第一章土壤系统的组成、结构与功能

第1章土壤系统组成、结构与功能

第1节土壤系统的组成第2节土壤系统的结构第3节土壤系统的功能思考题与个案分析

热矿泥山庄位于五华县转水镇，这里的温泉水温达83℃

—100℃，在全国乃至世界都罕见。热矿泥实际是温泉底部的粘性淤泥。经国家地质矿产部广东检测中心和广东省生态环境与土壤研究所检测结果表明：汤湖温泉和热矿泥，含有60余种人体必需的微量元素，对治疗风湿、类风湿、关节炎、肩周炎、神经痛和骨折后遗症等60余种疾病和健体强身、减肥美容均具有独特的辅助作用，有“天下第一奇泥”之美誉。土壤是由那些物质组成的？土壤是由固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分、溶液、胶体）、气相（土壤空气）和土壤生物体四部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50％，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占38％，有机质占12%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中，如右图所示。土壤的基本组成

矿物质—来自岩石的风化，包括原生矿物和次生矿物，约占固体重量的95%以上。土壤空气—一部分由地上大气层进入，主要为O2、N2等，另一部分由土壤内部产生，主要为CO2、水汽等。

土壤固体土壤（约占土壤总容积的50%）粒间孔隙（约占土壤总容积的50%）有机质—动物残体及其转化产物，约占固体重量的5%以下。土壤水分—主要由地上进入土中，其中含有溶质，包括离子、分子、胶体颗粒等，实际上是浓度不同的溶液（土壤溶液）。第1节土壤系统的组成

1.1土壤固相组成1.2土壤液相组成1.3土壤气相组成主要来自成土母质或母岩。是土壤的主要组成物质，土壤矿物构成了土壤的“骨骼”。1.1

土壤固相组成一、土壤矿物土壤矿物质的元素组成

1-1地壳和土壤的平均化学组成（重量%）元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.08.054.652.962.502.501.370.1049.033.07.133.801.371.671.360.600.085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003（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。土壤矿物按其成因类型分类：原生矿物——经过物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变；次生矿物——它们大多数是由原生矿物经化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。1、来源：直接来源于母岩特别是岩浆岩。

母岩只受不同程度的物理风化作用，土壤中的原生矿物主要存在于粗粒组分中。2、功能：原生矿物风化后释放出矿质营养元素，如K、S、Ca、Mg、P，及一些微量元素。（一）原生矿物3、性质：原生矿物具有坚实而稳定的晶格，基本不吸水、不膨胀、不具有物理化学的吸收性能；原生矿物多以砂粒和粉砂粒存在，使土壤具有良好的通气透水性。4、种类：硅酸盐和铝硅酸盐类（长石类矿物、云母类矿物、橄榄石类矿物、辉石与角闪石类矿物）氧化物类（石英、赤铁矿、金红石、蓝晶石）硫化物类（黄铁矿和白铁矿）磷灰石类（磷灰石）主要成土矿物的性质

石英是最主要的造岩矿物，分布最广。

石英在岩石中常呈不透明或半透明晶粒状，烟灰色，油脂光泽。

石英硬度大，化学性质稳定，不易风化，岩石中其它矿物风化后，石英仍然以粗粒壮保存下来，是土壤中砂粒的主要来源。正长石KAlSi3O8

晶体短柱状，肉红色、浅黄色、浅黄红色等，玻璃光泽，硬度6.0。

正长石易风化，风化后形成粘土矿物比如高岭石等，可为土壤提供大量K。正长石类矿物一般含氧化钾16.9％。是土壤中K和粘粒的主要来源。斜长石Na（AlSi3O8）·Ca（Al2Si2O8）

