第02章土壤礦物質(zhì)

第二章土壤礦物質(zhì)

SoilMinerals土壤固體部分由礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)組成，礦物質(zhì)部分占土壤固體重量的95%以上，它是土壤的骨架按容積計(jì)算，固體一般占土體一半左右，其余一半是孔隙，被水、空氣充滿主要根據(jù)顆粒組成，化學(xué)成分和礦物組成三方面來認(rèn)識(shí)第一節(jié)土壤礦物質(zhì)的礦物組成和化學(xué)組成礦物的概念礦物是天然產(chǎn)生于地殼中具有一定化學(xué)組成、物理性質(zhì)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)的物體，是組成巖石的基本單位。礦物的種類很多，共約3300種以上一、土壤礦物質(zhì)的主要元素組成地殼的化學(xué)組成的特點(diǎn)①氧(O)和硅(Si)是地殼中含量最多的兩種元素，分別占了47％,29％，兩者合計(jì)占地殼重量的76.0％；鐵、鋁次之，四者相加共占88.7％的重量。地殼中其余90多種元素合在一起，也不過占地殼重量的11.3％②在地殼中，植物生長必需要的營養(yǎng)元素含量很低，其中如磷、硫均不到0.1％，氮只有0.01％，而且分布很不平衡。由此可見，地殼所含的營養(yǎng)元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足植物和微生物營養(yǎng)的需要③土壤礦物的化學(xué)組成，一方面繼承了地殼化學(xué)中組成的遺傳特點(diǎn)，另一方面有的化學(xué)元素是在成土過程中增加的如氧、硅、碳、氮等，有的顯著下降了如鈣、鎂、鉀、鈉。這反映了成土過程中元素的分散，富集特性和生物積聚作用。土壤礦物次生礦物原生礦物直接來源于母巖的礦物，其中巖漿巖是其主要來源由原生礦物分解轉(zhuǎn)化而成的原生礦物主要是硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物，如石英、長石、云母等。所以巖石類型對(duì)土壤類型的影響極大。主要組成于砂粒，粉粒原生礦物對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)A.構(gòu)成了土壤的骨骼-土粒B.提供養(yǎng)分：有的礦物風(fēng)化產(chǎn)生大量的養(yǎng)分，例如長石-風(fēng)化-鉀磷灰石--P暗色礦物(Mg,Ca,K,Na)--Mg,Ca次生礦物是在風(fēng)化成土過程中新形成的礦物，主要在粘粒，所以，也叫粘土礦物或粘粒礦物，它們是成土過程和成土條件的反映--土壤分類的重要依據(jù)第二節(jié)粘粒礦物

Clayminerals一、層狀硅酸鹽粘土礦物

(一)層狀硅酸鹽礦物的構(gòu)造特征1.層狀硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)單元硅氧四面體鋁氧八面體硅氧四面體(SiO4)4+：由一個(gè)硅離子(Si4+)和四個(gè)氧離子(O2-)組成，三個(gè)氧在三角形底部，硅在中間，一個(gè)氧在上面，構(gòu)成四個(gè)面，每個(gè)面由三個(gè)氧離子所構(gòu)成。鋁氧八面體(AlO6)9-:由一個(gè)鋁離子(Al3+)和6個(gè)氧離子(O2-)構(gòu)成2.單位晶片、晶層

硅氧四面體(SiO4)4-，鋁氧八面體(AlO6)9-是不穩(wěn)定的，各自聚合形成四面體片---硅片n(Si4O10)4-八面體片---鋁片n(Al4O12)12-由于硅片和鋁片都帶有負(fù)電荷，不穩(wěn)定，相互重疊，形成層狀硅酸鹽的單位晶層。硅片和鋁片的重疊方式有：

