第二节-土壤组成.ppt

第一节第一节 土壤形态土壤形态第二节第二节 土壤组成土壤组成第三节第三节 土壤性质土壤性质第一章 土壤剖析第二节第二节 土壤组成土壤组成一、土壤矿物质学习重点u 土壤矿物类型及其风化特征u 土壤矿物质的迁移转化u 矿物风化程度的量度指标（一）土壤矿物质组成（一）土壤矿物质组成元素组成元素组成 地壳和土壤的平均化学组成（重量地壳和土壤的平均化学组成（重量%）元素元素元素元素地地地地壳中壳中壳中壳中 土壤中土壤中土壤中土壤中元素元素元素元素地地地地壳中壳中壳中壳中 土壤中土壤中土壤中土壤中OOSiSiAlAlFeFeCaCaNaNaKKMgMgMnMn47.047.029.029.08.058.054.654.652.962.962.502.502.502.501.371.370.100.1049.049.033.033.07.137.133.803.801.371.371.671.671.361.360.600.600.0850.085P PS SC CN NCuCuZnZnB BMoMo0.0930.0930.090.090.0230.0230.010.010.010.010.0050.0050.0030.0030.0030.0030.080.080.0850.0852.02.00.10.10.0020.0020.0050.0050.0010.0010.00030.0003 1、几乎包括元素周期表中所有元素；、几乎包括元素周期表中所有元素；2、O、Si、Al、Fe为主，四者共占为主，四者共占88.7%以上；以上；3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。1.原生矿物 土壤原生矿物是指各种岩石受到不同程度的物理风化，而未经化学风化的碎屑物，原来的化学组成和结晶构造未变。原生矿物的种类和含量，随母质的类型、风化强度和成土过程的不同而异。土壤中粉沙粒和砂粒基本都是原生矿物（图1-7）。不同原生矿物的相对稳定性与其化学成分密切相关，如下表：土壤原生矿物种类主要有：硅酸盐、铝硅酸盐类硅酸盐、铝硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物和磷酸盐类矿物矿物、氧化物类矿物、硫化物和磷酸盐类矿物。1）硅酸盐、铝硅酸盐类矿物：包括长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等。长石类：钾长石、钠长石和钙长石；是岩石中分布钾长石、钠长石和钙长石；是岩石中分布最广的一类硅铝酸盐类矿物最广的一类硅铝酸盐类矿物。云母类：白云母、黑云母，铝硅酸盐类矿物，易白云母、黑云母，铝硅酸盐类矿物，易风化，是土壤中风化，是土壤中K K的主要来源。的主要来源。橄榄石：含铁、镁的硅酸盐矿物，镁橄榄石、铁含铁、镁的硅酸盐矿物，镁橄榄石、铁橄榄石及绿橄榄石等，极易风化。橄榄石及绿橄榄石等，极易风化。辉石、角闪石类：偏硅酸盐类，颜色呈绿色或黑色，偏硅酸盐类，颜色呈绿色或黑色，是岩浆岩中暗色矿物的组分。普通辉石和角闪石在土壤是岩浆岩中暗色矿物的组分。普通辉石和角闪石在土壤中常见，中常见，FeFe、MgMg和和CaCa含量高。含量高。2）氧化物类矿物：包括石英、赤铁矿、金红石、石英、赤铁矿、金红石、蓝晶石、锆石、电气石蓝晶石、锆石、电气石等。极稳定，不易风化。其中石英是土壤中分布最广的矿物，占地壳的12.6%，以砂粒为主。赤铁矿则是热带、亚热带红色土壤的成因。3）硫化物类矿物：黄铁矿和白铁矿黄铁矿和白铁矿，同质异构体。分子式：分子式：FeSFeS2 2，极易风化，土壤中硫的主要来源。4）磷酸盐类矿物：磷灰石磷灰石以氟磷灰石最为常见，此外还有氯磷灰石羟磷灰石，是土壤中无机磷的重要来源。土壤中无机磷的重要来源。原生矿物的主要特征：原生矿物的主要特征：1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主、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。以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。如石英、长如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。