第1章 土壤矿物质

地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 地壳中 土壤中 47.0 49.0 29.0 33.0 8.05 7.13 4.65 3.80 2.96 1.37 2.50 1.67 2.50 1.36 1.37 0.60 0.45 0.40 (0.15) ? 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 土壤中 0.085 0.08 0.085 2.0 0.1 0.002 0.005 0.0008 0.001 0.0003
ห้องสมุดไป่ตู้第一章 土壤矿物质
Soil Mineralogy
z
x
y
意义(Significance)
1) 土壤物理性质：粘结性、膨胀性、耕性 2) 化学性质：缓冲性、保肥性、吸附性 3) 生物和生物化学性质：酶学、微生物 4) 鉴定土壤类型 5) 识别土壤形成过程：富铝化、淋溶
第一节 土壤矿物质的组成
Mineral Compositions of Soil 一、土壤矿物质的主要元素组成 The main Elements in soil minerals
二、非硅酸盐粘土矿物
Nonsilicate Clay Minerals
（一）结晶形态
• 结晶态（crystallized） • 无定型（amorphous) • 结晶差的（poorly crystallized）
（二）产生电荷的途径
脱氢作用（deprotonation）
M − OH + 2
—
H+ + H+
水云母— 蒙脱石区 水云母区 水云母— 蛭石区 水云母—蛭石—高岭区 高岭—水云母区 蛭石— 高岭区 高岭区
核心名词：
原生矿物 四面体 同晶替换 2：1型
次生矿物 八面体 硅铝铁率 1:1型
思考题
什么叫矿物? 1. 什么叫矿物?分析原生矿物和次生矿物在土壤中的 主要作用是什么? 主要作用是什么? 2. 试比较高岭石 、 蒙脱石和伊利石在晶架构造上有 试比较高岭石、 何不同? 何不同? 矿物的SiO 比值大小说明什么问题? 3. 矿物的SiO2/R2O3比值大小说明什么问题? 试比较高岭石与蒙脱石在性质上的差异? 4. 试比较高岭石与蒙脱石在性质上的差异?以及产生 这些差异的原因是什么? 这些差异的原因是什么?
1：1型的晶层
Serpentine (1:1 trioctahedral mineral) tet
oct
z
x
y
2：1型的晶层
Talc (2:1 trioctahedral mineral) tet oct tet
z
x
y
2：1：1型晶层
Short-hand Symbols
tet oct
Short hand, Block notation
z y x
[n(Al4O12)12-]
三八面体(tri)octahedral 三八面体(tri)octahedral Sheet
Mg,Fe2+
z y x
二八面体 Dioctahedral Sheet
z y
Al3+、Fe3+
x
3、单位晶层 （Layer） Layer）
Octahedral-Tetrahedral Linkage
(四) 主要类型及性质
• 针铁矿(Goethite)：黄色，分布于温带、亚 热带和热带土壤中 • 赤铁矿(Hematite)：红色，分布于亚热带和 热带土壤中 • 三水铝石(Gibbsite)：分布较广
都具有很强的固磷作用
The distribution of soil minerals in 第三节 我国土壤粘土矿物分布 China 一、风化和成土作用与粘土矿物组成 的关系
M − OH
—
H+ + H+
M − O−
质子化作用（protonation） 正电（positive） 中性（neutral） 负电（negative）
（三）主要特点
• 不存在同晶替代(Isomorphous Substitution) • 不仅带负电(Negative Charge)，也带正电 (Positive Charge) • 数量可变(Variable) • 晶态转化，性质差异较大
4、同晶替代 （Isomorphic Substitution） Substitution）
permanent (layer) charge
Isomorphic Substitution
tet Si4+ Al3+
oct
Al3+, Fe3+
Mg2+
z
x
y
同晶替代 （Isomorphic Substitution） Substitution）
