第二章土壤矿物质

一、岩石的化学组成和矿物组成
（一）岩石的化学组成 岩石的化学成分极其复杂，元素周期表中的全 部元素几乎都能从岩石中发现，但主要的约有 20余种，包括氧、硅、铝、铁、钙、镁、钛、 钾、钠、磷、硫以及一些微量元素如锰、锌、 铜、钼等。
地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H
地壳中 47.0 29.0 8.05 4.65 2.96 2.50 2.50 1.37 0.45
（ 0.15 ）
土壤中 49.0 33.0 7.13 3.80 1.37 1.67 1.36 0.60 0.40 ?
元素 Mn P S C N Cu Zn Co B Mo
地壳中 0.10 0.093 0.09 0.023 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003 0.003
第二章 土壤矿物质（Soil minerals）
土壤中各种粗细不同的矿物颗粒。 它们来源于岩石风化物，即由成土母质继承和演变而来， 是土壤的主要组成物质之一，约占土体固相重量的95％以上， 占土体容积的38％以上，故称之为土壤的“骨架”。 土壤矿物质又是植物矿质营养的源泉，是全面影响土壤肥 力高低的一个重要因素。
原生矿物的组成和比例很少能反映土壤形成 过程特点，但是，它们说明成土母质成因特 征。土壤中原生矿物丰富，说明土壤相当年 轻。随着土壤年龄增长，原生矿物含量和种 类逐渐减少。
不同种类的原生矿物，由于其构造特点及元 素组成不同，抗风化的能力及提供养分的能 力也不同。
2、次生矿物（secondary minerals）
白云石
CaCO3·MgCO3
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
第一节 土壤矿物质的化学组成和矿物组成
矿物是天然产生于地壳中具有一定化学组成、 物理性质和内在结构的物体，是组成岩石的基本 单位。矿物的种类很多，共约3300种以上。
从学习土壤学角度讲，着重关注的是成土矿 物，以及某些作为肥料和土壤改良剂来源的矿物。
土壤中矿物质主要由岩石中矿物变化 而来。为此，讨论土壤矿物的化学组 成，必须知道地壳的化学组成。
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，完全 解理，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。 伴生矿物主要是辉石和角闪 石。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。
也就是说，土壤矿物质中其余90多种元素合 在一起，也不过占土壤矿物质重量的7.07%。 所以，在组成土壤矿物质的化合物中，绝大 多数也是含氧化合物，其中又以硅酸盐最多。 土壤矿物质化学组成的这一特点与岩石是相 似的。
（2）植物生长必需的营养元素不仅含量很 低，而且分布很不平衡。
例如，N只有0.1%，而P、S均不到0.1%。 这样低的含量远远不能满足植物和微生物营 养的需要。这一化学组成特点与岩石也是相 似的。
蛇纹石呈污绿色，玻璃光泽或 油脂光泽，断口上有时呈蜡状光 泽，比重2.5，硬度2.0～4.0。
方解石 CaCO3
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，完全解理，玻璃光泽。与稀盐 酸反应生成CO2气泡。无色透明者称 冰洲石。方解石分布很广，是大理岩、 石灰岩的主要矿物，常为砂岩、砾岩 的胶结物，也可在基性喷出岩气孔中 出现。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。
辉石[Ca(Mg,Fe)Si2O6]： 绿黑色，短柱状或近似粒状，硬度5～6，玻璃光泽;
易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。
角闪石[Ca(Mg,Fe)Si4O12]： 黑绿色，长柱状或近似细长条状，硬度5～6，玻璃光泽；
易风化，为土壤提供钙、铁、镁等养分。
白云母(KH2Al3Si3O12)： 无色，片状，具弹性，硬度2～3，极完全解理。
③由于次生矿物的颗粒较细，主要存在于土壤的粘 粒组分中，是粘粒的主要成分，故也称为次生粘粒 矿物，或直接称粘粒矿物、粘土矿物。( clay
mineral)
