第02章 土壤矿物质

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。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
土壤中的原生矿物： –土壤中的石砾、砂粒几乎全是由原生矿 物组成的，多以石英为主； –粉粒绝大部分也是石英和原生硅酸盐类 矿物； –矿质颗粒愈粗，含石英和原生硅酸盐类 矿物愈多；反之，矿质颗粒愈细，含量 愈少，而次生矿物的含量则增加。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
硅氧四面体的结构:
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
硅氧四面体的结构:
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
铝氧八面体的结构:
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
铝氧八面体的结构:
同晶置换在次生矿物中较为普遍，是矿物和土 壤胶体电荷的主要来源。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
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+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。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
高岭石（kaolinite）族：
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 间以氢键相连，水化时基本不 膨胀。同晶置换少，CEC约15mmol/g。
• 高岭石（kaolinite） • 迪开石（dickite） • 珍珠石（nacrite）
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
同晶置换（isomorphous substitution）: –在部分矿物中，一些半径与硅相似的离子可代 替硅而进入四面体结构，如Al3+代替Si4+，导致 四面体结构的电荷不平衡，使得四面体产生一 个剩余负电荷。 –这种由一种离子替换另一种离子而晶格结构不 变，并产生剩余负电荷的现象称为同晶置换。
蒙脱石（montmorillonite）族：
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。 CEC约80-150mmol/g。水化时膨胀严重。
• • • • • •
叶蜡石（pyrophyllite） 滑石（talc） 蛭石（vermiculite） 皂石（saponite） 绿脱石（nontronite） 蒙脱石（montmorillonite）
第2章 土壤矿物质 Soil Mineralogy
蔡德利 资源与环境系 TsaiDeli@
主要内容
2.1 土壤的组成（Soil Components） 2.2 土壤矿物质（Soil Mineral Substance / 地学 基础，Foundation of Soil Geology） 2.3 岩石风化和土壤的形成（Rock Weathering & Soil Formation）
风化 矿物 岩石 土壤母质 土壤
书上的第一章和第七章的主要内容
2.1 土壤的组成（Soil Components）
/hses/SoilNSed/soil/pages/comp.htm
土壤三相（three phases of soil）：固相、液
相和气相
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
硅酸盐类矿物的结构: –大部分原生矿物是硅酸盐，它们的基本结构是 硅氧四面体，部分矿物中还有铝氧八面体。 –多个硅氧四面体或铝氧八面体通过共用氧连接 可形成链状、片状等不同的结构，可分别形成 称为硅氧片和铝氧片的片状结构。 –由硅氧片和铝氧片可产生种类繁多的矿物。
主要以粘粒的形式存在于土壤中，故称粘土矿 物（clay mineral）。如高岭石、蒙脱石、蛭石、 水化云母（伊利石）类等。
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2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
大多数土壤中的次生矿物主要是层状铝硅
酸盐矿物，其基本结构单元是铝氧片和硅 氧片。 按照硅氧片和铝氧片的结合比例，铝硅酸 盐矿物分为1∶1、2∶1、2：1：1等类型。
– 土壤是由固相、液相和气相三种物质组成的疏 松多孔体。 – 固相（soil solid phase）物质即固体土粒，约占 土壤总体积的50%，包括矿物质和有机质，矿 物质占总体积的45%以上，有机质占5%左右。
2.1 土壤的组成（Soil Components）
土壤三相（three phases of soil）： – 固相物质所构成的孔隙中分布着液相（soil liquid phase）和气相（soil air phase）物质。 – 液相物质即土壤水分，其中含可溶性物质。 – 气相物质即土壤空气。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
斜长石（plagioclase）：
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
白云母（muscovite）：
白云母，又称钾 云母，是土壤中 钾元素的来源之 一。黑云母也是 钾元素的矿物质（Mineral Substance）
2.1 土壤的组成（Soil Components）
固体土粒 矿物质 有机质
土壤
粒间空隙
土壤水分 土壤空气
土壤生物
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
2.2.1 矿物 2.2.2 岩石 2.2.3 地质作用（略）
原生矿物 矿物 次生矿物
特点； 类型； 结构.
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
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 – 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。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
次生矿物（secondary mineral）的特点 : – 抗风化能力强； – 颗粒细小，比表面积大； – 同晶置换普遍，结晶程度低； – 在土壤中呈明显的胶体性质，对土壤肥力的高 低起重要的作用。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
土壤中矿物的分类: – 原生矿物（primary mineral）是由地壳深处的岩 浆直接冷凝和结晶而形成的矿物。如石英、云 母、长石等。 – 次生矿物（secondary mineral）是在地壳中或地 表面，由原生矿物经风化和变质作用后，改变 了原来的形态、性质和成分，形成的新的矿物。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
伊利石（illite）族：
晶片结构类似蒙脱石，四面体 中的Si部分被Al取代，层间阳 离子为K+，K+嵌入四面体层的 六角孔隙，由于强烈的静电作 用使相邻晶片紧密结合。水化 时不膨胀，CEC＝0。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
原生矿物（primary mineral）的主要类型：
硅酸盐类矿物（大 部分）
(1) 长石类：正长石（KAlSi3O8，又称钾长 石 ） 、 斜 长 石 （ nNaAlSi3O8· mCaAl2Si2O8）。 (2) 云母类：白云母（KAl2Si3O10(OH)2，也称 钾云母）、黑云母（KH2(Mg· 3AlSi3O12）。 Fe) (3) 角闪石和辉石类，通称铁镁矿物，属偏硅 酸盐矿物。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
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。 – 2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧 原子面。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
矿物质是构成土壤的基本物质，是土体的
“骨架”。 矿物质是植物矿质营养的源泉，是全面影 响土壤肥力高低的一个决定性因素。
– 一般，体积占土壤总体积的45%以上； – 重量占土粒总重量的95%以上 。
矿物（mineral）是一类具有一定的化学组
成、物理性质和内部构造而天然存在于地 壳中的化合物或单质化学元素。
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
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。 – 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。
石英（SiO2）、铁矿类（赤铁矿、磁铁矿） 黄铁矿、黄铜矿、方铅矿 磷灰石（Ca5(PO4)3(F· Cl)）
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2 （氢）氧化物矿物 3 硫化物类矿物 4 磷化物类矿物
2.2 土壤矿物质（Mineral Substance）
正长石（orthoclase）：
正长石， 又称钾长 石，是土 壤中钾元 素的重要 来源。
– 土壤中还有活的生物。
2.1 土壤的组成（Soil Components）
理想土壤的组成：
• 固相、液相、气相物质之 间绝非各自孤立和不变， 而是始终处于相互联系、 相互制约和不断运动之中 的统一体。 • 三相物质存在的比例关系 及其运动发展状况都直接 影响着肥力，因此，是土 壤肥力的物质基础。
角闪石（hornblende）：
含盐基丰富， 化学稳定性低， 容易被彻底分 解。