环境土壤学第一章XXXX

环境土壤学

ENVIRONMENTALSOILSCIENCE

安徽师范大学环境科学学院

芜湖市北京东路1号(241000)博士教授戴万宏SoilEnvironmentology岩石风化而来，一般占土壤质量的95%以上，占土壤容积的45%左右。生物残体及腐殖物质组成，一般占土壤质量5%左右，占土壤容积5%左右。种类繁多，包括昆虫、蠕虫、原生动物、藻类及微生物;微生物数量大、种类多、繁殖快，但占土壤质量和容积的份额很少。外部进入土壤，含有溶解物质，是稀薄的溶液，占土壤容积的0~50%左右。主要有氧气、氮气、二氧化碳和水汽等，占土壤容积的0~50%左右。矿物质有机质生物

(活体）水分气体固体部分粒间孔隙土壤组成Unite1.土壤组成和性质

SoilconstituentsandpropertiesThesoilcanbeviewedasathree-phasesystemcomprisingsolid,liquidandgaseousconstituents.Solidphase—mineralandorganicmaterial

Parentmaterial

Vegetation

Liquidphase—soilwater

PrecipitationGround-waterGaseousphase—soilatmosphere(air)

Above-groundatmosphereRespirationofsoilorganismsUnite1.土壤组成和性质

Soilconstituentsandproperties1.

土壤矿物质

Soilmineralmaterial

2.

土壤有机质

Soilorganicmatter土壤生物Soilorganisms土壤质地和结构Soiltextureandstructure土壤水分Soilwater(moisture)土壤空气和热量Soilairandheatregime，Unite1.土壤组成和性质

Soilconstituentsandproperties第一章土壤矿物质

Soilmineralmaterial

Introduction第一节土壤矿物质的矿物组成和化学组成第二节粘土矿物第三节中国土壤粘土矿物分布规律

地核2900km~地幔33~2900km地壳0~33km地壳物质组成：元素矿物岩石Introduction矿物

地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作用下形成的具有相对固定化学组成和物理性质的均质单质或化合物。是组成岩石的基本单位。岩石

在各种地质作用下，按一定方式结合而成矿物复合体。是构成地壳和地幔的主要物质。

岩石按形成方式分类岩浆(火成)岩

地球内部岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的岩石。

沉积岩

由地壳表面早期形成的岩石经风化、搬运、沉积、

压实、胶结硬化而形成的岩石。变质岩

原来存在的岩石在新的地壳变动或岩浆活动产生的高

温、高压下，使岩石的矿物重新结晶，重新排列，改

变其结构、构造和化学成分，而形成的新岩石。Themineralfractionofsoilsisderivedlargelyfromweatheringoftheunderlyingparentmaterial,whichmayconsistofconsolidatedbedrocksorunconsolidatedsuperficialdeposits.BedrockIgneous(火成岩）Sedimentary(沉积岩）Metamorphic（变质岩）DepositRiverinealluvium（河流冲积物）Glacialtill(冰积物）Lacustrineclays(湖积粘土）土壤矿物来源第一节

土壤矿物质的矿物组成和化学组成

Soilmineralconstituentsandchemicalcompositions

一、元素组成二、矿物组成一、土壤矿物质的主要元素组成

地壳和土壤的平均化学组成（W%）元素地壳土壤元素地壳土壤OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.0

8.054.652.962.502.501.370.1049.033.0

7.133.801.371.671.360.600.085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003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。土壤矿物质元素组成特点：

二、土壤的矿物组成原生矿物经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和晶体结构的原始成岩矿物。土壤粗粒部分主要由原生矿物组成。

硅（铝硅）酸盐矿物：长石类、辉石、角闪石、云母类碳酸盐矿物：方解石、白云石(氢)氧化物矿物：石英、赤铁矿、褐铁矿、金红石磷酸盐矿物：鳞灰石次生矿物(粘土矿物)

由原生矿物经过风化、成土过程分解转化而形成的矿物。粘粒主要由次生矿物组成。

高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石、绿泥石、氧化物土壤原生矿物简介土壤原生矿物简介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。原生矿物对土壤肥力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

硅酸盐矿物Silicatemineral闪石amphibole辉石augite长石feldspar云母micaOxide氧化物石英quartz金红石赤铁矿hematitePhosphate磷酸盐磷灰石phosphaterockCarbonate碳酸盐方解石calcite白云石硅酸盐矿物构造

