矿物岩石的风化作用与土壤母质

1、第二节矿物岩石的风化作用与土壤母质土壤是在岩石风化形成的母质上发育起来的，土壤的许多性质与成土岩石、 矿物和母质类型有关。因此有必要研究矿物岩石的风化和母质的形成与类型。一、风化作用的概念和类型（一）风化作用概念风化作用是指地壳最表层的岩石在空气、水、温度和生物活动的影响下，发生 机械破碎和化学变化的过程。（二）风化作用的类型按照风化作用的因素和特点，可将风化作用分为三种 物理风化任用是指岩石因受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程。物理 风化只能引起岩石形状大小的改变，而不改变其矿物组成和化学成分。引起物理 风化有主要原因是地球表面温度的变化，所以物理风化在都属于热力学风化。因 为岩石是热的不良

2、导体，而且岩石是由体膨系数不同的多种矿物组成，在昼夜寒 暑温度剧变的影响下，岩石内部便产生不均一的胀缩差异，因而发生相互顶挤和 拉扯的作用，使矿物颗粒之间的联系容易遭到破坏，导致岩石的破碎。除温度外， 冰冻的挤压，流水的冲刷，风、冰川等自然动力对岩石的磨蚀，以及植物根系的 穿插，均能加速岩石的破碎。物理风化的结果，岩石由大块变成小块再变为细粒，虽然岩石的矿物组成和化学 和成分没有发生改变，但却获得了原来岩石所没有的对水和空气的通透性。由于 物理风化只是机械的破碎，产生的粒子一般都在于0.01mm，毛细管作用不发达， 故不具有对水分的保蓄能力。但岩石经过物理风化后，大大增另岩石与空气的牛 头马面

3、触面积，为促进风化的进一步发展，特别为化学风化创造了有利条件。2、 化学风化作用是指岩石在化学因素作用下，其组成矿物的化学成分发 生分解和改变，直至形成在地表环境中稳定的新矿物。其特点是不仅使已破碎的 岩石进一眇变细，更重要的是使岩石发生矿物组成和化学成分的改变，产生新的 物质。引起化学风化的因素有水、二氧化碳和氧气等大气因素，其中最主要的是 水，水分本身的作用很活泼，同时二氧化碳与氧气的作用也只有在水的参与下才 级显示出来。化学风化一般包括：（1）溶解作用。溶解作用指岩石中的矿物溶解于水的作用。一般矿物难溶于水， 但大量的水或较高的水温则可以加大其溶解度，如1份滑石可溶于110000份水 中

4、，1份石英可溶于10000份热水中，1份云母可溶于34000份水中。（2）水化作用。岩石中的矿物与水化合成为含水矿物，称作不水化作用。 如硬石膏与水结合生成结品石膏，赤铁矿与水结合而成褐铁矿，其反应式如下： CaSO （硬石膏）+2H O-CaSO - 2H O （结品石膏）4 242,、一.、2Fe O （赤铁矿）+nH O-2Fe O nH O（褐铁矿） .2. 3 .一. 一一 2、. .2 3. 一2经过水化后的矿物,往往体积增大，硬度降低，成为易于崩解的疏松状 态，因而促进了岩石风化作用的进行.（3）水解作用.水解作用是指水的部分解离所成的氢离子，与矿物中的碱金属（钾、 钠）或碱土金

5、属（钙、镁）起置换作用，而使岩石矿物遭受破坏。因此，水解作 用的强弱主要决定于水的解离度。水的解离度随温度升高而增加，如水在00C时 的解主度为1，则100C时为1.7,180C时为2.4,340C时为4.5,500C时为8.0。因 此在不同气侯地区和季节，其化学风化的速度和强度是不相同的，如我国高温多 雨的南方化学风化作用比干燥寒冷的北方强烈得多。同一气侯地区则夏季比冬季 化学风化作用强烈。另外，二氧化碳和各种酸类物质可加强水的解离作用，增加水中的H+浓度，从而 增强水解作用。水解作用能使岩石中的矿物发生彻底分解，引起岩石内部矿物组成和性质的彻底 改变。因此，水解作用被认为是化学风化中最基本

