第二章土壤矿物质【教学目标】 土壤矿物1. 了解土壤原生矿物的种类。2. 重点掌握次生矿物的种类及特性。矿物质土粒1. 了解矿物质土粒的分类系统。2. 掌握矿物质土粒水分物理特性。 土壤质地1. 了解土壤质地的分类系统。2. 掌握不同质地土壤的水分物理特性。1 土壤矿物土壤母质来源于岩石、矿物的风化产物，岩石是由矿物所构成，是矿物的天然集合体。1.1 几种主要岩石类型与特性地壳中的岩石可分为岩浆岩(火成岩)、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩(火成岩)由岩浆冷却凝固形成，如花岗岩、闪长岩、玄武岩等，它们含有石 英、长石、深色矿物(如黑云母、辉石、角闪石等原生矿物)。沉积岩是由岩石风化物经搬运、沉积再胶结而形成的，如花岗岩风化形成的石英沙沉 入海底经地质变化胶结成的岩石，称为沙岩。变质岩是火成岩或沉积岩在高温、高压下发生质变而形成的，如花岗岩变质形成片麻 岩、沙岩和页岩变质形成石英岩和板岩，石灰岩变质可形成大理岩。1.1.1岩浆岩(1) 花岗岩 为粗粒、中粒或细粒全晶质的岩石，呈红色、灰色或浅灰色。主要矿物有石 英、正长石、黑云母，也有角闪石、斜长石，由于矿物结晶颗粒较大，组成复杂，容易发生 物理风化。在干旱地区崩解成砂粒，在湿润地区暗色矿物被分解为含水氧化铁次生矿物，长 石类矿物分解为高岭石，石英以砂粒残留于风化物中。(2) 流纹岩：化学成分与花岗岩基本相似，灰白、浅黄或浅红色。斑状结构，斑晶为圆柱 状的石英和长方形透长石。因结晶颗粒较小，难以发生物理风化。在温暖湿润地区所形成深 厚的风化层，多呈红色的粘壤土或砂质粘壤土。(3) 正长岩：其矿物组成以正长石和角闪石为主，不含石英，有少量的磷灰石，磁铁矿， 色浅红，呈块状或粒状构造。风化后形成砂壤或壤质土壤，通气性良好，富含磷、钾、钙、 镁等营养元素。土壤多为中性至微酸性反应。(4) 玄武岩：是基性喷出岩，在地壳中分布较广。化学成分与辉长岩相当。色暗近似黑色， 隐晶质结构，常有气孔构造，风化后质地较黏，含盐基物质较多。(5) 橄榄岩：主要由橄榄石和辉石组成，一般为暗绿色或黑绿色，全晶质粗粒或中粒 结构，容易风化。1.1.2沉积岩(1) 砾岩 砾岩是各种岩石碎块经过搬运沉积再经胶结硬化而成。直径一般2mm, 如经河水长途搬运，其棱角磨圆，其间有孔隙，易透水，风化后呈砂砾状。实物图片：砾岩(2) 砂岩一般由直径0.12.0mm的砂粒胶结而成，主要成分为石英，其次为长石、 白云母、磁铁矿、石榴子石等。石英含量大于95%以上的为石英砂岩；长石含量达25% 一 60%的为长石砂岩。以氧化硅为胶结剂的称为硅质砂岩；以氧化铁为胶结剂的称为铁质砂岩； 以粘土为胶结剂的称为泥质砂岩。胶结紧实的砂岩，因抗风化力强，形成土层较薄，砂性大， 尤其是石英砂岩比较明显。实物图片：粗粒石英砂岩(3) 页岩 粘土经过压实、脱水和胶结作用，硬化后变成页岩，呈页片状或层状构造。 矿物组分较复杂，多为灰色、紫红色，也有黄色、黑色。比砂岩容易风化，形成的土质较粘， 含片状碎屑多，养分含量较丰富。实物图片：页岩(4) 石灰岩石灰岩由化学沉积或生物沉积作用而成。矿物组成主要有方解石，块状 构造，岩体层理明显，多为致密结构，硬度小，遇稀盐酸可发生气泡反应，灰、青灰色，有 机质含量高时呈黑色。石灰岩风化主要是化学溶解作用，风化后土层较薄，稍粘、钙质丰富， 抗酸力强。实物图片：竹叶状灰岩1.1.3变质岩：(1) 片麻岩 由花岗岩或砂岩变质而成。成分近于花岗岩，矿物组成为石英、长石、 云母等，因受到高温高压，矿物结晶呈带状排列，具有一定的方向性，呈条带状。实物图片： 花岗片麻岩(2) 石英岩 石英岩由石英砂岩，在高温高压条件下，经过重结晶变质而成。硬度大， 抗机械性和抗化学腐蚀性强，不易风化。脂肪光泽，一般为乳白色，如含有少量氧化铁呈红 色和褐色，风化后形成砂质或砾质颗粒。(3) 板岩板岩由泥质页岩、粉砂岩和其它细粒碎屑沉积物质变质而成。