第一章第二节 土壤组成 - 土壤矿物质

富铝化阶段：风化最后阶段，铝硅酸盐分解出
的硅酸大量淋失，氧化铝和氧化铁富集，粘土矿物 以高岭石、水铝石和赤铁矿为主，呈砖红色。
粘土矿物的来源： （1）原生矿物风化淋溶直接演变
+H2O，-K -K -Mg -Si -Si
云母类
伊利石
蛭石
蒙脱石
高岭石
三水铝石
（2）风化沉淀（自然合成）
原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。
蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4
(2) 膨胀性大
晶层以分子引力联结，晶层间距： 蒙脱石0.96～2.14nm 蛭石0.96～1.45nm
(3) 电荷数量大
同晶替代现象普遍
(4) 颗粒较细，呈片状
可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，吸收水分的力强，不利于植物吸 水，干燥时发生剧烈收缩，对耕作不利
不同原生矿物的相对稳定性与其化学成分密切
相关，如下表：
土壤原生矿物种类主要有：硅酸盐、铝硅酸盐类 矿物、氧化物类矿物、硫化物和磷酸盐类矿物。
1）硅酸盐、铝硅酸盐类矿物：包括长石、云母、
辉石、角闪石和橄榄石等。
长石类：钾长石、钠长石和钙长石；是岩石中分布 最广的一类硅铝酸盐类矿物。 云母类：白云母、黑云母，铝硅酸盐类矿物，易
硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104- ）
硅氧四面体
硅氧四面体的构造图示法
铝氧八面体(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44- )
铝氧八面体
铝氧八面体的构造图示法
b. 单位晶片：硅氧四面体 -硅层；铝氧八面体-铝层
硅片（硅氧片）图示法
铝片（水铝片）图示法
SiO2· nH2O 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3· nH2O， Fe2O3· nH2O 带正电荷，碱胶基 盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液pH，并参与矿物形成
正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物
沉淀 老化、结晶
溶胶
凝胶（非晶质）
结晶质
当溶胶SiO2/Al2O3＞3，可形成2:1型矿物
原生矿物的主要特征：
1、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。
2、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。
3、原生矿物是植物养分的重要来源
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。
1.原生矿物
土壤原生矿物是指各种岩石受到不同程度的 物理风化，而未经化学风化的碎屑物，原来的 化学组成和结晶构造未变。 原生矿物的种类和含量，随母质的类型、风化 强度和成土过程的不同而异。土壤中粉沙粒和砂 粒基本都是原生矿物（图1-7）。
Ca、Mg、K、P、S等
2.次生矿物
土壤次生矿物是原生矿物风化后重新组成的，
其化学组成和构造发生改变。主要包括土壤物质中
最细小的部分(粒径小于10微米)，呈胶体性质， 又称粘土矿物或粘粒矿物。 次生矿物有活动的晶格，有强烈的吸附代换性能， 土壤固体物质最有影响力的部分，对土壤吸收性 膨胀收缩性、粘着性等均有影响。 根据组成、构造和性质可分三类：简单盐类、次
3、矿物风化程度的度量指标
土壤矿物分解程度越高，化学元素的淋溶迁移作用越强。
硅铝比率(摩尔数之比）
SiO 2 Al2O3 Fe2O3
迁移系数
K km
任一土层或风化层的 K 2O/Al2O3 母质层或母岩层的 K 2O/Al2O3
同晶替代
指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其 它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。
发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷
4）硅酸盐矿物的种类 A. 高岭(石)组(Kaolinite )
包括高岭石、埃洛石等
特点： (1) 1:1型 单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8
SiO2/Al2O3=4/2=2
生氧化物类和次生铝硅酸盐类。
1）简单盐类：包括各种碳酸盐、重碳酸盐、氯化 物等，是原生矿物风化的最终产物，结晶构造简单，
常见于干旱和半干旱地区的土壤中。
2）次生氧化物矿物 （1）氧化铁和氢氧化铁类： 褐铁矿(2Fe2O3· 3H2O)：土壤呈棕褐、橘红和红色。 赤铁矿(2Fe2O3)：温暖地带由氢氧化铁沉淀而成，在 有机质丰富的土壤，赤铁矿易还原为针铁矿。 磁赤铁矿(γFe2O3)：原生磁铁矿氧化或脱水后形成，
c. 单位晶格（晶层）
（1）1:1型 一层硅层与一层铝层重叠而成
1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图
（2）2:1型
两层硅层中间夹一铝层
2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图
（3）2:1 :1型（2:2型）
2:1型基础上增加一铝层(或镁层)
2:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图
可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中
土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，石灰性土壤中含量高，河流冲积物和变质岩的 冰碛物中较多
(二）土壤矿物质的迁移与转化
1.粘土矿物的形成过程 （1）粘土矿物形成途径
粘土矿物：即次生铝硅酸盐类，是风化和成土过程 中形成的次生矿物
风化过程：
物理风化
机械崩解，在温度变化、水分冻结、碎石 劈裂及风力、流水、冰川的摩擦力等物理因素 作用下，岩石矿物的分解过程。矿物本身的化 学性质和组成上均未发生变化，在干旱半干旱 地区的岩石风化中比较普遍。
(1) 2:2型
三八面体，化学式为Mg· Fe· Al)12(Si· Al)8O20(OH)16
(2)同晶替代现象普遍
硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+ 产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊
利石与高岭石之间
(3) 颗粒较小
当溶胶SiO2/Al2O3＜3，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物
2、粘土矿物的形成条件
粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高， 粘土矿物以1:1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁 率为2左右，属铁铝土 北方温带地区，粘粒矿物为各种2:1型(伊利石、 蒙脱石等)，粘粒硅铝铁率多在3以上。风化度低， 属硅铝土
化学风化： 水的溶解作用 Ca3(PO4)2+2H2O+2CO2 CaH4(PO4)2+2CaCO3 水合作用 CaSO4+2H2O CaSO4· 2H2O 水解作用 a.脱盐基: K2Al2Si6O16+H2CO3 KHAl2Si6O16+KHCO3 b.脱硅 H2Al2Si6O16+H2CO3 H2Al2Si2O8· 2H2O+4SiO2+CO2 c.富铝化作用 H2Al2Si2O8· 2H2O 2Al(OH)3+2H2SiO3 氧化作用 FeS2 FeSO4 Fe2(SO4)3 Fe(OH)3
硅铝铁率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3） 含量的分子比 硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比 硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比
计算其硅铝铁率、硅铁率。
例：某土壤粘粒部分SiO2含量为41.89%，Al2O3含量33.27%，Fe2O3含量11.85%，
土壤呈红棕色，热带、亚热带的高度风化土中。
针铁矿(2FeOOH)：所处酸碱度范围宽，几乎所有土壤 中均存在针铁矿，呈黄-棕褐色。 纤铁矿(γFeOOH)：比针铁矿少见，存在温带湿润地区
的非石灰性水成土内，特别是氧化-还原交替频繁的层 次或有机质含量多的土层尤为常见，呈橙色斑纹。
水铁矿(Fe2O3· nH2O)：高铁化合物水解产生的棕色胶体
沉淀，多存在于有机质丰富的寒温带土壤中。
（2）氧化铝矿物：
由含铝硅酸盐的风化脱水后形成，包括一水氧化铝和 三水氧化铝，前者少见，后者在灰化土、砖红壤、赤红 壤和黄壤中普遍存在。氧化铝矿物是含铝矿物强烈淋溶 条件下，高度风化的最终产物，较稳定。
（3）氧化锰矿物：
包括一氧化锰和二氧化锰，后者更常见，在土壤表 面呈棕、黑色胶膜或结核状存在。
蒙脱石在温带干旱地区土壤含量高，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中
C. 水云母(伊利石)组(Hydromica)（又称2 :1型非膨胀 性矿物） 特点：
(1) 2 :1型
单位晶胞化学式： K2(Al· Fe· Mg)4(Si· Al)8O20(OH)4· nH2O
SiO2/Al2O3:3～4 晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1.0nm
(2) 膨胀性小
晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键
(3) 电荷数量少
湿性、粘着性弱
同晶替代极少
(4) 颗粒较大（有效直径0.2～2μ m）
可塑性、粘结性、吸
B.蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、蛭石等 特点：
(1) 2:1型
单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4· nH2O
(2) 非膨胀性
(3) 电荷数量大
同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+ 中和，有效电荷量少于蒙脱石
(4) 膨胀、收缩和可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。
伊利石广布于一般土壤中，以温带干旱地区的土壤含量最多。
4、绿泥石组(Chlorite)
（以绿泥石为代表，富含镁、铁）
特点：
地壳中 土壤中
47.0 29.0 8.05 4.65 2.96 2.50 2.50 1.37 0.10 49.0 33.0 7.13 3.80 1.37 1.67 1.36 0.60 0.085
元素
P S C N Cu Zn B Mo
地壳中 土壤中
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
解： 41.89 33.27 SiO2的分子含量＝——— ＝0.698 Al2O3的分子含量＝——— ＝0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量＝——— ＝0.074 ——— ＝——————＝1.75 160 R2O3 0.326+0.074
硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力
（2）矿物分解的阶段： 碎屑阶段：物理风化阶段，风化初期，多发生
在温度变化剧烈的干燥地区
钙淀积阶段：Cl、S、Na淋溶，Ca、Mg、K
等在土壤或风化壳内聚集，粘土矿物以蒙脱石、云 母、方解石为主。主要在森林草原区和荒漠、半荒 漠地区。
酸性硅铝阶段：风化壳或土壤中淋溶作用下，
阳离子减少，相对富集了Si、Al和Fe组成的粘土矿 物，粘土矿物以高岭石、伊利石为主，湿润气候下 形成。包括Ca、Mg淋溶前的中性硅铝风化阶段和 淋溶后交换性H+和Al+存在的酸性硅铝风化阶段。
ห้องสมุดไป่ตู้
（4）次生氧化硅：
指氧化硅凝胶和蛋白石（SiO2 · nH2O)。由土壤中氧 化硅在酸性介质中聚合呈凝胶，凝胶老化后缩合成蛋白 石。蛋白石包含有机、无机杂质，呈彩色。 来源于生物的蛋白石可以作为埋藏土层和古地理环 境的指示矿物，其中植物蛋白石中的有机碳可用来测定 土壤的年龄。
3）次生铝硅酸盐类
a. 基本结构单位
风化，是土壤中K的主要来源。
橄榄石：含铁、镁的硅酸盐矿物，镁橄榄石、铁
橄榄石及绿橄榄石等，极易风化。
辉石、角闪石类：偏硅酸盐类，颜色呈绿色或黑色，
是岩浆岩中暗色矿物的组分。普通辉石和角闪石在土壤 中常见，Fe、Mg和Ca含量高。
2）氧化物类矿物：包括石英、赤铁矿、金红石、 蓝晶石、锆石、电气石等。极稳定，不易风化。其 中石英是土壤中分布最广的矿物，占地壳的12.6%， 以砂粒为主。赤铁矿则是热带、亚热带红色土壤的 成因。 3）硫化物类矿物： 黄铁矿和白铁矿，同质异构体。分子式：FeS2， 极易风化，土壤中硫的主要来源。 4）磷酸盐类矿物： 磷灰石以氟磷灰石最为常见，此外还有氯磷灰石 羟磷灰石，是土壤中无机磷的重要来源。
第一章 土壤剖析
第一节 第二节 第三节
土壤形态 土壤组成 土壤性质
第二节
土壤组成
一、土壤矿物质
学习重点
土壤矿物类型及其风化特征 土壤矿物质的迁移转化 矿物风化程度的量度指标
（一）土壤矿物质组成
元素组成
元素
O Si Al Fe Ca Na K Mg Mn
地壳和土壤的平均化学组成（重量%）