ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СОСТАВ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЧВ

Минеральная часть почв в подавляющем большинстве случаев составляет 55-60% ее объема и до 90-97% массы. Общее число минералов, находящихся в почвах и почвообразующих породах, исчисляется сотнями. Каждый минерал обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него внутреннее строение, т. е. определенное расположение атомов в кристаллической решетке. Минералы почв и почвообразующих пород изучает особый раздел почвоведения – минералогия почв.

Все минералы почв и почвообразующих пород делятся на три основные группы:

1. первичные минералы, оставшиеся неизмененными после разрушения массивно-кристаллических пород литосферы Земли;

2. вторичные глинистые минералы и окислы, образовавшиеся главным образом в результате комплекса процессов выветривания и почвообразования из первичных минералов и продуктов их разрушения;

3. растворимые минералы – соли, которые могут находиться в почвенном растворе и в сухих условиях переходить в твердую фазу почвы.

Первичные минералы почв

Первичные минералы – основная группа веществ почвы и коры выветривания, являющихся исходным материалом для образования тонкодисперсных вторичных минералов. Эта потенциальная часть почвы неустойчива в условиях зоны гипергенеза.

Первичные минералы почти целиком сосредоточены в гранулометрических фракциях размером более 0,001 мм. Это определяется исходными размерами минеральных зерен в плотных породах, а также максимальными пределами их дробления при механических и температурных воздействиях.

По соотношению содержания главнейших групп породообразующих минералов рыхлые почвообразующие породы (и соответственно формирующиеся на них почвы) существенно отличаются от плотных пород. Обусловлено это тем, что рыхлые почвообразующие породы представляют собой продукт многократного переотложения и длительного изменения материала плотных пород под действием физических, химических и биологических агентов, что приводит к относительному накоплению более устойчивых к выветриванию минералов, и прежде всего кварца. В свою очередь, в зависимости от гранулометрии рыхлых почвообразующих пород участие первичных минералов в формировании их состава весьма различно: первичные минералы составляют 90-98% массы мелкозема песков, 50-80% суглинков и 10-12% глин.

В почвах и почвообразующих породах наиболее распространены следующие группы первичных минералов.

Полевые шпаты(алюмосиликаты) – большая группа широко распространенных и относительно устойчивых к выветриванию минералов. Они составляют около 60% массы земной коры, а в почвах их около 10-15%. Типичные представители полевых шпатов: ортоклаз – KAlSi₃О₈, альбит – NaAlSi₃О₈, анортит – CaAlSi₂О₈ и плагиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.

Силикатыв литосфере содержатся в количестве около 20%: оливин – (Mg,Fe)SiО₄, авгит – Ca(Mg,Fe)Si₂О₆, роговая обманка – MgSiО₃ и др.

Кварц(SiО₂) – один их наиболее распространенных минералов многих магматических пород, осадочных отложений и почв. Преобладание кварцевых минералов в почвах обусловливает их низкое плодородие.

Слюды(3% от общего объема пород) являются важнейшими источниками питания растений калием, так как разрушаются сравнительно быстро. В числе слюд отмечаются мусковит – KH₂Al₃(SiО₄)₃ и биотит – KH₂(Mg Fe)₃Al(SiО₄)₃.

Апатит– очень прочный минерал изверженых пород, в состав которого входят фосфор, кальций, фтор, хлор – 3Ca₃P₂О₈ и Ca(F,Cl)₂. Апатит – главнейший первоисточник фосфора в биосфере.

В изверженных породах установлено более 1000 различных минералов. Одни из них очень устойчивы, долго сохраняются в почвах и почвообразующих породах, давая возможность судить о длительности почвообразования. Это минералы группы эпидота, дистена, андалузита, граната, а также ставролит, циркон, турмалин. Доминирующими минералами, имеющими важное значение в почвообразовании, как считает В.А. Ковда, являются кварц, полевые шпаты, оливины, пироксены, амфиболы, слюды, апатит, роговые обманки.

Преобразование первичных минералов в почвах и корах выветривания сопровождается образованием различных растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, а также формированием вторичных глинистых алюмосиликатов, поступление в почвенные растворы простых солей.

В природе (в почвах, почвообразующих породах, в литосфере) первичные минералы встречаются в составе массивно-кристаллических, метаморфических и осадочных пород и эти породы представляются как ассоциации минералов. Широкое распространение в почвах и осадочных рыхлых отложениях имеют индивидуальные кристаллы первичных минералов. Таким образом, в почвах первичные минералы наблюдаются как в обломках (зернах) горных пород, так и в отдельно разобщенном состоянии. Обломки пород приурочены к крупнопесчаным и гравелистым фракциям гранулометрического состава, а индивидуальные минералы входят в состав тонкого песка и пыли.

Вторичные минералы почв

К вторичным минералам относятся глинистые минералы, минералы оксидов кремния, железа, алюминия и марганца, а также минералы простых солей.

Глинистые минералысоставляют основную часть вторичных минералов. Названы они так в связи с тем, что преимущественно определяют минералогический состав глин. Важнейшая роль глинистых минералов состоит в том, что в силу присущей им поглотительной способности они определяют емкость поглощения почв и наряду с гумусом являются основным источником поступления минеральных элементов в растения.

Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами с общей химической формулой nSiО₂Al₂О₃ и mН₂О и характерным молярным отношением SiО₂: А1₂О₃, изменяющимся в пределах от 2 до 5.

Глинистые минералы образуются путем постепенного изменения первичных минералов в процессе выветривания и почвообразования, а также могут образоваться биогенным путем из продуктов минерализации растительных остатков.

К наиболее распространенным глинистым минералам относятся минералы групп монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешаннослоистых минералов.

Глинистым минералам присущи общие свойства: слоистое кристаллическое строение, высокая дисперсность, поглотительная способность, наличие в них химически связанной воды. Однако каждая группа минералов имеет специфические свойства и значение в плодородии. Велика их роль в создании физических свойств, структуры и порозности почвы, водопроницаемости и влагоемкости.

Монтмориллонит, бейделит, нонтронит – группа трехслойных минералов с набухающей решеткой. Монтмориллонит и бейделит встречаются в почве самостоятельно и в смешаннослойных образованиях с гидрослюдами, хлоритами, вермикулитами. Нонтронит по химическому составу отличается повышенным содержанием железа. Монтмориллонит и бейделит весьма сходны. Различия в том, что в бейделите часть кремния замещена на алюминий, поэтому соотношение SiО₂: А1₂О₃ равно трем, вместо четырех в монтмориллоните. Соотношение групп атомов в минералах: монтмориллонит – (Al, Mg)₂ (ОН)₂ [Si₄O₁₀] un H₂O, бейделит – (К, Na, Н₃О) А₁₂(ОН)₂ [А1 Si₃O₁₀] un Н₂О, нонтронит – Fe₂(OH)₂ [Si₄O₁₀] un Н₂О .

Между пакетами трехслойной структуры монтмориллонитовых минералов находятся молекулы воды и обменные катионы, определяющие особенности отдельных минералов группы. Межпакетные расстояния могут изменяться. В связи с этим для монтмориллонита характерно сильное набухание с увеличением объема в 1,5-3 раза и связанная с этим жирность, липкость, вязкость, высокая пластичность и гигроскопичность. Цвет монтмориллонита белый с сероватым, буроватым, красноватым оттенками и зеленый. Нонтронит – зеленовато-желтый, зеленоватый, буровато-зеленый.

Отличительная черта монтмориллонитовых минералов – высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и в отношении загрязняющих веществ. Средние величины катионного обмена 80-120 м.-экв. на 100 г. С гуминовыми кислотами монтмориллонит образует прочные темноокрашенные (серые и черные) комплексы.

Вермикулиты по химическому составу близки к магниевым алюмосиликатам. Вермикулит – (Mg, Fe⁺², Fe⁺³)₃ (ОН)₂ [(Al, Si)₁₀) и 4H₂О, нонтронит – Fe₂(OH)₂ [Si₄O₁₀] un H₂О. По структуре они сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Цвет минерала бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый; иногда наблюдаются зеленоватые оттенки. Вермикулиты обладают высокой способностью к набуханию. Емкость поглощения катионов около 100 м.-экв на 100 г.

Группа каолинита – каолинит, диккит, накрит имеют следующее строение: А1₂(ОН)₄ [Si₂О₅]. Наиболее распространенным является каолинит. Кристаллическая структура этих минералов состоит из двухслойных пакетов. Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, а сплошные массы белые. Каолинит не набухает, так как доступ воды в межпакетное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Расстояние между пакетами не изменяется. Каолинит не содержит щелочных и мало содержит щелочноземельных оснований. Дисперсность его высокая, он свободно мигрирует в суспензиях. Емкость поглощения 10-20 м.-экв на 100 г. Каолинит набухает слабо, имеет небольшую липкость, связность и гидрофильность.

Галлуазит встречается в виде гелеподобных полуматовых масс. Цвет галлуазита белый, часто с желтоватым, красноватым и голубоватым оттенками. По свойствам близок к каолиниту, но более гидратирован и имеет расширяющуюся кристаллическую решетку. Емкость поглощения 25-30 м.-экв на 100 г.

Гидрослюды (иллит). К группе гидрослюд относятся гидратированные формы слоистых минералов с морфологически чешуйчатым строением:

Гидробиотит – (К, H₃O)(Mg, Fe)₃ (ОН)₂ [(Al, Si)₄O₁₀] и nН₂О,

Гидромусковит – (К, Н₃О) Al₂ (ОН)₂ [(Al, Si)₄O₁₀] и nН₂О,

Глауконит – K(Fe⁺³, Al, Fe⁺², Mg)₂ (OH)₂ [Al, Si₃O₁₀] и nН₂О,

Гидробиотит и гидромусковит золотисто-желтого, серебряного и белого цвета. Глауконит – зеленый различных оттенков. Структура гидрослюд подобна монтмориллониту. Они относятся к трехслойным минералам с многочисленными изоморфными замещениями. В отличие от монтмориллонита связь между пакетами прочная, и вода в них не проникает. Гидрослюды – важный источник калия для растений. Обменный калий находится на краях кристаллической решетки. Гидрослюды не набухают. Емкость поглощения 40 м.-экв на 100 г. Гидрофильность, липкость, связность, набухание значительно меньше, чем у монтмориллонита.

