土壤地理學第2章土壤固相組成及其診斷特性主要內容2.1土壤礦物2.2土壤有機質2.3土壤固相的物理診斷特性本章教學重點1、掌握土壤固相物質組成及其診斷特性2、了解土壤礦物類型及其風化特征3、認識土壤礦物空間分異規律4、了解土壤生物群落組成對土壤的影響5、掌握土壤有機質轉化與土壤圈物質循環特征本章知識結構分析土壤組成、掌握礦物類型與風化序列掌握土壤有機質轉化土壤圈物質循環特征掌握土壤診斷特性及其測量方法2.2、土壤有機質2.3、土壤固相的物理診斷特性2.1、土壤礦物2.0、土壤的相組成背景知識土壤是一種多孔物質所謂多孔，就是土壤中有孔隙為什么有孔隙？土壤顆粒的形狀是不規則的，它們集聚時不可能緊密，因而在顆粒之間形成孔隙土壤中的孔隙不可能真空土壤孔隙可能被水或氣體占據大多數情況下，土壤孔隙分別被水和氣體占據不同的份額由此導致土壤的相組成土壤是三相體系；“相”：是物質的某種物理存在形態，經典的相包括三種：固相、液相、氣相；土壤正是由固相、液相、氣相組成的三相體系；固相：包括土壤的礦物質和有機質，土壤固相的重量占據土壤總重量的80％左右，體積占據土壤總體積的一半左右；液相：即土壤水(土壤水分)，按體積，液相約占土壤10～30％，當水飽和時，可占據到50～60％按重量，液相比例變幅較大，從不到10％～40＋％氣相：即土壤空氣，其重量占據量可忽略不計，但體積占據量卻非常重要，正常情況下比液相體積大，當其體積占據量明顯小于液相時，對植物生長產生不良影響土壤的液相和氣相都占據土壤孔隙，它們之間是一種此消彼長的關系2.1、土壤礦物土壤礦物主要來自成土母質或母巖，是土壤的主要組成物質；土壤礦物構成了土壤的“骨骼”，它對土壤組成、性狀和功能具有巨大的影響；按照發生類型可將土壤礦物分為原生礦物、次生礦物、可溶性礦物三大類。背景知識1、什么叫礦物質：地殼中的化學元素在各種地質作用下所形成的自然均質體叫礦物質2、地質作用及類型地質作用：使地球的物質組成、內部構造和地表形態發生變化的作用，總稱為地質作用。

地質作用類型：地質內力作用：地震、構造運動、巖石變質作用、巖漿活動；地質外力作用：沉積作用、成巖作用、剝蝕作用、搬運作用、風化作用。

2.1.1、原生礦物定義：直接來源于母巖，特別是巖漿巖的礦物。硅酸鹽及鋁硅酸鹽類：土壤中最主要的原生礦物，它們多為晶質礦物，包括長石類、云母類、輝石類、角閃石類和橄欖石類礦物；

長石類礦物：占地殼重量50-60%，占土壤圈重量10-15％，在土壤中廣泛而穩定地存在，多集中于土壤較大的粒級中，其風化產物主要為高嶺石。包括的礦物有：正長石(鉀長石)、鈉長石、鈣長石；云母類礦物：占地殼重量3.8％，按顏色可分為白云母、金云母、黑云母，風化能力差別很大：白云母不易風化，黑云母極易風化，云母風化是土壤鉀素主要來源；橄欖石類礦物：為基性巖和超基性巖的主要造巖礦物，在土壤中易風化而成蛇紋石，橄欖石因含鐵多少不同而呈淺黃色至深綠色；輝石與角閃石類礦物：占巖漿巖重量17％左右。輝石是基性超基性巖和變質巖的主要造巖礦物，角閃石是中性巖的造巖礦物；

氧化物類：原生礦物中的氧化物主要為石英，占地殼重量12％，是許多巖漿巖、沉積巖和土壤中是最常見的礦物，在土壤砂粒中，石英含量在80％以上，石英的抗風化能力極強，所以，成為土壤的基底物；硫化物類：土壤中原生硫化物主要為黃鐵礦，化學式為FeS2，易風化，變成褐鐵礦，并釋放硫素，從而成為植物生長硫素重要來源；磷灰石類：磷灰石常以微小晶粒散布于巖漿巖中，進入土壤后，磷灰石風化分解而釋放磷素，是土壤磷素重要來源。以上介紹了土壤中主要的原生礦物，它們的風化能力有較明顯的差別，因而，或者成為土壤礦物主要組成，或者成為土壤養分的重要給源，見下圖。土壤礦物的風化及穩定性序列圖幾點說明：1、圖中，橫坐標從左向右代表礦物抗風化能力逐漸減弱，縱坐標從上向下，表示礦物的穩定性逐漸增強；2、黏土不是單一礦物，而是多種礦物的混合物，把黏土放在此處比較不合適；3、氧化鐵(Fe2O3)和氧化鋁(Al2O3)相比，后者的穩定性和抗風化能力更強。2.1.2、土壤礦物的形成與轉化1、土壤礦物的風化過程物理風化

巖石或礦物只發生外觀的變化，尤其指從塊狀變為顆粒狀，但沒有發生化學成分和結晶構造的變化過程，稱為物理風化。特別強調：大塊巖石在外力作用下變成小塊狀、直至最終變成碎屑和顆粒，是物理風化的最重要特征。導致物理風化的成因

下頁

1、冷熱劇變：巖石在長時間的太陽曝曬和雨水澆淋作用下，逐漸由大塊變為小塊，直至變成更小的顆粒狀；圖片為我省南雄的紫色砂巖物理風化不同程度外觀左：紫色砂巖開始進入物理風化過程，巖石風化物尺寸較大；中：風化物在日曬雨淋的作用下，顆粒尺寸明顯變小；右：紫色砂巖風化物已經變成細小碎粒狀。在南雄，紫色砂巖風化至碎屑狀，即可用于栽種煙草植物。

2、冰楔作用:一種獨特的物理風化作用，見以下示意圖氣溫0℃以上時，水以液體形式進入巖石裂隙，當氣溫下降至0℃以下，水結冰，體積增大，擠裂巖石。水結冰對巖石的擠裂作用叫做冰楔作用，英文：Frostwedgingfrostn.

