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1、第三章 土壤矿物质 (Soil mineral ),矿物 指地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作用下形成的具有一定的化学组成和物理性质的单质或化合物。,岩石 由一种或多种矿物组成的集合体。,风化产物的母质类型有：残积母质、运积母质、冰碛物,Silicate mineral 硅酸盐矿物,闪石 amphibole,辉石 augite,长石 feldspar,云母 mica,Carbonate mineral 碳酸盐矿物,方解石 calcite,白云石,Oxide mineral 氧化物矿物,石英 quartz,金红石,赤铁矿 hematite,Phosphate mineral 磷酸盐矿物,磷灰石
2、 phosphate rock,第一节 土壤矿物质,一、土壤矿物质的元素组成 表3-1 地壳和土壤的平均化学组成（重量%）,1、几乎包括元素周期表中所有元素； 2、O、Si、Al、Fe为主，四者共占88.7%以上； 3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。 4 土壤矿物组成一方面继承了地壳化学组成的特点，另一方面有点化学元素在成土的过程中增加，有的则显著下降，如钙、镁、钾、钠。,二、土壤的矿物组成(Mineral components),表 32,(一)原生矿物(Primal mineral) 直接来源于母岩的矿物，其中岩浆岩为其主要来源。 1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以氧化硅和硅酸盐
3、矿物占绝对优势。 如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。 2、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多； 黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。 3、原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等 原生矿物主要分布于粗骨颗粒和粗砂粒中，（土壤颗粒直径在0.051mm）。,构成土壤的骨骼土粒 原生矿物是植物养分的重要来源, 通过风化提供养料 Ca、Mg、K、P、S等,Contributions of original mineral to soils （原生矿物对土壤的贡献）,（二）次生矿物(secondary mineral
4、) 原生矿物分解转化形成的矿物。 以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物为主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物 。 次生矿物，主要分布于粘粒中，粗大一些的也可进入粉粒中。（土壤颗粒直径小于0.05mm）。,图示土壤颗粒大小与矿物类型的关系,0.05mm,0.002mm,含量,第二节 粘土矿物(Clay mineral),粘土矿物这种地球上最常见的物质是最初的生命物质，这一说法已不再是西方的圣经故事和中国的神话传说，而是新的科学研究成果。粘土矿物是一种微小的晶体，科学家们发现，粘土矿物晶体中存在一种有趣的缺陷结构，这种结构可能保存相当多的信息，从而决定晶体生长的取向和构型。 因此，对于诸
5、如属于“低技术”的催化剂和膜等原始控制结构来说，这些无机晶体作为一种构造物质要比大的有机分子更为合适得多。,硅氧四面体 硅氧四面体的构造图示法,一、层状硅酸盐粘土矿物 (一)构造特征 1、基本结构单位 (1)硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）,(2)铝氧八面体 (AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- ),铝氧八面体 铝氧八面体的构造图示法,四面体和八面体动画,2、单位晶片 硅氧四面体 硅片 铝氧八面体 铝片,硅片（硅氧片）图示法,铝片（水铝片）图示法,硅片和铝片以不同方式在C轴上堆叠，形成层状硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1：1型、2
6、：1型和2：1：1型晶层。,3 unite layer 单位晶层,1:1 layer structure 1:1型单位晶层,2:1 layer structure 2:1型单位晶层,2:1 :1 layer structure 2:1 :1型单位晶层,（1）1:1型 一层硅层与一层铝层重叠而成,1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图,（2）2:1型 两层硅层中间夹一铝层,2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图,（3）2:1 :1型 2:1型基础上增加一铝层(或镁层),2:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图,4、同晶替代 指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿
7、物晶格构造保持不变的现象。 发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷 。,永久电荷,Mg,(二) 硅酸盐矿物的种类及一般特征 1、高岭(石)组(Kaolinite ) 包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等 特点： (1) 1:1型 单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2,(2) 膨胀性小 晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键。 (3) 电荷数量少 同晶替代极少 (4) 颗粒较大（有效直径0.22m） 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱,2、蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等 特点： (1) 2:1型 单位晶胞的理论
8、化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O (2) 膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距： 蒙脱石0.962.14nm 蛭石0.961.45nm (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍 (4) 颗粒较细，呈片状 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中 。,3、水化云母(伊利石)组(Hydromica)（又称2 :1型非膨胀性矿物） 特点： (1) 2 :1型 单位晶胞化学式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨胀性 晶层之间吸附的K+的强吸附力，层
9、间距1.0nm (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石 。 (4) 可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。 伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中 四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主,4、绿泥石组(Chlorite) （以绿泥石为代表，富含镁、铁） 特点： (1) 2:1:1型 化学式为MgFe（Al)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代现象普遍 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于
10、伊利石与高岭石之间 (3) 颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中 土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多,二、非硅酸盐粘土矿物,铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石。 1、氧化铁(Iron oxide) 土壤主要矿质染色剂 （1）氧化铁的类型 针铁矿(-FeOOH) 晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核 赤铁矿(-Fe2O3) 红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜,2、氧化铝(Aluminium oxide) 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石Al2O33H2O，Al(OH)3和粘土矿物 湿热强度风化脱硅富铝化
11、的指标之一 我国北纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。 花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在。 无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性 。,3、氧化硅(Silicon oxide)（粘粒）（结晶质和非晶质） 晶质以石英为主 非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。 土壤中部分蛋白石来源于有机体，其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。 4、水铝英石(Allophane) 非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物,Si/Al变化在1-2之间。比表面较大，带较多负
12、电荷，数量决定于水化程度和溶液pH,第三节 粘土矿物的形成和分布规律 1、粘土矿物形成途径 粘土矿物：风化和成土过程中形成的次生矿物,（1）原生矿物风化淋溶直接演变 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si 云母类 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石 （2）风化沉淀（自然合成）学说 原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。 SiO2nH2O 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 带正电荷，碱胶基 盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液pH，并参与矿物形成 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物 沉淀 老化、结晶 溶胶 凝胶（非晶质） 结晶质
13、当溶胶SiO2/Al2O33，可形成2:1型矿物 当溶胶SiO2/Al2O33，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物,风化液pH与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。 盐基离子Mg2+、K+等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。 2、粘土矿物的形成条件 粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 。 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以1:1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为2左右，属铁铝土 。 北方温带地区，粘粒矿物为各种2:1型(伊利石、蒙脱石等)，粘粒硅铝铁率多在3以上。风化度低，属硅铝土 。,3、我国土壤粘土矿物分布规律 全国分为7个分布区 北方以水云母（伊利石）为主的1、2、3区 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4区) 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5区） 南方以高岭石为主的6、7分布区 西北和青藏高原水云母区(1区)，土壤风化程度最低 华南高岭区（7区）土壤风化程度最高,全国土壤粘土矿物分布划分为7个区,1.水云母区,2.水云母蒙脱石区,3.水云母蛭石区,4.水云母蛭石高岭区,5.蛭石高岭区,6. 高岭水云母区,7. 高岭区,课后作业： 1、2、4、6 二班、四班,
