第1章土壤矿物质课件

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平视图
俯视图
单位晶片——四面体片(tetrahedral sheet)
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单位晶片——八面体片(octahedral sheet)
铝氧八面体在平面上相互连接铝片图形
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(3)粘土矿物的晶层
硅片、铝片都带负电荷，不稳定，需通过重叠化合才能形成稳定的化合物。 硅片、铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状硅酸盐的单位晶层。 一般有1:1型、2:1型及2:1:1型晶层。
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土壤无机矿物质颗粒的化学组成
成土矿物的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素，主要元素包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳等10余种，占土壤矿物质总质量的99%以上，其中以氧、硅、铝、铁4种元素所占的比例最多。 土壤中主要的原生矿物所含化学成分有一定规律如表，石英、长石、白云母这些矿物的SiO2及K2O、Na2O含量高，含SiO2愈多的矿物颜色愈浅，愈抗风化。而黑云母、辉石、橄榄石、磁铁矿等深色矿物SiO2含量少，而Fe、Ca、Mg含量高，这些矿物易风化分解。 矿物质颗粒愈粗，SiO2含量愈多，颗粒愈细SiO2含量愈少，但A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、P2O5、K2O等养分元素的含量变化趋势正相反。 在总的含量中如用氧化物的形态来表示仍以SiO2、A12O3、Fe2O3三者为主要成分，如表：
粘土矿物：最普遍的情况是低价离子代中心离子。 如：Al3+ For Si4+ ；Mg2+ For Al3+ 粘粒矿物以带负电荷为主！ 2:1型、2:1:1型普遍； 1:1型较少。
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2、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
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非金属元素：O（47％）、Si（29％）
1.1.1 土壤矿物质的主要元素组成
金属元素：Al（8.05％）、Fe（4.65％）
四元素合计：（88.7％）
A：含量
含量很低且分布不均：N、P、S……
远远不能满足植物和微生物营养的需要？
应考虑营养元素生物有效性问题！如：P、K
B：植物必需营养元素
硅氧四面体的顶视图
硅氧四面体构造图示法
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构成：一个铝离子(Al3+)和六个氧(O2-)离子(或氢氧离子)所构成
排列方式：六个氧离子（或氢氧离子）排列成两层，每层都由三个氧离子（或氢氧离子）排成三角形，但上层氧的位置与下层氧交错排列，铝离子位于两层氧的中心孔穴内。
连接相邻的三个氧离子的中心，可构成假想的八个三角形的面，铝离子位于这八个面的中心，故称这种单位为铝氧八面体（简称八面体）
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晶层之间通过键相连，联结力弱。 C轴方向上相邻晶层层面都是Si－O构成，层间只有很小的分子引力。层间因水分的进出而涨缩. 晶层间距0.96－2.14nm。蛭石为0.96－1.45nm 胶体特性突出。 蒙脱颗粒细微，有效直径（0.01－1毫微米），总表面积大。 电荷数量大，同晶替代现象普遍。 蒙脱石主要在铝片中发生，一般Mg2+代Al3+，而蛭石主要在硅片中替代。产生大量负电荷。CEC：蒙脱 80-120cmol（＋）/kg；蛭石：150cmol（＋）/kg，对水和阳离子具有较强的吸附力。 主要存在于风化度低的东北、华北和西北地区土壤中。
C：土壤矿物的化学组成
继承地壳化学组成特点
部分元素在成土过程中含量增or 减：O、Si、C、N 增，Ca、Mg、K、Na 减
成土过程中元素的分散、富集特性和生物聚集作用。
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矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物. 1、原生矿物(primary mineral)： 由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物称原生矿物。如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。 2、次生矿物(secondary mineral)： 原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。如方解石、高岭石等。
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－
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35－38
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褐铁矿
－
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75－90
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－
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水铝石
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85
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－
－
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－
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三水铝石
－
65
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－
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外部形态：极细微的结晶颗粒； 内部构造：两种基本结构单位； 都含结晶水； 但化学成分、水化程度不同。
1.2 粘土矿物(Clay minerals)
硅酸盐矿物的一般结构示意图
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由一个硅片和一个铝片构成。共用活性氧形成单位晶层。
单位晶层有两个 不同层面，一个都是氧原子面，另一个是氢氧层面。
1:1型高岭石类晶体结构模型图
四面体的负价全部被中和；八面体2/3的氧共用，1/3被氢中和成氢氧离子。
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1:1型粘土矿物的构造示意图
地壳和土壤的元素组成
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
元素
地壳中
土壤中
元素
地壳中
土壤中
O Si Al Fe Ca Na K Mg Mn
47.0 29.0 8.05 4.65 2.96 2.50 2.50 1.37 0.10
表: 土壤中主要次生矿物的近似化学组成(％)
矿物
SiO2
A12O3
Fe2O3
TiO2
CaO
MgO
K2O
Na2O
伊利石
50-56
18－31
2－5
0－0.8
0－2
1－4
4－7
0－1
蒙脱石
42-45
0－28
0－30
0－0.5
0－3
0－25
0－0.5
0－3
高岭石
31-33
38－40
－
－
－
－
－
－
绿泥石
－
18－20
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表： 土壤中主要原生矿物的近似化学组成(％)
矿物
SiO2
A12O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
P2O3
石 英
100
－
－
－
－
－
－
－
正长石
62－66
18－20
－
0－3
－
9－15
9－4
－
钠长石
61－70
19－26
－
0－9
－
0－4
6－11
－
钙长石
40－45
28－37
－
10－20
－
0－2
-
-
-
-
-
Mg2+
+
+
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大小相近：Fe3+ 离子半径 0.064nm Al3+离子半径 0.057nm （Y）
电性相同，电价同或不同。 电价同：晶体内电性中和；不同：晶体带电！
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土壤粘粒矿物可以主要吸附阳离子，避免随水流失。 粘粒对阳离子养料的吸附，是土壤中一个极为重要的特性，与土壤肥力关系甚大！