6、、最主要的作用。例如，岩石 中常见的硅酸盐矿物，几乎都因水解作用而发生彻底分解。（4）氧化作用。大部分岩浆岩、变质岩和部分沉积岩是在缺氧条件下形成的， 这些岩石中的矿物所含的变价元素，如铁、锰、硫等都以低价状态存在，当这些 矿物暴露于地表，其低价离子与含氧的水接触时，就会被氧化成高价离子。富含 变价元素的岩石、矿物（如富含亚铁的橄榄石，角闪石、辉石等）氧化作用尤为 剧烈。如黄铁矿的氧化：4FeS （黄铁矿）+14H O+15O -2 （FeO.3HO） +8H SO氧化作用不仅使矿物、2岩石体积增大而疏松，而且产生各种酸，特别是硫酸腐蚀 很强，可继续对其他矿物进行分解而加速岩石的风化。上述各种

7、作用很少单独进行，常为两种以上同时发生。化学风化的结果，使岩石 进一步分解，彻底改变了原来的岩石内部矿物的组成和性质，产生一批新的次生 粘土矿物，它们颗粒很细，一般Z0.001mm，呈胶体分散状态，使母质开始具有 吸附能力、粘结性和可塑性，并出现毛管现象，有一定的蓄水性。同时也释放出 一些简单的可溶性盐物质，成为植物养料的最初来源。生物风化作用 生物风化作用指岩石在生物及其分泌物或有机质分解产物的 作用下，进行崩解和分解。生物对岩石风化的影响：一是机械破碎作用如植物根 系的穿插以及动物的穴居习性等对岩石引起的机械破碎；二是生物化学作用，引 起岩石化学风化的有二氧化碳和氧，都是生命活动的产物。所

8、以当地球上出现了 生命现象以后，便大大地加速了岩石的化学风化。此外，在生物活动过程中，还 能分泌出各种无机酸和有机酸，以进一步加速了化学风化的过进程。生物风化更为重要的影响是它能使风化产物中的植物营养元素在母质表层 集中，同时累积了有机质，因而发展了肥力。故生物开始参与风化作用也就意味 着土壤成土过程的开始。此外，人类的活动如开矿、筑路、平整土地、开山造田、兴修水利等，都 能使岩石遭受破坏，加速其风化过程。在自然界中，岩石矿物的物理风化、化学风化和生物风化三者同时并存， 相互影响，相互促进。但由于外界环境条件不同而各有侧重，在温热的南方，以 化学风化和生物风化占优势，风化强度大，风化较为彻底，

9、风化后形成较细的粘 粒。在干寒的北方，以物理风化占优势，风化度浅，风化后所形成的矿物颗粒较 粗大，以石砾、砂粒、粉砂粒占优势。二、土壤母质的形成及我国的主要成土母质（一）母质的形成裸露的岩石经风化作用而形成疏松的、粗细不同的矿物颗粒的地表堆积体， 是形成土壤的母体，称为纯质。母质有别于岩石，其颗粒小，单位体积或单位质 量的表面积（即比表面积）增大，颗粒间多孔隙，疏松，有一定的透水性，通气 性及吸附性能。（二）我国的主要成土母质岩石经风化作用所形成的母质，很少能残留在原来形成的地方，大多数情况下， 是经受各种自然动力(如水、风、冰川、重力等)搬运到其他地方，形成各种沉 积物。按风化产物搬运动力与

