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1、 第三章第三章 土壤礦物質(zhì)土壤礦物質(zhì)( (Soil mineral ) )第一節(jié)第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的礦物和化學(xué)組成土壤礦物質(zhì)的礦物和化學(xué)組成一、元素組成一、元素組成 表表3-1地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量%） 1、幾乎包括元素周期表中所有元素；、幾乎包括元素周期表中所有元素； 2、O、Si、Al、Fe為主，四者共占為主，四者共占88.7%以上；以上； 3、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。 二、礦物組成二、礦物組成(Mineral components)表表 32 (一一)原生礦物原生礦物(Primal mineral)1
2、、原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主、原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主 以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。 如石英、長石、云母、輝石、如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。角閃石等。2、原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性、原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性 石英最穩(wěn)定，是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒石英最穩(wěn)定，是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒中較多；中較多； 黑云母、角閃石、輝石等黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物暗色礦物易風(fēng)化。易風(fēng)化。3、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源 Ca、Mg、K、P、S等等 （二）次生
3、礦物（二）次生礦物(secondary mineral)原生礦物分解轉(zhuǎn)化形成的礦物。原生礦物分解轉(zhuǎn)化形成的礦物。 以以粘土礦物粘土礦物為主，又以為主，又以結(jié)晶層狀硅酸鹽礦物結(jié)晶層狀硅酸鹽礦物為主；此外有為主；此外有Si、Al、Fe的的氧化物及其水合物氧化物及其水合物 。硅氧四面體硅氧四面體的構(gòu)造圖示法硅氧四面體硅氧四面體的構(gòu)造圖示法 第二節(jié)第二節(jié) 粘土礦物粘土礦物( (Clay mineral)Clay mineral)一、層狀硅酸鹽粘土礦物一、層狀硅酸鹽粘土礦物(一一)構(gòu)造特征構(gòu)造特征1、基本結(jié)構(gòu)單位、基本結(jié)構(gòu)單位(1)硅氧四面體（硅氧四面體（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）(
4、2)鋁氧八面體鋁氧八面體(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- ) 鋁氧八面體鋁氧八面體 鋁氧八面體的構(gòu)造圖示法鋁氧八面體的構(gòu)造圖示法2、單位晶片、單位晶片硅氧四面體硅氧四面體 硅層硅層鋁氧八面體鋁氧八面體 鋁層鋁層硅片（硅氧片）圖示法硅片（硅氧片）圖示法鋁片（水鋁片）圖示法鋁片（水鋁片）圖示法3、單位晶層、單位晶層（1）1:1型型 一層硅層與一層鋁層重疊而成一層硅層與一層鋁層重疊而成 1:11:1型層狀硅酸鹽型層狀硅酸鹽( (高嶺石高嶺石) )晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)示意圖 （2）2:1型型 兩層硅層中間夾一鋁層兩層硅層中間夾一鋁層2:12:1型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)示
5、意圖型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)示意圖 （3）2:1 :1型型 2:1型基礎(chǔ)上增加一鋁層型基礎(chǔ)上增加一鋁層(或鎂層或鎂層)2:1:12:1:1型層狀硅酸鹽（綠泥石）結(jié)構(gòu)示意圖型層狀硅酸鹽（綠泥石）結(jié)構(gòu)示意圖 4、同晶替代、同晶替代 指硅酸鹽礦物的中心離子被電性相同、大小相近的其它離子所代替指硅酸鹽礦物的中心離子被電性相同、大小相近的其它離子所代替而礦物晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。而礦物晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。 發(fā)生同晶替代后，硅酸鹽礦物產(chǎn)生負(fù)電荷發(fā)生同晶替代后，硅酸鹽礦物產(chǎn)生負(fù)電荷 (二二) 硅酸鹽礦物的種類硅酸鹽礦物的種類 1、高嶺、高嶺(石石)組組(Kaolinite ) 包括高嶺石、埃洛石
