土壤学第二章土壤矿物质

土壤学资源环境学院土地资源与农业化学系,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,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。,第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成,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,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。二、矿物组成,表22,(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,（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,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,硅氧四面体,铝氧八面体,(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,硅片（硅氧片）图示法,铝片（水铝片）图示法,3.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,（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,（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,4.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,SiO2/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。,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0.0741.75160R2O30.326+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。,(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0.22m），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)4nH2O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,(2)膨胀性大,晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石0.962.14nm蛭石0.961.45nm(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。,3.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(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2OSiO2/Al2O3：34,(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)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(MgFeAl)12(SiAl)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,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,1.氧化铁土壤主要矿质染色剂（1）氧化铁的类型针铁矿(-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(-Fe2O3)：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。,纤铁矿(-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。,磁赤铁矿(-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）,土壤铁的游离度（%）=Fed/Fet100土壤铁的活化度（%）=Feo/Fed100土壤铁的络合度（%）=Fep/Fed100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Al2O33H2O，Al(OH)3粘土矿物：湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一,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。,3.氧化硅（粘粒）（结晶质和非晶质）晶质以石英为主；非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，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。,4.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,（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。,SiO2nH2O土壤正常pH条件下带负电荷，酸胶基,Al2O3nH2O，Fe2O3nH2O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/Al2O33，可形成2:1型矿物当溶胶SiO2/Al2O33，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,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。,3.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