環境土壤學

ENVIRONMENTALSOILSCIENCE

安徽師范大學環境科學學院

蕪湖市北京東路1號(241000)博士教授戴萬宏SoilEnvironmentology巖石風化而來，一般占土壤質量的95%以上，占土壤容積的45%左右。生物殘體及腐殖物質組成，一般占土壤質量5%左右，占土壤容積5%左右。種類繁多，包括昆蟲、蠕蟲、原生動物、藻類及微生物;微生物數量大、種類多、繁殖快，但占土壤質量和容積的份額很少。外部進入土壤，含有溶解物質，是稀薄的溶液，占土壤容積的0~50%左右。主要有氧氣、氮氣、二氧化碳和水汽等，占土壤容積的0~50%左右。礦物質有機質生物

(活體）水分氣體固體部分粒間孔隙土壤組成Unite1.土壤組成和性質

SoilconstituentsandpropertiesThesoilcanbeviewedasathree-phasesystemcomprisingsolid,liquidandgaseousconstituents.Solidphase—mineralandorganicmaterial

Parentmaterial

Vegetation

Liquidphase—soilwater

PrecipitationGround-waterGaseousphase—soilatmosphere(air)

Above-groundatmosphereRespirationofsoilorganismsUnite1.土壤組成和性質

Soilconstituentsandproperties1.

土壤礦物質

Soilmineralmaterial

2.

土壤有機質

Soilorganicmatter土壤生物Soilorganisms土壤質地和結構Soiltextureandstructure土壤水分Soilwater(moisture)土壤空氣和熱量Soilairandheatregime，Unite1.土壤組成和性質

Soilconstituentsandproperties第一章土壤礦物質

Soilmineralmaterial

Introduction第一節土壤礦物質的礦物組成和化學組成第二節粘土礦物第三節中國土壤粘土礦物分布規律

地核2900km~地幔33~2900km地殼0~33km地殼物質組成：元素礦物巖石Introduction礦物

地殼及上地幔中的化學元素在各種地質作用下形成的具有相對固定化學組成和物理性質的均質單質或化合物。是組成巖石的基本單位。巖石

在各種地質作用下，按一定方式結合而成礦物復合體。是構成地殼和地幔的主要物質。

巖石按形成方式分類巖漿(火成)巖

地球內部巖漿侵入地殼或噴出地表冷凝形成的巖石。

沉積巖

由地殼表面早期形成的巖石經風化、搬運、沉積、

壓實、膠結硬化而形成的巖石。變質巖

原來存在的巖石在新的地殼變動或巖漿活動產生的高

溫、高壓下，使巖石的礦物重新結晶，重新排列，改

變其結構、構造和化學成分，而形成的新巖石。Themineralfractionofsoilsisderivedlargelyfromweatheringoftheunderlyingparentmaterial,whichmayconsistofconsolidatedbedrocksorunconsolidatedsuperficialdeposits.BedrockIgneous(火成巖）Sedimentary(沉積巖）Metamorphic（變質巖）DepositRiverinealluvium（河流沖積物）Glacialtill(冰積物）Lacustrineclays(湖積粘土）土壤礦物來源第一節

土壤礦物質的礦物組成和化學組成

Soilmineralconstituentsandchemicalcompositions

一、元素組成二、礦物組成一、土壤礦物質的主要元素組成

地殼和土壤的平均化學組成（W%）元素地殼土壤元素地殼土壤OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.0

8.054.652.962.502.501.370.1049.033.0

7.133.801.371.671.360.600.085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003幾乎包括元素周期表中所有元素；土壤礦物質元素的相對含量與地球表面巖石圈元素的平均含量及其化學組成相似。O、Si、Al、Fe為主，四者共占88.7%以上；植物必需營養元素含量低，分布不平衡?；瘜W組成既繼承了地殼化學組成的特點，又反映了成土過程中元素的分散、富集特性和生物積聚作用。O、Si、C、N等增加，Ca、Mg、K、Na等減少。土壤礦物質元素組成特點：

