土壤矿物质1
《土壤肥料学》第一章土壤矿物质-课后思考题解析
《土壤肥料学》第一章土壤矿物质课后思考题解析1、试比较不同类型风化作用的特点。
物理风华是指岩石因受物理因素作用而逐渐崩解破碎，但不改变其矿物组成和化学成分的过程。
物理风化的主要原因是地球表面温度的变化。
物理风化只能引起岩石形状大小的改变，而不改变其矿物组成和化学成分。
化学风化是指岩石在化学因素作用下，其组成矿物有化学成分发生分解和改变，直至形成在地表环境中稳定的新矿物。
引起化学风化的因素有水、CO2和O2等大气因素。
经溶解、水化、水解和氧化等作用后，进一步分解岩石，彻底改变原来的岩石内部矿物的组成和性质，并产生一批新的次生黏土矿物。
生物风化是指岩石和矿物在生物的影响下发生的物理和化学的变化。
特点是植物营养元素在母质表层集中，同时积累了有机质，发展了肥力。
2、试述岩石、母质、土壤三者的区别和联系。
岩石是指由一种或数种矿物组成的天然集合体。
母质是指岩石经风化作用而形成的疏松的、粗细不同的矿物颗粒的地表堆积体，是形成土壤的母体。
土壤母质是土壤形成的物质基础，构成土壤的骨架。
岩石经风化作用后形成母质，继续在有机物作用下形成土壤。
3、试比较不同土壤质地分类和特点。
国际制土壤质地分类是根据土壤中砂粒、粉粒和黏粒三种粒级的含量将土壤分四类12个质地名称。
卡钦斯基简制是根据物理性黏粒的含量以及不同土壤类型将土壤划分为三类9级。
我国土壤质地分类经过进一步演变，将土壤类型分为三类12级。
4、试述土壤质地与土壤肥力的关系。
砂质土捍卫砂粒多，黏粒少，粒间多为大孔隙，透水排水快，因而土壤持水量小、抗旱能力差；主要矿物为石英，养分贫乏，因缺少黏土矿物，保肥能力弱，养分易流失。
黏质土含砂粒少，黏粒多，毛管孔隙特别发达，大孔隙少，土壤透水通气性差，排水不良，不耐涝，因水分损失快而耐旱能力差；含矿质养分较丰富，保肥能力强，养分不易淋失，肥效来得慢，平稳而持久。
壤质土由于所含砂粒、黏粒比例较适宜，因而既有砂质土的良好通透性和耕性，发小苗等优点，又有黏土对水分养分的保蓄性，肥效稳而长的优点。
土壤矿物质
土壤矿物质土壤是植物生长发育所必需的物质，植物从土壤中摄取水和养分，为植物提供营养物质。
土壤不仅是植物的营养基础，也是土地、土壤中的矿物质，它参与了一系列的土壤和植物的生命活动。
那么，究竟土壤矿物质是什么？下面来看看土壤矿物质的概念、分类及作用。
土壤矿物质是指土壤中的微量元素，如铝、钙、硫、镁、氮、磷和钾等，它们是由自然界逸散的一些元素构成的，是植物生长不可缺少的重要养分。
土壤矿物质是土壤的一部分，可以通过土壤分析来测定其含量。
土壤矿物质的分类可分为两类，一类是可溶性矿物质，即可溶于水的矿物质；另一类是不溶性矿物质，即不能溶于水的矿物质，如离子交换矿物质、有机碳、结晶矿物质等。
可溶性矿物质主要是水溶性酸性元素，如氯化物和氢氧根，它们是植物生长发育过程中必需的营养物质，能够满足植物的需求，促进植物的生长发育。
如钾离子与氯离子，可以缓解植物体内的盐分不平衡，同时有助于植物维护正常代谢。
不溶性矿物质主要是离子交换矿物质、有机碳和结晶矿物质。
这些物质都具有一定的微量元素，如氮、磷、钾、钙、镁等等，并且在特定情况下可以成为植物的营养物质，满足植物的生长发育需求。
离子交换矿物质除了上述营养物质外，还可以吸附土壤中的其他元素，如铝、铁等，有助于维持土壤的正常功能。
有机碳可为植物提供营养，另外还可以促进土壤肥力的形成。
结晶矿物质也可以大大改善土壤的湿度和气味，有助于植物的生长发育。
土壤矿物质对土壤的品质、结构和功能有重要的影响，其中主要有以下几点：（1）土壤矿物质可以提供植物所需的营养物质，促进植物的生长发育；（2）土壤矿物质可以促进土壤肥力的形成，使土壤含水率、孔隙率和渗透率保持在一个恒定的水平；（3）土壤矿物质可以吸附土壤中的其他元素，如铝、铁等，保持土壤中元素含量的稳定；（4）土壤矿物质可以改善土壤的湿度、气味，使土壤更加肥沃，有利于植物的生长发育。
综上所述，土壤矿物质是植物生长发育的重要营养物质，可以维持土壤的正常功能，促进植物的生长发育，如果土壤矿物质的含量不足，将不利于植物的健康生长。
第1章 土壤矿物质
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单位晶片——四面体片(tetrahedral sheet)
平视图
俯视图
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单位晶片——八面体片(octahedral sheet)
➢ 在总的含量中如用氧化物的形态来表示仍以SiO2、A12O3、Fe2O3三者为主 要成分，如表：