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、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石石英英最最稳稳定定，是是粗粗土土粒粒的的主主要要成成分分；白白云云母母和和长长石石较较稳稳定定，在粗土粒中较多；在粗土粒中较多；黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。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、原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等等 2.次生矿物 土壤次生矿物是原生矿物风化后重新组成的，其化学组成化学组成和和构造发生改变构造发生改变。主要包括土壤物质中最细小的部分(粒径小于10微米)，呈胶体性质，又称粘土矿物或粘粒矿物。次生矿物有活动的晶格，有强烈的吸附代换性能，次生矿物有活动的晶格，有强烈的吸附代换性能，土壤固体物质最有影响力的部分，对土壤吸收性土壤固体物质最有影响力的部分，对土壤吸收性膨胀收缩性、粘着性等均有影响膨胀收缩性、粘着性等均有影响。根据组成、构造和性质可分三类：简单盐类、次简单盐类、次生氧化物类和次生铝硅酸盐类生氧化物类和次生铝硅酸盐类。1）简单盐类：包括各种包括各种碳酸盐、重碳酸盐、氯化物等，是原生矿物风化的最终产物，结晶构造简单，常等，是原生矿物风化的最终产物，结晶构造简单，常见于见于干旱和半干旱地区干旱和半干旱地区的土壤中。的土壤中。2）次生氧化物矿物（1）氧化铁和氢氧化铁类：褐铁矿(2Fe2O33H2O)：土壤呈棕褐、橘红和红色土壤呈棕褐、橘红和红色。赤铁矿(2Fe2O3)：温暖地带由氢氧化铁沉淀而成，在温暖地带由氢氧化铁沉淀而成，在有机质丰富的土壤，赤铁矿易还原为针铁矿有机质丰富的土壤，赤铁矿易还原为针铁矿。磁赤铁矿(Fe2O3)：原生磁铁矿氧化或脱水后形成，原生磁铁矿氧化或脱水后形成，土壤呈红棕色，热带、亚热带的高度风化土中。土壤呈红棕色，热带、亚热带的高度风化土中。针铁矿(2FeOOH)：所处酸碱度范围宽，几乎所有土壤：所处酸碱度范围宽，几乎所有土壤中均存在针铁矿，呈中均存在针铁矿，呈黄黄-棕褐色棕褐色。纤铁矿(FeOOH)：比针铁矿少见，存在温带湿润地区比针铁矿少见，存在温带湿润地区的非石灰性水成土内，特别是氧化的非石灰性水成土内，特别是氧化-还原交替频繁的层还原交替频繁的层次或有机质含量多的土层尤为常见，呈橙色斑纹。次或有机质含量多的土层尤为常见，呈橙色斑纹。水铁矿(Fe2O3nH2O)：高铁化合物水解产生的棕色胶体高铁化合物水解产生的棕色胶体沉淀，多存在于有机质丰富的寒温带土壤中。沉淀，多存在于有机质丰富的寒温带土壤中。（2）氧化铝矿物：由含由含铝硅酸盐的风化脱水铝硅酸盐的风化脱水后形成，包括一水氧化铝和后形成，包括一水氧化铝和三水氧化铝，前者少见，后者在灰化土、砖红壤、赤红三水氧化铝，前者少见，后者在灰化土、砖红壤、赤红壤和黄壤中普遍存在。氧化铝矿物是含铝矿物强烈淋溶壤和黄壤中普遍存在。氧化铝矿物是含铝矿物强烈淋溶条件下，高度风化的最终产物，较稳定。条件下，高度风化的最终产物，较稳定。（3）氧化锰矿物：包括一氧化锰和二氧化锰，后者更常见，在土壤表面包括一氧化锰和二氧化锰，后者更常见，在土壤表面呈棕、黑色胶膜或结核状存在。呈棕、黑色胶膜或结核状存在。（4）次生氧化硅：指指氧化硅凝胶和蛋白石氧化硅凝胶和蛋白石（SiO2 nH2O)。由土壤中氧。由土壤中氧化硅在酸性介质中聚合呈凝胶，凝胶老化后缩合成蛋白化硅在酸性介质中聚合呈凝胶，凝胶老化后缩合成蛋白石。石。蛋白石蛋白石包含有机、无机杂质，呈彩色。包含有机、无机杂质，呈彩色。来源于生物的蛋白石可以作为埋藏土层和古地理环来源于生物的蛋白石可以作为埋藏土层和古地理环境的指示矿物，其中植物蛋白石中的有机碳可用来测定境的指示矿物，其中植物蛋白石中的有机碳可用来测定土壤的年龄。土壤的年龄。硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法3）次生铝硅酸盐类a.基本结构单位基本结构单位硅氧四面体（硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104-）铝氧八面体铝氧八面体(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44-)铝氧八面体铝氧八面体 铝氧八面体的构造图示法铝氧八面体的构造图示法硅片（硅氧片）图示法硅片（硅氧片）图示法铝片（水铝片）图示法铝片（水铝片）图示法b.单位晶片：硅氧四面体单位晶片：硅氧四面体-硅层；铝氧八面体硅层；铝氧八面体-铝层铝层c.