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1、第三章土壤礦物質(zhì)和土壤質(zhì)地 目的要求: 使學(xué)生了解土壤礦物質(zhì)組成和化學(xué)組成,層狀鋁硅酸鹽粘土礦物、非硅酸鹽粘土礦物的主要性狀及其分布。掌握土壤質(zhì)地的概念及分級。 第一節(jié) 土壤礦物質(zhì)的礦物組成和化學(xué)組成一、元素組成 1. 幾乎包括元素周期表中所有元素; 2.O 、 Si 、 Al 、 Fe 為主,四者共占 88.7% 以上; 3. 植物必需營養(yǎng)元素含量低,分布不平衡。 二、礦物組成 ( 一 ) 原生礦物 1. 原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主; 以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。常見石英、長石、云母、輝石、角閃石等。 2. 原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性; 石英最穩(wěn)定,是粗土粒的主要成分; 白
2、云母和長石較穩(wěn)定,在粗土粒中較多; 黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風(fēng)化。 3. 原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源 : Ca 、 Mg 、 K 、 P 、 S 等 。 (二)次生礦物 1. 原生礦物分解轉(zhuǎn)化形成的礦物。 2. 以粘土礦物為主,又以結(jié)晶層狀硅酸鹽礦物為主; 3. 此外有 Si 、 Al 、 Fe 的氧化物及其水合物 。 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 (1) 硅氧四面體 (2) 鋁氧八面體 2. 單位晶片 硅氧四面體 硅層 鋁氧八面體 鋁層 3. 單位晶層 ( 1 ) 1:1 型 一層硅層與一層鋁層重疊而成 ( 2 ) 2:1 型 兩
3、層硅層中間夾一鋁層 ( 3 ) 2:1:1 型 2:1 型基礎(chǔ)上增加一鋁層 ( 或鎂層 ) 4. 同晶替代 指硅酸鹽礦物的中心離子被電性相同、大小相近的其它離子所代替而礦物晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。 發(fā)生同晶替代后,硅酸鹽礦物產(chǎn)生負(fù)電荷。 ( 二 ) 硅酸鹽礦物的種類 高嶺石組蒙脫石組水化云母組綠泥石組構(gòu)造類型1:1·2:12:12:1:1鍵合力氫鍵分子鍵離子鍵 脹縮性脹縮性弱脹縮性強(qiáng)脹縮性弱脹縮性較強(qiáng)晶層間距nm0.72121.014同晶置換少多較多較多陽離子交換量cmol(+)/kg土3158015020401040顆粒表面m2/kg*10*103700* 1
4、03100* 103100* 103分布南方酸土溫帶草原干旱土壤 二、非硅酸鹽粘土礦物 1、氧化鐵:針鐵礦(aFeOOH)(溫帶熱帶亞熱帶土壤中)赤鐵礦( aFe2O3):在高溫、潮濕、風(fēng)化程度很深的紅色土壤中存在。氧化鋁2、三水鋁石:Al(OH)3,分布在熱帶和亞熱帶高度風(fēng)化的孫興土壤中。我國300以南地區(qū)土壤中才有。3、水鋁英石水鋁英石:x Al2O3.ySiO2.nH2O,是火山灰土壤的主要粘土礦物。溫帶半濕潤和濕潤地區(qū)土壤。4、氧化硅蛋白石:SiO2.nH2O,火山灰土壤?;一寥?,來與于有機(jī)體形成有機(jī)酸產(chǎn)生酸性淋溶的土壤中。三、粘土礦物的形成和分布規(guī)律 1. 粘土礦物形成途
5、徑 風(fēng)化和成土過程中形成的次生礦物 , 有兩種形成途徑。 ( 1 )原生礦物風(fēng)化淋溶直接演變 +H 2 O , -K -K -Mg -Si -Si 云母類 伊利石 蛭石 蒙脫石 高嶺石 三水鋁石 ( 2 ) 風(fēng)化沉淀(自然合成)學(xué)說 原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。 SiO 2 ·nH 2 O :土壤 pH 條件下帶負(fù)電荷,酸膠基。 Al 2 O 3 ·nH 2 O , Fe 2 O 3 ·nH 2 O :帶正電荷,堿膠基。 鹽基離子 Ca 2+ 、 Mg 2+ 、 K + 、 Na + 等,決定溶液 pH ,并參與礦物形成。 正負(fù)電荷膠體相互中和沉淀組成新
6、礦物。 沉淀 老化、結(jié)晶 溶膠 凝膠(非晶質(zhì)) 結(jié)晶質(zhì) 當(dāng)溶膠 SiO 2 /Al 2 O 3 3 ,可形成 2:1 型礦物; 當(dāng)溶膠 SiO 2 /Al 2 O 3 3 ,可形成 1:1 型礦物及氧化鋁礦物 風(fēng)化液 pH 與鹽基淋溶有關(guān),并影響膠體的正、負(fù)電荷數(shù)量和沉淀凝膠中正負(fù)電荷膠體的比例。 鹽基離子 Mg 2+ 、 K + 等直接參與新礦物合成,分別形成富鉀(伊利石)、富鎂(蛭石、綠泥石)等礦物。 2. 粘土礦物的形成條件 粘土礦物形成與氣候等成土條件密切相關(guān)。 南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風(fēng)化程度高,粘土礦物以 1:1 型為主,并有三水鋁石,粘粒硅鋁鐵率為 2 左右,屬鐵鋁土。 北
7、方溫帶地區(qū),粘粒礦物為各種 2:1 型 ( 伊利石、蒙脫石等 ) ,粘粒硅鋁鐵率多在 3 以上。風(fēng)化度低,屬硅鋁土。 3. 我國土壤粘土礦物分布規(guī)律 : 全國分為 7 個分布區(qū)。 北方以水云母(伊利石)為主的 1 、 2 、 3 區(qū); 秦嶺、長江中下游水云母、蛭石、高嶺石交錯分布區(qū) (4 區(qū) ) ; 南方西部蛭石和高嶺石為主的分布區(qū)( 5 區(qū)); 南方以高嶺石為主的 6 、 7 分布區(qū)。 西北和青藏高原水云母區(qū) (1 區(qū) ) ,土壤風(fēng)化程度最低; 華南高嶺區(qū)( 7 區(qū))土壤風(fēng)化程度最高。 第三節(jié) 土壤質(zhì)地一、土粒和粒級 1. 土粒: 土壤顆粒 土粒,通常專指礦物顆粒。 土粒大小以粒徑為標(biāo)準(zhǔn),土
8、粒形狀大多不是球形,只能用當(dāng)量粒徑(即與其靜水沉降速度相同的圓球直徑)代替之。 土壤 1mm( 卡氏制 ) 或 2mm 部分 ( 國際制、美國制 ) 2. 土粒的大小劃分 粒級:分級標(biāo)準(zhǔn):國際制、美國制、卡慶斯基制 及中國制。 二、各級土粒的組成和性質(zhì) (一)礦物組成 (1) 砂粒以原生礦物為主,最多的是石英; (2) 粉粒除原生礦物外 , 還有一些風(fēng)化后形成的次生礦物; (3) 粘粒則以次生礦物為主。 (二)化學(xué)組成 (1) 隨粒徑由大到小, SiO 2 含量由多到少; (2) R 2 O 3 ( 即 Fe 2 O 3 與 Al 2 O 3 的總稱 ) 與 SiO 2 相反,隨粒徑由大到小,
9、 R 2 O 3 含量由少到多; (3) CaO 、 MgO 、 P 2 O 5 、 K 2 O 隨土粒由大到小,含量增加。 (三)各級土粒的物理性質(zhì) 土粒由大到小,保水能力增加,但通透性降低。隨著土粒由大到小 , 土壤濕脹性和可塑性增加,對耕作帶來不利影響。 三、土壤機(jī)械組成和質(zhì)地 1. 土壤機(jī)械組成 土壤中各級土粒的百分含量,又稱土壤顆粒組成。 2. 土壤質(zhì)地概念 按土壤顆粒組成進(jìn)行分類,將顆粒組成相近而土壤性質(zhì)相似的土壤劃分為一類并給予一定名稱,稱為土壤質(zhì)地 (Soil texture) 。 劃分土壤質(zhì)地的目的在于認(rèn)識土壤的特性并合理利用土壤和改良土壤。 3 、土壤質(zhì)地分類制 ( 1 )
