土壤矿物质.doc

土壤的物质组成

土壤中不同组分的作用
土壤中的矿物质被称为土壤的“骨骼”；
土壤有机质被称为土壤的“肌肉”或肥力的“精华”。
土壤水分和溶解于其中的养分构成的土壤液相被称为土壤的“血液”。
各种生物是土壤中多种生物过程的驱动力。
土壤三相的物质组成和特性，是土壤肥力的基础，调节三相的比例，可以改变土壤肥力条件。

第二章节 土壤矿物质
第一节
土壤矿物质的矿物组成和化学组成
一、土壤矿物基本组成
（一）原生矿物
1.原生矿物概念：
在风化和成土过程中未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。
2.原生矿物类型：
土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势，常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石、橄榄石等。
3.原生矿物对土壤肥力的贡献
(1)构成了土壤的骨骼—粗的土粒
(2)提供潜在养分—通过风化作用逐渐释放
另外，原生矿物能说明成土母质成因特征：如果土壤中原生矿物丰富，说明土壤相当年轻；随着土壤年龄增长，原生矿物含量和种类逐渐减少。
（二）次生矿物1.次生矿物的概念
在风化和成土过程中新形成的矿物。次生矿物一般比较小，属于粘粒范围，因此，也有人叫它粘土矿物或者粘粒矿物。
粘土矿物（粘粒矿物）：粒径大小在粘粒范围内的次生矿物称之。
2.粘土矿物意义
（1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。
（2）有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀缩性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。（必须更加关注粘土矿物）
二、土壤矿物质主要元素组成
（一）土壤矿物质元素组成特点
1.土壤矿物质主要元素组成为O、Si、Al、Fe.其中，O+Si=76%, O+Si+Fe+Al=88.7%
2.不同粒级颗粒的矿物质化学组成有所不同：
(1) 随粒径由大到小，SiO2含量由多到少；
(2) R2O3(即Fe2O3与Al2O3的总称)与SiO2相反，随粒径由
大到小，R2O3含量由少到多；
(3)  CaO、MgOP2O5、K2O随土粒由大到小，含量增加
3.在地壳中植物生长的必需营养元素含量很低，其中P+S<0.1% 、N<0.001%，且分布不均匀。

（二）土壤矿物质的硅铝铁率
1. 概念
（1）硅铝率，又称Sa 值：土壤粘粒中二氧化硅与三氧化二铝的分子数（摩尔数）之比。 Sa=SiO2/Al2O3
（2）硅铝铁率，又称Saf值：土壤粘粒矿物的二氧化硅分子数与三氧化二铁、三氧化二铝分子数之和的比。
Saf=SiO2/Fe2O3+Al2O3) =SiO2/R2O3
2. 意义
（1）判断粘土矿物的组成及大体特征。
（2）与土壤母岩对比，分析土壤成土过程；Sa增大，土壤有脱铝现象（酸性淋溶---灰化土）；Sa减小，土壤有富铝化作用（红壤）
（3）对照土壤剖面上下各层硅铝率，说明物质淋溶状况。
（4）判断土壤带电性。SiO2叫酸胶基，带负电； R2O3叫碱胶基，带正电
3.例题：
某土壤粘粒部分SiO2含量为41.89%，Al2O3含量33.27%，Fe2O3含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铝率。
解：SiO2的分子含量＝ 41.89/60 ＝0.698
Al2O3的分子含量＝33.27/102 ＝0.326
Fe2O3的分子含量＝11.85/160 ＝0.074
Saf＝SiO2/ R2O3 ＝0.689/ (0.326+0.074)＝1.75
一、层状硅酸盐粘土矿物

一）铝硅酸盐粘土矿物的构造特征

1.粘土矿物的基本结构单元
粘土矿物的基本结构单元
硅氧四面体
铝氧八面体

之一：硅氧四面体（或简称四面体）
一个硅离子和四个氧离子构成。
之二：铝氧八面体（或简称八面体六个氧离子（或氢氧离子）环绕一个中心铝离子排列而成。

3.单位晶层

硅氧四面体
铝氧八面体
聚合
聚合
四面体片
（硅片）
八面体片
（铝片）

1:1型
2:1型
2:1:1型
重叠化合作用

q 由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物。
q 硅片和铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1:1型、2:1型等类型的矿物。
（二）层状铝硅酸盐黏粒矿物的主要类型及性质
硅氧四面体晶层与铝氧八面体晶层的不同组合形成了不同类型的层状铝硅酸盐粘土矿物。
膨胀晶格：蒙脱石类
不膨胀晶格：水云母类
1:1型黏土矿物：高岭石类
2:1型黏土矿物：
混合型黏土矿物：

