礦物巖石的風(fēng)化作用與土壤母質(zhì)

1、第二節(jié)礦物巖石的風(fēng)化作用與土壤母質(zhì)土壤是在巖石風(fēng)化形成的母質(zhì)上發(fā)育起來的，土壤的許多性質(zhì)與成土巖石、 礦物和母質(zhì)類型有關(guān)。因此有必要研究礦物巖石的風(fēng)化和母質(zhì)的形成與類型。一、風(fēng)化作用的概念和類型（一）風(fēng)化作用概念風(fēng)化作用是指地殼最表層的巖石在空氣、水、溫度和生物活動的影響下，發(fā)生 機械破碎和化學(xué)變化的過程。（二）風(fēng)化作用的類型按照風(fēng)化作用的因素和特點，可將風(fēng)化作用分為三種 物理風(fēng)化任用是指巖石因受物理因素作用而逐漸崩解破碎的過程。物理 風(fēng)化只能引起巖石形狀大小的改變，而不改變其礦物組成和化學(xué)成分。引起物理 風(fēng)化有主要原因是地球表面溫度的變化，所以物理風(fēng)化在都屬于熱力學(xué)風(fēng)化。因 為巖石是熱的不良

2、導(dǎo)體，而且?guī)r石是由體膨系數(shù)不同的多種礦物組成，在晝夜寒 暑溫度劇變的影響下，巖石內(nèi)部便產(chǎn)生不均一的脹縮差異，因而發(fā)生相互頂擠和 拉扯的作用，使礦物顆粒之間的聯(lián)系容易遭到破壞，導(dǎo)致巖石的破碎。除溫度外， 冰凍的擠壓，流水的沖刷，風(fēng)、冰川等自然動力對巖石的磨蝕，以及植物根系的 穿插，均能加速巖石的破碎。物理風(fēng)化的結(jié)果，巖石由大塊變成小塊再變?yōu)榧?xì)粒，雖然巖石的礦物組成和化學(xué) 和成分沒有發(fā)生改變，但卻獲得了原來巖石所沒有的對水和空氣的通透性。由于 物理風(fēng)化只是機械的破碎，產(chǎn)生的粒子一般都在于0.01mm，毛細(xì)管作用不發(fā)達(dá)， 故不具有對水分的保蓄能力。但巖石經(jīng)過物理風(fēng)化后，大大增另巖石與空氣的牛 頭馬面

3、觸面積，為促進(jìn)風(fēng)化的進(jìn)一步發(fā)展，特別為化學(xué)風(fēng)化創(chuàng)造了有利條件。2、 化學(xué)風(fēng)化作用是指巖石在化學(xué)因素作用下，其組成礦物的化學(xué)成分發(fā) 生分解和改變，直至形成在地表環(huán)境中穩(wěn)定的新礦物。其特點是不僅使已破碎的 巖石進(jìn)一眇變細(xì)，更重要的是使巖石發(fā)生礦物組成和化學(xué)成分的改變，產(chǎn)生新的 物質(zhì)。引起化學(xué)風(fēng)化的因素有水、二氧化碳和氧氣等大氣因素，其中最主要的是 水，水分本身的作用很活潑，同時二氧化碳與氧氣的作用也只有在水的參與下才 級顯示出來?；瘜W(xué)風(fēng)化一般包括：（1）溶解作用。溶解作用指巖石中的礦物溶解于水的作用。一般礦物難溶于水， 但大量的水或較高的水溫則可以加大其溶解度，如1份滑石可溶于110000份水 中

4、，1份石英可溶于10000份熱水中，1份云母可溶于34000份水中。（2）水化作用。巖石中的礦物與水化合成為含水礦物，稱作不水化作用。 如硬石膏與水結(jié)合生成結(jié)品石膏，赤鐵礦與水結(jié)合而成褐鐵礦，其反應(yīng)式如下： CaSO （硬石膏）+2H O-CaSO - 2H O （結(jié)品石膏）4 242,、一.、2Fe O （赤鐵礦）+nH O-2Fe O nH O（褐鐵礦） .2. 3 .一. 一一 2、. .2 3. 一2經(jīng)過水化后的礦物,往往體積增大，硬度降低，成為易于崩解的疏松狀 態(tài)，因而促進(jìn)了巖石風(fēng)化作用的進(jìn)行.（3）水解作用.水解作用是指水的部分解離所成的氫離子，與礦物中的堿金屬（鉀、 鈉）或堿土金

