土壤学第2章土壤矿物质

第二章土壤矿物质,土壤中的矿物质占固体部分的95%以上，是土壤的骨胳，对土壤的理化性质有重要影响。,土壤的元素组成（%）：,土壤与地壳元素组成相似；均以铝硅酸盐为主。成土过程中，C、N积聚明显。,分布规律,（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多的二种元素铁、铝次之，四者相加共占88.7的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐最多。,（2）在地壳中，植物生长必需要的营养元素含量很低而且分布很不平衡。,（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。,第一节岩石的风化和土壤形成,一、矿物、岩石的概念,原生矿物原来存在于岩浆岩中的矿物；在风化过程中没有改变化学组成的原始成岩矿物，如石英、长石、云母等。次生矿物在风化过程中新形成的矿物。如高岭石，蒙脱石、氧化铝等。,矿物：天然产生于地壳中的单质和化合物，是组成岩石的基本单位。,岩浆岩：如花岗岩，玄武岩；沉积岩：如砂岩，石灰岩；变质岩：如大理岩，石英岩,岩石：一种或数种矿物的集合体。,成因,岩浆岩：玄武岩,沉积岩,变质岩,二、风化的概念,岩石、矿物在外界因素作用下，逐渐崩解破裂，发生各种物理变化和化学变化的过程。,定义,原因,内因，暴露于地表的不稳定性,外因，主要是水、温度、氧气、二氧化碳，生物。,气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图a、b、c、d表示风化过程,由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙,风蚀残土墩,风蚀根露,风蚀留砾,魔鬼城,图植物根的机械破坏作用,三、风化物类型和特点,成土母质：矿物岩石经各种风化作用后形成的疏松多孔体（与岩石矿物及土壤的差别）成土母质初步具备了提供养分、对水分的通透性和吸持保蓄性、对气热的调节能力母质类型岩石矿物风化形成的母质，有的就地堆积，但大多数是在重力、水流、风力、冰川等外力的作用下搬运到其他地方，形成各种沉积物，有的甚至经过多次搬运沉积。按风化物搬运动力与沉积特点的不同，可将成土母质分为以下8种类型：,河流沉积二元结构，延庆盆地,风积体：流动沙地沙波纹（毛乌素）,母质土壤成土过程低等植物(地衣,藻类)；物质的生物小循环；有机质的合成、分解和再加工,养分富集，固N，保水，保肥；层次性高等植物。,四、土壤的形成和土壤剖面的发展,土壤形成过程,它是由母质、气候、地形、生物、年龄五大成土因素推动下长期相互作用形成的历史自然体,土壤剖面指土壤自上而下的垂直切面。肥力形成（内在特征）；剖面发育（形态特征）。土壤剖面常常可以分成A，B，C三层。,土壤形成过程中的剖面发育,自然土壤剖面示意,耕作土壤剖面示意,潮土,粗骨土,土壤矿物质固体部分由大小不等、形状不同、组成各异的土粒组成，其大小由直径几毫米到1纳米，其性质也相差悬殊。,一、土粒分级制,我国常用的土粒分级标准有国际制和卡庆斯基制，都把土粒分为：石砾，砂粒，粉粒（粉砂），粘粒四级。,国际制：特点是十进位，分级少而易记，人为因素较突出。卡庆斯基制：有粗分和细分两种，先粗分成石砾（1-3mm），物理性砂粒（1-0.01mm），物理性粉粒(45%时，“粉质”；当砂粒含量在55%-85%时，“砂质”，当砂粒含量85%时，则称壤砂土或砂土,国际制土壤质地分类,依据物理性粘粒(0.01mm)和物理性砂粒（1-0.01mm）的相对含量来划分，共3类9种质地，同时照顾了土壤类型的差别。浙江省土壤大致可按其草原土壤、红壤、黄壤类来划分：,2）卡庆斯基制质地分类（58年简制）,黏性土,壤性土,砂性土,第四节土壤质地与肥力的关系,一、土壤质地与肥力,理化性质,通气、透气、保水、保肥、供肥、保温、导温和耕性等,注意土壤质地的层次性,土壤质地,以砂质土和粘质土作比较，壤质土介于二者之间，是较好的土壤质地。,作物土宜：适宜于作物种植的土壤条件。,砂土：生育期短（蔬菜等），根茎类作物；耐旱、耐贫瘠作物（芝麻，高梁等）；粘质壤土至粘土：需肥较多或生长期较长的谷类作物,二、不同土壤质地土壤的利用与改良,过砂过粘土壤的改良,客土法：这种搬运别的土壤（客土）的方法称为客土法。一般使粘砂比例在3：7或4：6为好引洪漫淤法：即通过有目的把洪水有控制地引入农田，使细泥沉积于砂质土壤中，就可以达到改良质地和增厚土层的目的。一年洪三年肥改良土壤结构，大量施用有机肥：最有效最简便的方法。土壤有机质的粘结力比砂粒强，而比粘粒弱，增加有机质，对砂质土壤来说，可使土粒比较容易粘结成小土团，从而改变了它原来松散无结构的不良状况；对粘质土壤来说，可使粘结的大土块碎裂成大小适中土团。,粘粒矿物的概念组成粘粒的次生矿物叫粘粒矿物。,第五节土壤粘粒矿物,主要包括层状的硅酸盐矿物和氧化物类。前者是晶型矿物，后者有晶型的，也非晶型的。,一、土壤粘粒中的层状硅酸盐,硅酸盐：最重要的造岩矿物，自然界中，占已知矿物种类的1/3，占岩石圈量的80-90%，绝大多数都以硅酸盐为主要矿物成分，由岩石风化成为土壤，土壤亦含大量硅酸盐土壤的骨骼。在硅酸盐中，其结构可以看成是氧离子组成骨架，阳离子填充于氧离子空隙中,阳离子的大小很重要.,岛状环状链状层状架状,1）基本结构单元硅氧四面体（SiO4）4-：硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子所组成。铝氧八面体（AlO6）9-：,层状铝硅酸盐的结构特征,硅四面体与铝八面体的构造图,硅四面体构造图及硅氧片连接方式,2）硅层硅氧四面体在平面上通过共用底层氧而连结成硅层铝层铝氧八面体在平面上连结成铝层。,硅四面体是由四个氧原子和一个硅原子所组成。许多硅四面体可以共用氧原子形成一层。氧原子排列成为中间有空的六角形，称为硅氧片。