土壤形成过程

土壤圈是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈相互作用的产物。土壤物质来源于这些圈层，以三种状态----固态、液态和气态存在着，固体部分包括有机物（来源于生物圈）和无机矿物（来源于岩石圈），气体，液体部分即土壤溶液（水圈的组成部分）。同时，土壤携带了其形成时的环境信息。既包括大气中的气体，还包括土壤生物化学反应释放出的气体（最终进入大气圈）土壤是地壳表层长期演化形成的，是生命的温床，是复杂的生物物理化学体系。人类的生存与发展时刻离不开土壤这一宝贵资源，但是由于工业文明和社会经济的飞速发展，土壤面临着前所未有的危机，保持土壤使之可持续地被人类所利用已是迫在眉睫的历史任务1.土壤的形成土壤是岩石圈顶部经过漫长的物理风化，化学风化和生物风化作用的产物。物理风化的本质是将地表整块岩石物理分解成大量小碎屑的过程;化学风化则改变了岩石的化学组成和矿物面貌，其中地表（地下）水和大气中氧、二氧化碳的作用最为重要，使造岩矿物分解，形成以粘土矿物为主的松散物质，即通常所说的风化壳。生物在土壤形成过程中的意义更为关键。生物的风化作用是通过生物新陈代谢和生物死亡后生物降解作用实现的。生物腐烂形成腐殖质，增加了N、P、K和碳水化合物等养分，使风化壳最终形成土壤。2.土壤的生物物理化学关系由物理、化学和生物作用形成的土壤是一个非常复杂的体系，对大气和水化学环境的变化相当敏感。土壤质量的变化对植物和微生物从而对动物、人类产生明显影响。任何外来物质的加入以及人为的改造，都将引发土壤内部一系列的物理、化学甚至微生物环境的改变。诸如，无机肥料施放过多，会造成土壤颗粒电荷的丧失，从而造成土地板结，微生物的生存空间和条件大大改变，致使微生物数量减少，影响了微观生态环境。当然，土壤也有一定的自净能力，能缓冲少量外来物和轻微的人为干扰。但大规模、长期的人为影响终将使体系失衡，引发大的破坏和损失。土壤组成土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系，它们的相对含量因时因地而异。土壤固体包括土壤矿物质和土壤有机质。土壤矿物质占土壤的绝大部分，约占土壤固体总重量的90,以上。土壤有机质约占固体总量的1,10，一般在可耕性土壤中约占5,且绝大部分在土壤表层。土壤液相是指土壤中水分及其水溶物。土壤中无数空隙充满空气，即土壤气相典型土壤约有35的体积是充满空气的空隙，所以土壤具有疏松的结构。典型土壤随深度呈现不同的层次。最上层为覆盖层（A0），由地面上的枯枝落叶所构成。第二层为淋溶层（A），是土壤中生物作用最活跃的一层，土壤有机质大部分在这一层，金属离子和粘土颗粒在此层中被淋溶的最显著。第三层为淀积层，（B）它受纳来自上一层淋溶出来的有机物、盐类和粘土颗粒类物质。C层也叫母质层，是由风化的成土母岩构成。母质层下面为未风化的基岩，常用D层表示。1、土壤矿物质土壤矿物质是由岩石（母岩和母质）经过物理风化和化学风化形成的，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。按其成因类型可分为原生矿物和次生矿物。1）原生矿物:是直接来源于岩石受到不同程度的物理风化作用的碎屑，其化学成分和结晶构造未有改变。土壤原生矿物主要种类有:硅酸岩和铝酸盐类、氧化物类、硫化物和磷酸盐类，以及某些特别稳定的原生矿物（如石英、石膏、方解石。等）2）次生矿物:岩石风化和成土过程新生成的矿物，包括各种简单盐类，次生氧化物和铝硅酸盐类矿物等统称次生矿物。次生矿物中的简单盐类属水溶性盐，易淋失，一般土壤中较少，多存在于盐渍土中。三氧化物类和次生铝硅酸盐是土壤矿物质中最细小的部分，一般称之为次生粘土矿物。