土壤组成

第二节土壤组成

土壤是由固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分）、气相（土壤空气）等三相物质组成的，它们之间是相互联系、相互转化、相互作用的有机整体。从土壤组成物质总体来看，它是一个复杂而分散的多相物质系统。固相主要是矿物质、有机质，也包括一些活的微生物。按容积计，典型的土壤中矿物质约占38％，有机质约占12％。按重量计，矿物质可占固相部分的95％以上，有机质约占5％左右。典型土壤液相、气相容积共占三相组成的50％。由于液相、气相经常处于彼此消长状态，即当液相占容积增大时，气相占容积就减少，气相容积增大时，液相所占体积就减少，两者之间的消长幅度在15—35％之间（图1－6）。

一、土壤矿物质

土壤矿物质是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”。土壤矿物质主要来自成土母质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大类。

（一）土壤矿物质的类型及性质

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，其原来的化学组成和结晶构造均未改变。

土壤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。土壤中的粉砂粒、砂粒几乎全是原生矿物（图1-7）。土壤的原生矿物，除构成土壤的大小颗粒外，还是土壤中各种化学元素的最初来源，它的类型和它的相对稳定度及其化学成分如表1－2。

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：土壤原生矿物中以硅酸盐、铝硅酸盐类占绝对优势，一般为晶质矿物。常见的有长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等类。

（1）长石类长石类矿物占地壳重量的50—60％，占土壤重量的10—15％，是岩石中分布最广的一类矿物。从化学成分上看，长石是钾长石（KAlSi3O8）、钠长石（NaAlSi3O8）和钙长石（CaAl2Si2O8）的固溶体。K、Na含量多而Ca少的称碱性长石，Ca和Na多而K少的为斜长石。自然界纯钾长石很少，大多含有部分钠长石。长石风化可产生高岭石，二氧化硅和盐基物质（如钙、钾、钠等）。钾长石含氧化钾16.9％，是土壤中钾素的重要来源。

（2）云母类占岩浆岩矿物4％，常见的有白云母［KH2Al3（SiO4）3］和黑云母［KH2（MgFe）3 Al （SiO4）3］。此外，还有金云母［KMg3（AlSi2O10）（OH）2］、钠云母［NaAl2（AlSi3O10）（OH）2］、锂云母［KLi2Al（Si4O10）（OH）2］等。白云母和黑云母在理论上含K2O分别为118克每千克和

100克每千克左右，与钾长石的情况相似，天然云母的含钾量常低于理论值。云母类易于风化，是土壤钾素主要来源，同时亦释放许多微量元素。

（3）橄榄石类呈橄榄绿色，是含铁、镁而不含铝的硅酸盐。通式为［（Mg、Fe）2SiO4］，含多种微量元素。常见的有：镁橄榄石（Mg2SiO4）、铁橄榄石（Fe2SiO4）、橄榄石［（Mg、Fe）2SiO4］、锰橄榄石（Mn2SiO4）、钙镁橄榄石（CaMgSiO4）、绿粒橄榄石（CaMnSiO4）、硅铅锌矿（PbZnSiO4）等，在氧化条件下，由于亚铁氧化促使晶格破坏，所以极易风化。

（4）辉石、角闪石类约占岩浆岩重量的16.8％，属偏硅酸盐类，颜色从绿到黑，是构成岩浆岩中暗色矿物的主要成分。辉石是单链，通式是［R2（Si2O6）］；角闪石是双链，通式是［R7（Si8O22）（OH）2］。R代表联结各硅氧链的阳离子，主要是2价的Mg、Fe、Ca，其次是Al3+、Fe3+、Na+，有时还有Ti4+、Mn2+、K+、Li+等。其中普通辉石［Ca（MgFeAl）（SiAl）2O6］和角闪石在土壤中比较丰富。它们的铁、镁、钙等含量都很高。

2）氧化物类矿物：包括石英（SiO2）、赤铁矿（Fe2O3）、金红石（TiO2）、蓝晶石（Al2SiO5）、锆石（ZrSiO4）、电气石［Na（MgFe）3 Al6（BO3）3Si6O18（OH，F）4］等。它们都极稳定，不易风化、对植物的养分意义不大。其中，石英是土壤中分布最广的一种矿物，约占地壳重量的12.6％，为砂粒的主要成分。赤铁矿是热带、亚热带土壤中常见的矿物，使土壤呈红色。它很易受到水化，其水化物又常使土壤呈明显的黄、褐、棕等色调，蓝晶石、锆石、电气石等均为很难风化的矿物，能长期存留于土壤之中。

3）硫化物类矿物在土壤中通常只有铁的硫化物矿物，即黄铁矿和白铁矿，两者是同质异构物，黄铁矿属等轴晶系，白铁矿属斜方晶系，分子式为FeS2。它们极易风化，成为土壤中硫素的主要来源。

4）磷酸盐类矿物磷灰石在自然界以氟磷灰石［Ca5（PO4）3F］最为常见，Cl、OH代替F多的分别称为氮磷灰石、羟磷灰石。当F、Cl、OH比例相等时，磷灰石的化学组成是：55.38％CaO，42.06％P2O5，1.25％F，2.33％Cl，0.56％H2O。常见Ca、Mg、Na等混入。同时，CO3，OH，SO3，SiO4也可代替部分PO4。它们是土壤中无机磷的重要来源。

2．次生矿物次生矿物是由原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其化学组成和构造都经过改变，而不同于原来的原生矿物。次生矿物是土壤物质中最细小的部分（粒径＜0.001毫米），具胶体的性质，所以又常称之为粘土矿物或粘粒矿物，它是土壤固体物质中最有影响的部分，影响着土壤许多重要的物理、化学性质，如吸收性、膨胀收缩性、粘着性等。因而无论在土壤发生学，或是农业生产上，都具有重要意义。根据其组成、构造和性质可分为三类：简单盐类、次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，它们都是原生矿物经化学风化后的最终产物，结晶构造都较简单，常见于干早和半干旱地区的土壤中。

2）次生氧化物矿物常见的有：

（1）氧化铁和氢氧化铁类：褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）是含水氧化铁，广泛分布于土壤和风化壳中，使土壤呈棕褐、橘红和红色。

赤铁矿（2Fe2O3）赤铁矿可承自母质，也可在温暖地带的土壤中由氢氧化铁沉淀而成，色赭红，常与针铁矿共生于红色土壤中。干热地区，土壤通气性好，有利于赤铁矿生成。在有机质丰富的土壤中，母质中的赤铁矿易还原转变为针铁矿。

磁赤铁矿（γFe2O3）原生磁铁矿氧化或纤铁矿脱水都可生成磁赤铁矿，常与赤铁矿共生，使土壤呈红棕色。常见于热带、亚热带岩浆岩高度风化的土壤中。

针铁矿（2FeOOH）针铁矿生成的pH范围很宽，从pH3—10以上，几乎所有的土壤类型中都含有针铁矿，它使土壤染成黄-棕褐色。CO2和亚铁离子有利于针铁矿生成，菱铁矿氧化可转变为针铁矿，常成丛聚集。一水硬铝石（2AlOOH）和斜方水锰矿（2MnOOH）的结构与针铁矿相同，针铁矿中常含有不少铝和锰。

纤铁矿（γFeOOH）它比针铁矿少见，常存在于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内尤为常见，呈鲜亮的橙色斑纹，晶体为边缘不齐的板条状。在热带土壤中纤铁矿往往为磁赤铁矿所代替。

水铁矿（Fe2O3·nH2O）当高铁化合物快速水解时，产生棕色胶状沉淀中有些稍具赤铁矿结构的微晶，称水铁矿。亚铁溶液经铁细菌作用，加速氧化时也可生成水铁矿。有机质丰富的寒温带土壤中可存留较多的水铁矿。

（2）氧化铝矿物：次生氧化铝矿物中的铝来自含铝硅酸盐矿物的风化，按加热脱水的表现，次生氧化铝矿物分为一水型氧化铝（Al2O3·H2O）和三水型氧化铝（Al2O3·3H2O）。一水氧化铝在热带土壤和石灰岩风化土壤中偶尔可得到。三水氧化铝普遍存在于灰化土，湿热气候下的砖红壤、赤红壤和黄壤。它是含铝矿物在强烈淋溶条件下高度风化的最终产物，比高岭石还稳定。

（3）氧化锰矿物：土壤中常见为MnO和MnO2，氧化高价锰（MnO2）更为常见。在土壤结构表面上呈棕、黑色胶膜，或呈结核状存在。

（4）次生氧化硅：主要指氧化硅凝胶和蛋白石（SiO2·nH2O）。土壤溶液中氧化硅在酸性介质中可由单体聚合为凝胶，凝胶老化时缩合为蛋白石。蛋白石包裹着许多有机和无机杂质，使它呈现彩色。蛋白石进一步脱水可成隐品质的石英或方英石——玉髓。来源于生物的蛋白石，可作为埋藏土层和古地理环境的指示矿物，包裹在植物蛋白石中的有机碳可用来测定土壤的年龄。

3）次生铝硅酸盐类包括伊利石、蒙脱石、高岭石等。它们是构成土壤粘粒的主要成分。

铝硅酸盐粘土矿物的晶体是由硅氧四面体片和锅氧八面体片两种基本晶片连接而成的薄片层状结晶体。

硅氧四面体，是由四个氧原子围绕一个硅原子，形成具有四面构造而得名。一系列的硅氧四面体通过共同氧原子联结成平面，形成一个片状的四面体层，或称硅氧片（图1-8）。