第一章土壤矿物质
《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。
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 －
土壤学
第一章土壤矿物质土壤三相组成：固相（矿物质95%、有机质5%）、液相（土壤液体）、气相（土壤气体）矿物：是经各种地质作用，自然产生于地壳中的化合物或化学元素，是具有一定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。
原生矿物：是指那些经过不同程度的物理风化，为改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。
土壤原生矿物以硅酸盐、铝硅酸盐占绝对优势。
次生矿物：原生矿物在风化和成土作用下，新形成的矿物，如各种盐类CO32-、SO42- 、SiO42- 、Cl-等。
次生粘土（粒）矿物：层状硅酸盐类和含水氧化物类，是土壤粘粒的主要组成。
粘粒（土）矿物：组成粘粒的次生矿物，主要包括：层状的硅酸盐矿物和氧化物类。
前者是晶型矿物，后者有晶型的，也有非晶型的。
粘土矿物分类：（一）层状硅酸盐a。
硅氧四面体b。
铝氧八面体单位晶层：（1:1型单位晶层铝氧片和硅氧片特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密内部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。
多出现与酸性土壤，如高岭石类。
2:1型单位晶层两层硅氧片夹一层铝氧片，特点：胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+→带负电→吸附阳离子。
如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。
2:1:1型单位晶层）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结构保持不变的现象。
同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子，使土壤具有保肥能力。
（可变电荷）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。
硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性：（1）高岭组1:1型矿物无膨胀性电荷数量少阳离子交换量小胶体特性较弱华北、西北、东北（2）蒙蛭组2:1型胀缩性大电荷数量大同晶替代胶体特性突出东北、华北、西北蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。
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
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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。
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
环境土壤学第一章 (第1节)
4、蛭石（Vermiculinite）
• 2:1型矿物，属于半胀缩型矿物； • 三 八 面 体 （ Mg 八 面 体 ） X1.1(Al2.3Si5.7) (Al0.5Fe3+0.7Mg4.8)O20(OH)4； • 同晶替代：蛭石中四面体片和八面体片都 有同晶置换作用，但主要发生在四面体片 中，Si被Al置换的数量比蒙脱石高，所以电 荷密度比蒙皂石类高 • 补偿离子不确定。 • 晶层间距为140nm
橄榄石[(Mg,Fe)2SiO4]：
橄榄绿色，立方形晶粒，断口常为贝壳状，硬度6.5～7。 富含铁，易分解，为土壤提供铁、镁等养分。
孔雀石[Cu2(OH)2(CO3)]
一、原生矿物
2、辉石、角闪石类 属链状结构硅酸盐，其Si-O四面体沿一 维方向延伸，又可分为单链结构的辉石类 和双链结构的角闪石类。 其中的Si/O=1:3。 3、云母类 属层状结构硅酸盐，常见的有白云母和 黑云母，土壤中的次生粘土矿物也多为此 类型。
2:1型层状硅酸盐晶体结构
3、伊利石（Illite）
2:1型矿物，属于非胀缩型矿物； 分子式： (OH)4Al4Si8O20 ； 同晶替代：K1.33Al4(Si6.67Al1.33)O20(OH)4同晶 替代现象主要以Al3+代Si4+(发生在硅氧片中)； 存在补偿离子K+； 在我国分布最为广泛的次生矿物； c轴间距为100nm。
1、氧化铁
Fe3+
OH--
Fe (OH) 3 老 化
高温老化
α-Fe2O3
低pH、缓慢沉淀
α-FeOOH
〔
失
水
O〕
〔O〕 γ-Fe2O3
Fe2+
OH--
土壤肥料学第一章第一节 土壤的矿物质B
➢ 二级分类法，根据物理性粘粒（<0.01mm）和物理性砂粒 （>0.01mm）的含量，把土壤质地分为： 三大类，九种；
➢ 对我国而言，一般土壤可按卡庆斯基制中的草原土及红黄 壤类标准划分质地类别；
华中农业大学
实验1
前苏联制土壤质地分类标准
华中农业大学
六、土壤质地及其改良利用
形成可溶性物质（如碳酸盐类、硫酸盐类等）随水淋失
或搬运到其它地方。
风化产物
风化产物
原生矿物
粘土矿物
可溶性盐
土壤粗粒 华中农业大学
土壤细粒
土壤溶液离子
四、成土母质
母质：是风化壳的表层，原生基岩经过风化、搬
运、堆积等过程于地表形成的一层疏松、最年轻 的地质矿物层，是形成土壤的物质基础，是土壤 的前身。
华中再农参业照砂大粒学和细粘粒含量来区分
六、土壤质地及其改良利用
（二）土壤质地分级-美国农业部制
粘粒(<0.002mm) 粉粒(0.05~0.002mm) 砂粒(2~0.05mm)
华中农业大学
土壤质地分级标准
分类标准
粘粒
粉粒
砂粒
国际制 <0.002mm 0.02-0.002mm 2-0.02mm
细粘粒
华中农业大学
卡钦斯基制 (1957) 石砾
粗砂粒
物
中砂粒
理
性
细砂粒
砂
粒
粗粉粒
物
中粉粒
理
细粉粒
性粘粘Fra bibliotek粗粘粒
粒
粒
细粘粒
胶质粘粒
美国农部制 (1951) 石砾
极粗砂粒 粗砂粒 中砂粒 细砂粒
第一章 土壤母质与矿物质
风化作用对土壤发育的作用
• • • • 岩石破碎，母质形成 养分的有效化过程 物理风化与化学风化的关系 不同矿物组成的岩石风化速度存在差异
母质类型：沉积体的类型
一 残积体：风化物后未经搬运 二 坡积体：风化物在重力或径流作用在坡体上沉积 三 洪积体：经洪水的搬运在山前沉积 四 冲积体 （河床、河漫滩，牛轭湖，三角洲等） 五 湖积体：积水沉积 六 风积体：风力搬运和沉积 七 黄土母质：风成母质 八 滨海沉积体：海相沉积体
（六）磷酸盐类矿物
磷灰石是制造磷肥的主要原料，是植物磷元素的主 要来源。
（七）方解石（CaCO3）
（八）褐铁矿（Fe2O3 3H2O）
方解石是土壤中碳酸钙的主要来源。
由赤铁矿水化形成的一种含水氧化铁，是土壤黄色 和棕色染色剂。
原生矿物的特点
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酸盐类。 ④组成土壤孔隙，保持与调节土壤的水气状况。 ⑤为植物根系提供生活场所，起支撑作用。
*
土壤中 0.085 0.08 0.085 2.0 0.1 0.002 0.005 0.0008 0.001 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
物理性砂粒：
粒径>0.01 mm的土 粒。
物理性粘粒：
粒径<0.01 mm的 土粒。
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§1 土壤矿物质
§1-2 黏土矿物（次生矿物的一种） 土壤矿物质中细小部分，粒径小于0.25µm。土壤很多重要
物理、化学过程和性质都和结晶层状铝硅酸盐(包括伊利石、蒙 脱石和高岭石等)种类和数量有关。这类矿物在土壤中普遍存在，
种类很多，是由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成(结晶层状铝
硫化物矿物类似于自然金属元素矿物，具金属光泽，透明度低，光反射率强 等。常见的硫化物类矿物有方铅矿(PbS )、闪锌矿(ZnS )、磁黄铁矿(Fe1-xS,x=0-0.2)等。 极易风化，成为土壤中硫的主要来源。 (4)磷酸盐类矿物
土壤中分布最广的是磷灰石，包括氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]和氯磷灰石[Ca5(PO4)3Cl] 两种，是土壤中无机磷的重要来源。
目前被4.认土为壤是矿植物物的必化需学元组素成。 岩石圈和土壤的主要化学组成（重量%）
20物质
三、土壤的矿物组成
土壤矿物按其成因(母质、气候、生物、地形和时间)可分为原生矿物和次生矿物。 1.原生矿物
由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物称原生矿物(各种岩石受到不同程度的
如方解石(CaCO3)、白云石[Ca、Mg(CO3)2]、石膏(CaSO4·2H2O)、泻盐 (MgSO4·7H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、水氯镁石(MgCl2·6H2O)等简单盐类就是由 原生矿物经化学风化后的最终产物，结晶构造也较简单，常见于干旱和半干旱地 区的土壤中。
特别说明：土壤可溶性盐过量形成盐碱土，高浓度的钠、镁硫酸盐，影响了土壤水分的 可利用性和土壤的物理性质。由于盐首先作用于根，使植株吸水困难，进而表现萎蔫，这种症 状类似于根腐病。土壤中过量的钠盐，特别是碳酸钠等，引起土壤pH提高，导致植物的碱伤害。 症状表现为褪绿、矮化、叶焦枯和萎蔫等。