土壤中常见的次生矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利 石、绿泥石以及针铁矿、三水铝石、水铝英石等。
（3）粘土矿物意义：
粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成土条件。 研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义： A、可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤 分类学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。 B、有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀 缩性、离子吸附性），判断土壤肥力特征。 （必须更加关注粘土矿物）
石英
正长石 斜长石
白云母 黑云母
闪石 辉石 橄榄石
磷灰石
铁锰硅酸盐
含有锰离子的石英——紫水晶
含铁锰的石英——芙蓉石
普通石英
含有机质的石英——烟水晶
正长石（KAlSi3O8）： 钾长石，肉红色，晶体为短柱状，
易化学分解，为土壤提供钾
斜长石[Na(AlSi3O8)Ca(Al2Si2O8)]：
板状或粒状，灰白色，硬度6.5左右， 较易分解，为土壤提供钙。
辉石 Ca(Mg,Fe)Si2O6
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。辉长岩 和玄武岩中，在岩石中多 呈晶粒状。伴生矿物为角 闪石、斜长石、辉石等， 较角闪石难风化，风化物 为粘土矿物，富含Fe。
普通辉石
橄揽石(Mg,Fe)2SiO4
橄榄石呈粒状集合体出现，橄 榄绿色，玻璃光泽或油脂光泽。 橄榄石为超基性岩的主要组成矿 物，伴生矿物为斜长石、辉石， 不与石英共生，易风化，风化产 物有蛇纹石、滑石等。
易发生物理崩解，很发生化学分解，为土壤提供钾。
橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4]： 橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.5～7。
富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。
（2）原生矿物的特点 ①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。
② 土壤中原生矿物类型和数量多少在很大程度上决 定于矿物的稳定性。如，石英是极稳定的矿物，具 有很强的抗风化能力，因而土壤的粗颗粒中，其含 量就高。
（二）岩石的矿物组成
构成岩石的矿物称为造岩矿物，包括石英、 长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石等十 几种。
石英
一般为白色透明，含有杂质时呈其他颜 色 。石英是最主要的造岩矿物，分布 最广，为酸性岩浆的主要成分，在沉积 岩和变质岩中也常见。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。石英的伴生矿物是云母、长石。
主要来源。
石膏 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。
CaSO4·2H2O8
二、土壤矿物质的化学组成及矿物组成
（一）土壤矿物质的化学组成 由于土壤矿物质来自于岩石的风化，所以土 壤矿物质的化学组成与岩石的化学组成有相 似之处，但也存在一定的区别。
石英硬度大，化学性质稳定，不易风化， 岩石风化后，石英形成砂粒，含砂粒多 的土壤，含盐基少，形成的母质养分一 般贫Βιβλιοθήκη Baidu，酸性也较强。
正长石 KalSi3O8
晶体短柱状，肉红色、浅黄 色、浅黄红色等，玻璃光泽， 完全解理，硬度6.0。正长石 在岩石中呈晶粒，长方形的 小板状，板面具有玻璃光泽。 伴生矿物为石英、云母等。 正长石易风化，风化后形成 粘土矿物高岭石等，可为土 壤提供大量K养分。正长石 类 矿 物 一 般 含 氧 化 钾 16.9 ％ 。
（2）作为植物必需营养元素含量低。 例如，其中的磷、硫均不到0.1%，而氮只有0.01%。
（3）岩石中的植物必需营养元素不仅含量低，而且这些营 养元素都以难溶的化合物形式被封闭在坚硬的岩石中。