土壤很多物理、化学性质，如吸收性、膨胀收缩性、粘着性等都和土壤所含的粘土矿物，特别是次生铝硅酸盐的种类和数量有关。（1）简单盐类:它们都是原生矿物经化学风化后的最终产物，结晶构造也较简单，常见于干旱和半干旱地区的土壤中。（2）三氧化物类:它们是硅酸盐矿物彻底风化后的产物，结晶构造较简单，常见于湿热的热带和亚热带地区土壤中，特别是基性岩（玄武岩、石灰岩、安山岩）上发育的土壤中含量最多。（3）次生硅酸盐类:这类矿物在土壤中普遍存在，种类很多，是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成。它们是构成土壤的主要成分，故又称为粘土矿物或粘粒矿物。由于母岩和环境条件的不同，使岩石风化处于不同阶段，在不同的风化阶段所形成的次生粘土矿物的种类和数量也不同。但其最终产物都是铁铝氧化物。土壤中次生硅酸盐可分为三大类:伊利石、蒙脱石、和高岭石。伊利石是一种风化程度较低的矿物，一般土壤中均有分布，但以温带干旱地区的土壤中含量最多。其膨胀性较少，具有较高的阳离子代换量，并富含钾。蒙脱石为伊利石进一步风化的产物，是基性岩在碱性环境条件下形成的，在温带干旱地区的土壤中含量较高。其阳离子代换量极高。它所吸收的水分植物难以利用，因此富含蒙脱石的土壤，植物易感水分缺乏，同时干裂现象严重而不利于植物生长。高岭石为风化程度极高的矿物，主要见于湿热地区的土壤中，在花岗岩残积母质上发育的土壤中含量也较高。其膨胀性小，阳离子代换量亦低。富含高岭石的土壤，透水性良好，植物可获得有效水分多，但供肥、保肥能力低，植物易感养分不足。2、土壤有机质土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。一般占固相总重量的10,以下，却是土壤的重要组成部分，是土壤形成的主要标志，对土壤性质有很大的影响。土壤有机质主要来源于动植物和微生物残体。可分为两大类，一类是组成有机体的各种有机化合物，称为非腐殖物质，如蛋白质、醣类、树脂、有机酸等;另一类是称为腐殖质的特殊有机化合物，它不属于有机化学中现有的任何一类，它包括腐殖酸、富里酸和腐黑物等。3、土壤水分土壤水分是土壤的重要组成部分，主要来自大气降水和灌溉。在地下水位接近地面的（2,3m）情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。此外，空气中水蒸汽遇冷凝成为土壤水分。水进入土壤以后，由于土壤颗粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，可将一部分水保持住。但不同土壤保持水分的能力不同。砂土由于土质疏松，孔隙大，水分容易渗漏流失;粘土土质细密，孔隙小，水分不容易渗漏流失。气候条件对土壤水分含量影响也很大。土壤水分实际上是土壤中各种成分和污染物溶解形成的溶液，即土壤溶液。因此土壤水分既是植物养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染物向其它环境圈层（如水圈、生物圈等）迁移的媒介。4、土壤中的空气土壤空气组成与大气基本相似，主要成分都是N2、O2、和CO2。其差异是：（1）土壤空气存在于相互隔离的土壤孔隙中，是一个不连续的体系；（2）在O2和CO2含量有很大的差异。土壤空气中CO2含量比空气中高得多。大气中CO2含量为0.02,0.03，而土壤空气含量一般为0.15,0.65，甚至高达5,，这主要是由于生物呼吸作用和有机物分解产生。氧的含量低于大气。土壤空气中水蒸汽的含量比大气中高得多。土壤空气中还含有还原性气体，如CH4、H2S、H2、NH3等。如果是被污染的土壤，其空气中还可能存在污染物。5、土壤的粒级分组，其性质和成分都不一样。在较细的土壤矿物质是以大小不同的颗粒物状态存在的。