土壤矿物质教学课件

第一节土壤生态系统的基本组成,一、土壤矿物质1.1Soilmineralconstituentsandchemicalcompositions土壤矿物质的矿物组成和化学组成1.2Claymineral黏土矿物1.3DistributionofsoilclaymineralsinChina中国土壤黏土矿物分布规律,第二章土壤的基本组成、性质和分类,1.1Soilmineralconstituentsandchemicalcompositions土壤矿物质的矿物组成和化学组成,1.1.1Elementcompositionofsoilmineral土壤矿物质的元素组成Meanelementcompositioninearthcrustandsoil地壳和土壤的平均化学组成（W%）,几乎包括元素周期表中所有元素；土壤矿物质元素的相对含量与地球表面岩石圈元素的平均含量及其化学组成相似。O、Si、Al、Fe为主，四者共占88.7%以上；植物必需营养元素含量低，分布不平衡。化学组成既继承了地壳化学组成的特点，又反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。O、Si、C、N等增加，Ca、Mg、K、Na等减少。,Themineralfractionofsoilscanbeclassifiedintooneoftwocategoriesoriginal(primary)andsecondary(clay)mineral.,Originalmineral原生矿物风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。土壤粗粒部分主要由原生矿物组成。Secondarymineral次生或黏土矿物风化成土过程中形成的矿物。黏粒主要由次生矿物组成。高岭石Kaolinite蒙脱石Montmorillonite伊利石Illite蛭石Vermiculite绿泥石Chlorite氧化物Oxide,1.1.2SoilMineralconstituents矿物组成,原生矿物分类ClassificationoforiginalmineralSilicatemineral硅酸盐矿物长石类、辉石、角闪石、云母类Carbonatemineral碳酸盐矿物方解石、白云石Oxidemineral(氢)氧化物矿物石英、赤铁矿、褐铁矿、金红石Phosphatemineral磷酸盐矿物磷灰石,Silicatemineral硅酸盐矿物,闪石amphibole,辉石augite,长石feldspar,云母mica,Carbonatemineral碳酸盐矿物,方解石calcite,白云石dolomite,Oxidemineral氧化物矿物,石英quartz,金红石rutile,赤铁矿hematite,Phosphatemineral磷酸盐矿物,磷灰石phosphaterock,原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主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。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。,Characteristicsoforiginalmineral原生矿物的特点,Weatheringstabilityoforiginalmineral原生矿物的风化稳定性,anorthite,albite,原生矿物对土壤的贡献构成土壤的骨骼土粒原生矿物是植物养分的重要来源,通过风化提供养料Ca、Mg、K、P、S等,Contributionsoforiginalmineraltosoils,1.2Claymineral黏粒矿物,1.2.1Introduction1.2.2Sheetsilicateclayminerals层状硅酸盐黏粒矿物1.2.3Non-silicateclayminerals非硅酸盐黏粒矿物,1.2.1Introduction黏粒矿物的类型特征综合反映了土壤的风化和成土条件，研究和鉴定其种类、数量和特征有重要意义：帮助了解各种土壤在发生学上的地位；帮助了解土壤的理化性质（如吸湿性、可塑性、胀缩性和吸附性等）;概略评价肥力特征。,Claymineralsarethemostimportantgroupofmineralsinsoil,playinganimportantroleinthedevelopmentofmanyphysicalandchemicalsoilcharacteristics.,Mainlysecondarymineralinsoils土壤中的主要黏粒矿物Aluminosilicates铝硅酸盐类高岭石Kaolinite蒙脱石Montmorillonite伊利石Illite蛭石Vermiculite绿泥石ChloriteSimplesalts简单盐类碳酸盐carbonate硫酸盐(石膏)sulfate(gypsum)氯化物chlorideOxides氧化物类针铁矿goethite赤铁矿hematite三水铝石gibbsite锐钛矿anatase,aluminosilicates铝硅酸盐类,高岭石Kaolinite,蒙脱石Montmorillonite,绿泥石Chlorite,Simplesalts简单盐类,方解石calcite,白云石dolomite,Carbonatemineral碳酸盐矿物,Oxide氧化物类,针铁矿goethite,褐铁矿limonite,三水铝石gibbsite,1.2.2Sheetsilicateclayminerals层状硅酸盐黏土矿物,层状（铝）硅酸盐黏土矿物使土壤黏土矿物的主要成分，其种类、数量和特征综合反映了土壤的风化和成土条件，决定着土壤的主要性状。层状（铝）硅酸盐矿物的性质与矿物的化学组成和结晶构造有着十分密切的关系。,四面体片,Constructionalcharacteristics构造特征#Thefundamentalbuildingblock基本结构单位,Silicon-oxygentetrahedron硅氧四面体(SiO4)4-,Silicon-oxygentetrahedron(硅氧四面体)consistsofacentralsiliconion(Si4+)surroundedbyfourcloselyspacedoxygenions(O2-).,Aluminum-oxygenoctahedron铝氧八面体(AlO6)9-,Aluminum-oxygenoctahedron(铝氧八面体)consistsofacentralaluminumion(Al3+)surroundedbysixcloselyspacedoxygenions(O2-).,#unitesheet单位晶片,Silicon-oxygentetrahedronsheet硅氧四面体片,Hexagonalarrangement,n(Si4O10)4-,Aluminum-oxygenoctahedronsheet铝氧八面体片,n(Al4O12)12-,Claymineralsaremadeupofvariouscombinationsofthreefundamentalsheetstructures:Si-O(siloxane)sheet硅片硅氧四面体通过共用底层氧离子的方式在平面两维方向上无限延伸，排列成近似六边形蜂窝状的四面体片;Al-O(gibbsite)sheet铝片theAl3+ionsaresurroundedbysixcloselypackedhydroxyl(OH-)ionstoformanoctahedronstructure;Mg-O(brucite)sheet镁片ItsstructureissimilartothatoftheAl-OsheetbutcontainsMg2+ionsratherthanAl3+.,硅片和铝片以不同方式在C轴上堆叠，形成层状硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1：1型、2：1型和2：1：1型晶层。