土壤組成學習教案

1、會計學1土壤土壤(trng)組成組成第一頁，共37頁。第2頁/共37頁第二頁，共37頁。一、土壤(trng)礦物質(zhì)第3頁/共37頁第三頁，共37頁。學習(xux)重點u 土壤(trng)礦物類型及其風化特征u 土壤(trng)礦物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化u 礦物風化程度的量度指標第4頁/共37頁第四頁，共37頁。（一）土壤礦物質(zhì)組成（一）土壤礦物質(zhì)組成元素組成元素組成 地殼和土壤的平均地殼和土壤的平均(pngjn)化學組成（重量化學組成（重量%） 1、幾乎包括元素周期表中所有、幾乎包括元素周期表中所有(suyu)元素元素； 2、O、Si、Al、Fe為主，四者共占為主，四者共占88.7%以以上；上； 3、植

2、物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。第5頁/共37頁第五頁，共37頁。1.原生礦物 土壤原生礦物是指各種巖石(ynsh)受到不同程度的物理風化，而未經(jīng)化學風化的碎屑物，原來的化學組成和結晶構造未變。 原生礦物的種類和含量，隨母質(zhì)的類型、風化強度和成土過程的不同而異。土壤中粉沙粒和砂?；径际窃V物（圖1-7）。 不同原生礦物的相對穩(wěn)定性與其化學成分密切相關，如下表：第6頁/共37頁第六頁，共37頁。第7頁/共37頁第七頁，共37頁。 土壤原生礦物種類主要有：硅酸鹽、鋁硅酸鹽類礦物、氧化物類礦物、硫化物和磷酸鹽類礦物。1）硅酸鹽、鋁硅酸鹽類礦物：包括長石、云

3、母、輝石、角閃石和橄欖石等。 長石類：鉀長石、鈉長石和鈣長石；是巖石中分布最廣的一類硅鋁酸鹽類礦物。 云母類：白云母、黑云母，鋁硅酸鹽類礦物，易風化，是土壤中K的主要來源。 橄欖石：含鐵、鎂的硅酸鹽礦物，鎂橄欖石、鐵橄欖石及綠橄欖石等，極易風化。 輝石、角閃石類：偏硅酸鹽類，顏色呈綠色或黑色，是巖漿巖中暗色礦物的組分。普通輝石和角閃石在土壤中常見(chn jin)，F(xiàn)e、Mg和Ca含量高。第8頁/共37頁第八頁，共37頁。2）氧化物類礦物：包括石英、赤鐵礦、金紅石、藍晶石、鋯石、電氣石等。極穩(wěn)定，不易風化。其中石英是土壤中分布最廣的礦物，占地殼的12.6%，以砂粒為主。赤鐵礦則是熱帶(rdi)

4、、亞熱帶(rdi)紅色土壤的成因。 3）硫化物類礦物： 黃鐵礦和白鐵礦，同質(zhì)異構體。分子式：FeS2，極易風化，土壤中硫的主要來源。4）磷酸鹽類礦物： 磷灰石以氟磷灰石最為常見，此外還有氯磷灰石羥磷灰石，是土壤中無機磷的重要來源。第9頁/共37頁第九頁，共37頁。原生礦物的主要特征：原生礦物的主要特征：1、原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主、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。以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。 如如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。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)、原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性定性 石英最穩(wěn)定

5、，是粗土粒的主要成分；石英最穩(wěn)定，是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒中較多；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒中較多； 黑黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風化云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風化(fnghu)。3、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源 Ca、Mg、K、P、S等等 第10頁/共37頁第十頁，共37頁。2.次生礦物 土壤次生礦物是原生礦物風化后重新組成的，其化學組成和構造發(fā)生改變。主要包括土壤物質(zhì)中最細小的部分(粒徑小于10微米(wi m)，呈膠體性質(zhì)，又稱粘土礦物或粘粒礦物。 次生礦物有活動的晶格，有強烈的吸附代換性能，土壤固體物質(zhì)最有影響力的部分，對

