土壤学第二章岩石风化和土壤形成及土壤剖

全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第二章岩石风化和土壤形成及土壤剖面第一节岩石风化一、风化作用的概念及类型当岩石处在风化它的环境条件下时，它是很稳定的，但一旦条件发生的变化，为了在新的条件下达到平衡，岩石必然发生相应的变化。位于地壳深部的岩石，由于地质作用的结果露出地表，岩石本身因外压力的减少而产生膨胀，导致岩石产生缝隙和裂纹。同时岩石与大气接触以后，受到各种自然因素（主要是水、热及空气等）和生物的影响，这种影响是长期的和复杂的。根据外界因素对岩石作用的性质，可以将风化作用区分为物理风化和化学风化。当然，在自然界这两类作用是紧密相联系的，有时很难把它们区分开来。生物的活动，就其对岩石或矿物的作用性质而言，也是以物理或化学的方式作用于岩石矿物的。也有人将生物活动所引起的岩石或矿物的风化，称为生物风化。由于地球表面广泛的存在着大量的生物，它们在风化过程中起着积极的影响，以至在自然界中地表物质的风化过程几乎都有生物参加。从原始幼年土形成来看，风化过程先于土壤形成，风化过程先产生形成原始土壤的母质，因此风化过程可以说是土壤形成的基础。从现代的土壤形成和发展来看，风化过程则是成土过程本身的一部分。（一）物理风化过程物理风化又称为机械崩解作用，主要是由温度变化、水分冻结、碎石劈裂以及风力、流水、冰川的磨擦力等物理因素的作用所引起的。温度变化可以引起物质产生热胀冷缩。岩石是由各种矿物组成的，而各种矿物的热学性质是不同的，例如石英的热膨胀系数为0.0000075，而正长石为0.000020，当昼夜或季节温度变化时，在矿物之间的接触面上产生张力，使岩石产生裂隙和崩解。粗粒结晶的花岗岩，由于结晶矿物的膨胀幅度较大，这种作用更为明显。含有暗色矿物的岩石，由于提高了岩石的热辐射能力，温度变化比较大，因此像玄武岩、辉长岩及辉绿岩等一些深色岩石，常产生剥蚀现象。而由单一矿物集合的岩石或浅色岩石（如石灰岩、石英岩等），受到温度的影响较小，崩解也比较慢。由于温度的反复变化，坚硬的岩石便逐渐散碎。浸入岩石缝隙中的水，结冰是体积膨胀增大1/11，所产生的压力可高达960公斤/平方厘米，因而引起岩石破裂。落在岩隙中的碎石，起着像楔子一样的作用，当碎石受热膨胀时，岩隙扩大；当碎石冷却收缩时则向岩缝中堕落，对岩体产生劈裂作用。此外，风和流水对岩石的侵蚀摩擦，也是很重要的物理风化作用，尤其在携有泥砂时其作用更为强烈。第三纪末、第四纪处，我国广大区域内曾有国冰川的活动，第四纪中又有过几次冰川，冰川移动时摩擦粉碎着地表的岩石。大陆性气候的干旱地区昼夜温差悬殊，物理风化作用比较强烈，地面上多形成乱石滩，其风化产物粗糙并且夹杂石砾较多，养分释放极少。在较高的山地，由于结冰和重力等综合因素的作用，有时在山麓形成倒石堆，残留的岩石依然耸立。物理风化作用的结果，使岩石由大块变成碎块，再嘴尖变成细粒，其形状和大小改变了，但成分的变化很小，只是空气、水分的通透性增强了，暴露的表面积增大了，为化学风化创造了条件。（二）化学风化作用化学风化又称为化学分解作用。主要是由水、二氧化碳和氧气等参与下进行的各种过程，包括溶解、水化、水解和氧化等作用。1溶解作用是指矿物和岩石为水所溶解的作用。一般矿物是难溶于水的，但是在大量的水分和较高的温度下，也可以使矿物的溶解度增大。在多雨的地区，降水中溶有二氧化碳，使碳酸钙变成溶解度大得多的碳酸氢钙，从而提高它的溶解性。2水化作用矿物与水化合称为水化作用。如石膏和氧化铁的水化过程，其反应式如下：石膏水化：CaSO4+2H2O→CaSO4.2H2O氧化铁水化：2Fe2O3+3H2O→2Fe2O3.3H2O（赤铁矿）（褐铁矿）矿物水化后膨胀并失去光泽，变得松软，有利于进一步风化。3水解作用是化学风化作用中最重要的一种作用。水有一定的解离度，当水分子进行解离时形成H+和OH-离子。水解作用就是由于水的H+离子从硅酸盐矿物中，部分取代了碱金属和碱土金属的盐基离子，生成可溶性盐类。