第二章 土壤矿物质

第二章土壤矿物质【教学目标】●土壤矿物1．了解土壤原生矿物的种类。

2．重点掌握次生矿物的种类及特性。

●矿物质土粒1．了解矿物质土粒的分类系统。

2．掌握矿物质土粒水分物理特性。

●土壤质地1. 了解土壤质地的分类系统。

2．掌握不同质地土壤的水分物理特性。

1 土壤矿物土壤母质来源于岩石、矿物的风化产物，岩石是由矿物所构成，是矿物的天然集合体。

• 1.1 几种主要岩石类型与特性地壳中的岩石可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩三大类。

岩浆岩（火成岩）由岩浆冷却凝固形成，如花岗岩、闪长岩、玄武岩等，它们含有石英、长石、深色矿物（如黑云母、辉石、角闪石等原生矿物）。

沉积岩是由岩石风化物经搬运、沉积再胶结而形成的，如花岗岩风化形成的石英沙沉入海底经地质变化胶结成的岩石，称为沙岩。

变质岩是火成岩或沉积岩在高温、高压下发生质变而形成的，如花岗岩变质形成片麻岩、沙岩和页岩变质形成石英岩和板岩，石灰岩变质可形成大理岩。

1.1.1 岩浆岩（1）花岗岩为粗粒、中粒或细粒全晶质的岩石，呈红色、灰色或浅灰色。

主要矿物有石英、正长石、黑云母，也有角闪石、斜长石，由于矿物结晶颗粒较大，组成复杂，容易发生物理风化。

在干旱地区崩解成砂粒，在湿润地区暗色矿物被分解为含水氧化铁次生矿物，长石类矿物分解为高岭石，石英以砂粒残留于风化物中。

（2）流纹岩：化学成分与花岗岩基本相似，灰白、浅黄或浅红色。

斑状结构，斑晶为圆柱状的石英和长方形透长石。

因结晶颗粒较小，难以发生物理风化。

在温暖湿润地区所形成深厚的风化层，多呈红色的粘壤土或砂质粘壤土。

（3）正长岩：其矿物组成以正长石和角闪石为主，不含石英，有少量的磷灰石，磁铁矿，色浅红，呈块状或粒状构造。

风化后形成砂壤或壤质土壤，通气性良好，富含磷、钾、钙、镁等营养元素。

土壤多为中性至微酸性反应。

（4）玄武岩：是基性喷出岩，在地壳中分布较广。

化学成分与辉长岩相当。

色暗近似黑色，隐晶质结构，常有气孔构造，风化后质地较黏，含盐基物质较多。

（5）橄榄岩：主要由橄榄石和辉石组成，一般为暗绿色或黑绿色，全晶质粗粒或中粒结构，容易风化。

1.1.2 沉积岩（1）砾岩砾岩是各种岩石碎块经过搬运沉积再经胶结硬化而成。

直径一般 2mm，如经河水长途搬运，其棱角磨圆，其间有孔隙，易透水，风化后呈砂砾状。

实物图片：砾岩（2）砂岩一般由直径0.1－2.0mm的砂粒胶结而成，主要成分为石英，其次为长石、白云母、磁铁矿、石榴子石等。

石英含量大于95%以上的为石英砂岩；长石含量达25%－60%的为长石砂岩。

以氧化硅为胶结剂的称为硅质砂岩；以氧化铁为胶结剂的称为铁质砂岩；以粘土为胶结剂的称为泥质砂岩。

胶结紧实的砂岩，因抗风化力强，形成土层较薄，砂性大，尤其是石英砂岩比较明显。

实物图片：粗粒石英砂岩（3）页岩粘土经过压实、脱水和胶结作用，硬化后变成页岩，呈页片状或层状构造。

矿物组分较复杂，多为灰色、紫红色，也有黄色、黑色。

比砂岩容易风化，形成的土质较粘，含片状碎屑多，养分含量较丰富。

实物图片：页岩（4）石灰岩石灰岩由化学沉积或生物沉积作用而成。

矿物组成主要有方解石，块状构造，岩体层理明显，多为致密结构，硬度小，遇稀盐酸可发生气泡反应，灰、青灰色，有机质含量高时呈黑色。

石灰岩风化主要是化学溶解作用，风化后土层较薄，稍粘、钙质丰富，抗酸力强。

实物图片：竹叶状灰岩1.1.3变质岩：（1）片麻岩由花岗岩或砂岩变质而成。

成分近于花岗岩，矿物组成为石英、长石、云母等，因受到高温高压，矿物结晶呈带状排列，具有一定的方向性，呈条带状。

实物图片：花岗片麻岩（2）石英岩石英岩由石英砂岩，在高温高压条件下，经过重结晶变质而成。

硬度大，抗机械性和抗化学腐蚀性强，不易风化。

脂肪光泽，一般为乳白色，如含有少量氧化铁呈红色和褐色，风化后形成砂质或砾质颗粒。

（3）板岩板岩由泥质页岩、粉砂岩和其它细粒碎屑沉积物质变质而成。

有完整的片理，劈开后呈平的薄块状平面，北方农民开采后做房瓦用。

矿物组成主要是云母、绿泥石、石英等，颜色多为青灰色。

实物图片：千枚状板岩（4）片岩片岩由各种岩石在高温高压下变质而成，也可由千枚岩进一步变质而成。

具有明显的片状构造，片理面呈粗糙皱纹状，含有云母、角闪石及少量长石。

实物图片：方柱石黑云母片岩（5）大理岩大理岩由碳酸岩类（石灰岩、白云岩）变质而成。

一般由方解石、白云石和少量的石英、角闪石和辉石矿物组成。

具有各色花纹，是优良的建筑装饰材料。

纯白色的大理岩称为汉白玉，在我国云南分布较广。

实物图片：大理岩综上所述，土壤矿物质来源于岩石、矿物的风化产物。

岩石、矿物的组成和特性对土壤的化学组成和物理性质影响甚大，这种影响主要表现在土壤颗粒粗细、土壤物理性质、土壤的酸碱性以及土壤养分等方面（详见有关章节）。

因此，学习与成土有关的岩石和矿物的组成及基本特性，有助于我们学习、认识土壤并有目的去改造土壤，尤其是对山区土壤的改良，更是如此。

1.2 土壤矿物质的来源土壤矿物质来源于岩石、矿物风化产物,岩石矿物质影响土壤的物理化学性质土壤颗粒粗细，土壤酸碱性，土壤养分矿物是指天然产出的、具有一定的化学成分、内部构造和物理性质的元素或化合物。

成土矿物:与土壤矿物质组成密切相关的矿物叫成土矿物包括：原生矿物和次生矿物1.2.1 原生矿物原生矿物是指由熔融的岩浆直接冷凝所形成的矿物（1）长石类矿物（包括正长石和斜长石）正长石（KAlSi3O8），又称钾长石。

颜色多呈肉红色，广泛分布于浅色岩浆岩中，如花岗岩、正长岩、斑岩等。

正长石抗风化能力较弱。

风化后形成次生粘土矿物，是土壤中钾元素的重要来源（如图01-01）。

（2）云母类矿物（包括白云母和黑云母）白云母[KAl2Si3O10(OH)2]，又称钾云母。

颜色为无色或浅色，有时带绿色，呈透明或半透明状，薄片状。

片状崩解成碎片后化学分解困难，往往混杂在砂土中，反光性很明显。

白云母在分解过程中释放出钾，成为土壤中钾元素的来源之一。

黑云母[KH2(Mg Fe)2AlSi3O12]，其性状与白云母相似，只是颜色呈黑色，不透明或半透明。

容易分解，风化后形成粘土矿物，释放出钾元素（如图01-02）。

（3）角闪石与辉石类矿物（铁镁矿物，属于偏硅酸盐矿物）角闪石[Ca2Na(Mg·Fe)4(Al·Fe)(SiAl)4O11(OH)2]。

颜色呈褐或黑色，主要分布于岩浆岩中。

辉石[Ca(Mg·Fe·Al)(Si·Fe)2O6]，颜色呈绿黑色，短柱状晶体。

角闪石和辉石二者性质相近，色深暗，属于深色矿物，含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解（如图01-03, 01-04）。

（4）石英矿物（SiO2）普通石英呈透明或半透明的晶粒状的集合体。

纯石英为无色，含有杂质时呈白、灰、黄、红、绿、天蓝及紫色。

完整晶形为两端锥形的六方柱状晶体或不规则块状。

除氟酸外，不与任何酸类起作用，物理及化学性质稳定，不易风化，常以颗粒状残留于土壤中，是土壤中砂粒的主要来源（如图01-05, 01-06）。

（5）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3），红色，条痕樱红色，常使土壤染成红色。

磁铁矿（Fe3O4），常呈八面体晶形，铁黑色，条痕为黑色，具有磁性。

黄铁矿（FeS2），金黄色，类似金属铜，断口参差状，金属光泽，条痕绿色至深棕色，较易风化，分解后形成硫酸盐（如图01-07, 01-08）。

（6）磷酸盐类矿物磷灰石Ca(PO4)3(F·Cl)。

呈六方柱状晶体，颜色灰白、黄、绿、黄褐色，是制造磷肥的主要原料，高品位的磷灰石含P2O5 42.3%，一般含P2O5>28%－30%时，可用来生产过磷酸钙肥料；>18%可粉碎为磷矿粉肥料，含量< 18%则不宜直接制造磷肥，可掺入无机磷细菌，以促进磷的分解，就地使用。

由于磷灰石含有氟，在制造磷肥时，常因脱氟过程产生氟的污染。

磷灰石风化后产生游离磷酸，是植物磷元素的主要来源（如图01-09）。

（7）方解石（CaCO3）方解石是大理岩、石灰岩的主要组成矿物，易溶于酸，化学性质不稳定，是土壤中碳酸钙的主要来源（如图01-10）。

8）褐铁矿（Fe2O3 ⋅ 3H2O）它是赤铁矿水化而形成的一种含水氧化铁，分布较广。

一般为棕色、黄色，是土壤黄色和棕色染色剂，以胶状包被于土粒的表面。

（9）石膏（CaSO4）石膏不含结晶水称为硬石膏。

含结晶水石膏（CaSO4 ⋅2H2O）称为结晶石膏。

白色，玻璃光泽，有时呈珍珠光泽、纤维状、解理完全，是土壤中钙和硫元素的重要来源。

1.2.2 土壤中的次生矿物土壤中的次生矿物主要有以下几类：（1）简单的盐类如碳酸盐、硫酸盐和氯化物等。

（2）含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类。

（3）次生层状铝硅酸盐如高岭石、蒙脱石和水化云母类等。

它们在土壤中均以粘粒形式存在，粒径极小，并具有胶体性质，它们对土壤理化性质如保肥性、供肥性、缓冲性和耕性等都会产生深刻的影响。

土壤的粘粒主要由粘粒矿物组成。

所谓粘粒矿物是指那些粒径＜0.001mm的矿物质土粒。

它们是由原生矿物经风化过程新形成的矿物，称为次生粘粒矿物。

硅酸盐粘粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为高岭石组、蒙脱石组和水化云母等三大类。

每一组又包括若干种粘粒矿物。

1) 次生层状铝硅酸盐黏粒矿物次生层状铝硅酸盐黏粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为：三大组：高岭石组、蒙脱石组、水化云母铝硅酸盐黏粒矿物的基本构造特点：黏粒矿物大部分都具有一定的层状结晶构造；其晶型结构由两个基本单位构成，即硅氧片和铝氧片（1）高岭石组黏粒矿物这一组包括：高岭石、迪凯石、埃洛石和富硅高岭石等黏粒矿物。

其共同特点是：①一层硅氧片和一层水铝片重叠而成；②晶架内部水铝片和硅氧片中没有或极少同晶代换；③颗粒一般较蒙脱石组矿物粗；④南方热带、亚热带土壤中普遍存在。

（2）蒙脱石组黏粒矿物此组黏粒矿物包括：蒙脱石、绿泥石、拜来石和蛭石等。

其共同特点是：①晶架结构都是由两层硅氧片和一层水铝片相间重叠而成；②晶架内普遍存在着同晶代换现象；③此类矿物胀缩性大，吸湿性强；④颗粒微细，在东北的黑钙土和华北地区的褐色土、栗钙土和西北地区灰钙土中含量较多。

同晶代换现象：同晶代换（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代换（替代），而晶格构造保持不变的现象。

在次生粘粒矿物形成的过程中，晶架内普遍存在着同晶代换现象。

同晶代换主要发生在两边的硅氧片中，一般Al3+ 替代Si4+，也有的发生在水铝片中，一般以Mg2+替代Al3+。

这种替代结果，使矿物带有永久的负电菏。

（3）水化云母组黏粒矿物其特点：1、晶体构造同属2：1型，同晶代换主要发生在硅氧片中以Al3+ 替代Si 4+ ，还有少量发生在水铝片中，以Mg2+ 、Fe2+ 替代Al3+ 。