5、屬（鈣、鎂）起置換作用，而使巖石礦物遭受破壞。因此，水解作 用的強弱主要決定于水的解離度。水的解離度隨溫度升高而增加，如水在00C時 的解主度為1，則100C時為1.7,180C時為2.4,340C時為4.5,500C時為8.0。因 此在不同氣侯地區(qū)和季節(jié)，其化學(xué)風(fēng)化的速度和強度是不相同的，如我國高溫多 雨的南方化學(xué)風(fēng)化作用比干燥寒冷的北方強烈得多。同一氣侯地區(qū)則夏季比冬季 化學(xué)風(fēng)化作用強烈。另外，二氧化碳和各種酸類物質(zhì)可加強水的解離作用，增加水中的H+濃度，從而 增強水解作用。水解作用能使巖石中的礦物發(fā)生徹底分解，引起巖石內(nèi)部礦物組成和性質(zhì)的徹底 改變。因此，水解作用被認(rèn)為是化學(xué)風(fēng)化中最基本

6、、最主要的作用。例如，巖石 中常見的硅酸鹽礦物，幾乎都因水解作用而發(fā)生徹底分解。（4）氧化作用。大部分巖漿巖、變質(zhì)巖和部分沉積巖是在缺氧條件下形成的， 這些巖石中的礦物所含的變價元素，如鐵、錳、硫等都以低價狀態(tài)存在，當(dāng)這些 礦物暴露于地表，其低價離子與含氧的水接觸時，就會被氧化成高價離子。富含 變價元素的巖石、礦物（如富含亞鐵的橄欖石，角閃石、輝石等）氧化作用尤為 劇烈。如黃鐵礦的氧化：4FeS （黃鐵礦）+14H O+15O -2 （FeO.3HO） +8H SO氧化作用不僅使礦物、2巖石體積增大而疏松，而且產(chǎn)生各種酸，特別是硫酸腐蝕 很強，可繼續(xù)對其他礦物進(jìn)行分解而加速巖石的風(fēng)化。上述各種

7、作用很少單獨進(jìn)行，常為兩種以上同時發(fā)生。化學(xué)風(fēng)化的結(jié)果，使巖石 進(jìn)一步分解，徹底改變了原來的巖石內(nèi)部礦物的組成和性質(zhì)，產(chǎn)生一批新的次生 粘土礦物，它們顆粒很細(xì)，一般Z0.001mm，呈膠體分散狀態(tài)，使母質(zhì)開始具有 吸附能力、粘結(jié)性和可塑性，并出現(xiàn)毛管現(xiàn)象，有一定的蓄水性。同時也釋放出 一些簡單的可溶性鹽物質(zhì)，成為植物養(yǎng)料的最初來源。生物風(fēng)化作用 生物風(fēng)化作用指巖石在生物及其分泌物或有機質(zhì)分解產(chǎn)物的 作用下，進(jìn)行崩解和分解。生物對巖石風(fēng)化的影響：一是機械破碎作用如植物根 系的穿插以及動物的穴居習(xí)性等對巖石引起的機械破碎；二是生物化學(xué)作用，引 起巖石化學(xué)風(fēng)化的有二氧化碳和氧，都是生命活動的產(chǎn)物。所

8、以當(dāng)?shù)厍蛏铣霈F(xiàn)了 生命現(xiàn)象以后，便大大地加速了巖石的化學(xué)風(fēng)化。此外，在生物活動過程中，還 能分泌出各種無機酸和有機酸，以進(jìn)一步加速了化學(xué)風(fēng)化的過進(jìn)程。生物風(fēng)化更為重要的影響是它能使風(fēng)化產(chǎn)物中的植物營養(yǎng)元素在母質(zhì)表層 集中，同時累積了有機質(zhì)，因而發(fā)展了肥力。故生物開始參與風(fēng)化作用也就意味 著土壤成土過程的開始。此外，人類的活動如開礦、筑路、平整土地、開山造田、興修水利等，都 能使巖石遭受破壞，加速其風(fēng)化過程。在自然界中，巖石礦物的物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三者同時并存， 相互影響，相互促進(jìn)。但由于外界環(huán)境條件不同而各有側(cè)重，在溫?zé)岬哪戏?，?化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化占優(yōu)勢，風(fēng)化強度大，風(fēng)化較為徹底，