有完整的片 理，劈开后呈平的薄块状平面，北方农民开采后做房瓦用。矿物组成主要是云母、绿泥石、 石英等，颜色多为青灰色。实物图片：千枚状板岩(4) 片岩片岩由各种岩石在高温高压下变质而成，也可由千枚岩进一步变质而成。 具有明显的片状构造，片理面呈粗糙皱纹状，含有云母、角闪石及少量长石。实物图片：方 柱石黑云母片岩(5) 大理岩 大理岩由碳酸岩类(石灰岩、白云岩)变质而成。一般由方解石、白云 石和少量的石英、角闪石和辉石矿物组成。具有各色花纹，是优良的建筑装饰材料。纯白色 的大理岩称为汉白玉，在我国云南分布较广。实物图片：大理岩综上所述，土壤矿物质来源于岩石、矿物的风化产物。岩石、矿物的组成和特性对土 壤的化学组成和物理性质影响甚大，这种影响主要表现在土壤颗粒粗细、土壤物理性质、土 壤的酸碱性以及土壤养分等方面（详见有关章节）。因此，学习与成土有关的岩石和矿物的组成及基本特性，有助于我们学习、认识土壤并 有目的去改造土壤，尤其是对山区土壤的改良，更是如此。1.2 土壤矿物质的来源土壤矿物质来源于岩石、矿物风化产物，岩石矿物质影响土壤的物理化学性质 土壤颗粒粗细，土壤酸碱性，土壤养分矿物是指天然产出的、具有一定的化学成分、内部构造和物理性质的元素或化合物。成土矿物：与土壤矿物质组成密切相关的矿物叫成土矿物包括：原生矿物和次生矿物1.2.1原生矿物原生矿物是指由熔融的岩浆直接冷凝所形成的矿物（1）长石类矿物（包括正长石和斜长石）正长石（KAlSi3O8），又称钾长石。颜色多呈肉红色，广泛分布于浅色岩浆岩中，如花 岗岩、正长岩、斑岩等。正长石抗风化能力较弱。风化后形成次生粘土矿物，是土壤中钾元 素的重要来源（如图01-01）。（2）云母类矿物（包括白云母和黑云母）白云母KAl2Si3Oi0（OH），又称钾云母。颜色为无色或浅色，有时带绿色，呈透明或半 透明状，薄片状。片状崩解成碎片后化学分解困难，往往混杂在砂土中，反光性很明显。白 云母在分解过程中释放出钾，成为土壤中钾元素的来源之一。黑云母KH2（MgFe）2AlSi3Oi2， 其性状与白云母相似，只是颜色呈黑色，不透明或半透明。容易分解，风化后形成粘土矿物， 释放出钾元素（如图01-02）。（3）角闪石与辉石类矿物（铁镁矿物，属于偏硅酸盐矿物）角闪石Ca2Na（Mg Fe）4（Al Fe）（SiAl） O （OH）2。颜色呈褐或黑色，主要分布于岩浆岩 中。辉石Ca（Mg Fe Al）（Si Fe） O6，颜色呈绿黑色，短柱状晶体。角闪石和辉石二者性 质相近，色深暗，属于深色矿物，含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解（如图01-03, 01-04）。（4）石英矿物（SiO2）普通石英呈透明或半透明的晶粒状的集合体。纯石英为无色，含有杂质时呈白、灰、黄、 红、绿、天蓝及紫色。完整晶形为两端锥形的六方柱状晶体或不规则块状。除氟酸外，不与 任何酸类起作用，物理及化学性质稳定，不易风化，常以颗粒状残留于土壤中，是土壤中砂 粒的主要来源（如图01-05, 01-06）。（5）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3），红色，条痕樱红色，常使土壤染成红色。磁铁矿（Fe3O4），常呈八面体晶形，铁黑色，条痕为黑色，具有磁性。黄铁矿（FeS2），金黄色，类似金属铜，断口参差状，金属光泽，条痕绿色至深棕色，较 易风化，分解后形成硫酸盐（如图01-07, 01-08）。（6）磷酸盐类矿物磷灰石Ca（P04）3（FCl）。呈六方柱状晶体，颜色灰白、黄、绿、黄褐色，是制造磷肥 的主要原料，高品位的磷灰石含PQ42.3%，一般含七0528%30%时，可用来生产过磷酸钙 肥料；18%可粉碎为磷矿粉肥料，含量 18%则不宜直接制造磷肥，可掺入无机磷细菌，以 促进磷的分解，就地使用。