高岭石特征(1:1型矿物）
这一组矿物主要有：高岭石，珍珠陶土，迪凯石，埃洛石等
1.晶层结构为1:1型（1:1layer silicates）

2.分子式 Al2Si2O5（OH）4--Al2O3.2SiO2.2H2O Sa值=SiO2/Al2O3=2
3.晶架结构内部同晶替代少(little isomorphous substitution)（永久电荷少）
4.晶层之间为H键，胀缩性小（little shrink-swell)
5.只有外表面，无内表面
6.高岭石外表面氢（H）离子可以被解离，表面带负电荷（可变电荷多）
7.外形是片状(明显的六角形片状，粒径在0.10~5m.多数在0.2~2 m
8.粘着力、可塑性弱
这类矿物主要分布在南方热带和亚热带土壤中，而华北、东北、西
北及西藏高原土壤中含量较少
蒙脱石特征(2:1型胀缩性矿物）
这一组矿物主要有：蒙脱石，拜来石，绿脱石，蛭石等
1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates）

2.分子式 Al2Si4O10（OH)2 .nH2O--Al2O3.4SiO2.H2O.n H2O Sa=4
3.晶架结构内部同晶替代较普遍，蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2＋代替
Al3＋，而蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。
4.晶层之间为分子键，胀缩性强（much shrink when dry and swelling when wet )
5.既有外表面，又有丰富的内表面
6.外形是片状，颗粒较小，厚度在0.010~1m.
7.由于同晶替代，使该组矿物都带有大量的负电荷，蒙脱石的阳离子交换量可高
达80～120cmol/kg，而蛭石可高达150cmol/kg。
8.粘着力、可塑性强。
这类矿物主要分布在东北的黑钙土和华北的栗钙土中，华北褐土、西北灰钙
土也有少量。
伊利石特征（水化云母组）(2:1型非胀缩性矿物）
这一组矿物主要代表矿物为伊利石
1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates）
2.分子式：k(Al.Fe.Mg)2(SiAl)4O10(OH)2.nH2O Sa值=SiO2/Al2O3=3~4
3.晶架结构内部同晶替代较普遍（永久电荷多），主要发生在硅层，很少发生在Al层。
4.晶层之间为钾键，胀缩性弱，K=1.33埃 与1.32埃层间网眼相近。
5.既有外表面，又有一定的内表面
6.外形是不规则片状，颗粒较小，厚度在0.010~1m.
7.同晶替代产生的负电荷，部分被k＋所中和，阳离子交换量介于高岭石与蒙脱
石之间，20～40cmol/kg。
8,粘着力、可塑性强。
这类矿物主要分布在西北干旱半干旱土壤中，钾素丰富，南方雨量大淋溶强
的土壤中少。
三大类次生层状铝硅酸盐矿物区别
性质
次生层状铝硅酸盐矿物
蒙脱石
伊利石
高岭石
晶架结构
2:1
2:1
1:1
Sa值
4
3~4
2
晶层间连接键
分子引力
钾键
氢键
大小（m）
0.01~1.0（小）
0.1~2.0（中）
0.1~5.0（大)
形状
不规则片状
不规则片状
六方形晶体
比表面（m2/g）
高 700~800
中 100~120
低 5~20
外表面
高
中
低
内表面
很高
中
无
胀缩性
高
中
低
CEC（cmol/kg)
80~120
20~40
3~15
（4）间层矿物（混合型黏土矿物） 2:1:1 或2:2型矿物
（5）同晶替代作用
也称同型异质替代。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。
如四面体中的Si被AI替代，八面体中的AI被Mg替代、被Fe替代等较为常见。
＊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,使土壤具有保肥能力。
二、非硅酸盐粘土矿物
主要为含水铁、铝氧化物。包括针铁矿、赤铁矿、褐铁矿；水铝石、水铝石英等。
q 为硅酸盐矿物风化的产物。
q 多呈非晶质的水凝胶体；也可脱水老化，形成隐晶质的黏土矿物。
q 多包被在土壤颗粒表面，也可形成铁盘等。
q 吸附阳离子的能力差，在酸性土壤上甚至可以吸附阴离子。
q 固定磷的能力强。
第三节 我国土壤粘土矿物分布规律
粘土矿物的形成与环境条件有密切关系，在偏碱性条件下，如有富足盐基离子，特别是具有较多镁离子，则有利于蒙脱石粘粒形成，如果钾离子特别丰富，则形成的粘粒矿物可能以伊利石为主，南方土壤淋溶作用强，盐基离子少，所形成的粘粒矿物以高岭石为主，其次为氧化物矿物。
湿润和半湿润热带的排水良好的土壤趋向于以铁和铝的各种含水氧化物为主。高岭石一般是这些土壤中占优势的硅酸盐矿物。并且和含水氧化物粘粒一起存在于热带地区土壤中。
蒙脱石、蛭石和伊利石在较冷地带更为突出。较冷地区风化强度比热带和亚热带弱。

全国土壤粘土矿物共分为7个分布区，分别是：水云母区（1区）、水云母－蒙脱石区（2区）、水云母－蛭石区（3区）、水云母－蛭石－高岭区（4区）、蛭石－高岭区（5区）、高岭－水云母区（6区）、高岭区（7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