1、土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系第二章第二章 土壤矿物质土壤矿物质土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系主要内容主要内容 教学目标教学目标与要求与要求1.1.土壤的矿物组成和化学组成；土壤的矿物组成和化学组成；2.2.层状硅酸盐矿物的特征和种类；层状硅酸盐矿物的特征和种类；3.3.土壤中的氧化物；土壤中的氧化物；4.4.粘土矿物的形成和分布规律。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；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；掌握层状硅酸盐矿物的结构特征；3.掌握土壤中常
2、见的硅酸盐矿物；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。了解我国土壤粘土矿物的分布规律。第一节第一节 土壤矿物质的土壤矿物质的矿物组成和化学组成矿物组成和化学组成元素元素地地壳中壳中土壤中土壤中元素元素地地壳中壳中土壤中土壤中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表表
3、2-1地壳和土壤的平均化学组成（重量地壳和土壤的平均化学组成（重量%）一、元素组成一、元素组成土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系 1. 几乎包括元素周期表中所有元素；几乎包括元素周期表中所有元素； 2. O、Si、Al、Fe为主，四者共占为主，四者共占88.7%以上；以上； 3. 植物必需营养元素含量低，分布不平衡。植物必需营养元素含量低，分布不平衡。 二、矿物组成二、矿物组成表表22(一一)原生矿物原生矿物1. 原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主；原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主； 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。常见石英、以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。
4、常见石英、长石、云母、辉石、角闪石等。长石、云母、辉石、角闪石等。2. 原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性；原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性； 石英最稳定，是粗土粒的主要成分；石英最稳定，是粗土粒的主要成分； 白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多； 黑云母、角闪石、辉石等黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物暗色矿物易风化。易风化。土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系 （二）次生矿物（二）次生矿物原生矿物分解转化形成的矿物。原生矿物分解转化形成的矿物。以以粘土矿物粘土矿物为主，又以为主，又以结晶层状硅酸盐矿物结晶层状硅酸盐
5、矿物为主；为主；此外有此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物的氧化物及其水合物 。3. 原生矿物是植物养分的重要来源原生矿物是植物养分的重要来源 。Ca、Mg、K、P、S等等 第二节第二节 粘土矿物粘土矿物 一、层状硅酸盐粘土矿物一、层状硅酸盐粘土矿物 (一一)构造特征构造特征 1. 基本结构单位基本结构单位 (1)硅氧四面体（硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系硅氧四面体硅氧四面体铝氧八面体铝氧八面体(2)铝氧八面体铝氧八面体(A
6、lO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- )铝氧八面体铝氧八面体的构造图示法铝氧八面体铝氧八面体的构造图示法 2. 单位晶片单位晶片 硅氧四面体硅氧四面体 硅层硅层 铝氧八面体铝氧八面体 铝层铝层硅片（硅氧片）图示法硅片（硅氧片）图示法铝片（水铝片）图示法铝片（水铝片）图示法 3. 单位晶层单位晶层 （1）1:1型型 一层硅层与一层铝层重叠而成一层硅层与一层铝层重叠而成 1:11:1型层状硅酸盐型层状硅酸盐( (高岭石高岭石) )晶体结构示意图晶体结构示意图 （2）2:1型型 两层硅层中间夹一铝层两层硅层中间夹一铝层2:12:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图型层状硅酸盐（蒙脱
7、石）晶体结构示意图 （3）2:1 :1型型 2:1型基础上增加一铝层型基础上增加一铝层(或镁层或镁层)2:1:12:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图 4. 同晶替代同晶替代 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其它离子所代替而矿物晶格构造晶格构造保持不变的现象。保持不变的现象。 发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷。发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷。 (二二)硅酸盐矿物的种类硅酸盐矿物的种类 1. 高岭高岭(石石)组包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。组包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。
8、 特点：特点：(1) 1:1型型 单位晶胞（层）化学式：单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅铝铁率：土壤粘粒部分的硅铝铁率：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。硅铝率：土壤粘粒部分硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和和Al2O3的分子比。的分子比。硅铁率：土壤粘粒部分硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和和Fe2O3的分子比。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。硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力