冰凍Wedgevt.

楔/擠(入)，本例用其動名詞楔：xie，第一聲

(與“歇”音調相同)

3、鹽晶生長：天然水是一種溶液，總含有鹽分，可視為“鹽水”，當“鹽水”進入巖石的裂隙后，水蒸發而發生鹽結晶，晶粒數量不斷增加，體積不斷增大，撐大巖石裂隙，并最終導致巖石分裂。由于鹽晶生長導致巖石風化在沙漠、海岸較常出現。國外教材把這種風化稱為“鹽風化”，saltweathering

鹽晶生長導致巖石破裂的原理與冰楔作用原理相似，但本質不同。4、植物根系作用：植物根系生長進入巖石裂隙中，隨著根系的長大，必將擠裂巖石。植物根系對巖石的破壞作用在城市建設有特殊意義：用作道路綠化和風景的樹木，應選其根系以地下生長為主，地面生長較少的樹種。而至少在廣州，不少道路風景樹選用熱帶樹種，如帶有板根的榕樹，熱帶樹木的板根其實是趨向出露地面而生長的，這對硬地面道路造成很大的破壞：道路可觀性變差、對行人走路造成不便，增加城市管理成本，甚至對機動車交通帶來潛在風險。但是，城市園林部門似乎不太認識到這個問題。物理風化小結：物理風化作用的共同特點是對巖石作用，使其體積變小，直至變成顆粒，這里，有直接的機械作用過程，如冰楔、鹽晶、植物根系，也有太陽能造成的物理風化效果，如冷熱劇變。物理風化作用是巖石風化的必不可少的第一步。以下的圖片，都是不同成因導致的巖石物理風化作用和效果四川樂山大佛：在紫色砂巖上開鑿雕塑而成的巨大佛像，歷經1200年，佛像表面已有風化跡象，例如，有苔蘚和較低等植物生長。大佛建設年代：建于唐代713～803年，歷經90年。山西大同云崗石窟塑像遭受嚴重的剝蝕風化－風蝕建成時間：460～465年，北魏年間植物根系生長過程中緩慢但強大的力量，終究劈開堅硬的巖石！柬埔寨吳哥遺跡－當年的構筑物已被熱帶喬木強大的根系所破壞巖石的裂隙為植物的侵入提供的便利，并加速巖石的更快開裂。一種很常見的風化圖景－較容易風化的巖石變成碎屑物，植物隨即進入巖石剝落(剝蝕)導致圓丘的形成圓丘的生成固然具有巖石的內因(均質巖漿巖)，但熱帶亞熱帶的溫度劇變也是強有力的外因球狀風化景觀－常見的巖石物理風化形式巖石物理風化結果－尺度不斷變小，碎屑物的大量形成化學風化化學風化指礦物在水、氧氣、二氧化碳的作用下發生化學變化，形成新礦物的作用過程。化學風化作用分類：水在礦物化學風化中起著絕對重要的作用，并因此分類出不同的作用：1、溶解作用2、水解作用3、脫水作用4、氧化作用5、碳酸化作用1、溶解作用在極性水分子作用下，礦物顆粒表面的陰離子或陽離子從礦物解離進入水溶液。例如：

水是地球上最重要最常見的化學反應試劑，其中，溶解作用對巖石化學風化意義尤為重大。大多數礦物都是鹽(化學概念的鹽)，一些易風化的礦物將經歷溶解化學風化。礦物溶解程度與礦物的溶解性有關，下表列出部分礦物的溶解度與溶度積數據。解釋：方解石的主要成分碳酸鈣被水溶解，鈣離子釋出(到水中)，碳酸根與氫離子形成重碳酸根根據溶解度大小，可以把物質分成三類：1、易溶物：溶解度>0.1g/g；可溶物：溶解度在0.1～0.01g/g2、微溶物：溶解度在0.01～0.0001g/g3、難溶物：溶解度<0.0001g/g一些常見物質的溶解度：NaCl(氯化鈉，食鹽)：36g/100gNaOH(氫氧化鈉)：113g/100g(按%濃度，最高濃度超過100％!)Na2CO3(碳酸鈉，蘇打)：30g/100gNaHCO3(碳酸氫鈉，小蘇打)：10.4g/100g溶度積：一定條件下(1atm，25℃)，飽和溶液中各種離子摩爾濃度的乘積。溶度積是專門用于表示難溶物質的溶解性指標，常用Ksp表示。通式如下：上表(表2-2)列出的礦物的溶解性都很差，預示它們更可能參與其它的化學風化溶度積：solubilityproduct，Ksp的下標sp即為相關單詞的首字母2、水解作用水分子可以發生電離，電離產生的氫離子(H+)和氫氧根離子(OH-)取代礦物中的離子。例如：正長石高嶺石石英解釋：原生礦物正長石被H+取代硅離子(Si4+)，形成次生礦物高嶺石，而取代出來的硅離子又與氧離子作用形成石英3、脫水作用即從礦物分子中去除水分子(H2O)或氫氧根離子(OH-)，例如：

磁鐵礦赤鐵礦解釋：磁鐵礦分子釋放水分子，從而變成赤鐵礦，赤鐵礦主要成分是三氧化二鐵(Fe2O3)4、氧化作用游離氧與礦物作用，將改變礦物分子中某些離子的氧化狀態，例如：

