【分享】土壤化学

土壤矿物

　　土壤固相物质组成分之一,是岩石(矿物的天然集合体)风化过程和成土过程的产物。约占土壤重量的95％。
　　土壤矿物中蕴藏着植物和土壤生物生命活动所必需的一切矿质营养元素，与土壤肥力关系密切。土壤矿物的组成对土壤的质地、结构和阳离子交换量等的性质影响也很大。每个发育正常的土壤剖面都有明显的矿物层次。通常底土的矿物组成与母质的关系最为密切，结晶度也最好；从心土层矿物的消长可看出母质向土壤的转变和淋溶、淀积作用的关系。表土的矿物是经受成土作用深刻改造后的产物，因而地带性特征也较明显。在不同的生物气候带，土壤矿物的演变进程不同。
　　类型 　土壤矿物分原生矿物和次生矿物两类。原生矿物指火成岩或变质岩风化后残存的碎屑，为构成土壤砂粒和粉粒的主要组分。土壤中常见的原生矿物有石英、云母、碱性长石等。由于它们受蚀变作用较小，因而仍保存着结晶度高、颗粒粗和性质迟钝的特点。次生矿物指岩石风化过程和成土过程中新形成的矿物，有时也称粘土矿物或粘粒矿物，为构成土壤粘粒的主要组分。由于它们形成于变动频繁的地表环境，因而具有化学成分复杂多变、结晶度低、颗粒纤薄等特点，以及表面发达、带电荷、吸附离子等胶体活性。次生矿物颗粒直径大多小于5微米,其中有些成膜状包裹着粉砂和砂粒，结成聚集体。
　　按化学成分和结构，土壤中常见的次生矿物分为结晶质和非结晶质两大类（表1）。
　　非结晶质次生矿物主要包括蛋白石、水铁矿、水铝英石和伊毛缟石等。蛋白石（SiO2•nH2O）是已老化的氧化硅凝胶，植物体内的氧化硅最后也成为蛋白石归还土壤。水铁矿是氢氧化铁凝胶老化时最初出现的棕色雏晶。水铝英石由带负电的氧化硅胶体与带正电的铁铝氧化物胶体共同絮凝而成，多见于火山玻璃风化物中，略呈球形,成分不定,常用1-2SiO2•Al2O3•nH2O表示。伊毛缟石(1-1.5SiO2•Al2O3•nH2O)是细丝状矿物,1962年发现于日本浮石质火山灰土壤中。
　　结晶质次生矿物主要包括赤铁矿、磁赤铁矿、针铁矿、纤铁矿、三水铝石、一水软铝石、水云母、蛭石、绿泥石、蒙皂石、凹凸棒石、埃洛石、高岭石等。赤铁矿(Fe2O3)和针铁矿(FeOOH)是水铁矿进一步老化的产物。气候干热和通气性好的土壤环境利于赤铁矿的形成。针铁矿在土壤中分布十分普遍。纤铁矿是针铁矿的同分异构体，常见于温带湿润地区的水成土中，在经常有氧化还原交替或有机质多的土层中含量较多。在含低价铁的体系中,CO3和Al离子的存在利于针铁矿的形成，而不利于纤铁矿。在热带土壤中，纤铁矿被赤铁矿的同分异构体磁赤铁矿所取代。次生氧化铁矿物常散布于土粒表面使之呈现红、棕、黄等颜色，也常与铝、锰、钛等的氧化物一起聚集成斑纹或大小不一的结核甚至硬盘。三水铝石 【Al(OH)3】是含铝矿物的分解产物在SiO2的活度很低时形成的一种最稳定的氢氧化铝，在基性母岩和石灰岩上形成的富铝化土壤中特别多。一水软铝石（AlOOH）仅见于石灰岩土壤中。