当水中含有二氧化碳和酸性物质时，解离的氢离子增多，提高了氢离子浓度，因而增强了水解作用。土壤中的各种生物学过程增加着二氧化碳的含量，所以矿物的水解强度与生活动有着密切的关系。在水解过程中由于可形成易溶性盐类，所以水解过程也是矿物质养分的有效化过程。1.含钾矿物的水解过程土壤中含钾矿物主要有正长石、云母和含钾的黏土矿物，经水解作用生成可被植物吸收的可溶性钾盐。如钾长石经水解作用生成较为稳定的高岭石和钾盐，其反应式如下：2KAISi3O8+H.HCO3→KHAl2Si6O16+KHCO3(钾长石)（酸性铝硅酸盐）KHAI2Si6O16+H.HCO3→H2AI2Si6O16+KHCO3（游离铝硅酸）H2AI2Si6O16+H.HCO3→H2AI2Si2O8.H2O+4SiO2+CO2(高岭石)2.含磷矿物的水解过程土壤中含磷矿物，如氟磷石灰3Ca3(PO4)2.CaF2,经水解作用其主要成分可转化为易溶性酸式磷酸盐，其反应式如下：Ca3(PO4)2+H2O+CO2→2CaHPO4+CaCO3(弱酸溶性)2CaHPO4+H2O+CO2→Ca(H2PO4)2+CaCO3(水溶性)3.含钙镁矿物的水解过程土壤中含钙镁的矿物主要有橄榄石、角闪石、辉石等硅酸盐类等矿物和方解石、白云石等碳酸盐类。含钙镁的碳酸盐类经水解作用增加了溶解度。硅酸盐类则需经过一系列水解作用，才能分解成较简单的盐类。如含镁矿物橄榄石彻底水解的反应式如下：2Mg2SiO4+2H.HCO3→H2Mg3Si2O8.H2O+MgCO3+CO2(橄榄石)（蛇纹石类盐酸盐）H2Mg3Si2O8.H2O+6H.HCO3→3MgCO3+2H4SiO4+3CO2+4H2OMgCO3+H.HCO3→Mg(HCO3)24氧化作用大气中的氧气促使矿物发生氧化作用。在湿润的条件下含铁、硫的矿物普遍地进行着氧化过程。如黄铁矿（FeS2）的氧化反应如下：4FeS2+15O2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO44Fe2(SO4)3+8H2O→4FeOOH+6H2SO4原生矿物经过风化以后，以各种形式的风化产物留存在土壤中。一部分以残存的原生矿物存留在土壤中，一部分以可溶性盐存留在土壤中；一部分以粘土矿物存留在土壤中。现概括如下：1.形成可溶性盐由岩石矿物中释放出来的盐基成分，形成简单的无机盐类，如碱金属和碱土金属的硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐和氯化物等，这是化学风化作用中最普遍和最基本的过程。由于所形成的盐类大多数是可溶于水的，植物可以从中摄取一部分钙、镁、钾、磷及微量元素，一部分盐类贮存在土壤中，另一部分则随水流入海洋，因此，除干旱地区外，在一般土壤中含量较少。2.形成粘土矿物、氧化物和氢氧化物长石、云母、角闪石、橄榄石等原生矿物，在风化过程中生成各种土壤粘土矿物。粘土矿物一般是指高岭石和蒙脱石等含有OH基的结晶质的硅酸盐次生矿物，但土壤工作者常常把晶质和非晶质的硅、铁、铝的氧化物矿物也统称为土壤粘土矿物，因为这些矿物和铝硅酸盐类矿物都同样是岩石风化和成土过程的产物。它们对土壤形状和林木营养有一定的关系。3.残留矿物经过风化作用后，一些难风化的或是尚未彻底风化的原生矿物，如石英、钾长石、白云母等，以颗粒状残留在母质或土壤中。土壤中的粉砂、砂粒及石砾部分，主要是由它们组成的。（三）生物活动与风化作用生活在岩石表面和土壤中的各种生物，由于它们的生命活动，对岩石和矿物的风化过程起着重要影响。它们可以直接参与岩石矿物的分解破坏，但更重要的是生物活动加强了物理和化学风化的作用。在岩石裂隙中生长的林木根系，对岩壁产生强大的挤压力，引起岩石崩解破碎。微生物在分解有机质过程中或活根系分泌葡萄酸、柠檬酸等有机酸，与矿物中的盐基离子形成螯合物，可加速矿物的分解。自然界微生物的种类复杂，数量极多。某些微生物的活动，对岩石的分解有着重要的意义。土壤微生物的代谢过程都产生CO2,不断增加它们生活环境中的碳酸含量，因此，促进各种矿物水解作用增强。