輝石磁鐵礦石英輝石屬于較易風化的礦物，風化的途徑是礦物中還原態的鐵(Fe2+)被氧化為三價鐵(Fe3+)，形成磁鐵礦。5、碳酸化作用礦物與碳酸鹽或重碳酸鹽結合，例如：

白云巖重碳酸鈣重碳酸鎂在這種風化作用中，大氣中的二氧化碳(CO2)是碳酸根離子的主要來源，而含有方解石和白云石的石灰巖在潮濕環境下極易風化(參考前述的溶解和水解)。礦物(化學)風化階段根據礦物在水的作用下發生風化的特點，可以把礦物風化分為三個階段：1、脫鹽基階段2、脫硅階段3、富鋁化階段1、脫鹽基階段水中的氫離子(H+)交換出礦物中的鹽基離子，交換出來的鹽基離子再與酸根形成可溶鹽而被淋溶的過程，舉例，正長石的脫鹽基正長石中所帶的兩個鉀離子(K+)為鹽基，它們逐次被氫離子(H+)交換而脫離原礦物，即脫鹽基，交換出來的鉀離子將被淋溶離開土體。

游離鋁硅酸鹽正長石酸性鋁硅酸鹽

正長石一級脫鹽基：一個鉀離子脫離正長石正長石二級脫鹽基：第二個鉀離子脫離正長石2、脫硅階段礦物中的硅析出后形成游離硅酸并被淋溶的階段。舉例：正長石脫鹽基后的產物游離硅酸鹽進一步(部分)脫硅

高嶺石游離硅酸鹽含6個硅，其中4個硅被氫離子交換，游離硅酸鹽變成新產物高嶺石，高嶺石含2個硅，所以說是部分脫硅，而脫離出來的硅形成硅酸被淋溶而離開土體。

氫氧化鋁3、富鋁化階段本階段，部分脫硅的產物徹底分解，其中，硅形成硅酸而淋溶(因為延續了第二階段的硅酸淋溶，本階段有時稱為“硅酸繼續淋溶”)，原礦物中的鋁形成氫氧化鋁，因為其不具備可溶性而保留在土體中。隨著前兩個階段的不斷進行，氫氧化鋁不斷的形成和增加，常用“相對富集”描述，即相對于鹽基和硅的淋溶，鋁卻保留，被視為相對富集。礦物風化的空間特點1、極端寒冷、干旱的南極大陸寒漠地區：土壤礦物以物理風化為主，風化產物為飽和硅鋁型風化物；2、溫帶、亞熱帶干旱荒漠地區：風化特點以物理風化+溶解過程為主，風化產物為碳酸鹽、石膏(CaSO4)為主；3、溫暖濕潤的溫帶地區：風化特點以水化、脫鹽基為主，風化產物為碎屑狀硅鋁風化殼；4、濕熱的熱帶、亞熱帶地區：風化特點以脫硅、富鋁化為主，風化產物以硅鐵質或硅鋁質風化殼為主。中國地表風化殼－礦物風化在我國的空間分異沿我國西北－東南走向的地表風化物分布，典型地體現了礦物風化的空間分布特點，見下圖在GoogleEarth定位烏西長廈并連線，就是一條135°的西北-東南直線！2、影響土壤礦物風化的因素可以把影響土壤礦物風化的因素歸納為：環境因素、化學因素、生物因素。環境因素：主要為水分和溫度，隨著溫度和水分含量的增加，礦物風化程度隨之增加；化學因素：主要為酸堿性和氧化還原狀態。酸堿性，即pH值，酸性增強，風化程度加大；氧化還原狀態，一般以電位Eh表示，Eh值高，氧化性增強，Eh低，還原性增強生物因素：表現為兩點：A、生物根系的機械穿插可加速礦物的機械破碎；B、生物體分泌的有機酸，可明顯促進礦物的溶解、水解過程。多因素綜合作用：這些因素是綜合發生作用的，例如：高溫、高濕、強酸性的熱帶雨林地區，礦物風化最強烈和徹底；高緯度寒帶地區，雖然溫度較低，但植物分泌的強酸性物質，也能強化礦物的風化。3、土壤礦物風化強度指數即礦物風化程度的定量化評價，包括：硅鐵鋁率、遷移系數、風化指數。硅鐵鋁率：土體或土壤粘粒的硅與鐵和鋁的摩爾數比值，從前述已知，礦物風化的增強，意味著硅流失越多，而鐵和鋁的相對富集也越多，計算式為：說明：流失對象－硅，在分子，保留富集對象－鐵、鋁在分母；全部元素都以氧化物形式表示；先從實驗測定樣品的硅、鐵、鋁含量，換算為氧化物的含量，再換算為摩爾數，所以，本公式是三種元素的摩爾數比值根據前述知識，本值越小，風化程度越高。計算舉例采自廣州石牌的赤紅壤中SiO2含量39.43％、Al2O337.15％、Fe2O38.34％計算硅鐵鋁率：三種元素氧化物分子量MW：MW(SiO2)=60.09、MW(Al2O3)=101.96、MW(Fe2O3)=159.68計算：①土壤中三種元素的摩爾比mol，也叫分子比mol(某元素)=該元素含量/該元素氧化物的分子量mol(SiO2)=39.43/60.09＝0.66mol(Al2O3)=37.15/101.96＝0.36mol(Fe2O3)=8.34/159.68＝0.05②計算風化率，可以計算硅鐵鋁率SiO2/R2O3和硅鋁率SiO2/Al2O3mol(R2O3)=mol(Al2O3)+mol(Fe2O3)=0.36+0.05=0.41則：SiO2/R2O3＝0.66/0.41＝1.61SiO2/Al2O3＝0.66/0.36＝1.83熱帶、亞熱帶地區三種紅色土壤類型的硅鐵鋁率比較解釋：計算數據似乎不符合風化程度越強，硅鐵鋁率越小的趨勢，這是由于計算的是土壤的結果，而本風化指標的真正計算對象是土壤中顆粒較小的部分，即土壤粘粒的硅鐵鋁率。但是，土壤粘粒的提取較為困難，有時，就用土壤的數據計算。另外，用風化殼的數據計算也比較符合趨勢分析。關于計算硅鐵鋁率的數據用于計算硅鐵鋁率的數據叫全量分析數據，實為不同類型樣品的多種元素含量數據。包括的樣品有：巖石、礦物、風化殼(殼：qiao,第4聲)、土壤、沉積物等，包括的元素有：硅、鋁、鐵、鈦、錳、鈣、鎂、鈉、鉀、磷等，通過化學分析，獲得它們的含量，再換算為各個元素的氧化物含量，它們是衡量對象樣品的形成、風化等的重要參考指標，對于土壤樣品，其全量數據除了可以用于計算硅鐵鋁率之外，還可以計算遷移、富集等數據遷移系數：主要用于反映元素在土壤剖面中淋溶遷移程度，計算式為：遷移系數<1，表示元素x在本土層或風化層中有淋溶遷移系數>1，則表示元素在本層或風化層中有富集現象風化指數：土壤中各種礦物抵抗風化的能力差異很大，為了對它們有一個統一的評價參照，杰克遜和舒曼制作了土壤礦物13個階段(級別)風化表。《土壤地理學》第3版表2-3(p.29)評述：教材引用本風化表作了不少改動，反使表格內容更難閱讀和理解，下頁給出原表，容易理解多了。風化階段(土壤中的)代表性礦物典型土壤粒級組分描述最小(弱)風化階段1石膏(包括巖鹽，硝酸鈉)在細粉粒和黏粒中以這些礦物為主的土壤，從全球看都是弱風化土壤，但卻是荒漠地區的主要土壤，因為這些地區的水分極受限制，導致(土壤中的)化學風化維持在最低程度。2方解石(包括白云石、磷灰石)3橄欖石-角閃石(包括輝石)4黑云母[包括綠泥石、綠高嶺石(也叫鐵膨潤石)]5鈉長石(包括鈣長石、微斜長石、正長石)中等風化階段6石英在細粉粒和黏粒中以這些礦物為主的土壤，主要是位于溫帶地區、在草原或樹木條件下形成的土壤，包括全球小麥和玉米種植帶的主要土壤。7白云母82:1型層狀硅酸鹽(包括蛭石)9蒙皂石(蒙脫石)強風化階段10高嶺石溫暖潮濕的低緯度(赤道)地區的很多強烈風化的土壤，其粘粒組分以這些礦物為主，這些土壤通常具備酸性和低肥力的特性。11三水鋁石12赤鐵礦(包括針鐵礦)13銳鈦礦(包括金紅石、鋯石)杰克遜和舒曼創建的土壤不同風化階段的典型礦物表，19532.1.3、土壤次生礦物1、概述什么叫次生礦物？原生礦物在風化和成土過程中新形成的礦物叫次生礦物。次生礦物的種類次生礦物包括簡單鹽類、次生氧化物和層狀鋁硅酸鹽礦物。注意：原生礦物中也有鋁硅酸鹽礦物，但它們都不是層狀構造的鋁硅酸鹽，而次生鋁硅酸鹽礦物都是層狀構造，這是兩者之間的最重要區別。次生礦物的特點是土壤礦物顆粒中最細小的部分(粒徑小于0.002mm)，又叫粘土礦物;

