第二章土壤礦物質(zhì)ppt課件

1、第二章 土壤礦物質(zhì)（Soil minerals,土壤中各種粗細(xì)不同的礦物顆粒。 它們來(lái)源于巖石風(fēng)化物，即由成土母質(zhì)繼承和演變而來(lái)，是土壤的主要組成物質(zhì)之一，約占土體固相重量的95以上，占土體容積的38以上，故稱之為土壤的“骨架”。 土壤礦物質(zhì)又是植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的源泉，是全面影響土壤肥力高低的一個(gè)重要因素,第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成和礦物組成,礦物是天然產(chǎn)生于地殼中具有一定化學(xué)組成、物理性質(zhì)和內(nèi)在結(jié)構(gòu)的物體，是組成巖石的基本單位。礦物的種類很多，共約3300種以上。 從學(xué)習(xí)土壤學(xué)角度講，著重關(guān)注的是成土礦物，以及某些作為肥料和土壤改良劑來(lái)源的礦物,土壤中礦物質(zhì)主要由巖石中礦物變化而來(lái)。為此，討論

2、土壤礦物的化學(xué)組成，必須知道地殼的化學(xué)組成,一、巖石的化學(xué)組成和礦物組成,一）巖石的化學(xué)組成 巖石的化學(xué)成分極其復(fù)雜，元素周期表中的全部元素幾乎都能從巖石中發(fā)現(xiàn)，但主要的約有20余種，包括氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鈦、鉀、鈉、磷、硫以及一些微量元素如錳、鋅、銅、鉬等,地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量,1）地殼中的元素以氧、硅、鋁、鐵四種元素為主。其中又以氧和硅的含量最多，分別占地殼重量的47%和29%；鋁和鐵次之，分別占地殼重量的8.05%和4.65%。所以，在組成巖石的各種化合物中，絕大多數(shù)是含氧化合物，其中又以硅酸鹽最多,1. 地殼元素組成的特點(diǎn),2）作為植物必需營(yíng)養(yǎng)元素含量低。 例如，其中的

3、磷、硫均不到0.1%，而氮只有0.01%。 （3）巖石中的植物必需營(yíng)養(yǎng)元素不僅含量低，而且這些營(yíng)養(yǎng)元素都以難溶的化合物形式被封閉在堅(jiān)硬的巖石中,堅(jiān)硬的巖石必須經(jīng)過(guò)破碎分解而成為母質(zhì)，植物營(yíng)養(yǎng)元素才可能被釋放、被集中，水分與空氣才可能通過(guò)和貯存，從而肥力才有可能發(fā)生和發(fā)展，土壤才有可能形成,2. 地殼如何變成具有肥力的土壤,二）巖石的礦物組成,構(gòu)成巖石的礦物稱為造巖礦物，包括石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石、輝石、橄欖石等十幾種,一般為白色透明，含有雜質(zhì)時(shí)呈其他顏色 。石英是最主要的造巖礦物，分布最廣，為酸性巖漿的主要成分，在沉積巖和變質(zhì)巖中也常見(jiàn)。石英在巖石中常呈不透明或半透明晶粒狀，煙灰色，油脂光澤

4、。石英的伴生礦物是云母、長(zhǎng)石。 石英硬度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易風(fēng)化，巖石風(fēng)化后，石英形成砂粒，含砂粒多的土壤，含鹽基少，形成的母質(zhì)養(yǎng)分一般貧乏，酸性也較強(qiáng),石 英,正長(zhǎng)石 KalSi3O8,晶體短柱狀，肉紅色、淺黃色、淺黃紅色等，玻璃光澤，完全解理，硬度6.0。正長(zhǎng)石在巖石中呈晶粒，長(zhǎng)方形的小板狀，板面具有玻璃光澤。伴生礦物為石英、云母等。正長(zhǎng)石易風(fēng)化，風(fēng)化后形成粘土礦物高嶺石等，可為土壤提供大量K養(yǎng)分。正長(zhǎng)石類礦物一般含氧化鉀16.9,斜長(zhǎng)石 Na（AlSi3O8）Ca（Al2Si2O8,常呈板狀和柱狀晶體。白色或灰白色。玻璃光澤，完全解理，硬度6.06.5。在巖石中多呈晶粒，長(zhǎng)方形板狀，白

