第一章 土壤矿物质

第一章土壤矿物质4学时第二章土壤有机质4学时第三章土壤的离子交换4学时第四章土壤的酸碱反应4学时第五章土壤的孔性和结构性4学时第六章土壤水分6学时第七章土壤空气2学时第八章土壤热量2学时第九章土壤物理机械性和耕性4学时第十章土壤养分循环4学时第一章土壤矿物质第一节土壤矿物的类别和性质一、土壤矿物的类别矿物：是地壳中具有一定的物理性质、化学成分和内部构造的天然化合物。矿物是各种地质作用的产物，是岩石的组成部分。（一）原生矿物（primarymineral)原生矿物是指那些在风化过程中，只改变了形状和大小，未改变化学组成的原始成岩矿物。土壤中的原生矿物颗粒一般较大，其颗粒直径在1～0.001mm。地壳中，矿物总数可达3300多种。土壤中主要原生矿物有石英、长石、云母、辉石、方解石、白云石、石膏，各种磷灰石和铁矿，约40多种。其中最重要的矿物是石英，其次是长石、云母、角闪石、辉石等。原生矿物在土壤中的作用：1、构成土壤骨架，影响土壤的物理性质。2、是植物养料的重要来源。长石、云母风化后提供钾素，辉石、方解石风化后提供Ca、Mg等元素。原生矿物的主要种类：1、铝硅酸盐类矿物（1）长石类：钾、钠、钙、镁的无水铝硅酸盐。斜长石Na[AlSi3O8]—Ca[Al2Si2O8]正长石K[AlSi3O8]白云母KAl2[AlSi3O10][OH]2（2）云母类矿物金云母KMg3[AlSi3O10][OH]2普通辉石(Na,Ca)(Mg,Fe+2,Al,Fe+3)[(Al,Si)2O6]钙铁辉石CaFe[Si2O6]蔷薇辉石MnSiO3（3）辉石类和角闪石类（偏硅酸盐类矿物）普通角闪石Ca2Na(Mg,Fe)4(Al,Fe)[(Si,Al)4O11]2[OH]2透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2[OH]22、氧化物类石英水晶紫水晶蔷薇石英水晶赤铁矿Fe2O3黄铜矿CuFeS2黄铁矿FeS23、硫化物类磷灰石Ca5（PO4）3(F,Cl,OH)4、磷酸盐类矿物（二）次生矿物（secondarymineral)次生矿物是在风化及成土过程中，新形成的矿物。这种矿物颗粒较细(0.001mm)，具有粘土性质，又称为粘土矿物。次生矿物的重要性：首先，由于次生矿物能够反应成土条件和土壤形成过程，它们对于土壤科学研究有重要意义。它可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在现代土壤分类中，次生矿物的类型对鉴别土壤种类起重要作用。其次，次生矿物类型可以影响土壤的理化性质，如吸湿性、膨胀性、收缩性、可塑性、对离子的吸收性能等。土壤中所含有的粘土矿物有晶态和非晶态之分。晶态的次生矿物可分为两类：第一类是铝硅酸盐类，呈层状结构，如高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石等等。第二类，是晶态的含水氧化铁、氧化铝等矿物，如：三水铝石(Al2O3·3H2O)水铝石(Al2O3·H2O)针铁矿(Fe2O3·H2O)褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)非晶态的次生矿物主要呈胶膜状态，包裹于土粒的表面，如含水氧化铁铝(R2O3·XH2O)和硅胶等(SiO2·YH2O)。有的呈粒状凝胶，成为极细的土粒，如水铝英石(XR2O3·YSiO2·ZH2O)。除以上这些粘粒矿物外，土壤中还有一些简单盐类，常见的有碳酸盐，硫酸盐和氯化物等，也属于土壤的矿物成分，或无机组分。二、铝硅酸盐粘土矿物的构造特征（一）铝硅酸盐粘土矿物的基本结构单位1、硅氧四面体(silicontetrahedron)由一个硅离子和四个氧离子所构成，其排列方式，是以三个氧离子构成的三角形为底，硅离子在三个氧离子的中心低凹处，第四个氧则居于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在下面。2、铝氧八面体(aluminiumoctahedron)由六个氧离子(或氢氧离子)环绕着一个中心铝离子排列而成。六个氧离子(或氢氧离子)分为两层排列，每层都由三个氧(或氢氧)排成三角形，但上下两层的6个氧离子互相交错，而铝离子恰恰居于此两层的中心孔穴内。