第一章土壤矿质土粒

第一章土壤矿物质土粒第一节形成土壤母质的矿物、岩石

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。

一、主要的成土矿物

（一）矿物的概念

矿物是地壳中的化学元素在各种地质作用下形成的自然产物，是岩石的组成单位。

矿物都具有一定的化学成分和物理性质，并以各种形态（固态、液态、气态）存在于自然界中。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。自然界的矿物绝大多数是固态，少数为液态或胶体状态。（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.次生矿物硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法粘土矿物(Claymineral)a、层状硅酸盐粘土矿物(a)构造特征基本结构单位(1)硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-）(2)铝氧八面体(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)铝氧八面体铝氧八面体的构造图示法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）图示法单位晶层（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

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(b)硅酸盐矿物的种类高岭(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：Al4Si4O10(OH)8

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。解：41.8933.27SiO2的分子含量＝———＝0.698Al2O3的分子含量＝———＝0.3266010211.85SiO20.698Fe2O3的分子含量＝———＝0.074———＝——————＝1.75160R2O30.326+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0.2～2μm）

可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱蒙脱石组(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：Al4Si8O20(OH)4·nH2O

蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4

(2)膨胀性大

晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石0.96～2.14nm蛭石0.96～1.45nm(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

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：K2(Al·Fe·Mg)4(Si·Al)8O20(OH)4·nH2OSiO2/Al2O3:3～4(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

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Mg·Fe·Al)12(Si·Al)8O20(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Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+

代Mg2+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b、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pHM-OH+H+—→M-OH2+（水合基）高pHM-OH+OH-—→M-O-+H2O

氧化铁(Ironoxide)

土壤主要矿质染色剂（1）氧化铁的类型

针铁矿(α-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(α-Fe2O3)红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜纤铁矿(γ-FeOOH)棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤磁赤铁矿(γ-Fe2O3)暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土磁铁矿（Fe3O4）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→晶质氧化铝(Aluminiumoxide)

硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石[Al2O3·3H2O，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H2PO4-等阴离子，减低其有效性氧化硅(Siliconoxide)（粘粒）（结晶质和非晶质）

晶质以α—石英为主非晶质为蛋白石(SiO2·nH2O)，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关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。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

c、粘土矿物的形成和分布规律

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

+H2O，-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。SiO2·nH2O土壤pH条件下带负电荷，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

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。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

(三)主要成土矿物的性质一般为白色透明，含有杂质时呈其他颜色。石英是最主要的造岩矿物，分布最广，为酸性岩浆的主要成分，在沉积岩和变质岩中也常见。石英在岩石中常呈不透明或半透明晶粒状，烟灰色，油脂光泽。石英的伴生矿物是云母、长石。石英硬度大，化学性质稳定，不易风化，岩石风化后，石英形成砂粒，含砂粒多的土壤，含盐基少，形成的母质养分一般贫乏，酸性也较强。

石英正长石KalSi3O8

晶体短柱状，肉红色、浅黄色、浅黄红色等，玻璃光泽，完全解理，硬度6.0。正长石在岩石中呈晶粒，长方形的小板状，板面具有玻璃光泽。伴生矿物为石英、云母等。正长石易风化，风化后形成粘土矿物高岭石等，可为土壤提供大量K养分。正长石类矿物一般含氧化钾16.9％。斜长石

Na（AlSi3O8）·Ca（Al2Si2O8）

常呈板状和柱状晶体。白色或灰白色。玻璃光泽，完全解理，硬度6．0～6．5。在岩石中多呈晶粒，长方形板状，白色或灰白色，玻璃光泽。伴生矿物主要是辉石和角闪石。斜长石比正长石容易风化，风化产物主要是粘土矿物，能为土壤提供K、Na、Ca等矿物养分。白云母KH2Al3Si3O12常见片状、鳞片状。白云母无色透明或浅色（浅黄、浅绿）透明。极完全解理，薄片具有弹性，珍珠光泽，硬度2．0～3．0。白云母较难风化，风化产物为细小的鳞片状，强烈风化后能形成高岭石等粘土矿物。黑云母KH2（Mg，Fe）3AlSi3O12深褐色或黑色，其他性质同白云母。黑云母主要分布在花岗岩、片麻岩和结晶片岩中，伴生矿物是石英、正长石等。黑云母较白云母易于风化，风化物为碎片状。云母类因化学成分不同而分为白云母和黑云母。

