第二章土壤矿物质

第二章土壤矿物质（Soilminerals）土壤中各种粗细不同的矿物颗粒。它们来源于岩石风化物，即由成土母质继承和演变而来，是土壤的主要组成物质之一，约占土体固相重量的95％以上，占土体容积的38％以上，故称之为土壤的“骨架”。土壤矿物质又是植物矿质营养的源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。第一节土壤矿物质的化学组成和矿物组成矿物是天然产生于地壳中具有一定化学组成、物理性质和内在结构的物体，是组成岩石的基本单位。矿物的种类很多，共约3300种以上。从学习土壤学角度讲，着重关注的是成土矿物，以及某些作为肥料和土壤改良剂来源的矿物。土壤中矿物质主要由岩石中矿物变化而来。为此，讨论土壤矿物的化学组成，必须知道地壳的化学组成。一、岩石的化学组成和矿物组成（一）岩石的化学组成岩石的化学成分极其复杂，元素周期表中的全部元素几乎都能从岩石中发现，但主要的约有20余种，包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钛、钾、钠、磷、硫以及一些微量元素如锰、锌、铜、钼等。地壳和土壤的平均化学组成（重量%）元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中O47.049.0Mn0.100.085Si29.033.0P0.0930.08Al8.057.13S0.090.085Fe4.653.80C0.0232.0Ca2.961.37N0.010.1Na2.501.67Cu0.010.002K2.501.36Zn0.0050.005Mg1.370.60Co0.0030.0008Ti0.450.40B0.0030.001H（0.15）?Mo0.0030.0003（1）地壳中的元素以氧、硅、铝、铁四种元素为主。其中又以氧和硅的含量最多，分别占地壳重量的47%和29%；铝和铁次之，分别占地壳重量的8.05%和4.65%。所以，在组成岩石的各种化合物中，绝大多数是含氧化合物，其中又以硅酸盐最多。1.地壳元素组成的特点（2）作为植物必需营养元素含量低。例如，其中的磷、硫均不到0.1%，而氮只有0.01%。（3）岩石中的植物必需营养元素不仅含量低，而且这些营养元素都以难溶的化合物形式被封闭在坚硬的岩石中。坚硬的岩石必须经过破碎分解而成为母质，植物营养元素才可能被释放、被集中，水分与空气才可能通过和贮存，从而肥力才有可能发生和发展，土壤才有可能形成。2.地壳如何变成具有肥力的土壤？（二）岩石的矿物组成构成岩石的矿物称为造岩矿物，包括石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石等十几种。一般为白色透明，含有杂质时呈其他颜色。石英是最主要的造岩矿物，分布最广，为酸性岩浆的主要成分，在沉积岩和变质岩中也常见。石英在岩石中常呈不透明或半透明晶粒状，烟灰色，油脂光泽。石英的伴生矿物是云母、长石。石英硬度大，化学性质稳定，不易风化，岩石风化后，石英形成砂粒，含砂粒多的土壤，含盐基少，形成的母质养分一般贫乏，酸性也较强。石英正长石KalSi3O8晶体短柱状，肉红色、浅黄色、浅黄红色等，玻璃光泽，完全解理，硬度6.0。正长石在岩石中呈晶粒，长方形的小板状，板面具有玻璃光泽。伴生矿物为石英、云母等。正长石易风化，风化后形成粘土矿物高岭石等，可为土壤提供大量K养分。正长石类矿物一般含氧化钾16.9％。斜长石Na（AlSi3O8）·Ca（Al2Si2O8）常呈板状和柱状晶体。白色或灰白色。玻璃光泽，完全解理，硬度6.0～6.5。在岩石中多呈晶粒，长方形板状，白色或灰白色，玻璃光泽。伴生矿物主要是辉石和角闪石。斜长石比正长石容易风化，风化产物主要是粘土矿物，能为土壤提供K、Na、Ca等矿物养分。白云母KH2Al3Si3O12常见片状、鳞片状。白云母无色透明或浅色（浅黄、浅绿）透明。极完全解理，薄片具有弹性，珍珠光泽，硬度2.0-3.0。白云母较难风化，风化产物为细小的鳞片状，强烈风化后能形成高岭石等粘土矿物。黑云母KH2(Mg，Fe)3AlSi3O12深褐色或黑色，其他性质同白云母。黑云母主要分布在花岗岩、片麻岩和结晶片岩中，伴生矿物是石英、正长石等。黑云母较白云母易于风化，风化物为碎片状。云母类因化学成分不同而分为白云母和黑云母。