第二章土壤矿物质

第二章土壤矿物质Chapter2SoilMinerals本章教学要求1、了解土壤矿物的来源和分类2、掌握土壤粘土矿物基本构造和特征3、掌握粘粒氧化物基本特征第一节土壤矿物质来源和分类第二节土壤粘土矿物第三节土壤中的氧化物矿物第一节土壤矿物质来源和分类一、土壤矿物质的来源1、母岩或母质残留:如石英、长石、云母等，土壤中粗颗粒部分。2、原有矿物转变而成：如高岭石、伊利石、蒙脱石、铁铝氧化物等。3、从溶液中新生：如粉红磷铁矿、磷铝石等。二、土壤矿物质的分类1、按结晶状况分为晶质矿物和非晶质矿物：如晶质氧化铁和非晶质氧化铁。2、按化学成分分为硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硫化物、氧化物、氢氧化物等。3、按成因分为原生矿物和次生矿物原生矿物：岩浆岩或变质岩在风化和成土过程中残留在土壤中的矿物。次生矿物：原生矿物经化学风化后形成的或重新合成的矿物。次生矿物分为粘土矿物和粘粒氧化物第一节土壤矿物质来源和分类第二节土壤粘土矿物一、土壤层状硅酸盐粘土矿物基本构造特征（一）硅氧四面体：由一个硅离子和四个氧离子构成，3个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部3个氧离子之上的中心低凹处，硅离子的顶部为另一个氧离子所盖住，形成硅氧四面体。化学式为（SiO4）4-四面体中的硅可以被离子半径相近的阳离子所取代，如铝离子。第二节土壤粘土矿物（二）铝氧八面体：由一个铝离子和六个氧离子或氢氧离子构成。六个氧离子或氢氧离子排列成两层，每层有3个氧离子或氢氧离子排列成三角形，上下交错排列，构成八面体。化学式为（AlO6）9-八面体中的铝离子可为镁离子、铁离子等所取代，晶形不变，产生多余负电荷。八面体中的孔隙若全部为Mg2+、Fe2+等阳离子占满，该八面体称为三八面体；若阳离子如Al3+、Fe3+等仅占据八面体孔隙的2／3，该八面体称为二八面体。是矿物分类的依据。二八面体：中心离子为三价铁、铝等离子的八面体。。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（三）硅片：硅氧四面体以其底部的三个氧，分别与相邻的三个四面体底部的三个氧共享，在二度空间延伸联结成的片,称为硅片。其特点：1、Si片可无限扩大，最小单位的Si片（单位硅片）可用（Si4O10）4-表示，所以Si片是由n（Si4O10）4-组成的。2、Si顶部的氧带1个单位电荷，底部的氧被共用。3、Si片呈六边形网孔状，底部的六角形网眼，叫六方网孔，是产生钾离子和铵离子固定的地方。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（四）铝片：相邻的八面体通过共用棱边的两个氧离子相联结，在二度空间延伸形成的片。简称铝片。特点：（1）Al片可无限扩大，最小单位的Al片（单位铝片）可用（Al4O12）12-表示。Al片是由n（Al4O12）12-组成的。（2）铝片的两层氧都有剩余的负电荷（3）铝片中同晶替代现象普遍。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（五）单位晶层：单位硅片和单位铝片通过一定方式结合形成的单一层状结构体。分为1：1型和2：1型两类复三方网孔：由于硅氧四面体片变形，使其六方网孔畸变而成的孔穴。（六）同晶替代：低价阳离子替代高价阳离子，产生多余负电荷，为永久电荷单位晶胞电荷数，单位化学式电荷数，按单位化学式计算的层电荷数。