,#unitelayer单位晶层,1:1layerstructure1:1型单位晶层,2:1layerstructure2:1型单位晶层,2:1:1layerstructure2:1:1型单位晶层,1:1layerstructure1:1型单位晶层Kaolinite高岭石onesilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet.,2:1layerstructure2:1型单位晶层montmorillonite蒙脱石illite伊利石twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet。,2:1:1layerstructure2:1:1型单位晶层chlorite绿泥石twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet，forminga2:1layerstructure,toonefurtherMg-O(brucite)sheetwhichoccupiestheinterlayerposition.,Isomorphoussubstitution同晶替代,AprocessthatsubstitutionofoneionforanotherwithinthemineralstructureknownasIsomorphoussubstitution.Themostcommonsubstitutionsinvolvesreplacementofsomesiliconion(Si4+),inSi-Otetrahedron,byaluminiumions(Al3+).Otherexamplesincludethesubstitutionofaluminiumion(Al3+),inAl-Ooctahedron,bymagnesiumions(Mg2+)orironions(Fe3+).ThissubstitutionalsocanledtoformingtheMg-Osheet.组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造不变的现象叫做同晶替代（同型异质替代）。,Fe3+ionradius0.064nmAl3+ionradius0.057nm,Whenionswiththesamechargeorvalencyareexchanged,themineralstructureremainselectricallyneutral.Ifionswithdifferentvalenciesareexchanged,therewillbeachargeimbalance;frequentlythisresultsinanexcessnegativecharge.Inthissituations,electricalneutralityisachievedeitherbyincorporationofadditionalcationssuchasCa2+，Mg2+,K+andNa+intothecrystalstructure,orbystructuralrearrangementsthatallowinternalcompensation(补偿）ofcharge.同晶替代常见的是以低价代高价的金属离子，所以产生的电荷以负为主。黏土矿物以负电荷为主，通过静电引力吸附阳离子。阳离子的吸附是土壤一个极重要的特性，和肥力关系密切。土壤黏土矿物的类型和数量与土壤肥力的关系很大。,Classificationofclaymineralsisbasedonthreecriteria:Theratioofdifferentsheetswithinaunitlayers,Theinterlayerorbasalspacingbetweenunitlayers;Theinterlayercomponentsorspecies.,Theclaymineralsmostcommonlyfoundinsoilsincludethemicas,montmorillonite,illite,chlorite,kaoliniteandthevermiculite.,Typesandpropertiesofclayminerals硅酸盐黏土矿物的种类和性质,云母、蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、蛭石,硅酸盐黏粒矿物（构造特点、性质）,Kaolinitegroup高岭组1:1layerclayminerals高岭石、珍珠陶土，埃洛石等,Montmorillonitegroup蒙蛭组2:1layerandshrink-swellminerals蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等,Hydrousmicagroup水化云母组2:1layerandnoshrink-swellminerals伊利石等,Chloritegroup绿泥石组2:1:1layerclayminerals绿泥石等，富含镁、铁,Kaolinitehasa1:1layerstructureandaninterlayerspacingofaround7(0.7nm).Layerunitsareattractedbyhydrogenbondingandthecrystalshaveacharacteristichexagonalappearance.,Kaolinitegroup(1:1layerclay)高岭组：高岭石、珍珠陶土，埃洛石等,Propertiesofkaolinitegroup高岭组的特性1:1layer（1:1型）,formula：Al4Si4O10(OH)8Non-swell-shrinkpotential(非胀缩性)四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以较强的氢键相连，水化时基本不膨胀。,Hbonding,Thepermanentchargeisverysmall.