5、色或灰白色，玻璃光澤。伴生礦物主要是輝石和角閃石。斜長(zhǎng)石比正長(zhǎng)石容易風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物主要是粘土礦物，能為土壤提供K、Na、Ca等礦物養(yǎng)分,白云母KH2Al3Si3O12 常見(jiàn)片狀、鱗片狀。白云母無(wú)色透明或淺色（淺黃、淺綠）透明。極完全解理，薄片具有彈性，珍珠光澤，硬度2.0-3.0。 白云母較難風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物為細(xì)小的鱗片狀，強(qiáng)烈風(fēng)化后能形成高嶺石等粘土礦物,黑云母KH2(Mg，F(xiàn)e)3AlSi3O12深褐色或黑色，其他性質(zhì)同白云母。 黑云母主要分布在花崗巖、片麻巖和結(jié)晶片巖中，伴生礦物是石英、正長(zhǎng)石等。黑云母較白云母易于風(fēng)化，風(fēng)化物為碎片狀,云母類因化學(xué)成分不同而分為白云母和黑云母,普通角閃石

6、Ca(Mg,Fe)3Si4O12,角閃石呈細(xì)長(zhǎng)柱狀，深綠至黑色，玻璃光澤，完全解理，硬度5.06.0，角閃石主要分布在巖漿巖和變質(zhì)巖中的片麻巖和片巖中。在巖石中呈針狀或纖維狀。伴生礦物為正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和輝石，角閃石易風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物為粘土礦物,呈短柱狀、致密塊狀，棕至暗黑色，條痕灰色，中等解理，硬度5.5。輝長(zhǎng)巖和玄武巖中，在巖石中多呈晶粒狀。伴生礦物為角閃石、斜長(zhǎng)石、輝石等，較角閃石難風(fēng)化，風(fēng)化物為粘土礦物，富含F(xiàn)e,輝石 Ca(Mg,Fe)Si2O6,普通輝石,橄欖石呈粒狀集合體出現(xiàn)，橄欖綠色，玻璃光澤或油脂光澤。橄欖石為超基性巖的主要組成礦物，伴生礦物為斜長(zhǎng)石、輝石，不與石英共生，易風(fēng)化，

7、風(fēng)化產(chǎn)物有蛇紋石、滑石等。 蛇紋石呈污綠色，玻璃光澤或油脂光澤，斷口上有時(shí)呈蠟狀光澤，比重2.5，硬度2.04.0,橄攬石(Mg,Fe)2SiO4,方解石為次生礦物，呈菱形，半透明，乳白色，含雜質(zhì)時(shí)呈灰色、黃色、紅色等，完全解理，玻璃光澤。與稀鹽酸反應(yīng)生成CO2氣泡。無(wú)色透明者稱冰洲石。方解石分布很廣，是大理巖、石灰?guī)r的主要礦物，常為砂巖、礫巖的膠結(jié)物，也可在基性噴出巖氣孔中出現(xiàn)。方解石的風(fēng)化主要是受含CO2的水的溶解作用，形成重碳酸鹽隨水流失，石灰?guī)r地區(qū)的溶洞就是這樣形成的,方解石 CaCO3,白云石是由方解石、菱美礦結(jié)合而成，呈彎曲的馬鞍狀、粒狀、致密塊狀等，灰白色，有時(shí)帶微黃色，玻璃光澤

8、，性質(zhì)與方解石相似，但較穩(wěn)定，與冷鹽酸反應(yīng)微弱，只能與熱鹽酸反應(yīng)，粉末遇稀鹽酸起反應(yīng)，這是與方解石的主要區(qū)別。白云石是組成白云巖的主要礦物，也存在于石灰?guī)r中。風(fēng)化物是土壤Ca、Mg養(yǎng)分的主要來(lái)源,白云石 CaCO3MgCO3,石膏呈板狀、塊狀、無(wú)色或白色。玻璃光澤或絲絹光澤。硬度2.0，是干旱炎熱氣候條件下的鹽湖沉積。常作土壤改良劑,石膏 CaSO42H2O8,二、土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成及礦物組成,一）土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成 由于土壤礦物質(zhì)來(lái)自于巖石的風(fēng)化，所以土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成與巖石的化學(xué)組成有相似之處，但也存在一定的區(qū)別,地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量,具體來(lái)看，土壤礦物質(zhì)的化學(xué)組成有以下三