铝氧八面体（二）铝层和硅层四面体和八面体都是结晶学上的基本构造单位。四面体可以写作(SiO4)-4，八面体可以写作(AlO6)-9，它们都不是化合物，而是彼此互相结合，形成铝硅酸盐晶体。在它们形成铝硅酸盐时，第一步，是四面体与八面体分别各自聚合。四面体在平面上连接成蜂窝状硅层(硅氧片)，而八面体则在平面上连接成较疏松的铝层(水铝片)。（三）粘土矿物内的同晶异质替代(Isomorphoussubstitution)概念：当粘土矿物形成时，晶格内的组成离子，常被另一种大小相近，电性符号相同的离子所替代，这种现象称为同晶异质替代。实例：八面体中的Al+3，其半径为0.057nm，可以被半径为0.064nm的Fe+3所替代。Mg2+也可以代替Al3+。硅氧片中的同晶替代，以Al+3代替Si+4最为常见。如果替代的离子不等价，晶体内正负电荷必然产生不平衡，从而使晶体带电，如前面讲的八面体中Mg2+代替Al3+，四面体中Al+3代替Si+4，都会使晶体带负电荷。如果有两对同晶替代分别产生一正一负的电荷，而其产生的位置又恰好邻近，则正负电荷可以互相抵销。如果这种替代不在相邻位置，在同一晶体上可能亦有两种电性，在某一点带负电荷，而在另一点带正电荷。同晶异质替代的意义：由于同晶异质替代常常会使粘土矿物带有电性，所以能吸附相反电荷的离子，被吸附的离子通过静电吸引力，而紧缚在粘土矿物表面，使它不致随水流失。粘粒对阳离子的吸附能力是土壤的一个极为重要的性质，和土壤肥力的关系极大，有时把这（一）蒙脱石类(Smectites)又称2:1型粘土矿物，或胀缩性矿物，包括蒙脱石，绿脱石、拜来石、蛭石，这类矿物有四个共同特点。蒙脱石1、2:1型晶层结构，即二层硅氧片，夹一层水铝片，其典型分子式为：Al2Si4O10(OH)2·nH2O或Al2O3·4SiO2·H2O+nH2O。蒙脱石晶体结构示意图2、电荷数量大在其晶架内，普遍存在同晶替代作用，主要产生于两边的硅氧片中，通常是Si+4被Al+3所代替，在水铝片中，以Al+3被Mg2+代替为主。这样，使蒙脱石类带大量负电荷，蒙脱石类粘土矿物有很强的吸收阳离子的能力，可吸附阳离子80～100m·e/100g，或80～100cmol(+)/kg。3、吸湿性强，胀缩性大蒙脱石类矿物晶架的顶、底两个基面都由Si-O层所构成，当两个晶架相重叠时，相互间引力较小。当失水干燥时，晶架间收缩，最小可缩至0.96nm；当湿润时，水分子进入晶架基面之间，使间距增大，最大可胀至2.14nm，胀缩之间体积相差可达一倍以上。4、胶体特性突出蒙脱石类粘土矿物颗粒呈片状，而且特别微细，含蒙脱石多的土壤，其粘结性、粘着性和可塑性都特别显著。蒙脱石类在我省的黑土、黑钙土中含量较多，华北地区褐土和西北地区的黑钙土中，也含有蒙脱石。（二）高岭石类(Kaolinites)又叫1:1型矿物，包括高岭石、珍珠陶土、迪恺石、埃洛石等，有以下共同特点。1、1:1型晶架结构晶层是由一层硅氧片和一层水铝片重叠而成。其典型分子式有下列2种表示方法：Al2Si2O5(OH)４Al2O3·2SiO2·2H2O硅铝铁率(Silica-sequioxideratio)土壤粘粒部分的SiO2/R2O3分子比率，称为a.可以用来判断粘粒矿物的组成特征及大体类型。鉴定粘土矿物的类型是比较复杂的，从b.和母岩或母质对照以后，可以说明成土过程的特征。如SiO2/R2O3分子比值增大了，说明成土过程中有脱铝现象，反之，则有富铝化作用。高岭石的晶体结构示意图2、电荷数量少晶架内部水铝片和硅氧片中，没有或极少有同晶代替作用，因此，带负电荷量少，吸附阳离子量低，其吸收容量仅为3～15cmol(+)kg-1。在高岭类矿物中，OH群中的H+在一定酸度条件下能向外解离，这样在一定pH条件下，可带有负电荷，也对阳离子有吸收能力，但较蒙脱石小得多。3、非膨胀性由于构成晶架的底层和顶层性质不同，当晶架重叠时，其相邻的两个表面，一面是水铝片上的OH群，而另一面则由硅氧片上的“O”所构成，使得一个晶格的顶层与另一晶格的底层之间，产生了氢键联系。4、胶体特性较弱其外形虽然大部是片状，但是由于颗粒较蒙脱土类为粗，所以其粘结性、粘着性、可塑性等物理机械性质不如蒙脱土组强。南方热带、亚热带土壤中,含有大量的高岭石，北方土壤含量少。