9、風(fēng)化后形成較細(xì)的粘 粒。在干寒的北方，以物理風(fēng)化占優(yōu)勢，風(fēng)化度淺，風(fēng)化后所形成的礦物顆粒較 粗大，以石礫、砂粒、粉砂粒占優(yōu)勢。二、土壤母質(zhì)的形成及我國的主要成土母質(zhì)（一）母質(zhì)的形成裸露的巖石經(jīng)風(fēng)化作用而形成疏松的、粗細(xì)不同的礦物顆粒的地表堆積體， 是形成土壤的母體，稱為純質(zhì)。母質(zhì)有別于巖石，其顆粒小，單位體積或單位質(zhì) 量的表面積（即比表面積）增大，顆粒間多孔隙，疏松，有一定的透水性，通氣 性及吸附性能。（二）我國的主要成土母質(zhì)巖石經(jīng)風(fēng)化作用所形成的母質(zhì)，很少能殘留在原來形成的地方，大多數(shù)情況下， 是經(jīng)受各種自然動力(如水、風(fēng)、冰川、重力等)搬運到其他地方，形成各種沉 積物。按風(fēng)化產(chǎn)物搬運動力與

10、沉積特點的不同，可將土母質(zhì)分為以下幾個主要類 型：殘積物是指未經(jīng)外力搬運遷移而殘留于原地的淋失風(fēng)化物的雜亂堆積體， 分布于山地與丘陵頂部較高的部位。沒有明顯的層次性，其顆粒大小極不均勻。 其特點是層次薄，質(zhì)地疏松，通氣性好。母質(zhì)的礦物組成和化學(xué)成分性質(zhì)深受基 巖的影響。坡積物 是在重力和雨水沖刷的影響下，將山坡上部的風(fēng)化產(chǎn)物搬運到坡腳 或谷地堆積而成。其特點是搬運距離不遠(yuǎn)，分選度差，層次不明顯，大小石塊夾 雜，粗細(xì)粒混存，通氣透水性良好。同時因承受上部來的養(yǎng)分，水分以及較細(xì)土 粒的影響，所以水分、養(yǎng)分也比較豐富。這種母質(zhì)形成的土壤肥力一般較高。但 坡積物的性質(zhì)仍因山坡上部巖石種類和所處氣侯條件

11、的不同而有很大差異。 洪積物是由于山區(qū)臨時性的洪水暴發(fā)，洪水夾帶巖石碎屑、砂粒等沿山 坡下瀉至山前平緩地帶沉積而成。沿山麓成帶狀分布，其外形是以山谷出口為尖 端向四處分散的扇狀錐，分選性差。在山谷出口處沉積的主要是碎石、巨礫和粗 砂粒等，沉積厚度深，層次不明顯；在沖積扇邊緣沉積的物質(zhì)較細(xì)，多為細(xì)砂、 粉砂或粘粒，厚度漸減，層次也較明顯。因此，由沖積扇頂部向扇緣推移，形成 的土壤由粗變細(xì)，肥力逐漸提高。 河流沖積物是巖石的風(fēng)化產(chǎn)物受河流經(jīng)常性流水浸蝕、搬運，在流速減 緩時沉積于河谷地區(qū)的沉積物。因所處地勢不同，沉積物的性質(zhì)也不同。在河谷 地區(qū)一般多為礫石和砂粒，分選性差。而在開闊的平原河谷，沉積