9、。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 例：某土壤粘粒部分例：某土壤粘粒部分SiO2含量为含量为41.89%，Al2O3含量含量33.27%，Fe2O3含量含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅，计算其硅铝铁率、硅铁率。铁率。 (2) 膨胀性小膨胀性小 晶层间距约晶层间距约0.72nm, ,硅片和铝片之间存在氢键硅片和铝片之间存在氢键 (3) 电荷数量少电荷数量少 同晶替代
10、极少同晶替代极少 (4) 颗粒较大颗粒较大（有效直径（有效直径0.22m），）， 可塑性、可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱粘结性、吸湿性、粘着性弱 2. 蒙脱石组包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。蒙脱石组包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。特点：特点：(1) 2:1型型单位晶胞的理论化学式：单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O蒙脱石理论硅铝率蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系(2) 膨胀性大膨胀性大晶层以分子引力联结，晶层间距：晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石蒙脱石0.962.14nm 蛭石蛭
11、石0.961.45nm (3) 电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍(4) 颗粒较细，呈片状颗粒较细，呈片状可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利。作不利。 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在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。风化不太强而排水良好的土壤中。 3. 水化云母水化云母(伊利石伊利石)组（又称组（又称2 :1型非膨胀性矿物）型非膨胀性矿物） 特点：特点：(1) 2 :1型单位晶胞化学式：型单位晶胞化学式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/
12、Al2O3：34 (2) 非膨胀性非膨胀性 晶层之间吸附的晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距的强吸附力，层间距1.0nm。 (3) 电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石。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。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。伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中。四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主。四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主。 4. 绿泥石组
13、（绿泥石组（以绿泥石为代表，富含镁、铁以绿泥石为代表，富含镁、铁） 特点：特点：(1) 2:1:1型型三八面体，化学式为三八面体，化学式为(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代代Si4+、铝片中、铝片中Mg2+代代Al3+产生负电荷，水镁产生负电荷，水镁片中片中Al3+ 代代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。荷，介于伊利石与高岭石之间。 (3) 颗粒较小颗粒较小可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中可
14、塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中 土壤中绿泥石多来自母质，沉积岩和沉积物中土壤中绿泥石多来自母质，沉积岩和沉积物中较多较多 土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系 二、非硅酸盐粘土矿物二、非硅酸盐粘土矿物 铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石。水铝英石。 结晶质和非晶质。结晶质和非晶质。可变电荷：可变电荷：表面羟基的质子化或离解，因介质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）。而异，可正可负（两性胶体）。 低低pH M-OH + H+M-OH2+（水合基）（水合基） 高高pH M-OH + O
15、H-M-O- + H2O 1. 氧化铁氧化铁 土壤主要矿质染色剂土壤主要矿质染色剂 （1）氧化铁的类型）氧化铁的类型 针铁矿针铁矿(-FeOOH)： 晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润晶体较大者为黄色，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。土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核。 赤铁矿赤铁矿(-Fe2O3)： 红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。纤铁矿纤铁矿(-FeOOH)： 棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。磁赤铁矿磁赤铁矿(-Fe2O3)： 暗红棕色，存在于高度
16、风化且有机质少的表土。暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土。磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）：）： 棕黑色，多存在于母质中棕黑色，多存在于母质中,有时与磁赤铁矿共存。有时与磁赤铁矿共存。无定形铁（无定形铁（Fe(OH)3）：）： 棕色，胶膜，锈水。棕色，胶膜，锈水。（2 2）氧化铁的形态及转化）氧化铁的形态及转化 非游离铁非游离铁 全铁全铁 （FetFet） 游离铁游离铁 结晶质结晶质 （FedFed） 无定形或活性铁无定形或活性铁 非络合铁非络合铁 （FeoFeo） 络合铁（络合铁（FepFep） 土壤铁的游离度（土壤铁的游离度（% %）= Fed/ Fet = Fed/ Fet 100 1