具有高度的物理、化學活性；在土壤發生、農業生產中具有特別重要意義2、次生礦物的形成過程次生礦物是原生礦物連續分解風化過程不同階段的產物舉例，原生礦物正長石的分解過程及其次生礦物的形成：吸水，脫鉀正長石氧化鋁水化云母繼續脫鉀蒙脫石脫硅高嶺石徹底分解

如果原生礦物含有鐵，在經歷徹底分解后，形成氧化鐵和氧化鋁，例如：黑云母、角閃石、輝石不同的原生礦物在不同的地理環境中，具體的分解過程及其產物是不相同的，見下圖。不同地理環境中次生礦物形成的一般模式解釋：①、原生礦物的元素組成與風化序列高K礦物，如長石類礦物，首先吸水形成水化云母，然后經歷不同階段脫鉀，形成相應的次生礦物；高Mg、Ca、Na礦物，如輝石、角閃石等，先脫鉀，后脫鎂；

K、Mg、Ca、Na含量相約的礦物，如云母類礦物，可以上述兩種模式風化②、礦物在不同氣候條件下的風化特點極地荒漠區：吸水、脫鉀；溫帶荒漠區：脫鉀、脫鎂，或緩慢脫鹽基；溫暖濕潤區：迅速脫鹽基；高溫高熱區：脫硅、徹底分解3、次生礦物類型易溶鹽類由原生礦物脫鹽基(原生礦物風化來源)和土壤溶液中易溶鹽離子析出(成土過程來源)而形成包括：碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物出現地區：干旱半干旱地區、大陸性季風氣候區次生氧化物類主要由原生礦物脫鹽基、水解、脫硅而形成，包括：二氧化硅：土壤溶液中的二氧化硅在酸性介質中聚合凝膠生成；氧化鋁：鋁硅酸鹽在高溫高濕條件下高度風化的產物，是土壤中極為穩定的礦物，主要有三水鋁石和一水鋁石