第二节土壤粘土矿物二、土壤粘土矿物分类层型族亚族种电荷数族名1：10高岭石高岭石高岭石、埃洛石、迪恺石、珍珠石2：10.5-0.9蒙皂石蒙脱石蒙脱石、贝得石、绿脱石皂石皂石、锌皂石、锂皂石0.6-1.0水云母二八面体伊利石三八面体勒迪恺石1.0云母白云母白云母、钠云母黑云母黑云母、金云母不定绿泥石二八面体须藤石三八面体斜绿泥石、叶绿泥石不定纤维棒石坡缕石凹凸棒石海泡石海泡石三、土壤中常见的层状硅酸盐粘土矿物(一)高岭石：底面间距约为0.72nm的1：1型层状硅酸铝矿物。层间没有阳离子和水分子，相邻单元晶层通过氢键连结，无胀缩性，晶形较完整，典型的呈六方片状，矿物颗粒较大，为0.2—2um，比表面小，且以外表面为主，几乎没有同晶替代，单位化学式层电荷数为零，永久电荷极少，其电荷主要来自晶体边缘断键或暴露在表面的羟基解离，CEC很低，约为3—15cmol(+)/kg，主要分布于热带、亚热带土壤中。以高岭石和埃洛石为主要矿物成分的粘土称为高岭土。中国江西景德镇东南45公里高岭村。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（二）蒙脱石蒙皂石：2：1型胀缩性含水层状铝硅酸盐矿物的族名。蒙脱石：二八面体蒙皂石系列中富含镁的矿物。1、晶层结构：晶层由二层硅片夹一层铝片构成，硅片和铝片的比例为2：1，单位晶胞分子式为Al4Si8O20(HO)4。2、胀缩性：相邻晶层的层面均为Si－O面，通过分子引力连结，结合很弱，晶层间距因为水分的进入而扩张，因为失水而收缩，蒙脱石底面间距约为0.96-2.14nm。胀缩性很大（变性土）。3、电荷：主要来自Al片中Mg2+替代Al3＋，为可变电荷。CEC约为80—120cmol(+)/kg，4、胶体特性：颗粒细微、片状，粒径0.01-1微米，比表面大，内外表面都有，主要是内表面，胶体特性很强。5、分布：主要分布于我国北方和西北地区土壤中。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（三）伊利石伊利石水化云母组中的二八面体矿物。（R.E.Grim）等在1937年研究煤层下的泥质沉积物时提出的，泛指底面间距为1.0nm无胀缩性矿物。1、晶层结构：晶层由二层硅片夹一层铝片通过共用阳离子连结而成，硅片和铝片的比例为2：1。2、胀缩性：层间吸附着钾离子，K+半陷在复三方网孔内，（非交换性钾），同时受相邻两层负电荷的吸附，连接力很强，无胀缩性，底面间距为1.0nm。3、电荷：同晶替代现象普遍，主要发生在硅片中，由于一部分负电荷被钾离子中和，而使得伊利石CEC介于高岭石和蒙脱石之间约为20—40cmol(+)/kg。4、胶体特性：颗粒大小介于高岭石和蒙脱石之间，比表面较大，内外表面都有，主要是内表面，胶体特性介于高岭石和蒙脱石之间。5、分布：主要分布于我国北方土壤中，南方土壤中少。云母风化或蒙皂石在成岩过程中吸附K+，排挤出水分和的自生矿物。第二节土壤粘土矿物第二节土壤粘土矿物（四）绿泥石绿泥石与云母相似，2：1型，但其层间不是K+，而是带正电荷的氢氧化物八面体，主要是氢氧化镁（水镁石片），由于Fe3+或Al3+置换Mg2+而带正电荷，晶层靠其连接，无胀缩性。土壤中的绿泥石主要是由母质遗留下来的，也有由于层状硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含绿泥石较多。第二节土壤粘土矿物第三节土壤中的氧化物矿物化学式为MO2、M2O3、MOOH、M（OH）3、和M（OH）4的土壤次生矿物，包括铁、铝、锰、硅的氧化物及其水合物。