10、沉积特点的不同，可将土母质分为以下几个主要类 型：残积物是指未经外力搬运迁移而残留于原地的淋失风化物的杂乱堆积体， 分布于山地与丘陵顶部较高的部位。没有明显的层次性，其颗粒大小极不均匀。 其特点是层次薄，质地疏松，通气性好。母质的矿物组成和化学成分性质深受基 岩的影响。坡积物 是在重力和雨水冲刷的影响下，将山坡上部的风化产物搬运到坡脚 或谷地堆积而成。其特点是搬运距离不远，分选度差，层次不明显，大小石块夹 杂，粗细粒混存，通气透水性良好。同时因承受上部来的养分，水分以及较细土 粒的影响，所以水分、养分也比较丰富。这种母质形成的土壤肥力一般较高。但 坡积物的性质仍因山坡上部岩石种类和所处气侯条件

11、的不同而有很大差异。 洪积物是由于山区临时性的洪水暴发，洪水夹带岩石碎屑、砂粒等沿山 坡下泻至山前平缓地带沉积而成。沿山麓成带状分布，其外形是以山谷出口为尖 端向四处分散的扇状锥，分选性差。在山谷出口处沉积的主要是碎石、巨砾和粗 砂粒等，沉积厚度深，层次不明显；在冲积扇边缘沉积的物质较细，多为细砂、 粉砂或粘粒，厚度渐减，层次也较明显。因此，由冲积扇顶部向扇缘推移，形成 的土壤由粗变细，肥力逐渐提高。 河流冲积物是岩石的风化产物受河流经常性流水浸蚀、搬运，在流速减 缓时沉积于河谷地区的沉积物。因所处地势不同，沉积物的性质也不同。在河谷 地区一般多为砾石和砂粒，分选性差。而在开阔的平原河谷，沉积

12、物的物质较细， 主要为粉砂、细砂、粘普。此类沉积物分布范围大，面积广，在江河的中、下游 一带都有这类沉积物分布，如东北平原、华北平原、长江中下游平原、珠江三角 洲。其特点是：成层性。由于季节性雨量的差异，各时期的河水流量和流速不同，搬运和 沉积的物质颗粒大小也为同，从而造成上下部具有明显的成层分选性。成带性。因流速不同，在河流上下游及离河远近处质地有区域变化。上游 粗，下游细；近河粗，离河远则细。成分复杂。由于河流冲积物分布广，物质来源于上游各地，故矿物质种类 多，植物养分较丰富，下游宽广的冲积平原，多形成为肥沃的土壤。湖积物 是由湖水泛滥沉积而成的沉积物，分布在大湖的周围。由于湖水泛 滥水流

13、较缓，所以沉积物质地较细，但仍有分选性，常出现此不同质地层次。此 种母质不仅水分足、养分多，有机质质量分数也高，往往形成肥沃的土壤。如我 国洞庭湖、鄱阳湖、太湖的周围均为此种沉积物。海积物 为海边的海相沉积物。由于海岸上升或江河入海的回流淤积物露出 水面形成。在我国东南沿海地区有较大面积分布。各地海积物质地粗细不一，全 为砂粒的沙滩，其养分质量分数较低；全为粘细的沉积物，其养分质量分数较高。 但均含有较多的盐分。风积物 经风搬运而堆积的物质。一般可分为沙质沉积物和黄土两大类。(1)沙质沉积物。为风力将砂粒搬运，在前进途中遇障碍物或风速减低时堆积 而。这种母质的特点是质地粗，砂性大，水分和养分缺

14、乏，形成的土壤肥力很 低。（2）黄土。我国黄土高原的黄土多为风成的。主要分布黄河中下游的甘、宁、 蒙、陕、晋、豫、冀、新、青、东北三省亦有少量分布。该母质颗粒组成以粉砂 粒为主，大小均一，疏松多孔，呈灰黄或棕黄色，厚度由几米至200m以上。所 发育的土壤因水土流失严重，大多属低产土壤。黄土状沉积物 为第四纪时期黄土经冰水、洪水作用再移运的沉积物。在我 国东北、华北及华中地区分布广泛。另在更新世时期，黄土经流水侵蚀，搬运至 下游广泛沉积为质地粘重的红黄色或灰黄色土状沉积物，称下蜀系黄土状沉积物 或下蜀系黄土。两者均为次生黄土。冰碛物 由冰川夹带的物质搬运沉积而成。其特点是无成层性和分选性，岩 石

