土壤形成和发育

UNITE 2SOIL ENVIRONMENTAL PROCESSES土 壤 环 境 过 程7.SoilFormation and Development 土 壤 形 成 和 发 育8.Soil Colloidal Chemistry and Surface Reaction土 壤 胶 体 化 学 和 表 面 反 应9.Soil Acidity/Alkalinity and Re-dox Reaction土 壤 酸 碱 性 和 氧 化 还 原 反 应10.Soil Nutrient Cycling 土 壤 养 分 元 素 循 环 红 壤7.1 Soil-forming factors and its functions 土 壤 形 成 因 素 及 其 在 土 壤 发 生 中 的 作 用7.2 Pedogenic processes 土 壤 形 成 过 程7.3 Soil development 土 壤 发 育 In later nineteenth-century Russia, V.V. 7.1.1 Soil-forming factors土 壤 形 成 因 素7.1 Soil-forming factors and its functions 土 壤 形 成 因 素 及 其 在 土 壤 发 生 中 的 作 用 又 称 成 土 因 素 ， 是 影 响 土 壤 形 成 和 发 育 的 基 本 因 素 ，它 是 一 种 物 质 、 力 、 条 件 或 关 系 或 它 们 的 组 合 ， 其 已 经对 土 壤 形 成 发 生 影 响 或 将 影 响 土 壤 的 形 成 。l成 土 因 素 学 说 Soil =f (cl, o, r, p, t, ) climate 气 候 organisms 生 物 relief 地 形 parent material 母 质 time 时 间 human active 人 为 活 动Clorpt 函数式 l成 土 因 素 学 说 的 基 本 原 理土 壤 是 成 土 因 素 综 合 作 用 的 结 果成 土 因 素 具 有 同 等 重 要 性 和 不 可 替 代 性成 土 因 素 的 时 空 分 异 导 致 土 壤 演 化 持 续 进 行 The operation of pedogenic processesis controlled by a number of environmental factors operating through the medium of time and that these determine the type of soil produced in any particular location. The soil-forming factors operate in combination. It is no tpossible to rank them in order of importance they are all equally important, although within any one environment certain factors may have a more dominant influence on soil formation than others. l地 带 性 土 壤 （ Zonalsoils） At the regional and global scale, climate and biota will have a dominant influence on soil formation, and soil types can be related in general terms to bioclimatic zones. The remaining factors will then account for variations in soil formation within a particular bioclimatic zone. Zonal soils: soil varied with latitude according to climatic and vegetation conditions. Intrazonal soils: soils were more closely associated with parent material or drainage conditions. Azonal soils: soils were poorly developed, duo mainly to lack of time. 全 球 土 壤 -植 被 景 观 图 全 球 气 温 时 空 变 化 对 土 壤 形 成 的 影 响 全 球 降 水 量 时 空 变 化 对 土 壤 形 成 的 影 响 Surfacerock weathering Weatheringcrust（ 风 化 壳 ）Soil Parent material is main mineral sources of soil formation, and its nature is fundamental to many soil characteristics.Parentmaterial（母质）Organisms active and organic matter accumulation（pedogenic processes） lDefinition of parent material 母 质 是 风 化 壳 (weathering crust)的 表 层 ， 是 指 原 生 基 岩(original bedrock)经 过 风 化 、 搬 运 、 堆 积 等 过 程 于 地 表 形 成 的一 层 疏 松 、 最 年 轻 的 地 质 矿 物 质 层 ， 它 是 形 成 土 壤 的 物 质 基础 ， 是 土 壤 的 前 身 。风 化 壳 是 地 壳 表 层 的 岩 石 经 过 风 化 后 形 成 的 疏 松 堆 积 物 。母 质 既 不 同 于 岩 石 ： 有 初 步 肥 力 ， 颗 粒 分 散 ， 疏 松 多 孔 ， 有 一 定 吸附 、 透 水 和 蓄 水 性 能 。 也 不 同 于 土 壤 ： 缺 乏 养 分 ， 几 乎 不 含 C、 N， 通 气 和 蓄 水 不 能同 时 解 决 。 残 积 母 质 (residual parent material)：岩 石 风 化 后 ， 基 本 上 未 经动 力 搬 运 而 残 留 在 原 地 的 风 化 物 ；运 积 母 质 (carried parent material)：母 质 经 外 力 ， 如 水 、 风 、 冰川 和 地 心 引 力 等 作 用 而 迁 移 到 其 它 地 区 的 物 质 。lTypes of parent material（ 类 型 ）母质类型 水风冰 川 冰 积 母 质地 心 引 力 重 积 母 质 （ 崩 积 物 ）流 水 沉 积湖 积 母 质海 积 母 质黄 土 母 质沙 丘 冲 积 母 质坡 积 母 质洪 积 母 质 p 影 响 成 土 过 程 的 速 度 、 性 质 和 方 向p 影 响 土 壤 理 化 性 状 （ 如 养 分 等 ） 岩 浆 岩 ： 花 岗 岩 形 成 的 土 壤 富 钾 而 缺 磷 ； 玄 武 岩 形 成 的 土 壤 缺 钾 而 富 磷 ； 沉 积 岩 ： 砂 岩 形 成 的 土 壤 盐 基 养 分 较 贫 乏 ； 页 岩 形 成 的 土 壤 盐 基 养 分 较 丰 富 。p 影 响 土 壤 矿 物 组 成p 影 响 土 壤 发 育 和 形 态 特 征 (morphologicalcharacteristic) 总 之 ， 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 。lFunctions of parent material in soil formation（ 作 用 ） Climate is of particular importance in terms of determining the temperature, and therefore rate, at which pedogenic processes operate, and also the availability of water, which is fundamental to many of these processes. 湿 度 （ humidity） 影 响 土 壤 中 物 质 的 迁 移 影 响 土 壤 中 物 质 的 分 解 、 合 成 和 转 化 温 度 (temperature) 影 响 矿 物 和 有 机 物 质 的 风 化 、 分 解 与 合 成 。 每 增 加 10 温 度 ， 反 应 速 率 可 成 倍 增 加 。 温 度 和 湿 度 的 共 同 影 响 （ 交 互 作 用 ） 实 际 上 水 热 两 因 子 是 共 同 作 用 着 的 ， 只 有 两 者 互 相 配 合 ， 才 能 促 进 土 壤 的 形 成 发 展 。气候的影响 土 壤 剖 面 发 育 与 气 候 湿 润 度 的 关 系 图 土 壤 地 带 性 (soil zonality)在 东 部 湿 润 区 ， 由 北 而 南 热 量 递 增 ， 土 壤 分 布 依 次 为 暗棕 壤 、 棕 壤 、 黄 棕 壤 、 黄 壤 、 红 壤 和 砖 红 壤在 温 带 ， 自 西 向 东 大 气 湿 度 递 增 ， 依 次 出 现 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 。土 壤 是 气 候 变 化 的 记 录 者 气 候 的 变 化 往 往 在 土 壤 性 质 中 可 以 得 到 体 现 ， 所 以 我 们 可 以 通 过 研究 古 土 壤 的 性 质 ， 来 追 朔 过 去 的 气 候 。l 气 候 变 化 (climatic change)与 土 壤 形 成 Biota are influenced to a large extent by climate, but they also have a direct effect on soil formation via rates of organic matter addition and decomposition, and the type of material involved. They can also influence weathering and the transfer of soil components in solution and by mechanical mixing. 生 物 因 素 是 促 进 土 壤 发 生 发 展 最 活 跃 的 因 素 。 生 物 （ 植 物 、 土 壤 动 物 和 土 壤 微 生 物 ） 在 土 壤 形 成 过 程 中起 主 导 作 用 ： 一 定 意 义 上 ， 没 有 生 物 因 素 的 作 用 ， 就 没 有 土 壤 的 形 成 。 生 物 群 落 及 其 对 成 土 过 程 的 作 用 图 式 p能 量 转 换 (conversion of energy)及 有 机 质 形 成 太 阳 能 化 学 能 (潜 能 )p矿 物 质 富 集 作 用 (enrichment)及 有 效 化 把 分 散 在 母 质 、 水 体 和 大 气 中 的 营 养 元 素 有 选 择 地 吸 收 起来 ， 同 时 伴 随 着 矿 质 营 养 元 素 的 有 效 化 。p促 进 土 壤 形 成 及 结 构 体 的 发 展 植 物 根 系 分 泌 有 机 酸 ， 通 过 溶 解 和 根 系 挤 压 作 用 破 坏 矿 物晶 格 ， 改 变 矿 物 的 性 质 ， 促 进 土 壤 形 成 ； 并 通 过 根 系 活 动 ， 促进 土 壤 结 构 发 展 。 Litter input rates for different ecosystems Ecosystem Litter input (t ha-1 a-1)Tundra (冰沼植被) 1.5Boreal forest (北方森林) 7.5Temperate deciduous forest (温带落叶阔叶林) 11.1Temperate grassland (温带草原) 7.5Savanna (热带稀树干草原) 9.5Tropical forest (热带森林) 30.0 Source: Swift et al. 1979 不 同 植 物 作 用 下 形 成 土 壤 的 有 机 质 垂 直 分 布 比 较(据 熊 毅 ， 1990) p自 然 植 被 和 水 热 条 件 的 演 变 ， 引 起 土 壤 类 型 的 演 变 由 东 北 往 华 南 的 森 林 植 被 和 土 壤 的 分 布 依 次 为 ：针 叶 林 (棕 色 针 叶 林 土 )针 阔 混 交 林 (暗 棕 壤 )落 叶 阔 叶 林 (棕 壤 )落 叶 常 绿 阔 叶 林 (黄 棕 壤 )常 绿 阔 叶 林 (红 壤 、 黄 壤 、 赤 红 壤 )雨 林 、 季 雨 林 (砖 红 壤 ) 北南 p土 壤 动 物 (soil animal)的 作 用 Relief influences soil formation via influence the movement of material on slopes and control on drainage, which can affect transformation, transfers and losses. High slope angles will encourage downslope movement and rapid drainage, whereas low slope angles will limit these processes and can therefore give rise to such as peat accumulation and gleying.7.1.5 地 形 (relief ,landform)与 土 壤 发 生 的 关 系 地 形 主 要 是 影 响 水 热 条 件 及 母 质 的 再 分 配 ， 进 而影 响 土 壤 的 形 成 . n Relationship between relief and parent material 地 形 与 母 质 的 关 系 地 形 对 母 质 起 着 重 新 分 配 的 作 用 ， 不 同 的 地 形 部 位 常 分布 有 不 同 的 母 质 。n 山 地 上 部 或 台 地 上 ， 主 要 是 残 积 母 质 (residual material)n 坡 地 和 山 麓 地 带 的 母 质 多 为 坡 积 物 (slope wash)；n 在 山 前 平 原 的 冲 积 扇 地 区 ，成 土 母 质 多 为 洪 积 物 ；n 河 流 阶 地 、 泛 滥 地 和 冲 积 平 原 、湖 泊 周 围 、 滨 海 附 近 地 区 ， 相 应的 母 质 为 冲 积 物 、 湖 积 物 和 海 积 物 。 n Relationship between relief and water or temperature condition 地 形 与 水 热 条 件 的 关 系n 地 形 对 水 分 状 况 的 影 响 (湿 润 地 区 尤 为 重 要 )p 地 形 支 配 地 表 径 流 ， 影 响 水 分 重 新 分 配 ， 决 定 地 下 水 的 活 动 ；p 坡 面 形 态 (光 滑 或 粗 糙 ,凹 面 或 凸 面 )对 水 分 状 况 影 响 很 大 ； p 地 形 的 差 别 还 可 导 致 地 形 雨 (geographical rain) n地 形 影 响 地 表 温 度 不 同 的 海 拨 高 度 、 坡 度 和 方 位 对 太 阳 辐 射 能 吸 收 和 地 面 散射 不 同 ， 例 如 南 坡 常 较 北 坡 温 度 高 。 n Relationship between relief and soil development 地 形 与 土 壤 发 育 的 关 系n 地 形 对 土 壤 发 育 的 影 响 ， 山 地 表 现 尤 为 明 显 山 地 地 势 高 、 坡 度 大 ， 切 割 强 烈 ， 水 热 状 况 和 植 被 变 化大 ， 因 此 山 地 土 壤 有 垂 直 分 布 的 特 点 。n 地 形 发 育 (地 形 受 地 质 营 力 的 作 用 也 在 不 断 发 生 变 化 )也 对 土 壤 发育 带 来 深 刻 的 影 响 由 于 地 壳 上 升 或 下 降 ， 影 响 土 壤 侵 蚀 与 堆 积 过 程 及 气候 和 植 被 状 况 ， 使 土 壤 形 成 过 程 、 土 壤 和 土 被 发 生 演 变 。 河 谷 地 形 发 育 对 土 壤 形 成 、 演 化 的 影 响 示 意 图 随 着 河 谷 地 形 演 化 ， 不 同 地 形 部 位 上 ， 可 构 成 : 地 带 性 土 (zonal soil) (高 级 阶 地 higher terrace) 半 水 成 土 (semi- aquatic soil) (低 级 阶 地 lower terrace) 水 成 土 (aquatic soil) (河 漫 滩 flood land) 高低 Time does not exert a direct control on soil formation, but is the medium through which all the other environmental factors operate, and its role in soil formation is integral to the understanding of soil-forming environments. Soils generally become more developed through time with the progressive operation of pedogenic processes. After a certain period of time, soils may reach an equilibrium condition, when they can be said to be fully developed.7.1.6 成 土 时 间 (Time)对 土 壤 发 育 的 影 响 时 间 因 素 对 土 壤 形 成 没 有 直 接 作 用 ， 但 可 体 现 土 壤 的 发 育 程 度 。 n土 壤 年 龄 (soil age) 土 壤 年 龄 是 指 土 壤 发 生 时 间 的 长 短 和 发 育 的 程 度 。n 绝 对 年 龄 (absolute age)：土 壤 在 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 （ 年 ） ；n 相 对 年 龄 (relative age)：土 壤 的 发 育 阶 段 或 发 育 程 度 。 土 壤 剖 面 发 育 明 显 ， 土 壤 厚 度 大 ， 发 育 度 高 ， 相 对 年 龄 大 ；反 之 相 对 年 龄 小 。 通 常 说 的 土 壤 年 龄 是 指 土 壤 发 育 程 度 ， 而 不 是 年 数 ， 即所 谓 的 相 对 年 龄 。 n土 壤 形 成 速 率 和 所 需 的 时 间n 母 质 和 环 境 条 件 差 异 会 影 响 风 化 和 土 壤 形 成 的 速 率 n 土 壤 发 育 速 率 随 时 间 的 变 化 而 变 化 一 般 当 土 壤 处 于 幼 年 阶 段 时 ， 土 壤 的 特 性 随 时 间 变 化很 快 ， 但 随 着 成 土 年 龄 的 增 加 ， 速 率 渐 渐 转 慢 ， 且 不 同 的成 土 过 程 在 时 间 上 的 变 化 强 度 也 是 不 同 的 。n 不 同 地 区 、 类 型 的 土 壤 ， 形 成 的 时 间 有 很 大 的 差 异 短 的 需 要 几 百 年 ， 长 的 需 要 上 万 年 。 n土 壤 形 成 的 阶 段 性 热 带 地 区 (tropic region) 土 壤 形 成 分 为 5阶 段 （ Mohr & Van Baren)n 初 期 (early days)： 未 风 化 的 母 质 ；n 青 少 年 期 (adolescence)： 风 化 已 经 开 始 ， 但 许 多 母 质 物 质 仍 保留 在 土 壤 中 ；n 壮 年 期 (mature period)：易 风 化 的 矿 物 大 部 分 已 分 解 ，粘 粒 明 显 增 加 ；n 老 年 期 (senility)： 矿 物 分 解 处于 最 后 阶 段 ， 少 数 强 抗 风 化 原生 矿 物 被 保 存 ； n 最 后 阶 段 (final stage)：土 壤 发 育 完 成 ， 原 生 矿 物 彻 底 风 化 人 类 活 动 具 独 特 作 用 ， 与 其 它 因 素 有 本 质 区 别 ：u 人 类 活 动 对 土 壤 的 影 响 是 有 意 识 、 有 目 的 、 定 向 的 。u人 类 活 动 是 社 会 性 的 ， 它 受 着 社 会 制 度 和 社 会 生 产 力 的 影响 ， 在 不 同 的 社 会 制 度 和 不 同 的 生 产 力 水 平 下 ， 人 类 活 动对 土 壤 的 影 响 及 其 效 果 有 很 大 的 差 别 。u人 类 活 动 的 影 响 可 通 过 改 变 各 自 然 因 素 而 起 作 用 ， 并 可 分为 有 利 和 有 害 两 个 方 面 。u人 类 对 土 壤 的 影 响 也 具 有 两 重 性 ， 利 用 合 理 ， 有 助 于 土 壤肥 力 的 提 高 ； 利 用 不 当 会 破 坏 土 壤 。7.1.7 人 类 活 动 对 土 壤 发 生 演 化 的 影 响 Summary Soil-forming factors土壤形成因素lClimate 气 候lBiota (organisms) 生 物lRelief 地 形lParent material 母 质lTime 时 间lHuman active 人 为 活 动 7.2 Pedogenic processes 土壤形成过程一 、 土 壤 形 成 过 程 中 的 物 质 循 环MaterialcyclesinSoil-formingprocesses土 壤 形 成 是 一 个 综 合 性 的 过 程 ， 它 是 物 质 的 地 质 大 循 环 与 生 物 小 循 环 矛 盾 统 一的 结 果 。l地 质 大 循 环 Macro-geologicalcycle指 地 面 岩 石 的 风 化 、 风 化 产 物 的 淋 溶与 搬 运 、 堆 积 ， 进 而 产 生 成 岩 作 用 ， 是地 球 表 面 恒 定 的 周 而 复 始 的 大 循 环 。特 点 ： 涉 及 空 间 大 ， 时 间 长 ， 植 物 养 分 元 素 不 积 累 。 特 点：涉 及 空 间 小 ， 时 间 短 ， 可 促 进 植 物 养 料 元 素 的 积 累 ， 使 土壤 中 有 限 的 养 分 元 素 发 挥 作 用 。l地 质 大 循 环 和 生 物 小 循 环 的 关 系 Relationshipsoftwocyclesmacro-geologicalcycle micro-biologicalcyclesoill生 物 小 循 环 Micro-biologicalcycle植 物 营 养 元 素 在 生 物 体 与 土 壤 之 间 的 循 环 。 