2. 地壳如何变成具有肥力的土壤？
坚硬的岩石必须经过破碎分解而成为母质， 植物营养元素才可能被释放、被集中，水分 与空气才可能通过和贮存，从而肥力才有可 能发生和发展，土壤才有可能形成。
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
O
47.0
49.0 Mn 0.10 0.085
Si
29.0
33.0
P
0.093 0.08
Al
8.05
7.13
S
0.09 0.085
Fe
4.65
3.80 C 0.023 2.0
Ca
2.96
1.37 N
0.01
0.1
Na
2.50
云母类因化学成分不同而分为白云母和黑云母。
黑 云 母 KH2(Mg ， Fe)3AlSi3O12 深 褐 色或黑色，其他性 质同白云母。
黑云母主要分布在 花岗岩、片麻岩和 结晶片岩中，伴生 矿物是石英、正长 石等。黑云母较白 云母易于风化，风 化物为碎片状。
白云母KH2Al3Si3O12 常 见片状、鳞片状。白云 母无色透明或浅色（浅 黄、浅绿）透明。极完 全解理，薄片具有弹性， 珍 珠 光 泽 ， 硬 度 2.03.0。
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。
普通角闪石 Ca(Mg,Fe)3Si4O12
角闪石呈细长柱状，深绿至黑色， 玻璃光泽，完全解理，硬度5.0～ 6.0，角闪石主要分布在岩浆岩和 变质岩中的片麻岩和片岩中。在 岩石中呈针状或纤维状。伴生矿 物为正长石、斜长石和辉石，角 闪石易风化，风化产物为粘土矿 物。
（1）概念 土壤中的次生矿物，是在岩石的风化和成土过程 中，由原生矿物经化学蚀变或由其分解产物重新 合成的新生矿物。
（2）特点
①通过电子显微镜对其外部形态进行观察可以清 楚地看出，次生矿物可呈板状、小球状及短栅状 等各种形状。
②从其内部的构造及成份来看，它们大都为层状硅 酸盐，故有时也称为次生层状硅酸盐矿物。
③ 土壤原生矿物是植物养分的重要来源。原生矿物 中含有丰富的Ca、Mg、K、Na、P、S等常量元素 和多种微量元素，经过风化作用释放供植物和微生 物吸收利用。
土壤 矿物 的风 化及 稳定 性序 列图
（3）原生矿物（对土壤肥力）的作用：
A. 构成土壤的“骨架”；——粗的土粒 土壤中的原生矿物主要存在于粗粒组分中，粒径为 1-0.01毫米的砂粒和粉砂粒几乎都是原生矿物。 B. 风化后释放出营养元素。土壤原生矿物也是土壤 中各种化学元素的最初来源。 另外，由于原生矿物颗粒较粗，比表面积小，所以 它们给土壤带来疏松通透的物理性质。
1、原生矿物（ primary minerals ）
（1）原生矿物的概念 自然界中，矿物的种类很多，其中长石、石 英、辉石、角闪石、云母等数种矿物是构成 岩石的主要矿物，称为造岩矿物，它们约占 大陆岩石圈的90%。
在风化成土过程中未改变化学组成的原始造 岩矿物，称为原生矿物。 原生矿物主要是一些抗风化能力较强的造岩 矿物，其中大部分为石英和长石类矿物。此 外，还包括云母、角闪石及辉石等。 岩浆岩是其主要来源。
1.67 Cu 0.01 0.002
K
2.50
1.36 Zn 0.005 0.005
Mg
1.37
0.60 Co 0.003 0.0008
Ti
0.45
0.40
B
0.003 0.001
H
（ 0.15 ）
?
Mo 0.003 0.0003
具体来看，土壤矿物质的化学组成有以下 三个特点：
（1）O、Si是含量最多的两种元素，Al、 Fe次之。它们分别占土壤矿物质重量的 49%、33%、7.13%和3.80%。上述四种元 素相加共占土壤矿物质重量的92.93%。
（3）两者的区别之处就在于：
与岩石相比，有的化学元素在成土过程中增 加了，而有的则显著下降了。
例如，与岩石相比，土壤矿物质中O、Si、C、N等元 素的含量增加了，而Ca、Mg、K、Na等元素的含量则 显著下降了。
（二）土壤矿物质的矿物组成
土壤矿物质按照来源的不同，可以分为 原生矿物和次生矿物两大类。
土壤中 0.085 0.08 0.085
2.0 0.1 0.002 0.005 0.0008 0.001 0.0003
1. 地壳元素组成的特点
（1）地壳中的元素以氧、硅、铝、铁四种 元素为主。其中又以氧和硅的含量最多，分 别占地壳重量的47%和29%；铝和铁次之， 分别占地壳重量的8.05%和4.65%。所以，在 组成岩石的各种化合物中，绝大多数是含氧 化合物，其中又以硅酸盐最多。