二、土壤的礦物組成原生礦物經過不同程度的物理風化，未改變化學組成和晶體結構的原始成巖礦物。土壤粗粒部分主要由原生礦物組成。

硅（鋁硅）酸鹽礦物：長石類、輝石、角閃石、云母類碳酸鹽礦物：方解石、白云石(氫)氧化物礦物：石英、赤鐵礦、褐鐵礦、金紅石磷酸鹽礦物：鱗灰石次生礦物(粘土礦物)

由原生礦物經過風化、成土過程分解轉化而形成的礦物。粘粒主要由次生礦物組成。

高嶺石、蒙脫石、伊利石、蛭石、綠泥石、氧化物土壤原生礦物簡介土壤原生礦物簡介以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主

氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優勢。如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。原生礦物類型和數量決定于礦物的穩定性

石英最穩定,是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩定,在粗土粒中較多；黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風化。原生礦物對土壤肥力的貢獻構成土壤的骨骼——土粒原生礦物是植物養分的重要來源,通過風化提供養料Ca、Mg、K、P、S等

硅酸鹽礦物Silicatemineral閃石amphibole輝石augite長石feldspar云母micaOxide氧化物石英quartz金紅石赤鐵礦hematitePhosphate磷酸鹽磷灰石phosphaterockCarbonate碳酸鹽方解石calcite白云石硅酸鹽礦物構造

硅氧四面體

Silicon-oxygentetrahedron

Si4+O2-

(SiO4)4-架硅酸鹽礦物鏈狀硅酸鹽礦物環硅酸鹽礦物Sheetsilicates片狀硅酸鹽礦物硅酸鹽礦物構造與穩定性的關系單晶橄欖石單鏈輝石雙鏈角閃石片黑云母架石英穩定原生礦物的風化穩定性橄欖石輝石角閃石黑云母石英鈣長石倍長石拉長石中長石奧長石鈉長石鎂鐵質礦物的不連續系列長石類礦物的連續系列結晶由先到后，穩定性由小到大穩定性由小到大第二節粘土礦物

ClaymineralIntroduction

層狀硅酸鹽粘土礦物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸鹽粘土礦物

Non-silicateclayminerals

粘土礦物的類型特征綜合反映了土壤的風化和成土條件，研究和鑒定其種類、數量和特征有重要意義.幫助了解各種土壤在發生學上的地位；幫助了解土壤的理化性質（如吸濕性、可塑性、脹縮性和吸附性等）;概略評價肥力特征及質量。粘土礦物簡介土壤中的主要次生礦物Aluminosilicates

(鋁硅酸鹽類)

高嶺石、蒙脫石、伊利石、蛭石、綠泥石Simplesalts

(簡單鹽類)

碳酸鹽、硫酸鹽(石膏)、氯化物Oxides

(氧化物類)

針鐵礦、赤鐵礦、三水鋁石、銳鈦礦Aluminosilicates

鋁硅酸鹽類高嶺石Kaolinite蒙脫石Montmorillonite綠泥石ChloriteSimplesalts

簡單鹽類方解石calcite白云石Oxide氧化物類針鐵礦goethite褐鐵礦三水鋁石gibbsite第二節粘土礦物

ClaymineralIntroduction

層狀硅酸鹽粘土礦物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸鹽粘土礦物

Non-silicateclayminerals一、層狀硅酸鹽粘土礦物

Sheetsilicateclayminerals（一）構造特征1.基本結構單位2.單位晶片3.單位晶層4.同晶替代(二)硅酸鹽粘土礦物的種類和一般特性1.基本結構單位Silicon-oxygentetrahedron

硅氧四面體(SiO4)4-Aluminum-oxygenoctahedron

鋁氧八面體

(AlO6)9-2.單位晶片Hexagonalarrangementn(Al4O12)12-Silicon-oxygentetrahedronsheet

硅氧四面體片Aluminum-oxygenoctahedronsheet

鋁氧八面體片n(Si4O10)4-2.單位晶片n(Al4O12)12-Aluminum-oxygenoctahedronsheet

鋁氧八面體片Claymineralsaremadeupofvariouscombinationsofthreefundamentalsheetstructures:

Si-OsheetinwhichtheSi-Otetrahedronarelinkedinahexagonalarrangement;

Al-OsheetinwhichtheAl3+ionsaresurroundedbysixcloselypackedhydroxyl(OH-)ionstoformanoctahedronstructure;

Mg-OsheetwhosestructureissimilartothatoftheAl-OsheetbutcontainsMg2+ionsratherthanAl3+.3.單位晶層3.單位晶層1:1型晶層2:1型晶層2:1:1型晶層1:1型晶層

(Kaolinite)

onesilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet1:1型晶層

(Kaolinite)

onesilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1型晶層(Montmorillonite,illite)

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1型晶層(Montmorillonite,illite)

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet2:1:1型晶層

(Chlorite綠泥石）

twosilicon-oxygensheettoonealuminum-oxygensheet，forminga2:1layerstructure,toonefurtherMg-O(brucite)sheetwhichoccupiestheinterlayerposition.4.同晶替代

（Isomorphoussubstitution）

組成礦物的中心離子被電性相通、大小相近的離子所替代而晶格構造不變的現象叫做同晶替代（同型異質替代）。

ThemostcommonsubstitutionsinvolvesreplacementofsomeSi4+,inSi-Otetrahedron,byAl3+,andthesubstitutionofAl3+,inAl-Ooxtahedron,byMg2+orFe3+.ThissubstitutionalsocanledtoformingtheMg-Osheet.

同晶替代常見的是以低價代高價的金屬離子，所以產生的電荷以負為主。粘土礦物以負電荷為主，通過靜電引力吸附陽離子。陽離子養料吸附是土壤一個極重要特性，和肥力關系密切。同晶替代現象在2:1和2:1:1型粘土礦物中比較普遍，而1:1型粘土礦物中則相對較少。4.同晶替代

（Isomorphoussubstitution）一、層狀硅酸鹽粘土礦物

Sheetsilicateclayminerals（一）構造特征1.基本結構單位2.單位晶片3.單位晶層4.同晶替代(二)硅酸鹽粘土礦物的種類和一般特性Classificationofclaymineralsisbasedonthreecriteria:Theratioofdifferentsheetswithinaunitelayers,Theinterlayerorbasalspacingbetweenunitelayers,Theinterlayercomponentsorspecies.

土壤中層狀硅酸鹽粘土礦物種類很多，根據其構造特點和性質可歸納為四類：

高嶺組蒙蛭組水化云母組綠泥石組(二)硅酸鹽粘土礦物的種類和一般特性硅酸鹽粘土礦物（構造特點、性質）高嶺組Kaolinitegroup

1:1layerclayminerals

高嶺石、珍珠陶土，埃洛石等蒙蛭組Montmorillonitegroup2:1layerandshrink-swellminerals

蒙脫石，綠脫石，拜來石，蛭石等水化云母組Hydrousmicagroup

2:1layerandnoshrink-swellminerals

伊利石等綠泥石組Chloritegroup

2:1:1layerclayminerals

綠泥石等，富含鎂、鐵

Kaolinitehasa1:1layerstructureandaninterlayerspacingofaround7?(0.7nm).Layerunitsareattractedbyhydrogenbondingandthecrystalshaveacharacteristichexagonalappearance.1.高嶺組

(1:1型礦物)

高嶺石、珍珠陶土，埃洛石等

高嶺組粘土礦物特性1:1型。

結構相似，分子式：Al4Si4O10(OH)8,SiO2/Al2O3分子比率2。非膨脹性。

四面體片與八面體片通過共用氧原子結合成一個晶片，晶片間

以較強的氫鍵相連，水化時基本不膨脹。電荷數量少。

沒有或極少存在同晶替代現象。吸附陽離子的能力極弱，吸附

容量3-15cmol(+)/kg。含量高的土壤保肥性差。OH群中H在一

定酸度下解離，使其帶少量負電荷，且隨酸度條件而改變。

膠體特性較弱。

呈片狀，顆粒較粗、總表面積較?。?0×103~20×103m2/kg)。

粘結性、可塑性和吸濕能力較弱。熱帶、亞熱帶土壤中普遍存在，北方及青藏高原土壤中少。兩個四面體片夾一八面體片組成一個晶片，八面體片中，部分Mg取代Al而使層片帶負電，多余電荷由層間陽離子中和。水化時膨脹嚴重。

Montmorillonite(Smectite)

isa2:1layerclaymineralwithinterlayerpositionsdominatedbyNa+andCa2+ions,andwatermolecules.Althoughitsbasalspacingisapproximately14?(1.4nm),thisvariessomewhatduetoitsshrink-swellcharacteristicswhichoccuronwettinganddrying.2.蒙蛭組

(2:1膨脹型礦物)

蒙脫石，綠脫石，拜來石，蛭石等蒙蛭組粘土礦物特性2:1型。

結構相似，分子式：Al4Si8O20(OH)4·nH2O,SiO2/Al2O3分子比率2-4。

脹縮性大。

層間結合力（分子引力）較小。晶架間距可變，9.6-21.4?電荷數量多。

普遍存在同晶替代現象。Si-O片，鋁代硅；Al-O片中鎂、鐵代鋁，

帶有陰電荷，有較強的吸附陽離子能力，吸附容量80-150cmol(+)/kg

含量高的土壤保肥性強。

膠體特性突出。

呈片狀，顆粒特別細，總表面積大（600×103~800×103m2/kg)。含

量多的土壤，粘結、粘著性、可塑性和吸濕能力特別強，耕作不利。

東北黑鈣土和華北栗鈣土中含量較多，華北的褐土和西北的灰鈣土中也有。3.水化云母組

(2:1型非膨脹型或伊利組礦物)

伊利石等

Illite

alsoisa2:1layerclaymineralswithaninterlayerspacingofapproximately10?(1.0nm)andK+ionsasthedominantinterlayercomponent.

伊利石晶架間的鉀離子同時受

相鄰兩晶架的陰電荷的吸附，產生

了聯結的效果，使其不易脹開。這

和蒙脫石類有明顯區別。水化云母組粘土礦物特性2:1型。

結構相似，分子式：K2(Al·Fe·Mg)4(SiAl)8O20(OH)4·nH2O

SiO2/Al2O3分子比率3-4。非膨脹性。

晶架間吸附陽離子以K+為主，半陷于晶穴內，同時受相鄰兩晶層

陰電荷的吸附，產生了強聯結的效果，不易脹開。層間距1.0nm。

電荷數量較多。

同晶替代現象普遍，主要發生在硅片，電荷量較大，但部分被層間

K+中和，有效電荷量少于蒙脫石，吸附容量介于高嶺石和蒙脫石之

間，為20~40cmol(+)/kg.

膠體特性

介于高嶺組和蒙脫組之間。

伊利石主要存在于我國北方干旱地區土壤中，南方土壤含量很低。2:1粘土礦物的相鄰晶片間加入一個八面體片，此八面體片中Mg被Al部分取代而帶正電荷，中和了相鄰晶片上的負電荷。由于強烈的靜電吸引使其成為非膨脹粘土。

Chloritehasa2:1:1layerstructure(twoSi-OsheettooneMg-Osheet,formingabiotitemica(滑石）layer,toonefurtherMg-Osheetwhichoccupiestheinterlayerposition)withaninterlayerspacingofabout14?(1.4nm).4.

綠泥石組（2:1:1型礦物）

以綠泥石為代表，富含鎂、鐵綠泥石組粘土礦物特性

2:1:1型。

化學式為Mg·Fe·Al)12(Si·Al)8O20(OH)16

同晶替代較普遍。

硅片、水鋁片和水鎂片上均有發生，硅片中Al3+代Si4+、鋁片中

Mg2+代Al3+產生負電荷，水鎂片中Al3+代Mg2+產生正電荷，兩者

相抵為凈負電荷，介于伊利石與高嶺石之間，為10~40cmol

(+)/kg

。

顆粒較小。

可塑性、粘結性、吸濕性、粘著性居中。土壤綠泥石主要來自母質遺留，沉積巖和沉積物中較多。

第二節粘土礦物

ClaymineralIntroduction

層狀硅酸鹽粘土礦物

Sheetsilicateclayminerals非硅酸鹽粘土礦物

Non-silicateclayminerals二、非硅酸鹽粘土礦物鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物結晶質和非晶質可變電荷，表面羥基的質子化或離解，因介質pH而異，可正可負（兩性膠體）