单位晶格（晶层）单位晶格（晶层）（1）1:1型型 一层硅层与一层铝层重叠而成一层硅层与一层铝层重叠而成 1:11:1型层状硅酸盐型层状硅酸盐(高岭石高岭石)晶体结构示意图晶体结构示意图 （2）2:1型型 两层硅层中间夹一铝层两层硅层中间夹一铝层2:12:1型层状硅酸盐（型层状硅酸盐（蒙脱石蒙脱石）晶体结构示意图）晶体结构示意图 （3）2:1:1型（型（2:2型）型）2:1型基础上增加一铝层型基础上增加一铝层(或镁层或镁层)2:1:12:1:1型层状硅酸盐（型层状硅酸盐（绿泥石绿泥石）结构示意图）结构示意图 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。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发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷 4 4）硅酸盐矿物的种类）硅酸盐矿物的种类A.高岭高岭(石石)组组(Kaolinite)包括高岭石、埃洛石等包括高岭石、埃洛石等 特点：特点：(1)1:1型型 单位晶胞（层）化学式：单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅铝铁率：土壤粘粒部分的硅铝铁率：土壤粘粒部分的SiO2和和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比）含量的分子比 硅铝率：土壤粘粒部分硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和和Al2O3的分子比的分子比 硅铁率：土壤粘粒部分硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和和Fe2O3的分子比的分子比 例：例：某土壤粘粒部分某土壤粘粒部分SiO2含量为含量为41.89%，Al2O3含量含量33.27%，Fe2O3含量含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率。计算其硅铝铁率、硅铁率。解：解：41.89 33.27 SiO2的分子含量的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+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)膨胀性小膨胀性小 晶层间距约晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键硅片和铝片之间存在氢键(3)电荷数量少电荷数量少 同晶替代极少同晶替代极少(4)颗粒较大颗粒较大（有效直径（有效直径0.22m）可塑性、粘结性、吸可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱湿性、粘着性弱B.B.蒙脱石组蒙脱石组(Montmorillonite)包括蒙脱石、蛭石等包括蒙脱石、蛭石等 特点：特点：(1)2:1型型 单位晶胞的理论化学式：单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脱石理论蒙脱石理论硅铝率硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4 (2)膨胀性大膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距：晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石蒙脱石0.962.14nm 蛭石蛭石0.961.45nm (3)电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍 (4)颗粒较细，呈片状颗粒较细，呈片状 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，吸收水分的力强，不利于植物吸可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，吸收水分的力强，不利于植物吸水，干燥时发生剧烈收缩，对耕作不利水，干燥时发生剧烈收缩，对耕作不利 蒙脱石在温带干旱地区土壤含量高，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中蒙脱石在温带干旱地区土壤含量高，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中 C.