12、物的物質(zhì)較細(xì)， 主要為粉砂、細(xì)砂、粘普。此類沉積物分布范圍大，面積廣，在江河的中、下游 一帶都有這類沉積物分布，如東北平原、華北平原、長江中下游平原、珠江三角 洲。其特點是：成層性。由于季節(jié)性雨量的差異，各時期的河水流量和流速不同，搬運和 沉積的物質(zhì)顆粒大小也為同，從而造成上下部具有明顯的成層分選性。成帶性。因流速不同，在河流上下游及離河遠(yuǎn)近處質(zhì)地有區(qū)域變化。上游 粗，下游細(xì)；近河粗，離河遠(yuǎn)則細(xì)。成分復(fù)雜。由于河流沖積物分布廣，物質(zhì)來源于上游各地，故礦物質(zhì)種類 多，植物養(yǎng)分較豐富，下游寬廣的沖積平原，多形成為肥沃的土壤。湖積物 是由湖水泛濫沉積而成的沉積物，分布在大湖的周圍。由于湖水泛 濫水流

13、較緩，所以沉積物質(zhì)地較細(xì)，但仍有分選性，常出現(xiàn)此不同質(zhì)地層次。此 種母質(zhì)不僅水分足、養(yǎng)分多，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也高，往往形成肥沃的土壤。如我 國洞庭湖、鄱陽湖、太湖的周圍均為此種沉積物。海積物 為海邊的海相沉積物。由于海岸上升或江河入海的回流淤積物露出 水面形成。在我國東南沿海地區(qū)有較大面積分布。各地海積物質(zhì)地粗細(xì)不一，全 為砂粒的沙灘，其養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；全為粘細(xì)的沉積物，其養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。 但均含有較多的鹽分。風(fēng)積物 經(jīng)風(fēng)搬運而堆積的物質(zhì)。一般可分為沙質(zhì)沉積物和黃土兩大類。(1)沙質(zhì)沉積物。為風(fēng)力將砂粒搬運，在前進(jìn)途中遇障礙物或風(fēng)速減低時堆積 而。這種母質(zhì)的特點是質(zhì)地粗，砂性大，水分和養(yǎng)分缺

14、乏，形成的土壤肥力很 低。（2）黃土。我國黃土高原的黃土多為風(fēng)成的。主要分布黃河中下游的甘、寧、 蒙、陜、晉、豫、冀、新、青、東北三省亦有少量分布。該母質(zhì)顆粒組成以粉砂 粒為主，大小均一，疏松多孔，呈灰黃或棕黃色，厚度由幾米至200m以上。所 發(fā)育的土壤因水土流失嚴(yán)重，大多屬低產(chǎn)土壤。黃土狀沉積物 為第四紀(jì)時期黃土經(jīng)冰水、洪水作用再移運的沉積物。在我 國東北、華北及華中地區(qū)分布廣泛。另在更新世時期，黃土經(jīng)流水侵蝕，搬運至 下游廣泛沉積為質(zhì)地粘重的紅黃色或灰黃色土狀沉積物，稱下蜀系黃土狀沉積物 或下蜀系黃土。兩者均為次生黃土。冰磧物 由冰川夾帶的物質(zhì)搬運沉積而成。其特點是無成層性和分選性，巖 石

15、碎塊與大小顆?；齑?。冰磧物也可能是由于冰川融化的流水運積作用而形成的 冰水沉積物。如我國長江以南分布面積較廣的第四紀(jì)紅色粘土，就屬冰水沉積物。 其特點是母質(zhì)層深厚，質(zhì)地粘細(xì)，呈棕紅色，酸性強，養(yǎng)分較缺乏，是南方紅壤 重要母質(zhì)類型之一。第一節(jié)土壤礦物質(zhì)土粒的組成與特性粒徑對礦物質(zhì)土粒的礦物組成與化學(xué)組成的影響土壤中的各種固體顆粒簡稱土粒。土粒又可分單粒（原生顆粒）和復(fù)粒（次生顆 粒）。前者主要是巖石礦物質(zhì)土粒；后者是各種單粒在物理化學(xué)和生物化學(xué)作用 下復(fù)合而成的粘團(tuán)、有機礦質(zhì)復(fù)合體和微團(tuán)聚體。單粒的粒徑對礦質(zhì)土粒的礦 物組成與化學(xué)組成有重要影響。粒徑粗的礦質(zhì)土粒主要由原生礦物組成，其中以 石英質(zhì)