由于磷灰石含有氟，在制造磷肥时，常因脱氟过程产生氟的污染。 磷灰石风化后产生游离磷酸，是植物磷元素的主要来源（如图01-09）。（7）方解石（CaCO3）方解石是大理岩、石灰岩的主要组成矿物，易溶于酸，化学性质不稳定，是土壤中碳酸 钙的主要来源（如图01-10）。8）褐铁矿（Fe2O3 - 3H20）它是赤铁矿水化而形成的一种含水氧化铁，分布较广。一般为棕色、黄色，是土壤黄色 和棕色染色剂，以胶状包被于土粒的表面。（9）石膏（CaSO4）石膏不含结晶水称为硬石膏。含结晶水石膏（CaSO2H2O）称为结晶石膏。白色，玻璃光泽， 有时呈珍珠光泽、纤维状、解理完全，是土壤中钙和硫元素的重要来源。1.2.2 土壤中的次生矿物土壤中的次生矿物主要有以下几类：（1）简单的盐类如碳酸盐、硫酸盐和氯化物等。（2）含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类。（3）次生层状铝硅酸盐如高岭石、蒙脱 石和水化云母类等。它们在土壤中均以粘粒形式存在，粒径极小，并具有胶体性质，它们对 土壤理化性质如保肥性、供肥性、缓冲性和耕性等都会产生深刻的影响。土壤的粘粒主要由粘粒矿物组成。所谓粘粒矿物是指那些粒径v0.001mm的矿物质土 粒。它们是由原生矿物经风化过程新形成的矿物，称为次生粘粒矿物。硅酸盐粘粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为高岭石组、蒙脱石组和水化云母 等三大类。每一组又包括若干种粘粒矿物。1）次生层状铝硅酸盐黏粒矿物次生层状铝硅酸盐黏粒矿物，按其结晶构造和性质的差异，可分为：三大组：高岭石组、蒙脱石组、水化云母铝硅酸盐黏粒矿物的基本构造特点：黏粒矿物大部分都具有一定的层状结晶构造；其晶型结 构由两个基本单位构成，即硅氧片和铝氧片（1）高岭石组黏粒矿物这一组包括：高岭石、迪凯石、埃洛石和富硅高岭石等黏粒矿物。其共同特点是： 一层硅氧片和一层水铝片重叠而成；晶架内部水铝片和硅氧片中没有或极少同晶代换;颗粒一般较蒙脱石组矿物粗；南方热带、亚热带土壤中普遍存在。（2）蒙脱石组黏粒矿物此组黏粒矿物包括：蒙脱石、绿泥石、拜来石和蛭石等。其共同特点是：晶架结构都是由两层硅氧片和一层水铝片相间重叠而成;晶架内普遍存在着同晶代换现 象；此类矿物胀缩性大，吸湿性强；颗粒微细，在东北的黑钙土和华北地区的褐色土、 栗钙土和西北地区灰钙土中含量较多。同晶代换现象：同晶代换（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 代换（替代），而晶格构造保持不变的现象。在次生粘粒矿物形成的过程中，晶架内普遍存在着同晶代换现象。同晶代换主要发生在两边的硅氧片中，一般A13+替代Si4+，也有的发生在水铝片中，一 般以Mg2+替代A13+。这种替代结果，使矿物带有永久的负电荷。（3）水化云母组黏粒矿物其特点：1、晶体构造同属2： 1型，同晶代换主要发生在硅氧片中以A13+替代Si 4+，还 有少量发生在水铝片中，以Mg2+、Fe2+ 替代A13+ 。晶架产生负电荷，故在晶架基 面上吸附阳离子，主要的是K+ ，依次，含伊利石粘粒矿物多的土壤，钾的元素贮量较丰田。2、吸附于伊利石晶架基面上的K+，实际上是半陷在由晶层表面六个氧离子所构成的六角 网中，它同时手相邻两晶架的负电荷的吸附，而产生了键联的效果，使它们不易张开。3、伊利石的保肥性和吸湿性介于蒙脱石组和高岭石组之间。代换量为2040cmo1（+）/kg。2）含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类 结晶型：三水铝石(2A12O33 H2O )水铝石(2A12O3 3H2O )针铁矿(Fe2O3- H2O ) 褐铁矿(2Fe2O3- 3H2O )非晶质无定型不同水化程度:SiO2 nH2O, Fe2O3- nH2O, A12O3 -n H2O ,MnO2