1、第一章 土壤矿物质 Chapter 1: soil mineral基本要求：使学生了解土壤矿物质组成和化 学组成，层状铝硅酸盐粘土矿物、非 硅酸盐粘土矿物的主要性状及其分 布。 n 重点：土壤粘土矿物种类及其性质 ； n 不同种类粘土矿物的构造和性质 n 第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成 n 第二节 粘土矿物 n 第三节 我国土壤粘土矿物分布规律第一节 土壤矿物质的矿物和化学组成 一、元素组成地壳和土壤的平均化学组成（重量%） 元素 元素 地 地 壳中 壳中 土壤中 土壤中 元素 元素 地 地 壳中 壳中 土壤中 土壤中 O O Si Si Al Al Fe Fe Ca Ca Na Na
2、 K K Mg Mg Mn Mn 47.0 47.0 29.0 29.0 8.05 8.05 4.65 4.65 2.96 2.96 2.50 2.50 2.50 2.50 1.37 1.37 0.10 0.10 49.0 49.0 33.0 33.0 7.13 7.13 3.80 3.80 1.37 1.37 1.67 1.67 1.36 1.36 0.60 0.60 0.085 0.085 P P S S C C N N Cu Cu Zn Zn B B Mo Mo 0.093 0.093 0.09 0.09 0.023 0.023 0.01 0.01 0.01 0.01 0.005 0.0
3、05 0.003 0.003 0.003 0.003 0.08 0.08 0.085 0.085 2.0 2.0 0.1 0.1 0.002 0.002 0.005 0.005 0.001 0.001 0.0003 0.0003地壳的元素组成 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。二、矿物组成(Mineral components) 表 1-1 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。二、矿物组成(Mineral co
4、mponents) 表 12 (一)原生矿物(Primal mineral) 1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。 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 形成土壤母质的矿物、岩石 一、主要的成土矿物（一）矿物的概念矿物是一类天然产生于地壳中且具有一定的化 学组成、物理特性和内部构造的化合物或单质。矿物以各种形态（固态、液态、气态）存在 于自然界中。
5、矿物可以是单一元素所组成的，也可以是几 种元素组成的化合物。形成岩石的矿物称为造岩矿物。（二）矿物的类型矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物.原生矿物 由地壳深处熔融状态的岩浆 冷凝固结而形成的矿物称原生矿物。如石英 、长石、云母、辉石、角闪石等。次生矿物 原生矿物经物理、化学风化 作用，组成和性质发生化学变化，形成的新 矿物称次生矿物。如方解石、高岭石等。 硅 酸 盐 类 氧 化 物 类硫 化 物 类磷 化 物 类1.原生矿物次生硅铝酸盐矿物氧化物类矿物有结晶和非结晶两种简单盐类矿物2.次生矿物二氧化硅凝胶（玛瑙）(三)主要成土矿物的性质 石 英 紫水晶烟水晶正长石KAl 3 Si 3 O 8
6、斜长石 CaAl 2 Si 3 O 8橄揽石（Mg，Fe） 2 SiO 4石膏 CaSO 4 2H 2 O石膏白云母方解石 CaCO 3肾状（赤铁矿）高岭石（H2Al2Si2O8.H2O） 岩石 是一种或几种矿物组合而 成的自然集合体。岩石都有一定的矿物 组成，结构和构造。二、主要成土岩石 （二）岩石的概念1.岩 浆 岩岩浆岩是地球内部岩浆侵入地壳或喷出 地表冷凝形成的岩石。岩浆岩的类型: 岩浆岩 深成岩 浅成岩 喷出岩 侵入岩 （二）岩石的类型主要的岩浆岩 酸性岩 SiO 2 含量在65以上 如花岗岩,流纹岩 中性岩SiO 2含量5265 如闪长岩,安山岩 基性岩SiO 2含量4552 如辉
7、长岩,玄武岩 超基性岩 SiO 2 含量小于45 如橄榄岩 侵入性岩浆岩 喷出性岩浆岩 玄武岩 花岗岩2.沉 积 岩沉积岩是由地壳表面早期形成的 岩石经风化、搬运、沉积、压实、胶结 硬化而形成的岩石。一般分为机械沉积 岩、化学沉积岩和生物沉积岩三类。 各种先成岩在新的地壳变动或岩浆活 动产生的高温、高压下，使岩石的矿物重 新结晶，重新排列，改变其结构、构造和 化学成分，而形成的新岩石，称变质岩。3.变质岩岩片,麻岩,石英,岩板岩,结晶片岩,千 枚岩,大理岩 矿物质是构成土壤的基本物质，又是植物矿质营养的 源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。 土壤中的矿物质来自岩石的风化物。而岩石又是由
8、矿 物组成的，不同的矿物构成不同的岩石。不同的岩石经过 风化作用，形成土壤中的矿物质。所以矿物能影响土壤的 理化性质和土壤养分状况。 是一种或几种矿物组合而成的自 然集合体。岩石都有一定的矿物组成， 结构和构造。 岩石(Rock):二、成土的主要矿物和岩石 n Magmatic rock（岩浆岩）：岩浆岩是地球 内部岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的 岩石。 n Sedimentary（沉积岩）：由各种先成的岩 石经风化、搬运、沉积、重新固结而成或 由生物遗体堆积而成的岩石称为沉积岩。 n Metamorphic（变质岩）：在高温高压下岩 石中的矿物发生重新结晶或结晶定向排列 而形成的岩石称为变
9、质岩。三大岩类物质循环Magmatic Rocks （岩浆岩） n Formed from magma（岩浆） n Coarse or fine grained n Coarse-Grained: u Granite（花岗岩） = Most common u Hard & rich in quartz u Widely used u Used for monuments n Fine-Grained: u Basalt（玄武岩） = most common u Hard, dense, durable u High bearing capacitySedimentary Rocks （沉积岩）
10、conglomerate sandstone siltstone shale clay silt sand gravel sediments sedimentary rocksMetamorphic Rock（变质岩）原来存在的岩石在 新的地壳变动或岩浆活动 产生的高温、高压下，使 岩石的矿物重新结晶，重 新排列，改变其结构、构 造和化学成分，而形成的 新岩石，称变质岩。 （二）次生矿物(secondary mineral)原生矿物经外动力地质作用分解转化形成的矿 物。 外动力地质作用是指大气、水和生物在太阳 能、重力能的影响下产生的动力对地球表层所 进行的各种作用统称为外动力地质作用。 以粘