16、量分?jǐn)?shù)最多，此外還有長石、云母等原生硅酸鹽礦物，以及少量赤鐵礦、 針鐵礦、磷灰石等到；粒徑細(xì)的則基本上由次生礦物組成，如高嶺石，水云母、 蒙脫石等，以及鐵、鋁氧化物的水合物，而原生礦物很少，在化學(xué)組成上，礦質(zhì) 土粒愈粗，、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高。，隨著顆粒由粗到細(xì)，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而鋁、 素也是有差別的。、口 口二、礦物質(zhì)土粒的大小分級一一粒級分類（一）粒級的概念土壤礦質(zhì)顆粒大小參差不齊，大的直徑在數(shù)毫米以上，小的尚不足1nm，大小相 差達(dá)百倍。通常根據(jù)礦質(zhì)土粒（單粒）粒徑大小及其性質(zhì)上的變化，將其劃分為 若干組，稱為土壤粒級（粒組）。同一粒級礦質(zhì)土粒在成分和性質(zhì)上基本一致， 不同粒級礦質(zhì)

17、土粒之間則有較明顯的差別。（二）粒級的分類粒級分類的標(biāo)準(zhǔn)常有以下三種：1、國標(biāo)制國標(biāo)制礦質(zhì)土粒分級標(biāo)準(zhǔn)（表1-3 ）是由瑞典土壤學(xué)家愛特伯提出的，其特點是十進(jìn)位制，分級少而便于記憶，但分級界線的人為性太強。表1-3 國際制礦質(zhì)土粒分級標(biāo)準(zhǔn)粒級名 稱粒徑（mm）石礫2砂粒粉砂粒粗砂粒細(xì)砂粒2 0.20.20. 020.020. 002粘粒33 1粗砂粒1 0.5砂0.5 0.25粒中砂粒細(xì)砂粒0.25 0.05粗粉粒0.05 0.01粉0.01 0.005粒0.005 0.001中粉粒細(xì)粉粒粗粘粒0.001 0.0005粘粒細(xì)粘粒0.0005 0.0001膠粒0.0001物理性砂粒1 0.01簡

18、制物理性粘粒808565卡慶斯基質(zhì)地分類詳制是在簡制的基礎(chǔ)上。按照主要粒級而細(xì)分的，把質(zhì)量分類 最多和次多的粒級作為冠詞，順序放在簡制名稱前面，用于土壤層次分類用大比 例尺制圖。例如，某土壤粘粒45%，粉粒（中、細(xì)）25%，粗粉粒20%，砂粒10%， 占優(yōu)勢的粒給為粘粒和粉粒，質(zhì)地名稱定名為粘粉質(zhì)中的粘土。3、我國土壤質(zhì)地分類20世紀(jì)30年代，熊毅曾提出過一個土壤質(zhì)地分類。20世紀(jì)70年代鄧時琴等擬了一個試行的“中國土壤質(zhì)地分類”，載入中國土 壤（第一版，1978），后經(jīng)修改形成現(xiàn)行的中國土壤質(zhì)地分類（表1-7）表1-7中國土壤質(zhì)地分類顆粒組成（粒徑：（mm）(%)質(zhì)地組質(zhì)地名稱砂粒(10 0

19、.05)粗粉粒(0.05 0.01)細(xì)粘粒 (8070 8060 7050 6030顆粒組成（粒徑：（mm）(%)質(zhì)地組質(zhì)地名稱砂粒(10 0.05)粗粉粒(0.05 0.01)細(xì)粘粒 (0.001)壤土砂粉土 粉土N20 20N4030砂壤土 壤土N20 2060三、不同質(zhì)地土壤的肥力特點和利用改良（一）不同質(zhì)地土壤的肥力特點和利用1、砂質(zhì)土砂質(zhì)土含砂粒多，粘粒少，粒間多為大孔隙，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。由于砂質(zhì) 土主要礦物為石英，缺乏養(yǎng)分元素和膠體，土壤保蓄養(yǎng)分能力低，養(yǎng)分易流失， 因而表現(xiàn)為養(yǎng)分貧乏，保肥耐肥性差，施肥時肥效來得快且猛