6、土壤吸收性膨脹收縮性、粘著性等均有影響。 根據(jù)組成、構造和性質(zhì)可分三類：簡單鹽類、次生氧化物類和次生鋁硅酸鹽類。第11頁/共37頁第十一頁，共37頁。1）簡單鹽類：包括各種碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物等，是原生礦物風化的最終產(chǎn)物，結晶(jijng)構造簡單，常見于干旱和半干旱地區(qū)的土壤中。2）次生氧化物礦物（1）氧化鐵和氫氧化鐵類：褐鐵礦(2Fe2O33H2O)：土壤呈棕褐、橘紅和紅色。赤鐵礦(2Fe2O3)：溫暖地帶由氫氧化鐵沉淀而成，在有機質(zhì)豐富的土壤，赤鐵礦易還原為針鐵礦。磁赤鐵礦(Fe2O3)：原生磁鐵礦氧化或脫水后形成，土壤呈紅棕色，熱帶、亞熱帶的高度風化土中。針鐵礦(2FeOOH)：所

7、處酸堿度范圍寬，幾乎所有土壤中均存在針鐵礦，呈黃-棕褐色。纖鐵礦(FeOOH)：比針鐵礦少見，存在溫帶濕潤地區(qū)的非石灰性水成土內(nèi)，特別是氧化-還原交替頻繁的層次或有機質(zhì)含量多的土層尤為常見，呈橙色斑紋。第12頁/共37頁第十二頁，共37頁。水鐵礦(Fe2O3nH2O)：高鐵化合物水解產(chǎn)生的棕色膠體沉淀，多存在于有機質(zhì)豐富的寒溫帶土壤中。（2）氧化鋁礦物： 由含鋁硅酸鹽的風化脫水后形成，包括一水氧化鋁和三水氧化鋁，前者少見，后者在灰化土、磚紅壤、赤紅壤和黃壤中普遍存在。氧化鋁礦物是含鋁礦物強烈淋溶條件下，高度風化的最終產(chǎn)物，較穩(wěn)定。（3）氧化錳礦物： 包括一氧化錳和二氧化錳，后者更常見，在土壤表

8、面呈棕、黑色膠膜或結核狀存在。（4）次生氧化硅： 指氧化硅凝膠和蛋白石（SiO2 nH2O)。由土壤中氧化硅在酸性介質(zhì)中聚合呈凝膠，凝膠老化后縮合成蛋白石。蛋白石包含有機、無機雜質(zhì)(zzh)，呈彩色。 來源于生物的蛋白石可以作為埋藏土層和古地理環(huán)境的指示礦物，其中植物蛋白石中的有機碳可用來測定土壤的年齡。第13頁/共37頁第十三頁，共37頁。硅氧四面體硅氧四面體的構造硅氧四面體硅氧四面體的構造(guzo)圖示圖示法法3）次生(cshng)鋁硅酸鹽類a. 基本結構單位硅氧四面體（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）第14頁/共37頁第十四頁，共37頁。第15頁/共37頁第十五頁，共37

9、頁。鋁氧八面體鋁氧八面體(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- ) 鋁氧八面體鋁氧八面體 鋁氧八面體的構造鋁氧八面體的構造(guzo)圖示法圖示法第16頁/共37頁第十六頁，共37頁。第17頁/共37頁第十七頁，共37頁。硅片（硅氧片）圖示法硅片（硅氧片）圖示法鋁片（水鋁片）圖示法鋁片（水鋁片）圖示法b. 單位單位(dnwi)晶片：硅氧四面體晶片：硅氧四面體 -硅層；鋁氧八面體硅層；鋁氧八面體-鋁鋁層層第18頁/共37頁第十八頁，共37頁。c. 單位晶格單位晶格(jn )（晶層）（晶層）（1）1:1型型 一層硅層與一層鋁層重疊而成一層硅層與一層鋁層重疊而成 1:11:1型層狀