氧化鐵：含鐵原生礦物在高溫高濕條件下高度風化(原生礦物風化來源)和潴水條件下氧化還原過程(成土過程來源)的產物，是土壤中重要的染色礦物，包括：赤鐵礦(褐紅色)、針鐵礦(黃棕色)、褐鐵礦(棕褐色)(注意它們的化學分子式)

氧化錳：原生礦物在高溫高濕和潴水條件下氧化還原的產物，也是土壤中染色礦物之一，主要有氧化錳和二氧化錳(注意它們的化學分子式)層狀次生鋁硅酸鹽見第4點專述

4、層狀次生鋁硅酸鹽①、層狀次生鋁硅酸鹽是土壤中最重要、最復雜的次生礦物，也叫粘土礦物②、次生鋁硅酸鹽礦物的層狀晶體結構次生鋁硅酸鹽最重要的特征是其層狀晶體結構

A、硅氧四面體：一個硅原子與四個氧原子構成的空間等四面體；

B、鋁氧八面體：一個鋁原子和六個氧原子構成的空間等八面體見下圖硅氧四面體鋁氧八面體C、硅氧四面體在平面上擴展，形成硅氧片，也叫四面體片；D、鋁氧八面體在平面上擴展，形成鋁氧片，也叫八面體片；E、硅氧片和鋁氧片的組合，形成不同構型的層狀次生鋁硅酸鹽礦物，見③;③、層狀次生鋁硅酸鹽礦物的構型與代表礦物A、1:1型。硅氧片和鋁氧片按1:1疊加組合而成，典型礦物有高嶺石、埃洛石；B、2:1型。一片鋁氧片被兩片硅氧片包夾，形成“三明治”形式的層狀結構，典型礦物有蒙脫石、蛭石；④、層狀次生鋁硅酸鹽礦物結構特點歸納硅氧四面體鋁氧八面體硅氧片鋁氧片不同構型粘土礦物1Si+4O1Al+6O空間搭建平面擴展不同組合兩種片1Si+4O1Al+6O硅氧四面體鋁氧八面體硅氧片鋁氧片空間搭建平面擴展1Si+4O1Al+6O粘土礦物的微觀與亞微觀圖景1、粘土礦物的微觀圖景－層狀硅酸鹽的化學結構模型

威斯康星大學的虛擬礦物與化學分子博物館(TheVirtualMuseumofMineralsandMolecules)，網頁：/index.html

應用面向創建物質分子三維結構的建模語言Jmolapplet，開發了一系列化學分子的空間三維結構模型，其中，礦物分子的空間結構模型有：硅酸鹽、有機質等。硅氧四面體空間結構－在高嶺石中鋁氧八面體空間結構－在高嶺石中高嶺石空間結構示意圖硅氧片鋁氧片蒙脫石空間結構示意圖硅氧片硅氧片鋁氧片2、粘土礦物的亞微觀圖景－層狀硅酸鹽的顯微照片在高倍數的電子顯微鏡下，可以清晰地看到粘土礦物的結構景觀，它正是粘土礦物化學結構的準宏觀顯示高嶺石顯微照片－顯示極其清晰的層狀結構！蒙脫石顯微照片高嶺石、蒙脫石-伊利石共存顯微照片高嶺石伊利石-蒙脫石5、粘土礦物性質①、礦物表面大幅度增加由于粘土礦物的不同構型層狀結構，導致形成內表面和外表面，結果是礦物表面大幅度增加②、巨大的比表面

1:1型礦物比表面約為10-30m2/g，以外表面為主，2:1型礦物的比表面約為600-750m2/g，其中內表面占80％以上以上兩點請參看顆粒尺寸變化與表面積的關系③、豐富的表面電荷

1:1型礦物凈電荷約為2-5厘摩爾/千克，2:1型礦物的凈電荷約為80-120厘摩爾/千克④、強烈的吸附性能⑤、屬于脹縮性礦物

2:1型礦物巨大的內表面可以吸附大量水分，導致體積增大，當脫水時體積迅速減小。例如：水稻田抽水曬田時，出現很多裂縫，就是黏土礦物脫水，體積變小的結果6、次生礦物的地帶性①、要點土壤粘土礦物既來自于成土母質，即所謂的風化來源，也產生于成土過程中，即所謂的成土來源；土壤粘土礦物的組合類型隨土壤類型的不同而異；在同一生物氣候條件下，即使成土母質不同，土壤中的粘土礦物大體相同，但伴隨礦物稍有差別；但在同一剖面內各發生層的主要粘土礦物卻有明顯差異：底土層：粘土礦物類型組合與成土母質關系密切；心土層：粘土礦物在數量上高于底土層，在組成上也有明顯變化，表明成土母質向著土壤形成轉變；表土層：粘土礦物在各種成土過程綜合作用下，組成類型發生更大變化。②、次生礦物分布的地帶性－上述理論應用于我國以水云母為主的地帶以水云母－蒙托石為主的地帶以水云母－蛭石為主的地帶以水云母－蛭石－高嶺石為主的地帶以高嶺石－水云母為主的地帶以高嶺石為主的地帶粘土礦物的工業應用－以高嶺土為例

幾乎所有粘土礦物都有工業應用價值，如高嶺土用于陶瓷、造紙、甚至美容，蒙脫石用作藥物，等等。以下，簡介粘土礦物與陶器、瓷器的關系。人類利用粘土制作陶器的年代甚至可以追溯至史前時代。進入現代社會后，根據以粘土礦物為主要材料的制作分類，主要分為陶器和瓷器。陶器：由粘土或以粘土為主，添加適量長石、石英的混合物，經成型、干燥、燒制而成的制品，叫陶器。瓷器：用瓷土(主要為高嶺土)燒制的制品，叫瓷器陶器和瓷器除了原料有區分之外，燒制溫度也是重要的區別，陶器的燒制溫度一般在800～1000℃，而瓷器的燒制溫度則要高一些，一般在1200～1300℃。陶器和瓷器在人類日常生活和藝術創作的利用極為廣泛，就日常生活使用而言，我們一般都知道，陶器可用于明火燃燒加熱，但瓷器卻不耐火。(在廣東，用陶器熬制的湯被認為是最能保留食品原味的烹飪方法)