20、，但不持久。砂質(zhì) 土水少氣多，土溫變幅大，晝夜溫差大，早春土溫上升快，稱熱性土。土表的高 溫不僅直接灼傷植物，也造成干熱的近地層小氣候，加劇土壤和植物的失水。砂 質(zhì)土疏松，結(jié)持力小，易耕作，但耕作質(zhì)量差。施肥時應(yīng)多施未腐熟的有機肥，化肥施用則宜少量多次，并注意解決“發(fā)小不發(fā) 老”，后期脫肥早衰、結(jié)實率低、籽粒輕等問題。在作物種植上宜選種耐瘠耐旱、 生長期短、早熟的作物，以及塊根、塊莖和蔬菜類作物。2、 粘質(zhì)土粘質(zhì)土含砂粒少，粘粒多，毛管孔隙特別發(fā)達(dá)，大孔隙少，土壤 透水透氣性差，排水不良，不耐澇。土壤特水量大，但水分損失快，保水抗旱能 力差，有“晴三天張大嘴，雨三天淌黃水”，的說法。因此，在雨

21、水多的季節(jié)要 注意溝道通暢以排出積水，夏季伏旱注意用時灌溉和采用抗旱保墑的耕作法。 這類土壤含礦質(zhì)養(yǎng)分較豐富，但通氣性差，有機質(zhì)分解緩慢，腐殖質(zhì)累積較多； 土壤保肥能力強，養(yǎng)分不易淋失，肥效慢，穩(wěn)而特久，“發(fā)老不發(fā)小”；此類土 壤宜施用腐熟的有機肥，化肥一次用量可比砂質(zhì)土多，苗期注意施用速效肥促早 發(fā)。粘質(zhì)土土溫變幅小，早春土溫上升緩慢，有冷性土壤之稱。土壤漲縮性強， 干時田面大開裂、深裂，易扯傷根系。適宜種植糧食作物以及果、桑、茶等多年 生的深根植物。3、 壤質(zhì)土壤質(zhì)土由于所含砂粒、粘粒比較適宜，它兼有砂土類和粘土類 土壤肥力的特點，既有砂質(zhì)土的良好通透性和耕性，發(fā)小苗等優(yōu)點，又有粘土對 水

22、分、養(yǎng)分的保蓄性，肥效穩(wěn)而長等優(yōu)點，適種范圍廣，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為理想的 土壤質(zhì)地。（二）土壤質(zhì)地層次性（質(zhì)地剖面）除了土壤表層質(zhì)地粗細(xì)有差別之外，在同一土壤的上下層之間的質(zhì) 地也可能有很大的不同。有的土壤的質(zhì)地層次表現(xiàn)為上粘下砂，也有的表現(xiàn)為上 砂下粘，或砂粘相間。產(chǎn)生質(zhì)地層次性的原因，主要有兩個方面：一是自然條件； 另一是人為耕作所造成。 自然條件所產(chǎn)生的層次性最常見的是沖積性母質(zhì)上發(fā)育 的土壤質(zhì)地層次性。由于不同時期的水流速率和母質(zhì)來源不等，所以各個時期沉 積物的粗細(xì)不一樣。所謂“緊出砂，慢出淤，不緊不慢出出兩合（即土壤）”。 此外，在土壤形成過成中，則于粘粒隨滲漏水下移或下層化學(xué)分解使粘粒增多， 也會使土體各層具有不同的質(zhì)地。 耕作的作用經(jīng)常不斷地耕作，犁的重壓使土壤形成犁底層， 不僅使這層土壤變得緊實，而且土壤質(zhì)地也發(fā)生分化，對水稻土的作用尤為突出。 耕地土壤上的串灌也可使表層中細(xì)土粒大量流失，造成上砂下粘的土層。質(zhì)地層次對土壤肥力的影響，側(cè)重在質(zhì)地層次排列方式和層次厚度上， 特別是土體1m內(nèi)的層次特點。一個良好的質(zhì)地層次，應(yīng)該易于協(xié)調(diào)供應(yīng)作物整 個生長過程中水、肥、氣、熱的需要，一般來講，“上砂下粘”比“上粘下砂” 好。（三）不同質(zhì)地土壤的改良良好的土壤質(zhì)地應(yīng)是砂粘適中，有利于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，具有