Минеральная часть почвы

Минеральная часть почвы возникла в результате выветривания горных пород и минералов верхних слоев литосферы и их превращений в процессе почвообразования. Это подтверждается сходством химического состава литосферы и почв. Под совокупным влиянием на минеральную природу физических и химических факторов, в особенности живых организмов (растений и микроорганизмов), произошли глубокие изменения, которые и привели к образованию на поверхности земной коры почвенного покрова.

Таким образом, «строителями» почвы являются растения и микроорганизмы, а также микро- и макрофауна, обитающая в почве, строительным же материалом - горные (материнские) породы и окружающая их атмосфера и гидросфера, а энергетическим источником почвообразования - солнечная энергия.

Почвы наследуют геохимические особенности почвообразующих пород. Например, богатство породы окисью кремния определяет и повышенное содержание его в почве, а избыток глинистых минералов отражается на преобладании их в генетических горизонтах почвы. На карбонатных породах развиваются почвы, обогащенные щелочно-земельными элементами, а на засоленных породах формируются засоленные почвы и т.д. Однако решающую роль в почвообразовании играет биологический фактор.

Под влиянием живых организмов в почве по сравнению с земной корой количество углерода увеличилось в 20 раз, а азота - в 10 раз. Это свидетельствует о том, что растения способствуют накоплению биологически важных элементов в почве. Почвообразование в естественных условиях протекает довольно медленно. С помощью удобрений и правильной агротехники интенсивность почвенных процессов можно значительно ускорить. Например, при применении удобрений усиливается жизнедеятельность не только растений, но и почвенной микрофлоры, что резко ускоряет процессы накопления органических веществ и биологически важных элементов, т.е. повышается плодородие почвы.


Рис. 3.1. Группы соединений тетраэдров SiO4

В преобладающей части почв минеральную основу ее твердой фазы составляют кремнекислородные соединения. Самый распространенный минерал в почве - кварц (окись кремния). Алюминий и железо большей частью входят в состав алюмосиликатных и ферро- силикатных минералов. Атомы кремния в соединении с кислородом образуют прочносвязанные группы SiO4, в которых кремний окружен в тетраэдрической координации четырьмя атомами кислорода. Так как кремний четырехвалентен, а кислород двухвалентен, то тетраэдр SiO4 имеет ненасыщенные валентности кислорода, его можно рассматривать как четырехзарядный анион. Весьма существенна способность тетраэдров SiO4 соединяться между собой с образованием групп из определенного числа атомов кремния и кислорода (рис. 3.1).

В структуре минералов тонкодисперсных фракций почв кремнекислородные тетраэдры соединены в слои, цепочки или изолированные группы тетраэдров SiO4, представляющие собой сложные анионные комплексы, так как у атома кислорода, не участвующего в соединении между собой двух SiO4-тетраэдров, остается свободная валентность или один отрицательный заряд. В сложных сочетаниях из кремнекислородных тетраэдров часть атомов кремния может быть замещена атомами алюминия, что повышает ненасыщенность анионного радикала.

В кристаллической решетке кварца тетраэдр SiO4 соединен через общие атомы кислорода с четырьмя другими тетраэдрами SiO4 по схеме

Общая формула такого соединения \(\small \ce{(SiO2 * n)}\). У полевых шпатов часть атомов кремния в подобной структуре замещается на алюминий, вследствие чего у такого кремнеалюмокислородного каркаса возникает отрицательный заряд, который компенсируется соответствующим количеством катионов натрия, кальция и других, располагающихся внутри каркаса, в «полостях» решетки. Например, полевой шпат альбит, имеющий общую формулу Na[SiAlO8], построен из связанных между собой кремнекислородных и алюмокислородных тетраэдров, причем на каждые три атома кремния приходится один атом алюминия и один ион натрия, нейтрализующий отрицательный заряд каркаса.

Алюминий в тетраэдрической координации с ионами кислорода или гидроксила образует октаэдрические группы, в которых ион алюминия окружен шестью ионами кислорода или гидроксила. Общая формула такого соединения (слоя) \(\small \ce{[Al(OH)3*n]}\) соответствует составу минерала гиббсита (гидраргиллита), встречающегося в почве. Структуру подобных минералов можно записать следующим образом: $$\ce{{...}[(OH)3Al2(OH)3]*n{...}[(OH)3Al2(OH)3]*n{...}[(OH)3Al2(OH)3]*n}$$

Формула показывает химический состав слоя (пакета), а точки - межпакетные промежутки.