Хлориты. К группе хлоритов относится большое количество минералов, которые по целому ряду свойств близки к слюдам. Кристаллическая решетка хлоритов состоит из четырех слоев. В связи с тем, что хлориты представлены слоями различных минералов, их можно отнести к смешаннослоистым минералам с правильным чередованием слоев. Решетка хлоритов не набухающая, стабильная. Хлориты имеют зеленый цвет различных оттенков.

Минералы гидроокисей и окисейкремния, алюминия, железа, марганца, образующиеся в аморфной форме при выветривании первичных минералов в виде гидратированных высокомолекулярных гелей и постепенно подвергающиеся дегидратации и кристаллизации с образованием окисей и гидроокисей кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют высокая температура, замерзание, высушивание, окислительные условия почвы.

Гидроокись кремния (SiО₂ и nН₂О) по мере старения переходит в твердый гель – опал (SiО₂ и nН₂О) с содержанием воды от 2 до 30%, затем, теряя воду, в кристаллические формы халцедона и кварца SiО₂. Гидроокись марганца кристаллизуется в виде минерала пиролюзита МnO₂, псиломелана mMnO и МnO₂и nН₂O.

Гидраты полутораокисей (AI₂O₃ и nН₂O , Fe₂O₃ и nН₂O), кристаллизуясь, образуют вторичные минералы: бемит А1₂О₃ и Н₂O , гидраргилит (гиббсит) А1₂O₃ ЗН₂O или А1(ОН)₃, гематит Fe₂O₃, гетит Fe₂O₃ и Н₂O, гидрогетит Fe₂O₃ и ЗН₂O. Эти минералы встречаются в небольших количествах во многих почвах. Гетита и гиббсита много в ферраллитных почвах. Эти минералы могут обволакивать пленками агрегатные скопления глинистых минералов, а также встречаться в виде конкреций. Поглотительной способностью, липкостью, набуханием практически не обладают.

Встречаются в почвах цеолиты. Эта группа своеобразных минералов щелочных и щелочноземельных алюмосиликатов. Цеолиты образуются в разных условиях при разной реакции среды: в пресноводных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверхность цеолиты остаются в почве как унаследованные от породы.

Каркасная решетка цеолитов характеризуется большим количеством пор, полостей и каналов, что определяет их высокую поглотительную способность. Часто цеолиты используются в тепличных хозяйствах.

Минералы простых солейобразуются при выветривании первичных минералов, а также в результате почвообразовательного процесса. К таким солям относятся кальцит СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит [Са, Mg](CO₃)₂, сода Na₂CO₃ и 10Н₂O, гипс CaSO₄ и 2Н₂O, мирабилит Na₂SO₄ и 10Н₂O, галит NaCl, фосфаты, нитраты и др. Эти минералы способны накапливаться в почвах в больших количествах в условиях сухого климата. Качественный и количественный состав их определяет степень и характер засоления почв.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ

Химия почв – особый раздел почвоведения. Его задача – изучение содержания химических элементов в почвах и химических процессов, протекающих в почвенной массе. В почве химические явления всегда связаны с биологией, биохимией, физикой, с коллоидными физико-химическим процессами.

Содержание химических элементов в почвах

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. Источником минеральных соединений почвы являются горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры – литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате деятельности живых организмов, ее населяющих. Взаимодействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо-минеральных соединений почв. Минеральная часть составляет 80-90% и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10% и менее.

В составе почв обнаружены почти все известные химические элементы. Средние цифры, показывающие содержание отдельных элементов в литосфере и почвах называют кларками. Изучение почв с геохимической точки зрения было впервые начато академиком В.И. Вернадским.

Содержание отдельных химических элементов в литосфере и почве колеблется в широких пределах (табл. 6).

Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47,2%), более чем на четверть из кремния (27,6%), далее идут алюминий (8,8%), железо (5,1%), кальций, натрий, калий, магний (до 2-3% каждого). Восемь названных элементов составляют более 99% общей массы литосферы. Такие важнейшие для питания растений элементы, как углерод, азот, сера, фосфор, занимают десятые и сотые доли процента. Еще меньше в земной коре микроэлементов.

Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором – кремний, затем алюминий, железо и т. д.

Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве связано с жизнедеятельностью организмов. В почвоведении состав почв принято выражать в условных гипотетических оксидах химических элементов: SiО₂, А1₂О₃, Fe₂О₃, СаО, MgO, Na₂О и т. д. Это практически отражает всю почвенную массу.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: