第一章 矿物质

第一章土壤矿物质第一节形成土壤母质的矿物、岩石岩石风化形成的矿物质颗粒统称为土壤矿物质(soilmineralmatter)。一、主要的成土矿物（一）矿物是一类天然产生于地壳中且具有一定的化学组成、物理特性和内部构造的化合物或单质。（二）土壤矿物的元素组成土壤矿物成分极其复杂，几乎包括绝大多数已知元素，但以氧、硅、铝、铁四种元素为主。自然界矿物有三千多种，造岩矿物只有几十种，且主要是硅酸盐类（即硅的含氧盐）矿物（占地壳重量的80%）。二、主要的成土岩石（一）岩石的概念是一种或数种矿物的集合体。（二）岩石的类型根据其成因可分为三类：（1）岩浆岩（magmaticrock)：由岩浆冷凝而成。（2）沉积岩(sedimentaryrock)：由各种先成的岩石经风化、搬运、沉积、重新固结而成或由生物遗体堆积而成的岩石称为沉积岩。（3）变质岩(metamorphicrock)：在高温高压下岩石中的矿物发生重新结晶或结晶定向排列而形成的岩石称为变质岩。第二节岩石的风化与成土母质一、风化作用的概念风化(weathering)是指岩石、矿物在外界因素（空气、水、温度和生物活动）和内部因素（组成、性质等）的共同作用下，逐渐发生机械破碎和化学变化的过程。二、风化作用的类型及特点1、物理风化(physicalweathering)：指岩石因物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程。主要影响因素有地球表面温度的变化、冰冻的挤压、流水的冲刷及根系的穿插。流水对岩石的冲刷b.水化作用：指岩石中的矿物与水化合成含水矿物，例如：硬石膏与水结合成结晶石膏，赤铁矿与水结合成褐铁矿。Fe2O3（赤铁矿）………………… 红色2Fe2O3?H2O（赤褐铁矿）… 浅红棕色Fe2O3?H2O（针铁矿）……… 棕色2Fe2O3?3H2O（褐铁矿）… 棕黄色Fe2O3?2H2O（褐铁矿）……… 黄色残积体residumm残积体是经过淋溶而残留在原地的岩石碎屑，主要分布在位置较高，或比较平缓的丘陵山地，是搬运与堆积作用较少的地段。残积物的特点由大小不等的岩石碎块或颗粒组成，层理不明显。表层为风化强烈的岩石细屑，下面的岩石矿物分解较差，具有较大棱角的碎块，再往下是半风化的岩石层，岩石的外貌尚可辨别，最基层是未经风化的基岩。坡积体slopedepoist坡积体是山坡靠上部的风化产物，在重力和片流的联合作用下发生移动，在山坡中部或山麓处堆积的物质坡积物的特点洪积体山洪搬运的碎屑物质在山前平原的堆积物洪积物diluvium上部：分选度较差，主要为石砾和粗砂，层次不分明。透水性好，地下水位深。底部：细砂和粉粒，不规则的层理。透水性差，地下水位浅。冲积体Alluvialdeposit河流冲积物---河床冲积物的组成特点垂直剖面上层次分明，界线清晰整齐。每层内土粒大小一致，磨圆度高。二、土壤的机械组成（又称颗粒组成）概念：土壤中各粒级土粒所占的百分质量分数叫矿物质土粒的机械组成。（一）土壤粒级：根据矿质土粒粒径大小及性质上的变化将土壤矿质颗粒划分成若干组，称为土壤粒级。（二）土壤粒级分类土粒分级一般是将土粒分为石砾、砂粒、粉砂粒和粘粒四级。1、国际制土粒分级2、卡庆斯基制3、我国制土粒分级各粒级的组成(1)矿物组成由于岩石中的各种矿物抵抗风化的强弱不同，造成各粒级土粒的矿物组成有较大的差别。砂粒和粉砂粒主要是由各种原生矿物组成以石英和长石等原生矿物为主，二氧化硅含量较高；粘粒部分主要由次生矿物组成，以次生层状硅酸盐矿物为主，铁、钾、钙、镁等的含量较多。(2)化学组成砂粒和粉砂粒以石英和长石等原生矿物为主，二氧化硅含量较高；粘粒中，则以次生硅酸盐矿物为主，铁、钾、钙、镁等的含量较多。