Ганжара - Почвоведение

11.4. Оценка почв разного гранулометрического состава

взависимости от условий атмосферного увлажнения

(в долях единицы от нормативной урожайности), по В.Д.Мухе, 1994

ключение состамяет озимая рожь, предпочитающая тяжелые по­

чвы. По мере продвижения к югу, в лесостепную, степную и сухо­

степную зоны, на легких почвах резко возрастает недостаток ма­

ги и, соответственно, снижается их производительная способ­ ность (табл. 11.3, 11.4), поэтому более оптимальными становятся

тяжелосуглинистые и глинистые почвы.

Для коренного улучшения песчаных и супесчаных почв

иногда применяют rлинование - внесение тяжелосуглинистого

или глинистого мелкозема, взятого, по возможности, из верхнего

100

мусированного слоя почв, в дозе 300-800 т/га. Это мероприятие

~ень дорогостоящее и применяется на небольших площадях.

весьма эффективным приемом коренного улучшения легких почв

является внесение высоких (мелиоративных) доз (150-300 т/га)

торфа или торфанавозных компостов.

Для коренного улучшения бесструктурных тяжелосуглинис­

тых и глинистых почв используют пескованис - внесение высо­

ких доз песка (300-700 т/га). Пескованне является также весьма

дорогостоящим мероприятием и применяется на ограниченных

площадЯХ. Так же, как и на легких, на тяжелых почвах часто вно­

сят мелиоративные дозы торфа или органических компостов, ко­

торые в этом случае оказывают разрыхляющее действие, усилива­ ют водопроницаемость и улучшают водный режим.

Имеются существенные различия в использовании тяжелых

и легких почв. Они заключаются в дозах внесения химических ме­ лиорантов при оптимизации реакции среды (на легких почвах дозы меньше, но мелиорации проводят чаще), в нормах полива в орошаемом земледелии, в сроках и способах обработки, в разных нормах и видах минеральных удобрений.

Гранулометрический состав учитывается при землеустрой­

стве территории: при выборе участков под многолетние насажде­

ния, при введении специализированных севооборотов, проведе­ нии почвозащитных мероприятий и др.

Глава 12. Минералогический состав почв

и почваобразующих пород

Минералами называются однородные природные химичес­

кие соединения элементов или самородные элементы, образую­ щисся в глубоких слоях литосферы и на ее поверхности. Свойства, состав и процессы их образования изучает наука - минералогия.

Большинство минералов имеют кристаллическое строение.

Кристаллы и кристаллические вещества изучает раздел минерало­

гии - кристаллография. Кристаллы часто имеют форму различ­

ных многогранников - кубов, призм, пирамид, октаэдров и др.

Некоторые минералы имеют не кристаллическое, а аморфное

строение (например, опал), но со временем могут кристаллизо­ ваться (опал переходит в кварц). Дисперсные системы, состоящие

101

из мельчайших частиц диаметром от 10-4 до 10-6 мм, получили на­

звание коллоидов. К ним относятся некоторые природные гели, в

которых дисперсная среда (вода) занимает пространство между

коллоидными частицами (например, опал).

Всего известно около 2 тыс. минералов, а число разновиднос­

тей достигает 4 тыс. Широкое распространение в почвах и почваоб­

разующих породах имеют около 50 минералов. Они подразделяются на первичные и вторичные. Первичные минералы (кварц, полевые

шпаты и др.) образавались в глубоких слоях земной коры при вы­

соких температурах и давлении. Только из них состоят магматичес­ кие породы. Первичные минералы неустойчивы в условиях земной

поверхности и подвергаются процессам выветривания. Они содер­ жатся, в основном, в частицах почвы диаметром более 0,001 мм.

Вторичные минералы образавались в результате экзогенных

процессов выветривания из первичных минералов. Они более устой­

чивы к процессам выветривания, по сравнению с первичными, так

как образавались в термодинамических условиях земной поверхности.

Вторичные минералы являются тонкодисперсионными и содержат­

ся, в основном, во фракции почв диаметром менее 0,001 мм.

Из группы вторичных минералов в почвах преобладают сло­

истые алюмосиликаты (каолинит, монтмориллонит и др.), окси­

ды и гидроксиды железа и алюминия, а также кальцит, гипс и

другие простые соли.

В большинстве типов почв первичных минералов содержится

больше, чем вторичных, за исключением некоторых тропических

почв, которые характеризуются сильной степенью выветрелости.