铝氧八面体结构单元示意图
铝氧八面体结构示意图
铝氧八面体顶视图
铝氧八面体构造图示法
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（2）单位晶片
四面体片(tetrahedral sheet) 在水平方向上通过共用底部氧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（简称硅片）。硅片顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n(Si4O10)4-表示。 八面体片(octahedral sheet) 八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列成八面体片（简称水铝片或铝片），铝片两层氧都有剩余的负电荷，铝片可用n(Al4O12)12-表示。
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2:1型/蒙脱石/Montmorillonite
2:1型蒙脱石类晶体结构模型图
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共用顶端氧形成单位晶层。
单位晶层的两个 层面都是氧原子面。
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2:1型/蒙脱石/Montmorillonite
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晶层之间以氢键连接，联结力强、膨胀性很弱。 C轴方向上相邻晶层层面不同，一是硅片的氧面，一是铝片的氢氧面，层面间产生键能较强的氢键，不易膨胀，膨胀系数<5％。晶层间距约0.72nm 胶体特性弱 矿物颗粒大小属胶体（<100毫微米）范围，但仍较粗，总表面积小。 电荷数量少 硅片、铝片同晶替代极少。 负电荷来源：一是晶体外表面的断键；二是晶体边面OH基在碱性中性条件下解离。 对水和阳离子的吸附力弱，CEC=3-15 cmol(+)/kg-1 主要存在于风化程度较高的土壤中。 主要普遍而大量存在于南方热带和亚热土壤中，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。
0－5
－
白云母
44－46
34－37
0－2
－
0－3
8－11
0－2
－
黑云母
33－36
13－30
3－11
0－2
2－20
6－9
－
－
辉 石
45－55
3－10
0－6
16－26
6－20
－
－
－
橄榄石
25－43
－
0－3
－
27－51
－
－
－
磷灰石
－
－
－
54－ 55
－
－
－
40－42
磁铁矿
－
－
69
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－
－
－
－
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1:1 and 2:1 Clay Minerals
三水铝石
Montmorillonite
Kaolinite
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2:1:1型 / 绿泥石 /chlorite
在2:1单位晶层基础上多了一个八面体水镁片或水铝片。2个硅片、1个铝片及1个镁片（或铝片）构成。
2:2 型 ？
2:1型矿物和一层八面体型矿物相wk.baidu.com重叠组成。 故2:1:1型
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硅氧四面体结构示意图
构成：一个硅离子(Si4+)和四个氧离子(O2-)
排列方式：以三个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部三个氧离子之上的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。
连接相邻的三个氧离子的中心，可构成假想的四个三角形的面，硅离子位于这四个面的中心，故称这种结构单位为硅氧四面体（或简称四面体）
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包括高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等 单位晶层由一层硅氧片和一层铝氧片构成，故称1:1型矿物。 单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8
高岭组（1:1型矿物）
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高岭石的矿物结构
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高岭石
1:1型高岭石类晶体结构模型图
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高岭组（1:1型矿物）续
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1.1 土壤矿物质的矿物组成及化学组成
岩石 岩石是由矿物所构成，是矿物的天然集合体。 岩浆岩、沉积岩、变质岩 土壤母质（Parent material）： 来源于岩石、矿物的风化产物。
矿物 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。 原生矿物、次生矿物
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C 同晶替代/同晶代换/同晶置换/同型异质替代 / Isomorphous substitution
当粘粒矿物形成时，晶架内的组成离子被电性相同、大小相近的另一种离子所取代，其结果改变了晶架的化学组成，但晶架结构不受破坏的现象。
四面体片：Al3+ For Si4+ 八面体片：Mg2+、Fe3+ or Fe2+ For Al3+
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同晶替代作用
Critical to understanding how soils develop the capacity to attract and retain cations
Al
O
Si4+
Si
O
O
O
O
O
无净电荷
Al
O
Al3+
Si
O
O
O
O
O
净负电荷
Soil development
1
1.2.1 层状硅酸盐粘土矿物
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1.2.1 层状硅酸盐(phyllosilicate)粘土矿物
（1）基本结构单位 A、硅氧四面体(Si-Tetrahedron) 硅氧四面体由1个硅原子和4个氧原子组成，硅原子位于中央，氧原子占据4个顶点。 B、铝氧八面体(Al-Octohedron) 铝氧八面体由1个铝原子和6个氧原子组成，铝原子位于中央，氧原子占据6个顶点。
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B.蒙蛭组（2:1型膨胀性矿物）
蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等; 代表矿物蒙脱石。单位晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4·nH2O 两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。为2:1型矿物。
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蒙托石的矿物结构
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蛭石与蒙脱石结构示意图
2:1型蒙脱石类晶体结构模型图
1.1.2 土壤的矿物组成
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原生矿物 原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以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。 原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等 次生矿物 以粘土矿物为主， 其中又以结晶层状硅酸盐矿物为主； 有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物 。 有简单盐类，包括各种碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物等
49.0 33.0 7.13 3.80 1.37 1.67 1.36 0.60 0.085
P S C N Cu Zn B Mo
0.093 0.09 0.023 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003
0.08 0.085 2.0 0.1 0.002 0.005 0.001 0.0003