三、土壤质地(soiltexture)、分类及特性（一）土壤质地概念：土壤中各粒级土粒所占的百分质量分数,叫做土壤机械组成，根据土壤机械组成划分的土壤类型，称为土壤质地。土壤质地分类:根据土壤中各粒级含量的百分率进行的土壤分类,叫做土壤质地分类.1、国际制土壤质地分类:按砂粒、粉粒、粘粒三种粒级所占百分数划分为4类12种。例如：某土壤：砂粒30%、粉粒50%、粘粒20%→粉质粘壤土某土壤：砂粒60%、粉粒20%、粘粒20%→砂质粘壤土某土壤：砂粒10%、粉粒50%、粘粒40%→粉质粘土2、前苏联土壤质地分类：根据物理性粘粒和物理性砂粒的含量，把土壤质地分为三类九种.3、我国制土壤质地分类将土壤分为3大组成12种质地名称。（二）土壤质地与肥力的关系土壤质地是土壤的一种十分稳定的自然属性，反映母质来源及其成土过程某些特征，对肥力有很大的影响，是土壤通气、透水、保水、保肥、供肥、保温、导温和耕性等的决定性因素。1、砂土类(sandsoil)：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，缺少有机质的砂土泡水后容易沉淀、板结、闭气。2、粘土类(claysoil)：a、粒间孔隙小，多为极细毛管孔隙和无效孔隙，通气透水性差，内部排水慢，易受渍害和积累还原性有毒物质；b、粘土一般含养分较丰富，特别是钾、钙、镁等含量较多；c、粘土保肥力强、含水量多、热容量较大，升温慢降温也慢，昼夜温差小；d、粘土干时紧实坚硬，温时泥烂，耕作费力，宜耕期短。3、壤土类(loamsoil)：这类土壤由于砂粘适中，兼有砂土类、粘土类的优点，消除了砂土类和粘土类的缺点，是农业生产上质地比较理想的土壤。(三)不同质地土壤的利用各种作物因其生物学特性上的差异，加之对耕作和栽培措施的要求也不完全一样，所以它们所需要的最适宜的土壤条件就可能不同。其中土壤质地就是重要的条件之一。（四）土壤质地的改良1、增施有机肥料2、掺砂掺粘、客土调剂3、翻淤压砂、翻砂压淤4、引洪放淤、引洪漫沙5、根据不同质地采用不同的耕作管理措施a：以粘粒的含量为主要标准＜15%→砂土或壤土，15%-25%→粘壤土＞25%→粘土。b：当粉粒含量达到45%以上时，在质地分类名称前要加冠“粉质”字样，当砂粒含量达到55—85%时，在质地类别名称前要加冠“砂质”字样。c：当砂粒含量＞85%时，直接称为壤砂土，＞90%→砂土。要点：粘粒粉粒砂粒先找到该颗粒的顶点（100%），按3个粒级含量分别做各顶点对应的三角形的3条底边的平行线，3线相交点，即为所查质地区粘粒：30%粉粒：20%砂粒：50%岩石的层状剥落示意图气温变化引起岩石胀缩不均而崩解冰的冻结扩大了岩石的裂隙温差引起的风化度2、化学风化(chemicalweathering)指岩石在化学因素作用下，其组成矿物的化学成分发生分解和改变，直至形成地表环境中稳定的新矿物。主要影响因素有：水、二氧化碳、氧气等。（2）、化学风化的类型a.溶解作用：指岩石中的矿物溶解于水中的作用。海南八一石花水洞（洞口）CaSO4+2H2OCaSO4`2H2O结果：水化后的矿物，体积增大，硬度降低成为易于崩解的疏松状态，促进岩石风化作用的进行。c.水解作用水部分解离后产生的H+能与矿物中碱金属因素（K、Na）碱土金属因素（Ca、Mg）产生交换，从而使矿物破坏。纯水的解离度很小，不能对岩石产生深刻的化学反应，但自然界广泛分布有CO2，溶解H2O后形成H2CO3，这就大大促进了水的解离，促进水解作用。水解作用能引起岩石矿物的彻底改变所以它被认为是化学风化中最主要的作用和基本环节。