角闪石呈细长柱状，深绿至黑色，玻璃光泽，完全解理，硬度5.0～6.0,角闪石主要分布在岩浆岩和变质岩中的片麻岩和片岩中。在岩石中呈针状或纤维状。伴生矿物为正长石、斜长石和辉石，角闪石易风化，风化产物为粘土矿物。

普通角闪石

Ca（Mg，Fe）3Si4O12呈短柱状、致密块状，棕至暗黑色，条痕灰色，中等解理，硬度5．5。辉长岩和玄武岩中，在岩石中多呈晶粒状。伴生矿物为角闪石、斜长石、辉石等，较角闪石难风化，风化物为粘土矿物，富含Fe。辉石Ca（Mg，Fe）Si2O6普通辉石橄榄石呈粒状集合体出现，橄榄绿色，玻璃光泽或油脂光泽。橄榄石为超基性岩的主要组成矿物，伴生矿物为斜长石、辉石，不与石英共生，易风化，风化产物有蛇纹石、滑石等。蛇纹石呈污绿色，玻璃光泽或油脂光泽，断口上有时呈蜡状光泽，比重2．5，硬度2．0～4．0。橄揽石（Mg，Fe）2SiO4

方解石为次生矿物，呈菱形，半透明，乳白色，含杂质时呈灰色、黄色、红色等，完全解理，玻璃光泽。与稀盐酸反应生成CO2气泡。无色透明者称冰洲石。方解石分布很广，是大理岩、石灰岩的主要矿物，常为砂岩、砾岩的胶结物，也可在基性喷出岩气孔中出现。方解石的风化主要是受含CO2的水的溶解作用，形成重碳酸盐随水流失，石灰岩地区的溶洞就是这样形成的。方解石CaCO3

绿泥石种类多，成分变化大，结晶体呈片状、板状，一般呈鳞片状存在。暗绿色至绿黑色。完全解理，玻璃光泽至珍珠光泽。绿泥石由黑云母、角闪石、辉石变质而成。存在于变质岩中，如绿泥石片岩。较难风化，风化物为细粒。绿泥石（Mg，Fe）5Al（AlSi3O10）（OH）8白云石是由方解石、菱美矿结合而成，呈弯曲的马鞍状、粒状、致密块状等，灰白色，有时带微黄色，玻璃光泽，性质与方解石相似，但较稳定，与冷盐酸反应微弱，只能与热盐酸反应，粉末遇稀盐酸起反应，这是与方解石的主要区别。白云石是组成白云岩的主要矿物，也存在于石灰岩中。风化物是土壤Ca、Mg养分的主要来源。白云石CaCO3·MgCO3磷灰石呈致密块状、土状等。灰白、黄绿、黄褐等色，不完全解理，硬度5.0。在矿物上加钼酸铵，再加一滴硝酸即有黄色沉淀生成，这是鉴别磷灰石的主要方法。磷灰石以次要矿物存在于岩浆岩和变质岩中。较难风化，风化产物是土壤磷养分的重要来源。磷灰石Ca5（PO4）3·（F，Cl）石膏呈板状、块状、无色或白色。玻璃光泽或丝绢光泽。硬度2．0，是干旱炎热气候条件下的盐湖沉积。常作土壤改良剂。

石膏CaSO4·2H2O8

赤铁矿

（Fe2O3）

常呈鲕状、肾状，颜色为赤红色，条痕为樱红色；

半金属光泽，无解理，无磁性。

磁铁矿

(Fe3O4)

