[农学]土壤学双语课件7

1、土壤学双语课件7<土壤学双语课件>前言 <土壤学双语课件>是目前国内应用较多的土壤学双语教材,它的英文原版为:nyle.c.brady. the nature and properties of soils 1990。中文译文为: 土壤本质和性况。其原版也是台湾中兴大学土壤环境科学系、台湾元智大学資環系和和美国多所大学土壤学的教科书,书中从土壤的概念入手,谈到来农民,家庭主妇,庄园主,矿产工程师,以及土壤科学家对土壤概念有不同的看法。到土壤胶体将土壤科学带到高潮,第八章的土壤反应是土壤胶体这一章(第七章)的具体应用,在土壤反应中将一般好土、盐土、酸性土、碱性土用ph、e

2、c、sar和esp说出它们的本质区别。当然最高潮是土壤科学在生产和环境科学中的运用,如谈到免耕法,多章涉及到,从免耕法的由来主要是环境科学的需要,防止侵蚀,防止化肥农药污染水源,包括饮用水,并对比了不同免耕法的效果。当然也谈到海平面上升和冰川融化问题。这些都涉及人类生存环境,需要引起人类的注意,需要保护环境。本书从浅入深将从未接触到土壤科学的人们带入到土壤科学的大厦。本教材的译文,彩用安英文顺序的直译方法,所以看起来有些不太顺口,但是有利于对照英文学习,通过本人多年教学经验认为,也是目前较好原版教材。现在只发表教材的中文部分译文。 土壤学双语课件编译:孟昭甫第七章 土壤胶体的本质与实际意义或许

3、在世界上再也没有像土壤颗粒和生长的植物根系之间的离子交换这样像自然过程的光合作用和呼吸, 像植物和动物的生命活动这些阳离子和阴离子交换, 大部分发生在细的胶体部分表面, 有无机的和有机物质 粘粒和腐殖质。该胶体颗粒部分非常像现代银行, 它们贮存土壤中必要的矿质元素, 象钙、钾和硫,帮助它们防止被雨水和灌溉水冲刷过多损失, 之后, 必须的离子可以从胶体“银行” 位置排出一些离子被植物根系吸收, 然后, 通过施用商业肥料、石灰、厩肥和植物残落物, 再存入或回收到胶体。胶体颗粒、粘粒和腐殖质是土壤的大部分化学物理和生物性质的表演中心, 但这不能理解为土壤完全没有它一般细颗粒概念的属性和构造, 它们的

4、一般性质将首先掩盖了它们的各别特性, 应引起注意。7.1土壤胶体的一般性质 大小 无机和有机胶体最重要的普通性质是它们非常小。它们小到了用一般的光显微镜才能看到, 只有用电子显微镜才能摄影, 大部分小于2微米(µm) 直径。表面积 由于它们很小, 因此, 所有土壤胶体表面积暴露得巨大单位质量,1g胶体粘粒的表面积大到1000倍于1g粗砂粒的表面积, 某些胶体, 特别是硅酸盐胶体还有巨大的内表面积, 这些内表面出现在组成颗粒的片状晶体单元之间并往往超过外表面, 土壤胶体的总面积幅度从10m2 g, 指只有外表面粘粒, 到大于800m2g, 指有巨大的内表面粘粒,1公顷粘土15cm以上,

5、 表面积可高于700000km2 (270000mi2 )表面电荷 土壤胶体表面, 外表面积、内表面积两者, 的特点带有负或正电荷, 虽然一些在酸性土壤中的胶体只有纯正电荷。一些部分电荷的存在和强度, 影响着颗粒彼此吸引和排斥方向, 因此影响物理和化学二者的性质, 这些电荷的来源, 以后再讲。图7.1硅酸盐晶体(胶核) 及其片状结构, 无数的负电荷和吸附性阳离子群的图解, 晶体边的放大示意图指出此胶核负电荷的内表面上吸附着阳离子和水分子。注意每一晶体单元具有一定的矿物学结构(见图7.4有更详细的结构图)。阳离子和水的吸附 土壤胶体电荷的一个重要结果是吸附正电荷离子到胶体表面。这一吸引是负电荷胶

6、体的部分意义, 该胶体部分称为胶核(微晶), 吸附了成百上千的正电荷离子, 或称阳离子, 象h+、al3+、ca2+ 和mg2+ , 这就产生了离子双电层(图7,1)。胶体颗粒主要是由内离子层, 即一个大量阴离子所组成, 其表面带有很强的负电荷。外离子层是由一群吸得不太紧的阳离子所组成。因此, 这些胶体颗粒有一群阳离子伴随, 并被吸持在颗粒表面。密集于粘粒吸附表面的与阳离子层相结合的是大量的水分子,因为一些上述的阳离子都是水化的。此外, 某些硅酸盐粘粒的晶片之间也夹着许多水分子, 这些水分子的重要作用规律将决定着土壤的物理、化学二者的性质。7.2土壤胶体类型土壤中有四种胶体类型：层状硅酸盐粘粒