9、個(gè)特點(diǎn)： （1）O、Si是含量最多的兩種元素，Al、Fe次之。它們分別占土壤礦物質(zhì)重量的49%、33%、7.13%和3.80%。上述四種元素相加共占土壤礦物質(zhì)重量的92.93,也就是說(shuō)，土壤礦物質(zhì)中其余90多種元素合在一起，也不過(guò)占土壤礦物質(zhì)重量的7.07%。所以，在組成土壤礦物質(zhì)的化合物中，絕大多數(shù)也是含氧化合物，其中又以硅酸鹽最多。土壤礦物質(zhì)化學(xué)組成的這一特點(diǎn)與巖石是相似的,2）植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素不僅含量很低，而且分布很不平衡。 例如，N只有0.1%，而P、S均不到0.1%。這樣低的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足植物和微生物營(yíng)養(yǎng)的需要。這一化學(xué)組成特點(diǎn)與巖石也是相似的,3）兩者的區(qū)別之處就在于： 與

10、巖石相比，有的化學(xué)元素在成土過(guò)程中增加了，而有的則顯著下降了。 例如，與巖石相比，土壤礦物質(zhì)中O、Si、C、N等元素的含量增加了，而Ca、Mg、K、Na等元素的含量則顯著下降了,二）土壤礦物質(zhì)的礦物組成,土壤礦物質(zhì)按照來(lái)源的不同，可以分為原生礦物和次生礦物兩大類,1、原生礦物（ primary minerals,1）原生礦物的概念 自然界中，礦物的種類很多，其中長(zhǎng)石、石英、輝石、角閃石、云母等數(shù)種礦物是構(gòu)成巖石的主要礦物，稱為造巖礦物，它們約占大陸巖石圈的90,在風(fēng)化成土過(guò)程中未改變化學(xué)組成的原始造巖礦物，稱為原生礦物。 原生礦物主要是一些抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的造巖礦物，其中大部分為石英和長(zhǎng)石類礦物

11、。此外，還包括云母、角閃石及輝石等。 巖漿巖是其主要來(lái)源,石英,含有錳離子的石英紫水晶,含有機(jī)質(zhì)的石英煙水晶,含鐵錳的石英芙蓉石,普通石英,正長(zhǎng)石（KAlSi3O8）： 鉀長(zhǎng)石，肉紅色，晶體為短柱狀， 易化學(xué)分解，為土壤提供鉀,斜長(zhǎng)石Na(AlSi3O8)Ca(Al2Si2O8)： 板狀或粒狀，灰白色，硬度6.5左右， 較易分解，為土壤提供鈣,輝石Ca(Mg,Fe)Si2O6： 綠黑色，短柱狀或近似粒狀，硬度56，玻璃光澤; 易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分,角閃石Ca(Mg,Fe)Si4O12： 黑綠色，長(zhǎng)柱狀或近似細(xì)長(zhǎng)條狀，硬度56，玻璃光澤； 易風(fēng)化，為土壤提供鈣、鐵、鎂等養(yǎng)分,白云母

12、(KH2Al3Si3O12)： 無(wú)色，片狀，具彈性，硬度23，極完全解理。 易發(fā)生物理崩解，很發(fā)生化學(xué)分解，為土壤提供鉀,橄欖石(Mg,Fe)2SiO4： 橄欖綠色，立方形晶粒，斷口常為貝殼狀，硬度6.57。 富含鐵，易分解，為土壤提供鐵、鎂等養(yǎng)分,2）原生礦物的特點(diǎn) 土壤原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 土壤中原生礦物類型和數(shù)量多少在很大程度上決定于礦物的穩(wěn)定性。如，石英是極穩(wěn)定的礦物，具有很強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，因而土壤的粗顆粒中，其含量就高。 土壤原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來(lái)源。原生礦物中含有豐富的Ca、Mg、K、Na、P、S等常量元素和多種微量元素，經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用釋放供植物和微生物吸收利用

13、,土壤礦物的風(fēng)化及穩(wěn)定性序列圖,A. 構(gòu)成土壤的“骨架”；粗的土粒 土壤中的原生礦物主要存在于粗粒組分中，粒徑為1-0.01毫米的砂粒和粉砂粒幾乎都是原生礦物。 B. 風(fēng)化后釋放出營(yíng)養(yǎng)元素。土壤原生礦物也是土壤中各種化學(xué)元素的最初來(lái)源。 另外，由于原生礦物顆粒較粗，比表面積小，所以它們給土壤帶來(lái)疏松通透的物理性質(zhì),3）原生礦物（對(duì)土壤肥力）的作用,原生礦物的組成和比例很少能反映土壤形成過(guò)程特點(diǎn)，但是，它們說(shuō)明成土母質(zhì)成因特征。土壤中原生礦物豐富，說(shuō)明土壤相當(dāng)年輕。隨著土壤年齡增長(zhǎng)，原生礦物含量和種類逐漸減少。 不同種類的原生礦物，由于其構(gòu)造特點(diǎn)及元素組成不同，抗風(fēng)化的能力及提供養(yǎng)分的能力也不同

