第十四章 土壤矿物质
第一节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成
一、元素组成
1 几乎包括元素周期表中所有元素；
2o 、 si 、 al 、 fe 为主，四者共占 887 以上；
3 植物必需营养元素含量低，分布不平衡。
二、矿物组成
( 一 ) 原生矿物
1 原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主；
以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。常见石英、长石、云母、辉石、角闪石等。
2 原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性；
石英最稳定，是粗土粒的主要成分；
白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；
黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。
3 原生矿物是植物养分的重要来源 。
u ca 、 mg 、 k 、 p 、 s 等 。
（二）次生矿物
1 原生矿物分解转化形成的矿物。
2 以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物为主；
3 此外有 si 、 al 、 fe 的氧化物及其水合物 。
第二节 粘土矿物
一、层状硅酸盐粘土矿物
( 一 ) 构造特征
1 基本结构单位
(1) 硅氧四面体（ sio 4 4- → si 2 o 5 2- → si 4 o 10 4- ）
(2) 铝氧八面体 (alo 6 9- → al 4 o 12 12- → al 4 （ oh ） 8 o 4 4- )
2 单位晶片
硅氧四面体 硅层
铝氧八面体 铝层
3 单位晶层
（ 1 ） 1:1 型 一层硅层与一层铝层重叠而成
（ 2 ） 2:1 型 两层硅层中间夹一铝层
（ 3 ） 2:1:1 型 2:1 型基础上增加一铝层 ( 或镁层 )
4 同晶替代
指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。
发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷。
( 二 ) 硅酸盐矿物的种类
1 高岭 ( 石 ) 组（ 1:1 型）：包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等。
特点：
（ 1 ） 单位晶胞（层）化学式为 al 4 si 4 o 10 (oh) 8 ，硅铝铁率为 2 ；
硅铝铁率：土壤粘粒部分的 sio 2 和 fe 2 o 3 、 al 2 o 3 （ r 2 o 3 ）含量的分子比。
硅铝率：土壤粘粒部分 sio 2 和 al 2 o 3 的分子。
硅铁率：土壤粘粒部分 sio 2 和 fe 2 o 3 的分子比
例：某土壤粘粒部分 sio 2 含量为 4189 ， al 2 o 3 含量 3327 ， fe 2 o 3 含量 1185 ，计算其硅铝铁率、
硅铁率。
解 :sio 2 的分子含量＝ 4189/60 ＝ 0698 al 2 o 3 的分子含量＝ 3327/102 ＝ 0326 fe 2 o 3 的分子含量＝ 1185/160
＝ 0074 sio 2/ r 2 o 3 ＝ 0689/ (0326+0074) ＝ 175
意义：
1硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度；
2硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力。
(2) 膨胀性小
晶层间距约 072nm, 硅片和铝片之间存在氢键
(3) 电荷数量少
同晶替代极少
(4) 颗粒较大（有效直径 02 ～ 2 μ m ）， 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱。
2 蒙脱石组：包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等。
特点：
(1) 2:1 型
单位晶胞的理论化学式： al 4 si 8 o 20 (oh) 4 ·nh 2 o 蒙脱石理论硅铝率 sio 2 /al 2 o 3 =8/2=4
(2) 膨胀性大
晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石 096 ～ 214nm 蛭石 096 ～ 145nm
(3) 电荷数量大
同晶替代现象普遍
(4) 颗粒较细，呈片状，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利。
蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中。
3 水化云母 ( 伊利石 ) 组（又称 2 :1 型非膨胀性矿物）
特点：
(1)2:1 型
单位晶胞化学式： k 2 (al·fe·mg) 4 (si·al) 8 o 20 (oh) 4 ·nh 2 o sio 2 /al 2 o 3 :3 ～ 4
(2) 非膨胀性
晶层之间吸附的 k+ 的强吸附力，层间距 10nm 。
(3) 电荷数量大
同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间 k+ 中和，有效电荷量少于蒙脱石。
(4) 可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。
伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中。四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主。
4 绿泥石组（以绿泥石为代表，富含镁、铁）
特点：
(1) 2:1:1 型
三八面体，化学式为 mg·fe·al) 12 (si·al) 8 o 20 (oh) 16
(2) 同晶替代现象普遍
硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中 al 3+ 代 si 4+ 、铝片中 mg 2+ 代 al 3+ 产生负电荷，水镁片中 al 3+
代 mg 2+ 产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间。
(3) 颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中
土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多。
二、非硅酸盐粘土矿物
1 氧化铁
（ 1 ）氧化铁的类型
针铁矿 ( α -feooh) ：晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结
核。
赤铁矿 ( α -fe 2 o 3 ) ：红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜。
纤铁矿 ( γ -feooh) ：棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤。
磁赤铁矿 ( γ -fe 2 o 3 ) ：暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土。
磁铁矿（ fe 3 o 4 ）：棕黑色，多存在于母质中 , 有时与磁赤铁矿共存。
无定形铁（ fe(oh) 3 ）：棕色，胶膜，锈水。
（ 2 ）氧化铁的形态及转化
土壤铁的游离度（ ） = fed/ fet x 100
土壤铁的活化度（ ） = feo/ fed x 100
土壤铁的络合度（ ） = fep/ fed x 100
无定形→隐晶质→晶质
2 氧化铝
硅酸盐矿物彻底分解产物
土壤中常见 : 三水铝石 [al 2 o 3 ·3h 2 o ， al(oh) 3 ] 。
粘土矿物 : 湿热强度风化 —— 脱硅富铝化的指标之一 。
我国北纬 30 度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现 。
花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在
无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固定 h 2 po 4 - 等阴离子，减低其有效性。
3 氧化硅（粘粒）（结晶质和非晶质）
晶质以 α — 石英为主；非晶质为蛋白石 (sio 2 ·nh 2 o) ，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。
土壤中部分蛋白石来源于有机体 , 其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。
4 水铝英石
非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物 ,si/al 变化在 1-2 之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水
化程度和溶液 ph 。
三、粘土矿物的形成和分布规律
1 粘土矿物形成途径
风化和成土过程中形成的次生矿物 , 有两种形成途径。
（ 1 ）原生矿物风化淋溶直接演变
+h 2 o ， -k -k -mg -si -si
云母类 —— →伊利石 — →蛭石 — →蒙脱石 — →高岭石 — →三水铝石
（ 2 ） 风化沉淀（自然合成）学说
原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。
sio 2 ·nh 2 o ：土壤 ph 条件下带负电荷，酸胶基。
al 2 o 3 ·nh 2 o ， fe 2 o 3 ·nh 2 o ：带正电荷，碱胶基。
盐基离子 ca 2+ 、 mg 2+ 、 k + 、 na + 等，决定溶液 ph ，并参与矿物形成。
正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物。
沉淀 — →老化、结晶
溶胶 — →凝胶（非晶质） — →结晶质
当溶胶 sio 2 /al 2 o 3 ＞ 3 ，可形成 2:1 型矿物；
当溶胶 sio 2 /al 2 o 3 ＜ 3 ，可形成 1:1 型矿物及氧化铝矿物
风化液 ph 与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。
盐基离子 mg 2+ 、 k + 等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。
2 粘土矿物的形成条件
粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关。
南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以 1:1 型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为 2 左右，属水云母、蛭石、高岭石交错分布区 (4 区 ) ；
南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（ 5 区）；
南方以高岭石为主的 6 、 7 分布区。
西北和青藏高原水云母区 (1 区 ) ，土壤风化程度最低；
华南高岭区（ 7 区）土壤风化程度最高。
铁铝土。
北方温带地区，粘粒矿物为各种 2:1 型 ( 伊利石、蒙脱石等 ) ，粘粒硅铝铁率多在 3 以上。风化度低，属硅铝土。
3 我国土壤粘土矿物分布规律 ：
全国分为 7 个分布区。
北方以水云母（伊利石）为主的 1 、 2 、 3 区；
秦岭、长江中下