,铝八面体构造图及铝八面体相互连接方式,铝八面体为6个氧原子围绕一个铝原子而构成。许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧片。,3）晶体结构硅层和铝层迭加，同过共用顶端氧离子，分别生成1：1或2：1型晶层结构,1:1型单位晶层:由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。,2:1型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层。这样2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。,同晶置换,在矿物形成时，晶格中的某离子被别的大小相近、电荷符号相同的离子所取代，而其晶格外型不变的现象。,同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保肥能力。,土壤中同晶替代的规律：,1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤胶体一般其净电荷为阴性。2、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。3、同晶替代现象在2:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。,硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性,类组：高岭组蒙蛭组水化云母组,特点：(1）1:1型的晶层结构,单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8。（2）无膨胀性两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5.高岭石层间距约为0.72nm。（3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15Cmoles(+)Kg-1。（4）胶体特性较弱较粗（0.2-2m），颗粒的总表面积相对较小，为1020103m2kg-1,高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。,高岭组（1:1型矿物）包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等,高岭石的矿物结构,Kaolinite(1:1),特征：（1）2:1型的晶层结构蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。（2）胀缩性大蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭石的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。（3）电荷数量大同晶替代现象普遍。（4）胶体特性突出，较细（有效直径0.01-1m），总表面积为600800103m2kg-1，且80是内表面。蛭石一般为400103m2kg-1。,蒙蛭组（2:1型膨胀性矿物包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广,蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。蒙脱石的理想结构式为：（Al3.34Mg0.66）Si8O20(OH)4X0.66式中X表示补偿异价离子置换引起的电荷亏缺的层间可交换阳离子,蒙托石的矿物结构,Montmorillonite(2:1),特征：（1）2:1型晶层结构伊利石是其主要代表，。分子式为K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O。（2）无膨胀性在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。（3）电荷数量较大2040Cmoles(+)kg-1。（4）胶体特性一般总表面积为70120103m2kg-1，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。,水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,伊利石的结构示意图,illite(2:1),二、非硅酸盐粘土矿物,（一）氧化铁赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁针铁矿（a-FeOOH):黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存赤铁矿（a-）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在较多。存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，或铁盘。,（二）氧化铝,起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。,三水铝石土壤中三水铝石的含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中。,（三）水铝英石,温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中、有些森林覆盖、高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。,水铝石英由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/