普通角闪石Ca(Mg,Fe)3Si4O12角闪石呈细长柱状，深绿至黑色，玻璃光泽，完全解理，硬度5.0～6.0，角闪石主要分布在岩浆岩和变质岩中的片麻岩和片岩中。在岩石中呈针状或纤维状。伴生矿物为正长石、斜长石和辉石，角闪石易风化，风化产物为粘土矿物。呈短柱状、致密块状，棕至暗黑色，条痕灰色，中等解理，硬度5.5。辉长岩和玄武岩中，在岩石中多呈晶粒状。伴生矿物为角闪石、斜长石、辉石等，较角闪石难风化，风化物为粘土矿物，富含Fe。辉石Ca(Mg,Fe)Si2O6普通辉石橄榄石呈粒状集合体出现，橄榄绿色，玻璃光泽或油脂光泽。橄榄石为超基性岩的主要组成矿物，伴生矿物为斜长石、辉石，不与石英共生，易风化，风化产物有蛇纹石、滑石等。蛇纹石呈污绿色，玻璃光泽或油脂光泽，断口上有时呈蜡状光泽，比重2.5，硬度2.0～4.0。橄揽石(Mg,Fe)2SiO4方解石为次生矿物，呈菱形，半透明，乳白色，含杂质时呈灰色、黄色、红色等，完全解理，玻璃光泽。与稀盐酸反应生成CO2气泡。无色透明者称冰洲石。方解石分布很广，是大理岩、石灰岩的主要矿物，常为砂岩、砾岩的胶结物，也可在基性喷出岩气孔中出现。方解石的风化主要是受含CO2的水的溶解作用，形成重碳酸盐随水流失，石灰岩地区的溶洞就是这样形成的。方解石CaCO3白云石是由方解石、菱美矿结合而成，呈弯曲的马鞍状、粒状、致密块状等，灰白色，有时带微黄色，玻璃光泽，性质与方解石相似，但较稳定，与冷盐酸反应微弱，只能与热盐酸反应，粉末遇稀盐酸起反应，这是与方解石的主要区别。白云石是组成白云岩的主要矿物，也存在于石灰岩中。风化物是土壤Ca、Mg养分的主要来源。白云石CaCO3·MgCO3石膏呈板状、块状、无色或白色。玻璃光泽或丝绢光泽。硬度2.0，是干旱炎热气候条件下的盐湖沉积。常作土壤改良剂。石膏CaSO4·2H2O8二、土壤矿物质的化学组成及矿物组成（一）土壤矿物质的化学组成由于土壤矿物质来自于岩石的风化，所以土壤矿物质的化学组成与岩石的化学组成有相似之处，但也存在一定的区别。地壳和土壤的平均化学组成（重量%）元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中O47.049.0Mn0.100.085Si29.033.0P0.0930.08Al8.057.13S0.090.085Fe4.653.80C0.0232.0Ca2.961.37N0.010.1Na2.501.67Cu0.010.002K2.501.36Zn0.0050.005Mg1.370.60Co0.0030.0008Ti0.450.40B0.0030.001H（0.15）?Mo0.0030.0003具体来看，土壤矿物质的化学组成有以下三个特点：（1）O、Si是含量最多的两种元素，Al、Fe次之。它们分别占土壤矿物质重量的49%、33%、7.13%和3.80%。上述四种元素相加共占土壤矿物质重量的92.93%。也就是说，土壤矿物质中其余90多种元素合在一起，也不过占土壤矿物质重量的7.07%。所以，在组成土壤矿物质的化合物中，绝大多数也是含氧化合物，其中又以硅酸盐最多。土壤矿物质化学组成的这一特点与岩石是相似的。（2）植物生长必需的营养元素不仅含量很低，而且分布很不平衡。例如，N只有0.1%，而P、S均不到0.1%。这样低的含量远远不能满足植物和微生物营养的需要。这一化学组成特点与岩石也是相似的。（3）两者的区别之处就在于：与岩石相比，有的化学元素在成土过程中增加了，而有的则显著下降了。例如，与岩石相比，土壤矿物质中O、Si、C、N等元素的含量增加了，而Ca、Mg、K、Na等元素的含量则显著下降了。（二）土壤矿物质的矿物组成土壤矿物质按照来源的不同，可以分为原生矿物和次生矿物两大类。1、原生矿物（primaryminerals）（1）原生矿物的概念自然界中，矿物的种类很多，其中长石、石英、辉石、角闪石、云母等数种矿物是构成岩石的主要矿物，称为造岩矿物，它们约占大陆岩石圈的90%。在风化成土过程中未改变化学组成的原始造岩矿物，称为原生矿物。原生矿物主要是一些抗风化能力较强的造岩矿物，其中大部分为石英和长石类矿物。此外，还包括云母、角闪石及辉石等。岩浆岩是其主要来源。正长石斜长石黑云母白云母辉石铁锰硅酸盐闪石橄榄石磷灰石石英含有锰离子的石英——紫水晶含有机质的石英——烟水晶含铁锰的石英——芙蓉石普通石英正长石（KAlSi3O8）：钾长石，肉红色，晶体为短柱状，易化学分解，为土壤提供钾斜长石[Na(AlSi3O8)Ca(Al2Si2O8)]：板状或粒状，灰白色，硬度6.5左右，较易分解，为土壤提供钙。