常呈板状和柱状晶体。白色或灰白色。玻璃光泽，硬度6．0～6．5。在岩石中多呈晶粒，长方形板状，白色或灰白色，玻璃光泽。

斜长石比正长石容易风化，风化产物主要是粘土矿物，能为土壤提供K、Na、Ca等矿物养分。是土壤中K和粘粒的主要来源。

黑云母深褐色或黑色，其他性质同白云母。

黑云母较白云母易于风化，风化物为碎片状。是土壤中K和粘粒的主要来源。黑云母KH2（Mg，Fe）3AlSi3O12

白云母：片状、鳞片状；无色透明或浅色（浅黄、浅绿）透明。薄片具有弹性，珍珠光泽，硬度2．0～3．0。

白云母较难风化，风化产物为细小的鳞片状，强烈风化后能形成高岭石等粘土矿物。是土壤中K和粘粒的主要来源。白云母KH2Al3Si3O12

角闪石呈细长柱状，深绿至黑色，玻璃光泽，硬度5.0～6.0。

角闪石易风化，风化产物为含水氧化铁、含水氧化硅和粘土矿物。并释放出少量的Ca和Mg。角闪石Ca（Mg，Fe）3Si4O12

呈短柱状、致密块状，棕至暗黑色，条痕灰色，中等解理，硬度5．5。较角闪石难风化，风化物基本同角闪石，但富含Fe。辉石Ca（Mg，Fe）Si2O6普通辉石橄榄石呈粒状集合体出现，橄榄绿色，玻璃光泽或油脂光泽。风化产物有蛇纹石、滑石、褐铁矿、二氧化硅等。橄揽石（Mg，Fe）2SiO4

方解石为次生矿物，呈菱形，半透明，乳白色，含杂质时呈灰色、黄色、红色等，玻璃光泽。与稀盐酸反应生成CO2气泡。

方解石的风化主要是受含CO2的水的溶解作用，形成重碳酸盐随水流失，石灰岩地区的溶洞就是这样形成的。方解石CaCO3

白云石是由方解石、菱美矿结合而成，呈弯曲的马鞍状、粒状、致密块状等，灰白色，有时带微黄色，玻璃光泽，性质与方解石相似。但较稳定，与冷盐酸反应微弱，只能与热盐酸反应，粉末遇稀盐酸起反应，这是与方解石的主要区别。白云石是组成白云岩的主要矿物，也存在于石灰岩中。风化物是土壤Ca、Mg养分的主要来源。白云石CaCO3·MgCO3

磷灰石呈致密块状、土状等。灰白、黄绿、黄褐等色，，硬度5.0。

在矿物上加钼酸铵，再加一滴硝酸即有黄色沉淀生成，这是鉴别磷灰石的主要方法。磷灰石以次要矿物存在于岩浆岩和变质岩中。

较难风化，风化产物是土壤磷养分的重要来源。磷灰石Ca5（PO4）3·（F，Cl）

石膏呈板状、块状、无色或白色。玻璃光泽或丝绢光泽。硬度2．0，是干旱炎热气候条件下的盐湖沉积。常作土壤改良剂。

石膏CaSO4·2H2O8它们是土壤矿物中最细小的部分，许多次生矿物具有活动的晶格、呈现高度分散性，并具有强烈的吸附代换性能、能吸收水分和膨胀，因而具有明显的胶体特性，又称为黏土矿物。（二）次生矿物通常根据其性质与结构可分为三类：简单盐类、次生氧化物矿物和次生铝硅酸盐矿物

①简单盐类：如方解石(CaCO3)、白云石[Ca、Mg(CO3)2]、石膏(CaSO4·2H2O)等，它们都是原生矿物经化学风化后的最终产物，结晶构造也较简单，常见于干旱和半干旱地区的土壤中，许多滨海地区的土壤中也会大量出现。

（菌丝体、姜石、石灰华）

②次生氧化物矿物：氧化铁、氧化铝、氧化锰、氧化硅矿物。它们是硅酸盐矿物彻底风化后的产物，结晶构造较简单，常见于湿热的热带和亚热带地区土壤中。

氧化铁和氧化锰是土壤中重要的染色矿物。如褐红色的赤铁矿（Fe2O3）、黄棕色的针铁矿(Fe2O3·H2O)、棕褐色的褐铁矿(Fe2O3·nH2O)；氧化锰常以棕色、黑色胶膜或结核状态存在与土壤颗粒表面。（结核、铁盘）③次生硅酸盐矿物：这类矿物在土壤中普遍存在，种类很多，是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成。它们是构成土壤的主要成分，分为三大类，即水云母类、蒙脱石类和高岭石类。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类一、层状硅酸盐粘土矿物（一）构造特征

1、基本结构单位

构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。（1）硅氧四面体（或简称四面体）

硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（2）铝氧八面体（或简称八面体）共用2个氧原子铝氧片③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类2、单位晶层

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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类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。2、单位晶层

③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类2:1:1型单位晶层在2:1单位晶层的基础上多了一个八面体片水镁片或水铝片，这样2:1:1型单位晶层由两个硅片、一个铝片和一个镁片（或铝片）构成。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类

3、同晶替代

是指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保持不变的现象。＊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。③次生硅酸盐矿物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和2:1:1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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（二）、硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性四个类组：高岭组蒙蛭组水化云母组绿泥石组矿物③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类高岭组（1:1型矿物）

包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等.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(0.2-2

m)，颗粒的总表面积相对较小，为10－20×103m2kg-1。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类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。高岭石的矿物结构高岭石非膨胀型，1:1粘土矿物10cmol(+)/kg硅氧片铝氧片③次生硅酸盐矿物③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类特征：（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)4·nH2O。（2）胀缩性大蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14

nm之间，蛭虫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。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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（4）胶体特性突出，较细（有效直径0.01-1

m），总表面积为600－800×103m2kg-1，且80％是内表面。蛭石一般为400×103m2kg-1。

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。③次生硅酸盐矿物SiTetra.Al

Oct.Si

Tetra.

2:1型粘土矿物膨胀型100cmol(+)/kgH2OH2OH2OH2OH2O蒙脱石③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类特征：（1）2:1型晶层结构伊利石是其主要代表。分子式为

K2(Al

Fe

Mg)4(SiAl)8O20(OH)4

nH2O。（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:20－40Cmoles(+)kg-1。水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）KInterlayerK+KKKKK非膨胀型40cmol(+)/kg伊利石

2:1型粘土矿物③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（4）胶体特性一般:总表面积为70－120×103m2kg-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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类绿泥石组（2:1:1型）

绿泥石为代表。特征：（1）2:1:1型晶层结构绿泥石的分子式：

(Mg·Fe·Al)12(SiAl)8O20(OH)16。（2）同晶替代较普遍元素组成变化较大，阳离子交换量为10－40Cmoles(+)kg-1。（3）颗粒较小，总面积为70-150×103m2kg-1③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。绿泥石粘粒矿物结构示意图。由两层四面体与两层八面体构成2：2型矿物绿泥石③次生硅酸盐矿物③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类二、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矿。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在。赤铁矿（a-

Fe2O3）：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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（二）氧化铝三水铝石［］★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。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。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（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。水铝英石［］由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在1－2之间变化。阳离子交换量，为10－15Cmoles(+)kg-1。表面积一般为70－300×103m2kg-1。③次生硅酸盐矿物粘土矿物分类（四）氧化硅结晶态氧化硅：主要是

－石英非晶质的氧化硅：蛋白石（）●蛋白石经进一步脱水结晶后可变为：玉髓、石英、方英石和磷石英。蛋白石呈致密状或钟乳状，纯的蛋白石无色，但因混入不同杂质呈红、黄、褐、绿等各种颜色。蛋白石广泛分布于火山灰来源的土壤中。蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指标矿物。土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关。③次生硅酸盐矿物蛋白石蓝色蛋白石我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1、风化递变学说白云母经风化很容易形成水化云母，随着风化和淋溶程度的发展，云母类型矿物可能依次顺着伊利石、蛭石、蒙脱石、高岭石以至三水铝石的方向递变。我国土壤粘土矿物分布规律一、风化和