7、、铁铝氧化物粘粒、水铝英石和相关的无定形粘粒和腐殖质。虽然每组都有一般胶体的特征, 如同上节所讲, 每种又具有特别的特点使它具有特色和作用。层状硅酸盐粘粒 这些粘粒是重要的性质是结晶的, 层状构造。每一颗粒是由许多层很象书页丛书构造(图7.2), 该层主要有层状的定向的片状的硅、铝、镁片和(或) 铁原子被氢氧团包围和结合在起。这些粘粒的分子式如高岭石(si2al2o5(oh)4), 说明了它们的化学组成。这些胶晶的精确的化学组成和原子排列决定看它们的表面电荷和其它相关性质, 包括每种硅酸盐胶体的阳离子交换能力, 还有物理性质, 例如, 一些胶体有很强的粘结性、可塑性。温带区的土壤中和热带区的土

8、壤中是以硅酸盐无机胶体占优势, 每一种硅酸盐粘粒以后我们将详细讨论。含水氧化铁和铝 这些粘土矿物通常在热带和亚热带区的强风化土壤中占优势, 在一些温带区土壤也有一定的量。在美国的东南部一般这样的红、黄壤性质在很大程度上受这些粘粒的控制。例如土壤中铁、铝的氧化物一般是三水铝石(al3o3 .3h2o) 和针铁矿(fe2o3.h2o), 这些分子式也可以写成氢氧化物的形式, 那就是三水铝石可以写成al(oh)3和针铁矿可以写成feooh, 为了简便, 它们都可称为铁铝氧化物粘粒。图7.2土壤中发现的三种硅酸盐粘粒矿物晶体和腐殖酸显微摄影(a) 伊利诺斯卅的高岭石放大约1900倍(注意该图右上方的六

9、方晶系)。(b) 威斯康星卅的细粒云母, 放大约17600倍。(c) 怀俄明卅蒙脱石(蒙脱石组矿物) 放大21000倍。(d) 乔治卅的富里酸(腐殖质成分) 放大约5000倍。 我们对这些粘粒了解的比层状硅酸盐少, 一些有一定的晶体构造, 而另一些是无定形的, 铁铝粘粒没有层状硅酸盐那样的粘结性和可塑性。和那样高的ph值, 胶核带少量的负电荷, 和周围吸附了等量的正离子, 是极酸性土壤, 但一些铁铝氧化物可吸附正电荷, 也可吸附负电荷, 离子交换在7.14节讨论。水铝英石和其它无定形矿物 有许多土壤中有大量的胶体物质是无定形或是有晶体构造 用x射射线检测无足够的次序, 因为它们缺少有序的三维晶

10、体构造, 它们有时被称作“无序排列矿物”, 对它们的研究难于结构良好的矿物, 所以人们认为对它们了解较少, 或许最重要的形定形硅酸盐是水铝英石, 它的一般的组成大约为al2o3.2sio2.h2o, 在火山灰发育的土壤中最普遍, 象在美国西北部发现的。水铝英石有较高的阳离子吸附量, 但它也吸附阴离子(见7.14节)。 有机土壤胶体 腐殖质有机胶体和粘粒有一些相似之处, 腐殖质不是晶形的, 但是, 腐殖质胶体基本上是碳、氢、氧组成的, 而不象硅酸盐粘粒那样是由硅、铝、铁、氧组成的, 有机胶体颗粒大小不同, 但最小的也要象硅酸盐胶体颗粒那么大。腐殖质负电荷的主要来源被认为与大小和复杂性都不相同的各

11、种胶核相联接的羟基(-oh)、羧基(-cooh) 和醌基(- oh) 团有关。这种关系描绘在图7.3。图7.3腐殖质胶体的阳离子吸附, 酚基是被联在芳香环上；其它-oh和羧基是被结合在胶体中心单元的碳原子上的。注意这一般示意硅酸盐胶体的吸附。 和fe、al的氧化物的情况一样, 和腐殖质胶体联接的负电荷依赖于土壤的ph值, 在强酸性条件下, 负电荷不会很高, 要低于一些硅酸盐粘粒。当然, 随着ph上升, 首先是羟基的氢离子解离, 然后是羟基和酚基。解离将大大增加胶体上的负电荷, 在中性和碱性条件下, 每单位重量腐殖质的负电荷, 可以大大超过硅酸盐胶体, 在这样高的ph值的土壤, 吸附的氢很快就被

12、钙、镁和其它阳离子取代(图7.3)。7.3吸附性阳离子在湿润区, 阳离子钙、铝和氢数量最大, 而干旱地区, 土壤钙、镁、钾和钠占优势(见表7.1), 各区土壤胶体复合体可以举例并简便表示如下：m代替其它少量“盐基型” 阳离子, 吸附性(na+,nh+ 等) 被土壤胶体,a到h标明阳离子的顺序变化。表7.1不同土纲表层主要吸附阳离子类型比例。每个百分数是以阳离子毫克当量总数100为基数计算的。_土纲 h+ 和al3+ ca2+ mg2 +k+ na+ ( ) ( ) ( )( ) ( ) _氧化土 夏威夷 85 10 3 2 痕迹灰土 新英格兰卅 80 15 3 2 痕迹老成土 美国东南各卅 6

13、5 25 6 3 1淋溶土 宾夕法尼亚卅到威斯康星卅 45 35 13 5 2变性土 阿拉巴马到得克萨斯卅 40 38 15 5 2软土 美国中亚部各卅 30 43 18 6 3旱成土 美国西南各卅 - 65 20 10 5_这些例子说明土壤胶体以及与它相结合的交换离子可以是大量的, 也可以超简化为就是一种复合酸式盐, 在一个大的阴离子(胶核)包围着若干阳离子。阳离子优势 有两种因素决定了粘粒吸附阳离子相应不同比例, 第一,土壤胶体吸持离子的松紧程度不同, 它们呈当量的吸附程度次序为：al>ca>mg>knh4 >na 。第二, 土壤溶液相应的阳离子浓度, 决定了它的被

14、吸附度, 因此, 在极酸性土壤溶液中,h+ 和al3+ 浓度高,以吸附这些离子占优势, 相反, 在中性和略大于中性土壤溶液中h+ 和al3+ 浓度极低, 这些离子的吸附极少, 在中性和碱性土壤,ca2+、mg2+ 占优势, 在一些排水不良的干旱区, 钠盐大量积累, 吸附钠占优势, 不同土壤吸附阳离子比例类型见表7.1。阳离子交换 如同第一章所指出的, 土壤胶体吸附的阳离子和土壤溶液中保持的阳离子发生交换, 例如, 土壤胶体表面保持的钙离子与土壤溶液中的氢离子进行交换胶核 ca2+ 十2h+ 胶核 h+ h+ +ca2+(胶体) (土壤溶液) (胶体) (土壤溶液)土壤胶体是离子交换反应的焦点,

15、 这一反应深刻地影响着土壤一植物关系, 这将要进一步详细讨论在土壤胶体类型和特点中讨论(见7.10节)7.4层状硅酸盐粘粒构造原理 现在土壤胶体的一般特性和它们吸附的阳离子已经理解, 现在我们更详细讨论硅酸盐粘粒。用x一光电子显微镜和其他的技术检测发 现, 硅酸盐粘粒是晶体, 并且每一颗粒由各个层或片组成(图7.1), 这些层的矿物学组成变化从一种粘粒到另一种, 并明显地影响矿物的性质, 在认识各别硅酸盐矿物之前, 对硅酸盐粘粒结构的原理我们应该给以关注。 硅氧四面体片和铝镁氧八面体片 我们知道最重要的硅酸盐粘粒是叶片状硅酸盐(叶片晶粒), 由于它们为叶状或片状构造, 从图7.4可以看出, 它

16、们由两种层片组成, 一个硅为中心片, 另一个是铝/镁为中心片。基本构建体即硅为中心片, 是组成一个单位, 由一个硅原子和围绕四个氧原子组成, 称作硅氧四面体, 因为它有四个面(图7.4), 体间排列了若干硅氧四面体, 中间由氧相联接成层状硅氧四面体片。第二个类型的片是以铝或镁原子为关键阳离子, 铝(或镁) 离子周围围绕6个氧原子或氢氧根形成八面建成一体称作八面体(图7.4), 若干个八面水平地联接在一起组成八面体片, 以铝为中心的片称作双八面体片, 而以镁为中心的叫做三八面体片, 区别是由于在二八面体片中两个铝离子来满足来自周围氧和氢氧根负电荷, 在三八面体片中有三个镁离子来满足来自周围的氧和

17、氢氧根的负电荷, 以后我们将会看到, 若干片间同时在一个地方出现两个阳离子。四面体和八面体是硅酸盐粘粒的结构单元, 它们依次在晶体中一齐均分不同层的氧原子, 这种特殊的属性和片的结合, 这些片结合的变化使粘粒由一种变成另一种。并且大大地控制了每种粘粒的物理化学性质。片和层间的关系见图7.4, 这是非常重要的, 务必理解。同晶替代 结构的排列恰恰描绘了元素组成硅酸盐粘粒的简单关系, 当然, 在自然界, 还有更多复杂的形式产生, 广泛变异的岩石、矿物的风化, 允许和硅、铝、镁大小相似的离子分别进入四面体和八面体。普通粘粒的一些离子半径列入表7.2, 以说明这一问题, 注意铝仅仅略大于硅, 因此铝可

18、以进入四面体原子所在中心, 某些粘粒就属于这种情况。某些硅酸盐形成时, 就是通过铝替代部分硅原子的所谓同晶替代作用。同晶替代还可以发生在八面体片, 从表7.2可以看出, 铁、锌与铝和镁进入八面体的中心。四面体或八面体中的同晶替代能够改变一些层状硅酸盐的特性。 表7.2硅酸盐粘粒构造的四面体和八面体中常见元素的离子半经。注意铝在四面体和八面体中可存在。_离子 半径(nm) 存在于 _si4+ 0.04al3+ 0.051 硅 硅氧四面体fe3+ 0.064mg2+ 0.066zn2+ 0.074 铝氧八面体fe2+ 0.070 na+ 0.097 交 换位ca2+ 0.099 k+ 0.133