15、碎块与大小颗粒混存。冰碛物也可能是由于冰川融化的流水运积作用而形成的 冰水沉积物。如我国长江以南分布面积较广的第四纪红色粘土，就属冰水沉积物。 其特点是母质层深厚，质地粘细，呈棕红色，酸性强，养分较缺乏，是南方红壤 重要母质类型之一。第一节土壤矿物质土粒的组成与特性粒径对矿物质土粒的矿物组成与化学组成的影响土壤中的各种固体颗粒简称土粒。土粒又可分单粒（原生颗粒）和复粒（次生颗 粒）。前者主要是岩石矿物质土粒；后者是各种单粒在物理化学和生物化学作用 下复合而成的粘团、有机矿质复合体和微团聚体。单粒的粒径对矿质土粒的矿 物组成与化学组成有重要影响。粒径粗的矿质土粒主要由原生矿物组成，其中以 石英质

16、量分数最多，此外还有长石、云母等原生硅酸盐矿物，以及少量赤铁矿、 针铁矿、磷灰石等到；粒径细的则基本上由次生矿物组成，如高岭石，水云母、 蒙脱石等，以及铁、铝氧化物的水合物，而原生矿物很少，在化学组成上，矿质 土粒愈粗，、SiO2质量分数愈高。，随着颗粒由粗到细，SiO2质量分数降低，而铝、 素也是有差别的。、口 口二、矿物质土粒的大小分级一一粒级分类（一）粒级的概念土壤矿质颗粒大小参差不齐，大的直径在数毫米以上，小的尚不足1nm，大小相 差达百倍。通常根据矿质土粒（单粒）粒径大小及其性质上的变化，将其划分为 若干组，称为土壤粒级（粒组）。同一粒级矿质土粒在成分和性质上基本一致， 不同粒级矿质

17、土粒之间则有较明显的差别。（二）粒级的分类粒级分类的标准常有以下三种：1、国标制国标制矿质土粒分级标准（表1-3 ）是由瑞典土壤学家爱特伯提出的，其特点是十进位制，分级少而便于记忆，但分级界线的人为性太强。表1-3 国际制矿质土粒分级标准粒级名 称粒径（mm）石砾2砂粒粉砂粒粗砂粒细砂粒2 0.20.20. 020.020. 002粘粒33 1粗砂粒1 0.5砂0.5 0.25粒中砂粒细砂粒0.25 0.05粗粉粒0.05 0.01粉0.01 0.005粒0.005 0.001中粉粒细粉粒粗粘粒0.001 0.0005粘粒细粘粒0.0005 0.0001胶粒0.0001物理性砂粒1 0.01简

18、制物理性粘粒808565卡庆斯基质地分类详制是在简制的基础上。按照主要粒级而细分的，把质量分类 最多和次多的粒级作为冠词，顺序放在简制名称前面，用于土壤层次分类用大比 例尺制图。例如，某土壤粘粒45%，粉粒（中、细）25%，粗粉粒20%，砂粒10%， 占优势的粒给为粘粒和粉粒，质地名称定名为粘粉质中的粘土。3、我国土壤质地分类20世纪30年代，熊毅曾提出过一个土壤质地分类。20世纪70年代邓时琴等拟了一个试行的“中国土壤质地分类”，载入中国土 壤（第一版，1978），后经修改形成现行的中国土壤质地分类（表1-7）表1-7中国土壤质地分类颗粒组成（粒径：（mm）(%)质地组质地名称砂粒(10 0