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6
§1 土壤矿物质
2.次生矿物 岩石或母质在地表经风化或生物作用由原生矿物转变而来或重新合成形成的
新矿物称次生矿物。其化学组成和晶体结构较原生矿物有所改变。 据其性质与结构可分为三类：简单盐类、三氧化物类、次生铝硅酸盐类。 简单盐类：属水溶性盐，易淋溶流失，一般土壤中较少，多存在于盐渍土中。
硅酸盐)，是构成土壤的主要成分，故又称为黏土矿物。 此外，像针铁矿(Fe2O3·H2O)、褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)、三
水铝石(Al2O3·3H2O)属于三氧化物类次生黏土矿物,是硅酸盐矿 物彻底风化后的产物，结晶构造较简单，常见于湿热的热带和 亚热带地区土壤中。
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§1 土壤矿物质
§1-1土壤矿物质的矿物组成和化学组成 一、土壤矿物质 二、土壤矿物质的主要元素组成 三、土壤的矿物组成 1.原生矿物 2.次生矿物
§1-2 黏土矿物(次生矿物的一种) 一、层状硅酸盐黏土矿物 1.铝硅酸盐黏土矿物的构造特征 2.硅酸盐黏土矿物的基本类型与特性 二、非硅酸盐黏土矿物
学习目标
§1 土壤矿物质
1.明确土壤矿物质组成和化学组成，以及层状硅酸
盐黏土矿物的构造特征和种类； 2.了解非硅酸盐黏土矿物几种常见氧化物的分布和
性状； 3.了解风化和成土作用与黏土矿物组成的关系，以
及我国黏土矿物分布规律； 4.掌握土壤矿物(层状硅酸盐黏土矿物、非硅酸盐黏
土矿物)等相关概念和特性。
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都没有改变，是植物养分的重要来源 )。 风化作用是指地表和近地表的岩石、矿物等长期受气候冷热变化、风吹雨打、氧化作用,遭到破坏和发生变化
的过程。物理风化作用是指使岩石发生机械破碎,而没有显著的化学成分变化的作用；化学风化作用是指岩石在水、 氧气、二氧化碳等作用下发生化学分解作用。岩石经过化学风化作用,不仅原来的化学成分要发生改变,而且会产生 新的矿物。
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§1 土壤矿物质
二、土壤矿物质的主要元素组成
土壤矿物质元素组成特点： 1.土壤矿物质主要元素组成为O、Si、Al、
Fe.O+Si=76%,O+Si+Fe+Al=88.7% 2.不同粒级颗粒(石砾、砂粒、粉砂粒和粘粒四级)的矿物质化学组成有所不同 3.在地壳中植物生长的必需营养元素含量很低，其中: P+S<0.1% N<0.001%,且分布不均匀。 C、H、O、N、P、K、S、Ca、Mg、B、Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Cl这16种元素
原生矿物中，石英最难风化，长石次之，辉石、角闪石、黑云母易风化。因而石英常成为较粗的颗粒，遗留 在土壤中，构成土壤的砂粒部分；辉石、角闪石和黑云母在土壤中残留较少，一般都被风化为次生矿物。
原生矿物的种类和含量，随母质(地表岩石经风化作用形成的松散碎屑，是形成土壤的基本的原始 物质)的类型、风化强度和成土过程的不同而异。
§1-3 黏土矿物的形成与我国黏土矿物分布规律 一、黏土矿物的形成 1.原生矿物风化脱盐形成 2.风化沉淀学说(自然合成学说) 3.风化和成土作用与黏土矿物组成的关系 二、次生矿物质的地理分布 三、我国土壤黏土矿物分布规律 四、黏土矿物的应用
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§1 土壤矿物质
§1-1土壤矿物质的矿物组成和化学组成 一、土壤矿物质
是构成地壳、上地幔(厚度为20～400千米)的主要矿物, 估计占整个地壳的90％以 上。常见的有长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石以及其他硅酸盐类等。
硅酸盐类矿物大都不很稳定比较容易风化而释放出钠、钾、钙、镁、铁等 元素，同时形成次生矿物。 (2)氧化物类矿物
包括石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3)、金红石(TiO2)等，相当稳定，不易风化。 石英是土壤中分布最广的一种矿物砂粒的主要成分。 (3)硫化物类矿物
土壤中原生矿物主要有四类：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物和磷 酸盐类矿物。其中硅酸盐类矿物占岩浆岩(由岩浆凝结形成的岩石，约占地壳总体积的65%)重量的 80%以上。
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§1 土壤矿物质
(1)硅酸盐类矿物 一类由金属阳离子与硅酸根化合而成的含氧酸盐矿物。在自然界分布极广,