11、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 。硅氧四面体 硅氧四面体的构造图示法第二节 粘土矿物(Clay mineral) 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（SiO 4 4- Si 2 O 5 2- Si 4 O 10 4-）(2)铝氧八面体(AlO 6 9- Al 4 O 12 12- Al 4 （OH） 8 O 4 4-)铝氧八面体 铝氧八面体的构造图示法 2、单位晶片 硅氧四面体 硅层 铝氧八面体 铝层硅片（硅氧片）图示法 铝片（水铝片）图示法3、单位晶层 （1）1:1型 一层硅层与一层铝层重叠而成1:1
12、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 (二) 硅酸盐矿物的种类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：Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8SiO 2 /Al 2 O 3 =4/2=2 硅铝
13、铁率：土壤粘粒部分的SiO 2 和Fe 2 O 3 、Al 2 O 3 （R 2 O 3 ）含量的分子比 硅铝率：土壤粘粒部分SiO 2 和Al 2 O 3 的分子比 硅铁率：土壤粘粒部分SiO 2 和Fe 2 O 3 的分子比 例：某土壤粘粒部分SiO 2 含量为41.89%，Al 2 O 3 含量33.27%， Fe 2 O 3 含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率。 解： 41.89 33.27 SiO 2 的分子含量 0.698 Al 2 O 3 的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO 2 0.698 Fe 2 O 3 的分子含量 0.074 1.75 160 R
14、 2 O 30.326+0.074 硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力 (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 单位晶胞的理论化学式：Al 4 Si 8 O 20 (OH) 4 nH 2 O蒙脱石理论硅铝率SiO 2 /Al 2 O 3 =8/2=4 (2) 膨胀性大晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石0.962.14
15、nm 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： K 2 (AlFeMg) 4 (SiAl) 8 O 20 (OH) 4 nH 2 O SiO 2 /Al 2 O 3 :34 (2) 非膨胀性 晶层之间吸附的K + 的强吸附力，层间距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
16、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 三八面体，化学式为MgFeAl) 12 (SiAl) 8 O 20 (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Al 3+ 代Si 4+ 、铝片中Mg 2+ 代 Al 3+ 产生负电荷，水镁片中Al 3+代Mg 2+ 产生正电荷，两者相抵为净负电荷 ，介于伊利石与高岭石之间 (3) 颗粒较小 可塑性、粘
17、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 结晶质和非晶质 可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质pH而异 ， 可正可负（两性胶体） 低pH M-OH + H + M-OH 2 + （水合基）高pH M-OH + OH - M-O -+ H 2 O 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(-Fe 2 O 3 ) 红色，存在于干燥的氧化性表土
18、层 及胶膜 纤铁矿(-FeOOH) 棕橙色，存在于排水不良而富含 有机质土壤 磁赤铁矿(-Fe 2 O 3 ) 暗红棕色，存在于高度风化且有 机质少的表土 磁铁矿（Fe 3 O 4 ） 棕黑色，多存在于母质中,有时与 磁赤铁矿共存 无定形铁（Fe(OH) 3 ） 棕色，胶膜，锈水 （2）氧化铁的形态及转化 非游离铁全铁 （Fet） 游离铁 结晶质 （Fed） 无定形或活性铁 非络合铁（Feo） 络合铁（Fep ） 土壤铁的游离度（%）= Fed/ Fet 100 土壤铁的活化度（%）= Feo/ Fed 100 土壤铁的络合度（%）= Fep/ Fed 100 无定形隐晶质晶质 2、氧化铝(A
19、luminium oxide) 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石Al 2 O 3 3H 2 O， Al(OH) 3 和粘土矿物湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一 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H 2 PO 4 - 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(SiO 2 nH 2 O)，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
20、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，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH 三、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+H 2 O，-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。SiO 2 nH 2 O 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基 Al 2 O 3 nH 2 O， Fe 2 O 3 nH
21、 2 O 带正电荷，碱胶基 盐基离子Ca 2+ 、Mg 2+ 、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 当溶胶SiO 2 /Al 2 O 3 3，可形成2:1型矿物当溶胶SiO 2 /Al 2 O 3 3，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Mg 2+ 、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
22、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 第三节 第三节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 思考题 n 1、名词解释：矿物 同晶替代 n 2、不同粘土矿物晶体结构如何？其性质 怎样？ n 3、我国粘土矿物分布有何规律？
