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1、,2 土壤固相组成及其诊断特性,2.1 土壤矿物质2.2 土壤有机质2.3 土壤固相的物理诊断特性,土壤的组成,岩 石,成土母质,土 壤,风化作用,成土作用,2.1 土壤矿物质,土壤矿物质是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”。土壤矿物质主要来自成土母质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大类,2.1 土壤矿物质,2.1.1 土壤矿物质的类型及性质2.1.2 土壤矿物质的迁移转化2.1.3 土壤质地,2.1.1 土壤矿物质的类型及性质,(1) 原生矿物 岩石经物理风化后所形成的矿物，其原来的化学组成和结晶构造均未改变。 土壤原生矿物的种类和含量，随母质类型、风化强度和成土过程的不同而异。
2、土壤中的粉砂粒、砂粒几乎全是原生矿物。,土壤原生矿物种类主要有： 1) 硅酸盐、铝硅酸盐类矿物 2) 氧化物类矿物 3) 硫化物 4) 磷酸盐类矿物,1）硅酸盐、铝硅酸盐类矿物： 土壤原生矿物中以硅酸盐、铝硅酸盐类占绝对优势，一般为晶质矿物。常见的有长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等类。,A 长石类,长石类矿物占地壳重量的50 60%，占土壤重量的10 15%，是岩石中分布最广的一类矿物。 长石包括钾长石、钠长石和钙长石。 长石风化可产生高岭石、二氧化硅和盐基物质（如Ca、K、Na等）。钾长石是土壤中钾素的重要来源。,B 云母类,占岩浆岩矿物4%常见的有 白云母 KH2Al3(SiO4)3、
3、黑云母 KH2(MgFe)3Al(SiO4)3。此外，还有金云母、钠云母、锂云母等。 云母类易于风化，是土壤钾素主要来源，同时亦释放许多微量元素。,C 橄榄石类,呈橄榄绿色，是含铁、镁而不含铝的硅酸盐通式为(Mg、Fe)2SiO4，含多种微量元素常见的有：镁橄榄石、铁橄榄石、橄榄石、锰橄榄石、钙镁橄榄石、绿粒橄榄石、硅铅锌矿等。在氧化条件下，由于亚铁氧化促使晶格破坏，所以极易风化。,D 辉石、角闪石类,约占岩浆岩重量的16.8%，属偏硅酸盐类； 普通辉石Ca(MgFeAl)(SiAl)2O6和角闪石在土壤中比较丰富。它们的铁、镁、钙等含量都很高。,2）氧化物类矿物：,包括石英(SiO2)、赤铁
4、矿(Fe2O3)、金红石(TiO2)、蓝晶石(Al2SiO5)等。石英是土壤中分布最广的一种矿物，为砂粒的主要成分。赤铁矿是热带、亚热带土壤中常见的矿物，使土壤呈红色。它很易受到水化，其水化物又常使土壤呈明显的黄、褐、棕等色调。,3）硫化物类矿物,在土壤中通常只有铁的硫化物矿物，即黄铁矿和白铁矿，两者是同质异构物，黄铁矿属等轴晶系，白铁矿属斜方晶系，分子式为FeS2。它们极易风化，成为土壤中硫素的主要来源。,4）磷酸盐类矿物,磷灰石在自然界以氟磷灰石Ca5(PO4)3F最为常见，此外还有氯磷灰石、羟磷灰石等。 磷灰石约含42%的P2O5，它们是土壤中无机磷的重要来源。,(2) 次生矿物,由原生
5、矿物经风化后重新形成的矿物，其化学组成和构造都经过改变，而不同于原来的原生矿物。 次生矿物是土壤物质中最细小的部分（粒径0.001毫米），具胶体的性质，所以又常称之为粘土矿物或粘粒矿物，它是土壤固体物质中最有影响的部分，影响着土壤许多重要的物理、化学性质，如吸收性、膨胀收缩性、粘着性等。因而无论在土壤发生学，或是农业生产上，都具有重要意义。 根据其组成、构造和性质可分为三类：简单盐类、次生氧化物类和次生铝硅酸盐类。,1) 简单盐类,包括各种碳酸盐、重碳酸盐、氯化物等，它们都是原生矿物经化学风化后的最终产物，结晶构造都较简单，常见于干旱和半干旱地区的土壤中。,2）次生氧化物矿物,A 氧化铁和氢氧