水云母水云母(伊利石伊利石)组组(Hydromica)（又称（又称2:1型非膨胀型非膨胀性矿物）性矿物）特点：特点：(1)2:1型型 单位晶胞化学式：单位晶胞化学式：K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2)非膨胀性非膨胀性 晶层之间吸附的晶层之间吸附的K+的强吸附力，的强吸附力，层间距层间距1.0nm (3)电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍，同晶替代现象普遍，主要发生在主要发生在硅片硅片，电荷量较大，但部分被层间，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石中和，有效电荷量少于蒙脱石 (4)膨胀、收缩和可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。膨胀、收缩和可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。伊利石广布于一般土壤中，以温带干旱地区的土壤含量最多。伊利石广布于一般土壤中，以温带干旱地区的土壤含量最多。4、绿泥石组、绿泥石组(Chlorite)（以绿泥石为代表，富含镁、铁以绿泥石为代表，富含镁、铁）特点：特点：(1)2:2型型三八面体，化学式为三八面体，化学式为MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代代Si4+、铝片中、铝片中Mg2+代代Al3+产生负电荷，水镁片中产生负电荷，水镁片中Al3+代代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间利石与高岭石之间 (3)颗粒较小颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中可塑性、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，石灰性土壤中含量高，河流冲积物和变质岩的冰土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，石灰性土壤中含量高，河流冲积物和变质岩的冰碛物中较多碛物中较多 (二）土壤矿物质的迁移与转化二）土壤矿物质的迁移与转化 1.1.粘土矿物的形成粘土矿物的形成过程过程（1 1）粘土矿物形成途径）粘土矿物形成途径 粘土矿物：即次生铝硅酸盐类，是风化和成土过程粘土矿物：即次生铝硅酸盐类，是风化和成土过程中形成的次生矿物中形成的次生矿物 风化过程：风化过程：l 物理风化物理风化 机械崩解，在温度变化、水分冻结、碎石机械崩解，在温度变化、水分冻结、碎石劈裂及风力、流水、冰川的摩擦力等物理因素劈裂及风力、流水、冰川的摩擦力等物理因素作用下，岩石矿物的分解过程。作用下，岩石矿物的分解过程。矿物本身的化矿物本身的化学性质学性质和和组成组成上均未发生变化，在干旱半干旱上均未发生变化，在干旱半干旱地区的岩石风化中比较普遍。地区的岩石风化中比较普遍。l 化学风化：化学风化：水的溶解作用水的溶解作用Ca3(PO4)2+2H2O+2CO2 CaH4(PO4)2+2CaCO3 水合作用水合作用CaSO4+2H2O CaSO42H2O 水解作用水解作用脱盐基脱盐基:K2Al2Si6O16+H2CO3 KHAl2Si6O16+KHCO3脱硅脱硅 H2Al2Si6O16+H2CO3 H2Al2Si2O82H2O+4SiO2+CO2富铝化作用富铝化作用 H2Al2Si2O82H2O 2Al(OH)3+2H2SiO3氧化作用氧化作用 FeS2 FeSO4 Fe2(SO4)3 Fe(OH)3（2 2）矿物分解的阶段：）矿物分解的阶段：l 碎屑阶段：碎屑阶段：物理风化阶段，风化初期，多发生物理风化阶段，风化初期，多发生在温度变化剧烈的干燥地区在温度变化剧烈的干燥地区l 钙淀积阶段：钙淀积阶段：Cl、S、Na淋溶，淋溶，Ca、Mg、K等在土壤或风化壳内聚集，粘土矿物以蒙脱石、云等在土壤或风化壳内聚集，粘土矿物以蒙脱石、云母、方解石为主。主要在森林草原区和荒漠、半荒母、方解石为主。主要在森林草原区和荒漠、半荒漠地区。漠地区。l 酸性硅铝阶段：酸性硅铝阶段：风化壳或土壤中淋溶作用下，风化壳或土壤中淋溶作用下，阳离子减少，相对富集了阳离子减少，相对富集了Si、Al和和Fe组成组成的粘土矿的粘土矿物，粘土矿物以高岭石、伊利石为主，湿润气候下物，粘土矿物以高岭石、伊利石为主，湿润气候下形成。包括形成。包括Ca、Mg淋溶前的中性硅铝风化阶段和淋溶前的中性硅铝风化阶段和淋溶后交换性淋溶后交换性H+和和Al+存在的酸性硅铝风化阶段。存在的酸性硅铝风化阶段。l 富铝化阶段：富铝化阶段：风化最后阶段，铝硅酸盐分解出风化最后阶段，铝硅酸盐分解出的硅酸大量淋失，氧化铝和氧化铁富集，粘土矿物的硅酸大量淋失，氧化铝和氧化铁富集，粘土矿物以高岭石、水铝石和赤铁矿为主，呈砖红色。以高岭石、水铝石和赤铁矿为主，呈砖红色。（1）原生矿物风化淋溶直接演变）原生矿物风化淋溶直接演变 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si云母类云母类 伊利石伊利石 蛭石蛭石 蒙脱石蒙脱石 高岭石高岭石 三水铝石三水铝石（2）风化沉淀（自然合成）风化沉淀（自然合成）原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。SiO2nH2O 土壤土壤pH条件下带负电荷，酸胶基条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3nH2O，Fe2O3nH2O 带正电荷，碱胶基带正电荷，碱胶基 盐基离子盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液等，决定溶液pH，并参与矿物形成，并参与矿物形成 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物 沉淀沉淀 老化、结晶老化、结晶溶胶溶胶 凝胶（非晶质）凝胶（非晶质）结晶质结晶质 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成，可形成2:1型矿物型矿物 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物型矿物及氧化铝矿物 粘土矿物的来源：2、粘土矿物的形成条件、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粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 l 南南方方热热带带砖砖红红壤壤、亚亚热热带带红红壤壤矿矿物物风风化化程程度度高高，粘粘土土矿矿物物以以1:11:1型型为为主主，并并有有三三水水铝铝石石，粘粘粒粒硅硅铝铝铁铁率为率为2 2左右，属左右，属铁铝土铁铝土 l 北方温带地区，粘粒矿物为各种北方温带地区，粘粒矿物为各种2:12:1型型(伊利石、伊利石、蒙脱石等蒙脱石等)，粘粒硅铝铁率多在，粘粒硅铝铁率多在3 3以上。风化度低，以上。风化度低，属属硅铝土硅铝土 3、矿物风化程度的度量指标、矿物风化程度的度量指标土壤矿物分解程度越高，化学元素的淋溶迁移作用越强。土壤矿物分解程度越高，化学元素的淋溶迁移作用越强。l 硅铝比率硅铝比率(摩尔数之比）摩尔数之比）l 迁移系数迁移系数l 淋溶率淋溶率l 淋溶率淋溶率 残积风化壳中，淋溶率指数小，淋溶率高；堆积风化残积风化壳中，淋溶率指数小，淋溶率高；堆积风化壳的指数高于标准值，淋溶率较低。壳的指数高于标准值，淋溶率较低。l 风化指数风化指数对岩石和风化壳中残余稳定和不稳定风化物含量的对比，对岩石和风化壳中残余稳定和不稳定风化物含量的对比，确定风化度大小。确定风化度大小。R R0 0、R R1 1分别为未风化岩石和研究岩层中氧化物的含量；分别为未风化岩石和研究岩层中氧化物的含量；S S0 0、S S1 1为未风化岩石和研究为未风化岩石和研究风化壳或土壤中标准氧化物风化壳或土壤中标准氧化物风化壳或土壤中标准氧化物风化壳或土壤中标准氧化物的含量的含量。4 4、我国土壤粘土矿物分布规律我国土壤粘土矿物分布规律 （表（表1-51-5）全国分为全国分为7 7个分布区个分布区 l 北方以水云母（伊利石）为主北方以水云母（伊利石）为主l 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4(4区区)l 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区南方西部蛭石和高岭石为主的分布区l 南方以高岭石为主南方以高岭石为主l 西北和青藏高原水云母区，土壤风化程度最低西北和青藏高原水云母区，土壤风化程度最低 l 华南高岭区土壤风化程度最高华南高岭区土壤风化程度最高