正长石的水解2KAlSi3O8+H2CO3KHAl2Si6O16+KHCO3正岩石酸性铝硅酸盐KHAl2Si6O16+H2CO3H2Al2Si6O16+KHCO3游离的铝硅酸H2Al2Si6O16+H2CO3H2Al2Si2O8·H2O+4SiO2+CO2高岭石脱盐基脱硅质高岭石是比较稳定的黏土矿物，一般不会向下风化，但是在热带、亚热带等高温多雨地区，在高温高湿条件下，高岭石还能分解成更加简单的矿物。H2Al2Si2O8·H2OAl2O3·H2O+Si2O·H2Od.氧化作用指大气中的氧与矿物发生作用，而使岩石中矿物发生风化的过程（在湿润条件下氧化作用更强）。结果:岩石进一步分解，彻底改变了原来岩石内部矿物的组成和性质，产生一批新的粘土矿物，这些粘土颗粒很细，呈胶体分散状态，使母质开始具有吸附能力、粘结性和粘着性、可塑性及蓄水性并且释放部分植物营养元素。3、生物风化(biologicalweathering)指岩石在生物及其分泌物或有机质分解产物的作用下，进行崩解和分解。风化结果使营养元素在母质表层集中，同时开始积累有机质，开始了土壤肥力的发展也意味着成土过程的开始。主要表现：植物根系的穿插作用，动物的穴居习性对岩石引起的机械破碎作用，以及生物生命活动产生的CO2、O2以及分泌的各种有机酸、无机酸。促进物理风化和化学风化三、土壤母质的形成、类型及分布规律（一）成土母质矿物岩石经各种风化作用后形成的疏松多孔体——（与岩石矿物及土壤的差别：颗粒小、单位体积或单位质量的表面积增大，颗粒间多孔隙，疏松有一定的透水性、通气性及吸附性能）。（二）我国主要成土母质的类型及分布规律由于母质在形成时所受的地质动力不同，沉积部位不同，因而类型有区别，分为几种类型：母质残积母质（残积物）指岩石经风化后的碎屑就地堆积而成。运积母质指风化的碎屑经过地质动力作用的搬运，在它处重新沉积而成。崩积和坡积母质洪积母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冰碛母质分布颗粒分选程度差，岩屑磨园程度不高，在山坡下部有与坡面平行的层次组成区别于其下部的基岩，无过渡。风化的碎屑物质，经河流常年性流水的侵蚀、搬运、沉积在河流两岸的沉积物第三节土壤矿物质土粒的组成与特性一、土壤矿物质的化学成分土壤矿物质的化学组成很复杂，几乎包括地壳中所有的元素。其中氧、硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、钛、碳等10种元素占土壤矿物质总量的99%以上，这些元素中以氧、硅、铝、铁四种元素含量最多。表1—1国际制土壤粒级分级标准粒级名称 单粒直径（mm） 石砾 >2 砂粒粗砂粒2—0.2细砂粒 0.2—0.02粉砂粒 0.02—0.002粘粒<0.002简制＞1㎜石砾1～0.01㎜物理性砂粒＜0.01㎜物理性粘粒祥制表1—2卡庆斯基土壤粒组分类表土壤矿物的特点：一方面继承了地壳化学组成的特点，另一方面有的化学元素在成土过程中增加了，如：O、Si、C、N ，有的下降如Ca、Mg、K、Na（三）土壤的矿物质组成1、原生矿物：形成于高温高压下的矿物即岩浆熔融体或热液中形成的矿物，这部分矿物未改变化学组成和结晶结构，仅经物理机械作用、破碎变小，保留在土壤中。硅酸盐类氧化物类硫化物类磷化物类1.原生矿物2、次生矿物：原生矿物风化和成土过程中通过化学或生物作用而转变或重新结合而成的矿物。次生层状硅酸盐：高岭石、蒙脱石、水云母、蛭石、绿泥石；氧化物及其水化物：氧化铁、氧化铝、氧化硅、氧化锰碳酸盐:方解石（CaCO3）、白云石[CaMg（CO3）2](三)主要成土矿物的性质一般为白色透明，含有杂质时呈其他颜色。石英在岩石中常呈不透明或半透明晶粒状，烟灰色，油脂光泽。