По химическому составу выделяются следующие девять классов минералов: 1) силикаты, 2) карбонаты, 3) нитраты, 4) сульфаты, 5) фосфаты, 6) оксиды и гидроксиды, 7) галоиды,

8) сульфиды, 9) самородные элементы. Большинство из перечис­

ленных классов включают как первичные, так и вторичные мине­

ралы. Преобладают в породах и почвах силикаты и карбонаты.

12.1.Первичные минералы

Наибольшее распространение в почвах и породах имеют сили­

каты: кварц, полевые шпаты, амфиболы (роговые обманки и пиро­

ксены), слюды. В составе магматических пород преобладают полевые шпаты (около 60%), амфиболы и пироксены· (около 17%), кварц (12%), слюды (около 4%), прочие (около 7%). В осадочных породах и

почвах (рис. 12.1) преобладает кварц (40-60% и более), как наиболее

102

103

эдры в структуре располагаются изолированно, соединяясь между

собой через положительно заряженные атомы металлов, получа­

ется самый простой - островной тип структуры. При соединении

тетраэдров через кислородные ионы образуются цепочки, ленты, листы или слои, каркасы. В каркасных структурах часть ионов

кремния может замещаться алюминием, при этом образуются

алюмосиликаты.

Кварц (SIOJ По химической природе кварц - типичный ок­

сид, а по кристаллической структуре его относят к каркасным си­

ликатам. Известны разновидности кварца, имеющие разный цвет

и прозрачность: горный хрусталь, аметист, раухтопаз, морин. Кварц весьма стойкий к выветриванию минерал, поэтому он на­

капливается в осадочных породах и в почвах. Особенно много

кварца содержится в песчаных и супесчаных почвах. Обогащен­

ность почв кварцем обусловливает поиижеиное плодородие, из-за

его химической инертности, неспособиости удерживать влагу и

элементы питания.

Существуют разновидности кварца вторичного (экзогенного)

происхождения: халцедон - скрытокристаллическая разновидность

кварца; опал - аморфная разновидность, содержащая воду; гейзе­ рит - гидротермальный опал. Все перечисленные минералы вместе

с кварцем объединены в группу свободного кремнезема.

Полевые шпаты. Эта наиболее распространенная в литосфере

группа минералов имеет каркасный тип кристаллической решет­

ки. В каркасных структурах часть ионов четырехвалентного крем­

ния замещена трехвалентным алюминием, в результате создается

комплексная алюмокремниевая группа (поэтому их относят к алюмосиликатам) и возникает свободная валентность кислорода,

которая компенсируется ионами калия, натрия и кальция.

По химическому составу полевые шпаты подразделяются на три подгруппы: l) калиево-натриевые полевые шпаты, в состав

которых входят K[AlSip8] и Na[AlSip8], к этим соединениям от­

носятся ортоклаз, микроклин и др.; 2) натриево-кальциевые по­

левые шпаты, или плагиоклазы, преп:ставляющие собой изомор­

называется анортит); 3) фельдшпатиды по химическому составу

сходны с полевыми шпатами, но имеют меньшее содержание ок­

сидов кремния, они часто замещают полевые шпаты в основных

породах.

В зависимости от содержания оксида кремния полевые шпа­

ты подразделяются на кислые, с повышенным содержанием

104

кремнезема (ортоклаз, микроклин, альбит); средние и основ­ ные - с поиижеиным содержанием (лабрадор, анортит и др.). nолевые шпаты являются менее устойчивыми к выветриванию,

по сравнению с кварцем. Среди них наиболее устойчивыми счита­

ются кислые полевые шпаты, содержащиеся в кислых лородах

(гранит, лиларит). Средние и основные, содержащиеся в основ­ ных магматических лородах (габбро, базальт), менее устойчивы и

могут являться источником элементов питания (калия, кальция и др.) для растений.

Пирокеевы и амфиболы. Пирокесны и амфиболы занимают в литосфере по массе второе место после полевых шпатов (около

17%). В почвах и осадочных лородах они лрисутствуют в неболь­ ших количествах, в связи с низкой устойчивостью к выветрива­

нию. Пирокесны относятся к цепочечным силикатам. Типичным представителем является авгит - породообразующий минерал ос­

новных и ультраосновных пород.

Амфиболы относятся к ленточным силикатам. Типичным и наиболее распространенным представителем является роговая об­

манка.

Группа слюд. Эта группа минералов имеет листовую, слоис­

тую структуру. В земной коре содержится около 4% слюд. В осадоч­

ных породах и почвах - встречаются в небольших количествах. В

этой группе минералов часть кремнекислородных тетраэдров за­

менена на алюмокислородные, поэтому они относятся к алюмо­

силикатам. Типичными представителями являются мусковит и

биотит, в своем составе содержат калий, магний, железо. Слюды

более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению сам­ фиболами и пироксенами.

12.2. Вторичные минералы

Вторичные минералы содержатся только в осадочных поро­

дах и в почвах. Они представлены в основном глинистыми мине­ ралами, оксидами железа, алюминия и простыми солями.

Глинистые минералы. Минералы этой группы относятся к сло­

истым алюмосиликатам. Их название связано с тем, что они, как nравило, nреобладают в составе глин. К глинистым минералам от­

носятся минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллони­

та, смешаннослоистых минералов, хлорита. Глинистые минералы

обладают рядом общих свойств: l) высокая дисперсность; 2) по-

105

глотительная, или обменная способность по отношению к катио­

нам; 3) содержат химически связанную воду, которая выделяется

при температурах в несколько сотен градусов; 4) имеют слоистое

строение, сочетающее тетраэдрические и октаэдрические слои. Раз­

личают двух-, трех- и четырехслойные минералы.

Минералы группы каолинита. Каолинит AliOH>s(Si4 0 10 ) -

.двухслойный минерал с жесткой кристаллической решеткой, со­

стоящей из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного

слоя алюмогидроксильных октаэдров (рис. 12.3). Каолинит не на­

бухает в воде, так как вода не проникает в межплоскостное про­

странство минерала из-за сильной связи между пакетами. Этот

минерал характеризуется узким отношением Si02 : Al20 3 = 2. Он

обладает низкой поглотительной способностью (не более 20 мг­ экв на 100 г), обусловленной исключительно теми свободными

связями, которые имеются на краях элементарных пакетов. К группе каолинита относится минерал галлуазит, отличающийся

значительным содержанием межпакетной влаги и более высокой

емкостью катионного обмена (40-60 мг-экв на 100 г). Наиболее

высокое содержание каолинита - в почвах, формирующихся в условиях субтропических и тропических влажных областей на

ферраллитных и аллитных корах выветривания. В почвах умерен­

ных широт его содержание незначительное, за исключением

древних кор выветривания. Почвы, содержащие каолинит, харак­ теризуются низкой емкостью катионного обмена, обеднены осно­

ваниями, меньше накапливают гумуса, характеризуются пони­

жеиным плодородием.

6(0Н)

4AI

40 ·r 2(0Н)

4Si

80

Рис. 12.3. Схема строения кристаллической решетки каолинита

106

Минералы группы гидрослюд (гидробиотит, гидрамусковит

и др.).

Их еще называют минералами группы иллита. Эти минералы представляют собой трехслойные алюмосиликаты с нерасширяю­

щейся решеткой, а поэтому межпакетная вода в них отсутствует.

Емкость катионного обмена гидрослюд достигает 45-50 мг­ экв на 100 г. Часть кремния в тетраэдрах замещена на алюминий.

Образующийся при этом отрицательный заряд компенсируется

необменными ионами калия, который прочно связывает пакеты меЖдУ собой. Гидрослюды характеризуются повышенным содер­

жанием калия (до 6-8%), который частично используется расте­

ниями. Представитель гидрослюдглауконит является агрономи­ ческой рудой, калийным удобрением, после соответствующей термической обработки.

Минералы этой группы широко распространены в осадочных

породах и почвах, в том числе в подзолистых, серых лесных и др.

К гидраслюдам близок минерал вермикулит, характеризую­

щийся расширяющейся решеткой и очень высокой емкостью ка­ тионного обмена (до 100-120 мг-экв на 100 г). Вермикулит Часто

используют как компонент тепличных грунтов.

Минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонт­

ронит, бейделит и др.). Их еще называют минералами группы

смектита (Fe, Al) 2[Si40 10)(0H) 2·nH20, молярное отношение

Si02 : А1р3 = 4. Эта группа минералов имеет трехслойное строение

с сильно расширяющейся при увлажнении кристаллической ре­

шеткой, при этом они поглощают влагу, сильно набухают и уве­ личиваются в объеме (рис. 12.4). Отличительной особенностью этих минералов является высокая дисперсность. Разнообразные изоморфные замещения кремния на алюминий, алюминия на железо и магний влекут за собой появление отрицательных заря­ дов, которые уравновешиваются обменными катионами. Повы­ шенная дисперсность и изоморфные замещения обусловливают

высокую емкость катионного обмена- 80-120 мг-экв на 100 г.

Минералы группы монтмориллонита чаще содержатся в по­ чвах с нейтральной и щелочной реакцией среды (черноземы, каштановые, солонцы) и практически полностью отсутствуют в

субтропических и тропических почвах на ферраллитных и аллит­ ных корах выветривания. Много монтмориллонита содержится в

слитых почвах.

Минералы группы хлорита. Они имеют четырехслойную набу­ хающую решетку. Содержат в своем составе железо, магний. Могут

быть как магматического, так и экзогенного происхоЖдения. Име-

107

60

4Si

40 + 2(0Н)

4AI

40 + 2(0Н)

4Si

60

• .$i.....

Рис. 12.4. Схема строения кристаллической решетки мокгмориллоиита.

ются данные (Соколова Т.А., 1982), что почвенные хлориты уча­

ствуют в формировании гидролитической кислотности почв. fpynna смешанпослойных минералов. Смешаннослойные ми­

нералы имеют кристаллические решетки, в которых чередуются

слои разных минералов: монтмориллонита с иллитом, вермику­

лита с хлоритом и др. Соответственно составным частям они по­

лучают название - иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит и

др. В зависимости от состава и доли участия тех или иных минера­

лов свойства их сильно изменяются. Эта группа минералов наибо­

лее распространена в почвах умеренного и холодного гумидного и

арктического поясов, в которых они занимают 30-80% от общего содержания глинистых минералов (Б.П. Градусов, 1976).

Минералы ruдроксидов и оксидов железа и алюминия. Наи­ большее распространение имеют гематит Fe20 3, гетит Fe20 3·H20,

гидрогетит, гиббсит (гидрагелит) Al20 3·3Hp. Минералы этих

групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых, се­

рых лесных почв, почв влажных тропических и субтропических

областей (красноземы, ферраллиты и др.). Они образуются путем

кристаллизации из аморфных гидратов оксидов железа и алюми­

ния. Минералы этой группы примимают участие в оструктурива­

нии почв, в связывании фосфорной кислоты. В условиях кислой

реакции среды гидраты оксидов железа и алюминия растворяются

и примимают активное участие в процессах почвообразования.

108

Аллофаны. Группа вторичных минералов, состоящая из окта­

эдров и тетраэдров, но расположенных не систематически, а бес­

порядочно и поэтому имеющих аморфное строение. Они повыша­

ют емкость поглощения, увеличивают гидрофильность, липкость и набухаемость почв.

Минералы - соли. Могут быть как вторичными, так и пер­

вичными. Наибольшее распространение имеют карбонаты: каль­

цитСаС03, доломитСаС03 MgC03, сода- Na2C03·10Hp. Среди сульфатов наиболее распространены гипс- CaS04·2H20, мирабилит- Na2S04·10Hp,среди хлоридов-галит NaCl. Много

солей содержится в засоленных почвах и почваобразующих поро­

дах в аридных областях, где они оказывают ведущее влияние на свойства и плодородие почв.

12.З.Агроэкологическое значение минералогического

состава почв

Минералогический состав почв наследуется от почваобразу­ ющих пород, является довольно устойчивым во времени и прак­

тически не поддается регулированию, за исключением приемов

пескования, глинования; химических мелиорацийизвесткова­

ния, гипсования; удаления из почв водорастворимых солей про­

мывками.

С минералогическим составом тесно связаны гранулометри­ ческий и химический составы почв, физика-механические, а так­

же физические и физико-химические свойства. Очень часто он оп­ ределяет направленность почвообразовательных процессов и при­ водит к формированию специфических типов почв, получивших название литогенных, в составе и свойствах которых в меньшей степени проявляется влияние биологического и климатического

факторов почвообразования. Минералогический состав оказывает

влияние на прочность связи гумусовых веществ с минеральной

частью почв и, в целом, на количество накапливающегося гуму­

са, на емкость катионного обмена, реакцию среды, потенциаль­

ный запас элементов питания для растений, на процессы форми­

рования агрономически ценной структуры и поэтому является од­ ним из ведущих факторов, определяющих уровень почвенного

плодородия.

109