1.3. Соединения щелочных и щелочно-земельных элементов в почвах

Содержание в почвах элементов I и II групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева варьирует в очень широких пределах, а формы их соединений разнообразны. В наибольших количествах в почвах и породах присутствуют макроэлементы Na, К, Mg и Са; их содержание достигает целых процентов (массовых) или 0,3–0,9 М/кг. Остальные элементы по количественному содержанию должны быть отнесены к микро- и ультрамикроэлементам. К щелочным металлам относят только элементы подгруппы Li – Cs, оксиды которых при взаимодействии с водой образуют щелочи.

В соответствии с содержанием реальную конституционную роль из щелочных металлов играют только калий и натрий, они участвуют

в построении многих соединений, формирующих почвенную массу. В почвах и породах калий и натрий входят в состав нескольких групп соединений. Преобладающая часть сосредоточена в кислых и основных полевых шпатах и слюдах, важными формами соединений являются обменные катионы К⁺ и Na⁺, входящие в почвенный поглощающий комплекс и растворимые соли. В почвах засоленного ряда К⁺ и Na⁺ водорастворимых солей могут доминировать.

Соотношение разных форм соединений калия и натрия хорошо иллюстрирует схема распределения элементов по различным видам резервов, предложенная Н.И. Горбуновым. Валовое содержание элемента Н.И. Горбунов называет общим резервом, который включает непосредственный, ближний и потенциальный резервы. Количество элемента, извлекаемое из почвы принятыми в агрохимии вытяжками, называют непосредственным резервом. В него входят катионы растворимых солей и обменные катионы. Содержание элементов в илистой фракции почв составляет его ближний резерв. Это преимущественно катионы межслоевых позиций минералов с разбухающей или стабильной решеткой. Элементы потенциального резерва представлены преимущественно кислыми плагиоклазами и калиевыми полевыми шпатами, которые входят во фракции механических элементов более 0,001 мм.

Общее содержание (или общий резерв) зависит от механического и минералогического состава почв. В легких почвах все виды резервов ниже, особенно если фракция более 0,001 мм обогащена кварцем. В почвах, развитых на каолинитовых глинах, резервы ниже, чем в почвах, обогащенных смектитовыми минералами.

Ближний резерв в значительной мере зависит от емкости катионного обмена. Доля непосредственных резервов калия и натрия максимальна в засоленных почвах. Калий входит в состав полевых шпатов и алюмосиликатов группы слюд, особенно в состав иллитов. Калиевые полевые шпаты, встречающиеся в почвах, представлены микроклином, ортоклазом, санидином, адуляром, общая формула которых K[AlSi₃О₈]. Санидин, как и анортоклаз, содержит и калий и натрий – (K, Na)∙[AlSi₃О₈]. Содержание калия в слюдах и полевых шпатах составляет 8–14 %, но может значительно варьировать в зависимости от наличия примесей или выветрелости минералов. Натрий входит в состав плагиоклазов, альбита Na[AlSi₃O₈], расчетное содержание Na в котором составляет 7,8 %, а также в состав других плагиоклазов, представленных изоморфными смесями альбита и анортита Ca[Al2Si208]. Натрий и калий образуют однотипные соединения, но геохимическое поведение их различно. Об этом свидетельствует уже то, что натрий содержится преимущественно в полевых шпатах и фельдшпатидах, а калий – в слюдах и слюдоподобных минералах. Эти различия обусловлены химическими особенностями элементов. При одинаковом заряде ионы К⁺ и Na⁺ существенно различаются по ионным радиусам и степени гидратации.

Эти особенности Na⁺ и К⁺ отражаются на их распределении по резервам и по гранулометрическим фракциям. Полевые шпаты и другие, как их иногда называют, первичные минералы тяготеют к крупным фракциям, тогда как слюдоподобные минералы – к тонкодисперсной части почв. В пылеватой фракции содержание К⁺ и Na⁺ нарастает, но затем содержание натрия резко уменьшается во фракции менее 0,001 мм, а количество калия непрерывно нарастает от среднего песка к илу. Это объясняется тем, что в илистой фракции преобладают слоистые силикаты с повышенным содержанием калия.