10、硅酸鹽型層狀硅酸鹽( (高嶺石高嶺石) )晶體結構示意圖晶體結構示意圖 第19頁/共37頁第十九頁，共37頁。第20頁/共37頁第二十頁，共37頁。 （2）2:1型型 兩層硅層中間兩層硅層中間(zhngjin)夾一鋁夾一鋁層層2:12:1型層狀硅酸鹽（型層狀硅酸鹽（蒙脫石蒙脫石）晶體結構示意圖）晶體結構示意圖 第21頁/共37頁第二十一頁，共37頁。第22頁/共37頁第二十二頁，共37頁。 （3）2:1 :1型（型（2:2型）型） 2:1型基礎型基礎(jch)上增加一鋁層上增加一鋁層(或鎂層或鎂層)2:1:12:1:1型層狀硅酸鹽（綠泥石）結構型層狀硅酸鹽（綠泥石）結構(jigu)(jigu)

11、示意圖示意圖 第23頁/共37頁第二十三頁，共37頁。同晶替代 指硅酸鹽礦物的中心離子(lz)被電性相同、大小相近的其它離子(lz)所代替而礦物晶格構造保持不變的現(xiàn)象。 發(fā)生同晶替代后，硅酸鹽礦物產(chǎn)生負電荷 4）硅酸鹽礦物的種類A. 高嶺(石)組(Kaolinite ) 包括高嶺石、埃洛石等 特點： (1) 1:1型 單位晶胞（層）化學式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅鋁鐵率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比 硅鋁率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比 硅鐵率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比 第24頁/共

12、37頁第二十四頁，共37頁。例：某土壤粘粒部分例：某土壤粘粒部分(b fen)SiO2含量為含量為41.89%，Al2O3含量含量33.27%，F(xiàn)e2O3含量含量11.85%，計算其硅鋁鐵，計算其硅鋁鐵率、硅鐵率。率、硅鐵率。解：解： 41.89 33.27 SiO2的分子含量的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+0.074 硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學風化程度硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學風化程度 硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程

13、和保肥能力硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程和保肥能力 (2) 膨脹性小膨脹性小 晶層間距約晶層間距約0.72nm,硅片和鋁片之間存在氫鍵硅片和鋁片之間存在氫鍵 (3) 電荷數(shù)量少電荷數(shù)量少 同晶替代極少同晶替代極少 (4) 顆粒較大（有效直徑顆粒較大（有效直徑0.22m） 可塑性、粘結可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性弱性、吸濕性、粘著性弱第25頁/共37頁第二十五頁，共37頁。B.B.蒙脫石組蒙脫石組(Montmorillonite) (Montmorillonite) 包括蒙脫石、蛭石等包括蒙脫石、蛭石等 特點：特點： (1) 2:1 (1) 2:1型型 單位晶胞的理論化學式：單位晶胞的理論化

14、學式：Al4Si8O20(OH)4nH2OAl4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脫石理論硅鋁率蒙脫石理論硅鋁率SiO2/Al2O3=8/2=4 SiO2/Al2O3=8/2=4 (2) (2) 膨脹性大膨脹性大 晶層以分子引力晶層以分子引力(ynl)(ynl)聯(lián)結，晶層間距：聯(lián)結，晶層間距： 蒙脫石蒙脫石0.960.962.14nm 2.14nm 蛭石蛭石0.960.961.45nm 1.45nm (3) (3) 電荷數(shù)量大電荷數(shù)量大 同晶替代現(xiàn)象普遍同晶替代現(xiàn)象普遍 (4) (4) 顆粒較細，呈片狀顆粒較細，呈片狀 可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性顯著，吸收水分可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性

15、顯著，吸收水分的力強，不利于植物吸水，干燥時發(fā)生劇烈收縮，對的力強，不利于植物吸水，干燥時發(fā)生劇烈收縮，對耕作不利耕作不利 蒙脫石在溫帶干旱地區(qū)土壤含量高，蛭石分布在風蒙脫石在溫帶干旱地區(qū)土壤含量高，蛭石分布在風化不太強而排水良好的土壤中化不太強而排水良好的土壤中 第26頁/共37頁第二十六頁，共37頁。C. 水云母水云母(伊利石伊利石)組組(Hydromica)（又稱（又稱2 :1型非膨脹型非膨脹性礦物）性礦物） 特點：特點： (1) 2 :1型型 單位晶胞化學式：單位晶胞化學式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨脹性非膨

16、脹性 晶層之間吸附的晶層之間吸附的K+的強吸附力，層的強吸附力，層間距間距1.0nm (3) 電荷數(shù)量電荷數(shù)量(shling)大大 同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間大，但部分被層間K+中和，有效電荷量少于蒙脫石中和，有效電荷量少于蒙脫石 (4) 膨脹、收縮和可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組膨脹、收縮和可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。之間。 伊利石廣布于一般土壤中，以溫帶干旱地區(qū)的土伊利石廣布于一般土壤中，以溫帶干旱地區(qū)的土壤含量最多。壤含量最多。第27頁/共37頁第二十七頁，共37頁。4、綠泥石組、綠泥石組(Chlorite

17、) （以綠泥石為代表，富含鎂、鐵）（以綠泥石為代表，富含鎂、鐵） 特點：特點： (1) 2:2型三八面體，化學式為型三八面體，化學式為MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代現(xiàn)象普遍同晶替代現(xiàn)象普遍(pbin)硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代代Si4+、鋁、鋁片中片中Mg2+代代Al3+產(chǎn)生負電荷，水鎂片中產(chǎn)生負電荷，水鎂片中Al3+ 代代Mg2+產(chǎn)生正電產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負電荷，介于伊利石與高嶺石之間荷，兩者相抵為凈負電荷，介于伊利石與高嶺石之間 (3) 顆粒較小顆粒較小 可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性居中

18、可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性居中土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，石灰性土壤中含量高，土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，石灰性土壤中含量高，河流沖積物和變質(zhì)巖的冰磧物中較多河流沖積物和變質(zhì)巖的冰磧物中較多 第28頁/共37頁第二十八頁，共37頁。( (二）土壤礦物質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化二）土壤礦物質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化 1.1.粘土礦物的形成過程粘土礦物的形成過程（1 1）粘土礦物形成途徑）粘土礦物形成途徑 粘土礦物：即次生鋁硅酸鹽粘土礦物：即次生鋁硅酸鹽類，是風化和成土過程中形成的次生類，是風化和成土過程中形成的次生礦物礦物 風化過程：風化過程： 物理風化物理風化 機械崩解，在溫度變化、水分凍機械崩解，在溫度

19、變化、水分凍結、碎石劈裂及風力、流水、冰川的結、碎石劈裂及風力、流水、冰川的摩擦力等物理因素摩擦力等物理因素(yn s)(yn s)作用下，作用下，巖石礦物的分解過程。礦物本身的化巖石礦物的分解過程。礦物本身的化學性質(zhì)和組成上均未發(fā)生變化，在干學性質(zhì)和組成上均未發(fā)生變化，在干旱半干旱地區(qū)的巖石風化中比較普遍旱半干旱地區(qū)的巖石風化中比較普遍。第29頁/共37頁第二十九頁，共37頁。l 化學風化：化學風化：l 水的溶解作用水的溶解作用(zuyng)lCa3(PO4)2+2H2O+2CO2 CaH4(PO4)2+2CaCO3l 水合作用水合作用(zuyng)lCaSO4+2H2O CaSO42H2O

20、l 水解作用水解作用(zuyng)l脫鹽基脫鹽基: l K2Al2Si6O16+H2CO3 KHAl2Si6O16+KHCO3l脫硅脫硅l H2Al2Si6O16+H2CO3 H2Al2Si2O82H2O+4SiO2+CO2l富鋁化作用富鋁化作用(zuyng)l H2Al2Si2O82H2O 2Al(OH)3+2H2SiO3l氧化作用氧化作用(zuyng)l FeS2 FeSO4 Fe2(SO4)3 Fe(OH)3第30頁/共37頁第三十頁，共37頁。（2 2）礦物分解的階段：）礦物分解的階段： 碎屑階段：物理風化階段，風化初期，多發(fā)生在碎屑階段：物理風化階段，風化初期，多發(fā)生在溫度變化劇烈的

21、干燥地區(qū)溫度變化劇烈的干燥地區(qū) 鈣淀積階段：鈣淀積階段：ClCl、S S、NaNa淋溶，淋溶，CaCa、MgMg、K K等在土等在土壤或風化殼內(nèi)聚集，粘土礦物以蒙脫石、云母、方壤或風化殼內(nèi)聚集，粘土礦物以蒙脫石、云母、方解石為主。主要在森林草原區(qū)和荒漠、半荒漠地區(qū)解石為主。主要在森林草原區(qū)和荒漠、半荒漠地區(qū)。 酸性硅鋁階段：風化殼或土壤中淋溶作用下，陽酸性硅鋁階段：風化殼或土壤中淋溶作用下，陽離子減少，相對富集了離子減少，相對富集了SiSi、AlAl和和FeFe組成的粘土礦組成的粘土礦物，粘土礦物以高嶺石、伊利石為主，濕潤氣候下物，粘土礦物以高嶺石、伊利石為主，濕潤氣候下形成。包括形成。包括C

22、aCa、MgMg淋溶前的中性硅鋁風化階段和淋淋溶前的中性硅鋁風化階段和淋溶后交換性溶后交換性H+H+和和Al+Al+存在的酸性硅鋁風化階段。存在的酸性硅鋁風化階段。 富鋁化階段：風化最后階段，鋁硅酸富鋁化階段：風化最后階段，鋁硅酸(u sun)(u sun)鹽分解出的硅酸鹽分解出的硅酸(u sun)(u sun)大量淋失，氧化鋁和大量淋失，氧化鋁和氧化鐵富集，粘土礦物以高嶺石、水鋁石和赤鐵礦氧化鐵富集，粘土礦物以高嶺石、水鋁石和赤鐵礦為主，呈磚紅色。為主，呈磚紅色。第31頁/共37頁第三十一頁，共37頁。 （1）原生礦物風化淋溶直接演變）原生礦物風化淋溶直接演變 +H2O，-K -K -Mg

23、-Si -Si云母云母(ynm)類類 伊利石伊利石 蛭石蛭石 蒙脫石蒙脫石 高嶺石高嶺石 三水鋁石三水鋁石 （2）風化沉淀（自然合成）風化沉淀（自然合成） 原生礦物徹底風化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。原生礦物徹底風化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。 SiO2nH2O 土壤土壤pH條件下帶負電荷，酸膠基條件下帶負電荷，酸膠基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 帶正電荷，堿膠基帶正電荷，堿膠基 鹽基離子鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，決定溶液等，決定溶液pH，并參與礦物形成，并參與礦物形成 正負電荷膠體相互中和沉淀組成新礦物正負電荷膠體相互中和沉淀組成新礦物 沉淀沉淀 老化、結晶老化、結晶溶膠

24、溶膠 凝膠（非晶質(zhì)）凝膠（非晶質(zhì)） 結晶質(zhì)結晶質(zhì) 當溶膠當溶膠SiO2/Al2O33，可形成，可形成2:1型礦物型礦物 當溶膠當溶膠SiO2/Al2O33，可形成，可形成1:1型礦物及氧化鋁礦物型礦物及氧化鋁礦物 粘土礦物的來源(liyun)：第32頁/共37頁第三十二頁，共37頁。2 2、粘土礦物、粘土礦物(kungw)(kungw)的形成條件的形成條件 粘土礦物粘土礦物(kungw)(kungw)形成與氣候等成土條件密形成與氣候等成土條件密切相關切相關 南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物(kungw)(kungw)風風化程度高，粘土礦物化程度高，粘土礦物(kungw)(kungw)以以1:11:1型為主，并型為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率為有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率為2 2左右，屬鐵鋁土左右，屬鐵鋁土 北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物北方溫帶地區(qū)，粘粒礦物(kungw)(kungw)為各種為各種2:12:1型型( (伊利石、蒙脫石等伊利石、蒙脫石等) )，粘粒硅鋁鐵率多在，粘粒硅鋁鐵率多在3 3以以上。風化度低，屬硅鋁土上。風化度低，屬硅鋁土 第33頁/共37頁第三十三頁，共37頁。3、礦物風化、礦物風化(fnghu)程度的度量指標程度的度量指標土壤礦物分解程度越高，化學元素的淋土壤礦物分解程度越高，化學元素的淋溶遷移作用越強。溶遷移作用越強。 硅鋁比率硅鋁