4价的有硅和锰，三价的有铁、铝、锰，土壤中的氧化物矿物主要存在于可变电荷土壤粘粒中。种类化合物氧化铁赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、褐铁矿氧化铝三水铝石、一水铝石、羟基铝氧化硅蛋白石、次生石英、氧化硅凝胶氧化锰钠水锰矿、锂硬锰矿、锰土、水锰矿一、氧化铁（一）土壤氧化铁的特点1、比表面大，表面活性功能基多，电荷可变性强2、分布广泛，颜色变化多。红、红棕、橙、黄、赭等，是土壤发育程度的外观指标。3、有晶质的和非晶质的，常以胶膜、斑点、斑纹状沉淀在土壤颗粒表面或缝隙中，有的成为铁盘、铁球等。4、铁在土壤粘粒中主要以氧化铁矿物存在。而铝除氧化物之外，还有大量层状铝硅酸盐粘土矿物。5、是土壤对阴离子和阳离子产生专性吸附的主要物质。第三节土壤中的氧化物矿物（二）赤铁矿（α—Fe2O3）（γ—Fe2O3为磁赤铁矿）1、成因：土壤次生赤铁矿可由无定型氢氧化铁在较酸和较高温度下脱水老化而成，或由针铁矿等脱水老化而成。2、结构：基本结构单元是铁氧八面体，由六个O+OH包围铁原子形成八面体。结晶形状随成土条件而异，大多呈六角片状。3、颜色：红色，红壤、赤红壤、砖红壤等的土壤颜色主要是因为赤铁矿造成的。4、电荷：可带正、负、零电荷，随土壤pH而定。5、分布：热带、亚热带高度风化的土壤中，常见于干燥、氧化势强的表土。第三节土壤中的氧化物矿物（三）针铁矿（α—FeOOH、Fe2O3.H2O）goethite1、成因：由赤铁矿水化或者氢氧化铁老化而成。2、结构：基本结构单元是铁氧八面体，由六个OH包围铁原子形成八面体。在土壤中针铁矿常为不规则片、粒状，少数呈针状或短柱状，铝对铁的同晶替代普遍，铝的半径0.051nm比铁小0.064nm,铝置换铁后，针铁矿的结晶变差。3、颜色：黄、黄棕色，黄壤、黄棕壤、褐土等的土壤颜色主要是因为针铁矿造成的。4、电荷：正、负、零5、分布：针铁矿是土壤中最常见的晶质氧化铁，分布广泛，在温带、热带、亚热带土壤中都有分布，但主要是分布湿润而且有较高氧化势的亚表层和土壤的锈斑、锈纹、和铁结核中。在黄棕壤、黄褐土、黄壤、水稻土中，针铁矿是主要的氧化铁矿物，在砖红壤、红壤中与赤铁矿共生。第三节土壤中的氧化物矿物二、氧化铝、水铝英石（一）氧化铝土壤中常见的铝氧化物是三水铝石[Al（OH）3]，三水铝石为白色，主要分布于热带、亚热高度风化的酸性土壤中。既可是铝硅酸盐顺序风化的最终产物，也可是在强烈淋溶、迅速脱硅条件下，铝硅酸盐矿物的风化初期产物，如白浆土。云母蛭石蒙脱石1.4nm过渡矿物绿泥石高岭石三水铝石（二）水铝英石（xAl2O3、ysio2、nH2O）是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质硅酸盐矿物。主要分布在火山灰土壤中。第三节土壤中的氧化物矿物三、氧化硅、氧化锰土壤中的硅酸盐矿物化学风化的结果都可以产生简单的氧化硅、氧化硅的水合物或硅酸（H4SiO4），主要次生氧化硅有：次生石英SiO2（主要由于土壤溶液中硅酸和无定型含水氧化硅脱水老化而成）、蛋白石SiO2H2O,蛋白石是土壤中常见的氧化硅矿物，广泛分布在温带土壤中。来源：根系吸收硅酸积累于植物体，死亡后残留土壤脱水而成；土壤溶液中硅酸直接脱水而成。氧化硅凝胶（SiO2.nH2O）由土壤溶液中硅酸聚合而成。进一步形成蛋白石。土壤中常见的氧化锰矿物钠水锰矿（Na4Mn14O27.9H2O）锂硬锰矿（Al,Li）MnO2(OH)2他们是含锰硅酸盐矿物风化的产物，多呈隐晶质土状物，灰黑色，常存在于酸性至中性土壤的心土层或铁锰结核中。第三节土壤中的氧化物矿物