陶器和瓷器藝術作品數不勝數，如景德鎮。中國瓷都－景德鎮右上：景德鎮國際陶瓷一條街牌坊左下：街內某陶瓷商店門面右下：該商店售賣的瓷器藝術品高嶺土與江西景德鎮高嶺土的英文是kaolinite，該名來源于江西景德鎮附近一個叫高嶺(gaoling)的地方，法國人FrancoisXavierd‘Entrecolles十八世紀初在江西高嶺發現了一種未見過的礦物，經系統研究，結論為特有的粘土礦物，遂以發現地命名為高嶺土，此后，經當時歐洲的礦物學機構認可，并通用于礦物學界。至今，江西景德鎮還保留相關的歷史資源，同學們可以通過谷歌地球進行搜索，以下，列出一些搜索關鍵詞：景德鎮、浮梁縣、瑤里鎮、婺源、景德鎮陶瓷學院

保加利亞(東歐)某露天高嶺土礦場2.1.4、土壤質地當我們學習了土壤固相最重要的部分－土壤礦物以后，就很自然地進入到描述土壤固相性狀的知識范疇－這就是土壤質地；這部分知識包括：粒級概念及其分類、質地概念與分類、礦質元素簡介1、土壤礦物顆粒的粒級及其劃分什么叫粒級？土壤礦物包括原生礦物和次生礦物，原生礦物主要為土壤中顆粒較大的部分，次生礦物則占據顆粒中較小的部分；不同大小的土壤顆粒在理化性質和土壤發生過程中的作用和意義有很大的區別；所以，有必要根據土壤顆粒的大小把其分為若干類，這就是土壤的粒級

土壤粒級：把土壤顆粒中粒徑大小相近、性質相似的土粒歸為一類，就為粒級。土壤粒級的分類不同國家的土壤粒級分類方法不盡相同，主要的分類制有：中國制、美國制、(前蘇聯)卡慶斯基制、國際制，見下表土壤粒級分類要點：1、把土壤分為礫石和土粒(土壤顆粒)；2、礫石與土粒的分界線為2mm或1mm，前者為美國制和國際制所采用，后者為中國制和前蘇聯制所采用；3、土粒仍需進一步細分為砂粒、粉粒、粘粒。礫石的細分有時可以忽略；4、按照土壤顆粒的物理化學行為特點，2mm的分界線優于1mm，加上美國制在土粒的細分上較為合理，所以美國制也為國內普遍采用。(參看備注)不同粒級的礦物組成石塊、礫石其實就是巖石，當然由原生礦物組成；土壤砂粒幾乎全部由原生礦物組成；土壤粉粒中粒徑較大的部分仍為原生礦物，粒徑較小部分則為次生礦物；土壤粘粒主要由次生礦物，尤其是粘土礦物組成。隨著粒級減小：土壤顆粒的孔隙度、吸濕量、持水量、毛管含水量、比表面、膨脹潛能、吸附性能、塑性、粘結性也將增加；而土壤的通氣性、透水性則降低(變差)，見右圖。2、土壤質地土壤是由大小不同的顆粒組成，它們類屬于不同的粒級；當這些大小不同的顆粒混合在一起組成土壤的實體時，就應該在一個更概括的高度上描述土壤顆粒大小對土壤整體的影響，這就需要土壤質地概念；什么叫土壤質地：土壤中各個粒級所占的相對比例或質量分數，稱為土壤質地，并用適當的文字術語描述不同的粒級組成，以便傳達土壤物質組成粗細的整體信息。質地分類制質地分類與粒級分類是相輔相成的，有粒級土壤質地也有對應的分類制，以下介紹中國和美國兩種質地分類制。

美國質地分類制由美國農業部(USDA＝U.S.DepartmentofAgriculture)制訂；把土壤顆粒三類粒級－砂粒、粉粒、粘粒的百分含量，制作在等邊三角形中，分別用三邊表示三個粒級的含量變化，如下圖，通稱“土壤質地三角表”為使用方便，放大質地分類三角表中文版為使用方便，放大質地分類三角表英文版土壤質地對土壤性質的影響相對于土壤粒級而言，從土壤質地角度分析其對土壤性質的影響更加綜合和概括；土壤質地對土壤的物理性質、化學性質、肥力性質，以及土壤的機械、力學等性質都有著明顯的關聯作用，見下表2.2、土壤有機質導入即使對土壤沒有多少了解的人，可能都會聽說過有機質，并且可能會基本知道它指的是土壤的肥力。事實確實如此，但：土壤有機質的內涵遠比土壤肥力寬廣的多，因此有必要完整體系地學習和了解土壤有機質方面的知識。2.2.0、引言什么叫土壤有機質？土壤中含碳的有機化合物叫土壤有機質。土壤有機質的兩大類型：非特異性土壤有機質、土壤腐殖質。土壤有機質何以如此重要？土壤有機質是體現土壤與地球表面其它介質的兩個最重要特征之一(另一特征是土壤交換性能)；土壤有機質是土壤最重要組成成分之一；土壤有機質是土壤形成發育的主要標志；土壤有機質是土壤肥力的物質基礎。2.2.1、土壤有機質的來源土壤有機質主要來源于植物枯枝落葉；所以，植物的組成對有機質有直接影響植物組織的組成水分：約占75％、干物質：約占25％；干物質的元素組成主要和大量元素：碳、氧、氫，占全部干物質的90％以上；少量和微量元素：氮、硫、磷、鈣、鎂、鉀、鐵、硅、鈉、…，它們的總量雖然不到10％，但對植物的作用卻非常重要。有代表性的綠色植物組織的組成植物組織中的灰分什么叫灰分？植物組織回落土壤之后，將經歷化學變化和降解過程，則構成植物組織的元素將會逐漸變為最終的礦質形態；根據元素的特點，部分元素會變成水或氣體，如：C變成CO2；O變成CO2和水(H2O)；H變成水(H2O)，從而離開土體，它們屬于逃逸元素；另一部分元素，從植物組織分解后，將以離子或離子團形式保留在土壤中，它們就是灰分元素，簡稱灰分。除C、O、H之外的元素基本都是灰分。不同植物的灰分組成和含量各不相同，見下表要點：環境越惡劣，植物組織中灰分含量越高，這是植物適應環境變化的自我保護機制；較完全的灰分元素組成應該包括：Ca、Mg、K、Fe、P、Si植物組織的化合物組成碳水化合物：包括單糖、雙糖、多糖(淀粉、纖維素、半纖維素)，占土壤有機質15～27％蛋白質：含氮有機化合物之一木質素：存在于植物的木質組織中，化學結構復雜，難分解其它化合物：脂肪、蠟質、鞣酸、嘧啶、樹脂、色素見前圖土壤有機質分類

