土壤學(xué)：第三章土壤礦物質(zhì)(Soil mineral )

1、第三章 土壤礦物質(zhì)(Soil mineral ) 第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的礦物和化學(xué)組成 一、元素組成 表3-1地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量%）,1、幾乎包括元素周期表中所有元素； 2、O、Si、Al、Fe為主，四者共占88.7%以上； 3、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。 二、礦物組成(Mineral components),表 32,(一)原生礦物(Primal mineral) 1、原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主 以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。 如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。 2、原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性 石英最穩(wěn)定，是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒

2、中較多； 黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風(fēng)化。 3、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源 Ca、Mg、K、P、S等 （二）次生礦物(secondary mineral) 原生礦物分解轉(zhuǎn)化形成的礦物。 以粘土礦物為主，又以結(jié)晶層狀硅酸鹽礦物為主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物 。,硅氧四面體硅氧四面體的構(gòu)造圖示法,第二節(jié) 粘土礦物(Clay mineral) 一、層狀硅酸鹽粘土礦物 (一)構(gòu)造特征 1、基本結(jié)構(gòu)單位 (1)硅氧四面體（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）,(2)鋁氧八面體(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- ),鋁氧八面體 鋁氧八面體的構(gòu)造圖示法

3、,2、單位晶片 硅氧四面體 硅層 鋁氧八面體 鋁層,硅片（硅氧片）圖示法,鋁片（水鋁片）圖示法,3、單位晶層 （1）1:1型 一層硅層與一層鋁層重疊而成,1:1型層狀硅酸鹽(高嶺石)晶體結(jié)構(gòu)示意圖,（2）2:1型 兩層硅層中間夾一鋁層,2:1型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)示意圖,（3）2:1 :1型 2:1型基礎(chǔ)上增加一鋁層(或鎂層),2:1:1型層狀硅酸鹽（綠泥石）結(jié)構(gòu)示意圖,4、同晶替代 指硅酸鹽礦物的中心離子被電性相同、大小相近的其它離子所代替而礦物晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。 發(fā)生同晶替代后，硅酸鹽礦物產(chǎn)生負(fù)電荷 (二) 硅酸鹽礦物的種類 1、高嶺(石)組(Kaolinite ) 包括高嶺

4、石、埃洛石、珍珠陶土等 特點： (1) 1:1型 單位晶胞（層）化學(xué)式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅鋁鐵率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比 硅鋁率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比 硅鐵率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比,例：某土壤粘粒部分SiO2含量為41.89%，Al2O3含量33.27%，F(xiàn)e2O3含量11.85%，計算其硅鋁鐵率、硅鐵率。 解： 41.89 33.27 SiO2的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3

5、的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+0.074 硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學(xué)風(fēng)化程度 硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程和保肥能力 (2) 膨脹性小 晶層間距約0.72nm,硅片和鋁片之間存在氫鍵 (3) 電荷數(shù)量少 同晶替代極少 (4) 顆粒較大（有效直徑0.22m） 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性弱,2、蒙脫石組(Montmorillonite) 包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等 特點： (1) 2:1型 單位晶胞的理論化學(xué)式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脫石理論硅鋁率SiO2/Al2O3=8/2=4 (2) 膨脹性大 晶層以分子引力聯(lián)結(jié)，晶層間距： 蒙脫

6、石0.962.14nm 蛭石0.961.45nm (3) 電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍 (4) 顆粒較細(xì)，呈片狀 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性顯著，對耕作不利 蒙脫石在我國北方土壤分布較廣，蛭石分布在風(fēng)化不太強而排水良好的土壤中,3、水化云母(伊利石)組(Hydromica)（又稱2 :1型非膨脹性礦物） 特點： (1) 2 :1型 單位晶胞化學(xué)式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨脹性 晶層之間吸附的K+的強吸附力，層間距1.0nm (3) 電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間K+中和，

7、有效電荷量少于蒙脫石 (4) 可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。 伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)土壤中 四川盆地紫色土和河流沖積土一般以伊利石為主,4、綠泥石組(Chlorite) （以綠泥石為代表，富含鎂、鐵） 特點： (1) 2:1:1型三八面體，化學(xué)式為MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代現(xiàn)象普遍 硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代Si4+、鋁片中Mg2+代Al3+產(chǎn)生負(fù)電荷，水鎂片中Al3+ 代Mg2+產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負(fù)電荷，介于伊利石與高嶺石之間 (3) 顆粒較小 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性居中 土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺

8、留，沉積巖和沉積物中較多,二、非硅酸鹽粘土礦物 鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物、水鋁英石 結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì) 可變電荷，表面羥基的質(zhì)子化或離解，因介質(zhì)pH而異， 可正可負(fù)（兩性膠體） 低pH M-OH + H+M-OH2+（水合基） 高pH M-OH + OH-M-O- + H2O 1、氧化鐵(Iron oxide) 土壤主要礦質(zhì)染色劑 （1）氧化鐵的類型 針鐵礦(-FeOOH) 晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核 赤鐵礦(-Fe2O3) 紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜,纖鐵礦(-FeOOH) 棕橙色，存在于排水不良而富含有機質(zhì)土壤 磁赤

9、鐵礦(-Fe2O3) 暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有機質(zhì)少的表土 磁鐵礦（Fe3O4） 棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時與磁赤鐵礦共存 無定形鐵（Fe(OH)3） 棕色，膠膜，銹水 （2）氧化鐵的形態(tài)及轉(zhuǎn)化 非游離鐵 全鐵 （Fet） 游離鐵 結(jié)晶質(zhì) （Fed） 無定形或活性鐵 非絡(luò)合鐵 （Feo） 絡(luò)合鐵（Fep）,土壤鐵的游離度（%）= Fed/ Fet 100 土壤鐵的活化度（%）= Feo/ Fed 100 土壤鐵的絡(luò)合度（%）= Fep/ Fed 100 無定形隱晶質(zhì)晶質(zhì) 2、氧化鋁(Aluminium oxide) 硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石Al2O33H2O，Al(OH)

10、3和粘土礦物 濕熱強度風(fēng)化脫硅富鋁化的指標(biāo)之一 我國北緯30度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)。 花崗巖風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中也有三水鋁石存在 無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性,3、氧化硅(Silicon oxide)（粘粒）（結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)） 晶質(zhì)以石英為主 非晶質(zhì)為蛋白石(SiO2nH2O)，脫水結(jié)晶為玉髓、石英、方石英、鱗石英等變體。 土壤中部分蛋白石來源于有機體，其含量常與有機質(zhì)含量有關(guān)?？勺鳛楣磐寥缆癫乇韺拥闹甘拘缘V物。 4、水鋁英石(Allophane) 非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物,Si/Al變化在1

11、-2之間。比表面較大，帶較多負(fù)電荷，數(shù)量決定于水化程度和溶液pH 三、粘土礦物的形成和分布規(guī)律 1、粘土礦物形成途徑 粘土礦物：風(fēng)化和成土過程中形成的次生礦物,（1）原生礦物風(fēng)化淋溶直接演變 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si 云母類 伊利石 蛭石 蒙脫石 高嶺石 三水鋁石 （2）風(fēng)化沉淀（自然合成）學(xué)說 原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。 SiO2nH2O 土壤pH條件下帶負(fù)電荷，酸膠基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 帶正電荷，堿膠基 鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，決定溶液pH，并參與礦物形成 正負(fù)電荷膠體相互中和沉淀組成新礦物 沉淀 老化、結(jié)晶 溶膠 凝膠（非晶質(zhì)） 結(jié)晶質(zhì) 當(dāng)溶膠SiO2/Al2O33，可形成2:1型礦物 當(dāng)溶膠SiO2/Al2O33，可形成1:1型礦物及氧化鋁礦物,風(fēng)化液pH與鹽基淋溶有關(guān)，并影響膠體的正、負(fù)電荷數(shù)量和沉淀凝膠中正負(fù)電荷膠體的比例。 鹽基離子Mg2+、K+等直接參與新礦物合成，分別形成富鉀（伊利石）、富鎂（蛭石、綠泥石）等礦物。 2、粘土礦物的形成條件 粘土礦物形成與氣候等成土條件密切相關(guān) 南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風(fēng)化程度高，粘土礦物以1:1型為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率為2左右，屬鐵鋁土 北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物為各種2:1型