第一章 土壤母质与矿物质

图 01 ＊ 04 水 云 母 （ 伊 利 石 ） 结 构 示 意 图
4、 绿泥石组



这类矿物以绿泥石为代表，绿泥石是富 含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物， 具有以下特性： （1）2:1:1型晶层结构 （2）同晶替代较普遍 土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来， 但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。 沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。
三、风化作用


岩石、矿物的风化作用，是指露出地表 的岩石、矿物，遇到和它形成时很不相 同的外界条件，使其内部的构造、成分 和性质发生变化的作用。 风化作用的类型：物理风化、化学风化、 生物风化。
1、物理风化作用

物理风化作用又称机械崩解作用，其特 点是岩石因冰冻或胀缩而被机械破碎成 大小不等的碎屑，但化学成分不变，使 岩石获得了通气透水性能。
二、主要成土矿物



（1）长石类矿物（包括正长石和斜长石） （2）云母类矿物（包括白云母和黑云母） （ 3 ）角闪石与辉石类矿物（铁镁矿物，属于 偏硅酸盐矿物） （4）石英矿物（SiO2） （5）氧化铁类矿物 ：赤铁矿（Fe2O3）、磁 铁矿（Fe3O4） 、黄铁矿（FeS2） 。 （6）磷酸盐类矿物 ：磷灰石等。 （7）方解石（CaCO3） （8）次生粘土矿物（高岭石组、蒙脱石组等）
一、土壤矿物质的主要元素组成



土壤中矿物质，主要由岩石中矿物变化而来。 表01－01列了地壳和土壤的平均化学组成， 从表1中可见： （1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多的 二种元素，分别占了47%和29%，两者合计占地 壳重量的76.0％；铁、铝次之，四者相加共占 88.7％的重量。在组成地壳的化合物中，极大 多数是含氧化合物，其中以硅酸盐最多。 （2）在地壳中，植物生长必需要的营养元素 含量很低，其中如磷、硫均不到0.1%，氮只 有0.01％，而且分布很不平衡。
二、我国土壤粘土矿物分布规律

中科院南京土壤研究所根据我国不同地区、山地 高原和平原丘陵地带土壤粘土矿物组成，将我国 土壤粘土矿物分布划分为7个区： 1、水云母区：新疆、内蒙高原西部、柴达木盆 地、青藏高原大部。


2、水云母－蒙脱石区：内蒙高原东部、大小兴 安岭、长白山地和东北平原大部。
3、水云母－蛭石区：青藏高原东部边缘山地、 黄土高原和华北平原。
（二）硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性

1、高岭组： 1 : 1型矿物，包括高岭石、珍
珠陶土、迪恺石、埃洛石等，具有以下特点： （1） 1 : 1型的晶层结构 （2）非膨胀性 （3）电荷数量少 （4）胶体特性较弱


高岭组粘土矿物大量存在于我国南方热 带和亚热带土壤中（红、黄壤等）
2、蒙蛭组

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。

地壳中的岩石可分为岩浆岩（火成岩）、沉积 岩和变质岩三大类（成土的主要岩石）。



火成岩由岩浆侵入或喷出后冷凝所形成， 它们含有石英、长石、深色矿物（如黑 云母、辉石、角闪石等原生矿物），一 般说来，含Fe、Mg深色的辉长岩、玄武 岩比其它浅色花岗岩等岩石更易风化。 岩浆岩主要有花岗岩、流纹岩、正长岩、 玄武岩、橄榄岩等。 沉积岩是由岩石风化物经搬运、沉积再 胶结而形成的。
六、土壤母质的类型（续）


5 湖积体 ；6 风积体；7滨海沉积体 8 黄土母质 ： 黄土是第四纪的一种特殊沉积物，据统计，全 球陆地上有 4% 的面积被黄土覆盖，我国是世 界上最大的黄土覆盖区，面积达37万平方公里 以上，除部分为风积的原生黄土外，大部分均 为流水搬运而再沉积的次生黄土。 黄土的颜色为淡黄色或暗黄色，质地轻且疏松 多孔，通透性好。黄土通常是粉砂质的易受侵 蚀，有直立性，能形成很高的峭壁，柱状结构 发达，矿物成分以石英占优势，粘粒矿物以蒙 脱石及伊利石为主。
物理风化主要是由温差引起岩石的热力 学变化。

冰的冻结
气温变化
风蚀柱示意图
风蚀蘑菇示意图
2．化学风化作用


化学风化作用是指岩石在水和空气（主要是 CO2、O2）的参与下进行的溶解作用、水化 作用、水解作用、氧化作用等的总称。 其特点是岩石在物理风化的基础上，岩石可 进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物发生 化学成分和矿物组成的变化，产生在地表条 件下比较稳定的次生矿物。
第二节 土壤矿物质的矿物组成和化学 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。土壤矿物是土壤 的主要组成物质，一般占土壤固相部分 重量的95-98%左右。 土壤矿物质的组成、结构和性质如何， 对土壤物理性质、化学性质、以及生物 与生物化学性质均有深刻的影响。
硅氧四面体 (SiO4)4-
铝氧八面体 (AlO6)9-
2、单位晶片
图01－02 硅氧四面体在平面 图上相互连接成硅片图形
图01－03 铝氧八面体在平面 上相互连接铝片图形
3、单位晶层



硅氧片顶端的氧仍然带负电荷－n(Si4O10)4-； 铝氧片两层氧都有剩余的负电荷－n (Al4O12)12-； 硅片和铝片都带负电荷，不稳定，它们相互重 叠化合形成层状铝硅酸盐的单位晶层。 两种晶片的配合比例不同，可构成1:1型、2 : 1型和2 : 1 : 1型晶层。
似 斑 状 花 岗 岩
粗 粒 花 岗 岩
流纹岩
气孔状玄武岩
竹 叶 状 灰 岩
花岗片麻岩
大理岩
二、主要成土矿物




按矿物成因不同可分为原生矿物和次生矿物两 大类。 原生矿物是指由熔融的岩浆直接冷凝所形成的 矿物，如长石、石英、云母等。 次生矿物是原生矿物经风化变质作用后，改变 了其形态、性质和成分形成的新矿物。 与土壤矿物质组成密切相关的矿物叫成土矿物， 主要的成土矿物有以下几类 ：
长 白 山 天 池 旁 的 玄 武 岩风化
3．生物风化作用


生物风化是指岩石和矿物在生物影响下发生的 物理的和化学的变化。 生物风化作用具有重要意义，没有生物的生命 活动，就不可能补充大气中的CO2；没有CO2， 化学风化就不能迅速地进行。土壤中为数巨大 的微生物的生命活动，每年产生大量的CO2， 从而加强了岩石的化学风化作用的进行；更重 要的是生物风化作用不仅使岩石破碎、分解， 而且能积聚养分，累积有机质并不断提高土壤 肥力。
第一节 土壤母质


一、 几种主要岩石类型 岩石的风化产物就是土壤母质（或称成 土母质）。 母质是形成土壤的基本物质，构成土壤 的“骨架”。它既区别于土壤，又对土壤形 成和肥力发展有着深刻的影响，母质的 很多性状都遗传给了土壤。

岩石是由矿物所构成，是矿物的天然集合体，
土壤母质来源于岩石、矿物的风化产物。
六、土壤母质的类型


1 残积体；2 坡积体；3 洪积体 4 冲积体 ： 冲积体是风化的碎屑物质，经河流常年性流水 的侵蚀、搬运、沉积在河流两岸的沉积物。 冲积物最明显的特征是：垂直剖面上层次分明， 层间界线清晰而整齐，每层内或砂或粘，磨圆 度高，粗细均一。在水平分布上，距河床愈近， 沉积物愈粗，越远越细。
图01－05 绿泥石结构示意图
二、非硅酸盐粘土矿物





土壤粘土矿物组成中，除层状铝硅酸盐外，还 含有一类结构较简单、水化程度不等的铁、锰、 铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石。 常见氧化物：氧化铁（针铁矿α-FeOOH、赤 铁矿α-Fe2O3 ）； 氧化铝（三水铝石Al(OH)3）； 水铝英石（xAl2O3 · ySiO2 · nH2O）； 氧化硅（α-石英；蛋白石SiO2 · nH2O）。
第三节 我国土壤粘土矿物分布规律



一、风化和成土作用与粘土矿物组成的关系 粘土矿物是在风化及成土过程中新生成的次生 矿物。 其类型分布一方面受母岩、母质的矿物学组成 的影响，另一方面又和风化、成土条件有密切 关系。 不同环境下，气候、生物、母质、地形等因素 的影响不同，粘土矿物组成和数量就具有不同 的特点。一般随气候、生物纬度的变化而具有 纬度地带性。





又称为2 : 1型膨胀性矿物，包括蒙脱石、蛭石、 绿脱石、拜来石等。 （1） 2 : 1型的晶层结构 （2）胀缩性大 （3）电荷数量大，阳离子交换量80150cmol/kg （4）胶体特性突出 蒙脱石在我国东北、华北和西北的土壤中分布 较广。
3、 水化云母组





又叫2:1型非膨胀性矿物或伊利组矿物，具有 以下特征： （1）2:1型晶层结构 （2）无膨胀性 （3）电荷数量较大 （4）胶体特性一般 伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华 北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中 含量很低。
2．易溶于水的简单盐类

这些盐类物质都是植物的矿质营养元素的 最初来源，而母质中含盐基的数量也是影 响土壤肥力的一个十分重要的因素。 如 K2CO3 、 Ca(HCO3)2 、 Mg(HCO3)2 、 Ca(H2PO4)2等。

3．形成各种不同风化程度的次生矿 物

次生矿物的形成，是风化作用由量变到质变的 主要特征，是化学风化和生物风化作用的结果。 次生矿物颗粒大小一般均<0.001mm，大多 数呈胶体分散状态存在。由于颗粒小，有巨大 的表面积和表面能，它就是使母质产生吸附能 力的原因，由此也产生一定的粘结性、可塑性 和毛管现象，可使水分、养分在一定程度上得 以保蓄，为土壤肥力的发展创造了必要条件。
植物根的机械破坏作用
砂岩中的生物风化
石灰岩中的生物风化
四、 风化作用的产物


岩石矿物遭到风化后，逐渐破碎成松散 物质，产生了三种风化产物。 1．风化残体 在风化过程中，一些难风化的矿物如石 英、白云母和一部分长石被保留下来， 由它们构成风化残积物的主体，成为土 壤固相粗土粒的主要来源。




如花岗岩风化形成的石英砂沉入海底经 地质变化胶结成的岩石，称为砂岩。 同样，粘土胶结成为页岩，如粘土中混 杂有砾石则形成砾岩，组成石灰岩的矿 物是方解石。 变质岩是火成岩或沉积岩在高温、高压 下发生质变而形成的。 如花岗岩变质形成片麻岩、砂岩和页岩 变质形成石英岩和板岩，石灰岩变质可 形成大理岩，纯白色的大理岩称为汉白 玉。
4、同晶替代




同晶替代是指组成矿物的中心离子被电性相同、 大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的 现象。 粘土矿物的中心离子Si4+可被Al3+替代， Al3+ 被Mg2+替代，从而使得晶体带上负电荷。 同晶替代现象在2 : 1型和2 : 1 : 1型的粘土矿 物中较普遍。 同晶替代的结果使土壤产生永久电荷。
表01-02 土壤中主要的原生矿物组成
第三节 粘土矿物




一、层状硅酸盐粘土矿物 （一）构造特征 1、基本结构单位 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位 是硅氧四面体和铝氧八面体。 硅氧四面体基本的结构是由一个硅离子（Si4+） 和四个氧离子(O2-)所构成。 铝氧八面体基本的结构是由一个铝离子(Al3+) 和六个氧(O2-)离子(或氢氧离子)所构成。

我国土壤粘土矿物分布规律（续）




4、水云母－蛭石－高岭区：秦岭山地和 长江中下游平原。 5、蛭石－高岭区：四川盆地、云贵高原、 喜马拉雅山东南端。 6、高岭－水云母区：浙、闽、湘、赣大 部和粤、桂北部。 7、高岭区：贵州南部、闽粤东南沿海、 南海诸岛及台湾。
小结


一、概念：岩石、矿物的风化作用；土壤原生 矿物；土壤次生矿物；同晶代换（作用） 二、成土的主要岩石类型？ 三、风化作用的类型及产物？ 四、土壤母质的类型有哪些？ 五、土壤矿物质的元素组成特点？ 六、土壤矿物质的矿物组成特点？ 七、层状铝硅酸盐粘土矿物的种类及其特性？
表01-01 地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
图01-01 为土壤的化学组成
二、土壤的矿物组成

Biblioteka （一）土壤的原生矿物和次生矿物 土壤矿物按矿物的来源，可分为原生矿物和次 生矿物。 土壤原生矿物是指那些经过不同程度的物理风 化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿 物。它们主要分布在土壤的砂粒和粉砂粒中。 土壤次生矿物是在风化及成土过程中新生成的 矿物。由原生矿物分解转化而成。粘粒主要由 次生矿物组成，故次生矿物也叫粘土矿物。