6、、珍珠陶土等包括高嶺石、埃洛石、珍珠陶土等 特點：特點： (1) 1:1型型 單位晶胞（層）化學(xué)式：單位晶胞（層）化學(xué)式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅鋁鐵率：硅鋁鐵率：土壤粘粒部分的土壤粘粒部分的SiO2和和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比）含量的分子比 硅鋁率：硅鋁率：土壤粘粒部分土壤粘粒部分SiO2和和Al2O3的分子比的分子比 硅鐵率：硅鐵率：土壤粘粒部分土壤粘粒部分SiO2和和Fe2O3的分子比的分子比 例：例：某土壤粘粒部分某土壤粘粒部分SiO2含量為含量為41.89%，Al2O3含量含量33.27%，F(xiàn)e2O3含量含量11.85%
7、，計算其硅鋁鐵率、硅鐵率。，計算其硅鋁鐵率、硅鐵率。解：解： 41.89 33.27 SiO2的分子含量的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+0.074 硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學(xué)風(fēng)化程度硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學(xué)風(fēng)化程度 硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程和保肥能力硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程和保肥能力 (2) 膨脹性小膨脹性小 晶層間距約晶層間距約0.72nm, ,硅片和鋁片之間存在氫鍵硅片和鋁片之間存在氫鍵 (3) 電
8、荷數(shù)量少電荷數(shù)量少 同晶替代極少同晶替代極少 (4) 顆粒較大顆粒較大（有效直徑（有效直徑0.22m） 可塑性、粘結(jié)性、吸可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性弱濕性、粘著性弱 2、蒙脫石組、蒙脫石組(Montmorillonite) 包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等 特點：特點： (1) 2:1型型 單位晶胞的理論化學(xué)式：單位晶胞的理論化學(xué)式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脫石理論硅鋁率蒙脫石理論硅鋁率SiO2/Al2O3=8/2=4 (2) 膨脹性大膨脹性大 晶層以分子引力聯(lián)結(jié)，晶層間距：晶層以分子引力聯(lián)結(jié)，晶層間距： 蒙脫石蒙脫石0.962.14nm 蛭石蛭石0.9
9、61.45nm (3) 電荷數(shù)量大電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍同晶替代現(xiàn)象普遍 (4) 顆粒較細(xì)，呈片狀顆粒較細(xì)，呈片狀 可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性顯著，對耕作不利可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性顯著，對耕作不利 蒙脫石在我國北方土壤分布較廣，蛭石分布在風(fēng)化不太強蒙脫石在我國北方土壤分布較廣，蛭石分布在風(fēng)化不太強而排水良好的土壤中而排水良好的土壤中 3、水化云母、水化云母(伊利石伊利石)組組(Hydromica)（又稱（又稱2 :1型非型非膨脹性礦物）膨脹性礦物） 特點：特點： (1) 2 :1型型 單位晶胞化學(xué)式：單位晶胞化學(xué)式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2
10、O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨脹性非膨脹性 晶層之間吸附的晶層之間吸附的K+的強吸附力，的強吸附力，層間距層間距1.0nm (3) 電荷數(shù)量大電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍，同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間K+中和，有效電荷量少于蒙脫石中和，有效電荷量少于蒙脫石 (4) 可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。 伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)土壤中伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)土壤中 四川盆地紫色土和河流沖積土一般以伊利石為主四川盆地紫色土和河流沖積土一般以伊利石為主 4、綠泥石組