14、,2、次生礦物（secondary minerals,1）概念 土壤中的次生礦物，是在巖石的風(fēng)化和成土過(guò)程中，由原生礦物經(jīng)化學(xué)蝕變或由其分解產(chǎn)物重新合成的新生礦物,2）特點(diǎn),通過(guò)電子顯微鏡對(duì)其外部形態(tài)進(jìn)行觀察可以清楚地看出，次生礦物可呈板狀、小球狀及短?hào)艩畹雀鞣N形狀,從其內(nèi)部的構(gòu)造及成份來(lái)看，它們大都為層狀硅酸鹽，故有時(shí)也稱為次生層狀硅酸鹽礦物。 由于次生礦物的顆粒較細(xì)，主要存在于土壤的粘粒組分中，是粘粒的主要成分，故也稱為次生粘粒礦物，或直接稱粘粒礦物、粘土礦物。( clay mineral) 土壤中常見(jiàn)的次生礦物包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石以及針鐵礦、三水鋁石、水鋁英石等,粘土礦物的

15、類型和特征綜合地反映土壤的風(fēng)化和成土條件。研究和鑒定它的類型、數(shù)量和特征具有以下意義： A、可以幫助人們了解各種土壤在發(fā)生學(xué)上的地位，在土壤分類學(xué)中，次生礦物成為鑒別土類的主要依據(jù)。 B、有助于了解土壤一系列理化性狀（吸濕性、可塑性、脹縮性、離子吸附性），判斷土壤肥力特征。 （必須更加關(guān)注粘土礦物,3）粘土礦物意義,次生礦物的類型,高嶺石（H2Al2Si2O8.H2O） 致密細(xì)粒狀、土狀集合體，白色或淺紅色，硬度1， 比重2.6，具粗糙性，加水有可塑性,三）硅鋁率、硅鋁鐵率,硅鋁率（silica-alumina ratio) 又稱Sa 值： 土壤粘粒中二氧化硅與三氧化二鋁的分子比率,硅鋁鐵率（

16、silica-sesquioxide ratio）又稱Saf值：土壤粘粒礦物的二氧化硅分子數(shù)與三氧化二鐵、三氧化二鋁分子數(shù)之和的比率,例 題,某土壤粘粒部分SiO2含量為41.89%，Al2O3含量為33.27%，F(xiàn)e2O3含量為11.85%，計(jì)算其硅鋁率（Sa）、硅鋁鐵率（Saf）。（SiO2、Al2O3、Fe2O3的分子量分別為60、102和160） SiO2的分子含量=41.89/60=0.698 Al2O3的分子含量=33.27/102=0.326 Fe2O3的分子含量=11.85/160=0.074 Sa=0.698/0.326=2.14 Saf=0.698/（0.326+0.074

17、）=1.75,硅鋁鐵率的意義,判斷粘粒礦物的大體類型： 因?yàn)椴煌N類的粘粒礦物，其SiO2/R2O3分子比率不同。 可根據(jù)土體的Saf值在同一剖面中的分異，說(shuō)明粘粒在剖面中的富集情況：如果剖面某土層中，全土的Saf降低，則該土層中往往有粘粒(小于1微米)相對(duì)富集。 與母質(zhì)對(duì)照起來(lái)，說(shuō)明成土過(guò)程的特征：如果Sa或Saf增大，則說(shuō)明有脫鋁現(xiàn)象(酸性淋溶)；反之，則有富鋁化作用(如紅壤的形成過(guò)程,第二節(jié) 粘土礦物,一、層狀硅酸鹽粘土礦物 （一）構(gòu)造特征 1、基本結(jié)構(gòu)單位 從外部形態(tài)上看，層狀硅酸鹽粘土礦物是一些極微細(xì)的結(jié)晶顆粒；從內(nèi)部構(gòu)造上看，它們是由兩種基本結(jié)構(gòu)單位即硅氧四面體和鋁氧八面體所構(gòu)成,

18、硅氧四面體和鋁氧八面體,1）硅氧四面體（或簡(jiǎn)稱四面體） 四面體基本的結(jié)構(gòu)是由1個(gè)硅離子（Si4+）和4個(gè)氧離子（O2-）所構(gòu)成。 其排列方式：以3個(gè)O2-構(gòu)成三角形為底，Si4+位于底部3個(gè)O2-之上的中心處，第4個(gè)O2-則位于Si4+的頂部，恰好把Si4+蓋在O2-的下面。像這樣的構(gòu)造單位，如果連接相鄰的3個(gè)O2-的中心，可構(gòu)成假想的4個(gè)三角形的面，Si4+位于這4個(gè)面的中心，這種結(jié)構(gòu)單位為硅氧四面體（或簡(jiǎn)稱四面體,硅氧四面體,我們還帶一個(gè) 負(fù)電荷，么辦,由于硅離子為+4價(jià)，氧離子為-2價(jià)，所以每個(gè)氧離子只需用1個(gè)價(jià)電子與硅離子結(jié)合，另一個(gè)價(jià)電子是自由的,硅、氧兩元素能組成一個(gè)單位的原因：

19、一是硅具有正原子價(jià)，而氧具有負(fù)原子價(jià)，二者可相互吸引。 二是與原子大小有關(guān)，四個(gè)氧原子堆積成四面體時(shí)，其間所形成的空隙與硅原子的大小基本相似。 但四面體的價(jià)鍵并不平衡(SiO4)4-，因此許多四面體可共用氧原子形成一層。此時(shí)鍵價(jià)仍不平衡，可與鋁氧八面體結(jié)合形成各類粘土礦物,2）鋁氧八面體（或簡(jiǎn)稱八面體,八面體的基本結(jié)構(gòu)是由1個(gè)鋁離子（Al3+）和6個(gè)氧離子（O2-）或氫氧離子（OH-）所構(gòu)成,其排列方式：以6個(gè)O2-或OH-排成兩層，每層都由3個(gè)O2-或OH-排成三角形，但上層O2-的位置與下層O2-交錯(cuò)排列，Al3+位于兩層O2-的中心孔穴內(nèi)。 像這樣的構(gòu)造單位，如果連接相鄰的3個(gè)O2-的中

20、心，可構(gòu)成假想的8個(gè)三角形的面，Al3+位于這8個(gè)面的中心，這種結(jié)構(gòu)單位為鋁氧八面體（或簡(jiǎn)稱八面體）。分子式：(AlO6)9,2、單位晶片 硅氧四面體和鋁氧八面體在形成硅酸鹽粘土礦物之前，首先要分別各自聚合。聚合的結(jié)果： 四面體在水平方向上無(wú)限延伸，排列成四面體片（簡(jiǎn)稱硅片、硅氧片），硅片可用n(Si4O10)4-表示； 八面體在水平方向上無(wú)限延伸，排列成八面體片（簡(jiǎn)稱鋁片、水鋁片），鋁片可用n(Al4O12)12-表示，兩層O都有剩余的負(fù)電荷,硅氧四面體在平面圖上相互連接成硅片圖形（圖中A、B均為由六個(gè)氧離子所構(gòu)成的晶穴,硅片（硅氧片）圖示法,N(Si4O10)4,鋁片（水鋁片）圖示法,N(

21、Al4O12)12,六個(gè)氧原子所構(gòu)成的八面體空隙與鋁原子的大小相近似。許多鋁八面體相互連接，形成鋁氧片。鋁氧片有兩個(gè)層面的電價(jià)不平衡，可與氫原子連接形成水鋁礦，或與硅氧片通過(guò)不同方式的連接結(jié)合成為鋁硅酸鹽,中心孔徑0.58埃 Al離子半徑0.57埃,3、單位晶層 硅氧四面體和鋁氧八面體分別各自聚合形成硅氧四面體片和鋁氧八面體片后，再以不同的方式在C軸方向上堆疊，就構(gòu)成了粘土礦物的單位晶層。 按照硅氧四面體片和鋁氧八面體片堆疊方式的不同，可以形成三種形式的單位晶層，即11型、21型和211型的單位晶層,1）11型單位晶層 11型單位晶層由一個(gè)硅片和一個(gè)鋁片構(gòu)成，硅片頂端的活性氧與鋁片底層的活性氧

22、通過(guò)共用的方式形成單位晶層。 11型單位晶層有兩個(gè)層面，一個(gè)是氧原子層面，另一個(gè)是氫氧層面,1:1型粘土礦物的構(gòu)造示意圖,迪愷石,高嶺石,2）21型單位晶層 21型單位晶層由兩個(gè)硅片夾一個(gè)鋁片構(gòu)成，兩個(gè)硅片頂端的氧都向著鋁片，鋁片上下兩層氧分別與硅片通過(guò)共用頂端氧的方式形成單位晶層。 21型單位晶層的兩個(gè)層面都是氧原子面,2:1型粘土礦物的構(gòu)造圖,3）211型單位晶層 211型單位晶層在21型單位晶層的基礎(chǔ)上又多了1個(gè)八面體片（鋁片或鎂片）。這樣，211型單位晶層由兩個(gè)硅片、一個(gè)鋁片和一個(gè)鋁片（或鎂片）構(gòu)成,2:1:1型粘土礦物的構(gòu)造圖,4、同晶替代 （1）概念 粘土礦物晶架內(nèi)四面體或八面體的

23、中心陽(yáng)離子（Al3+、Si4+）常被另一種大小相似的陽(yáng)離子所代替，其結(jié)果改變了晶架的化學(xué)組成，而晶體構(gòu)造不受破壞，這種現(xiàn)象稱為同晶替代。 同晶替代現(xiàn)象在21和211型粘土礦物中較普遍，而11型粘土礦物中則相對(duì)較少,2）特點(diǎn) 同晶替代現(xiàn)象有以下兩個(gè)特點(diǎn)： （i）替代和被替代離子的大小要相近。 只有這樣才能保證替代后晶形（晶體構(gòu)造）不發(fā)生改變。例如，F(xiàn)e3+的半徑（0.064nm）與八面體的中心離子Al3+的半徑（0.057nm）相近，可發(fā)生替代而不改變晶形；而La3+的半徑比Al3+大一倍以上，La3+不能替代Al3,ii）替代和被替代離子的電性必須相同，但電價(jià)可以等價(jià)，也可以不等價(jià)。 如果替代

24、的兩個(gè)離子是同價(jià)的，則替代的結(jié)果是晶體內(nèi)部仍保持電中性；而如果替代的兩個(gè)離子不等價(jià)，則替代的結(jié)果使晶體或者帶正電荷（中心陽(yáng)離子被電價(jià)高的陽(yáng)離子所替代），或者帶負(fù)電荷（中心陽(yáng)離子被電價(jià)低的陽(yáng)離子所替代,在硅酸鹽粘土礦物中，最普遍的同晶替代現(xiàn)象是晶體中的中心離子被低價(jià)的離子所代替（例如，四面體中的Si4+常被Al3+所替代；八面體中的Al3+常被Mg2+、Fe3+或Fe2+所替代），所以，土壤中的硅酸鹽粘土礦物一般以帶負(fù)電荷為主,3）意義 同晶替代的結(jié)果使土壤中的硅酸鹽粘土礦物帶正電荷或負(fù)電荷，這種由于同晶替代現(xiàn)象所產(chǎn)生的電荷稱為永久電荷。 正是由于同晶替代現(xiàn)象使土壤具有了永久電荷，才使得土壤能夠

25、吸附溶液中帶相反電荷的養(yǎng)分離子（如NH4+、K+、NO3-等），避免了這些養(yǎng)分離子隨水流失,粘土礦物數(shù)量越多，土壤肥力通常也越高,因?yàn)橥寥乐械墓杷猁}粘土礦物一般以帶負(fù)電荷為主，所以吸附的離子以陽(yáng)離子為主。由此可見(jiàn)，土壤中粘土礦物的數(shù)量與土壤肥力之間有著密切的關(guān)系,21和211型粘土礦物數(shù)量越多，土壤肥力通常也越高,因?yàn)橥娲F(xiàn)象在21和211型粘土礦物中較普遍，而11型粘土礦物中相對(duì)較少。所以，土壤中粘土礦物的類型與土壤肥力的關(guān)系也很大,二）硅酸鹽粘土礦物的種類及一般特性 土壤中層狀硅酸鹽粘土礦物的種類很多，根據(jù)其構(gòu)造特點(diǎn)和性質(zhì)，可以歸納為4個(gè)類組，即高嶺組、蒙蛭組、水化云母組和綠泥石組礦物

26、,1、高嶺組 （1）礦物類型 高嶺組礦物又叫11型礦物，是硅酸鹽粘土礦物中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一類。 包括高嶺石、珍珠陶土、迪愷石及埃洛石等。 高嶺石是土壤中最常見(jiàn)的一種11型硅酸鹽粘土礦物（見(jiàn)圖,1:1型高嶺石類晶體結(jié)構(gòu)模型圖,高嶺組粘土礦物是南方熱帶和亞熱帶土壤中普遍而大量存在的粘土礦物，在華北、西北、東北及西藏高原土壤中含量很少,2）特點(diǎn) 高嶺組礦物具有以下特點(diǎn)： （i）11型的晶層結(jié)構(gòu)。高嶺組礦物的晶層是由一層硅片和一層鋁片重疊而成。 （ii）非膨脹性。由于在C軸方向上相鄰晶層的層面不同（一個(gè)是硅片的氧面，一個(gè)是鋁片的氫氧面），這樣兩個(gè)晶層的層面間產(chǎn)生了鍵能較強(qiáng)的氫鍵，使相鄰晶層間產(chǎn)生了較強(qiáng)的

27、連接力，晶層不易膨脹（膨脹系數(shù)一般小于5,iii）電荷數(shù)量少。由于晶層內(nèi)部硅片和鋁片中沒(méi)有或極少同晶替代現(xiàn)象，因此所帶負(fù)電荷數(shù)量較少。 （iv）膠體特性較弱。與其它的硅酸鹽粘土礦物相比，高嶺組礦物的顆粒較粗。所以，相對(duì)于其它的硅酸鹽粘土礦物，高嶺組礦物的膠體特性較弱。因此，該組礦物的可塑性、粘結(jié)性、粘著性和吸濕性都較弱,2、蒙蛭組 （1）礦物類型 蒙蛭組礦物又叫21型膨脹性礦物，包括蒙脫石、綠脫石、拜來(lái)石、蛭石等。 蒙脫石是土壤中最常見(jiàn)的一種21型硅酸鹽粘土礦物（如圖），在我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)的土壤中分布較廣,2:1型蒙脫石類晶體結(jié)構(gòu)模型圖,2）特點(diǎn) 蒙蛭組礦物具有以下特點(diǎn)： （i）21型

28、的晶層結(jié)構(gòu)。蒙蛭組礦物的晶層是由兩層硅片夾一層鋁片構(gòu)成。 （ii）脹縮性大。由于在C軸方向上相鄰晶層的層面相同（都是硅片的氧面），這樣兩個(gè)晶層的層面間的結(jié)合力很弱，晶層容易膨脹，膨脹后水分子能夠進(jìn)入。因此，晶層的間距會(huì)因水分的進(jìn)入而擴(kuò)張以及水分的喪失而收縮，是發(fā)生變化的。蒙脫石晶層間距變化在0.962.14nm之間，蛭石晶層間距變化在0.961.45nm之間,iii）電荷數(shù)量大。由于同晶替代現(xiàn)象普遍，替代的結(jié)果使這組粘土礦物都帶大量的負(fù)電荷。 （iv）膠體特性突出。蒙蛭組礦物的顆粒很細(xì)。所以，蒙蛭組礦物的膠體特性很強(qiáng)。因此，該組礦物的可塑性、粘結(jié)性、粘著性和吸濕性都很強(qiáng)，對(duì)耕作不利,在溫帶濕潤(rùn)

29、半濕潤(rùn)的氣候條件下，又有豐富的鹽基時(shí)，有利于蒙脫石類礦物的形成。這類礦物多存在于土壤粘粒的最細(xì)部分。在我國(guó)東北、華北的栗鈣土、黑鈣土和褐土等土壤中富含這類礦物。蒙脫石類礦物種類多，成分復(fù)雜，除蒙脫石外，富含鋁的叫拜來(lái)石，富含鐵的叫綠脫石，富含鎂的叫皂石等,3、水化云母組（了解） 水化云母組礦物又叫21型非膨脹性礦物或伊利組礦物。伊利石是土壤中最常見(jiàn)的一種水化云母組礦物，廣泛分布于我國(guó)多種土壤中，尤其是西北、華北干旱地區(qū)的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。 水化云母組礦物具有以下特征：（i）21型的晶層結(jié)構(gòu)。（ii）非膨脹性。（iii）電荷數(shù)量較大。（iv）膠體特性較強(qiáng)，介于高嶺石和蒙脫石之

30、間,伊利石的結(jié)構(gòu)示意圖,水云母是土壤中含鉀的粘土礦物，鉀離子被固定在硅氧片的六角形網(wǎng)孔中，當(dāng)晶層破裂時(shí)，可將被固定的鉀重新釋放出來(lái)，供植物利用。 水云母類礦物分布廣泛，許多土壤中都有此類礦物。特別是在西北干旱地區(qū)和高寒地帶，以及風(fēng)化度淺的土壤中，常成為主要的粘土礦物。在長(zhǎng)江中下游河湖沖積物上發(fā)育的土壤中也含有較多此類礦物,4、綠泥石組（了解） 綠泥石組礦物又叫211型礦物。綠泥石是土壤中最常見(jiàn)的一種綠泥石組礦物，主要存在于沉積物和河流沖積物中。 綠泥石組礦物具有以下特征： （i）211型的晶層結(jié)構(gòu)。（ii）同晶替代較普遍。（iii）膠體特性較強(qiáng)，介于高嶺石和蒙脫石之間,綠泥石粘粒礦物結(jié)構(gòu)示意圖

31、 由兩層四面體與兩層八面體構(gòu)成2：2型礦物,土壤粘土礦物是受各種自然因素的影響，在風(fēng)化和成土過(guò)程中形成的，故粘土礦物的分布有一定的地帶性，隨生物氣候帶的變化呈緯度地帶性,三）我國(guó)土壤粘土礦物的分布,據(jù)中國(guó)土壤的資料，我國(guó)粘土礦物的分布情況大致為：溫帶干旱的漠境和半漠境地帶，風(fēng)化程度低，化學(xué)風(fēng)化程度弱，以形成水化度低的水云母為主，蒙脫石不多。隨著濕潤(rùn)程度的增加，至半干旱草原地區(qū)，蒙脫石迅速增加，結(jié)晶良好，以蒙脫石和水云母為主。暖溫帶濕潤(rùn)地區(qū)，蛭石顯著增加，以水云母蛭石為主，說(shuō)明環(huán)境有利于水云母進(jìn)一步脫鉀作用。中亞熱帶以南地區(qū)，隨著生物、水熱作用的增強(qiáng)，礦物脫硅作用旺盛，高嶺石逐漸代替水云母，鐵鋁

32、氧化物也迅速增多,二、非硅酸鹽粘土礦物 （一）氧化物類 土壤粘土礦物組成中，除層狀硅酸鹽外，還含有一類礦物結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、水化程度不等的鐵、錳、鋁和硅的氧化物及其水合物和水鋁英石。它們是硅酸鹽風(fēng)化最終產(chǎn)物，也是成土過(guò)程的產(chǎn)物。雖然在數(shù)量上是粘粒的次要成分，但它們的存在數(shù)量及組成狀況直接或間接地影響土壤的理化特性及養(yǎng)分元素的有效性,1、氧化鐵 土壤中常見(jiàn)的氧化鐵礦物是針鐵礦和赤鐵礦。 針鐵礦（-FeOOH）在溫帶、亞熱帶的土壤中大量存在，一般晶體都很小，比較大的帶黃色，較小的帶棕色，常呈針狀、故稱針鐵礦。天然針鐵礦中有一部分Fe3+被Al3+所代替。一般來(lái)說(shuō)，含有Al3+替代的針鐵礦其結(jié)晶程度都較

33、差。 赤鐵礦（-Fe2O3）在高溫、潮濕、風(fēng)化程度很深的紅色土壤中存在，在黃色或棕色的土壤中很少存在，即使土壤中的氧化鐵以針鐵礦為主，少量的赤鐵礦的存在也會(huì)使土壤看起來(lái)呈紅色。赤鐵礦常呈六角形的板狀,赤鐵礦和針鐵礦在土壤中都可以呈膠膜質(zhì)包被在土壤顆粒的表面，在熱帶地區(qū)的土壤中可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為似巖石般堅(jiān)硬的物質(zhì)鐵盤(pán),2、氧化鋁 土壤中常見(jiàn)的鋁氧化物是三水鋁石Al(OH)3，主要分布在熱帶和亞熱帶高度風(fēng)化的酸性土壤中，其含量可作為脫硅作用和富鋁作用的指標(biāo)。 土壤中三水鋁石的形成和含量的高低與水熱條件和礦物風(fēng)化有著密切關(guān)系。就水平地帶性土壤而言，我國(guó)北方石灰性土壤中不含三水鋁石，大致在北緯30以南地區(qū)的土壤中才出現(xiàn)三水鋁石。在同一地區(qū)，花崗巖發(fā)育的土壤中的三水鋁石含量較千枚巖發(fā)育的土壤高,土壤中各種形態(tài)的鐵、鋁可按離子態(tài)無(wú)定形態(tài)晶態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 鐵鋁氧化物對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要是表面作用。其影響強(qiáng)弱與表面積大小密切相關(guān)。 結(jié)晶很好、顆粒大的在土壤中轉(zhuǎn)化作用較弱。非晶質(zhì)（無(wú)定形）的鐵鋁氧化物轉(zhuǎn)化作用強(qiáng)。非晶質(zhì)的鐵鋁氧化物可以吸附陰離子，如對(duì)土壤中磷酸根離子的吸附，使磷被固定，失去其有效性,3、水鋁英石 水鋁英石(xAl2O3ySiO2nH2O)是由氧化硅、氧化鋁和水組成的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，Si/Al比在12之間變化。 水鋁英石具有較高的陽(yáng)離子交換量，為1015cm