致密状、块状集合体,铁黑色,条痕黑色,半金属光泽，硬度5.5~6.0，无解理，具磁性。

高岭石

（H2Al2Si2O8.H2O）

致密细粒状、土状集合体，白色或浅红色，硬度1，比重2.6，具粗糙性，加水有可塑性。

蛇纹石

（H4Mg3Si2O9）

绿色并具有数种颜色条纹，磨光后似蛇皮，由橄榄石变化而成。水晶是结晶完好的透明石英晶体，常呈无色透明状，当含有某些金属元素等杂质时，可呈现出紫色、蔷薇色、金黄色、黑色或褐色等。根据水晶颜色的不同可分为：紫晶、黄晶、蔷薇水晶、烟水晶、茶晶、墨晶等。紫晶最为珍贵，其次是黄晶、烟晶。

水晶

英文名称为Rockcrystal，别名晶石、水晶石。古代希腊人称水晶为Krystallos，意思是“洁白的冰”。红宝石硬度仅在金刚石之下。颜色鲜红、美艳，可以称得上是“红色宝石之冠”。瑰丽、华贵的红宝石是宝石之王，是宝中之宝，其优点超过所有的宝石。

红宝石

红宝石源自拉丁文。属于刚玉族矿物，三方晶系。因其成分中含铬而呈红到粉红色，含量越高颜色越鲜艳。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SiO2含量在65％以上如花岗岩,流纹岩

中性岩SiO2

含量52％～65％如闪长岩,安山岩基性岩SiO2

含量45％～52％如辉长岩,玄武岩

超基性岩SiO2含量小于45％如橄榄岩

脉岩如伟晶岩

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。

以颗粒大小分为:砾状结构(如砾岩),粒状结构(如沙岩),中粒状结构(如沙岩)以颗粒形状分为:角砾状结构，颗粒有棱角(如角砾岩)，圆滚状结构，颗粒无棱角(如砾岩)主要的沉积岩:角砾岩,砾岩,砂岩页岩,石灰岩

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。

3.变质岩(三)主要的变质岩:岩片,麻岩,石英,岩板岩,结晶片岩,千枚岩,大理岩

第二节矿物岩石的风化作用与土壤母质风化作用是地球表面或近地球表面的岩石在大气圈各种营力作用下所产生的物理化学变化。岩石发生物理和化学的变化称为风化。一、风化作用的概念和类型

（一）风化作用概念（二）风化作用的类型

由于作用因子的不同，岩石风化作用过程的特点各异，可分为物理风化，化学风化和生物风化三大类型。

1.物理风化岩石发生疏松、崩解等机械破坏过程，只造成岩石结构、构造的改变，一般不引起化学成分的变化的过程称为物理风化。(见下图）岩石的层状剥落示意图引起物理风化作用的因素很多，主要有：

★冰劈作用进入岩石裂缝中的水反复融化与冻结，对岩面产生劈裂作用而引起。

★风和流水的作用主要风和流水把岩石表层剥落的碎屑吹走、冲走及磨蚀。★热力作用岩石受热后引起表层和内部热胀冷缩不同引起。★冰川作用冰川底部和两侧的岩石会受到冰川的压力和磨蚀作用而破碎。

★卸荷作用指由岩石卸荷释重而引起的剥离作用。在花岗岩分布区最为常见。2.化学风化作用

岩石和矿物在大气，水及生物的相互作用下发生的化学成分和矿物组成的变化，称化学风化。

引起化学风化作用的主要因素有●溶解作用指岩石矿物溶解于水的作用。

●水化作用指水分子与矿物化合生成含水矿物的化学作用。

●水解作用指矿物与水发生反应而分解的作用。

3.生物风化作用岩石和矿物在生物影响下发生的物理和化学变化称生物风化作用。生物风化作用主要有两个方面：

●氧化作用岩石中的很多矿物都能被自然界的氧氧化生成新矿物。

●碳酸化作用碳酸与岩石中的金属离子发生反应形成碳酸盐的作用称之为碳酸化作用。这种现象在石灰岩地区最为常见。

A:生物的机械破碎作用由生物的生命活动引起的岩石机械破碎作用(物理风化)。例如：根劈作用。B:生物的化学分解作用有些生物在生命活动中靠分泌酸类物质分解岩石，从中吸取营养物质。▲▲上述3种风化类型之间相互影响，相互联系,只是在不同的外界条件下各有侧重。

