第一章土壤矿物质解析
《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
国际制土壤质地分类表
质地分类
各粒组土粒含量（重量%）
类别 质地级别名称 砂粒
粉砂粒
粘粒
2---0.02mm 0.02---0.002mm <0.002mm
砂 土 砂土、壤砂土 85---100
0---15
0---15
类
壤 土 砂壤土
55---85
0---45
0---15
类
壤土
40---55
30---45
少砾质
>10
多砾质
▪ （二） 土壤质地与肥力的关系
▪ （1）砂土类(sand soil)： ▪ a、粒间孔隙大，毛管作用弱，通气透水性强，
内部排水通畅，不易积聚还原性有害物质：
▪ b、矿物成分主要是石英，含养分少，要多施 有机肥料；
▪ c、通气性好； ▪ d、含水量低，热容量较小； ▪ e、松散易耕。
沉积岩
（三）变质岩
变质岩是沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩浆侵 入的影响，其矿物组成、结构，以至化学成分发生剧烈改 变后形成的。共性是：矿物质地致密，坚硬；不易风化。 例如片麻岩，石英岩，板岩，片岩，千枚岩，大理岩等。
变质岩
火山爆发
意大利庞贝城被岩浆吞噬后人们的遗体
▪ 四、岩石的风化
▪ 风化(weathering)是指岩石、矿物在外界因素 和内部因素的共同作用下，逐渐发生崩解和分 解的过程。
最常用的质地分类制是国际制和卡庆斯基 制。 砂土、壤土、粘土
• 现介绍3种常用的质地分类标准： • 1．国际制土壤质地分类标准 • 2．卡庆斯基土壤质地分类 • 3．我国土壤质地分类 •
1．国际制土壤质地分类标准
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
16 / 56
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。
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。
环境土壤学第一章(第1节)全解
生物体：包括各类昆虫、线虫、节肢动物，尤其是土壤微 生物，一般1g土壤中数量可达10亿左右。
第一节 土壤矿物质
一、原生矿物
原生矿物：指在土壤形成过程中末改变化学 组成的原始成岩矿物。 1、橄榄石类 ：属岛状结构硅酸盐，其Si-O 四面体以孤岛状排列，典型矿物为橄榄石 (Ca，Mg)2SiO4，极易风化。 其中的 Si/O=1:4。
铝氧八面体
层状硅酸盐晶体结构中的基本构造单元之一。
铝（Al3+）或镁（Mg2+）离子距离稳定地配上六个氧（O2-）或OH-， 三个在上，三个在下，相互错开作最紧密的堆积，配位形成八面体 的形式。
2:1型层状硅酸盐晶体结构
1、高岭石（Kaolinite)
1:1 型矿物：晶架结构都由一层硅氧片和一 层水铝片重叠而成，结构中硅氧片和水铝 片的比例为1:1； 分子式： (OH)8Al4Si4O10 。从式中可见，典 型高岭石的SiO2/R2O3分子比率为2； 电荷为零； 无或很少的同晶替代，颜色纯净灰白，颗 粒细小； c轴间距为70nm 。
第一部分 基础知识
第一章 环境环境组成化学
土壤的三相组成：固相、液相和气相
固相物质
矿物质：占固相重量的95%左右，总体积的38%左 右。 有机质：占固相重量的 5%左右，总体积的12%左 右。
土壤
粒间物质
气相：组成与大气有差异，取决于生物活动及气 体交 换的难易程度。 液相：粒间水分及溶解于其中的多种溶解性物 质。
硅酸盐晶体结构中的基本构造 单元。
由位于中心的一个硅原子与围 绕它的四个氧原子所构成的配 阴离子[SiO4]4-，因周围的四个 氧原子分布成配位四面体的形 式，故名。 在晶体结构中，各硅氧四面体 可以各自孤立地存在，也可以 通过共用四面体角顶上的一个、 两个、三个以至全部四个氧原 子相互连结而形成多种不同形 式的络阴离子，从而形成不同 结构类型的硅酸盐晶体。
《土壤肥料》课件——1.1.1土壤矿物质
千枚岩易风化，其风化产物质地黏重，养分含量高且钾素含 量高。板岩的抗风化能力弱于千枚岩，其风化产物与页岩相 似。
2 土壤矿物质
次生矿物
1.主要类型及来源 层状铝硅酸盐矿物，是原生矿物经过风化作用使其组成
和性质发生变化而形成的矿物。
2.存在形式 主要以黏粒的形式存在壤中，故称黏土矿物。
3.特点及作用 共同特点是，抗风化能力强，颗粒细小，比表面积大，
在土壤中呈现明显的胶体性质，对土壤肥力的高低起着重要 的作用。
岩石：自然产生于地壳中、由两种或两种以上矿物组成的物质，它 通常是混合物。
2 土壤矿物质
按成因或产生方式的不同可分为原生矿物和次生矿物：
1.原生矿物 高温高压下经冷凝或减压后结晶形成的矿物。主要分布
在土壤沙粒和粉粒中。 主要有长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石等。
2.次生矿物 原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学
岩风化产物是砂粒。玄武岩易风化形成黏粒，养分含量高。
3 主要成土岩石
沉积岩
是由各种原先存在的岩石再经风化、搬运、沉积后，重新固结而成的岩石。
1.特点 有层次性；矿物成分非常复杂，可含有化石。颗粒也较
岩浆岩细小，不易风化。
2.主要成员 砾岩、砂岩、页岩和石灰岩。
3.风化及产物 砾岩和砂岩抗风化，风化产物含砂量高、养分缺乏。页
岩易风化，其风化产物质地黏重、养分含量丰富。石灰岩则 在雨水充沛时易风化，其风化产物质地黏重，有时呈碱性。
3 主要成土岩石
变质岩
是指地壳中原先存在的各种岩石在地壳运动或岩浆活动的影响下，高温高压的作用重新结晶形成的岩石。
1.共性 极易风化，在地表和土壤中含量较低。
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0.005
Mg
1.37
0.60
Co
0.003
0.0008
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。
元素分布规律
（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多 的二种元素铝、铁次之，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。
其成因可分为三类：
• （一）岩浆岩 • 指地球内部熔融岩浆浸入地壳的一定深度或
喷出地表冷却凝固所形成的岩石。
• 共性：非碎屑壮的块状构造；没有规则的层 次排列；不含化石。
岩浆岩
玄武岩
岩浆岩：玄武岩
安山岩
流纹岩
（二）沉积岩 沉积岩：地壳表面的岩石经风化、搬运、 沉积等作用后，在一定条件下胶Байду номын сангаас硬化 所形成的岩石。其约占地表总面积的75%。
1、溶解作用 ：指岩石矿物溶解于水的作用。
CaCO3+H2O+CO2 Ca2++2HCO3-
•矿物的溶解度差异很大 •在漫长的时间中，溶解的量是可观的 •水中的有机酸或无机酸可以促进矿物的溶解 •常见矿物的溶解度顺序是：
石盐>石膏>方解石>橄榄石>辉石>角闪石>滑 石>蛇纹石>绿帘石>正长石>黑云母>白云母>石 英
• （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。如石英、 长石、云母、辉石、角闪石等。
特点：颗粒粗大，呈结晶态。
• （2）次生矿物: 原生矿物经物理、化学风化作 用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物 称次生矿物。如蒙脱石、高岭石等。
特点：颗粒比较细小，一般以胶体的分散状态 存在。
元素
地壳中
土壤中
元素
地壳中
土壤中
O
47.0
49.0
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
90p