19、o2- 0.140 两片 0h- 0.155 _图7.4硅酸盐粘粒的基本分子和构造成分。(a) 单个四面体, 由四个面, 一个硅原子被四个氧原子包围。(b) 在粘粒晶体有成千个四面体和八面体建成一体, 由硅氧层片和铝(镁) 氧层片联接在一齐, 片间是氧原子面和氢氧根(多环) 原子面, 硅面和氧面与氢氧根面构成了四面体片, 同样, 铝/镁面和氧/氢氧根面组成了八面体片。一些硅酸盐粘粒被层间隔开, 在层间发现有水和吸附性阳离子, 一个晶体或胶核(微核) 发现有多层。电荷的来源 同晶替代是非常重要的, 因为它是硅酸盐粘粒正负电荷的主要来源, 例如, 在四面体中铝替代硅, 就剩下一个负电荷, 同样.

20、在三八面体中铝替代镁, 就会多出一个正电荷。这样对正电荷和负电荷之间平衡来说, 和粘粒核联接净电荷是平衡的, 多数情况下, 是负电荷占优势, 这在以后我们将要进行更详细讨论(见7.8节)。7.5硅酸盐粘粒的矿物学组成根据晶体内所含硅氧四面体和铝氧八面体的数目和排列, 硅酸盐粘粒可分为三种不同类型,(a)l：1型矿物, 一个(硅) 四面体和一个(铝) 八面体,(b)2：1型矿物, 两个(硅) 四面体和一个(铝) 八面体,(c)2：1：1型矿物, 为结合图解, 现按每种型的数字组合名讨论。1：1型矿物 1：1型层状矿物是由一层四面体(硅氧) 片和一层八面体(铝氧) 片组成, 因此, 称作1：1型晶

21、格(图7.5), 在土壤中, 这一类的典型代表是高岭石, 此外还有埃洛石, 珍珠陶土和迪恺石。一层中四面体片和八面体片的高岭石晶体是由氧原子紧紧把硅和铝离子联接起来, 各自成片, 然后, 在由氢原子系在一齐成层, 因此晶格是固定的, 当粘粒湿润时, 晶体单元之间并不发生膨胀。阳离子和水分子不能进入胶核的结构单元空间。高岭石的有效表面因而仅局限在外表面。而且在这些矿物中, 只有少量的同晶替代作用, 表面积低, 同晶替代少是高岭石对阳离子吸收量低的原因。高岭石通常是具有清淅六角形晶体(图7.2) 和其它颗粒比较, 它们的大小较大, 变化幅度从0.10一5µm, 多数在0.2一2µ

22、;m范围。由于结构单元结合得比较紧, 所以高岭石晶体不易分割成极细的薄片。与其它的硅酸盐相反, 高岭石的可塑性(能使变形的能力)、粘结性、收缩性以及膨胀性都很低。它的有限表面以及对阳离子和水分子有限的吸附量说明高岭石不能代表高度的胶体性质(表7.3)。图7.5组成1：1型高岭石粘粒的离子模型。注意这种矿物是由八面体的铝氧片和四面体的硅氧片相互叠合而成的, 因此称作1：1型。每个铝离子周围配置六个氢氧根和氧原子组成的八面体片(上左), 较小的硅原子与四个氢原子结合形成四面体片, 它们联接起来(正中) 就形成一个层, 在一层的面上, 一面为氢氧根, 一面为氧。右边绘的是晶体或晶层离子的侧视图。2：

23、1型矿物 这些矿物的特点是一个八面体片, 夹在两个四面体片中间, 具有这种晶格结构的有三组, 其中两组, 蒙脱石和蛭石, 属膨胀性矿物, 第三组为细粒云母(伊利石) 是相对不膨胀性矿物。膨胀性矿物 蒙脱石组层间膨胀很著名, 这发生在湿时, 当矿物湿时, 水进入层间空间, 并迫使层间拉开。蒙脱石土壤中这组占优势的成员, 还有拜来石、绿脱石和皂石。蒙脱石矿物的似片状晶体(图7.2) 是由2：1一型的层所组成, 见图7.6。这些层依次通过很弱的氧一对一氧链松驰联接起来, 且离子和氧相联接, 交换性阳离子和水分子一齐被吸引在层间(层间空间), 吸引晶格的膨胀, 膨胀的内表面远远超过这一矿物外表面的面积

24、, 例如, 蒙脱石这种晶体矿物单位质量比面和总面积是700-800m2/g, 相比之下的数字高岭石只有5-20m2/g(表7.3), 通常, 这些晶体矿物的厚度大小从0.1至1µm。, 远远小于高岭石的平均颗粒。蒙脱石二八面体片中的mg2+ 同晶替代al3+ 净负电荷虽然多于四面体中al3+ 所发生的替代si4+ 的量, 但是蒙脱石往往高于高岭石的阳离子交换量的20-40倍(表7.3)。表7.3选择的硅酸粘土矿物和腐殖质主要性质 _性质 蒙脱石 蛭石 细粒云母 绿尼石 高岭石 腐殖质(双八面体) _大小(µm) 0.01-1.0 0.1-5.0 0.2-2.0 0.1-2.