17、00土壤铁的活化度（土壤铁的活化度（% %）= Feo/ Fed = Feo/ Fed 100 100土壤铁的络合度（土壤铁的络合度（% %）= Fep/ Fed = Fep/ Fed 100 100无定形无定形隐晶质隐晶质晶质晶质 2 2. 氧化铝氧化铝 硅酸盐矿物彻底分解产物硅酸盐矿物彻底分解产物土壤中常见：三水铝石土壤中常见：三水铝石AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O，Al(OH)Al(OH)3 3 粘土矿物：湿热强度风化粘土矿物：湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一脱硅富铝化的指标之一我国北纬我国北纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。中才出现
18、。花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在水铝石存在无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改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变表面性质可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其等阴离子，减低其有效性。有效性。 3. 氧化硅（粘粒）氧化硅（粘粒）（结晶质和非晶质）（结晶质和非晶质）晶质以晶质以石英为主；非晶质为蛋白石石英为主；非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。鳞石英等变体。土壤中部分蛋白石来源于有机体土壤中部分蛋白石来源于有机体,其含量常与其含量常与有机
19、质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。性矿物。4. 水铝英石水铝英石非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物土矿物,Si/Al变化在变化在1-2之间。比表面较大，带较之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH。 三、粘土矿物的形成和分布规律三、粘土矿物的形成和分布规律1. 粘土矿物形成途径粘土矿物形成途径 风化和成土过程中形成的次生矿物风化和成土过程中形成的次生矿物,两种形成途径。两种形成途径。（1）原生矿物风化淋溶直接演变）原生矿物风化淋溶直接演变+H2
20、O，-K -K -Mg -Si -Si云母类云母类伊利石伊利石蛭石蛭石蒙脱石蒙脱石高岭石高岭石三水铝石三水铝石（2）风化沉淀（自然合成）学说）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。原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。SiO2nH2O 土壤正常土壤正常pH条件下带负电荷，酸胶基条件下带负电荷，酸胶基Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 带正电荷，碱胶基带正电荷，碱胶基盐基离子盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液等，决定溶液pH，并参与矿物形成。并参与矿物形成。 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物。正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物。 沉淀沉淀 老化
21、、结晶老化、结晶溶胶溶胶凝胶（非晶质）凝胶（非晶质）结晶质结晶质 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成，可形成2:1型矿物型矿物 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成，可形成1:1型矿物及型矿物及氧化铝矿物氧化铝矿物 风化液风化液pHpH与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、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。负电荷数量和沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。 盐基离子盐基离子Mg2+、K+等直接参与新矿物合成，分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）等别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。矿物。土壤学土壤学资源环境学
22、院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系2. 粘土矿物的形成条件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。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，南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以粘土矿物以1 1:1 1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为为2 2左右，属铁铝土。左右，属铁铝土。 北方温带地区，粘粒矿物为各种北方温带地区，粘粒矿物为各种2:12:1型型( (伊利石、伊利石、蒙脱石等蒙脱石等) )，粘粒硅铝铁率多在，粘粒硅铝铁率多在3 3以上。风化度低，属以上。风化度低，属
23、硅铝土。硅铝土。3. 3. 我国土壤粘土矿物分布规律我国土壤粘土矿物分布规律 全国分为全国分为7 7个分布区。个分布区。 北方以水云母（伊利石）为主的北方以水云母（伊利石）为主的1 1、2 2、3 3区区 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区布区(4(4区区) ) 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5 5区）区） 南方以高岭石为主的南方以高岭石为主的6 6、7 7分布区分布区 西北和青藏高原水云母区（西北和青藏高原水云母区（1 1区），土壤风化程区），土壤风化程度最低度最低 华南高岭区（华南高岭区（7 7区）土壤风化程度最高区）土壤风化程度最高土壤学土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系资源环境学院土地资源与农业化学系复习思考题复习思考题一、名词解释一、名词解释1.同晶替代同晶替代 2. 硅铝铁率硅铝铁率 3. 硅铝率硅铝率二、思考题二、思考题1. 土壤在元素组成和矿物组成上有何特点？土壤在元素组成和矿物组成上有何特点？2. 试述各类硅酸盐矿物的特点。试述各类硅酸盐矿物的特点。