▪ 按矿物化学成份分类：共分三类 第一类：硅酸盐类矿物： 正长石、斜长石、白云母、黑云母、角闪石、辉石、 橄榄石、高岭石 第二类：碳酸盐类矿物：方解石、白云石等， 已知 有近80多种矿物，他们占地壳重量的1.7％，其中 分布最广的是Ca和Mg的碳酸盐。 第三类：氧化物和氢氧化物矿物： 氧化物矿物有200多种，约占地壳重量的17％，如， 石英约占地壳重量的12.6％，铁的氧化物约占地壳 重量的3.4％，这类矿物有，石英，赤铁矿、褐铁 矿、磁铁矿。
图2-18 由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙
图2-17 气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图 a、b、c、d 表示风化过程
风蚀残土墩
风蚀根露
风蚀留砾
魔鬼城
（二） 化学风化作用
岩石和矿物在大气，水及生物的相互作
用下发生的化学成分和矿物组成的变化
，称化学风化。 化学风化作用包括如下几种作用： 溶解作用，水化作用，水解作用，氧化 作用
90p
二氧化硅凝胶（玛瑙）
石英
紫水晶
烟水晶
正长石 KAlSi3O8
正长石是陶瓷业和玻璃业的主要原料，也可用于制取钾肥
斜长石
橄揽石（Mg，Fe）2SiO4
石膏 CaSO4·2H2O 2CaSO4·H2O
白云母
黑云母
方解石 CaCO3
肾状赤铁矿（Fe2O3）
• 三、成土的主要岩石 • 岩石是一种或数种矿物的天然集合体。根据
（2）在地壳中，植物生长必需的营养元素 含量很低而且分布很不平衡。
（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、 主要成土矿物 • 矿物的概念:
矿物是指天然存在于地壳中，具有 一定的化学成分、物理性质和内部 结构的单质或化合物。
• 矿物的种类：
• 按矿物成因分类：原生矿物和次生矿物两大类
物破碎崩解成大小不同的颗粒而不改变其化学
成分的过程.它为进一步风化提供了条件。
• 物理风化作用的结果，使岩石矿物 破碎，产生新的物理性质，使岩石 获得了对水的通透性，为化学风化 创造了条件。
引起物理风化作用的因素很多，主要有：
★ 温度作用 岩石受热后引起表层和内部热胀
冷缩不同引起。
★ 冰作用 进入岩石裂缝中的水反复融化与 冻结，对岩面产生劈裂作用而引起。冰川底部 和两侧的岩石会受到冰川的压力和磨蚀作用而 破碎。 ★ 风的作用 ★ 水的作用 主要风和流水把岩石表层剥落的碎屑吹走、冲 走及磨蚀。
变质岩
火山爆发
意大利庞贝城被岩浆吞噬后人们的遗体
• 四、岩石的风化 • 风化(weathering)是指岩石、矿物在外
界因素和内部因素的共同作用下，逐渐 发生崩解和分解的过程。
风化过程是形成土壤母质的先决条件 ,按风化作 用的因素和特点分为：物理风化、化学风化、和生 物风化。
（一）物理风化 指在物理因素作用下,岩石,矿
第一章 土壤矿物质
矿物质 38%，(95%)
有机质 12%，(5%)
溶液 (15-35%)
空气 (15-35%)
第一节 岩石的风化
岩石风化形成的矿物颗粒统称土壤矿物质。
• 一 、 地壳的元素 组成
• 地壳的成分极其复 杂，几乎包括绝大 多数已知元素，但 以氧、硅、铝、铁 四种元素为主。
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）*
溶洞
2、水化作用
岩石中的矿物与水化合成为新的含水矿物的过 程，称为水化作用。
•实质是水分子进入矿物晶格。
•水化作用使矿物体积增大、硬度降低、溶解度 加大，有利于进一步的风化崩解。
CaSO4+2H2O (硬石膏)
CaSO4 2H2O （石膏）
2Fe2O3 + 3H2O 2Fe2O3 3H2O
砂岩、砾岩、页岩、石灰岩。 共同特点是：有明显的层理构造；矿物
成分复杂并呈碎屑状组织；有时含有化石。
沉积岩
页岩
（三）变质岩
变质岩是沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩 浆侵入的影响，其矿物组成、结构，以至化学 成分发生剧烈改变后形成的。 共性是：矿物质地致密，坚硬；不易风化。 例如片麻岩，石英岩，板岩，片岩，千枚岩， 大理岩等。