硅片/鋁片---1:1型硅片/鋁片/硅片---2:1型硅片/鋁片/硅片/水鎂(鋁)片---2:1:1型3.粘粒礦物的同晶替代作用粘粒礦物晶格中的組成離子被另一種大小相近而且電性符號(hào)相同的離子替代而晶格不變的現(xiàn)象Al3+0.057nmFe3+0.064nm同晶替代的結(jié)果使土壤產(chǎn)生永久電荷(二)粘粒礦物的主要類型1.1:1型礦物高嶺石無序高嶺石珍珠陶土等水水1:1型的晶層結(jié)構(gòu)：由一層硅片和一層鋁片重疊而成，稱為1:1型礦物相鄰晶層的層面一個(gè)是硅片的氧面，一個(gè)是鋁片的氫氧面，晶層間形成了氫健，產(chǎn)生了強(qiáng)的連接力，不易膨脹。層間間距0.72nm。電荷數(shù)量少：晶層內(nèi)部的硅片和鋁片極少產(chǎn)生同晶替代現(xiàn)象，CEC3~15cmol(+)/kg膠體特性弱：片狀，顆粒大小在0.2~2m,總表面積10x103~20x103m2/kg分布：熱帶亞熱帶地區(qū)高嶺石的特征2:1型的晶層結(jié)構(gòu)：晶層由二層硅片和一層鋁片組成，又稱為2:1型膨脹性礦物2.2:1型礦物(蒙脫石、綠脫石、蛭石等)膨脹性大：晶層的二個(gè)基面由Si-O面構(gòu)成，晶層間通過分子引力連接，晶層間的結(jié)合力弱，水分子可進(jìn)入，膨脹性大，蒙脫石晶層間距在0.96~2.14nm之間。蛭石在0.96~1.45nm。電荷數(shù)量大：同晶替代現(xiàn)象普遍，蒙脫石主要發(fā)生在鋁片：(Al3.34Mg0.66)Si8O20(OH)4X0.66使礦物產(chǎn)生大量負(fù)電荷，蒙脫石CEC80~120cmol(+)/kg，蛭石150cmol(+)/kg膠體特性突出：顆粒細(xì)，蒙脫石0.01~1m,表面積600x103~800x103m2/kg.分布：蒙脫石主要分布在我國東北、華北和西北地區(qū)的土壤中。2:1型晶層結(jié)構(gòu)：晶層結(jié)構(gòu)與蒙脫石相似。無膨脹性：在伊利石晶層間吸附有鉀離子，鉀離子在晶穴內(nèi)產(chǎn)生鍵連接，連接力強(qiáng)，不易膨脹，晶層間距1.0nm.電荷數(shù)量大：同晶替代普遍，以Al3+替代Si4+為主，產(chǎn)生負(fù)電荷；但部分被鉀離子中和，CEC介于蒙脫石和高嶺石之間，20~40cmol(+)/kg.膠體特性:介于蒙脫石和高嶺石之間，表面積在70x103~120x103m2/kg分布：北方地區(qū)土壤，吸附的陽離子以鉀離子為主，所以伊利石豐富的土壤含鉀豐富。3.伊利石組礦物(或水化云母、非膨脹性礦物)2:1:1型晶層結(jié)構(gòu)：二層四面體片和二層八面體組成，實(shí)際是2:1:1形礦物同晶替代普遍：CEC在10~40cmol(+)/kg顆粒較小：表面積在70x103~150x103m2/kg。4.間層形礦物(綠泥石)二、非硅酸鹽粘土礦物

主要是Fe、Mn、Al、Si的氧化物及其水合物--氧化物組礦物Oxidemineral化學(xué)式為MO2、M2O3、MOOH、M(OH)3和M(OH)2的土壤次生礦物，四價(jià)的有Si、Mn、Ti，三價(jià)的有Fe、Al和Mn，氧化物礦物即可呈晶體狀態(tài)，也可呈非晶態(tài)鐵和鋁的氧化物有結(jié)晶態(tài)和無定形的。例如，三水鋁石(Al2O3·3H2O)、針鐵礦(-FeOOH)、赤鐵礦(-Fe2O3)；無定形的如：SiO2·nH2O、Fe2O3·nH2O、Al2O3·nH2O氧化物的狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化。晶態(tài)無定形氧化物礦物在土壤中多以膠膜形態(tài)存在，膠結(jié)劑目前國際范圍內(nèi)土壤研究從溫帶轉(zhuǎn)向熱帶亞熱帶土壤；其次，微量元素的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)微量元素的有效性與氧化物關(guān)系密切；以及環(huán)境科學(xué)中污染物的遷移轉(zhuǎn)化與氧化物關(guān)系密切，氧化物研究成為熱點(diǎn)氧化物氧化鐵礦物的電子顯微鏡照片針鐵礦赤鐵礦氧化物礦物的電荷是通過質(zhì)子化和表面羥基H+的離解產(chǎn)生的。

M---OH2+=M---OH=M---O-

表面羥基失去1個(gè)氫離子，表面帶負(fù)電荷，當(dāng)表面羥基吸附1個(gè)氫離子，表面就帶正電荷，主要取決于土壤溶液中的H離子濃度。