СОСТАВ, СВОЙСТВА И РЕЖИМЫ ПОЧВ

МИНЕРАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВЫ. СОСТАВ ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД И ПОЧВ

Генезис почвообразующих пород, их минералогический, гранулометрический и химический состав определяют многие свойства почв, в том числе плодородие, их производительную способность для разных сельскохозяйственных культур и качественную оценку.

Минералогический состав

Почвообразующие породы состоят из первичных и вторичных минералов. Первичные минералы представлены в основном частицами более 0,001 мм, вторичные — менее 0,001 мм, причем первичные в большинстве почв преобладают над вторичными.

Первичные минералы влияют на агрофизические свойства почвы, являются источниками зольных элементов, от них зависит направленность почвообразования. Они служат источником для образования вторичных минералов.

Первичные минералы слагают основную массу магматических пород, примерный минералогический состав которых, по Ф.У. Кларку, следующий: полевые шпаты — 59,9%, кварц — 12,0%, амфиболы (роговые обманки) и пироксены — 16,8%, слюды — 3,8%, прочие — 7,9%.

В результате физического, химического и биологического выветривания образуются рыхлые породы, в составе которых присутствуют и вторичные минералы.

Устойчивость к выветриванию первичных минералов различная и зависит от прочности кристаллической решетки, спайности минералов, размера и формы зерен, химического состава.

Большинство почвенных минералов представлено минералами с кристаллической структурой, определяющей величину и химическую природу частицы минерала, от которой зависят растворение, осаждение, адсорбция, десорбция и обмен ионов.

Индивидуальные свойства минералов определяет расположение в них противоположно заряженных ионов. Взаимное расположение противоионов в кристаллической решетке обусловлено радиусами ионов.

Самый крупный ион — ион кислорода (0,132 нм). Он занимает большую часть объема минералов. Размер иона кремния таков, что он точно соответствует полости, образующейся при группировке вокруг него четырех ионов кислорода. Получается элементарная ячейка, которая называется кремнекислородным тетраэдром (Si04)-4. Ион алюминия может группировать вокруг себя шесть ионов кислорода. Он образует октаэдр и элементарную ячейку [А1(ОН)6]-3 — алюмогидроксильный октаэдр.

Ион А13+ может замещать ион Si4* в тетраэдрах. Большинство кристаллических почвенных минералов представляют собой объединенные в трехмерные сетки тетраэдры кремнезёма или сетки тетраэдров кремнезёма в сочетании с сетками октаэдров алюминия. Кислород тетраэдров кремнезёма является общим для прилегающих тетраэдров или октаэдров, избыток отрицательных зарядов уравновешивается катионами. При этом образуются различные типы структур: островные, каркасные, ленточные, листоватые (рис. 3.1). Для кварца и полевых шпатов характерна каркасная структура.

Кварц — трехмерный минерал, состоящий из тетраэдров кремнезёма, ионы которого Si4+ и О2- находятся в таком же отношении, как в Si02. Разновидности кварца (халцедон, агат, кремень, раговин, опал) различаются структурным расположением атомов Si и О.

Полевые шпаты — трехмерные безводные алюмосиликаты К, Na и Са. Они образованы тетраэдрами кремнезёма, связанными общими атомами кислорода; отрицательные заряды сбалансированы К, Na или Са. Ортоклаз (K[AlSi308]) — калиевый полевой шпат, содержащий 13,6% К. Плагиоклазы — серия натриевых и кальциевых шпатов, состав которых варьирует от Na[AlSi308] до Ca|Al2Si208].

Другие неслоистые силикаты включают амфиболы и пироксены, которые являются силикатами Са, Mg, Fe: оливин Mg, Fe, Si04, роговая обманка CaSi03 • Mg Si03, FeSi03, основные фосфорсодержащие минералы Са3(Р04)2 • СаС12 (хлорапатит) и Ca3(P04)2CaF2 (фторапатит). Турмалин (подкласс боросиликатов) — главный борсодержащий минерал.

Слюды — слоистые минералы, у которых сетки тетраэдров кремнезёма расположены с каждой стороны сетки октаэдра алюминия. Кислород тетраэдров кремнезёма является общим для прилегающих тетраэдров и октаэдров, а избыток отрицательных зарядов уравновешивается К, Na, Li, Са, Mg, Fe или Zn, которые могут размещаться в кристаллической решетке. Мусковит K3Al2Si6Al4O20(OH)4 и биотит

Кремнекислородные радикалы (И.С. Кауричев, 1988)

Рис. 3.1. Кремнекислородные радикалы (И.С. Кауричев, 1988): а — цепные; б — ленточные; в — листоватые

K2Al2Si8(Fe2+, Mg)6O20(OH)4 — наиболее распространенные слюды, содержащие соответственно 9,8% и 8,7% К.