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表： 土壤中主要原生矿物的近似化学组成(％)
矿物 石英
SiO2 100
A12O3 Fe2O3
－
－
CaO －
MgO －
K2O －
正长石 62－66 18－20 －
0－3
－ 9－15
钠长石 61－70 19－26 －
➢ 胶体特性弱
矿物颗粒大小属胶体（<100毫微米）范围，但仍较粗，总表面积小。
➢ 电荷数量少
硅片、铝片同晶替代极少。
负电荷来源：一是晶体外表面的断键；二是晶体边面OH基在碱性中性条 件下解离。
对水和阳离子的吸附力弱，CEC=3-15 cmol(+)/kg-1
➢ 主要存在于风化程度较高的土壤中。
0－9
－
0－4
钙长石 40－45 28－37 － 10－20 －
0－2
白云母 44－46 34－37 0－2
－
0－3 8－11
黑云母 33－36 13－30 3－11 0－2 2－20 6－9
辉 石 45－55 3－10 0－6 16－26 6－20 －
橄榄石 25－43 －
1.1土壤矿物质
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3、粒级分类制
土壤颗粒大小是连续分布的，要确定土壤颗粒 的分级，需要研究土壤颗粒大小和性状间关系，找 到由量变到质变分界点、突变点，就可以作为划分 类别的依据。
通常根据土粒的有效直径把土粒由粗粒到细粒 划分为：石砾、砂粒、粉砂粒和黏粒。受人为因素 的影响，当前土壤粒级分类制有：
留在原地的风化物；
崩积和坡积母质
洪积母质
运积母质是指母质经外力， 如水、风、冰川和地心引力等 作用而迁移到其它地区的物质。
冲积母质 湖积母质 海积母质 风积母质
黄土及黄土性母质
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冰碛母质
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二、土壤矿物质土粒
（一）土壤颗粒
土壤的固体颗粒简称为土粒。
在自然状况下，这些大小不一的土粒有的单个地存 在于土壤中，称为单粒；有的则相互黏结成为集合 体，称为复粒。
次生矿物：原生矿物经风化作用，改变了原 来的化学成
结晶质矿物 非晶质矿物
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原生矿物
1.种类 有硅酸盐类、氧化物类、硫化物类和磷化物类。 主要种类包括：石英、长石、云母、角闪石及辉石等。
2.作用 构成土壤的骨骼－土粒 通过风化作用供应养分
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石英
正长石
斜长石
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云母
角闪石
辉石
8
次生矿物
蒙脱石 伊利石 高岭石
据黏粒矿物的结晶 状态可将其分为
粘土矿物意义：
结晶质矿物: 主要为铝硅酸盐。
非晶质矿物：主要为胶膜状态， 以氧化物及其水化物存在。
（1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在 土壤分类学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。
土壤肥料学 第1章 土壤矿物质土粒
3.生物风化
岩石和矿物在生物影响下发生的物理和化学变化 称生物风化作用。它能使风化产物中的植物营养元素 在母质表层集中，同时累积了有机质，发展肥力。
生物开始参与岩石矿物的风化作用标志着土壤成 土过程的开始
生物风化作用主要有三个方面： 生物的机械破碎作用 由生物的生命活动 引起的岩石机械破碎作用(物理风化)。例如：根 劈作用、动物穴居 生物的化学分解作用 质。 有些生物在生命活
辉石 Ca(Mg,Fe,Al)Si2O6
呈短柱状、致密 块状，棕至暗黑色， 条痕灰色，中等解理， 硬度5.5。辉长岩和玄 武岩中，在岩石中多 呈晶粒状。伴生矿物 为角闪石、斜长石、 辉石等，较角闪石难 风化，风化物为粘土 矿物，富含Fe。
普通辉石
橄揽石(Mg,Fe)2SiO4
橄榄石呈粒状集合体 出现，橄榄绿色，玻璃光 泽或油脂光泽。橄榄石为 超基性岩的主要组成矿物， 伴生矿物为斜长石、辉石， 不与石英共生，易风化， 风化产物有蛇纹石、滑石 等。 蛇纹石呈污绿色，玻 璃光泽或油脂光泽，断口 上有时呈蜡状光泽，比重 2.5，硬度2.0～4.0。
白云石是由方解石、菱美 矿结合而成，呈弯曲的马鞍状、 粒状、致密块状等，灰白色， 有时带微黄色，玻璃光泽，性 质与方解石相似，但较稳定， 与冷盐酸反应微弱，只能与热 盐酸反应，粉末遇稀盐酸起反 应，这是与方解石的主要区别。 白云石是组成白云岩的主要矿 物，也存在于石灰岩中。风化 物是土壤 Ca 、 Mg 养分的主要来 源。