不同粒径的土壤矿物质（即土粒）土粒中，钙、镁、磷、钾等元素含量增加。一般地说，土粒越细，所含的养分越多，反之，则约少。为了研究方便，人们常按粒径的大小将土粒分为若干组，称为粒组或粒级，同组土粒的成分和性质基本一致，组间则有明显差异。粒级的划分标准及详细程度，各国尚不一致，主要有三种不同的划分，即国际制、前苏联制和美国制。6、土壤的质地分组自然界的土壤都是有许多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成的，各粒级在土壤中所占的相对比例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫土壤质地。土壤质地分类是以土壤中各粒级含量的相对百分数作标准的。各国土壤质地的分类标准也不尽相同，主要有国际制美国制和苏联制。国际制和美国制均采用三级分类法，即按砂粒、粉砂粒、粘粒三种粒级的百分数，划分为砂土、壤土、粘壤土和粘土四类十二级。土壤质地可在一定程度上反映土壤矿物组成和化学组成，同时土壤颗粒大小与土壤的物理性质有密切关系，并且影响土壤孔隙状况，因此对土壤水分、空气、热量的运动和养分转化均有很大的影响。质地不同的土壤表现出不同的性状。壤土兼有砂土和粘土的优点，而克服了二者的缺点，是理想的土壤质地土壤性质（一）土壤吸附性土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微生物，它们对污染物在土壤中的迁移、转化有重要作用。土壤胶体以其巨大、的比表面积和带电性，而使土壤具有吸附性。1、土壤胶体的性质1）土壤胶体具有巨大的比表面和表面能：比表面是单位重量（或体积）物质的表面积。定体积的物质被分割时，随着颗粒数的增多，比表面也显著地增大。物质的比表面越大，表面能也就越大。2）土壤胶体的电性:土壤胶体微粒具有双电层，微粒的内部称微粒核，一般带负电荷，形成一个负离子（即决定电位离子层）其外部由于电性吸引，而形成一个正离子（又称反离子层，包括非活动性离子层和扩散层），即合称为双电层。3）土壤胶体的凝聚性和分散性：由于胶体的比表面和表面能都很大，为了减小表面能胶体具有相互吸引，凝聚的趋势，这就是胶体的凝聚性。但是在土壤溶液中，胶体常带负电荷，即具有负的电动电位，所以胶体微粒又因相同而相互排斥，电动电位越高，相互排斥力越强，胶体微粒呈现出的分散性也越强。影响土壤凝聚性能的主要因素是土壤胶体的电动电位和扩散层厚度，例如土壤溶液中阳离子增多，由于土壤胶体表面负电荷被中和，从而较强土壤的凝聚。此外，土壤溶液中电解质浓度、pH值也将影响其凝聚性2、土壤胶体的离子交换吸附。离子在土壤胶体双电层扩散层中，补偿离子可以和溶液中相同电荷的离子价为依据作等价交换，称为离子交换（或代换）交换作用包括阳离子吸附作用和阴离子交换吸附作用。每千克干土中所含全部阳离子总量，称为阳离子交换量。土壤的可交换性阳离子有两类:一类是致酸离子，包括H和Al3;另一类是盐基离子，包括Ca2、Mg2、K、Na、NH4等。当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子，且已达到吸附饱和时的土壤，称为盐基饱和土壤，否则，这种土壤为盐基不饱和土壤。在土壤交换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为土壤盐基饱和度。它与土壤母质、气候等因素有关。3、土壤酸碱性由于土壤是一个复杂的体系，其中存在着各种化学和生物化学反应，因而使土壤表现出不同的酸碱性。