一 土壤矿物质

第一章土壤矿物质

SoilMineralMatter主要内容教学目标与要求1.土壤的矿物组成和化学组成；2.层状硅酸盐矿物的特征和种类；3.土壤中的氧化物；4.粘土矿物的形成和分布规律。1.了解土壤矿物的矿物和化学组成；2.掌握层状硅酸盐矿物的结构特征；3.掌握土壤中常见的硅酸盐矿物；4.了解我国土壤粘土矿物的分布规律。土壤固体部分由矿物质和有机质组成，矿物质部分占土壤固体重量的95%以上，它是土壤的骨架土壤按容积计算，固体一般占土体一半左右，其余一半是孔隙，被水、空气充满主要根据颗粒组成、化学成分和矿物组成三方面来认识第一节

土壤矿物质的矿物组成和化学组成矿物是天然产生于地壳中具有一定化学组成、物理性质和内在结构的物体，是组成岩石的基本单位。一、元素组成1、几乎包括元素周期表中所有元素；2、以O、Si、Al、Fe为主，四者共占88.7%以上，其中O、Si占76%；3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡；4、土壤矿物的化学组成，一方面继承了地壳中原有的一些元素组成，另一方面有些化学元素含量在成土过程中增加了，如氧、硅、碳、氮等。元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.08.054.652.962.502.501.370.1049.033.07.133.801.371.671.360.600.085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003表1-1地壳和土壤的平均化学组成（重量%）二、矿物组成（一）土壤的原生矿物(originalmineral)(P19表1-2)1、以硅酸盐和铝硅酸盐为主；2、土壤原生矿物类型和数量的多少决定于矿物的稳定性；3、原生矿物是植物养分的重要来源。（二）土壤的次生矿物(secondarymineral)：粘土矿物（三）结晶质矿物(crystallinemineral)和非晶质矿物(noncrystallinemineral)土壤颗粒组成与矿物组成关系一、层状硅酸盐(layersilicate)粘土矿物（一）构造特征1、基本结构单位（1）硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-）由一个硅离子(Si4+)和四个氧离子(O2-)组成，三个氧在三角形底部，硅在中间，一个氧在上面，构成四个面，每个面由三个氧离子所构成。第二节粘土矿物（2）铝氧八面体(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)由一个铝离子(Al3+)和6个氧离子(O2-)构成2.单位晶片

硅氧四面体(SiO4)4-，铝氧八面体(AlO6)9-是不稳定的，各自聚合形成四面体片---硅片n(Si4O10)4-八面体片---铝片n(Al4O12)12-3、单位晶层由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，相互重叠，形成层状硅酸盐的单位晶层。硅片和铝片的重叠方式有：硅片/铝片---1:1型硅片/铝片/硅片---2:1型硅片/铝片/硅片/水镁(铝)片---2:1:1型（1）1:1型一层硅层与一层铝层重叠而成1:1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(isomorphoussubstitution)

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。Al3+0.057nmFe3+0.064nm（2）不等价替代：晶形不变，电性改变。硅酸盐矿物一般产生负电荷（低价代替高价）。（1）等价替代：晶形和电性不变。如Al3+

替代Si4+

，Mg2+

替代Al3+SiO2/Al2O3=4/2=2硅铝铁率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比。硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比。硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比。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。解：41.89

33.27SiO2的分子含量＝———＝0.698Al2O3的分子含量＝———＝0.32660102

11.85

SiO2

0.698Fe2O3的分子含量＝———＝0.074———＝——————＝1.75160

R2O30.326+0.074例：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、硅铁率。(二)硅酸盐矿物的种类和特点1、高岭(石)组（kaolinitgroup）：包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。特点：(1)1:1型；(2)膨胀性小：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：可塑性、粘结性、吸湿性和粘着性弱。高岭石晶体电镜示意图结构示意图2、蒙脱石组（montmorillonitegroup）：包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。特点：(1)2:1型；(2)膨胀性大；(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、粘着性强，对耕作极为不利。3、水化云母(伊利石)组（Hydrousmica(illite)group）：又称2:1型非膨胀性矿物特点：(1)2:1型(2)非膨胀性晶层之间吸附有K+(3)电荷数量大同晶替代现象普遍(4)可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。4、绿泥石组（Chloritegroup）特点：(1)2:1:1型；(2)同晶替代现象普遍；(3)颗粒较小,可塑性、粘结性、吸湿性和粘着性居中。二、非硅酸盐粘土矿物1、氧化铁2、氧化铝3、水铝英石4、氧化硅针铁矿赤铁矿一、风化和成土作用与粘土矿物组成的关系第三节我国土壤粘土矿物分布规律1、粘土矿物形成途径：粘土矿物是风化和成土过程中形成的次生矿物,它有两种形成途径。（1）原生矿物风化淋溶直接演变+H2O,-K-Mg-Si-Si（2）风化沉淀（自然合成）学说原生矿物的彻底风化产物重新组合沉淀而成。风化产物：SiO2·nH2O带负电荷，酸胶基；Al2O3·nH2O、Fe2O3·nH2O带正电荷，碱胶基。盐基离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+等决定溶液pH，并参与矿物形成。粘土矿物的形成：正负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SiO2/Al2O3＞3，可形成2:1型矿物当溶胶SiO2/Al2O3＜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Mg2+、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。（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二、我国土壤粘土矿