硅氧四面体

Silicon-oxygentetrahedron

Si4+O2-

(SiO4)4-架硅酸盐矿物链状硅酸盐矿物环硅酸盐矿物Sheetsilicates片状硅酸盐矿物硅酸盐矿物构造与稳定性的关系单晶橄榄石单链辉石双链角闪石片黑云母架石英稳定原生矿物的风化稳定性橄榄石辉石角闪石黑云母石英钙长石倍长石拉长石中长石奥长石钠长石镁铁质矿物的不连续系列长石类矿物的连续系列结晶由先到后，稳定性由小到大稳定性由小到大第二节粘土矿物

ClaymineralIntroduction

层状硅酸盐粘土矿物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸盐粘土矿物

Non-silicateclayminerals

粘土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）;概略评价肥力特征及质量。粘土矿物简介土壤中的主要次生矿物Aluminosilicates

(铝硅酸盐类)

高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石、绿泥石Simplesalts

(简单盐类)

碳酸盐、硫酸盐(石膏)、氯化物Oxides

(氧化物类)

针铁矿、赤铁矿、三水铝石、锐钛矿Aluminosilicates

铝硅酸盐类高岭石Kaolinite蒙脱石Montmorillonite绿泥石ChloriteSimplesalts

简单盐类方解石calcite白云石Oxide氧化物类针铁矿goethite褐铁矿三水铝石gibbsite第二节粘土矿物

ClaymineralIntroduction

层状硅酸盐粘土矿物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸盐粘土矿物

Non-silicateclayminerals一、层状硅酸盐粘土矿物

Sheetsilicateclayminerals（一）构造特征1.基本结构单位2.单位晶片3.单位晶层4.同晶替代(二)硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性1.基本结构单位Silicon-oxygentetrahedron

硅氧四面体(SiO4)4-Aluminum-oxygenoctahedron

铝氧八面体

(AlO6)9-2.单位晶片Hexagonalarrangementn(Al4O12)12-Silicon-oxygentetrahedronsheet

硅氧四面体片Aluminum-oxygenoctahedronsheet

铝氧八面体片n(Si4O10)4-2.单位晶片n(Al4O12)12-Aluminum-oxygenoctahedronsheet

铝氧八面体片Claymineralsaremadeupofvariouscombinationsofthreefundamentalsheetstructures:

Si-OsheetinwhichtheSi-Otetrahedronarelinkedinahexagonalarrangement;

Al-OsheetinwhichtheAl3+ionsaresurroundedbysixcloselypackedhydroxyl(OH-)ionstoformanoctahedronstructure;

Mg-OsheetwhosestructureissimilartothatoftheAl-OsheetbutcontainsMg2+ionsratherthanAl3+.3.单位晶层3.单位晶层1:1型晶层2:1型晶层2:1:1型晶层1:1型晶层

(Kaolinite)

onesilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet1:1型晶层

(Kaolinite)

onesilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1型晶层(Montmorillonite,illite)

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1型晶层(Montmorillonite,illite)

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1:1型晶层

(Chlorite绿泥石）

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet，forminga2:1layerstructure,toonefurtherMg-O(brucite)sheetwhichoccupiestheinterlayerposition.4.同晶替代

（Isomorphoussubstitution）

组成矿物的中心离子被电性相通、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）。

ThemostcommonsubstitutionsinvolvesreplacementofsomeSi4+,inSi-Otetrahedron,byAl3+,andthesubstitutionofAl3+,inAl-Ooxtahedron,byMg2+orFe3+.ThissubstitutionalsocanledtoformingtheMg-Osheet.

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。粘土矿物以负电荷为主，通过静电引力吸附阳离子。阳离子养料吸附是土壤一个极重要特性，和肥力关系密切。同晶替代现象在2:1和2:1:1型粘土矿物中比较普遍，而1:1型粘土矿物中则相对较少。4.同晶替代

（Isomorphoussubstitution）一、层状硅酸盐粘土矿物

Sheetsilicateclayminerals（一）构造特征1.基本结构单位2.单位晶片3.单位晶层4.同晶替代(二)硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性Classificationofclaymineralsisbasedonthreecriteria:Theratioofdifferentsheetswithinaunitelayers,Theinterlayerorbasalspacingbetweenunitelayers,Theinterlayercomponentsorspecies.

土壤中层状硅酸盐粘土矿物种类很多，根据其构造特点和性质可归纳为四类：

高岭组蒙蛭组水化云母组绿泥石组(二)硅酸盐粘土矿物的种类和一般特性硅酸盐粘土矿物（构造特点、性质）高岭组Kaolinitegroup

1:1layerclayminerals

高岭石、珍珠陶土，埃洛石等蒙蛭组Montmorillonitegroup2:1layerandshrink-swellminerals

蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等水化云母组Hydrousmicagroup

2:1layerandnoshrink-swellminerals

伊利石等绿泥石组Chloritegroup

2:1:1layerclayminerals

绿泥石等，富含镁、铁

Kaolinitehasa1:1layerstructureandaninterlayerspacingofaround7Å(0.7nm).Layerunitsareattractedbyhydrogenbondingandthecrystalshaveacharacteristichexagonalappearance.1.高岭组

(1:1型矿物)

高岭石、珍珠陶土，埃洛石等

高岭组粘土矿物特性1:1型。

结构相似，分子式：Al4Si4O10(OH)8,SiO2/Al2O3分子比率2。非膨胀性。

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。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。

胶体特性较弱。

呈片状，颗粒较粗、总表面积较小（10×103~20×103m2/kg)。

粘结性、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。两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。水化时膨胀严重。

Montmorillonite(Smectite)

isa2:1layerclaymineralwithinterlayerpositionsdominatedbyNa+andCa2+ions,andwatermolecules.Althoughitsbasalspacingisapproximately14Å(1.4nm),thisvariessomewhatduetoitsshrink-swellcharacteristicswhichoccuronwettinganddrying.2.蒙蛭组

(2:1膨胀型矿物)

蒙脱石，绿脱石，拜来石，蛭石等蒙蛭组粘土矿物特性2:1型。

结构相似，分子式：Al4Si8O20(OH)4·nH2O,SiO2/Al2O3分子比率2-4。

胀缩性大。

层间结合力（分子引力）较小。晶架间距可变，9.6-21.4Å电荷数量多。

普遍存在同晶替代现象。Si-O片，铝代硅；Al-O片中镁、铁代铝，

带有阴电荷，有较强的吸附阳离子能力，吸附容量80-150cmol(+)/kg

含量高的土壤保肥性强。

胶体特性突出。

呈片状，颗粒特别细，总表面积大（600×103~800×103m2/kg)。含

量多的土壤，粘结、粘着性、可塑性和吸湿能力特别强，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。3.水化云母组

(2:1型非膨胀型或伊利组矿物)

伊利石等

Illite

alsoisa2:1layerclaymineralswithaninterlayerspacingofapproximately10Å(1.0nm)andK+ionsasthedominantinterlayercomponent.

伊利石晶架间的钾离子同时受

相邻两晶架的阴电荷的吸附，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。水化云母组粘土矿物特性2:1型。

结构相似，分子式：K2(Al·Fe·Mg)4(SiAl)8O20(OH)4·nH2O

SiO2/Al2O3分子比率3-4。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。

电荷数量较多。

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20~40cmol(+)/kg.

胶体特性

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，南方土壤含量很低。2:1粘土矿物的相邻晶片间加入一个八面体片，此八面体片中Mg被Al部分取代而带正电荷，中和了相邻晶片上的负电荷。由于强烈的静电吸引使其成为非膨胀粘土。

Chloritehasa2:1:1layerstructure(twoSi-OsheettooneMg-Osheet,formingabiotitemica(滑石）layer,toonefurtherMg-Osheetwhichoccupiestheinterlayerposition)withaninterlayerspacingofabout14Å(1.4nm).4.

绿泥石组（2:1:1型矿物）

以绿泥石为代表，富含镁、铁绿泥石组粘土矿物特性

2:1:1型。

化学式为Mg·Fe·Al)12(Si·Al)8O20(OH)16

同晶替代较普遍。

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，为10~40cmol

(+)/kg

。

颗粒较小。

可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中。土壤绿泥石主要来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多。

第二节粘土矿物

ClaymineralIntroduction

层状硅酸盐粘土矿物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸盐粘土矿物

Non-silicateclayminerals二、非硅酸盐粘土矿物铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物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pH：

M-OH+H+→M-OH2+（水合基）高pH：M-OH+OH-→M-O-+H2O

氧化铁(Ironoxide)主要矿质染色剂针铁矿(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

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

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

氧化铝(Aluminiumoxide)

硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土矿物。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。

氧化硅(Siliconoxide)

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。

水铝英石(Allophane)

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

第三节中国土壤粘土矿物分布规律

一、风化和成土作用与粘土矿物组成的关系

粘土矿物是次生矿物，其形成和类型分布一方面受母岩、母质的矿物学组成影响，另一方面又和风化、成土条件（气候、生物、地形等）密切相关。气候和生物因素的分布式随纬度变化的，因而土壤粘土矿物的分布也有随生物、气候分布的纬度地带性规律。南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化度高，粘土矿物以1:1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率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。

原生矿物风化淋溶直接演变（学说）

+H2O，-K-K-Mg-Si-Si云母类伊利石蛭石蒙脱石高岭石三水铝石

粘土矿物形成途径

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

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。二、中国土壤粘土矿物分布规律

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

全国土壤粘土矿