我国土壤的pH大多在4.5,8.5范围内，并有由南向北pH值递增的规律性，长江（北纬330）以南的土壤多为酸性和强酸性，如华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤;pH值大多数在4.5,5.5之间，有少数低至3.6,3.8;华中华东地区的红壤，pH值在5.5,6.5之间;长江以北的土壤多为中性或碱性，如华北、西北的土壤大多含CaCO3,pH值在7.5,8.5之间，少数强碱性的pH值高达10.5。1）土壤酸度根据土壤中H离子的存在方式，土壤酸度可分为两大类：（1）活性酸度:土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称有效酸度，通常用pH表示。土壤溶液中氢离子的来源，主要是土壤中CO2溶于水形成的碳酸和有机物质分解产生的有机酸，以及土壤中矿物质氧化产生的无机酸，还有施用肥料中残留的无机酸，如硝酸、硫酸和磷酸等。此外，由于大气污染形成的大气酸沉降，也会使土壤酸化，所以它也是土壤活性酸度的一个重要来源。（2）潜性酸度:土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H和Al3。当这些离子处于吸附状态时，是不显酸性的，但当它们通过离子交换作用进入土壤溶液之后，可增加土壤的H浓度，使土壤pH值降低。只有盐基不饱和土壤才有潜性酸度，其大小与土壤代换量和盐基饱和度有关。根据测定土壤潜性酸度所用的提取液，可以把潜性酸度分为代换性酸度和水解酸度。用过量中性盐（如NaCl或KCl）溶液淋洗土壤，溶液中金属离子与土壤中H和Al3发生离子交换作用，而表现出的酸度，称为代换性酸度。由土壤矿物质胶体释放出的氢离子是很少的，只有土壤腐殖质中的腐殖酸才可产生较多的氢离子。近代研究已经确认，代换性Al3是矿物质土壤中潜性酸度的主要来源。例如，红壤的潜性酸度95，以上是由代换性Al3产生的。用弱酸强碱盐（如醋酸钠）淋洗土壤，溶液中金属离子可以将土壤胶体吸附的H、Al3代换出来，同时生成某弱酸（醋。此时，测定出的该弱酸的酸度称为水解性酸度。酸）水解性酸度一般比代换性酸度高。由于中性盐所测出的代换性酸度只是水解性酸度的一部分，当土壤溶液在碱性增大时，土壤胶体上吸附的H较多被代换出来，所以水解酸度较大。但在红壤和灰化土中，由于胶体中氢氧根离子中和醋酸，且对醋酸分子有吸附作用，因此，水解性酸度接近于或低于代换性酸度。（3）活性酸度与潜性酸度的关系:土壤的活性酸度与潜性酸度是同一个平衡体系的两种酸度。二者可以相互转化，在一定条件下处于暂时平衡状态。土壤活性酸度是土壤酸度的根本起点和现实表现。土壤胶体是H和Al3的储存库，潜性酸度则是活性酸度的储备。土壤的潜性酸度往往比活性酸度大得多，相差达几个数量级。2）土壤碱度土壤溶液中OH-离子的主要来源是碳酸根和碳酸氢根的碱金属（Ca、Mg）的盐类。碳酸盐碱度和重碳酸盐度的总称为总碱度。不同溶解度的碳酸盐和重碳酸盐对土壤碱性的贡献不同，CaCO3和MgCO3的溶解度很小，故富含CaCO3和MgCO3的石灰性土壤呈弱碱性（pH在7.5,8.5）;Na2CO3、NaHCO3及Ca（HCO3）2等都是水溶性盐类，可以出现在土壤溶液中，使土壤溶液中的碱度很高，含其从土壤pH来看，Na2CO3的土壤，pH值一般较高，可达10以上，而含NaHCO3及CaHCO32的土壤，其pH值常在7.5,8.5，碱性较弱。当土壤胶体上吸附的Na、K、Mg2（主要是Na）等离子的饱和度增加到一定程度时会引起交换性阳离子的水解作用。结果在土壤溶液中产生NaOH使土壤呈碱性。此时Na离子饱和度亦称土壤碱化度。胶体上吸附的盐基离子不同，对土壤pH值或土壤碱度的影响也不同。3）土壤的缓冲性能土壤缓冲性能是指具有缓和酸碱度发生剧烈变化的能力，它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境，所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。