（三）水化云母组(Hydrousmicas)又叫2:1型非胀缩性矿物，或伊利石组矿物，主要代表为伊利石，有下面4个共同特点。1、2:1型晶层结构构造上同属于2:1型矿物，晶架内的同晶替代现象主要以Al3+代Si4+，还有少量的Mg2+或Fe3+代Al3+。替代的结果，使晶架产生负电荷，能吸附阳离子，这些都和蒙脱组相似。水化云母（伊利石）的晶体结构示意图2、非膨胀性吸附于伊利石晶架基面之间的钾离子，实际上是半陷在由晶层表面六个氧离子所构成的晶穴内，并且同时受相邻两晶架的阴离子吸附，因而对相邻两晶架产生了所谓“键联”的效果，使它们不易胀开，伊利石的这种不易胀缩的特性和蒙脱石有明显的区别。3、电荷数量较大保肥力和吸湿性介于蒙脱石和高岭石之间，其吸附容量为20～40cmol(+)kg-1。4、胶体特性颗粒大小一般介于高岭石和蒙脱石之间，其可塑性、粘结性、粘着性都介于蒙脱石和高岭石之间。（四）间层型矿物（mixedlayerminerals)以绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物。主要特征为：1、2:1:1型晶层结构绿泥石的分子式为：(Mg·Fe·Al)12(SiAl)8O20(OH)16绿泥石晶体结构示意图2、同晶替代较普遍，元素组成变化较大，阳离子交换量为10－40cmol(+)kg-1。3、颗粒较小，总面积为70-150×103m2kg-1绿泥石在我国土壤中含量较少，主要存在于漠境、半漠境地带的某些黄土母质上发育的土壤中。（五）氧化物类1、氧化铁包括赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿等。土壤中常见的氧化铁矿物是针铁矿和赤铁矿。针铁矿（-FeOOH):黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存在。赤铁矿（-Fe2O3):在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在。少量的赤铁矿就会使土壤呈红色。2、氧化铝土壤中起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。3、水铝英石水铝英石●由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在1－2之间变化。●阳离子交换量，为10－15cmol(+)kg-1。OnHySiOOxAl2232温带半湿润和湿润地区，以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中、有森林覆盖、高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。4、氧化硅结晶态氧化硅：主要是－石英非晶质的氧化硅：蛋白石（SiO2·nH2O)蛋白石经进一步脱水结晶后可变为：玉髓、石英、方英石。蛋白石(Opal)SiO2nH2O蛋白石为含水的非晶质的二氧化硅。纯者无色，因混入不同杂质，呈红、黄、绿、兰等色。蛋白石广泛分布于火山灰来源的土壤中。表1-1地壳和土壤的平均化学组成（重量%）（维诺格拉多夫，1950、1962）*元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中OSiAlFeCaNaKMgTiH47.029.08.054.652.962.502.501.370.45(0.15)49.033.07.133.801.371.671.360.600.40?MnPSCNCuZnCoBMo0.100.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.0030.0850.080.0852.00.10.0020.0050.00080.0010.0003*根据克拉克等(1924)、费尔斯曼(1939)和泰勒(1964)的估计,地壳的化学元素组成与此表稍有不同,但总的趋势是一致的。第二节矿质土粒的分级及性质一、土粒的分级土粒（soilparticle)土壤中的原生矿物和次生矿物，在物理风化、化学风化和成土过程中所形成的大小不等的颗粒，称为土粒。土粒可以单独