19、.05)粗粉粒(0.05 0.01)细粘粒 (8070 8060 7050 6030颗粒组成（粒径：（mm）(%)质地组质地名称砂粒(10 0.05)粗粉粒(0.05 0.01)细粘粒 (0.001)壤土砂粉土 粉土N20 20N4030砂壤土 壤土N20 2060三、不同质地土壤的肥力特点和利用改良（一）不同质地土壤的肥力特点和利用1、砂质土砂质土含砂粒多，粘粒少，粒间多为大孔隙，土壤通透性良好，透水排水快，但缺乏毛管孔隙，土壤持水量小，蓄水保水抗旱能力差。由于砂质 土主要矿物为石英，缺乏养分元素和胶体，土壤保蓄养分能力低，养分易流失， 因而表现为养分贫乏，保肥耐肥性差，施肥时肥效来得快且猛

20、，但不持久。砂质 土水少气多，土温变幅大，昼夜温差大，早春土温上升快，称热性土。土表的高 温不仅直接灼伤植物，也造成干热的近地层小气候，加剧土壤和植物的失水。砂 质土疏松，结持力小，易耕作，但耕作质量差。施肥时应多施未腐熟的有机肥，化肥施用则宜少量多次，并注意解决“发小不发 老”，后期脱肥早衰、结实率低、籽粒轻等问题。在作物种植上宜选种耐瘠耐旱、 生长期短、早熟的作物，以及块根、块茎和蔬菜类作物。2、 粘质土粘质土含砂粒少，粘粒多，毛管孔隙特别发达，大孔隙少，土壤 透水透气性差，排水不良，不耐涝。土壤特水量大，但水分损失快，保水抗旱能 力差，有“晴三天张大嘴，雨三天淌黄水”，的说法。因此，在雨

21、水多的季节要 注意沟道通畅以排出积水，夏季伏旱注意用时灌溉和采用抗旱保墒的耕作法。 这类土壤含矿质养分较丰富，但通气性差，有机质分解缓慢，腐殖质累积较多； 土壤保肥能力强，养分不易淋失，肥效慢，稳而特久，“发老不发小”；此类土 壤宜施用腐熟的有机肥，化肥一次用量可比砂质土多，苗期注意施用速效肥促早 发。粘质土土温变幅小，早春土温上升缓慢，有冷性土壤之称。土壤涨缩性强， 干时田面大开裂、深裂，易扯伤根系。适宜种植粮食作物以及果、桑、茶等多年 生的深根植物。3、 壤质土壤质土由于所含砂粒、粘粒比较适宜，它兼有砂土类和粘土类 土壤肥力的特点，既有砂质土的良好通透性和耕性，发小苗等优点，又有粘土对 水

22、分、养分的保蓄性，肥效稳而长等优点，适种范围广，是农业生产较为理想的 土壤质地。（二）土壤质地层次性（质地剖面）除了土壤表层质地粗细有差别之外，在同一土壤的上下层之间的质 地也可能有很大的不同。有的土壤的质地层次表现为上粘下砂，也有的表现为上 砂下粘，或砂粘相间。产生质地层次性的原因，主要有两个方面：一是自然条件； 另一是人为耕作所造成。 自然条件所产生的层次性最常见的是冲积性母质上发育 的土壤质地层次性。由于不同时期的水流速率和母质来源不等，所以各个时期沉 积物的粗细不一样。所谓“紧出砂，慢出淤，不紧不慢出出两合（即土壤）”。 此外，在土壤形成过成中，则于粘粒随渗漏水下移或下层化学分解使粘粒增多， 也会使土体各层具有不同的质地。 耕作的作用经常不断地耕作，犁的重压使土壤形成犁底层， 不仅使这层土壤变得紧实，而且土壤质地也发生分化，对水稻土的作用尤为突出。 耕地土壤上的串灌也可使表层中细土粒大量流失，造成上砂下粘的土层。质地层次对土壤肥力的影响，侧重在质地层次排列方式和层次厚度上， 特别是土体1m内的层次特点。一个良好的质地层次，应该易于协调供应作物整 个生长过程中水、肥、气、热的需要，一般来讲，“上砂下粘”比“上粘下砂” 好。（三）不同质地土壤的改良良好的土壤质地应是砂粘适中，有利于形成良好的土壤结构，具有