母质中还不能得到充分的保证，尤其是植物需要的氮素相对缺少。（2） 就母质中的水、气来说，母质对水和空气产生了通透性，并开始出现蓄水性，但并没有有机的统一起来。所以说母质是岩石和土壤之间一个过渡体，它只是为肥力的进一步发展打下基础，为成土作用的进行创造了条件。母质风化程度与土壤肥瘦的关系 不同化学风化程度的母质，在很大程度上影响着土壤的肥力，一般高硅性土，含盐基丰富，土质较好，吸水、保水、保肥力强。同时由于含蒙脱石类粘土矿物多，具有剧烈的胀缩性，持水力高，渗透率低，故易与腐殖酸

22、钙紧密结合成稳固的团聚体。而低硅性土，一般含高岭石较多，胀缩性小、持水力低、渗透率高、吸水、保水、保肥性能较差，难以形成稳固的团聚体。1.2 土壤的形成 土壤形成的基本规律 是地球上物质的地质大循环与生物小循环过程矛盾的统一。物质的地质大循环过程 坚硬块状的结晶岩出露地表后，受太阳辐射能及大气降水作用进行风化，形成疏松多孔体的母质。 在生物未出现之前，地球表面的物质循环，可认为一直就是这样进行的。物质的生物小循环过程 物质的生物小循环是有机物质的合成与分解的对立统一过程。它从地球上出现生物有机体时起，就存在于自然界。生物小循环过程是一个生物学过程，其特点是时间短，范围小，植物营养元素有向上富集

23、的趋势。是地质大循环和生物小循环相互作用的结果。地质大循环与生物小循环 地质大循环和生物小循环的关系 以植物营养元素的运动方向来看，生物小循环与地质大循环是相互矛盾的，然而二者又是相互关联，相互统一的。因为地质大循环是营养元素淋失过程，生物小循环是营养元素集中累积的过程，所以是相互矛盾的，但是生物小循环以地质大循环为前提条件，没有地质大循环，岩石中营养元素不能释放，生物无法生活，生物小循环不能进行。但是，从土壤形成的角度来看，生物小循环是必备条件，没有生物小循环、养分元素和有机质不会积累，土壤肥力不会产生。 母质与土壤发生的关系 首先，影响着成土过程的速度、性质和方向。 其次，母质对土壤理化性

24、质有很大的影响。 一般地说，成土过程进行得愈久，母质与土壤的性质差别就愈大。但母质的某些性质却仍会顽强地保留在土壤中。气候与土壤发生的关系湿度因子对土壤形成的影响 中国气候分区降雨量与土壤粘土矿物的关系气候变化与土壤形成土壤地带性分布规律 在中国温带经度地带性:依次出现 趋动力湿度棕漠土、灰棕漠土、灰漠土、棕钙土（灰钙土）、栗钙土、黑钙土和黑土。 在中国温带东部湿润区，由北而南热量递增，土壤纬度地带性分布依次为 (趋动力温度)暗棕壤、棕壤（褐土）、黄棕壤、黄壤、红壤和砖红壤。 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。 据科夫达估计，在陆地上植物每年形成的生物

25、量约为3.51010吨,相当于2.131017千卡的能量 .植物在成土过程中的作用.动物在成土过程中的作用 非洲象牙海岸的白蚁可筑起直径15米，高26米的坚固竖立土墩 ！ 肥沃土壤中蚯蚓的粪便可达30吨/公顷！微生物对土壤形成的作用（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）固定大气中的氮素，增加土壤含氮量；（4）促进土壤物质的溶解和迁移，增加矿质养分的有效度（如铁细菌能促进土壤中铁溶解移动）。地形与母质的关系 冲积物坡积物洪积物残积物成土时间对土壤发育的影响土壤年龄是指土壤发生发育时间的长短，通常把土壤年龄分为绝对年龄和相对年龄。绝对年龄是指

26、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，通常用年表示；相对年龄则是指土壤的发育阶段或土壤的发育程度。 人类生产活动对土壤形成的影响 人的力量便参与了土壤的形成过程，使土壤迅速从自然土壤阶段转变为农业土壤阶段。 人类生产活动:改变了自然因素的分量与对比关系，改变了土壤热、水、光、气、养分的相互关系，克服了不利于作物生长的条件，使土壤肥力逐步恢复并得到提高。使生土变熟土，死土变活土，再由活土、熟土变为肥土和油土等一系列的土壤变化过程。 自然土壤剖面 自然土壤剖面一般可分为四个基本层次，即覆盖层、淋溶层、淀积层和母质层：1. 覆盖层。代号A0（国际代号为O）。这一层为枯枝落叶所组成，在森林土壤中常见。厚度大的枯枝落叶层可再分为两个亚层：其上部为基本未分解的，保持原形的枯枝落叶，代号A00；下部为已腐烂分解，难以分辨原形的有机残体，代号A0。覆盖层虽不属于土体本身，但对土壤腐殖质的形成、积累以及剖面的分化有重要