[农学]土壤学第二章 33页

第二章土壤矿物质土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成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2-1地壳和土壤的平均化学组成（重量%）一、元素组成土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n1.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88.7%以上；3.植物必需营养元素含量低，分布不平衡。二、矿物组成表2—2土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(一)原生矿物1.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、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；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；黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n（二）次生矿物原生矿物分解转化形成的矿物。以粘土矿物为主，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。3.原生矿物是植物养分的重要来源。Ca、Mg、K、P、S等土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n第二节粘土矿物一、层状硅酸盐粘土矿物(一)构造特征1.基本结构单位(1)硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-）硅氧四面体　　　　　　　硅氧四面体的构造图示法土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n硅氧四面体铝氧八面体土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(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2.单位晶片硅氧四面体硅层铝氧八面体铝层土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n硅片（硅氧片）图示法铝片（水铝片）图示法土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n3.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)晶体结构示意图土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n（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）晶体结构示意图土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n（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）结构示意图土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n4.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。(二)硅酸盐矿物的种类1.高岭(石)组　　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土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\nSiO2/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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(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2.蒙脱石组　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土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n3.水化云母(伊利石)组（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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(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。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（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土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n(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多来自母质，沉积岩和沉积物中较多土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n二、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土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n1.氧化铁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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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）土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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2.氧化铝硅酸盐矿物彻底分解产物土壤中常见：三水铝石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]粘土矿物：湿热强度风化——脱硅富铝化的指标之一土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n3.氧化硅（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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n4.水铝英石非晶质硅酸盐矿物，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。三、粘土矿物的形成和分布规律1.粘土矿物形成途径风化和成土过程中形成的次生矿物,两种形成途径。（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—→三水铝石土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n（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土壤正常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）—————→结晶质土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n2.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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n3.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）土壤风化程度最高土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系\n复习思考题一、名词解释1.同晶替代2.硅铝铁率3.硅铝率二、思考题1.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。土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系