25、0 0.5-5.0 0.1-1.0形状 片状 片状 片状 不定形 六方晶体 卜不定形比表面(m2/g) 70-120 50-100 70-100 70-100 10-30 500-800内表面(m2/g)550-650 500-600 - - - 层间距(nm) 1.0-2.0 1.0-1.5 1.0 1.4 0.7 -净电荷(cmol/kg)80-120 100-180 15-40 15-40 2-5 200-750_蒙脱石也以其高的可塑性和内聚力以湿时膨胀干时收缩为其特征。以蒙脱石为主的土壤(如变性土) 干时形成大的裂逢, 这些干的土壤团聚体或土块非常艰硬, 以致使这类土壤难于耕作。蛭石也

26、是两层硅氧片之间夹一层水铝片。大多数土壤,蛭石八面体铝占优势(二八面体), 然而, 八面体镁占优势(三八面体) 的蛭石也很普遍。大多数蛭石的四面体片, 认为铝代替了硅, 数量相当高的净负电荷在这些矿物中。与镁离子一道的水分子在蛭石晶体单元之间被强烈地吸附(图7.7)。然而这些水分子起着桥的作用, 使晶体单元的联接要比当楔形物使晶体单元松驰的作用为大。这样蛭石的膨胀性要比蒙脱石小得多。蛭石的阳离子吸附量一般超过蒙脱石在内的所有硅酸盐粘粒。这是由于四面体片有高的负电荷, 蛭石的晶体大于蒙脱石的晶体, 但比高岭石要小得多。 非膨胀型矿物 云母是这类矿物组的典型。白云母和黑云母是未风化云母的例子, 常

27、发现在砂和粉级中。风化矿物有相似的结构, 常发现在土壤的粘粒部分, 它们被称作细粒云母(过去称作伊利石)。和蒙脱石相似, 也是2：1型晶体, 但是, 颗粒远大于那些蒙脱石, 而且它们的电荷来源于四面体片的远比八面体片的要大。在四面体片中, 硅的位置约有20%的铝原子所占据。其结果就使得四面体片远比八面体片净电荷带的多, 为了中和这些负电荷, 钾离子被强烈吸附在晶体单元之间。这些钾离子的大小正好适宜嵌入相邻两个四面体层的某些空间(图7.7、图7.8), 这些钾离子起着联结的作用, 阻止着晶体的过大膨胀, 因此细粒云母是较不膨胀的。诸如水化作用, 阳离子吸附、膨胀、收缩和可塑性等这些性质, 在细粒

28、云母中都不及在蒙脱石中表现的那样强烈。然而, 在这些特性方面, 细粒云母要超过高岭石。致于晶体的大小, 细粒云母在蒙脱石与高岭石之间(表7.3), 它的比面变幅从70到100m2/g , 大约占蒙脱石的八分之一。图7.6具有膨胀晶格的2：1型粘土矿物蒙脱石的两个晶体单元模型。每一层层组是由两个硅氧片夹一个八面体水铝一片而形成一个晶体单元底上的氧离子与另一个晶格单元顶面的氧离子间, 只有微弱的吸引力, 晶层间很容易发生不同程度的膨胀。水和交换性阳离子占据在晶层间的空隙中, 内表面积远远大于晶体的外表面积。注意八面体片中某些铝原子可以被镁原子代换, 由此产生的负电荷导致这些类粘土矿物的高阳换量。2

29、：1：1型矿物 这一硅酸盐组的代表是绿泥石, 广泛存在于某些土壤中, 绿泥石基本上是带有一些铁和铝的镁硅酸盐。典型的绿泥石粘粒晶体, 是与蛭石相似的2：1型, 相间与镁占优势的三八面体片叠合形成2：1：1比率(图7.7), 镁在绿泥石2：1型层中的三八面体中占优势。因此, 晶体单元包括两硅酸盐四面体片和镁占优势的两八面体片, 与以称作2：1：1或2：2型矿物。绿泥石的负电荷大约和细粒云母相同, 比蒙脱石和蛭石要少得多, 和细粒云母一样绿泥石可以是蛭石和蒙脱石在一个晶体内间层。颗粒大小和表面积绿泥石也和细粒云母相同, 绿泥石晶体单元之间没有水分吸附, 这是这些矿物不膨胀性的原因。混层和间层 各组

30、粘土矿物不是某一个单独存在。在某种土壤, 往往发现若干粘土矿物紧密地混和在一齐。并且还发现矿物胶体的性质和组成个于一种或两种所描述的矿物之间。这些矿物称作混层和间层矿物, 因为某一晶体单层可以多于某一类型, 它的名字如“绿泥石一蛭石” 和“细粒云母一蒙脱石” 用来描述混层矿物(图7.9)。在一些混成矿物可以具有单一的结构的矿物如蒙脱石, 较为普遍。图7.7. 三种2：1型矿物(蒙脱石、蛭石与细粒云母) 和一种2：1：1型矿物绿泥石的四面体片和八面体片图解说明。铝占优势的二八面体矿物图在中为2：1型矿物, 因为这种矿物在土壤中一般发现较多, 以镁离子占优势的三八面体矿物绿泥石在这种矿物形成的土壤