Специфика калия и натрия проявляется также в зональном распределении обменных К⁺ и Na⁺. Обменный Na⁺ присутствует в значительных количествах только в солонцах и засоленных почвах как следствие накопления натриевых солей в почвенном растворе. Обменный К⁺ распределен в различных почвах более равномерно в соответствии с содержанием слюдистых минералов и емкостью ка-тионного обмена. Это создает необходимые условия для питания калием растений. Обменный К⁺ считается доступным растениям. Почвы, богатые калием, содержат 0,3–0,5 мг-экв обменного К⁺ в 100 г. Сродство калия к слюдам удерживает его в составе почв и рыхлых горных пород более прочно, чем натрий. В результате этих особенностей почвы аккумулятивных ландшафтов накапливают преимущественно натриевые, а не калиевые соли. В почвенных растворах солончаков количество натрия обычно в десятки раз превышает содержание калия.

Соединения Са²⁺ и Mg²⁺ более разнообразны в почвах, чем соединения щелочных металлов, и кроме устойчивых силикатов они входят в состав карбонатов и сульфатов, накапливающихся не только в крайне аридных условиях, как это характерно для К⁺ и Na⁺, но и в лугово-степных почвах, и даже в некоторых почвах таежной зоны. Конституционное значение из элементов II группы имеют только кальций и магний; барий иногда накапливается в областях карбонатных аккумуляций. Устойчивых в условиях земной коры соединений щелочных

земель (подгруппа кальция) гораздо больше, чем соединений щелочных металлов. Они также входят в состав полевых шпатов, фельд- шпатидов и других силикатов (пироксены, амфиболы, оливины, гранаты). Магний присутствует в слюдоподобных минералах (тальк), слюдах, хлоритах. Силикаты относительно устойчивы в почвенных условиях и образуют основной минералогический скелет, на основе которого формируется твердая часть почвы.

Важную почвенно-химическую и геохимическую роль играют простые кальциевые и магниевые соли: карбонаты, сульфаты, фосфаты, хлориды и фториды. Растворимость хлоридов щелочей и щелочных земель высока. Хорошо растворимы сульфаты калия и натрия, а также карбонаты и бикарбонаты щелочных металлов. Поэтому эту группу называют легкорастворимыми или водорастворимыми солями.

К труднорастворимым солям щелочно-земельных катионов, встречающимся в почвах, относится CaSО₄, его растворимость в воде составляет 0,2 г/100 г воды, СаСОз, MgCО₃, CaHPО₄ и гидроксиды Са(ОН)₂ и Mg(OH)₂. Растворимость ряда соединений щелочных земель изменяется во времени.

Распределение соединений, содержащих щелочные и щелочно-земельные катионы в почвенном профиле и в зонально-генетическом ряду почв, обусловлено тремя причинами: 1) влиянием почвообразующей породы; 2) водным режимом; 3) растворимостью солей.

От почвообразующих пород почвы унаследовали силикаты и алюмосиликаты щелочей и щелочных земель. Содержание и состав этих соединений обусловлены составом породы, а их географическое распространение связано с геологической историей территории. Выветривание и трансформация силикатов и алюмосиликатов осуществляются медленно. Высокая интенсивность трансформации силикатов характерна для тропического почвообразования, например, в латеритах. Породы могут быть источниками не только силикатов, но также оксидов и простых солей.

Многие почвообразующие осадочные породы обогащены гипсом CaSО₄∙2Н₂О, кальцитом СаСОз и (или) легкорастворимыми солями. На начальных стадиях почвообразования это определяет преобладающие формы соединений Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ и К⁺ в почвах. В сформированных почвах содержание и профильное распределение этих элементов тесно связано с особенностями почвообразования и типом водного режима. В почвах, формирующихся в гумидном климате даже на известняках, происходит, как правило, быстрое разрушение карбоната кальция, и встречающиеся в профиле некоторых почв обломки известняков имеют обычно остаточный характер. Мелкоземистая масса вокруг таких обломков выщелочена от карбонатов и не вскипает при действии НС1. Профильное и зональное распределение простых солей щелочей и щелочных земель подчиняется типу водного режима. В дерново-подзолистых почвах в морфологически выраженной форме можно встретить только СаСОз. В гумидных регионах на участках выклинивания жестких грунтовых вод образуются вторичные аккумуляции СаСОз. Наиболее типичны такие аккумуляции для пойменных и долинных почв, где СаСОз нередко образует довольно мощные слои известкового туфа в луговых почвах или пропитывает на различных глубинах слои пойменных торфяников. Такого рода карбонатные торфяники после соответствующей подготовки могут эффективно использоваться для улучшения кислых дерново-подзолистых почв.