低pH：

M-OH+H+→M-OH2+（水合基）高pH：M-OH+OH-→M-O-+H2O

氧化鐵(Ironoxide)主要礦質染色劑針鐵礦(α-FeOOH)：晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕

潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結核赤鐵礦(α-Fe2O3)：紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜纖鐵礦(γ-FeOOH)：棕橙色，存在于排水不良而富含有機質土壤

磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)：暗紅棕色,存在于高度風化且有機質少的表土磁鐵礦（Fe3O4）：棕黑色，多存在于母質中,有時與磁赤鐵礦共存無定形鐵（Fe(OH)3）：棕色，膠膜，銹水

氧化鐵的形態及轉化

非游離鐵全鐵（Fet）

游離鐵

結晶質

（Fed）

無定形或活性鐵

非絡合鐵（Feo）絡合鐵（Fep）

無定形→隱晶質→晶質

氧化鋁(Aluminiumoxide)

硅酸鹽礦物徹底分解產物，常見的有三水鋁石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土礦物。濕熱強度風化——脫硅富鋁化的指標之一。

我國北緯30度以南土壤(紅壤、磚紅壤等)中才出現。花崗巖風化土壤中較多。山地土壤中有三水鋁石存在。無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性。

氧化硅(Siliconoxide)

結晶質和非晶質

晶質以α—石英為主非晶質為蛋白石(SiO2·nH2O)，脫水結晶為玉髓、石英、方石英、鱗石英等變體。土壤中部分蛋白石來源于有機體，其含量常與有機質含量有關。可作為古土壤埋藏表層的指示性礦物。

水鋁英石(Allophane)

非晶質硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物，Si/Al變化在1-2之間。比表面較大，帶較多負電荷，數量決定于水化程度和溶液pH

第三節中國土壤粘土礦物分布規律

一、風化和成土作用與粘土礦物組成的關系

粘土礦物是次生礦物，其形成和類型分布一方面受母巖、母質的礦物學組成影響，另一方面又和風化、成土條件（氣候、生物、地形等）密切相關。氣候和生物因素的分布式隨緯度變化的，因而土壤粘土礦物的分布也有隨生物、氣候分布的緯度地帶性規律。南方熱帶磚紅壤、亞熱帶紅壤礦物風化度高，粘土礦物以1:1型為主，并有三水鋁石，粘粒硅鋁鐵率2左右，屬鐵鋁土。北方溫帶地區，粘粒礦物為各種2:1型(伊利石、蒙脫石等)，粘粒硅鋁鐵率多在3以上。風化度低，屬硅鋁土。

原生礦物風化淋溶直接演變（學說）

+H2O，-K-K-Mg-Si-Si云母類伊利石蛭石蒙脫石高嶺石三水鋁石

粘土礦物形成途徑

風化沉淀（自然合成）學說

原生礦物徹底風化產物重新組合沉淀而成。SiO2·nH2O土壤pH條件下帶負電荷，酸膠基Al2O3·nH2O，Fe2O3·nH2O帶正電荷，堿膠基鹽基離子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，決定溶液pH，并參與礦物形成

正負電荷膠體相互中和沉淀組成新礦物

沉淀

老化、結晶溶膠凝膠（非晶質）結晶質

當溶膠SiO2/Al2O3＞3，可形成2:1型礦物當溶膠SiO2/Al2O3＜3，可形成1:1型礦物及氧化鋁礦物

風化液pH與鹽基淋溶有關，并影響膠體的正、負電荷數量和沉淀凝膠中正負電荷膠體的比例。鹽基離子Mg2+、K+等直接參與新礦物合成，分別形成富鉀（伊利石）、富鎂（蛭石、綠泥石）等礦物。二、中國土壤粘土礦物分布規律

北方以水云母（伊利石）為主的1、2、3區秦嶺、長江中下游水云母、蛭石、高嶺石交錯分布區(4區)南方西部蛭石和高嶺石為主的分布區（5區）南方以高嶺石為主的6、7分布區西北和青藏高原水云母區(1區)，土壤風化程度最低華南高嶺區（7區）土壤風化程度最高

全國土壤粘土礦