Наиболее устойчивым из первичных минералов является кварц, содержание которого в рыхлых породах достигает 40...60%, а доля полевых шпатов, как менее устойчивых, снижается до 20%. Из-за неустойчивости к выветриванию амфиболы, пироксены, средние и основные плагиоклазы в рыхлых породах встречаются в небольших количествах.

Большое влияние на устойчивость минералов оказывают и внешние условия. Наиболее быстро породы изменяются во влажных тропиках и субтропиках. Более стремительному протеканию процесса выветривания способствует удаление подвижных продуктов распада из пород и почвенной толщи в условиях хорошо дренированных почв. В зависимости от гранулометрического состава почвообразующих пород участие первичных минералов в их формировании резко отличается: они составляют 90...98% массы мелкозёма песков, 50...80% суглинков и 10... 12% глин. Содержание кварца максимально во фракции размером более 0,25 мм, полевых шпатов — во фракциях размером от 0,25 до 0,01 мм. В то же время на фоне соответствия состава минералов в почвообразующих породах и почвах отмечаются различия в их содержании по горизонтам, обусловленные обеднением верхней части почвенного профиля неустойчивыми к выветриванию минералами (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Минералогический состав мелкозёма подзолистых почв на морене, покровных суглинках и флювиогляциальных песках, % на весь мелкозём (М.М. Шукевич, 1948; Д.М. Плакхина, В.М. Фридланд, 1978)

Горизонт, его глубина, см

Тяжелая

фракция

Кварц

Полевые

шпаты

Биотит

Амфиболы

Эпидот

Морена

ОЕ, 0...5

6,5

81,5

9,2

0,1

4,3

0,5

В, 5...15

4,9

75,1

9,4

3,3

0,2

ВС, 15...10

8,3

46,8

36,1

0,1

6,1

0,4

С, 50...60

7,9

49,1

36,4

0,8

4,9

0,5

Покровные суглинки

А, 5...10

2,2

75,0

6,5

0,1

0,9

0,1

ЕВ, 10...15

4,7

81,3

6,0

0,3

1,6

0,2

В, 20...30

3,0

63,2

18,7

0,6

0,9

0,1

С, 30...40

4,7

67,4

15,3

0,7

1,6

0,2

Флювиогляциальные пески

А, 2...10

0,4

75,2

18,9

0,1

0,1

0,1

Е, 15...25

0,5

77,3

18,2

Единичные зерна

0,2

0,1

В, 50...60

0,6

73,7

20,5

од

0,2

0,1

ВС, 70...80

1,0

76,5

17,4

Единичные зерна

0,4

0,1

Вторичные минералы представлены глинистыми минералами, минералами оксидов железа, алюминия, марганца и кремния и минералами-солями.

Глинистые минералы составляют основную часть вторичных минералов и обнаруживаются преимущественно в глинах. Их отличают слоистое строение, высокая дисперсность и поглотительная способность. Глинистые минералы определяют емкость поглощения и являются основным источником минеральных элементов для растений. К ним относятся минералы группы каолинита, монтмориллонита, гидрослюд и смешанослойные минералы (табл. 3.2). Это вторичные алюмосиликаты с общей формулой nSi02 • А1203 • тН20 с соотношением Si02: А1203 от 2 до 5.

Таблица 3.2

Химический состав глинистых минералов, % на сухую навеску (по Е.Т. Дегенсу)

Минерал

Si02

А1203

Ге203

FeO

MgO

CaO

Na20

K20

Монтмориллонит

51,14

19,76

0,83

3,22

1,62

0,04

0,11

Каолинит

45,44

38,52

0,80

0,08

0,08

0,66

0,14

Иллит

49,26

28,97

2,27

0,58

1,32

0,67

0,13

7,47

Вермикулит

35,92

0,68

10,94

0,82

22,0

0,44

Хлорит

26,68

25,20

8,70

26,96

0,28

Минералы группы каолинита (каолинит, галлуазит, дик- кит, накрит) имеют отношение Si02: А1203 = 2 соответственно формуле 2Si02 • А1203 • «Н20. Неподвижная двухслойная кристаллическая решетка состоит из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного слоя алюмогидроксильных октаэдров (рис. 3.2). Расстояние между пакетами 7,2 А, емкость поглощения не превышает 25 мэкв/100 г. Минералы данной группы воду в межпакетное пространство не впитывают, не набухают и поэтому имеют хорошую водопроницаемость и низкую липкость. Наиболее распространенные каолинит Al4(0H)8lSi04 • О10] и галлуазит Al4(0H)8[Si04 • О10] • 4Н20 образуются при выветривании по схеме: полевой шпат —> серицит —> гидрослюда —> монтмориллонит —> каолинит —> галлуазит. Последний отличается от каолинита повышенной емкостью поглощения (до 40...60 мэкв/100 г) и наличием межслоевой воды. Содержание каолинита в почвах незначительно, за исключением почв субтропиков и тропиков.

