第一章土壤矿物质课件

Unite1

Soilconstituentsandproperties第一篇

土壤组成和性质土壤组成固体部分粒间孔隙矿物质有机质生物

（活体）水分气体岩石风化而来，一般占土壤质量的95%以上，占土壤容积的38%以上。主要有氧气、氮气、二氧化碳和水汽等，占土壤容积的0～50%左右。外部进入土壤，含有溶解物质，是稀薄的溶液，占土壤容积的0～

50%左右。种类繁多，包括各种昆虫、蠕虫、原生动物、藻类及微生物，特别是微生物数量大、种类多、繁殖快，但占土壤质量和容积的份额很少。生物残体及腐殖物质组成，一般占土壤质量的5%左右，占土壤容积的12%左右。1.Soilmineralmaterial（土壤矿物质）

2.Soilorganicmatter（土壤有机质）3.Soil

organisms（土壤生物）4.Soiltextureandstructure（土壤质地和结构）5.Soilwater(moisture)（土壤水）6.Soilair(atmosphere)andheatregime

（土壤空气和热量状况）第一章土壤矿物质

Soilmineralmaterial

主要内容第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成（理解）第二节黏土矿物（重点掌握）第三节我国土壤黏土矿物的分布规律（了解）难点：层状硅酸盐黏土矿物的结构

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。第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成是由一种或几种矿物所构成的，是矿物的天然集合体。岩石（rock）？是由岩石经过风化作用后破碎而成的疏松多孔体，具有部分的肥力特点，但不完整，它是形成土壤的原始物质。矿物(mineral)

？矿物是指天然产于地壳中具有一定的化学组成、内部构造和物理性质的元素或化合物，是组成岩石的基本单位。土壤母质（parentmaterial）？岩石岩浆岩（火成岩）沉积岩变质岩矿物原生矿物（primarymineral）次生矿物（secondarymineral）岩浆岩岩浆岩：

指地球内部熔融岩浆上浸地壳的一定深度或喷出地表冷却凝固所形成的岩石。共性：

非碎屑壮的块状构造；没有规则的层次排列；不含化石。岩浆岩：玄武岩几种主要成土岩石的类型和特性：沉积岩沉积岩：地壳表面的岩石经风化、搬运、沉积、压实、胶结硬化

等作用后，在一定条件下胶结硬化所形成的岩石。其约占地表总面积的75%。共性：有明显的层理构造；矿物成分复杂并呈碎屑状组织；有时含有化石。几种主要成土岩石的类型和特性：砾岩砂岩粉砂岩页岩黏土淤泥沙沙砾、砾石沉淀物sedimentssedimentaryrocks变质岩变质岩：沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩浆侵入的影响，其矿物组成、结构、构造，以至化学成分发生剧烈改变后形成的。共性：一般具有片理及片麻构造；矿物质地致密，坚硬；不易风化。例如片麻岩，石英岩，板岩，片岩，千枚岩，大理岩等。几种主要成土岩石的类型和特性：千枚岩多姿多彩的变质岩一、土壤矿物质的元素组成元素地壳土壤

元素地壳土壤

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地壳和土壤的平均化学组成（重量%）（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多的二种元素，铁、铝次之，四者相加共占88.7％的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐最多。分布规律：（2）在地壳中，植物生长必需要的营养元素含量很低而且分布很不平衡。（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。地壳和土壤的平均化学组成（重量%）土壤：O、Si增加，Ca、Mg

、K

和Na显著降低。地壳和土壤的平均化学组成（重量%）土壤：C、N显著增加二、土壤中的矿物组成

矿物是指天然产于地壳中具有一定的化学组成、内部构造和物理性质的元素或化合物，是组成岩石的基本单位。根据矿物的结晶状态，矿物可分为：

结晶质矿物

非晶质矿物根据矿物的来源，一般常分为：

原生矿物（primarymineral）

次生矿物（secondarymineral）1.原生矿物（primarymineral）

原生矿物指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和晶体结构的原始成岩矿物。（1）硅酸盐类

包括长石类、云母类、闪石类、辉石类。（2）氧化物类

主要有石英类、其次是磁铁矿类、氧化钛类。（3）硫化物类

主要有黄铁矿类。（4）磷酸盐类

主要有氟磷灰石、氯磷灰石。原生矿物的主要类型：普通角闪石

Ca（Mg，Fe）3Si4O12

辉石

Ca（Mg，Fe）Si2O6橄揽石（Mg，Fe）2SiO4

正长石

KAlSi3O8

斜长石Na（AlSi3O8）·Ca（Al2Si2O8）

白云母KH2Al3Si3O12黑云母

KH2(Mg,Fe)3AlSi3O12石英SiO2钛铁矿Fe2TiO3磁铁矿Fe3O4磷灰石原生矿物的特点：①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。

常见的有长石、云母、辉石、角闪石和榄橄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。②土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物的稳定性。如石英和长石。③土壤原生矿物是植物养分的重要来源。2.次生矿物（secondarymineral）土壤中的次生矿物类型主要有：（1）次生层状硅酸盐矿物，是土壤次生矿物的主体；（2）氧化物类，包括含水氧化物和非含水氧化物；（3）不溶性盐类；（4）可溶性盐类。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。如高岭石、蒙脱石、伊利石、三水铝石、水铝英石、褐铁矿等。蒙脱石伊利石高岭石方解石CaCO3

白云石

CaCO3·MgCO3石膏CaSO4·2H2O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。因其成分中含铬而呈红色到粉红色，含量越高颜色越鲜艳。

黏土矿物的类型特征综合反映了土壤的风化和成土条件，研究和鉴定其种类、数量和特征有重要意义：帮助了解各种土壤在发生学上的地位；帮助了解土壤的理化性质（如吸湿性、可塑性、胀缩性和吸附性等）;概略评价肥力特征。

Claymineralsarethemostimportantgroupofmineralsinsoil,playinganimportantroleinthedevelopmentofmanyphysicalandchemicalsoilcharacteristics.Introduction：第二节黏土矿物由岩石中的原生矿物经风化和成土作用而形成的、组成黏粒的次生矿物叫黏土矿物。

次生矿物以黏土矿物为主；黏土矿物又以结晶层状硅酸盐矿物为主，此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物。黏土矿物主要包括∶

层状的硅酸盐矿物：晶型矿物

氧化物类：有晶型的，也有非晶型的黏土矿物（clayminerals）外部形态：极细微的结晶颗粒。内部构造：两种基本结构单位；都含结晶水，但是化学成分、水化程度不同。一、层状硅酸盐黏土矿物Sheetsilicateclayminerals（一）构造特征1.基本结构单位构成层状硅酸盐黏土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体(Si-Tetrahedron)

硅氧四面体结构单元示意图

构成：一个硅离子(Si4+)和四个氧离子(O2-)。排列方式:以三个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部三个氧离子之上的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。连接相邻的三个氧离子的中心，可构成假想的四个三角形的面，硅离子位于这四个面的中心，故称这种结构单位为硅氧四面体（或简称四面体）。硅氧四面体(SiO4)4-

硅氧四面体的顶视图铝氧八面体(Al-Octohedron)构成：一个铝离子(Al3+)和六个氧(O2-)离子(或氢氧离子)所构成。排列方式:六个氧离子（或氢氧离子）排列成两层，每层都由三个氧离子（或氢氧离子）排成三角形，但上层氧的位置与下层氧交错排列，铝离子位于两层氧的中心孔穴内。

连接相邻三个氧离子的中心，可构成假想的八个三角形的面，铝离子位于这八个面的中心，故称这种单位为铝氧八面体（简称八面体）。

铝氧八面体结构单元示意图

铝氧八面体的顶视图铝氧八面体(AlO6)9-Al(OH)6orMg(OH)6

Octahedra2.单位晶片四面体片（tetrahedralsheet）从化学上来看，四面体为(SiO4)4-，在它形成硅酸盐黏土矿物之前，四面体要进行聚合。在水平方向上通过共用底部氧的方式在平面两维方向上无限延伸，排列成近似六边形蜂窝状的四面体片（简称硅片）。硅片顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n(Si4O10)4-表示。

xyz？Si6O18Si6O18四面体片（硅片）Share

1oxygen硅氧片SilicaTetrahedralSheetSi6O18四面体片TetrahedralSheetSi:O2:5硅酸盐矿物构造与稳定性的关系单晶橄榄石单链双链片状架状石英稳定性增强2.单位晶片八面体片（octahedronsheet）八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列成八面体片（简称水铝片或铝片），铝片两层氧都有剩余的负电荷，铝片可用n(Al4O12)12-表示。？OctahedralSheet铝氧片OctahedralSheetShare

2oxygensAl(OH)6

Octahedra二八面体DioctahedralSheet三八面体(tri)octahedralSheetMg(OH)6

Octahedra

硅片和铝片以不同方式堆叠，形成层状硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成：1:1layerstructure1:1型单位晶层

2:1layerstructure2:1型单位晶层

2:1:1layerstructure2:1:1型单位晶层3.单位晶层硅片、铝片都带负电荷，不稳定，需通过重叠化合才能形成稳定的化合物。1:1型单位晶层由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。硅片（四面体片）铝片（八面体片）一个硅片一个铝片2:1型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。这样2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。铝片硅片硅片两个硅片一个铝片在2：1单位晶层基础上多了一个八面体水镁片或水铝片。2个硅片、1个铝片及1个镁片（或铝片）构成。2:2型？2:1型矿物和一层八面体型矿物相间重叠组成。因此，2:1:1型。2:1:1型单位晶层2：1镁片或铝片硅片铝片硅片4.同晶替代（IsomorphicSubstitution

）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不变的现象叫做同晶替代。土壤中同晶替代的规律：（1）替代和被替代离子的大小要相近（2）替代和被替代离子的电性必须相同Fe3+离子半径0.064nmAl3+离子半径0.057nm

电价同：晶体内电性中和；电价不同：晶体带电。土壤中同晶替代的规律：（3）在硅酸盐黏土矿物中，最普遍的同晶替代现象是晶体中心离子被低价的离子所代替。四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。黏粒矿物一般以带负电荷为主。（4）同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。Al3+,Fe3+Si4+tetoctMg2+Al3+同晶替代（二）硅酸盐黏土矿物的种类及一般特性高岭组Kaolinitegroup

蒙蛭组Montmorillonitegroup水化云母组Hydrousmicagroup绿泥石组Chloritegroup高岭组（Kaolinitegroup）

（1）1:1型的晶层结构单位晶胞的分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8。

（2）无膨胀性两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5％，高岭石层间距约为0.72nm。特点：包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等。硅片铝片1:1clay高岭组（Kaolinitegroup）Non-Expanding0.72nm

（3）电荷数量少阳离子交换量只有3～15Cmol(+)/Kg。

（4）胶体特性较弱颗粒较粗（0.2-2m）；颗粒的总表面积相对较小；可塑性、黏结性、黏着性和吸湿性都较弱。高岭组黏土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的黏土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。高岭组（Kaolinitegroup）特点：高岭石蒙蛭组（Montmorillonitegroup）又称2:1型膨胀性矿物，包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。（1）2:1型的晶层结构

单位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4·nH2O，蒙脱石是其典型代表。（2）胀缩性大

晶层间的结合力很弱，故晶层间因水分的进入而扩张，因失水而收缩。蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm

之间，具有很大的胀缩性。特点：蒙蛭组（Montmorillonitegroup）2:1Clay硅片铝片硅片ExpandingH2OH2OH2OH2OH2O（3）电荷数量大

同晶替代现象普遍，蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2+替代Al3+，替代的结果使这组黏土矿物都带大量的

负电荷，阳离子交换量可高达80～120Cmol(+)/Kg。（4）胶体特性突出

颗粒呈片状，蒙脱石颗粒较细（有效直径0.01-1m）；颗粒总表面积大,且80％是内表面。其可塑性、黏结性、黏着性和吸收性特别显著，对耕作不利。蒙脱石在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广。特点：又称2:1型非膨胀性矿物或伊利组矿物。水化云母组（Hydrousmicagroup）（1）2:1型晶层结构

分子式为K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O，伊利石是其主要代表。（2）非膨胀性

在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，连接力很强，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。特点：水化云母组（Hydrousmicagroup）2:1Clay硅片铝片硅片KKKKK伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。（3）电荷数量较大

同晶替代较普遍，主要发生在硅片中，但部分电荷被K+所中和，阳离子交换量介于高岭石和蒙脱石之间，为20～40cmol(+)/Kg。（4）胶体特性一般

总表面积为70～120×103m2/kg，其可塑性、黏结性、黏着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。特点：绿泥石组矿物（Chloritegroup）（1）2:1:1型晶层结构

晶层由滑石和水镁片或水铝片相间重叠而成。绿泥石的分子式为(Mg·Fe·Al)12(SiAl)8O20(OH)16。绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐黏土矿物。特点：2：1镁片或铝片硅片镁片硅片土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。（2）同晶替代较普遍

元素组成变化较大，硅片、铝片和镁片中都存在程度不同的同晶替代,阳离子交换量为10～40cmol(+)/kg。（3）颗粒较小总面积为70～150×103m2/kg，其可塑性、黏结性、黏着性和吸湿性居中。特点：硅酸盐黏土矿物的种类及特性高岭石组蒙脱石组水化云母组绿泥石组构造类型1：12：12：12：1：1键合力氢键分子键离子键静电、氢键胀缩性胀缩性弱胀缩性强胀缩性弱胀缩性较强晶层间距（nm）0.720.96—2.141.01.4同晶置换少多较多较多阳离子交换量cmol（+）/kg土3～1580～15020～4010～40颗粒表面m2/kg10×103700×103100×103100×103分布南方酸土温带草原干旱土壤沉积物、冲积物形成的土壤原生矿物次生矿物矿物组成（来源）黏土矿物为主结晶层状硅酸盐为主重点学习构造特征基本结构单位单位晶片单位晶层1.基本结构单位硅氧四面体铝氧八面体2.单位晶片Share

1oxygen四面体片（硅片）Share

2oxygens八面体片（铝片）3.单位晶层1:1型单位晶层硅片（四面体片）铝片（八面体片）铝片硅片硅片2:1型单位晶层2：1镁片或铝片硅片铝片硅片2:1:1型单位晶层硅酸盐黏土矿物的种类及特性高岭石组蒙脱石组水化云母组绿泥石组构造类型1：12：12：12：1：1键合力氢键分子键离子键静电、氢键胀缩性胀缩性弱胀缩性强胀缩性弱胀缩性较强晶层间距（nm）0.720.96—2.141.01.4同晶置换少多较多较多阳离子交换量cmol（+）/kg土3～1580～15020～4010～40颗粒表面m2/kg10×103700×103100×103100×103分布南方酸土温带草原干旱土壤沉积物、冲积物形成的土壤决定硅酸盐黏土矿物性质的主要因素？硅片与铝片的比例层面物质（O、OH；氢键、分子健）层间物质（水、水镁片或水铝片、k+、其它阳离子）同晶替代（数量和位置）思考？二、非层状硅酸盐黏土矿物电荷产生：矿物表面通过质子化和表面羟基的

质子离解。

土壤黏土矿物中，除层状硅酸外，还含有一类结构简单，水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石。存在状态：结晶质和非晶质质子离解质子化作用+H++H+—H+—H+中性负电正电-+---OMOHMOHM2non-silicateclayminerals

针铁矿（α-FeOOH）：黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存在。

赤铁矿（α-Fe2O3）：红色，呈六角板状。少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在较多。（一）氧化铁赤铁矿、针铁矿、纤铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿。土壤中常见的氧化铁矿物是针铁矿和赤铁矿。存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面。（二）氧化铝主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标大致在北纬30以南地区的土壤中才出现土壤中各种形态的铁、铝可按离子态、无定形态、晶态相互转化。

在土壤中起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物，它可以吸附阴离子，如土壤中对磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。三水铝石［Al(OH)3］（三）水铝英石水铝英石（xAl2O3·ySiO2·nH2O）由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在1～2之间变化具有较高的阳离子交换量，为10～15cmol(+)/kg。具有较大的表面积，一般为70～300×103m2/kg。存在于温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中。高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤也常存在水铝英石。（四）氧化硅结晶态氧化硅：主要是－石英非晶质的氧化硅：蛋白石（SiO2·nH2O）蛋白石经进一步脱水结晶后可变为玉髓、石英、方英石和磷石英；蛋白石呈致密状或钟乳状，纯的蛋白石无色，但因混入不同杂质呈红、黄、褐、绿等各种颜色；蛋白石广泛分布于火山灰来源的土壤中；土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关，蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指标矿物。石英SiO2制作光学玻璃、水晶玻璃的石英粉原料纯度要求达到99.999％。含有锰离子的石英－紫水晶

含有机质的石英－烟水晶

含铁锰的石英－芙蓉石第三节我国土壤黏土矿物分布规律1.气候因素

干燥气候条件下的土壤中含有相当数量的伊利石和蒙脱石；

湿热气候条件下的土壤中含有大量的高岭石和氧化物类黏土矿物。一、风化和成土作用与黏土矿物组成的关系影响黏土矿物形成的因素：

pH值和离子组成：

偏碱的条件下，若溶液中有丰富的盐基离子，特别是有较多Mg2+存在时，则有利于蒙脱组黏土矿物的形成。如果盐基离子K+特别丰富，则形成的黏土矿物可能以伊利石为主。在酸性条件下，如盐基离子很少，形成的黏土矿物主要为高岭石类矿物。2.生物因素河流冲积物富含水云母湖积物和淤积物富蒙脱石和水云母片岩和千枚岩的风化物富水云母和绿泥石含黑云母丰富的矿物风化时容易产生蛭石或黑云母、蛭石夹层矿物3.母质因素表土层土壤黏土矿物的组成，具有明显的地带性特性，大体上和土壤类型的地带性一致。影响水热条件重新分配，从而影响母质的物理风化和化学风化强度；控制着风化产物的移动沉积，影响土壤中黏土矿物的演变和组合。如：洼地黏土矿物多，而坡地上黏土矿物少。4.地形因素温带干旱漠境和半漠境地带：水云母为主，蒙脱石很少；半干旱草原地带：蒙