辉石[Ca(Mg,Fe)Si2O6]：绿黑色，短柱状或近似粒状，硬度5～6，玻璃光泽;易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。角闪石[Ca(Mg,Fe)Si4O12]：黑绿色，长柱状或近似细长条状，硬度5～6，玻璃光泽；易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。白云母(KH2Al3Si3O12)：无色，片状，具弹性，硬度2～3，极完全解理。易发生物理崩解，很发生化学分解，为土壤提供钾。橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4]：橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.5～7。富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。（2）原生矿物的特点①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。②土壤中原生矿物类型和数量多少在很大程度上决定于矿物的稳定性。如，石英是极稳定的矿物，具有很强的抗风化能力，因而土壤的粗颗粒中，其含量就高。③土壤原生矿物是植物养分的重要来源。原生矿物中含有丰富的Ca、Mg、K、Na、P、S等常量元素和多种微量元素，经过风化作用释放供植物和微生物吸收利用。土壤矿物的风化及稳定性序列图A.构成土壤的“骨架”；——粗的土粒土壤中的原生矿物主要存在于粗粒组分中，粒径为1-0.01毫米的砂粒和粉砂粒几乎都是原生矿物。B.风化后释放出营养元素。土壤原生矿物也是土壤中各种化学元素的最初来源。另外，由于原生矿物颗粒较粗，比表面积小，所以它们给土壤带来疏松通透的物理性质。（3）原生矿物（对土壤肥力）的作用：原生矿物的组成和比例很少能反映土壤形成过程特点，但是，它们说明成土母质成因特征。土壤中原生矿物丰富，说明土壤相当年轻。随着土壤年龄增长，原生矿物含量和种类逐渐减少。不同种类的原生矿物，由于其构造特点及元素组成不同，抗风化的能力及提供养分的能力也不同。2、次生矿物（secondaryminerals）（1）概念土壤中的次生矿物，是在岩石的风化和成土过程中，由原生矿物经化学蚀变或由其分解产物重新合成的新生矿物。（2）特点①通过电子显微镜对其外部形态进行观察可以清楚地看出，次生矿物可呈板状、小球状及短栅状等各种形状。②从其内部的构造及成份来看，它们大都为层状硅酸盐，故有时也称为次生层状硅酸盐矿物。③由于次生矿物的颗粒较细，主要存在于土壤的粘粒组分中，是粘粒的主要成分，故也称为次生粘粒矿物，或直接称粘粒矿物、粘土矿物。(claymineral)土壤中常见的次生矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石以及针铁矿、三水铝石、水铝英石等。粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成土条件。研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义：A、可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。B、有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀缩性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。（必须更加关注粘土矿物）（3）粘土矿物意义：次生矿物的类型类型形成过程矿物名称分布易溶盐类原生矿物脱盐基土壤溶液中易溶盐析出碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物干旱半干旱区和大陆性季风气候区及滨海次生氧化物类原生矿物脱盐基、水解和脱硅形成二氧化硅氧化铝氧化铁、氧化锰酸性介质SiO2聚凝高湿高温风化高湿高温潴育次生铝硅酸盐原生矿物化学风化。基本构造单元：硅氧四面体和铝氧八面体Al2O3·2SiO2·2H2OAI2O3·4SiO2·2H2O+nH2O[OH4Ky（