10、國際制 根據(jù)粘粒含量將質(zhì)地分為三類即: 粘粒含量小于 15% 為砂土類、壤土類; 粘粒含量 15%25% 為粘壤土類; 粘粒含量大于 25% 為粘土類。 根據(jù)粉砂粒含量,凡粉砂粒含量大于 45% 的,在質(zhì)地名稱前冠 “ 粉砂質(zhì) ” 。 根據(jù)砂粒含量,凡砂粒含量大于 55% 的,在質(zhì)地名稱前冠 “ 砂質(zhì) ” 。( 2 )美國制 等邊三角形的三個邊分別表示砂粒、粉粒、粘粒的含量。根據(jù)土壤中砂粒、粉粒、粘粒的含量,在圖中查出其點(diǎn)位再分別對應(yīng)其底邊作平行線,三條平行線的交點(diǎn)即為該土壤的質(zhì)地。 ( 3 )卡慶斯基制:卡慶斯基質(zhì)地分類可歸納為以下幾個步驟: 根據(jù)物理性粘粒含量,將土壤分為三大質(zhì)地類型九種質(zhì)
11、地,通過查表 4-6 確定。 根據(jù)砂粒(砂質(zhì))、粗粉粒(粗粉質(zhì))、中細(xì)粉粒(粉質(zhì))、粘粒含量(粘質(zhì)),進(jìn)一步劃分質(zhì)地,確定質(zhì)地詳細(xì)名稱。 第二優(yōu)勢粒級第一優(yōu)勢粒級質(zhì)地名稱 根據(jù)石礫含量,查下表,冠在質(zhì)地詳細(xì)名稱之前。 大于 1 毫米的石礫含量 % 石質(zhì)程度 <0.5 非石質(zhì)土 0.55.0 輕石質(zhì)土 5.010.0 中石質(zhì)土 >10.0 重石質(zhì)土美國制質(zhì)地前蘇聯(lián)卡欽斯基(4)我國的土壤質(zhì)地分類過去多采用國外劃分標(biāo)準(zhǔn)。1958年我國群眾性土壤普查鑒定中,在總結(jié)群眾經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,擬定了一個土壤質(zhì)地分類暫行方案,并附有鑒定規(guī)格。中國制質(zhì)地分級四、不同質(zhì)地土壤的肥力特征和利用改良 (一)不
12、同質(zhì)地土壤的肥力特征 1. 砂質(zhì)土類 ( 1 )水 粒間孔隙大,毛管作用弱,透水性強(qiáng)而保水性弱,水氣易擴(kuò)散,易干不易澇; ( 2 )氣 大孔隙多,通氣性好,一般不會累積還原物質(zhì); ( 3 )熱 水少氣多,溫度容易上升,稱為熱性土,有利于早春作物播種; ( 4 )肥 養(yǎng)分含量少,保肥力弱,肥效快,肥勁猛,但不持久,易造成作物后期脫肥早衰; ( 5 )耕性 松散易耕。 2. 粘質(zhì)土類 ( 1 )水 粒間孔隙小,毛管細(xì)而曲折,透水性差,易產(chǎn)生地表徑流 , 保水抗旱力強(qiáng),易澇不易旱; ( 2 )氣 小孔隙多,通氣性差,容易累積還原性物質(zhì); ( 3 )熱 水多氣少,熱容量大,溫度不易上升,稱冷性土,對早春作物播種不利; ( 4 )肥 養(yǎng)分含量較豐富且保肥力強(qiáng),肥效緩慢,穩(wěn)而持久,有利于禾谷類作物生長,籽實(shí)飽滿。早春低溫時,由于肥效緩慢易造成作物苗期缺素; ( 5 )耕性 耕性差,粘著難耕。 3. 壤質(zhì)土類 土壤性質(zhì)兼具粘質(zhì)土和砂質(zhì)土的優(yōu)點(diǎn),而克服了它們的缺點(diǎn) 。耕性好,宜種廣,對水分有回潤能力,是較理想的質(zhì)地類型。 (二)土壤質(zhì)地層次組合 1. 粘蓋砂不良組合 2. 砂蓋粘優(yōu)良組合 (三)土壤質(zhì)地改良 1. 客
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