6、化铁类： 褐铁矿(2Fe2O33H2O)是含水氧化铁，广泛分布于土壤和风化壳中，使土壤呈棕褐、橘红和红色。,赤铁矿(2Fe2O3)赤铁矿可来自母质，也可在温暖地带的土壤中由氢氧化铁沉淀而成，色赭红，常与针铁矿共生于红色土壤中。干热地区，土壤通气性好，有利于赤铁矿生成。,磁赤铁矿(Fe2O3)原生磁铁矿氧化或纤铁矿脱水都可生成磁赤铁矿，常与赤铁矿共生，使土壤呈红棕色。常见于热带、亚热带岩浆岩高度风化的土壤中。,针铁矿(2FeOOH) 几乎所有的土壤类型中都含有针铁矿，它使土壤染成黄-棕褐色。CO2和亚铁离子有利于针铁矿生成，针铁矿中常含有不少铝和锰。,B 氧化铝矿物,次生氧化铝矿物中的铝来自含铝
7、硅酸盐矿物的风化. 次生氧化铝矿物分为一水氧化铝(Al2O3H2O)和三水氧化铝(Al2O33H2O)。一水氧化铝在热带土壤和石灰岩风化土壤中偶尔可得到。三水氧化铝普遍存在于灰化土，湿热气候下的砖红壤、赤红壤和黄壤。它是含铝矿物在强烈淋溶条件下高度风化的最终产物，比高岭石还稳定。,C 氧化锰矿物,土壤中常见为MnO和MnO2，氧化高价锰(MnO2)更为常见。在土壤结构表面上呈棕、黑色胶膜，或呈结核状存在。,D 次生氧化硅,主要指氧化硅凝胶和蛋白石(SiO2nH2O)。 土壤溶液中氧化硅在酸性介质中可由单体聚合为凝胶，凝胶老化时缩合为蛋白石。蛋白石包裹着许多有机和无机杂质，使它呈现彩色。蛋白石进
8、一步脱水可成隐晶质的石英或方英石玉髓。 来源于生物的蛋白石，可作为埋藏土层和古地理环境的指示矿物，包裹在植物蛋白石中的有机碳可用来测定土壤的年龄。,3）次生铝硅酸盐类,包括伊利石、蒙脱石、高岭石等。它们是构成土壤粘粒的主要成分。 铝硅酸盐粘土矿物的晶体是由硅氧四面体片和铝氧八面体片两种基本晶片连接而成的薄片层状结晶体。,硅氧四面体 四个氧原子围绕一个硅原子，形成具有四面构造。,硅酸盐的晶体结构,岛状,一系列的硅氧四面体通过共同氧原子联结成平面，形成一个片状的四面体层，或称硅氧片,硅酸盐的晶体结构,环状,硅酸盐的晶体结构,链状,硅酸盐的晶体结构,层状和架状,羟基,铝、镁等原子,铝氧八面体,六个氧
9、原子或氢氧根(-OH)围绕一个铝原子，形成的八面构造。,铝氧八面体通过共用氧原子互相联结成平面，排列成片状的八面体层，或称铝氧片或水铝片。,1:1型粘土矿物,2:1型粘土矿物,由一层硅氧片和一层铝氧片组成一晶层，属11型晶格，如高岭石、埃洛石等。由二层硅氧片夹一层铝氧片结合而成一晶层，属21型晶格，如蒙脱石、蛭石和伊利石等。,由二层硅氧片和二层铝氧片组合而成一晶层，属22型晶格，如绿泥石等。 土壤中许多重要特征，如粘性、膨胀性、吸收性和保蓄性等，都与这些次生粘土矿有密切的关系。,组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。 离子大小要相近、电性相同，电价可以同价
10、或不等价 在硅酸盐粘土矿物中，最普遍的同晶替代现象是晶体中的中心离子被低价的离子所代替，如四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中的 Al3+被Mg2+所替代，所以土壤粘土矿物一般以带负电荷为主。同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较为普遍，而在1:1型的粘土矿物中相对较少。,同晶替代作用,A 1:1型矿物 高岭石和埃洛石,高岭石晶体中的两层，是由每层中各自的硅原子和铝原子通过共用的氧原子联结起来。晶层与晶层之间没有阳离子，氧和氢氧离子是通过氢键紧密地联结起来。晶格固定，晶层间距离固定；湿时一般不发生膨胀，阳离子和水分子不能进入晶格内部，只局限于晶体外表面。与蒙脱石颗粒相对比