结晶质次生硅酸盐矿物大多呈层片状，可视为云母的衍生物。水云母泛指初步脱钾的粘粒云母，其中伊利石是混有膨胀晶层的水云母。蛭石是云母高度脱钾的产物，形成于排水良好的温带或亚热带土壤中。绿泥石从铁镁矿物变化而来,常见于变质岩风化物和沉积物中,较易风化；层内不含钾，由带正电的镁、铁、铝的氢氧化物来平衡晶层负电荷。蒙皂石是一系列富镁、富铝、富铁的高度膨胀性层状硅酸盐，土壤中常见的是来源于水云母风化产物的贝得石，产生于钙镁含量较多的母质的蒙脱石，可能还有富铁的绿脱石。凹凸棒石的成分接近蒙脱石，也属层状硅酸盐，但外形呈短纤维状，见于漠境土壤中。高岭石是层状硅酸盐中成分最简单、结构最稳定的矿物，可由各种层状硅酸盐经脱盐基和脱硅形成，也可由长石等非层状硅酸盐的分解产物合成，广泛分布于风化程度较高的酸性土壤中。埃洛石的含水量高于高岭石，常由水铝英石或风化的斜长石中结晶而成，其结构有序度较低，晶层卷曲成管状。
　　原生矿物的风化 　原生矿物中的离子价和晶体结构不适应地表的物理化学条件而向热力学稳定状态转变，发生崩解和分解的现象称为矿物风化。风化作用分物理风化和化学风化两大范畴。物理风化只使原生矿物破碎，并不改变矿物的成分和结构,但可增大其比表面,从而加速风化的进程。矿物抗拒物理风化的能力强弱与内部原子排列的紧密度和结合力大小有关。化学风化是指矿物在水解、水化、质子化、离子交换、络合、氧化、还原等化学作用下，其结构发生局部改组直至彻底解体。这种作用为次生矿物的形成创造了条件。生物也在化学风化中起积极作用。原生矿物的稳定性顺序大体上同岩浆冷却时的结晶顺序一致，即在温度和压力最高时结晶的矿物最先风化。风化度愈高的土壤所留下的原生矿物愈少,种类也愈单调;但稳定性很高的副矿物几乎能如数保留，并可作为研究母质风化和剖面发育的指示矿物。矿物的化学风化速率与作用剂的多少、溶液中的离子活度和溶液在剖面内移动的速率有关。如化学风化产物在矿物表面淀积成薄膜，就会阻碍矿物继续分解。由于土壤是一不均匀体系,各部位理化性质和渗透速率的差异,造成矿物风化速度的不同，故土壤剖面内有处于各种风化阶段的矿物。

次生矿物的形成 　次生矿物主要通过新生过程或转变过程形成。
　　新生过程 　即由原生矿物的化学风化产物中沉淀或结晶而成矿物的过程。由原生矿物风化产物中沉淀而来的如水铝英石、伊毛缟石、埃洛石和蒙皂石等，其具有较大表面能的各种氧化物凝胶逐步趋向于结构有序化而相继形成次生矿物。聚集在土壤孔隙内壁或原生矿物的溶蚀表面，排列松散、品质纯净、形貌一致的微晶质矿物则多从溶液中结晶而来。如矿物一边进行分解一边又有新的合成，则新生矿物就呈宿主的假象。斜长石的埃洛石化、辉石和角闪石的绿泥石化或蛭石化以及橄榄石的蒙皂石化，就常以这种形式出现。新生矿物的种类取决于溶液内的化学平衡。如火山玻璃和非层状硅酸盐矿物风化时环境的淋溶作用微弱，而钾又较充足，风化产物中SiO2的浓度较高，即可与铁铝氢氧化物相结合而形成水云母；如钙、镁、钠充足，则结合形成蒙皂石等等。
　　转变过程 　即矿物结构发生局部改组而转变为另一种矿物的过程。如在淋溶环境下云母转变为贝得石的过程，就是云母从解脱结合力最弱的层间钾开始风化，然后沿边缘向纵深发展，单元层本身只进行局部改造，并无大的变化；但亚铁氧化、四面体片内铝的脱离和质子化都可引起云母的负电荷减少，促使边缘楔状开口处的钾通过离子交换而被水化阳离子取代。云母就在降解过程中先变为水云母，再变为蛭石或贝得石。在淋溶微弱的环境里，次生层状硅酸盐可发生复硅或复盐基的转变，而形成新的次生矿物。如埃洛石复硅变为蒙皂石，蒙皂石在层间固定钾变为水云母，蛭石在层间固定羟基聚合铝离子成为次生绿泥石等。有时，由于有些晶层的转变程度或方式不同，就会出现间层结构现象。 此外，土壤母质若系页岩、沉积物或冲积物等，则其土壤粘粒所含的次生矿物的形成还有继承作用，即继承母质所含的粘土矿物类型和特性，但实际上它们依然来源于新生过程和转变过程