В почвах встречаются первичные и вторичные минералы. К первичным относятся минералы, перешедшие из земной коры в почву в неизмененном или почти неизмененном виде. К ним можно отнести минералы почвенного скелета: кварц и его разновидности, полевые шпаты, в том числе плагиоклазы, слюды, роговые обманки, авгит, турмалин, магнетит, кальцит, доломит и др. Первичные минералы входят в состав материнских почвообразующих пород, возникших в результате выветривания и разрушения горных пород, из которых слагается оболочка земной коры. В почвах эти минералы присутствуют в основном в виде частиц песчаной размерности (от 0,05 до 1,0 мм) и пылеватых частиц (от 0,001 до 0,05 мм). В незначительном количестве некоторые из них присутствуют в виде илистых (<0,001 мм) и коллоидных (<0,25 мкм) частиц.

Из первичных минералов под влиянием химических и физико-химических процессов (гидратации, гидролиза, окисления) и жизнедеятельности различных организмов в почве образуются гидраты полуторных окислов и кремнеземы, различные соли, а также вторичные минералы (минералы глин) - каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др. Они находятся в основном в виде илистых и коллоидных частиц и редко в виде пылеватых частиц, т.е. отличаются высокой дисперсностью.

В основе кристаллической решетки алюмосиликатных минералов мелкодисперсной фракции почв лежат сочетания из кремнекислородных тетраэдрических и алюмогидроксильных октаэдрических слоев.

У каолинита кристаллическая решетка образована пакетами из двух слоев, связанных между собой общими атомами кислорода: тетраэдрического кремнекислородного и октаэдрического алюмогидроксильного по типу $$\ce{{...}[O3Si2O2OHAl2(OH)3]*n{...}[O3Si2O2OHAl2(OH)3]*n}$$

У монтмориллонита, гидрослюд пакет кристаллической решетки образован одним алюмогидроксильным слоем и двумя присоединенными к нему кремнекислородными по типу $$\ce{{...}[O3Si2O2OHAl2OHO2Si2O3]*n{...}[O3Si2O2OHAl2OHO2Si2O3]*n}$$

У минералов каолинитовой группы связь между пакетами прочнее, межпакетные пространства небольшие. Взаимодействие микрокристаллических частиц с раствором в этом случае происходит только на внешней поверхности.

У минералов монтмориллонитовой группы межпакетные пространства больше, связь между пакетами непрочная, при увлажнении вода входит в межпакетные пространства. Поэтому в обмене на катионы почвенного раствора принимают участие катионы, расположенные как на поверхности частиц, так и находящиеся в межпакетных промежутках. Этим объясняется более высокая обменная поглотительная способность минералов монтмориллонитовой группы, а также наличие у них необменного поглощения катионов.

Почвенные глинистые минералы разделяются на четыре группы: монтмориллонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и др.), каолинитовые (каолинит и галлуазит), гидрослюды и минералы полуторных окислов (гематит, бемит, гидраргиллит, гётит и др.). Из вторичных минералов наивысшей поглотительной способностью обладают монтмориллонитовые, наименьшей - каолинит. Например, емкость поглощения каолинита в 8-15 раз меньше емкости поглощения монтмориллонита. Эта особенность минералов имеет существенное значение в поглощении удобрений и ее следует учитывать при их применении. Вторичные алюмосиликатные минералы в почве находятся в виде кристаллов, имеют высокую дисперсность, обладают большой поглотительной способностью.

В состав минеральной части почвы входят и аморфные вещества. Это гидраты окислов алюминия \(\small \ce{Al2O3*nH2O}\) и железа \(\small \ce{Fe2O3*nH2O}\), а также гидраты кремнезема \(\small \ce{SiO2*nH2O}\). Они могут кристаллизоваться. Минералы окислов и гидроксилов алюминия и железа встречаются в значительных количествах в красноземах и желтоземах.

По химическому составу минералы подразделяются на силикаты и алюмосиликаты. Из силикатов наиболее распространен кварц. Обычно в почвах его содержится более 60%, а в песчаных - выше 90%. Это химически инертный, стойкий и прочный минерал.

Алюмосиликаты представлены первичными и вторичными минералами. Из первичных больше всего полевых шпатов: калиевых (ортоклаз KAlSi308) и натриево-кальциевых (плагиоклазы). Слюд в почве меньше по сравнению с полевыми шпатами. Они содержат калий. Мусковит содержит много алюминия, а биотит - это железисто-магнезиальная слюда. Полевые шпаты и слюды постепенно разрушаются, освобождая калий, кальций, магний, железо и другие питательные элементы для растений.

Вторичные алюмосиликаты по химической природе относятся к гидроалюмосиликатам и подразделяются на три группы:

  • Монтмориллониты (монтмориллонит - \(\small \ce{Al2Si2O10(OH)2*nH2O}\), бейделлит - \(\small \ce{Al3Si3O9(OH)3*nH2O}\) и др.). Эта группа глин характеризуется высокой дисперсностью, набухаемостью, липкостью и вязкостью.