1、气候条件：影响矿物的风化速度 和产物，影响环境的酸碱性和盐基离 子的种类。 2、母质：盐基离子种类
白云母 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石
复杂
简单
二、我国土壤粘土矿物分布规律
温带、干旱和半干旱地区土壤中的粘土 矿物以伊利石、蒙蛭 绿泥石组为主。
热带和亚热带的湿润地区土壤中的 粘土矿物以高岭石和氧化物为主。
1:1型 高岭石(Kaolinite)
2：1型 蒙脱石(Montmorillonite)
2：1型 伊利石(Illite)
(Chlorite)
2 1 1 ： ： 绿 泥 石
粘土矿物的主要性质
• 带电性(electrical charge) • 巨大的表面积(surface area) • 离子吸附与交换(ion adsorption and exchange) • 胀缩性、粘结性(expansion and cohesion)
地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 O Si Al Fe Ca Na K Mg
地壳 土壤
二、土壤的矿物组成
The mineralogical Compositions in Soil 1、原生矿物（primary minerals )
石英(Quartz)、长石(Feldspar)、云母(Mica)…
矿物(Minerals)--晶态(Crystalline)、 非晶态(Noncrystalline or amorphous)
第二节 粘土矿物
Secondary Clay Minerals
一、层状硅酸盐粘土矿物 Phyllosilicate Minerals
（一）构造特征
1、基本结构单位（structural unit)
CEC：阳离子代换量，单位： * CEC：阳离子代换量，单位：cmol(+) / kg **比表面：单位质量的表面积。单位： **比表面：单位质量的表面积。单位：m2 kg-1×103 比表面
决定硅酸盐矿物性质的主要因素
• 硅片与铝片的比例 • 层面物质（O、OH；氢键、分子键） • 层间物质（水、水镁片或水铝片、K+、其 它阳离子） • 同晶替代（数量和位置）
2、性质 性质
高岭组
蒙蛭组 很 铝片 80—120
伊利组 普 硅片 20—40 离
绿泥组 遍 三片
同晶替代 很少 位置 CEC* 层间键 层间物质 膨胀性 比表面** 颗粒大小 粘结性 3.0—15 氢键 无 很弱
10—40
子 键 水镁片 无
分子键 阳离子 水 K+ 很强
10—20.0 600—800 70—120 70—150 0.2-5µm 0.01—1.0 0.1—2 差 强 中等
组成矿物的中心离子（ Si 4+, Al3+ ) 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。
晶片中阳离子与氧离子的比值范围
在四面体中的比值为 0.255 — 0.414 在八面体中的比值为 0.414 — 0.732
晶片中常见的阳离子
离子 O2Si4+ Al3+ Fe2+ Fe3+ Mg2+ K+ 半径(nm) 0.135 0.040 0.055 0.080 0.067 0.078 0.134 0.30 0.41 0.59 0.54 0.58 1.00 rc / ro 存在的位置 硅片、铝片 硅片 硅片、铝片 铝片 铝片 铝片 层间
OH
2、单位晶片 • 四面体片（Tetrahedral Sheets） • 八面体片（Octahedral Sheets）
四面体片（Tetrahedral Sheets） 四面体片（Tetrahedral Sheets）
Si6O18
z y x
y
z x
Si6O18 Spaced Filled View
（二） 层状硅酸盐粘土矿物的种类和 一般特性
1、种类：
高岭组(Kaolin)：高岭石(kaolinite)、埃洛石 (Halloysite) 蒙蛭组：蒙脱石(montmorillonite)、蛭石 (vermiculite) 水化云母组：伊利石(illite) 绿泥石组：绿泥石(chlorite)
Si6O18
Tetrahedral Sheet
unsaturated ‘edge’sites
x y z
Tetrahedral Sheet
[n(Si4O10)4-]
x z
y
unsaturated apical oxygens
Tetrahedral Sheet
x y z
Si:O 2:5
八面体片 （Octahedral Sheets） Sheets）