动中靠分泌酸类物质分解岩石，从中吸取营养物
生物的生物化学作用
引起岩石化学风化
的CO2、O2，同时也是生物体生命活动的产物。
上述3种风化类型之间相互影响，相互联 系，只是在不同的外界条件下各有侧重。
1.1土壤矿物质
－
0.072
－
0.056
－
0.030
5
0.005
6
0.004
16
－
105
－
160
－
405
不 可 塑
可塑 (28~40) 塑性较强 (30~48) 塑性强 (34~872)6
4、化学组成不同
表4－4 土壤各粒级的化学组成
粒径 mm
1~0.2
化学成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O5 83.92 9.34 1.12 1.79 0.38 1.78 1.21 0.08
0.2~0.04 73.87 13.47 4.21 3.05 1.05 1.73 1.53 0.12
0.04~0.01 70.15 14.04 5.86 2.15
0.01~0.00 2
67.21
18.91
7.85
1.45
<0.002 44.08 27.67 21.81 0.58
1.05 1.48 1.63 2.51 1.61 1.10
3.89 0.21 1.27 0.29 0.96 0.36
颗粒愈小，氧化物多，营养程度高；颗粒愈粗，SiO2多，土壤愈贫瘠。
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5、生物性状不同
不同粒级颗粒上微生物类型和数量、酶等的差异 是当今研究的热点。
大颗粒是土壤的骨骼，细小的粘粒是肌肉，要特别 重视小颗粒尤其是胶体颗粒 （纳米土壤或土壤中纳 米材料研究）
0.002~0.001 <0.001
土壤粒级分类系统
土粒
土 壤 骨 骼 (石 砾 ) >1mm
细土 <1mm
土壤矿物质主体元素
土壤矿物质主体元素土壤是地球表面最外层的一层，它由不同类型的矿物质组成。
这些矿物质主要由一些化学元素构成。
1. 硅（Si）：硅是土壤中含量最高的元素之一。
它主要以硅酸盐的形式存在，如石英、长石和云母等。
硅对土壤的结构和稳定性起着重要的作用。
2. 铝（Al）：铝是土壤中的重要元素，它主要以铝氧化物和铝硅酸盐的形式存在。
铝的含量高低与土壤的酸碱性密切相关。
3. 铁（Fe）：铁在土壤中以氧化态和还原态存在。
它对土壤的颜色、结构和氧化还原反应起着重要的作用。
4. 钙（Ca）：钙是土壤中的一种主要营养元素，它以碳酸盐和石膏等形式存在。
钙对土壤的结构和酸碱性调节起着重要的作用。
5. 镁（Mg）：镁是土壤中的一种重要营养元素，它主要以镁铝层状双氢氧化物的形式存在。
镁对土壤的结构和植物的生长发育具有重要影响。
6. 钾（K）：钾是土壤中的主要营养元素之一，它以矿物质和离子的形式存在。
钾对植物的生长和代谢过程起着重要的调节作用。
7. 磷（P）：磷是土壤中的一种关键营养元素，它主要以磷酸盐和有机磷的形式存在。
磷对植物的生长和发育、能量转化和遗传物质的合成等过程至关重要。
8. 硫（S）：硫是土壤中的一种必需元素，它主要以硫酸盐和有机硫的形式存在。
硫对植物的生长和发育、蛋白质合成和营养物质的转运等过程具有重要作用。
9. 钠（Na）：钠是土壤中的一种次要元素，它主要以钠盐的形式存在。
高钠含量会对土壤的结构和植物的生长产生不利影响。
10. 锰（Mn）：锰在土壤中以氧化态和还原态存在。
它对植物的光合作用、呼吸和氮代谢等过程起着重要的调节作用。
这只是土壤矿物质主体元素的一部分，土壤中还存在着其他许多元素，如钙、锌、铜、镍、钼等微量元素，它们对植物生长和土壤肥力也具有重要的作用。
不同类型的土壤中，这些元素的含量和比例也会有所不同。
了解土壤中的矿物质元素含量和特点对于科学合理地利用土壤资源、改善土壤肥力和保护环境具有重要意义。
第一章土壤矿物质
（三）水铝英石
水铝石英［xAl2O3· ySiO2· 2O］ nH
● ●
由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在1－2之间变化。 阳离子交换量，为10－15Cmoles(+)kg-1。 表面积一般为70－300×103m2kg-1。
●
温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰 发育的幼年土壤中、有些森林覆盖、高海拔、低温、 中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。
第一节 土壤矿物质的矿物组成 和化学组成
一、土壤矿物质的主要元素组成
表 1-1 地壳和土壤的平均化学组成（重量%） （维诺格拉多夫，1950、1962） 元 素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 地壳中 47.0 29.0 8.05 4.65 2.96 2.50 2.50 1.37 0.45 (0.15) 土壤中 49.0 33.0 7.13 3.80 1.37 1.67 1.36 0.60 0.40 ? 元 素 Mn P S C N Cu Zn Co B Mo 地壳中 0.10 0.093 0.09 0.023 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003 0.003
藏高原大部。土壤粘土矿物以水云母为主，其次为蒙脱石和绿 泥石。
2.水云母－蒙脱石区 包括内蒙古高原东部、大小兴安岭
、长白山地和东北平原大部分。土壤粘粒中蒙脱石明显增多。
3.水云母－蛭石区 包括青藏高原东南边缘山地、黄土高原和 华北平原。西部山地土壤粘粒中绿泥石，东部多蛭石，华北平 原土壤粘粒中蒙脱石也不少。
二、非硅酸盐粘土矿物
（一）氧化铁
赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿
土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁
针铁矿（ α-FeOOH)：黄色或棕色，呈针状，在温带、 亚热带与热带的土壤中大量存 赤铁矿（α-Fe2O3）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿 的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风 化程度很深的红色土壤中存在较多。 存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面或铁盘。
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（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元 素的分散、富集特性和生物积聚作用。
二、土壤中的矿物组成
根据矿物的结晶状态， 矿物可分为
结晶质矿物 非晶质矿物 一般常分为 原生矿物和次生矿物。
二、土壤中的矿物组成
原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改
第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成
一、土壤矿物质的主要元素组成
土壤
矿物质 38%，(95%)
有机质 12%，(5%)
溶液 (15-35%)
空气 (15-35%)
表 1-1 地壳和土壤的平均化学组成（重量%） （维诺格拉多夫，1950、1962）*
元素
地壳中
土壤中
元素
地壳中
土壤中
O
47.0
49.0
3、单位晶层
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。 这样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孔穴的氧原子层面，一 个是由氢氧构成的层面。
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 。 这 样 2:1 型 层 状 硅 酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原 子面。
水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）
特征： （1）2:1型晶层结构中伊利石是其主要代表，分子
式为K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。 （2）非膨胀性: 在伊利石晶层之间吸附有钾离子，
对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀， 伊利石晶层的间距为1.0nm。
（3）电荷数量较大: 20－40 cmol(+)kg-1。 （4）胶体特性:一般总表面积为70－120×103 m2kg-1 ，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙 脱石之间。
Ti
0.45
0.40
B
0.003
0.001
H
(0.15)
?
