книги из ГПНТБ / Горбунов, Н. И. Минералогия и коллоидная химия почв

Т а б л и ц а 55. Минералогический состав фракций < 1 —2 м к главнейших типов почв

184

комплексом методов: рентгенографическим, термографическим,

0,001 мм. Для многих объектов рентгенографические исследо­ вания проводились до и после насыщения этиленгликолем и глицерином ориентированных агрегатов, до и после нагревания.

Анализ приведенных ниже данных позволяет сделать не­ сколько выводов. Строгой приуроченности вторичных минералов к типам почв нет. Одни и те же минералы могут присутствовать в разных типах почв и, наоборот,— разные минералы в одном и том же типе почв. Такая закономерность объясняется главным образом двумя причинами: унаследованностью глинистых мине­ ралов от породы и генетической связью между минералами. Чтобы подчеркнуть значение породы, мы приводим данные, полученные для почв, развитых на разных породах.

В каждой почве современными методами можно обнаружить 3—7 высокодисперсных индивидуальных минералов или групп. Смешаннослоистые минеральные образования в почвах встре­ чаются часто, поэтому они нашли отражение в схеме, хотя нам кажется целесообразным указать минералы независимо от того, находятся ли они в сростках или самостоятельно.

Главные источники образования глинистых минералов одни и те же. Больше 75—85% первичных минералов представлено полевыми шпатами, слюдами, хлоритами, пироксенами, рого­ выми обманками и кварцем. Из глинистых минералов в почвах часто встречаются минералы монтмориллонитовой группы (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит), гидрослюдистой и каолинитовой (каолинит, галлуазит) групп. Иногда присут­ ствуют гетит, гиббсит, вермикулиты, хлориты, палыгорскит, цеолиты. Почти всегда присутствуют аморфные вещества: полу­ торные окислы, кремнезем.

Почвообразование частично изменяет минералогический состав, однако не следует ожидать, что в каждой почве обяза­ тельно будет присутствовать особая минералогическая ассо-

185

циация. Подобно тому как в разных типах почв можно встре­ тить одинаковые группы органических веществ или первичных минералов, присутствие сходных глинистых минералов вполне естественно, Различие состоит преимущественно в количестве

минералов в горизонтах профиля.

Сходство состава высокодисперсных минералов обусловли­ вается также их генетической связью между собой и с первич­ ными минералами. Под влиянием климата, породы, времени, рельефа, организмов, реакции, окислительно-восстановительных условий и т. п. первичные минералы превращаются во вторич­ ные, проходя через различные стадии; например, полевые шпаты, слюды— ишдрослюды— ^монтмориллонит, бейделлит каолинит, галлуазит-—»-гиббсит. Само собой разумеется, что в конкретных условиях от такой последовательности превращений могут быть значительные отклонения. Например, монтморил­ лонит может образоваться не только из полевых шпатов и слюд, но из вулканического стекла и аморфных веществ. Каолинит может образоваться из полевых шпатов и мусковита; верми­ кулит из биотита; одновременно с гиббситом может образо­ ваться гетит; из продуктов разрушения минералов с каркасной решеткой могут синтезироваться минералы со слоистой струк­ турой. Пока существуют первичные минералы, будут образовы­

ваться вторичные.

В почве одновременно протекают два противоположных про­ цесса: образование и разрушение минералов. В результате наложения различных процессов в почвах часто обнаружи­ ваются одновременно разные по положению в генетическом ряду минералы: гидрослюды, каолинит, монтмориллонит, беиделлит, вермикулит, хлорит, гетит, гиббсит. Иногда эти мине­ ралы находятся в смесях, а иногда в сложных сочетаниях в форме смешаннослоистых образований. Скорость разрушения

минералов зависит от многих причин. Сухой климат будет тор­ мозить выветривание и разрушение; кислая среда ускоряет раз­ рушение, а нейтральная замедляет; разрушение основных пород протекает быстрее, чем кислых; в илистой и более крупных фракциях могут преобладать одни минералы, в коллоидной

другие.