11、、綠泥石組(Chlorite) （以綠泥石為代表，富含鎂、鐵以綠泥石為代表，富含鎂、鐵） 特點：特點： (1) 2:1:1型型三八面體，化學(xué)式為三八面體，化學(xué)式為MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代現(xiàn)象普遍同晶替代現(xiàn)象普遍硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代代Si4+、鋁片中、鋁片中Mg2+代代Al3+產(chǎn)生負(fù)電荷，水鎂片中產(chǎn)生負(fù)電荷，水鎂片中Al3+ 代代Mg2+產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負(fù)電荷，產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負(fù)電荷，介于伊利石與高嶺石之間介于伊利石與高嶺石之間 (3) 顆粒較小顆粒較小 可塑性、粘結(jié)性、吸
12、濕性、粘著性居中可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性居中土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，沉積巖和沉積物中較多土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，沉積巖和沉積物中較多 二、非硅酸鹽粘土礦物二、非硅酸鹽粘土礦物 鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物、水鋁英石鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物、水鋁英石 結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì) 可變電荷，表面羥基的質(zhì)子化或離解，因介質(zhì)可變電荷，表面羥基的質(zhì)子化或離解，因介質(zhì)pH而異，而異， 可正可負(fù)（兩性膠體）可正可負(fù)（兩性膠體） 低低pH M-OH + H+M-OH2+（水合基）（水合基） 高高pH M-OH + OH-M-O- + H2O 1、氧化鐵、氧化鐵(Iron
13、 oxide) 土壤主要礦質(zhì)染色劑土壤主要礦質(zhì)染色劑（1）氧化鐵的類型）氧化鐵的類型 針鐵礦針鐵礦(-FeOOH) 晶體較大者為黃色，較小者為晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核 赤鐵礦赤鐵礦(-Fe2O3) 紅色，存在于干燥的氧化性表土層紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜及膠膜 纖鐵礦纖鐵礦(-FeOOH) 棕橙色，存在于排水不良而富含棕橙色，存在于排水不良而富含有機質(zhì)土壤有機質(zhì)土壤 磁赤鐵礦磁赤鐵礦(-Fe2O3) 暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有機質(zhì)少的表土
14、機質(zhì)少的表土 磁鐵礦（磁鐵礦（Fe3O4） 棕黑色，多存在于母質(zhì)中棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時與有時與磁赤鐵礦共存磁赤鐵礦共存 無定形鐵（無定形鐵（Fe(OH)3） 棕色，膠膜，銹水棕色，膠膜，銹水 （2 2）氧化鐵的形態(tài)及轉(zhuǎn)化）氧化鐵的形態(tài)及轉(zhuǎn)化 非游離鐵非游離鐵 全鐵全鐵（FetFet） 游離鐵游離鐵 結(jié)晶質(zhì)結(jié)晶質(zhì) （FedFed） 無定形或活性鐵無定形或活性鐵 非絡(luò)合鐵非絡(luò)合鐵 （FeoFeo） 絡(luò)合鐵（絡(luò)合鐵（FepFep） 土壤鐵的游離度（土壤鐵的游離度（% %）= Fed/ Fet= Fed/ Fet 100 100土壤鐵的活化度（土壤鐵的活化度（% %）= Feo= Feo/ F
15、ed / Fed 100 100土壤鐵的絡(luò)合度（土壤鐵的絡(luò)合度（% %）= Fep= Fep/ Fed / Fed 100 100無定形無定形隱晶質(zhì)隱晶質(zhì)晶質(zhì)晶質(zhì) 2 2、氧化鋁、氧化鋁(Aluminium oxide) 硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O，Al(OH)Al(OH)3 3 和和粘土礦物粘土礦物 濕熱強度風(fēng)化濕熱強度風(fēng)化脫硅富鋁化的指標(biāo)之一脫硅富鋁化的指標(biāo)之一 我國北緯我國北緯3030度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)。度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)。 花崗巖風(fēng)化土壤中較多。山地土
16、壤中也有三水鋁石存在花崗巖風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中也有三水鋁石存在 無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固可吸附固定定H H2 2POPO4 4- -等陰離子，減低其有效性等陰離子，減低其有效性 3、氧化硅、氧化硅(Silicon oxide)（粘粒）（粘粒）（結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)）（結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)）晶質(zhì)以晶質(zhì)以石英為主石英為主 非晶質(zhì)為蛋白石非晶質(zhì)為蛋白石(SiO2nH2O)，脫水結(jié)晶為玉髓、石英、方石英、，脫水結(jié)晶為玉髓、石英、方石英、鱗石英等變體。鱗石英等變體。土壤中部分蛋白石來源于有機體，其含量常與有機質(zhì)含土壤中部分蛋白石來
