1.2. Энергетика почвообразования

Основной источник энергии в почве – это солнечная радиация. Энергетический баланс, по В.Р. Волобуеву, слагается из следующих величин:

1) энергетические затраты на физическое выветривание;

2) энергия разложения минералов в процессе химического выветривания (2–62 Дж/см² в год);

3) энергия на ежегодную продукцию биомассы (103–8200 Дж/см²);

4) суммарное испарение (12300 Дж/см² – в тундре, 246000 Дж/см² – во влажных тропиках);

5) механическая миграция мелкозема и солей;

6) теплообмен с атмосферой.

Вопросы для самоподготовки

1. К какой категории процессов относится почвообразование?

2. На какой стадии почвообразования формируется резервный фонд?

3. Что называется обменным фондом?

4. Перечислите основные стадии почвообразовательного процесса. Каковы их особенности?

5. Какую роль выполняет биота в почвообразовательном процессе?

6. Что является результатом трансформации соединений калия и кальция при почвообразовании?

7. Какие исходные вещества в ходе почвообразовательного процесса превращаются в гумусовые соединения?

8. Какие основные компоненты входят в уравнение энергетического баланса почвообразовательного процесса?

Глава 2. Состав, свойства и режимы почв

2.1. Минералогический и механический состав почв и почвообразующих пород

Почва – многофазная полидисперсная система, состоящая из четырех фаз: твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и живой (почвенные организмы). Эти фазы находятся в тесном взаимодействии.

Твердая фаза почвы. В состав почвообразующих пород и почв входят первичные и вторичные минералы.

Из первичных минералов сложены магматические породы, а в рыхлых породах и почвах они являются остаточным материалом выветривания исходных пород.

Вторичные минералы возникли из первичных под воздействием климатических и биологических факторов.

Первичные минералы представлены преимущественно частицами размером больше 0,001 мм, вторичные – меньше 0,001 мм. В большинстве почв первичные минералы преобладают по массе над вторичными, за исключением феррилитных почв, в которых первичных минералов меньше, чем вторичных.

Первичные минералы. Наиболее распространенными первичными минералами в породах и почвах являются кварц, полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды. Они составляют основную массу магматических пород. Средний минералогический состав магматических пород в % следующий (по Ф.У. Кларку):

Полевые шпаты………………………………………	59,5
Кварц………………………………………………….	12,0
Амфиболы (роговые обманки) и пироксены………..	16,8
Слюды…………………………………………………	3,8
Прочие ………………………………………………..	7,9

Первичные минералы обладают различной устойчивостью к выветриванию. Наиболее устойчивым является кварц, второе место по механической прочности занимают полевые шпаты. Амфиболы, пироксены и многие слюды легко поддаются выветриванию.

Устойчивость к выветриванию определяется природой минералов, их различием по химическому составу и кристаллической структуре. Рассматриваемые минералы, как и большинство минеральных химических соединений, обладают структурами ионного типа, образованными противоположно заряженными ионами. Ионы в кристаллах минералов расположены в виде геометрически правильной пространственной решетки, называемой кристаллической. Благодаря такому строению кристаллы минералов имеют форму геометрически правильных многогранников. Для каждого минерала характерны своя кристаллическая решетка и определенная форма кристаллов в зависимости от координационного числа. Координационное число характеризуется числом ионов противоположного знака, окружающих данный ион, и определяет характер элементарной ячейки кристалла минерала.

Главным элементом структуры широко распространенных в почве кислородных соединений кремния является кремнекислородный тетраэдр (SiO)^{4 -}, в вершинах которого располагаются четыре иона кислорода, а в центре – ион кремния. Кремнекислородный тетраэдр обладает четырьмя свободными валентными связями, которые могут быть компенсированы присоединением катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами. Тетраэдры, соединяясь через кислородные ионы, образуют различные сочетания или типы структур: островные, цепные, листоватые (слоистые), каркасные. Каркасная структура распространена в полевых шпатах, кварце, цепная – в пироксенах, листоватая – в слюдах, глинистых минералах, ленточная – в амфиболах, островная – в оливине. Значение первичных минералов разносторонне: от их количества (особенно крупнозернистых фракций) зависят агрофизические свойства почв, они являются резервным источником зольных элементовпитания растений, а также образования вторичных минералов.

Вторичные минералы. В почвах и породах состав наиболее распространенных вторичных минералов, как и первичных, невелик. Среди вторичных минералов различают минералы простых солей, минералы гидрооксидов и оксидов, глинистые минералы.

Минералы простых солей образуются при выветривании первичных минералов, а также в результате почвообразовательного процесса. К таким солям относятся: кальцит (CaCO₃), магнезит (MgCO₃), доломит ([Ca,Mg](CO₃)₂), сода (NaCO₃·10H₂O), гипс (CaSO₄ 2H₂O), мерабилит

(Nа₂SO₄ 10H₂O), галит (NaCl), фосфаты, нитраты и др. Эти минералы способны накапливаться в почвах в больших количествах в условиях сухого климата. Их качественный и количественный состав определяют степень и характер засоления почв.

Минералы гидроксидов и оксидов – это гидроксиды кремния, алюминия, железа, марганца, образующиеся в аморфной форме, при выветривании первичных минералов, в виде гидратированных высокомолекулярных гелей и постепенно подвергающиеся дегидратации и кристаллизации с образованием оксидов и гидроксидов кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют высокая температура, замерзание, высушивание, окислительные условия почвы. Степень окристаллизованности минералов обусловливает их растворимость: чем больше окристаллизованность, тем меньше их растворимость. На растворимость гидратов полутораоксидов большое влияние оказывает реакция среды. При рН<5 в ионную форму переходит алюминий, а при рН<3 – трехвалентное железо.

К высокодисперсным аморфным соединениям относятся также гумусовые вещества, вулканические туфы и др. От содержания и природы аморфных веществ зависят многие свойства почв. Гумусовым веществам и полутораоксидам принадлежит особая роль в структурообразовании. Аморфные полутораоксиды благодаря своей огромной поверхности поглощают много фосфора, делают его малодоступным для растений.

Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами с общей химической формулой nSiO₂Al₂O₃·mH₂O и характерным молярным отношением SiO₂:Al₂O₃, изменяющимся от 2 до 5. К наиболее распространенным глинистым минералам относятся минералы группы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешанослойных минералов.

Глинистые минералы образуются в результате синтеза из простых продуктов выветривания первичных минералов (гидроксиды, соли) путем постепенного изменения первичных минералов в процессе выветривания и почвообразования. Кроме того, они могут образовываться биогенным путем из продуктов минерализации растительных остатков. Глинистым минералам присущи общие свойства: слоистое кристаллическое строение, высокая дисперсность, наличие химически связанной воды. Каждая группа минералов имеет специфические свойства и значение в плодородии.