Аккумуляции карбонатов в таежно-лесной зоне следует рассматривать как интразональные (или азональные) явления; типичными для почв этой зоны являются только аккумуляции соединений полуторных оксидов, особенно железа, в иллювиальных горизонтах. При движении к югу первые типичные зональные аккумуляции солей встречаются в черноземных почвах. Это хорошо известный псевдомицелий типичных черноземов, сформированный преимущественно игольчатым кальцитом СаСО₃. Уменьшение коэффициента увлажнения и ослабление промывного режима создают условия для накопления в почвах простых солей. В первую очередь накапливаются наиболее труднорастворимые соли. Дальнейшее нарастание сухости климата в зонах каштановых и бурых почв влечет за собой постепенное приближение карбонатных скоплений к поверхности, увеличение их массы и концентрирование в виде белоглазки. Одновременно, но вначале в более глубоких горизонтах, появляются гипс CaSО₄∙2Н₂О или полугидрат CaSО₄∙1/2Н₂О, растворимость которых примерно в 30 раз выше растворимости СаСО₃. И в аридных формациях появляются условия для накопления легкорастворимых хлоридов и сульфатов Na⁺, К⁺ и Mg²⁺. Как в дерново-подзолистой зоне при выходе жестких грунтовых вод может накапливаться СаСО₃, так и в луговых почвах черноземной зоны встречается накопление соды и возможно формирование содово-засоленных почв.

Общие закономерности распределения и накопления солей в почвах установил В.А. Ковда. По мере нарастания аридности климата общая концентрация почвенных растворов увеличивается, а в их составе повышается доля легкорастворимых солей. Последовательность выпадения солей в осадки, переход их в твердую фазу определяют растворимостью соли. Растворимость обусловливает и распределение солей по вертикальному профилю почвы. Если процесс засоления осуществляется за счет близко расположенных соленых грунтовых вод, то в твердых фазах водоносного горизонта находятся преимущественно труднорастворимые соли СаСОз и частично гипс. Только при очень высокой минерализации в осадке могут быть другие соли. Восходящий ток влаги переносит соли к поверхности почвы, и последовательность их выпадения в осадок по мере испарения почвенного раствора определяется растворимостью. Вблизи уровня грунтовых вод возможно скопление полуторных оксидов, выше расположен максимум скопления СаСОз, еще выше концентрируются гипс и, наконец, у самой поверхности накапливаются хлориды, а также легкорастворимые сульфаты, т.е. наиболее токсичные для растений соли.

Если в первоначально засоленной толще преобладают нисходящие токи влаги, то соли располагаются в обратном порядке. В верхних горизонтах остаются наименее растворимые СаСОз и гипс, а легкорастворимые компоненты постепенно перемещаются в глубокие горизонты. Анализируя последовательность солей в почвенном профиле, можно сделать заключение о характере водного режима и определить тенденцию современного процесса: происходит прогрессирующее засоление почвы или, наоборот, почва подвержена процессу рассоления.

Идеальное распределение солей по их растворимости в реальной почве практически почти не встречается. Отклонения от общей теоретической схемы вызваны, во-первых, взаимным влиянием солей на их растворимость и, во-вторых, тем, что в почвах не устанавливается какой-либо один поток влаги. При выпотном и десуктивно-выпотном режимах расход воды непостоянен в различные сезоны года и фазы развития растений, а при выпадении осадков наблюдается частичное нисходящее движение растворов. В почвах промывного режима периоды нисходящего движения растворов чередуются с восходящими в зависимости от погодных условий. То же относится и к другим типам водного режима. Поэтому в реальных почвах солевой профиль формируется под влиянием чередующихся по направлению и меняющихся по интенсивности потоков влаги. Это приводит к разнообразным отклонениям от теоретической схемы распределения солей, и анализ солевых профилей требует полного учета режима влажности.

Щелочи и щелочные земли выполняют в почвах различные функции. Выше уже отмечалась их конституционная роль. Ионы Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ составляют главный фонд обменных катионов, причем Са²⁺ и К⁺ способствуют стабилизации почвенного поглощающего комплекса (ППК) и почвенной структуры, тогда как Mg²⁺ и особенно Na⁺ сравнительно легко диссоциируют из ППК и вызывают пептизацию илистой части почв. С натрием связывают развитие солонцового процесса, а его доля в составе обменных катионов используется как показатель степени солонцеватости почв; Са²⁺ и Na⁺ участвуют в регулировании реакции почв, а насыщенность почв кальцием способствует более интенсивной гумификации и закреплению гумусовых веществ в форме труднорастворимых кальциевых солей.

Наиболее важные почвенно-химические функции щелочных и щелочно-земельных металлов связаны с их участием в реакциях обмена катионов и формированием состава почвенных растворов.