Свойства почв определяемые минералогическим составом.

Необходимость изучения минералов и минералогического состава почв в первую очередь обусловлена тем, что они являются источниками зольных элементов питания растений, т.е. определяют пищевой режим почв и их производительность.

Экспериментальными исследованиями показано, что минералогический состав почв определенным образом влияет на ее плодородие, а именно чем разнообразнее минералогический состав, тем выше потенциальное плодородие почв (табл. 11).

Таблица 11. Минералогический состав почв и уровень их плодородия, (Блэк, 1973)

Минералы	Содержание минералов в мелкопесчаной фракции почв, %
	8	1	-
Авгит	12	1	-
Плагиоклаз	19	9	4
Оливин	2	1	1
Гематит	8	2	1
Кварц	50	80	94
Уровень плодородия	высокий	средний	низкий

Н е менее важное значение имеет исследование минералогического состава почвообразующих пород как фактора интенсивности формирования почвенного тела, определяющего выраженность стадий почвообразования – «почва память» «почва момент». Это обусловлено тем, что в зоне гипергенеза минералы различаются по устойчивости к выветриванию (табл. 12). Хорошо выражена обратная связь между температурой кристаллизации первичных минералов и степенью их устойчивости – чем выше температура, тем менее устойчивы минералы.

Таблица 12. Устойчивость первичных минералов к выветриванию

Степень устойчивости	Минералы
Очень неустойчивые	Оливин, апатит, анортит
Неустойчивые	Авгит, роговая обманка
Средне устойчивые	Биотит, андезит, гранит
Устойчивые	Ортоклаз, альбит
Очень устойчивые	Кварц, мусковит, магнетит

Вторичные минералы по степени возрастания устойчивости располагаются в следующий ряд:

1. Гипс, галит, мирабилит

2. Кальцит, доломит

3. Хлорит, нонтронит

4. Иллит, мусковит

5. Вермикулит

6. Монтмориллонит, бейделит

7. Аллофаны, каолинит, галлуазит

8. Беллит, гиббсит

9. Гематит, гетит, лимонит

Различие устойчивости минералов в зоне гипергенеза можно использовать при хронологических исследованиях почвообразующих пород, почв и почвенного покрова, используя правило чем «старше» объект, тем выше содержание устойчивых минералов.

Общая оценка устойчивости минералов в зоне гипергенеза не отражает индивидуальные особенности трансформации их при почвообразовании, где имеет место приоритетность внутрипочвенных факторов выветривания. При исследовании внутрипочвенного выветривания особое внимание уделяется процессам взаимодействия минеральной части почв, с мобильной фракцией специфической группы органического вещества почв – фульвокислотами.

Эксперименты по растворяющему эффекту фульвокислот в отношении наиболее распространенных почвенных минералов (табл. 13), выявили хорошо выраженную индивидуальность минералов по устойчивости даже в пределах одной группы, выделенной в схеме кристаллохимической классификации.

Таблица 13. Растворимость элементов из минералов в растворе фульвокислот (мг/л) (Пономарева, 1964).

Минералы	Элементы
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	
Нефелин	144	146	3	19	1	14	63	420
Роговая обманка	8	36	30	94	37	1	1	234
Оливин	51	36	43	23	56	1	3	231
Биотит	61	39	35	16	6	4	14	191
Мусковит	68	55	8	10	1	10	9	166
Микроклин	10	58	11	19	1	2	4	105
Монтмориллонит	382	104	11	39	32	8	70	676
Каолинит	25	48	3	29	1	2	4	103

Согласно опыта наименьшее количество элементов фульвокислоты мобилизуют из каолина, микроклина, мусковита, а наибольшее из нефелина и монтмориллонита. Потенциальная возможность минералов поставлять в раствор элементы связана с их кристаллической структурой, и химическим составом и экстрагирующей «силой» раствора.

Специальными исследованиями показано, что в слабощелочных условиях минералы более устойчивы к растворению в сравнении с растворением их кислой среде. Экстрагирующая способность кислых растворов примерно в 3-5 раз больше щелочных (табл. 11). В почвообразовательном процессе эта особенность находит отражение в большей выраженности подзолообразования, когда растительный опад и отпад имеют низкую зольность, а почвообразующие породы являются кислыми. Сопоставление концентраций элементов в минералах с их концентрацией в экстрагирующем растворе (табл. 14, 15, 16) показывает, что имеет место положительная связь между ними, но в большей степени она характерна для К, Nа, Mg. Эта связь дает возможность прогноза химического состава почвенного раствора на основании минералогического состава твердой фазы почв.

Таблица 14. Элементный состав первичных алюмосиликатов (Нарокова, 1990)

Минералы	Si	Fe		Al	Ca	Mg	Na	K	Ti	Mn		P	
	моль/кг
Биотит	6,21		2,37	4,1	0,20	2,97	0,16	1,81	0,18	0,03	0,03		18,09
Флогопит	7,15		0,93	3,26	0,19	5,77	0,20	1,82	0,11	0,01	0,01		19,44
Хлорит	5,39		1,52	5,06	0,19	7,26	0,05	0,05	0,07	0,01	0,02		19,63
Роговая обманка	6,38		2,52	3,25	1,89	2,91	0,60	0,08	0,17	0,01	следы		17,81
Плагиоклаз	10,72		0,05	4,50	0,77	0,03	2,59	0,12	0,08	0,00	»		18,87

Таблица 15. Растворимость минералов в различных условиях среды (n  10^-3, моль/кг) (Нарокова, 1996)

Минерал	Условия среды	рН фильтрата от-до	Si	Fe	Al	Ca	Mg	Na	K	 элементов
Биотит	Щелочные	8,2-7,3	53,6	0,8	9,2	2,7	10,0	24,2	41,8	142,3
Флогопит		8,4-7,2	56,8	-	4,0	3,8	7,3	31,5	57,6	160,9
Хлорит		8,2-7,4	52,2	-	4,2	8,1	15,0	27,6	3,1	110,3
Роговая обманка		8,4-7,6	38,1	-	4,8	7,5	21,4	23,5	2,3	97,5
Плагиоклаз		8,1-7,5	47,7	-	4,1	6,2	9,0	30,0	2,6	99,6
Биотит	Кислые	5,1-3,6	196,4	141,6	179,4	2,3	248,9	14,8	96,1	879,5
Флогопит		5,6-3,7	171,0	39,8	140,1	4,8	344,4	24,1	111,1	878,1
Хлорит		5,1-3,4	101,1	27,7	159,5	30,1	205,7	14,0	5,9	543,8
Роговая обманка		4,8-6,1	61,8	11,8	90,6	19,3	67,6	14,4	4,0	269,5
Плагиоклаз		5,2-3,4	77,9	24,2	112,4	42,2	56,5	28,9	5,4	323,6

Таблица 16. Экстрагирование Са⁺⁺ и Mg⁺⁺ (водой) из минералов (за 871 сутки) (Горбунов,1978)

Минералы	Валовое содержание, мг.экв./ 100 г почвы		Экстрагирование, мг.экв./ 100 г почвы
	Са++	Mg++	Са	Mg
Апатит	218	156	6,8	1,1
Биотит	35	688	1,9	2,8
Вермикулит	85	1494	2,0	4,5
Роговая обманка	365	550	2,9	0,6
Кальцит	286	30	8,0	0,1
Доломит	1590	1073	6,4	3,2
Магнетит	50	4753	1,5	9,5

Этапная трансформация минералов в результате почвообразования связана, в основном, со следующими процессами:

а) гидратация силикатов;

б ) окисление F⁺⁺ F⁺⁺⁺;

в) вынос щелочей и замена их на Н⁺ (гидролиз);

г) переход Al из октаэдров в тетраэдры;

д) вынос кремнезема;

Указанные процессы сопряжены с определенными кислотно-щелочными условиями, которые определяются как свойствами минерала, так и агентами их трансформации.

Исследования взаимодействия фульвокислот почвы с почвообразующими минералами показало, что в течении первого месяца взаимодействия происходит нейтрализация фульвокислот практически всеми минералами (рис. 10). Затем в течении месяца происходит изменение величины рН в обратном направлении и после этого в течении эксперимента имеет место постепенное увеличение рН. Наибольшим нейтрализирующим эффектом обладают: нефелин, роговая обманка, оливин; наименьшим – биотит, мусковит, микроклин.

Число месяцев от начала постановки опыта

Рис. 9. Динамика рН в системе фульвокислоты + минералы за 6 месяцев опыта (Пономарева, 1961)

1 - нефелин; 2 - роговая обманка; 3 - оливин; 4 - базальт;5 - биотит; 6 - мусковит; 7 - микроклин.

Д инамика рН при взаимодействии минералов с водой отлична от таковой (рис. 10) в системе «фульвокислоты минералы», она менее одназначна и более рефлекторна в отношении специфики минералов. Так, в системе «монтмориллонит вода» рН составляет 4 единицы, а в системе «нефелин вода» рН  2, т.е. эта система более стабильна.

Рис. 10. Динамика рН в системе «вода минералы

Примечание: n – месяцы наблюдений

Фундаментальное свойство почв – поглотительная способность - определяется, в основном, ее минералогическим составом, и особенно это касается обменной поглотительной способности. Поглотительная способность минералов зависит от степени дисперсности их и колеблется в широких пределах (табл. 17).

Таблица 17. Емкость обмена катионов у глинистых минералов

Минералы	Емкость обмена, мг.экв/ 100 г
Каолинит	3 – 15
Монтмориллонит	60 – 150
Иллит	20 – 40
Вермикулит	65 - 145

Минералогический состав почв определяет ее способность поглощать такой важный биофильный элемент как фосфор. Эмпирически установлен следующий ряд минералов по их фиксирующий способности в отношении фосфора: диопсид > роговая обманка > мусковит > альбит > галлуазит > монтмориллонит > каолинит.

Изучение минералогического состава почв показало, и это можно считать специфической закономерностью, сопряжение механического и минералогического составов, другими словами для каждой фракции механического состава характерен определенный минералогический состав и как правило более тонкие фракции представлены вторичными минералами (табл. 18).

Таблица 18. Механический состав различных механических фракций почв в % (Блэк, 1973)

Минералы	Размер фракций, мк
	2-5	0,2-2	0,08-0,2	<0,08
Альбит	10	5	0	0
Кварц	50	20	5	0
Иллит	10	10	5	0
Монтмориллонит	5	5	50	75
Каолинит	15	40	10	0

На основании вышеизложенного становится очевидным, что минералогический состав почв и почвообразующих пород, являясь их главной субстантивной основой, определяет качество специфичность их развития и качество функционирования, что в конечном итоге можно использовать для характеристики почвы, как природного объекта, так и предмета и средства производства.

Теоретической посылкой такого заключения является наличие сопряженности между типом минералогического состава почв и типом почвообразования (табл. 19).

Таблица 19. Глинные и сопутствующие им высокодисперсные минералы (во фракции <0,001 мм)главнейших типов почв (Горбунову, 1963)

Почвы и породы

Преобладающие или характерные для данной почвы минералы

Сопутствующие минералы

1	2	3
Дерново-подзолистые на моренных и покровных суглинках	Гидрослюды, вермикулиты, минералы монтмориллонитовой группы в различных соотношениях; несиликатные аморфные полуторные окислы. Гидрослюды часто преобладают. Распределение вторичных минералов неравномерное: подзолистый горизонт часто обеднен, а иллювиальный обогащен высокодисперсными окислами. Минералы крупных фракций частично разрушены.	Иногда присутствует небольшая примесь каолинита, кварца, редко гетита, гиббсита
Дерново-подзолистые на массивнокристаллических или хорошо дренируемых осадочных породах	Гидрослюды, вермикулит, каолинит, минералы монтмориллонитовой группы. Распределение вторичных минералов по профилю неравномерное	Аморфные вещества и кварц
Серые лесные на покровных суглинках	Минералы группы монтмориллонита, вермикулит, гидрослюды, иногда небольшая примесь каолинита и хлорита. Распределение вторичных минералов по профилю неравномерное	Аморфные вещества и кварц
Черноземы на покровных и лессовидных суглинках	Минералы монтмориллонитовой группы и гидрослюды в разных сочетаниях; первые преобладают над вторыми. Распределение вторичных минералов по профилю довольно равномерное.	Аморфные вещества и кварц, иногда гетит, гиббсит
Черноземы на элювии массивнокристаллических пород	Каолинит, гидрослюды, минералы монтмориллонитовой группы, иногда небольшая примесь гетита, гиббсита. Распределение вторичных минералов по профилю иногда неравномерное.	-
Солонцы степной и полупустынной зоны на суглинках и глинах	Гидрослюды, минералы монтмориллонитовой группы, иногда небольшая примесь каолинита. Распределение вторичных минералов по профилю неравномерное. В верхнем слое часто гидрослюды преобладают над монтмориллонитом; в солонцовои горизонте соотношение обратное	Аморфные вещества и полуторные окислы вместе с вторичными и первичными минералами образуют конкреции; кварц, иногда гетит, гиббсит
Сероземы на лессовидных суглинках и лессах	Минералы гидрослюдистой и монтмориллонитовой группы в разных соотношениях; часто первые в верхней части профиля преобладают; вермикулит, хлориты	Аморфные вещества, кварц, иногда гетит, гиббсит
Красноземы на элювии андезитобазальтов и других основных и средних пород	Минералы каолинитовой группы (каолинит, галлуазит), много гетита, гиббсита. Первичные минералы сильно разрушены или отсутствуют	Аморфные вещества, полуторные окислы
Красноземы на элювии гранитов и других кислых пород	Минералы каолинитовой группы, гидрослюды, примесь гетита, гиббсита; часть первичных минералов разрушена	Аморфные вещества, небольшая примесь минералов монтмориллонитовой группы, кварц

Тип же почвообразования, отражает условия своего формирования, обладает свойственными только ему уровнем потенциального плодородия, что в настоящее время является однозначно доказанием. Следовательно, минералогический состав почв можно использовать как признак, на основе которого дается характеристика при проведении бонитировочных работ.

Практическое исследование минералогического состава почв, требует определенных знаний, касающихся морфологии и физико- механических свойств отдельных почвообразующих минералов и это достигается изучением коллекционного набора минералов.