Наиболее распространенными являются монтмориллонитовая и гидрослюдистая группы минералов. Минералы каолинитовои группы (каолинит, галлуазит), хлорит, гетит и гиббсит встреча­ ются в почвах часто, но в меньшем количестве. Каолинитовые минералы преобладают в почвах, подвергшихся длительному интенсивному воздействию факторов выветривания и почво­ образования: в латеритах, красноземах, желтоземах. В дерновоподзолистых почвах, если последние сформированы на молодых породах, каолинит встречается в небольшом количестве. Если же эти почвы образовались на древних породах, то в них мине­ ралы каолинитовой группы часто преобладают. Повышенное

186

количество каолинита встречается в молодых почвах легкого механического состава, а также в подзолистом и надсолонцовом горизонтах, в сравнении с нижележащими.

Важной причиной накопления каолинита в почвах является промывной водный режим. В монтмориллоните и гидрослюдах отношение кремнезема к полуторным окислам равняется 4 :3 и больше. Они богаты основаниями. В каолините и галлуазите указанное соотношение равняется 2, и эти минералы почти не содержат оснований. Следовательно, для образования и накоп­ ления каолинита необходимо удаление кремнезема и оснований. Это и достигается промывным режимом почв. Чем больше раствора проходит через почвы, тем больше вероятность образо­ вания каолинита. Поэтому в древних и легких по механическому составу почвах каолинита встречается часто больше, чем в молодых и тяжелых почвах таежной зоны.

Большое значение для образования высокодисперсных мине­ ралов имеет порода. Так как базальты в равных условиях выветриваются быстрее, чем граниты, то на элювии первой породы каолинит встречается чаще и в большем количестве, чем второй. Как правило, увеличение содержания каолинита сопро­ вождается уменьшением количества первичных минералов, за исключением кварца. В латеритных почвах, сформированных на базальтах, каолинит обычно преобладает, а в тех же почвах на граните его меньше. Если каолинита мало, то много гидрослюд, а иногда монтмориллонита, хлорита.

Кислая реакция способствует разрушению минералов, но ее роль нельзя переоценивать, так же как нет оснований считать реакцию среды главным фактором минералообразования. До последнего времени считалось, что каолинит приурочен к почвам с кислой реакцией. Если принять это мнение, то следует

галлуазитом) всегда присутствует в большом количестве, но в дерново-подзолистых — в небольшом, за исключением тех слу­ чаев, когда последние развиты на древних или легких по меха­ ническому составу породах.

Правильное решение вопроса о том, в каких почвах пре­ обладает каолинит, имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Так как каолинит не содержит калия и других оснований, кроме небольшого количества обменных, то преобладание его в почве является признаком бедности почвы калием, а иногда кальцием и магнием. Преобладание гидро­ слюды, наоборот, указывает на обеспеченность почв калием. Однако этот вывод не следует толковать догматически. Дерновоподзолистые почвы часто нуждаются в калийных удобрениях, хотя в их илистых фракциях гидрослюды часто преобладают. Такое, на первый взгляд, противоречие объясняется тем, что,

187

кроме содержания калия, в илистой фракции надо учитывать общее его количество в корнеобитаемом слое, а также степень

дисперсности слюд и гидрослюд.

Кварц, встречающийся во фракции менее 0,001 мм, не явля­ ется глинистым минералом, но мы о нем упоминаем по той причине, что его количество служит мерилом интенсивности раз­ рушения крупнозернистого кварца под влиянием факторов почвообразования. Иногда, кроме первичного, встречается так­ же вторичный кварц. Пути образования вторичного кварца не изучены, поэтому нет уверенности в том, образовался ли он во время развития почвы или унаследован от породы. Другие пер­ вичные минералы (полевые шпаты, слюды) во фракции менее

0 001 мм обычно не встречаются или их мало.

Образование глинистых минералов из первичных протекает весьма медленно, поэтому, несмотря на длительное время вы­ ветривания, они, как правило, встречаются в небольшом коли­ честве. Современный почвообразовательный процесс вызывает образование и перемещение высокодисперсных минералов по профилю. Яркими проявлениями современного почвообразова­

перемещение высокодисперсных минералов в сравнении с низко­ дисперсными. Например, в солонцах, солодях, подзолистых, серых лесных почвах минералы монтмориллонитовой группы передвигаются быстрее, чем гидрослюды, каолинит, кварц. В верх­ них горизонтах осолоделых солонцов часто остаются только первичные минералы, а глинистые перемещаются вниз. Зт приводит не только к изменению относительного количества минералов в верхних горизонтах профиля, но и к изменению количества тонкой фракции, что ошибочно можно приписать либо разрушению, либо синтезу новых минералов на месте

Увеличение монтмориллонитовых минералов книзу обнару­ жено во многих почвах, где трудно допустить передвижение (черноземы), что, по-видимому, связано с образованием монт­

мориллонита на месте.

Для минералообразования огромное значение имеют орга­ низмы. Растения и микроорганизмы своими выделениями рас­ творяют первичные и вторичные минералы, вызывают их раз­ рушение или превращение. Захватывая из раствора минеральные вещества, организмы активно изменяют равновесие между жидкой и твердой фазами почв. От их жизнедеятельности зависят реакция среды, окислительно-восстановительные усло­ вия. Следовательно, физико-химические процессы находятся в тесном взаимодействии с биологическими. Непосредственное участие организмов в синтезе минералов едва ли возможно.

188

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ В СВЯЗИ С ИХ МИНЕРАЛОГИЕЙ И ПЛОДОРОДИЕМ

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНОЙ МИЦЕЛЛЫ

Так как глинистые и сопутствующие минералы имеют высо­ кую степень дисперсности, то их можно рассматривать как

коллоиды.

Для объяснения свойств почвенных коллоидов необходимо ознакомиться с их строением. Независимо от минералогического и химического состава в коллоидах следует различать следую­

щие составные части.

Коллоидная частица, вместе с находящимися на^ее поверх­ ности слоями ионов, называется коллоидной мицеллой (рис. 22). В водной среде мицеллы могут быть, хотя и не всегда, отделены друг от друга раствором, который называется межмицелляр­

ным.

Внутренняя часть мицеллы называется ядром. В химическом отношении ядро представляет собой сложное соединение раз­ ного состава и имеет аморфное или кристаллическое строение. У минеральных почвенных коллоидов ядро состоит главным образом из алюмо-магниевых и других силикатов, а иногда из кремнекислоты, окислов железа и алюминия. Минеральные коллоиды обычно устойчивы и разрушаются лишь в течение длительного времени. Органические коллоиды состоят главным образом из гуминовых кислот и фульвокислот, протеинов, клет­ чатки и других сложных веществ. Органические коллоиды менее устойчивы и могут разлагаться и снова создаваться из продук­

тов разложения растений и животных.

На поверхности ядра коллоидов расположены два слоя, состоящие из двух противоположно заряженных ионов. Внут­ ренние, т. е. находящиеся на ядре, ионы называются потенциалапределяющими, а внешние — компенсирующими. Границы, отделяющие потенциалопределяющие ионы от ядра и от компен­ сирующих ионов, показаны на рисунке жирными линиями

(см. рис. 22).

Потенциалопределяющие ионы почвенных коллоидов обычно

называются обменными или поглощенными катионами. Сумма этих катионов составляет емкость поглощения катионов почв.

190

Значительная часть поглощенных катионов расположена рядом с потенциалопределяющими ионами. Эта часть образует неподвижный слой ионов. Небольшая часть поглощенных кати­ онов, расположенных на некотором расстоянии от потенциалопределяющих ионов, образует так называемый диффузный слой. Внешняя окружность обозначает границу мицеллы и одно­ временно границу диффузного слоя (см. рис. 22).

Ядро мицеллы вместе с потенциалопределяющими ионами называется гранулой; гранула вместе с неподвижным слоем ком­ пенсирующих ионов называется частицей. Число отрицательных зарядов у частиц (без учета ионов в диффузном слое) превы­ шает число положительных. Следовательно, частица имеет отрицательный заряд.

Заряд коллоидов легко обнаружить следующим образом. Если коллоидный раствор поместить в согнутую трубку, в от­ крытые концы которой опустить две пластинки, соединенные с источником постоянного электрического тока, то через короткий промежуток времени можно заметить, как возле одной из пла­ стинок будут накапливаться коллоидные частицы, а возле дру­ гой раствор станет прозрачным. В том случае, когда коллоидные

Рис. 22. Схема строения коллоидной мицеллы

191

Частицы имеют отрицательный заряд, они будут Двигаться К положительному полюсу, и наоборот. Перемещение частиц в электрическом поле носит название электрофореза (рис. 23).

Имеется и другой способ обнаружения заряда коллоидов, называемый электроосмосом. Этот способ обычно применяют для определения заряда у коллоидов почв и глин. Принцип метода электроосмо'са состоит в том, что образец почвы остается неподвижным, а раствор (интермицеллярный раствор), имею­ щий противоположный заряд по отношению к частицам, передвигается к одному из полюсов постоянного электрического

Рис. 23. Приборы для определения заряда коллоидов электрофорезом (а) и электроосмосом (б)

I _раствор; 2 — почва; 3 — агар-агар с КС1; 4 — электрод; 5 — раствор соли

тока. Движение жидкости можно обнаружить по перемещению ее мениска в капилляре. Наиболее удобно определять заряд коллоидов с помощью прибора. Прибор состоит из пробирки, на дно которой помещается почва, уплотненная с помощью центри­ фуги. Перед уплотнением в почву наливается вода или почвен­ ный раствор, а затем пробирка закрывается резиновой пробкой, через которую проходит стеклянная трубка. Конец трубки дол­ жен доходить до дна пробирки. После уплотнения почвы через второе отверстие в пробке вставляется еще одна трубка, конец которой располагается над образцом почвы. Каждая трубка имеет два отростка: длинный отросток заполняется агар-агаром, сваренным с хлористым калием, чтобы обеспечить электропро­ водность; другой, короткий, отросток представляет собой капиллярную трубку. В этом конце можно наблюдать движение

192

мениска жидкости. Длинные отростки трубок опускаются вместе с электродами в стаканчики с раствором соли.

Когда прибор установлен, электроды соединяют с источни­ ком постоянного тока п наблюдают за движением жидкости в капиллярах. В одном капилляре жидкость будет передвигаться в одну сторону, в другом — в противоположную. Если жидкость движется к отрицательному полюсу, то она имеет положитель­ ный заряд, а почва — отрицательный. Чем больше заряд почвен­ ных коллоидов, тем быстрее будет двигаться жидкость. Вели­ чина заряда коллоидов пропорциональна электрокинетическому потенциалу и определяется разницей между числом зарядов у частицы и гранулы. Этот потенциал обозначается греческой буквой £ и называется дзета-потенциалом. Электрокинетический

состава и концентрации солей в почвенном растворе.

Число положительных и отрицательных зарядов в мицелле одинаково. Следовательно, мицелла является электрически нейт­ ральной, а заряд имеет только частица.

Диффузный слой ионов существует лишь во влажной почве. Если почва высыхает, то ионы диффузного слоя переходят в неподвижный слой. Количество ионов в диффузном слое и тол­ щина этого слоя зависят от многих причин, в частности от хими­ ческой природы молекул, находящихся на поверхности коллои­ дов, от диссоциации или распада их на иоиы, от реакции среды, влажности почвы, концентрации почвенного раствора и др.

Даже незначительное количество катионов в диффузном слое оказывает большое влияние на свойства почвы. Чем больше диффузный слой, тем выше заряд коллоидных частиц, и на­ оборот. Если заряд коллоидных частиц высокий, то они отталки­ ваются одна от другой, и такая почва расплывается в воде, становится вязкой и липкой. Структурная почва имеет коллоид­ ные частицы с небольшим зарядом, что благоприятно влияет на их агрофизические свойства: почва не заплывает, тонкие фрак­ ции почв не передвигаются по профилю, вода легко проникает по порам между структурными агрегатами.

На рис. 24 и 25 изображены схемы строения отрицательно заряженных коллоидов, а на рис. 26— положительно заряжен­ ного коллоида гидроокиси железа. Коллоидная мицелла кремне­ кислоты представлена в щелочном растворе, а в кислом рас­ творе она почти не имеет диффузного слоя катионов.

Рисунки построены аналогично разобранной выше схеме строения мицеллы, поэтому сделаем лишь небольшие пояснения к ним. Каждая схема разбита на три сектора. В одном секторе приведены названия слоев коллоидной мицеллы, в другом сек­ торе указаны химические группы и ионы, расположенные на поверхности коллоидов, в третьем секторе приводится число зарядов без указания ионов.