电荷数量少没有或极少存在同晶替代现象。吸附阳离子的能力极弱，吸附容量3-15cmol(+)/kg。含量高的土壤保肥性差。OH群中H在一定酸度下解离，使其带少量负电荷，且随酸度条件而改变。Thecolloidalpropertyisrelativeweak.胶体特性较弱片状，颗粒较粗、总表面积较小（1010320103m2/kg)。粘结性、粘着性、可塑性和吸湿能力较弱。热带、亚热带土壤中普遍存在，北方及青藏高原土壤中少。,Montmorilloniteisa2:1layerclaymineralwithinterlayerpositionsdominatedbysodium(Na+)andcalcium(Ca2+)ions,andwatermolecules.Althoughitsbasalspacingisapproximately14(1.4nm),thisvariessomewhatduetoitsshrink-swellcharacteristicswhichoccuronwettinganddrying.,Montmorillonitegroup(expanding2:1layerclays)蒙蛭组：蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等,PropertiesofMontmorillonitegroup蒙蛭组矿物的特性2:1layer,formula：Al4Si8O20(OH)4nH2OThehighswell-shrinkpotential(胀缩性大)晶层两个基面均未Si-O面，层间结合力（分子引力）较小。水化时膨胀严重，失水则收缩。晶架间距可变，9.6-21.4。,Thepermanentchargeismore.电荷数量大普遍存在同晶替代(isomorphoussubstitution)，Si-O片中铝代硅；Al-O片中镁、铁代铝，带有负电荷，多余电荷由层间阳离子中和，有较强的吸附阳离子能力，吸附容量80-150cmol(+)/kg(CEC)。含量高的土壤保肥性强。Thecolloidalpropertyissignificantly.胶体特性突出呈片状，颗粒细微，总表面积大（600103800103m2/kg)。含量多的土壤，粘结性、粘着性、可塑性和吸湿能力特别强，对耕作不利。东北黑钙土和华北栗钙土中含量较多，华北的褐土和西北的灰钙土中也有。,Hydrousmicagroup(nonexpanding2:1layerclays)水化云母组或伊利组：伊利石等,Illitealsoisa2:1layerclaymineralswithaninterlayerspacingofapproximately10(1.0nm)andK+ionsasthedominantinterlayercomponent.Sinceillitecontainsinterlayerpotassium,theunitelayersarebondedstrongerthanmontmorillonite.Therefore,theintermicellarspacesofillitesdonotexpanduponadditionofwater.伊利石晶架间的钾离子同时受相邻两晶架的负电荷的吸附，产生了联结的效果，使其不易胀开。这和蒙脱石类有明显区别。,Propertiesofhydrousmicagroup水化云母组的特性2:1layer(2:1型)formula：K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2ONon-swell-shrinkpotential非膨胀性晶架间吸附阳离子以K+为主，半陷于晶穴内，同时受相邻两晶层阴电荷的吸附，产生了强联结的效果，不易胀开。层间距1.0nm。,Thepermanentchargeismore.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，吸附容量介于高岭石和蒙脱石之间，为2040cmol(+)/kgThecolloidalpropertyismedium.中等胶体性质颗粒大小及胶体特性介于高岭组和蒙蛭组之间。总表面积大（70103120103m2/kg)。粘结性、粘着性、可塑性和吸湿性中等。主要存在于我国北方干旱地区土壤中，南方土壤含量很少。,Propertiesofkaolinitegroup高岭组的特性1:1layerclay,formula：Al4Si4O10(OH)8Non-swell-shrinkproperties非胀缩性四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以较强的氢键相连，水化时基本不膨胀。,Hbonding,在2:1黏土矿物的相邻晶片间加入一个八面体水镁片（或水铝片）。由于强烈的静电吸引使其成为非膨胀黏土。,Chloritehasa2:1:1layerstructure(twoSi-OsheettooneMg-Osheet,forminga2:1layer,toonefurtherMg-Osheetwhichoccupiestheinterlayerposition)withaninterlayerspacingofabout14(1.4nm).,Chloritegroup（2:1:1layerclays）,绿泥石组：以绿泥石为代表，富含镁、铁等,PropertiesofChloritegroup绿泥石组的特性2:1:1型。化学式为：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16非膨胀性黏土矿物同晶替代现象普遍。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。颗粒较小，胶体性质中等。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，沉积岩和沉积物中较多。,1.2.3Non-silicateclayminerals非硅酸盐黏土矿物铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石结晶质和非晶质Variablecharge(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pH：M-OH+H+M-OH2+（水合基）高pH：M-OH+OH-M-O-+H2O,氧化铁(Ironoxide)土壤主要矿质染色剂。针铁矿(-FeOOH)：晶体较大时为黄色，较小时为棕色，主要存在于温带、亚热带和热带湿润土壤中有较高氧化性的亚表层，形成锈纹锈斑、铁结核等。赤铁矿(-Fe2O3)：红色，存在于高温、潮湿、风化程度很深的氧化性红色土壤表土层，形成胶膜等。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。,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）,无定形隐晶质晶质,1