Минералы группы монтмориллонита имеют отношение Si02 : А1203 = 4 соответственно формуле 4Si02 • А1203 • яН20. Они содержат подвижную трехслойную решетку, состоящую из двух слоев кремнекислородных тетраэдров и одного алюмогидроксильного октаэдра, заключенного между ними (рис. 3.3). Связь между слоями слабая, расстояние между пакетами 14,2 А. При увлажнении решетка сильно

Схема строения кристаллической решетки каолинита

Рис. 3.2. Схема строения кристаллической решетки каолинита

расширяется, минералы при этом набухают, с водой в межпакетное пространство свободно проникают обменные основания. При дегидратации они переходят в необменную форму (фиксированные аммоний, калий и др.).

Структура монтмориллонита отвечает формуле rAl4(OH)4Si802ol • «Н20. В эту группу входят сапонит, волконскоит, соконит и гекторит — маг-

Схема строения кристаллической решетки монтмориллонита (И.С. Кауричев, 1988) ниевая, хромовая, цинковая и литиевая разновидности, а также нон- тронит, в котором А1 заменен на Fe (Fe(OH)Si0o • лН0)

Рис. 3.3. Схема строения кристаллической решетки монтмориллонита (И.С. Кауричев, 1988) ниевая, хромовая, цинковая и литиевая разновидности, а также нон- тронит, в котором А13+ заменен на Fe3+ (Fe4(OH)Si802o • лН20).

Емкость поглощения минералов этой группы при высоком содержании кальция и магния достигает 80... 120 мэкв/100 г. Они слабоводопроницаемы, поэтому ухудшают физико-механические свойства почв. Однако на богатых гумусом почвах способствуют образованию водопрочных агрегатов, формирующих агрономически ценную структуру.

Гидрослюды — трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющей- ся решеткой (гидромусковит, гидробиотит и др.). Они образуются из слюд и полевых шпатов, имеют емкость поглощения 45...50 мэкв/100 г, содержат до 8% К20, частично усвояемого растениями. К гидрослюдам близок вермикулит, по свойствам похожий на монтмориллонит (емкость поглощения до 100 мэкв и более, решетка расширяющаяся). Гидрослюды присутствуют во всех почвах, особенно в подзолистых и серозёмах.

Смешанослойные минералы состоят из слоев индивидуальных минералов, поэтому их свойства зависят от характера переслаивания и доли индивидуальных минералов (хлорит — вермикулит, гидрослюда — монтмориллонит и др.). Они наиболее распространены в почвах умеренного и холодного гумидного и арктических поясов, где глинистые минералы на 30...80% представлены этой группой (Б.П. Градусов, 1976).

Минералы оксидов и гидроксидов образуются при выветривании первичных и вторичных минералов в виде гидратированных гелей и постоянно подвергаются дегидратации и кристаллизации. Наибольшее распространение имеют кремнезём (Si02 • wH20), гематит (Fe203), гетит (Fe203 • Н20), гиббсит (А1203 • ЗН20), бемит (А1203 • Н20), аллофан (А1203 • Si02 • wH20), иролюзит (Мп02) и др. Кремнезём встречается во всех почвенных зонах, при старении теряет воду и превращается в халцедон, кварц, тридимит. Гематит и гетит более распространены в областях с умеренным и влажным климатом, гиббсит и бемит — больше в условиях жаркого климата. Гидроксиды марганца образуются при выветривании горных пород во влажных тропиках и субтропиках.

Минералы этой группы связывают подвижные фосфаты, повышают влагоемкость, емкость поглощения, гидрофильность, липкость, набухае- мость почв, им принадлежит важная роль в структурообразовании почв.

Минералы-соли — примеси в глинистых минералах, главным образом в почвах аридных и экстрааридных зон. К ним относятся доломит СаС03 • MgC03, сода Na2C03 • ЮН20, кальцит СаС03, магнезит MgC03, трона NaHC03 • Na2C03, гипс CaS04 • 5Н20, ангидрит CaS04, мира- биллит Na2S04 • ЮН20, тенардит Na2S04, галит NaCl, фосфаты, нитраты, сульфиды железа и тяжелых металлов и др. Многие из этих солей растворяются, насыщая почвенный раствор, а в сухих условиях могут накапливаться, образуя различные засоленные почвы.

Значение вторичных минералов велико. Они определяют поглотительную способность почв, являются источником питательных элементов. Их роль в образовании водопрочной структуры определяет особенности водного, воздушного и теплового режимов.

В общем, особо строгой «приверженности» различных минералов определенным типам почв не обнаруживается, что объясняется влиянием на минералогический состав большого количества факторов: минералогического и химического состава почвообразующей породы, биоклиматических условий почвообразования, реакции и окислительно-восстановительного потенциала среды, условий дренажа, наличия в среде органических соединений, перемещения минералов с водными и ветровыми потоками и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >