第二章土壤矿物质

第二章土壤矿物质【教学目标】●土壤矿物1．了解土壤原生矿物的种类。2．重点掌握次生矿物的种类及特性。●矿物质土粒1．了解矿物质土粒的分类系统。2．掌握矿物质土粒水分物理特性。●土壤质地1.了解土壤质地的分类系统。2．掌握不同质地土壤的水分物理特性。1土壤矿物土壤母质来源于岩石、矿物的风化产物，岩石是由矿物所构成，是矿物的天然集合体。•1.1几种主要岩石类型与特性地壳中的岩石可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩（火成岩）由岩浆冷却凝固形成，如花岗岩、闪长岩、玄武岩等，它们含有石英、长石、深色矿物（如黑云母、辉石、角闪石等原生矿物）。沉积岩是由岩石风化物经搬运、沉积再胶结而形成的，如花岗岩风化形成的石英沙沉入海底经地质变化胶结成的岩石，称为沙岩。变质岩是火成岩或沉积岩在高温、高压下发生质变而形成的，如花岗岩变质形成片麻岩、沙岩和页岩变质形成石英岩和板岩，石灰岩变质可形成大理岩。1.1.1岩浆岩（1）花岗岩为粗粒、中粒或细粒全晶质的岩石，呈红色、灰色或浅灰色。主要矿物有石英、正长石、黑云母，也有角闪石、斜长石，由于矿物结晶颗粒较大，组成复杂，容易发生物理风化。在干旱地区崩解成砂粒，在湿润地区暗色矿物被分解为含水氧化铁次生矿物，长石类矿物分解为高岭石，石英以砂粒残留于风化物中。（2）流纹岩：化学成分与花岗岩基本相似，灰白、浅黄或浅红色。斑状结构，斑晶为圆柱状的石英和长方形透长石。因结晶颗粒较小，难以发生物理风化。在温暖湿润地区所形成深厚的风化层，多呈红色的粘壤土或砂质粘壤土。（3）正长岩：其矿物组成以正长石和角闪石为主，不含石英，有少量的磷灰石，磁铁矿，色浅红，呈块状或粒状构造。风化后形成砂壤或壤质土壤，通气性良好，富含磷、钾、钙、镁等营养元素。土壤多为中性至微酸性反应。（4）玄武岩：是基性喷出岩，在地壳中分布较广。化学成分与辉长岩相当。色暗近似黑色，隐晶质结构，常有气孔构造，风化后质地较黏，含盐基物质较多。（5）橄榄岩：主要由橄榄石和辉石组成，一般为暗绿色或黑绿色，全晶质粗粒或中粒结构，容易风化。1.1.2沉积岩（1）砾岩砾岩是各种岩石碎块经过搬运沉积再经胶结硬化而成。直径一般2mm，如经河水长途搬运，其棱角磨圆，其间有孔隙，易透水，风化后呈砂砾状。实物图片：砾岩（2）砂岩一般由直径0.1－2.0mm的砂粒胶结而成，主要成分为石英，其次为长石、白云母、磁铁矿、石榴子石等。石英含量大于95%以上的为石英砂岩；长石含量达25%－60%的为长石砂岩。以氧化硅为胶结剂的称为硅质砂岩；以氧化铁为胶结剂的称为铁质砂岩；以粘土为胶结剂的称为泥质砂岩。胶结紧实的砂岩，因抗风化力强，形成土层较薄，砂性大，尤其是石英砂岩比较明显。实物图片：粗粒石英砂岩（3）页岩粘土经过压实、脱水和胶结作用，硬化后变成页岩，呈页片状或层状构造。矿物组分较复杂，多为灰色、紫红色，也有黄色、黑色。比砂岩容易风化，形成的土质较粘，含片状碎屑多，养分含量较丰富。实物图片：页岩（4）石灰岩石灰岩由化学沉积或生物沉积作用而成。矿物组成主要有方解石，块状构造，岩体层理明显，多为致密结构，硬度小，遇稀盐酸可发生气泡反应，灰、青灰色，有机质含量高时呈黑色。石灰岩风化主要是化学溶解作用，风化后土层较薄，稍粘、钙质丰富，抗酸力强。实物图片：竹叶状灰岩1.1.3变质岩：（1）片麻岩由花岗岩或砂岩变质而成。成分近于花岗岩，矿物组成为石英、长石、云母等，因受到高温高压，矿物结晶呈带状排列，具有一定的方向性，呈条带状。实物图片：花岗片麻岩（2）石英岩石英岩由石英砂岩，在高温高压条件下，经过重结晶变质而成。硬度大，抗机械性和抗化学腐蚀性强，不易风化。脂肪光泽，一般为乳白色，如含有少量氧化铁呈红色和褐色，风化后形成砂质或砾质颗粒。（3）板岩板岩由泥质页岩、粉砂岩和其它细粒碎屑沉积物质变质而成。有完整的片理，劈开后呈平的薄块状平面，北方农民开采后做房瓦用。矿物组成主要是云母、绿泥石、石英等，颜色多为青灰色。实物图片：千枚状板岩（4）片岩片岩由各种岩石在高温高压下变质而成，也可由千枚岩进一步变质而成。具有明显的片状构造，片理面呈粗糙皱纹状，含有云母、角闪石及少量长石。实物图片：方柱石黑云母片岩（5）大理岩大理岩由碳酸岩类（石灰岩、白云岩）变质而成。一般由方解石、白云石和少量的石英、角闪石和辉石矿物组成。具有各色花纹，是优良的建筑装饰材料。纯白色的大理岩称为汉白玉，在我国云南分布较广。实物图片：大理岩综上所述，土壤矿物质来源于岩石、矿物的风化产物。岩石、矿物的组成和特性对土壤的化学组成和物理性质影响甚大，这种影响主要表现在土壤颗粒粗细、土壤物理性质、土壤的酸碱性以及土壤养分等方面（详见有关章节）。因此，学习与成土有关的岩石和矿物的组成及基本特性，有助于我们学习、认识土壤并有目的去改造土壤，尤其是对山区土壤的改良，更是如此。1.2土壤矿物质的来源土壤矿物质来源于岩石、矿物风化产物,岩石矿物质影响土壤的物理化学性质土壤颗粒粗细，土壤酸碱性，土壤养分矿物是指天然产出的、具有一定的化学成分、内部构造和物理性质的元素或化合物。成土矿物:与土壤矿物质组成密切相关的矿物叫成土矿物包括：原生矿物和次生矿物1.2.1原生矿物原生矿物是指由熔融的岩浆直接冷凝所形成的矿物（1）长石类矿物（包括正长石和斜长石）正长石（KAlSi3O8），又称钾长石。颜色多呈肉红色，广泛分布于浅色岩浆岩中，如花岗岩、正长岩、斑岩等。正长石抗风化能力较弱。风化后形成次生粘土矿物，是土壤中钾元素的重要来源（如图01-01）。（2）云母类矿物（包括白云母和黑云母）白云母[KAl2Si3O10(OH)2]，又称钾云母。颜色为无色或浅色，有时带绿色，呈透明或半透明状，薄片状。片状崩解成碎片后化学分解困难，往往混杂在砂土中，反光性很明显。白云母在分解过程中释放出钾，成为土壤中钾元素的来源之一。黑云母[KH2(MgFe)2AlSi3O12]，其性状与白云母相似，只是颜色呈黑色，不透明或半透明。容易分解，风化后形成粘土矿物，释放出钾元素（如图01-02）。（3）角闪石与辉石类矿物（铁镁矿物，属于偏硅酸盐矿物）角闪石[Ca2Na(Mg·Fe)4(Al·Fe)(SiAl)4O11(OH)2]。颜色呈褐或黑色，主要分布于岩浆岩中。辉石[Ca(Mg·Fe·Al)(Si·Fe)2O6]，颜色呈绿黑色，短柱状晶体。角闪石和辉石二者性质相近，色深暗，属于深色矿物，含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解（如图01-03,01-04）。（4）石英矿物（SiO2）普通石英呈透明或半透明的晶粒状的集合体。纯石英为无色，含有杂质时呈白、灰、黄、红、绿、天蓝及紫色。完整晶形为两端锥形的六方柱状晶体或不规则块状。除氟酸外，不与任何酸类起作用，物理及化学性质稳定，不易风化，常以颗粒状残留于土壤中，是土壤中砂粒的主要来源（如图01-05,01-06）。（5）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3），红色，条痕樱红色，常使土壤染成红色。磁铁矿（Fe3O4），常呈八面体晶形，铁黑色，条痕为黑色，具有磁性。黄铁矿（FeS2），金黄色，类似金属铜，断口参差状，金属光泽，条痕绿色至深棕色，较易风化，分解后形成硫酸盐（如图01-07,01-08）。（6）磷酸盐类矿物磷灰石Ca(PO4)3(F·Cl)。呈六方柱状晶体，颜色灰白、黄、绿、黄褐色，是制造磷肥的主要原料，高品位的磷灰石含P2O542.3%，一般含P2O528%－30%时，可用来生产过磷酸钙肥料；18%可粉碎为磷矿粉肥料，含量18%则不宜直接制造磷肥，可掺入无机磷细菌，以促进磷的分解，就地使用。由于磷灰石含有氟，在制造磷肥时，常因脱氟过程产生氟的污染。磷灰石风化后产生游离磷酸，是植物磷元素的主要来源（如图01-09）。（7）方解石（CaCO3）方解石是大理岩、石灰岩的主要组成矿物，易溶于酸，化学性质不稳定，是土壤中碳酸钙的主要来源（如图01-10）。8）褐铁矿（Fe2O33H2O）它是赤铁矿水化而形成的一种含水氧化铁，分布较广。一般为棕色、黄色，是土壤黄色和棕色染色剂，以胶状包被于土粒的表面。（9）石膏（CaSO4）石膏不含结晶水称为硬石膏。含结晶水石膏（CaSO42H2O）称为结晶石膏。白色，玻璃光泽，有时呈珍珠光泽、纤维状、解理完全，是土壤中钙和硫元素的重要来源。1.2.2土壤中的次生矿物土壤中的次生矿物主要有以下几类：（1）简单的盐类如碳酸盐、硫酸盐和氯化物等。（2）含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类。（3）次生层状铝硅酸盐如高岭石、蒙脱石和水化云母类等。它们在土壤中均以粘粒形式存在，粒径极小，并具有胶体性质，它们对土壤理化性质如保肥性、供肥性、缓冲性和耕性等都会产生深刻的影响。土壤的粘粒主要由粘粒矿物组成。所谓粘粒矿物是指那些粒径＜0.001mm的矿物质土粒。它们是由原生矿物经风化过程新形成的矿物，称为次生粘粒矿物。硅酸盐粘粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为高岭石组、蒙脱石组和水化云母等三大类。每一组又包括若干种粘粒矿物。1)次生层状铝硅酸盐黏粒矿物次生层状铝硅酸盐黏粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为：三大组：高岭石组、蒙脱石组、水化云母铝硅酸盐黏粒矿物的基本构造特点：黏粒矿物大部分都具有一定的层状结晶构造；其晶型结构由两个基本单位构成，即硅氧片和铝氧片（1）高岭石组黏粒矿物这一组包括：高岭石、迪凯石、埃洛石和富硅高岭石等黏粒矿物。其共同特点是：①一层硅氧片和一层水铝片重叠而成；②晶架内部水铝片和硅氧片中没有或极少同晶代换；③颗粒一般较蒙脱石组矿物粗；④南方热带、亚热带土壤中普遍存在。（2）蒙脱石组黏粒矿物此组黏粒矿物包括：蒙脱石、绿泥石、拜来石和蛭石等。其共同特点是：①晶架结构都是由两层硅氧片和一层水铝片相间重叠而成；②晶架内普遍存在着同晶代换现象；③此类矿物胀缩性大，吸湿性强；④颗粒微细，在东北的黑钙土和华北地区的褐色土、栗钙土和西北地区灰钙土中含量较多。同晶代换现象：同晶代换（替代）是指组成矿物的中心离子被电性相同大小相近的离子所代换（替代），而晶格构造保持不变的现象。在次生粘粒矿物形成的过程中，晶架内普遍存在着同晶代换现象。同晶代换主要发生在两边的硅氧片中，一般Al3+替代Si4+，也有的发生在水铝片中，一般以Mg2+替代Al3+。这种替代结果，使矿物带有永久的负电菏。（3）水化云母组黏粒矿物其特点：1、晶体构造同属2：1型，同晶代换主要发生在硅氧片中以Al3+替代Si4+，还有少量发生在水铝片中，以Mg2+、Fe2+替代Al3+。晶架产生负电菏，故在晶架基面上吸附阳离子，主要的是K+，依次，含伊利石粘粒矿物多的土壤，钾的元素贮量较丰富。2、吸附于伊利石晶架基面上的K+，实际上是半陷在由晶层表面六个氧离子所构成的六角网中，它同时手相邻两晶架的负电菏的吸附，而产生了键联的效果，使它们不易张开。3、伊利石的保肥性和吸湿性介于蒙脱石组和高岭石组之间。代换量为20—40cmol(+)/kg。2)含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类结晶型：三水铝石（2Al2O3·3H2O）水铝石（2Al2O3·3H2O）针铁矿（Fe2O3·H2O）褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）非晶质无定型不同水化程度:SiO2·nH2O,Fe2O3·nH2O,Al2O3·nH2O,MnO2·nH2O特点：（1）它们中的电荷的产生，不是通过同晶代换，而是通过质子化和表面羟基H+的离解。既带负电菏也可能带正电菏。（2）凝胶转化形成结晶过程中具有胶结作用形成较坚硬的结构体。（3）无定型物质，一般呈胶膜的形式，包被在土粒的表面。3）简单盐类：碳酸盐、硫酸盐和氯化物2矿物质土粒2.1矿物质土粒的分级自然界中任何一种土壤，主要是由矿物质土粒构成的。这些大小、形状、组成和性质不同的矿物质土粒在土壤中的配合比例千差万别。为了研究大小土粒的性质以及它们在土壤中的配合比例对土壤性质产生的影响，有必要对土粒的大小进行划组分级单粒：在自然状况下，这些大小不一的土粒，有的单个地存在于土壤中，称为单粒复粒：大部分则相互黏结在一起，叫复粒。机械分