二 、 土 壤 发 生 中 的 基 本 成 土 作 用成土作用 物 理 作 用化 学 作 用生 物 作 用 团 聚 作 用迁 移 与 富 集侵 蚀 与 堆 积冻 融 作 用干 湿 交 替膨 胀 收 缩 与 剥 落 作 用水 化 、 水 解 、 溶 解粘 粒 矿 物 形 成氧 化 还 原 作 用合 成 分 解 作 用物 质 转 化 有 机 质 的 形 成 分 解 原 生 矿 物 分 解 和粘 粒 矿 物 合 成有 机 质 的 形 成和 分 解物 质 的 迁移 作 用 Surface rock weathering Weathering crust organisms active and organic matter accumulation Soil Soil-forming (Pedogenic) processes三 、 土 壤 发 生 中 的 主 要 成 土 过 程 7.3 Soil development 土 壤 发 育 土 壤 发 育 是 指 地 壳 表 面 的 岩 石 风 化 体 及 其 再 积 体 ， 接 受 其 所处 的 环 境 因 素 的 作 用 ， 而 形 成 具 有 一 定 剖 面 形 态 和 肥 力 特 性 的 土壤 。 l土 壤 的 个 体 发 育 Individual development of soil 具 体 的 土 壤 从 岩 石 风 化 产 物 (weathering product)或 其 它 新的 母 质 上 开 始 发 育 的 时 候 起 ， 直 到 目 前 状 态 真 实 土 壤 的 具 体 历 程 。它 只 涉 及 到 土 壤 的 个 体 （ 即 具 体 的 个 别 土 壤 ） 。 母 质 幼 年 土 成 熟 土 当 地 典 型土 壤C AC ABC AEBC Redsoil红 壤 l土 壤 的 系 统 发 育 Systematic development of soil 土 壤 发 生 类 型 在 漫 长 地 质 时 期 内 的 发 生 和 发 展 过 程 。 土 壤 既 是 独 立 的 历 史 自 然 体 ， 也 是 整 个 地 表 的 自 然 要 素 。 土 壤 是 独 立 的 而 不 是 孤 立 的 ， 具 有 自 身 特 殊 的 发 生 规 律 ， 但 这种 发 展 不 是 孤 立 地 进 行 的 ， 而 是 与 周 围 的 外 在 环 境 条 件 相 互 发 生 作用 ， 辩 证 地 发 展 着 。 在 漫 长 的 地 质 时 期 内 ， 土 壤 与 环 境 之 间 的 不 断 作 用 过 程 ，也 是 新 的 土 壤 类 型 不 断 产 生 的 过 程 。 p土 壤 剖 面 (soil profile)： 从 地 面 向 下 直 到 土 壤 母 质 的 垂 直 切 面 ，具 有 若 干 个 大 体 与 地 面 平 行 的 土 壤 发 生 层 。l土 壤 剖 面 、 发 生 层 和 土 体 构 型Soil profile, horizon and pedon patternp土 壤 发 生 层 (soil horizon)： 土 壤 形 成 过 程 中 所 形 成 的 具 有 特 定 性质 和 组 成 的 、 大 致 与 地 面 平 行 的 ， 并 具 有 成 土 过 程 特 性 的 层 次 。p土 体 构 型 (pedon pattern)： 各 土 壤 发 生 层 在 垂 直 方 向 上 有 规 律的 组 合 和 有 秩 序 的 排 列 状 态 。 土 壤 性 质 的 内 在 综 合 表 现 为 肥 力 ， 而 其 外 在 特 征 则 反 映 于土 壤 剖 面 的 形 态 、 发 生 层 或 土 体 构 型 上 。 Redsoil红 壤 Yellowsoil黄 壤发 育 完 全 的 土 壤剖 面 有 3个 发 生层 ：淋 溶 层 （ A层 ）淀 积 层 （ B层 ）母 质 层 （ C层 ） l反 映 土 壤 风 化 发 育 的 标 准 土 壤 的 风 化 发 育 度 可 根 据 土 壤 的 形 态 特 征 、 微形 态 特 征 、 矿 物 风 化 程 度 及 一 些 物 理 化 学 指 标 加 以确 定 。 本 章 小 结一 、 名 词 解 释地 质 大 循 环 生 物 小 循 环 土 层 成 土 因 素 二 、 问 答 题 为 什 么 说 土 壤 形 成 过 程 的 实 质 是 地 质 大 循 环 和 生 物 小 循 环 矛 盾斗 争 的 统 一 ? 试 分 析 五 大 成 土 因 素 之 间 相 互 关 系 ? 3. 母 质 因 素 会 影 响 土 壤 的 哪 些 性 质 ?4. 为 什 么 说 没 有 生 物 的 发 展 ， 就 没 有 土 壤 的 形 成 ?