硝化细菌产生的硝酸，硫化细菌产生的硫酸，以及硅酸盐细菌对矿质元素的利用，都可以加速分解硅酸盐类矿物。还有丁酸细菌能够用它分泌的物质使硅酸盐和磷灰石强烈的分解。含钾丰富的黑云母和长石所以受到分解，是与细菌、真菌和藻类从中吸取钾素分不开的。各种藻类（如绿藻和蓝绿藻）使岩石表面变得松软，起着破坏作用。硅藻对风化过程的影响更大，它可以从硅酸盐中摄取硅，以组成本身的有机体，过去曾被认为是比较稳定的高岭石，也可以被硅藻分解。生长在岩石表面上的地衣，直接最岩石产生着机械破坏和化学溶解。地衣在湿润的情况下，可以吸收超过本身体重三倍的水分而充分膨胀，在干燥的情况下就强烈卷缩，从岩石上拔起细小的岩屑，甚至连最难风化的石英也会呈鳞片状脱落。地衣的菌丝体可沿云母、角闪石及某些长石的解理裂缝往里深入，以吸取钾、钙、铁等营养，结果造成这些矿物的破碎。在花岗岩及石灰岩上，地衣的菌丝体甚至伸入岩石内数毫米深，并形成极薄的土层。地衣酸是一些多羟基——多羧基酸，地衣分泌的这种酸，可以强烈的与岩石矿物中的盐基离子形成可溶形螯合物，引起矿物的溶蚀。二、风化产物的类型岩石的风化产物包括三部分：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，以及铁铝的氧化物和氢氧化物。3、残余的碎屑:难风化的矿物和各种岩屑。（一）风化产物的生态类型土壤是林木生长的生态环境因素之一。林木生长在各种立地条件下，土壤对它产生着影响。在相同的水、热、气候条件下，岩石风化产物的性质和化学组成直接影响着土壤的性状。如泥质页岩容易风化，常生成较厚的风化层，由它所形成的土壤，质地也比较粘重，养分含量较为丰富，保水及绿肥能力也较强；同样条件下由硅质砂岩形成的风化物，则厚度浅薄，砂粒含量高，养分贫乏且易漏水。这两种风化物对林木显然产生着不同的影响。岩石风化产物对土壤性状的影响，主要表现在土壤的物理性质和化学性质两方面，如土壤的厚度、质地、结构、水分、空气、温度、养分等状况，以及酸度和交换量等等，都受岩石风化物的影响。这些性质又都是评定土壤宜林性的重要指标。土壤发育的时间愈短，其性状愈接近于风化物的特性，其组成也愈与原风化物的组成类似。因此，对于幼年土和受到人为破坏较严重地区的土壤（如水土流失严重地区，土壤表层被冲刷，有时甚至土层整体被破坏冲走，诸如此类的土壤宜林性的影响。根据风化产物对土壤肥力有影响的性状，作为分类标准，将各种风化产物进行生态上的区分，分为以下五种生态类型：1硅质风化物形成这类风化物的岩石种类，主要包括由硅质组成或硅质胶结的岩石，如石英岩、硅质砾岩、石英砂岩及其它硅质岩类。这类岩石的矿物组成中含有大量石英，化学成分以二氧化硅为主，耐剥蚀而难风化，岩性坚硬，节理发达，多构成陡峻的山脊和山坡。硅质岩类风化物的厚度极薄，砂质，多石砾，各种营养元素也十分贫乏，分散的石英颗粒及岩石碎屑保水能力很低，因此这类风化物所形成的土壤宜林性通常较差，尤其在干旱地区，造林不易成活。在温暖湿润的条件下，这类物质常形成酸性土壤。2长石质风化物长石质岩石包括含有正长石矿物组成的岩石，主要种类有岩浆岩中的花岗岩、正长岩、斑岩、霏细岩、流纹岩、粗面岩，沉积岩中的正长砂岩，以及变质岩中的片麻岩等。这类岩石的风化物，由于岩石本身的矿物组成和构造的特点，其风化难易是不同的。花岗岩、正长岩及片麻岩等粒状结晶岩，比较容易发生物理崩解，形成厚层砂壤质或壤质风化物，由其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。这种风化物宜林性好，适于要求微酸性及通气良好的树种生长。尤其适合各种松、杉等针叶树种生长。隐晶质结构的霏细岩、流纹岩及粗面岩，比粒状岩石较难风化，且多形成壤质风化物。在干旱气候条件下，这类岩石风化物多石砾，含石英颗粒多的花岗岩则生成砂砾质；在温暖湿润的条件下，则形成深厚的风化层，呈红色的粘壤土或砂质粘壤土，多呈酸性。3铁镁质风化物由辉石、角闪石、橄榄石等含有铁、镁成分的矿物组成的岩石，属于铁镁质岩类。主要种类有闪长岩、安