17、源于有機體，其含量常與有機質(zhì)含量有關(guān)?？勺鳛楣磐寥缆癫乇韺拥闹甘拘缘V物。量有關(guān)?？勺鳛楣磐寥缆癫乇韺拥闹甘拘缘V物。 4、水鋁英石、水鋁英石(Allophane) 非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物,Si/Al變化在變化在1-2之之間。比表面較大，帶較多負(fù)電荷，數(shù)量決定于水化程度和溶液間。比表面較大，帶較多負(fù)電荷，數(shù)量決定于水化程度和溶液pH 三、粘土礦物的形成和分布規(guī)律三、粘土礦物的形成和分布規(guī)律 1、粘土礦物形成途徑、粘土礦物形成途徑 粘土礦物：粘土礦物：風(fēng)化和成土過程中形成的次生礦物風(fēng)化和成土過程中形成的次生礦物 （1）原生礦物風(fēng)化淋溶直接
18、演變）原生礦物風(fēng)化淋溶直接演變 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si云母類云母類 伊利石伊利石 蛭石蛭石 蒙脫石蒙脫石 高嶺石高嶺石 三水鋁石三水鋁石 （2）風(fēng)化沉淀（自然合成）學(xué)說）風(fēng)化沉淀（自然合成）學(xué)說 原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。 SiO2nH2O 土壤土壤pH條件下帶負(fù)電荷，酸膠基條件下帶負(fù)電荷，酸膠基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 帶正電荷，堿膠基帶正電荷，堿膠基 鹽基離子鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，決定溶液等，決定溶液pH，并參與礦物形成，并參與礦物形成 正負(fù)電荷膠體相互中和沉淀組成新礦物正負(fù)電荷
19、膠體相互中和沉淀組成新礦物 沉淀沉淀 老化、結(jié)晶老化、結(jié)晶溶膠溶膠 凝膠（非晶質(zhì)）凝膠（非晶質(zhì)） 結(jié)晶質(zhì)結(jié)晶質(zhì) 當(dāng)溶膠當(dāng)溶膠SiO2/Al2O33，可形成，可形成2:1型礦物型礦物 當(dāng)溶膠當(dāng)溶膠SiO2/Al2O33，可形成，可形成1:1型礦物及氧化鋁礦物型礦物及氧化鋁礦物 風(fēng)化液風(fēng)化液pHpH與鹽基淋溶有關(guān)，并影響膠體的正、負(fù)電荷數(shù)量和沉與鹽基淋溶有關(guān)，并影響膠體的正、負(fù)電荷數(shù)量和沉淀凝膠中正負(fù)電荷膠體的比例。淀凝膠中正負(fù)電荷膠體的比例。鹽基離子鹽基離子MgMg2+2+、K K+ +等直接參與新礦物合成，分別形成富鉀（伊利等直接參與新礦物合成，分別形成富鉀（伊利石）、富鎂（蛭石、綠泥石）等礦
20、物。石）、富鎂（蛭石、綠泥石）等礦物。2、粘土礦物的形成條件、粘土礦物的形成條件 粘土礦物形成與氣候等成土條件密切相關(guān)粘土礦物形成與氣候等成土條件密切相關(guān) 南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風(fēng)化程度高，粘土礦物以南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風(fēng)化程度高，粘土礦物以1 1:1 1型為型為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率為2 2左右，屬鐵鋁土左右，屬鐵鋁土 北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物為各種北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物為各種2:12:1型型( (伊利石、蒙脫石等伊利石、蒙脫石等) )，粘粒硅，粘粒硅鋁鐵率多在鋁鐵率多在3 3以上。風(fēng)化度低，屬硅鋁土以上。風(fēng)化度低，屬硅鋁土 3 3、我
21、國土壤粘土礦物分布規(guī)律我國土壤粘土礦物分布規(guī)律 全國分為全國分為7 7個分布區(qū)個分布區(qū) 北方以水云母（伊利石）為主的北方以水云母（伊利石）為主的1 1、2 2、3 3區(qū)區(qū) 秦嶺、長江中下游水云母、蛭石、高嶺石交錯分布區(qū)秦嶺、長江中下游水云母、蛭石、高嶺石交錯分布區(qū)(4(4區(qū)區(qū)) ) 南方西部蛭石和高嶺石為主的分布區(qū)（南方西部蛭石和高嶺石為主的分布區(qū)（5 5區(qū)）區(qū)） 南方以高嶺石為主的南方以高嶺石為主的6 6、7 7分布區(qū)分布區(qū) 西北和青藏高原水云母區(qū)西北和青藏高原水云母區(qū)(1(1區(qū)區(qū)) )，土壤風(fēng)化程度最低，土壤風(fēng)化程度最低 華南高嶺區(qū)（華南高嶺區(qū)（7 7區(qū)）土壤風(fēng)化程度最高區(qū)）土壤風(fēng)化程度最高
土壤學(xué)：第三章土壤礦物質(zhì)(Soil mineral )
