第二节土壤组成课件.ppt

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1、第一节 土壤形态第二节 土壤组成第三节 土壤性质,第一章 土壤剖析,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 地壳和土壤的平均化学组成（重量%）,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

2、物（图1-7）。 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

3、、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。,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

4、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 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

5、）氧化铁和氢氧化铁类：褐铁矿(2Fe2O33H2O)：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(Fe2O3)：原生磁铁矿氧化或脱水后形成，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(FeOOH)：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(Fe2O3nH2O)：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）

6、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。（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。,硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法,3）次生铝硅

7、酸盐类a. 基本结构单位硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）,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,硅片（硅氧片）图示法,铝片（水铝片）图示法,b. 单位晶片：硅氧四面体 -硅层；铝氧八面体-铝层,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,同晶

8、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 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,例：某土壤粘粒部分SiO2含量为41.89%，Al2O3含量33.27%，Fe2O3含

9、量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率。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) 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 同晶替代极少 (4) 颗粒较大（有效直径0.22m） 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱,B.蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、蛭石等 特点

10、： (1) 2:1型 单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 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0.962.14nm 蛭石0.961.45nm (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 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

11、(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨胀性 晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1.0nm (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： (1) 2:2型三八面体，化学式为MgFeAl)12(SiAl)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Al

12、3+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 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

13、风化中比较普遍。,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 CaSO42H2O 水解作用脱盐基: K2Al2Si6O16+H2CO3 KHAl2Si6O16+KHCO3脱硅 H2Al2Si6O16+H2CO3 H2Al2Si2O82H2O+4SiO2+CO2富铝化作用 H2Al2Si2O82H2O 2Al(OH)3+2H2SiO3氧化作用 FeS2 FeSO4 Fe2(SO4)3 Fe(OH)3,（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、

14、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。 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。,（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

15、 （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。 SiO2nH2O 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 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/Al2O33，可形成2:1型矿物 当溶胶SiO2/Al2O33，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物,粘土矿物的来源：,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

16、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,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） 迁移系数 淋溶率,淋溶率 残积风化壳中，淋溶率指数小，淋溶率高；堆积风化壳的指数高于标准值，淋溶率较低。 风化指数对岩石和风化壳中残余稳定和不稳定风化物含量的对比，确定风化度大小。R0、R1分别为未风化岩石和研究岩层中氧化物的含量；S0、S1为未风化岩石和研究风化壳或土壤中标准氧化物的含量。,4、我国土壤粘土矿物分布规律 （表1-5） 全国分为7个分布区 北方以水云母（伊利石）为主 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4区) 南方西部蛭石和高岭石为主的分布区 南方以高岭石为主 西北和青藏高原水云母区，土壤风化程度最低 华南高岭区土壤风化程度最高,