石英的伴生矿物是云母、长石。石英硬度大，化学性质稳定，不易风化，岩石风化后，石英形成砂粒，含砂粒多的土壤，含盐基少，形成的母质养分一般贫乏，酸性也较强。石英正长石KalSi3O8晶体短柱状，肉红色、浅黄色、浅黄红色等，玻璃光泽，完全解理，硬度6.0。伴生矿物为石英、云母等。正长石易风化，风化后形成粘土矿物高岭石等，可为土壤提供大量K养分。正长石类矿物一般含氧化钾16.9％。斜长石Na（AlSi3O8）·Ca（Al2Si2O8）常呈板状和柱状晶体。白色或灰白色。玻璃光泽，完全解理，硬度6．0～6．5。伴生矿物主要是辉石和角闪石。斜长石比正长石容易风化，风化产物主要是粘土矿物，能为土壤提供K、Na、Ca等矿物养分。白云母白云母KH2Al3Si3O12常见片状、鳞片状。白云母无色透明或浅色（浅黄、浅绿）透明。极完全解理，薄片具有弹性，珍珠光泽，硬度2．0～3．0。白云母较难风化，风化产物为细小的鳞片状，强烈风化后能形成高岭石等粘土矿物。黑云母黑云母KH2（Mg，Fe）3AlSi3O12深褐色或黑色，其他性质同白云母。黑云母主要分布在花岗岩、片麻岩和结晶片岩中，伴生矿物是石英、正长石等。黑云母较白云母易于风化，风化物为碎片状。角闪石呈细长柱状，深绿至黑色，玻璃光泽，完全解理，硬度5.0～6.0,伴生矿物为正长石、斜长石和辉石，角闪石易风化，风化产物为粘土矿物。普通角闪石Ca（Mg，Fe）3Si4O12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。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。辉石Ca（Mg，Fe）Si2O6普通辉石橄榄石呈粒状集合体出现，橄榄绿色，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。橄揽石（Mg，Fe）2SiO4方解石为次生矿物，呈菱形，半透明，乳白色，含杂质时呈灰色、黄色、红色等，完全解理，玻璃光泽。是大理岩、石灰岩的主要矿物，常为砂岩、砾岩的胶结物，也可在基性喷出岩气孔中出现。方解石的风化主要是受含CO2的水的溶解作用，形成重碳酸盐随水流失，石灰岩地区的溶洞就是这样形成的。方解石CaCO3绿泥石种类多，成分变化大，结晶体呈片状、板状，一般呈鳞片状存在。绿泥石由黑云母、角闪石、辉石变质而成。存在于变质岩中，如绿泥石片岩。较难风化，风化物为细粒。绿泥石（Mg，Fe）5Al（AlSi3O10）（OH）8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。白云石CaCO3·MgCO3磷灰石呈致密块状、土状等。灰白、黄绿、黄褐等色，不完全解理，硬度5.0。在矿物上加钼酸铵，再加一滴硝酸即有黄色沉淀生成，这是鉴别磷灰石的主要方法。磷灰石以次要矿物存在于岩浆岩和变质岩中。较难风化，风化产物是土壤磷养分的重要来源。磷灰石Ca5（PO4）3·（F，Cl）石膏呈板状、块状、无色或白色。玻璃光泽或丝绢光泽。硬度2．0，是干旱炎热气候条件下的盐湖沉积。常作土壤改良剂。石膏CaSO4·2H2O8方解石海口火上口侵入性岩浆岩喷出性岩浆岩玄武岩花岗岩



粒组 粒径（mm） 石砾 3---1 物理性砂粒

砂粒 粗

中

细 1--0.5

0.5---0.25

0.25---0.05

粉砂粒 粗

中

细 0.05---0.01

0.01---0.005

0.005---0.001 物理性粘粒

粘粒 粗

中

胶粒 O.OO1---0.0005

0.0005---0.0001

<0.0001