  • Каолиниты (каолинит - \(\small \ce{Al2Si2O5(OH)4}\) и галлуазит \(\small \ce{Al2Si2O5(OH)4*2H2O}\). Эта группа глин менее дисперсна, обладает небольшой набухаемостью и липкостью. В дерново-подзолистых почвах и черноземах, сформированных на покровных суглинках, в составе высокодисперсных минералов преобладают монтмориллонит и гидрослюды. В красноземах, желтоземах и дерново-подзолистых почвах, образовавшихся на продуктах древнего гумидного выветривания гранита, в значительных количествах содержатся минералы каолинитовой группы.

  • Гидрослюды (гидромусковит, гидробиотит, вермикулит) образуются из слюд, имеют непостоянный химический состав, по физическим свойствам занимают среднее положение между монтмориллонитом и каолинитом. Слюды определяют агрохимические и физические свойства почвы. Они являются источником калийного питания растений. Энергия поглощения калия коллоидами велика, вследствие чего в поглощающем комплексе многих почв его содержится 0,5-10 ммоль/100 г почвы. В некоторых почвах имеется недостаток калия, например в красноземах, латеритах, что объясняется малым содержанием в них слюд и гидрослюд и богатством почв минералами каолинитовой группы, которая почти не содержит калия.

Вторичные минералы имеют кристаллическую природу. К представителям слабо окристаллизованных минералов и прочих веществ, играющих важную роль в поглотительной способности почв, относятся аллофан, свободная кремнекислота, аморфные полуторные окислы (т. е. окислы железа и алюминия), различные кислоты и их соли (карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия и натрия).

В почве кроме макроэлементов содержится некоторое количество микроэлементов: одних (йод, бор) больше, чем в литосфере, других (медь, кобальт) меньше, а некоторых примерно столько же (табл. 3.1). Основным источником микроэлементов в почве служат почвообразующие горные породы. Например, почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания кислых пород (граниты, липариты, граниты-порфиры и др.), бедны никелем, кобальтом, медью, а почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания основных пород (базальтах, габбро и др.), наоборот, обогащены этими элементами. Некоторые микроэлементы (I, В, F, Se, As) могут поступать в почву с газами из атмосферы, от вулканических извержений и с метеоритными осадками, причем для таких микроэлементов, как йод, фтор, эти источники являются основными.

Таблица 3.1. Содержание микроэлементов в почве (А) и литосфере (Б), масс. %
ЭлементАВЭлементАВ
Мn8,5 ⋅10-29 ⋅10-2Cu2 ⋅10-31 ⋅10-2
F2 ⋅10-22,7 ⋅10-2Zn5 ⋅10-35 ⋅10-3
Wa1 ⋅10-21,5 ⋅10-2Co8 ⋅10-43 ⋅10-3
B1 ⋅10-33 ⋅10-4Mo3 ⋅10-43 ⋅10-4
Ni4 ⋅10-38 ⋅10-3I5 ⋅10-43 ⋅10-5

Разные по гранулометрическому составу фракции минеральной части почвы резко различаются по содержанию различных минералов. В песке и крупной пыли преобладают кварц и полевые шпаты. А мелкодисперсные (<0,001 мм) илистая и коллоидная фракции состоят главным образом из вторичных алюмосиликатных минералов. В связи с этим различные механические фракции почвы существенно различаются по химическому составу.

В песчаных и пылеватых почвах кремния больше. С уменьшением размера частиц его содержание снижается, а количество алюминия, железа, калия, магния и фосфора возрастает (табл. 3.2). Высокодисперсная часть почвы содержит и гумус-показатель ее потенциального плодородия. Поэтому илистая и коллоидная фракции представляют наибольшую ценность для питания растений. Эти фракции обусловливают и поглотительную способность почвы. В них наиболее активно протекают процессы физической и физико-химической адсорбции.

Таблица 3.2. Примерный химический состав разных механических фракций почвы, масс. %
Фракции, ммSiAlFeСаMgКР
1,0-0,243,40,80,80,30,30,70,02
0,2-0,0443,81,10,80,40,11,20,04
0,04-0,0141,62,71,00,60,21,90,09
0,01-0,00234,67,03,61,10,23,5-
< 0,00224,811,69,21,10,64,10,18

Почвы разного гранулометрического состава существенно различаются по физическим, физико-химическим и химическим свойствам. Неодинаков у них и минералогический состав.

Песчаные и супесчаные почвы состоят из кварца и полевых шпатов, суглинистые - из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые - преимущественно из вторичных глинистых минералов с примесью кварца.

Содержание основных зольных питательных веществ - кальция, калия, магния, железа и др. - также определяется степенью дисперсности почв, так как они содержатся в минеральной части почвы, фосфор и сера находятся как в минеральной, так и в органической части, а количество азота определяется уровнем гумусированности почв. Следовательно, почвы разного гранулометрического состава существенно различаются и по содержанию в них питательных элементов. Более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче элементами питания, чем песчаные и супесчаные.

Поделиться:

Дополнительные материалы по теме: