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1、第三章第三章 土壤矿物质土壤矿物质教学目标：掌握粘土矿物组成、化学组成、结构性质，了解粘土矿物的分布规律。1第一节土壤物质的矿物组成和化学组成第二节粘土矿物第三节我国土壤粘土矿物分布规律2第一节第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成土壤矿物质的矿物组成和化学组成一、土壤矿物质的化学组成一、土壤矿物质的化学组成土壤3矿物质38%，(95%)有机质12%，(5%)溶液(15-35%)空气(15-35%)4（1）氧（氧（O O）和硅（）和硅（SiSi）是地壳中含量最多的二种元素铁、铝次之，四者相加共占88.7的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐硅酸盐最多。分布规律（2）在地壳中，植物生长必需要的营养
2、元素营养元素含量很低而且分布很不平衡。（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分分散、富集散、富集特性和生物积聚生物积聚作用。5二、土壤中的矿物组成根据矿物的结晶状态结晶状态，矿物可分为 结晶质矿物结晶质矿物 非晶质矿物非晶质矿物一般常分为(据矿物的来源来源)原生矿物和次生矿物原生矿物和次生矿物6土壤原生矿物以硅酸盐硅酸盐和铝硅酸盐铝硅酸盐占绝对优势。原生矿物：指那些经过不同程度的指那些经过不同程度的物理风化物理风化，未改，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物矿物的稳定性，如长石和石英长石和石英。
3、土壤原生矿物是植物养分养分的重要来源常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和榄橄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。榄橄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。7普通角闪石普通角闪石 Ca（Mg，Fe）3Si4O12 辉石辉石 Ca（Mg，Fe）Si2O6橄揽石橄揽石（Mg，Fe）2SiO4 8正长石正长石 KAlSi3O8斜长石斜长石Na（AlSi3O8）Ca（Al2Si2O8）白云母白云母KH2Al3Si3O12黑云母黑云母KH2(Mg,Fe)3AlSi3O129石英石英SiO2磁铁矿磁铁矿(Fe3O4)101112次生矿物：指原生矿物经过不同程度的物理、化学、
4、生物风化，改变化学组成和结晶结构的新形成的矿物。 常见的土壤次生矿物：高岭石、蒙托石、伊利石、磷灰石、三水铝石、水铝石英、针铁矿、褐铁矿等土壤中的次生矿物主要有： 1、次生层状铝硅酸层状铝硅酸盐矿物，是土壤次生矿物的主体； 2、氧化物类氧化物类，包括含水氧化和非含水氧化物 3、不溶性盐类不溶性盐类； 4、可溶性盐类可溶性盐类；13蒙脱石伊利石14方解石方解石CaCO3白云石白云石 CaCO3MgCO3石膏石膏CaSO42H2O 高岭石高岭石 H2Al2Si2O8.H2O）15 红宝石硬度仅在金红宝石硬度仅在金刚石之下。颜色鲜红、刚石之下。颜色鲜红、美艳，可以称得上是美艳，可以称得上是“红色宝石
5、之冠红色宝石之冠”。瑰丽、。瑰丽、华贵的红宝石是宝石之华贵的红宝石是宝石之王，是宝中之宝，其优王，是宝中之宝，其优点超过所有的宝石。点超过所有的宝石。 红宝石红宝石红宝石源自拉丁文。属于刚玉族矿物，三方晶系。因其成分中含铬红宝石源自拉丁文。属于刚玉族矿物，三方晶系。因其成分中含铬而呈红到粉红色，含量越高颜色越鲜艳。而呈红到粉红色，含量越高颜色越鲜艳。16土壤性状生物学性状物理性状化学性状17土壤矿物质的颗粒组成土壤颗粒组成又称土壤机械组成：土壤中不同粒径矿质颗粒的组合比例，一般以各粒级所占百分比表示。土壤粒级：土粒大小的等级。一般将土粒分为石砾、砂粒、粉粒和粘粒四级。18图示土壤颗粒大小与矿物
6、类型的关系19第二节 粘土矿物粘土矿物的概念粘土矿物的概念组成粘粒粘粒的次生矿物次生矿物叫粘土矿物粘土矿物（又称粘粒矿物）主要包括主要包括 层状的硅酸盐矿物和氧化物类。前者是晶型矿物，后者有晶型的，也非晶型的。20粘土矿物粘土矿物颗粒的粒径0.001mm的矿物质，表现出胶体的性质。这种矿物质土粒称为粘粒。21规则规则1 1、阴、阳离子之间的排列尽可能趋于、阴、阳离子之间的排列尽可能趋于最紧密最紧密的排的排 列；列；2 2、多以、多以阳离子阳离子为核心离子，为核心离子，阴离子阴离子为配位离子；为配位离子；3 3、配位数取决于阳、配位数取决于阳/ /阴离子阴离子半径半径之比。之比。4 4、对与硅酸
7、盐而言，配位体是、对与硅酸盐而言，配位体是O O-2-2离子离子配位体理论配位体理论22阳离子半径阴离子半径阳离子配位数配位多面体形状0.155-0.2550.255-0.4140.414-0.7320.732-1.0001346812三角形四面体八面体立方体最紧密表2-3阴阳离子半径与配位数离子半径O2-Si4+Al3+Mg2+()1.400.430.50.590.65Si/O=0.307 Al/O=0.3570.421Mg/O=0.46423一、层状硅酸盐粘土矿物一、层状硅酸盐粘土矿物 （一）构造特征（一）构造特征 1 1、基本结构单位、基本结构单位 （1）硅氧四面体（或简称四面体） 硅氧
8、四面体是硅硅酸酸盐盐矿矿物物的最基本的结构单位，与铝氧八面体不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。24-1-1-1-1251111顶层氧原子硅原子底层氧原子硅片用：n（Si4O10）4表示26（2）铝氧八面体（或简称八面体）-1.5-1.5-1.5-1.5-1.5-1.527111111111111顶层氧原子铝离子底层氧原子铝片：n（Al4O12）1228 2 2、单位晶片、单位晶片硅片：n（Si4O10）4表示铝片：n（Al4O12）12表示293 3、单位晶层、单位晶层 1:1型单位晶层:由一个硅片硅片和一个铝片铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。这样
9、1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。3011型单位晶层结构示意图11型单位晶片有六角形空穴的氧原子层面和氢氧构成的层面。铝氧八面体层硅氧四面体层6（OH）4Al4O+2(OH)4Si6O0.72nm312:1型单位晶层 由两个硅片两个硅片夹一个铝片铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。这样2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。3221型单位晶层结构示意图0.96-2.41nm硅氧四面体硅氧四面体铝氧八面体6O4Si4O+2(OH)4Al4O+2(OH)
10、4Si6O21型单位晶层有两个相同的氧原子面。33 2:1:1型单位晶层 在2:1单位晶层的基础上多了一个八面体片水镁片或水铝片，这样2:1:1型单位晶层由两个硅片、一个铝片和一个镁片（或铝片）构成。水镁片或水铝片2:1单位晶层34 4、同晶替代 是指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。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子壤溶液中带相反电荷的离子, ,使土壤具有保肥能力。使土壤具有保肥能力。35土壤中同晶替代的规律：土壤中同晶替代的规律： 1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土
11、壤胶体一般其净电荷为阴性阴性。 2、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。 3、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。36硅铝铁率或称Sa值（SiO2/R2O3)SiO2/R2O3SiO2分子数Fe2O3+Al2O3分子数1、判断土壤矿物的风化程度与成土阶段；2、作为土壤分类的数量指标之一；3、代表土壤中酸胶基和碱胶基的数量；37四个类组： 高岭组 蒙蛭组 水化云母组 绿泥石组矿物（二）、硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性（二）、硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性38高岭组：（高岭组：（1:11:1型矿物）型矿物）包括
12、：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等特点：（1）1:1型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8。（2）无膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5。高岭石层间间距约为0.72nm。（3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。（4）胶体特性较弱 较粗（0.2-2m），颗粒的总表面积相对较小，为1020103m2kg-1。 高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。39高岭石高岭石40高岭石的矿物结构41蒙蛭组（蒙蛭组（2:12:1型膨胀性矿物）型膨胀性矿物）包括
13、：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。特征：（1）2:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。（2）胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭虫的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。（3）电荷数量大 同晶替代现象普遍。（4）胶体特性突出 ，较细（有效直径0.01-1m），总表面积为600800103m2kg-1，且80是内表面。蛭石一般为400103m2kg-1。 蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广。广。42蒙脱石的同晶替代主要发生在铝片
14、中，一般以Mg2+代Al3+，蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。蒙脱石的理想结构式为：（Al3.34Mg0.66）Si8O20(OH)4 X0.66式中X表示补偿异价离子，置换引起的电荷亏缺的层间可交换阳离子。43蒙脱石的矿物结构44 水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）特征：（1）2:1型晶层结构伊利石是其主要代表。分子式为K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。（2）无膨胀性 在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。（3）电荷数量较大 2040Cmoles(+)kg-1。（4）胶体特性一般 总表面积为
15、70120103m2kg-1，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。 伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。45伊利石的结构示意图2:12:1型型46 绿泥石组（2:1:1型） 绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物特征：（1）2:1:1型晶层结构 绿泥石的分子式 (MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16（2）同晶替代较普遍，元素组成变化较大，阳离子交换量为1040cmoles(+)kg-1。（3）颗粒较小，总面积为70150103m2kg-1 土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状硅酸
16、盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。47g水镁片或水铝片2:1单位晶层48二、非硅酸盐粘土矿物是土壤粘土矿物中，除层状硅酸外的一类结构简单，水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物和水铝石等。存在状态：存在状态：结晶质、非晶质电荷产生：电荷产生：矿物表面通过质子化质子化和表面羟基的质子解离质子解离。+H+H+MOH2+MOHMOH+H+49（一）氧化铁（一）氧化铁 赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿 土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁矿。针铁矿（a-FeOOH）：黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存在。赤
17、铁矿（a-Fe2O3）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在较多。存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，或铁盘。50（二）氧化铝（二）氧化铝三水铝石三水铝石Al(OH)Al(OH)3 3土壤中三水铝石的含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中。 起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷
18、被固定，失去其有效性。酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。51（三）水铝英石（三）水铝英石水铝英石（水铝英石（xAlxAl2 2O O3 3ySiOySiO2 2nHnH2 2O O）由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在12之间变化。阳离子交换量，为1015cmoles(+)kg-1。表面积一般为70300103m2kg-1。温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中、有些森林覆盖、高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。52（四）氧化硅（四）氧化硅结晶态氧化硅：主要是石英非晶质的氧化硅：蛋白石（SiO2nH2O）蛋白石经进一步脱水结晶后可变
19、为玉髓、石英、方英石和磷石英蛋白石呈致密状或钟乳状，纯的蛋白石无色，但因混入不同杂质呈红、黄、褐、绿等各种颜色。蛋白石广泛分布于火山灰来源的土壤中蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指标矿物。土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关。53石英（石英（SiO2）4石英是最常见的矿物之一。颜色种类多，石英是最常见的矿物之一。颜色种类多，常见颜色为乳白色，硬度常见颜色为乳白色，硬度7，贝壳状断口，贝壳状断口，具脂肪光泽，纯石英不含养分；具脂肪光泽，纯石英不含养分；4石英是自然界最难发生化学风化的矿物，石英是自然界最难发生化学风化的矿物，对土壤结构有重要影响；对土壤结构有重要影响；4无色透明的晶体为水
20、晶，透明，具有玻璃无色透明的晶体为水晶，透明，具有玻璃光泽。因内含杂质的不同呈现出不同的颜光泽。因内含杂质的不同呈现出不同的颜色，从而形成各种瑰丽的水晶。色，从而形成各种瑰丽的水晶。4根据水晶颜色的不同可分为：紫晶、黄晶、根据水晶颜色的不同可分为：紫晶、黄晶、蔷薇水晶、烟水晶、茶晶、墨晶等。紫晶蔷薇水晶、烟水晶、茶晶、墨晶等。紫晶最为珍贵，其次是黄晶、烟晶。最为珍贵，其次是黄晶、烟晶。 54石英石英SiOSiO2 2制作光学玻璃、水晶玻璃制作光学玻璃、水晶玻璃的石英粉原料纯度要求达的石英粉原料纯度要求达到到99.999（35元元kg）55含有锰离子的石英紫水晶56含有机质的石英烟水晶57含铁锰
21、的石英芙蓉石58二氧化硅胶体沉积而成的隐晶质矿物白色、灰白色者玉髓白、灰、红等不同颜色组成的同心层状玛瑙59不纯净、红绿各色碧玉；不纯净、黑灰各色燧石60蛋白石蛋白石玛瑙天然紫水晶天然紫水晶SiO2脱水脱水 含水凝固含水凝固 结晶完美结晶完美 61第三节 我国土壤粘土矿物分布规律 一、风化和成土作用与粘土矿物组成的关系 影响粘土矿物形成的因素：1、气候因素 干燥气候条件下的土壤中含有相当数量的伊利石和蒙伊利石和蒙脱石脱石； 湿热气候条件下的土壤中含有大量的高岭石和氧化物高岭石和氧化物类粘土矿物。 如表土层土壤粘土矿物的组成，具有明显的地带性特性，大体上和土壤类型的地带性一致。62633、pH值
22、和离子组成 偏碱的条件下偏碱的条件下，若溶液中有丰富的盐基离子，特别是有较多MgMg2+2+存在时，则有利于蒙脱组蒙脱组粘土矿物的形成 如果盐基离子K K+ +特别丰富，则形成的粘土矿物可能以伊利石伊利石为主 在酸性酸性条件下，如盐基离子很少，形成的粘土矿物主要为高岭石类高岭石类矿物2、生物因素644 4、母质因素影响、母质因素影响河流冲积物富含水云母水云母。湖积物和淤积物富蒙脱石和水云母蒙脱石和水云母。片岩和千枚岩的风化物富水云母和绿泥石水云母和绿泥石。含黑云母丰富的矿物风化时容易产生蛭石或黑云母、蛭石或黑云母、蛭石夹层矿物。蛭石夹层矿物。654、地形因素影响水热条件重新分配， 控制着风化产
23、物的移动沉积 从而影响母质的物理风化和化学风化强度 影响土壤中粘土矿物的演变和组合。 如：洼地粘土矿物多，而坡地上粘土矿物少。66二、我国土壤粘土矿物分布规律土壤土壤伊利石伊利石蒙脱型伊利蒙脱型伊利石石蛭蛭石石蒙脱蒙脱石石高岭高岭石石水铝水铝石石赤铁赤铁矿矿钛铁钛铁矿矿棕漠土棕漠土35352423081灰漠土灰漠土35352410102081淡栗土淡栗土353504210081暗栗土暗栗土353504210081棕壤棕壤303005215081灰化土灰化土15081200815红壤红壤100515050110102020砖红壤砖红壤10050152520205我国主要土壤类型中粘土矿物分布表6
24、7栗钙土栗钙土漠土漠土砖红壤砖红壤红壤红壤棕壤棕壤灰化土灰化土68（一）水云母区（一）水云母区 包括新疆、内蒙古高原西部、柴达木盆地、青藏高原大部。土壤粘土矿物以水云母为主，其次为蒙脱石和绿泥石。（二）水云母蒙脱石区（二）水云母蒙脱石区 包括内蒙古高原东部、大小兴安岭、长白山地和东北平原大部分。土壤粘粒中蒙脱石明显增多。（三）水云母蛭石区（三）水云母蛭石区 包括青藏高原东南边缘山地、黄土高原和华北平原。西部山地土壤粘粒中绿泥石，东部多蛭石，华北平原土壤粘粒中蒙脱石也不少。（四）水云母蛭石高岭区（四）水云母蛭石高岭区 包括秦岭山地和长江中下游平原，为一狭长的过渡地带，在适宜条件下，水云母、蛭石和
25、高岭石都可成为土壤粘粒中的主要成分。 二、我国土壤粘土矿物分布规律69（五）蛭石高岭区（五）蛭石高岭区 包括四川盆地、云贵高原、喜马拉雅山东南端。土壤粘粒中云母退居次要成分，以蛭石和高岭为主。东部蛭石多，并多三水铝石；西部蛭石较少，氧化物含量很 高，山地土壤中水云母含量随海拔高度升高而增加。四川盆地土壤中还有不少蒙脱石。（六）高岭水云母区（六）高岭水云母区 包括浙、闽、湘、赣大部和粤、桂北部。土壤中粘粒部分结晶差的高岭石为主。东部不少水云母和蛭石伴存，铁铝氧化物含量也显著增多。（七）高岭区（七）高岭区 包括贵州南部、闽粤东南沿海、南海诸岛及台湾。70本章小结1、本章的主要内容是土壤矿物质的组成
26、及粘土矿物的结构与性质。2、重点是粘土矿物的结构和性质，认真理解和掌握粘土矿物的结构和性质对学习好以后各章有重要的作用。可以帮助你正确理解土壤的许多理化性质。3、主要掌握几种代表性的粘土矿物。71核心名词：原生矿物次生矿物四面体八面体同晶替换硅铝铁率2：1型粘粒矿物721.什么叫做矿物?分析原生矿物和次生矿物在土壤中的主要作用是什么?2.试比较高岭石、蒙脱石和伊利石在晶架构造上有何不同?3.矿物的SiO2/R2O3比值大小说明什么问题?4.试比较高岭石组矿物与蒙脱石组矿物在性质上的差异?以及产生这些差异的原因是什么?5.1：1型、2：1型硅酸盐黏土矿物晶层构造有何不同？矿物的种类及特性？思考题73课余参考资料课余参考资料袁可能，1990，土壤化学，农业出版社。李学垣，1997，土壤化学及实验指导，农业出版社。熊 毅，1983，土壤胶体，第一章。科技出版社。赵玉萍1991,土壤化学，第一章。北京农业大学出版社。74