31、中发现较多。注意, 蒙脱石层间膨胀性最大, 蛭石层间膨胀性降低, 是由于一些mg2+ 有中等的联键力。细粒云母和绿泥石没有膨胀性, 是因为k+ 离子(细粒云母) 和外增加的三八面体片(绿泥石) 紧紧地将2：1型各层联接在一起, 层间空间用纳米(nm) 来表示(1nm=10-9m)。图7.8, 2：1型非膨胀性晶格矿物, 细粒云母组模型。晶层的一般构造与蒙脱石相似 两层四面体片之间夹一层八面体片。然而, 由于钾离子被紧密吸持在两层之间, 使这种矿物具有相当的紧实结构, 这样就阻止水分和阳离子进入层间的空隙, 因此, 细粒云母的内表面和交换量就远远低于蒙脱石。7.6硅酸盐粘粒的形成硅酸盐矿物是由最

32、广泛的矿物种类风化而来, 至少有两种不同过程。(a) 原生矿物有较轻的物理和化学蚀变作用。(b) 原生矿物分解后, 某些分解产物再结晶形成硅酸盐粘粒。下面对每一种过程予以简单的讨论。 蚀变作用 白云母蚀变成细粒云母发生的变化就是蚀变作用很好的典型例子。白云母是2：1型原生矿物, 为不膨胀性晶体结构，分子式为kal2(si3al)o10(0h)2。随着风化的发生, 矿物破碎成胶体范围的大小, 一部分钾丢失, 一些硅加入风化溶液。最后的结果是弹性的晶体结构减弱, 且2：1型矿物在过程中蚀变, 一些变化或许非常简单, 表示如下： h2okal2(alsi3)o10(oh)2+0.2si4+0.1m+

33、 m+0.1(k0.7)al2(al0.8si3.2)o10(oh)2+0.3k+0.2al3+(土壤溶液)白云母(坚硬晶格) 土壤溶液 细云母(半坚硬晶格) (土壤溶液)再结晶作用 这种再结晶过程包括原生矿物组成的完全蚀变, 并且通常较前面所述的蚀变过程更为强烈的风化作用的结果。从含有可溶性铝和可溶性硅形成高岭石(2：1型粘土矿物) 就是再结晶位作用很好的例子, 这些可溶性铝和硅来自2：1型原生矿物的破碎作用, 再结晶作用使一种原生粘土矿物形成更多种成为可能, 确切地形成哪种粘土矿物, 取决于风化条件, 风化溶液中该种再结晶作用发生所需那些离子是否存在。风化过程的相对阶段 形成一种或多种粘粒

34、类型的特定条件见图7.10, 注意细粒云母和镁丰富的绿泥石代表硅酸盐风化的早期阶段, 高岭石和最终的铁、铝氧化物是最高阶段, 蒙脱石类(如蒙脱石) 是代表了中间阶段。各种粘粒的形成 各种矿物是在过程的变异中形成, 例如细粒云母和绿泥石是由白云母、黑云母的蚀变产生的, 蛭石也可以通过这一过程形成, 而且, 细粒云母和蛭石可以通过风化产生蒙脱石, 蒙脱石也可以在中性和碱性条件下再结晶形成, 高岭石在季节性强酸性条件下再结晶形成, 在热带的湿热条中下, 强度风化的结晶可以形成铁铝的氧化物。(a) (b) (c) (d) (e)云母 细粒云母 间层 间层 蒙脱石类 细粒云母 蛭石 (蒙脱石) 蛭石 蒙

35、脱石图7.9结构不同的硅酸盐矿物和它们的混合物。(a) 含钾云母的有弹性晶体。(b) 风化丢去部分钾成细粒云母, 细粒云母有较小的弹性和层间阳离子交换量。(c) 风化的更高级阶段, 钾在2：1型层间淋出, 水和镁离子束缚在层上和层间, 有细粒云母一绿泥石存在。(d) 进一步风化, 将移出更多的钾, 水和交换性离子进入2：1型层间和层间矿物有蛭石、蒙脱石形成。(e) 进一步风化产生出蒙脱石, 高膨胀性矿物, 蒙脱石进一步被风化成高岭石和铁、铝氧化物, 虽然大多数蒙脱石实际行成于其它过程, 这里依次说明了蒙脱石和其它矿物结构的关系。7.7粘土矿物的地理分布任何一种颗粒土壤的粘粒都是由几种胶体矿物的

36、混合物组成的。某一种土壤, 各个土层的混和物可能不相同, 这种现象是由于粘粒形成的类型不但取决于气候影响和剖面条件, 并且与母质性质有关。由于曾在以前也许是完全不同的气候条件下所形成的, 存在于母质中的各种粘粒而使情况进一步复杂化。然而, 利用图7.10的所看关系,某些普遍性的推论似乎是可能的。图7.10. 不同的硅酸盐粘粒以及铁、铝氧化物形成的一般条件。水云母和绿泥石是由原生的铝硅酸盐矿物经过比较适度的风化过程形成的, 而高岭石以及铁和铝的氧化物是强烈得多的风化过程的产物。在各种情况下, 硅酸盐粘粒的形成伴随着易溶性元素, 象k、na、ca、mg的移出。区域土壤差异 湿润和半湿润热带的排水良

37、好和风化良好的氧化土偏向于铁和铝的各种含水氧化物为主, 这些粘粒还分布在美国东南的老成土占优势。一般高岭石为主的硅酸盐矿物在老成土(表7.4) 和还发现拌有氧化物矿物在热带地区。母质对粘粒的分布有强烈的影响, 可以在亚拉巴马、密西西比和得克萨斯三卅的“黑土带” 的变性土中看到, 这些土壤颜色黑, 发育于富含盐基的母质, 以蒙脱石类粘粒占优势。周围土壤发育母质不同, 主要是高含量的蒙脱石和氢氧化物, 这些粘粒还代表了湿润温带地区, 中印度和苏丹也存在相似的情况。表7.4不同土纲占优势的粘土矿物 _土纲 一般风 美国的 占优势的粘土矿物化强度 典型 _含水氧 高岭 蒙脱 细粒 蛭 绿泥 中间 地区

38、 氧化物 石 石 云母 石 石 型_旱成土 低 干旱也区 ×× ×× ×变性土 亚拉巴马卅 ×× × 得克萨斯卅 ×软土 中部 × ×× × × × ×淋溶土 俄亥俄卅 × × × × × ×宾亚法尼亚纽约卅灰土 新英格兰卅 × ×老成土 高 东南部 ×× ××× × × ×氧化

39、土 夏威夷群岛 ××× ×× 波多黎群岛_表7.4的资料看出, 优势粘土矿物在不同土纲中, 这些在第三章已经讲述。这些资料能够证实, 以上讨论过的概括。例如, 氧化土和老成土, 这些强烈风化地区和特征, 而旱成土则出现在沙漠地区。这些地区的优势粘土矿物正是在图7.10所预期结果相同。有关粘土矿物的地理分布只可能做为数不多的一般概括, 但这些例子说明了当地的母质和风化条件有利于决定土壤中出现粘土矿物的类型。7.8硅酸盐粘粒稳定电荷的来源在7.4节已经谈到, 一个阳离子对另一个阳离子进行同晶替代在晶体结构中, 能够引起硅酸盐粘粒中电荷的不平衡, 这

40、一不平衡的量, 就是颗粒表面粘粒吸附离子的能力。现在我们用专性替代的例子进行讨论。负电荷在矿物上看到的负电荷, 是矿物中的同晶替代, 由低电荷(如mg2+)替代了高电荷(如al3+)引起。这样的替代通常发生在铝占优势的二八面体片。图7.11看到, 剩下一个没中和的负电荷。这镁对铝的替代作用是蒙脱石、蛭石胶核负电荷的重要来源。图7.11硅酸盐粘粒八面体片中原子构型。(a) 没有替代作用,(b) 一个镁离子替代一个铝离子。没有发生替代的铝离子上的三个正电荷和来自六个氧和氢氧根的三个负电荷平衡, 镁替代铝的, 只有两负荷平衡, 剩下一个负电荷中和。这个负电荷能够吸附一个正电以于中和。 第二个例子是四

41、面体片中的铝取代硅, 这也是剩下一个负电荷未被中和。这可以用如下说明, 假定两个硅原子和四个氧原子结合成电荷中性单位。四面体片 四面体片(无替代) (al3+ 替代si4+)si2o4 sialo4-无电荷这样的替代是很普遍的, 在一些重要的土壤硅酸盐粘土矿物, 如细粒云母、蛭石和一些蒙脱石类。正电荷 同晶替代也可以是正电荷的来源, 如果高电荷离子替代低电荷离子, 在三八面体片中, 三个镁原子被二个氧和二个氢氧根围绕, 该片无电荷, 但是如果一个al3+ 替代一个mg2+ , 就会产生一个正电荷。三八面体片 三八面体片(无替代) (al3+ 替代mg2+ )mg3o2(oh)2 mg2alo2

42、(oh)+2无电荷 一个多余正电荷这样的正电荷是一些蛭石和绿泥石三八面体片的特征。一些硅酸盐粘粒(蒙脱石), 在四面体片和八面体片两者都可发生替代。这些粘粒的净电荷是在正负电荷之间是平衡的。当然, 实际上全部硅酸盐粘粒净电荷是负的, 因为这些替代作用导致负电荷超过产生的正电荷。这些同晶替代正是描述了风化粘粒通过的缓慢过程, 这些粘粒的形成是不容易的。因此, 这些电荷被称为不变电荷或永久电荷, 因为它们取决于硅酸盐粘粒的化学组成。化学组成和电荷 因为我们刚刚讨论的一些离子的替代作用。所以不用简单的化学式来鉴定某一土壤的特定粘粒, 然而“类型” 分子式可以用来表明组成的区别。见表7.5所示的是四面

43、体片和八面体正负电荷两者的来源, 这些分子式通常反映了单晶层分子式。注意,从表7.5看出, 高岭石无离子替代, 虽然一些这样的替代发生, 但其他机制也可提供大量这些胶体的负电荷。表7.5看出的所|有矿物电荷(负电荷/或正电荷) 的获得都是同晶替代作用。通过这一表格的研究, 可以掌握所列矿物晶胞电荷, 也就是负电荷的来源。表7.5.典型粘粒和其他矿物的单位晶层分子式, 表明八面体和四面体的阳离子和阴离子的配位。每单元分子式的电荷, 固定的和可变的间层矿物组成。注意在层内面积, 晶体单位负电荷和正电苛数量平衡上量相等。7.9 ph值决定性电荷(ph值因变电荷) 这是一些硅酸盐粘粒(如高岭石) 第二

44、个电荷的来源, 还有水铝英石和fe、al氢氧化物。由于这些电荷取决于土壤的ph值, 所以这些电荷称作可变电荷或ph值决定电荷, 以对应于相反的由于同晶替代产生的永久和不变电荷。 负电荷ph值决定的一些电荷主要是无机和有机胶体边角和表面与氢氧根相联接(图7.12), 氢氧根是和无机胶体中的铁/铝相吸引(如>aloh) 和与腐殖质中的co基(如cooh) 相联接。在中性酸碱条件下, 这些颗粒有很少或没有电荷。但随着ph增加, 氢从胶体上oh根中解离出去, 并产生负电荷。图7.12, 高岭石晶体断裂边缘示意图, 看出氧原子是负电荷的来源, 当ph值高时, 氢离子被吸附得松驰而被其他离子所取代。

45、 >aloh+ oh- >alo-+ h2o cooh+ oh- coo-+ h2o 无电荷 负电荷(土壤固体) (土壤溶液) ( 土壤固体)( 土壤溶液)正如的箭头所示, 反应是可逆的, 如果ph增加, 有更多的oh- 离子有利于促使反应向右, 并引起土壤颗粒表面负电荷增加, 如果ph降低,oh- 离子浓度降低, 反应相反向左进行, 并使负电荷减少。这很易看出这些胶体电荷依懒于ph值。 另外一个随ph增加负电荷的来源是铝的水化物离子(如al(oh)+2) 正电荷的移出, 在低的ph水平,al(oh)+2离子封住负电荷位置不让阳离子进行交换, 随着ph值上升,al(oh)+2离子和

46、oh-离子反应,在土壤溶液中形成不溶的al(oh)3 , 从而负电荷位置自由。 >al(oh)-2.al(oh)+2+oh >al(oh)-2 + al(oh)3 负电荷位置被封闭 (负电荷位置开放)( 无电荷)这一增加负电荷的机制在铁铝氢氧化物多的土壤特别重要, 如在美国东南部的土壤。 正电荷 在中性到极酸性条件下, 一些硅酸盐粘粒和铁铝氢氧化物, 可以显示负电荷, 其中包括oh- 一度暴露, 在这种情况下, 当然, 由表面oh基上发生对h+ 离子的吸附, 会使其变得更酸, 如硅酸盐粘粒的反应就是这样： >aloh+ h+ >aloh2+(土壤固体 土壤 正电荷无电荷

47、) 溶液 (土壤溶液)因此, 在一些情况下, 在无机土壤胶体同样位置上, 可以带有负电荷(高ph), 可以不带电荷(中等ph) 和可以带有正电考(低ph), 在高ph值碱性土壤, 随如下反应ph值降低。 >alo- +h+ >aloh +h+ >aloh2+负电荷 无电荷 正电荷高ph (中等ph) (极低ph)因此, 腐殖质和无机胶体的复合体常常发现在土壤中同时既带有正电荷又带有负电荷是不足为怪的。大部分温带区土壤, 负电荷远远超过正电荷(表7.6), 但是, 在热带地区的一些酸性土壤, 铁和铝氢氧化物含量, 全部纯净电荷为正, 土壤ph值对该土壤正、负电荷的影响见图7.1

48、3图解。表7.6几种典型电荷特征, 所显示的永久电荷,ph值可变负电荷,ph可变正电荷水平比较胶体类型 负电荷 正电荷总 永久 可变 (cmol/kg) (%) (%) (cmol/kg)有机 200 10 90 0蒙脱石 100 95 5 0蛭石 150 95 5 0细粒云母 30 80 20 0绿泥石 30 80 20 0高岭石 8 5 95 2三水铝石 4 0 100 5针铁矿 4 0 100 5 选择的土壤胶体电荷特征见表7.6, 注意负电荷高含量百分数为一些2：1型粘粒(如蒙脱石和蛭石)。腐殖质、高岭石、水铝英石和铁铝氧化物主要为可变性(ph决定性) 负电荷和在ph值很低时显示, 一定是正电荷。阳离子和阳离子吸附 土壤颗粒带有的电荷, 能吸附简单的和复杂的正电荷离子。因此, 那种胶体复合体不但可以带有表面正电荷和负电荷, 而且可以是同一个化合物组成单一阳离子和阴离子, 象ca2+ 和so