「第二节 土壤组成[精制课件]」.ppt

第一节土壤形态第二节土壤组成第三节土壤性质 第一章土壤剖析 1 精制课件 第二节土壤组成 2 精制课件 3 精制课件 一 土壤矿物质 4 精制课件 学习重点 土壤矿物类型及其风化特征土壤矿物质的迁移转化矿物风化程度的量度指标 5 精制课件 一 土壤矿物质组成元素组成地壳和土壤的平均化学组成 重量 1 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 6 精制课件 1 原生矿物土壤原生矿物是指各种岩石受到不同程度的物理风化 而未经化学风化的碎屑物 原来的化学组成和结晶构造未变 原生矿物的种类和含量 随母质的类型 风化强度和成土过程的不同而异 土壤中粉沙粒和砂粒基本都是原生矿物 图1 7 不同原生矿物的相对稳定性与其化学成分密切相关 如下表 7 精制课件 8 精制课件 土壤原生矿物种类主要有 硅酸盐 铝硅酸盐类矿物 氧化物类矿物 硫化物和磷酸盐类矿物 1 硅酸盐 铝硅酸盐类矿物 包括长石 云母 辉石 角闪石和橄榄石等 长石类 钾长石 钠长石和钙长石 是岩石中分布最广的一类硅铝酸盐类矿物 云母类 白云母 黑云母 铝硅酸盐类矿物 易风化 是土壤中K的主要来源 橄榄石 含铁 镁的硅酸盐矿物 镁橄榄石 铁橄榄石及绿橄榄石等 极易风化 辉石 角闪石类 偏硅酸盐类 颜色呈绿色或黑色 是岩浆岩中暗色矿物的组分 普通辉石和角闪石在土壤中常见 Fe Mg和Ca含量高 9 精制课件 2 氧化物类矿物 包括石英 赤铁矿 金红石 蓝晶石 锆石 电气石等 极稳定 不易风化 其中石英是土壤中分布最广的矿物 占地壳的12 6 以砂粒为主 赤铁矿则是热带 亚热带红色土壤的成因 3 硫化物类矿物 黄铁矿和白铁矿 同质异构体 分子式 FeS2 极易风化 土壤中硫的主要来源 4 磷酸盐类矿物 磷灰石以氟磷灰石最为常见 此外还有氯磷灰石羟磷灰石 是土壤中无机磷的重要来源 10 精制课件 原生矿物的主要特征 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 如石英 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 3 原生矿物是植物养分的重要来源Ca Mg K P S等 11 精制课件 2 次生矿物土壤次生矿物是原生矿物风化后重新组成的 其化学组成和构造发生改变 主要包括土壤物质中最细小的部分 粒径小于10微米 呈胶体性质 又称粘土矿物或粘粒矿物 次生矿物有活动的晶格 有强烈的吸附代换性能 土壤固体物质最有影响力的部分 对土壤吸收性膨胀收缩性 粘着性等均有影响 根据组成 构造和性质可分三类 简单盐类 次生氧化物类和次生铝硅酸盐类 12 精制课件 1 简单盐类 包括各种碳酸盐 重碳酸盐 氯化物等 是原生矿物风化的最终产物 结晶构造简单 常见于干旱和半干旱地区的土壤中 2 次生氧化物矿物 1 氧化铁和氢氧化铁类 褐铁矿 2Fe2O3 3H2O 土壤呈棕褐 橘红和红色 赤铁矿 2Fe2O3 温暖地带由氢氧化铁沉淀而成 在有机质丰富的土壤 赤铁矿易还原为针铁矿 磁赤铁矿 Fe2O3 原生磁铁矿氧化或脱水后形成 土壤呈红棕色 热带 亚热带的高度风化土中 针铁矿 2FeOOH 所处酸碱度范围宽 几乎所有土壤中均存在针铁矿 呈黄 棕褐色 纤铁矿 FeOOH 比针铁矿少见 存在温带湿润地区的非石灰性水成土内 特别是氧化 还原交替频繁的层次或有机质含量多的土层尤为常见 呈橙色斑纹 13 精制课件 水铁矿 Fe2O3 nH2O 高铁化合物水解产生的棕色胶体沉淀 多存在于有机质丰富的寒温带土壤中 2 氧化铝矿物 由含铝硅酸盐的风化脱水后形成 包括一水氧化铝和三水氧化铝 前者少见 后者在灰化土 砖红壤 赤红壤和黄壤中普遍存在 氧化铝矿物是含铝矿物强烈淋溶条件下 高度风化的最终产物 较稳定 3 氧化锰矿物 包括一氧化锰和二氧化锰 后者更常见 在土壤表面呈棕 黑色胶膜或结核状存在 4 次生氧化硅 指氧化硅凝胶和蛋白石 SiO2 nH2O 由土壤中氧化硅在酸性介质中聚合呈凝胶 凝胶老化后缩合成蛋白石 蛋白石包含有机 无机杂质 呈彩色 来源于生物的蛋白石可以作为埋藏土层和古地理环境的指示矿物 其中植物蛋白石中的有机碳可用来测定土壤的年龄 14 精制课件 硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法 3 次生铝硅酸盐类a 基本结构单位硅氧四面体 SiO44 Si2O52 Si4O104 15 精制课件 16 精制课件 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 17 精制课件 18 精制课件 硅片 硅氧片 图示法 铝片 水铝片 图示法 b 单位晶片 硅氧四面体 硅层 铝氧八面体 铝层 19 精制课件 c 单位晶格 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 20 精制课件 21 精制课件 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 22 精制课件 23 精制课件 3 2 1 1型 2 2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 24 精制课件 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4 硅酸盐矿物的种类A 高岭 石 组 Kaolinite 包括高岭石 埃洛石等特点 1 1 1型单位晶胞 层 化学式 Al4Si4O10 OH 8SiO2 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 25 精制课件 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 2 m 可塑性 粘结性 吸湿性 粘着性弱 26 精制课件 B 蒙脱石组 Montmorillonite 包括蒙脱石 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 吸收水分的力强 不利于植物吸水 干燥时发生剧烈收缩 对耕作不利蒙脱石在温带干旱地区土壤含量高 蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中 27 精制课件 C 水云母 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 膨胀 收缩和可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间 伊利石广布于一般土壤中 以温带干旱地区的土壤含量最多 28 精制课件 4 绿泥石组 Chlorite 以绿泥石为代表 富含镁 铁 特点 1 2 2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 石灰性土壤中含量高 河流冲积物和变质岩的冰碛物中较多 29 精制课件 二 土壤矿物质的迁移与转化1 粘土矿物的形成过程 1 粘土矿物形成途径粘土矿物 即次生铝硅酸盐类 是风化和成土过程中形成的次生矿物风化过程 物理风化机械崩解 在温度变化 水分冻结 碎石劈裂及风力 流水 冰川的摩擦力等物理因素作用下 岩石矿物的分解过程 矿物本身的化学性质和组成上均未发生变化 在干旱半干旱地区的岩石风化中比较普遍 30 精制课件 化学风化 水的溶解作用Ca3 PO4 2 2H2O 2CO2CaH4 PO4 2 2CaCO3水合作用CaSO4 2H2OCaSO4 2H2O水解作用脱盐基 K2Al2Si6O16 H2CO3KHAl2Si6O16 KHCO3脱硅H2Al2Si6O16 H2CO3H2Al2Si2O8 2H2O 4SiO2 CO2富铝化作用H2Al2Si2O8 2H2O2Al OH 3 2H2SiO3氧化作用FeS2FeSO4Fe2 SO4 3Fe OH 3 31 精制课件 2 矿物分解的阶段 碎屑阶段 物理风化阶段 风化初期 多发生在温度变化剧烈的干燥地区钙淀积阶段 Cl S Na淋溶 Ca Mg K等在土壤或风化壳内聚集 粘土矿物以蒙脱石 云母 方解石为主 主要在森林草原区和荒漠 半荒漠地区 酸性硅铝阶段 风化壳或土壤中淋溶作用下 阳离子减少 相对富集了Si Al和Fe组成的粘土矿物 粘土矿物以高岭石 伊利石为主 湿润气候下形成 包括Ca Mg淋溶前的中性硅铝风化阶段和淋溶后交换性H 和Al 存在的酸性硅铝风化阶段 富铝化阶段 风化最后阶段 铝硅酸盐分解出的硅酸大量淋失 氧化铝和氧化铁富集 粘土矿物以高岭石 水铝石和赤铁矿为主 呈砖红色 32 精制课件 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 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 粘土矿物的来源 33 精制课件 2 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 34 精制课件 3 矿物风化程度的度量指标土壤矿物分解程度越高 化学元素的淋溶迁移作用越强 硅铝比率 摩尔数之比 迁移系数淋溶率 35 精制课件 淋溶率残积风化壳中 淋溶率指数小 淋溶率高 堆积风化壳的指数