植物枯枝落葉進入土壤(有時稱為植物枯枝落葉回落大地)后，將經歷一系列的物理、化學、尤其是生物化學的變化，而最終轉變為土壤有機質。但是，這種轉變過程是持續性地進行的。所謂持續性地進行，一是指植物枯枝落葉是持續性地回落大地，二是指進入土壤的枯枝落葉需要經歷一個時間過程才能轉變為有機質。所以，在任何一個時候，對于枯枝落葉和有機質都有一個它們處于轉變的某個狀態和程度的問題，這就是土壤有機質分類的基礎。根據土壤有機質的性質狀態，基本可以分為非特異性有機質和特異性有機質-即腐殖質。2.2.2、土壤非特異性有機質非特異性有機質主要由植物組織經過簡單分解所形成的土壤含碳有機化合物；所謂簡單分解，是指植物組織的分解過程是較為單純的由復雜結構向簡單結構的降解；同時，也包含著植物組織的分解過程；所以，土壤非特異性有機質在某種程度上保留了植物組織的化合物結構，即包括：碳水化合物、蛋白質、脂肪、木質素等2.2.3、土壤腐殖質土壤腐殖質是土壤有機質中的特異部分；土壤腐殖質是土壤有機質的主要組成部分，約占有機質總量的55～65％；腐殖質是一類分子結構復雜、分子量較大到巨大有機化合物；土壤腐殖質的組成元素組成：C、H、O、N、S、P

化合物組成：主要為兩類：胡敏酸(HA)和富里酸(FA)

腐殖質是一大類結構復雜化合物的聚集體，胡敏酸和富里酸是其中較為典型的代表，一般以其研究結果類比腐殖質的性質，下圖為腐殖質分離分析的操作流程示意圖土壤腐殖質組分分離過程圖式土壤腐殖質組分分離流程NaOH處理

過濾物：到下一步，進一步分離胡敏酸(HA)和富里酸(FA)

不濾物：為胡敏素和不溶殘余物HCl處理－處理上一步的過濾物

過濾物：富里酸(FA)

不濾物：到下一步，分離HA乙醇處理－處理上一步的不濾物

過濾物：棕腐酸不濾物：胡敏酸(HA)土壤腐殖質的性質-胡敏酸(HA)與富里酸(FA)的比較

顏色：HA呈黑褐色，FA呈黃褐色；元素含量：以C、N、S為例，HA含量較高，FA含量較低；分子量：總體來說，兩種腐殖質的分子量都比較大，但差距很大：相對而言，FA分子量較低，約千～萬之間，HA分子量很大，從萬～十萬；溶解性：HA溶于堿，不溶于酸和酒精，FA溶于堿和酸；酸堿性：HA弱酸性～中性，FA酸性～強酸性；交換性能：HA的交換性能明顯高于FA

物理化學性質：腐殖質具有良好的物理化學性能，包括絮凝性和凝膠性，有利于形成良好的土壤結構體的膠粘物質

2.2.4、土壤有機質的轉化-腐殖化與礦質化礦質化什么叫礦質化？

土壤有機質在微生物作用下，分解成簡單的有機化合物，最終徹底分解為無機化合物。有機質中的C、H、O、S(部分)等非灰分元素將最終分解為CO2、CO、H2O、NH3、N2、H2S、CH4等；有機質中的灰分元素，最終分解為可被植物吸收的礦質形態(離子態)。這就是有機質礦質化的兩種主要形式，這個過程就叫礦質化過程。有機質中兩類主要有機化合物的分解路線

1、碳水化合物的分解：在微生物作用下，較復雜的多糖逐漸分解為單糖，再進一步，最終分解為CO2和H2O。

2、含氮化合物的分解：主要經過氨化、硝化、反硝化等分解過程，使有機氮形態降解為無機態的氨(銨)態和硝態。氨化：在水解酶作用下，有機態氮分解為NH3；硝化：在亞硝化細菌和硝化細菌作用下，有機態氮先降解為亞硝態(NO-2)，再氧化為硝態(NO3)