11、，其半径较大，约0.15微米，多数在0.22微米范围内。表面积低、同晶取代少、阳离子吸附量低。 由于其结构单元联结得非常紧密，所以高岭石晶体不易分割成极细的薄片。高岭石的可塑性、粘结性、收缩性和膨胀性都很低，代换量也低，所以富含高岭石的土壤供肥、保肥能力差，造成植物养分不足。,B 2:1型膨胀性矿物 蒙脱石和蛭石,2:1型层状硅酸盐中晶体两面都是氧，通过很弱的氧键松弛地联结起来，水分子(阳离子也一样)被吸收到两晶体单元之间的空隙处，引起晶格膨胀。膨胀性大；其颗粒直径为0.011微米，分散性高，吸水性强;内表面积比外表面积大得多，比表面为700800 m2/g，大大超过高岭石的比表面；同晶取代作
12、用强，使蒙脱石晶体获得了高的净负电荷。所以蒙脱石代换量极高(80120 厘摩尔()每千克土)。 蒙脱石吸收的水分，植物难于利用，因此富含蒙脱石的土壤，造成植物水分缺乏。同时也以其高的可塑性和内聚力，干燥时发生剧烈收缩为其特征。在干燥时干裂严重，形成干硬的土团，难以耕种。蒙脱石在温带干旱地区的土壤中含量较高。,蒙脱石扫描电子显微镜照片,C 2:1型非膨胀性矿物 伊利石,伊利石是云母风化时向蛭石或蒙脱石过渡的中间产物，与蒙脱石、蛭石同属2:1型晶格，但因层间有代换性钾离子存在，使晶层紧密地相互结合，因而不表现膨胀性。伊利石的电荷主要是由四面体上的同晶置换作用产生的。伊利石晶体大小介于蒙脱石和高岭石
13、之间，一般为0.12.0微米，其代换量、水化作用、膨胀、收缩和可塑性等性质介于蒙脱石和高岭石之间。伊利石广布于一般土壤中，但以温带干旱地区的土壤含量最多。富含伊利石的土壤富含钾素。,D 2:2型矿物 绿泥石,绿泥石是带有铁、铝的镁硅酸盐。典型的绿泥石晶体是，具有与蒙脱石相似晶层构造的滑石层和水镁石Mg(OH)2层交替组成的。因此，晶层是由两层硅氧四面体片和两层镁的八面体片组成。晶层之间吸附水分较少，所以不易膨胀，其代换量远低于蒙脱石和蛭石。土壤中绿泥石大多是母质带来的，特别是石灰性土壤中含量更高，黑云母也可转变为绿泥石。黄土和河流冲积物中有较多的绿泥石，变质岩区的冰碛物中绿泥石更多。绿泥石经不
14、起化学风化作用，随着风化和成土作用的加强，母质中原有的绿泥石将迅速消失。,土壤主要粘土矿物的一些特征,土壤矿物种类虽不太多，但其含量和组合方式复杂多样，并且可反映母质和成土因素的综合影响；土壤矿物质的粗细，可形成不同的土壤质地。矿物质提供了除氮素以外的植物所需的大量和微量营养元素。各种次生粘土矿物具有吸附保存呈离子态养分的能力，并表现出不同的吸收性、保蓄性、粘性和膨胀、收缩性。 所以土壤矿物和土壤的理化特性、土壤肥力都有密切关系。,2.1.2 土壤矿物质的迁移转化,(1) 土壤矿物质的风化作用 裸露在地表的岩石矿物在大气圈、水圈、生物圈的综合作用下，不仅改变了原有物理性状，而且也改变了原有的化
15、学组成和性质，甚至形成新的矿物，这种复杂的变化过程，称为风化作用。 根据风化的性质可把风化过程分为物理风化、化学风化、生物风化三种类型。它们在自然界中不是孤立的，而是相辅相成，同时同地进行的，只是由于条件不同，风化程度有强弱区别而已。,1）物理风化,物理风化又称机械崩解作用 温度的变化 水分的冻结 碎石劈裂以及风力 流水、冰川的摩擦力等物理因素 结果是使岩石矿物由大变小，由粗变细，矿物在化学性质和组成上均未发生变化，物理风化过程在温度变化剧烈的干燥地区较突出。,2）化学风化,参与化学风化的因子有水、二氧化碳和氧，其中以水的作用最为突出。A 水的溶解作用 没有一种岩石或矿物是完全不溶于水的，CO2遇水产生H2CO3，可加强水对岩石矿物的溶解作用. 例如Ca3(PO4)2不溶于水，但是经过碳酸作用可生成能溶于水的CaH4(PO4)2： Ca3(PO4)22H2O2CO2 CaH4(PO4)22CaCO3,