成土母质指岩石风化后形成的疏松碎屑物，通过成土过程可发育为土壤。可分为残积母质和运积母质。这种物质是形成土壤的基础，因此称为成土母质，简称母质。二、土壤母质的形成及我国的主要成土母质（（一）母质的形成2.坡积物

坡积物是基岩风化物被雨水或融雪水在重力作用下，沿斜坡运行，堆积在山坡和山麓的一种运积母质。肥力较高。

（二）成土母质的类型1.残积物

原积物也称残积物。指基岩风化后残留于原地的物质。母质的性质受母岩影响较大，一般上层颗粒细，下层粗，逐渐过渡到母岩层。5.湖积物湖积物指原湖泊底部的沉积物质，以后由于湖水位的下降或陆地上升而出露的一种母质。3.洪积物

是山洪夹杂泥沙和碎石沉积在山前谷口一带的一种运积母质。洪积母质往往形成扇形，称为洪积扇。洪积物的母质层较深厚，养分丰富，形成的土壤肥力较高。4.冲积物冲积物指被河水或山溪水搬运而沉积的物质。冲积物因流域广，成分复杂，养分也比较丰富。8.黄土及黄土状物质

黄土是由风搬运沉积的第四纪陆相粉砂质富含碳酸钙的土状沉积物。黄土形成的土壤肥力一般较高。

6.浅海沉积物浅海沉积物指河流携带泥沙，在海岸边沉积的物质。7.风积物风积物是经风搬运而堆积的物质，如风成砂和黄土。形成的土壤肥力低。一般风积物多为砂丘、砂岗等。10.冰川沉积物和冰水沉积物冰川沉积物由冰川搬运的粉砂、沙砾石和漂砾等混合的非层状沉积的物质。冰水沉积物指由冰川搬运，以后为冰川融水的水流所分选、沉积物质。在我国分布较广，但多不连续，呈小片分布。9.第四纪红色粘土指第四纪温暖潮湿气候下形成的红色粘质残积物或运积物。质地粘重，呈红色、棕红色，养分含量少，酸至强酸反应。第三节土壤矿物质土粒的组成及特性一、粒径对矿物质土粒的矿物组成与化学组成的影响

土壤中的各种固体颗粒简称土粒。分单粒和复粒。二、矿物质土粒的大小分级（一）粒级的概念粒级（粒组）：土粒大小不同，性质也随之而异。可按照土粒粒径的大小及其性质分成若干粒级(或粗细)。（二）粒级的分类粒级分类常用的标准有以下三种：1．国际制

国际制原为瑞典土壤学家爱特伯所拟定。粒级分类标准为十进位的，简明易记，西欧多采用。其分级标准如下表：2．卡庆斯基制

由前苏联卡庆斯基拟定的分类标准。将大于1毫米的称为石砾；小于1毫米的又以0．01毫米为界，大于0．01毫米的土粒称为物理性砂粒，小于0，01米的土粒称为物理性粘粒，其标准如下表：

3.中国制

中国科学院南京土壤所等单位，按我国习用的标准，并结合群众经验综合而成。我国这个分类标准与目前国际上通用的标准大体相近，但也有一些差别，它把粘粒的上限移至2微米,而把粘粒级分为粗和细两个粒级.其标准如下表：三、矿物质的机械组成和质地分类（一）机械组成和质地的概念粗细不同的土粒在土壤中占有的不同的比例，这种大小不同土粒的比例组合，叫矿物质土粒的机械组成。

根据机械组成的一定范围划分的土壤类型叫土壤质地。（二）土壤质地分类制国际制土壤质地分类：是一种三级分类法，即按砂粒、粉粒、粘粒三种粒级占百分数进行分类，划分为砂土、壤土、粘壤土、粘土四类十二级。＜15%者为砂土质地组和壤土质地组；15%～25%者为粘壤组；＞25%为粘土组。当土壤含粉粒＞45%时，在各组质地的名称前冠以“粉质”字样；当土壤含粉粒55%～

45%时，则冠以“砂质”字样，当砂粒含量＞85%时，则为壤砂土或砂土。2．卡