Mo
0.003
0.0003
* 根据克拉克等(1924)、费尔斯曼(1939)和泰勒(1964)的估计,地壳的化学元素组成与此表稍有不同,但总 的趋势是一致的。
分布规律
（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多的二 种元素,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，以硅酸 盐最多。
附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保 肥能力。
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+ 离 子 所 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。
2:1:1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 ， 这 样 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。
4、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。
＊同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸
高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土 矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。
高岭石的矿物结构
蒙蛭组（2:1型膨胀性矿物)
包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。
特征：
（1）2:1型的晶层结构中蒙脱石是其典型代表。单位晶胞的分 子式可表示Al4Si8O20(OH)4·nH2O。 （2）胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭 石的膨胀性比蒙脱石小,其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。 （3）电荷数量大,同晶替代现象普遍。 （4）胶体特性突出，较细（有效直径0.01-1m)，总表面积为 600－800×103 m2kg-1，且80％是内表面。蛭石一般为400×103 m2kg-1。
蒙脱石组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广
蒙脱石的同晶替代主要发生在铝片中，一般以 Mg2+替代Al3+，
蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。
蒙脱石的理想结构式为： （Al3.34Mg0.66）Si8O20(OH)4X0.66
式中X表示补偿异价离子置换引起的电荷亏缺的 层间可交换阳离子。
蒙脱石的矿物结构
Mn
0.10
0.085
Si
29.0
33.0
P
0.093
0.08
Al
8.05
7.13
S
0.09
0.085
Fe
4.65
3.80
C
0.023
2.0
Ca
2.96
1.37
N
0.01
0.1
Na
2.50
1.67
Cu
0.01
0.002
K
2.50
1.36
Zn
0.005
0.005
Mg
1.37
0.60
Co
0.003
0.0008
• 第二节 黏土矿物
• 一、层状硅酸盐黏土矿物 • （一）构造特征 • 1、基本结构单位 • （1）硅氧四面体（简称四面体）是由1 个硅离子和
4 个氧离子所构成。
（2）铝氧八面体（简称八面体）是由1 个铝离 子6 个氧离子（或氢氧离子）所构成。
2、单位晶片
从化学结构上来看， 四面体为(SiO4)4- 、 八面体为(AlO6)9-
变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。
①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。
②土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定 于矿物的稳定性，如长石和石英。 ③土壤原生矿物是植物养分的重要来源。
常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和榄橄石 以及其它硅酸盐类和非硅二）、硅酸盐黏土矿物的种类及一般特性
四个类组：
高岭组 蒙蛭组 水化云母组 绿泥石组矿物
高岭组（1:1型矿物）
包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等
特点：(1）1:1型的晶层结构 单位晶胞的分子式可表示为Ai4Si4O10(OH)8。 （2）非膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢 键，膨胀系数一般小于5％。高岭石层间距约为0.72nm。 （3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15 cmol(+)Kg-1。 （4）胶体特性较弱 较粗（0.2-2m），颗粒的总表面积相 对较小，为10－20×103 m2kg-1