（1）土壤溶液的缓冲作用:土壤溶液中含有碳酸、硅酸、磷酸、腐殖酸和其它有机酸等弱酸及其盐类，构成一个良好的缓冲体系，对酸碱具有缓冲作用。（2）土壤胶体的缓冲作用:土壤胶体吸附有各种阳离子，其中盐基离子和氢离子能分别对酸和碱起缓冲作用。土壤胶体的数量和盐基代换量越大，土壤的缓冲性能就越强。因此，砂土掺粘土及施用各种有机肥料，都是提高土壤缓冲性能的有效措施。在代换量相等的条件下，盐基饱和度愈高，土壤对酸的缓冲能力愈大;反之，盐基饱和度愈低，土壤对碱的缓冲能力愈大。另外，铝离子对碱的也能起到缓冲作用。(二)土壤氧化还原性土壤中有许多有机和无机的氧化性和还原性物质，因而使土壤具有氧化还原特性。一般，土壤中主要的氧化剂有:氧、锰(?)气、NO3-和高价金属离子，如铁(?)、钛(?)等。主要的还原剂有:有机质和低价金属离子。此外，、钒(?)土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者。土壤氧化还原能力的大小可以用土壤的氧化还原电位来衡量。一般旱地土壤好氧化还原电位为400,700mV;水田的氧化还原电位在300,-200mV。根据土壤的氧化还原电位值可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。土壤圈是指岩石圈最外面一层疏松的部分，其表面或里面有生物栖息。土壤圈是构成自然环境的五大圈(大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈)之一，是联系有机界和无机界的中心环节，也是与人类关系最密切的一种环境要素。土壤圈的平均厚度为5米，面积约为1.3X108平方千米。土壤是由岩石风化和母质的成土两种过程综合作用下形成的产物，是人类和生物赖以生存的物质基础。植物生长发育所需的水分和养分，一般都是从土壤获取。同时，土壤还是支撑植物生长的基底。土壤的本质属性是具有肥力。肥力是指土壤供给植物生物发育所必需的水分和营养元素的能力。土壤肥力的大小取决于水、肥、气、热的协调状况及土壤能否提供植物生物发育的条件。这些条件与土壤物质组成、能量运动状况、自然条件以及人工措施等有关。一般说，在气候、生物等自然因素作用下形成的土壤称为自然土壤;在耕种、施肥、灌排等人为因素作用下，改变着土壤的自然特性，而使之形成耕作土壤。它有净化、降解、消纳各种污染物的功能:大气圈的污染物可降落到土壤中，水圈的污染物通过灌溉也能进入土壤。但是土壤圈的这种功能是有限的，如果污染超过了它能容纳的限度，土壤也会通过其他途径释放污染物，如：通过地表径流进入河流或渗入地下水使水圈受污染，或者通过空气交换将污染物扩散到大气圈;生长在土壤之上的植物吸收了被污染的土壤中的养分，其生长和品质也会受到影响……我们人类也生活在土地上，我们的一切活动都是由“脚踏实地”开始的，我们的生存也离不开土地滋养的植物。因此，我们必须清楚土壤的重要性，珍惜我们脚下的土壤。土壤形成因素（1）母质因素:风化作用使岩石破碎，理灾矢谋洌纬山峁故杷傻姆缁牵渖喜靠沙莆土壤母质。成土母质是土壤形成的物质基础和植物矿质养分元素（氮除外）的最初来源。母质代表土壤的初始状态，它在气候与生物的作用下，经过上千年的时间，才逐渐转变成可生长植物的土壤。（2）气候因素:气候对于土壤形成的影响，表现为直接影响和间接影响两个方面。直接影响指通过土壤与大气之间经常进行的水分和热量交换，对土壤水、热状况和土壤中物理、化学过程的性质与强度的影响。在寒冷的气候条件下，一年中土壤冻结达几个月之久，微生物分解作用非常缓慢，使有机质积累起来;而在常年温暖湿润的气候条件下，微