反硝化：當土壤通氣不良，O2不足時，有機態氮被反硝化細菌作用，降解成為NO2腐殖化定義：植物組織在微生物作用下，不斷進行聚合、復合過程，最終形成結構復雜、分子量巨大的特異性有機化合物，即腐殖質。腐殖質形成學說：由于腐殖質的形成過程異常復雜，至今仍未有很明確的共識，因此提出了多種形成學說，主要有：木質素-蛋白質聚合學說生物化學合成學說化學催化聚合學說影響有機質轉化的因素－1、C/N比有機質中主要元素是碳，但更能夠體現生物特征的元素則為氮，兩種元素在有機質中的含量變化將主導有機質的礦質化或腐殖化，因此，提出一個可以體現兩種元素此消彼長相互關系的定量指標：C/N比，用以判定有機質的變化方向。

C/N：土壤總碳量與總氮量的比值。總碳與總氮數據的獲得：總碳：從土壤有機質測定中獲得，有機質測定的實質是測定土壤有機碳，它就是土壤總碳，把總碳乘以一個常數(1.724)即換算為土壤有機質。總氮：也叫土壤全氮，即土壤中所有形態氮的總和。測定方法：首先消解樣品，使土壤中的氮轉化為銨離子，一般叫銨態氮，再用強堿把銨態氮轉化為氨氣，一般叫氨態氮，用酸堿中和反應測定后者含量。C/N意義

由于土壤有機質中碳的含量較高且較穩定，而氮含量較低且變化較大，當氮含量發生變化時，導致C/N變化也較大，并影響有機質的轉化方向；

N含量升高時，C/N減小，意味著有“多余”的N，有機質轉向分解方向，以便分解“多出來”的N;N含量下降時，C/N增大，意味著N“不夠”，有機質轉向積累方向，即轉向腐殖化方向，以便彌補N儲存

C/N在理論上和實踐中都有重要參考價值，例如，農業生產中，施加氮肥的多少就可以應用C/N進行估計不同物料C/N比對照物料類別物料代表C/N評價禽畜糞便禽類：雞鴨鵝畜類：牛、馬10:1~20:1比值低，含N量高，肥效高木質物料樹木木屑、紙100:1~500:1比值最高，含N量極低，轉作肥料意義不大植物非木質部分葉子、草本稈15:1~60:1比值低～中，含N量中等，經漚制后可成為有一定肥效的肥料土壤2x:1~3x:1穩定的C/N約為2x(25～30)，土壤的C/N比一般位于該范圍，所以，土壤有機質含量變化較穩定。但對于農業應用土壤，由于農作物果實收成后離開了土體，造成有機質來源減少，體現為氮素補充明顯減少，有機質趨向腐殖化，植物生長需要的養分將減少，所以需要人工施肥。影響有機質轉化的因素－2、土壤環境條件影響有機質轉化的土壤環境條件主要有：土壤通氣狀況；土壤水熱狀況；土壤pH，即土壤酸堿性；它們基本上都是通過影響微生物的活動狀況，從而最終影響有機質的轉化方向2.3、土壤固相的物理診斷特性導入前面，我們完整學習了土壤固相組成，即土壤礦物質和土壤有機質。因此，自然而然地，將進入學習土壤固相的物理性質階段。從農業角度看，比較重要的土壤物理性質主要有：土壤結構：它將影響土壤物質的狀態和運動；土壤孔隙度：影響土壤水氣平衡；土壤顏色：是最重要的土壤形態特征以下，將對它們作完整的了解2.3.1、土壤結構土壤固相顆粒很少以單獨的顆粒(叫“單粒”)存在，由于土壤含有有機質、氧化鐵、鐵錳膠膜、碳酸鈣等具有較強粘膠作用的物質，大多數土粒是被粘膠物質粘結而形成團聚體(aggregate)，團聚體在空間上的進一步發展，則形成更大的粒狀、塊狀等空間占據狀態，這就是土壤結構(soilstructure)的形成基礎土壤結構定義：英文：Thecombinationorarrangementofprimarysoilparticlesandsecondaryparticles,units,orpeds.

中文：土壤原生礦物顆粒與次生礦物顆粒、其它土壤顆粒單元或土壤自然結構體相互組合重排的一種物理排列樣式。土壤結構類型

根據土壤基本結構體在空間x向、y向和z向的發展特點和程度，可以把土壤結構分為若干種類型：單顆粒狀結構團粒狀結構塊狀結構柱狀結構平板狀結構棱鏡狀結構單顆粒狀結構：土壤顆粒物質處于分散狀態。團粒狀結構：較小的結構體膠結為毫米級的團粒，是最優秀的土壤結構，一般出現在土壤表層以及被植物根系縱橫穿插的土層塊狀結構：土壤基本結構體膠結后在x、y、z三個方向上都有若干厘米(厘米級)的發展，形成較大的均勻結構體，出現在土壤中層或植物根系有較少穿插的土層，對根系的生長比較有利。柱狀結構：在z方向的發展比在x和y方向的發展強，形成較明顯豎向的土柱，主要出現在堿土和荒漠地區的土壤。(這類地區的降雨量偏少，雨水以垂直下滲為主，側向徑流微弱，再加上堿金屬和堿土金屬的輔助作用，經年日久，形成柱狀結構)平板狀結構：與柱狀結構相反，z方向極不發育，x和y方向明顯發育，粘粒含量較高的土壤容易形成此結構。因為水的垂直下滲大大受阻，只能水平側滲，最終形成板狀結構，如三角洲的水稻土的中下層，植物根系在這種結構的穿插相當困難。棱鏡狀結構：也叫棱柱結構，與柱狀結構類似，x和y向不發達，z向發展，與前者不同的是柱頂和邊緣棱角分明。主要出現在干旱半干旱地區土壤的中下層。土壤結構的形成土壤結構形成需要兩個前提：具有膠結物質、促使土粒膠結的作用力；形成過程的兩個階段：最細小的顆粒，粘粒和腐