Вальков - Почвоведение

максимальными пределами их дробления при механических и темпе­ ратурных воздействиях.

По соотношению содержания главнейших групп породообразую­ щих минералов рыхлые почвообразующие породы (и соответственно формирующиеся на них почвы) существенно отличаются от плотных пород. Обусловлено это тем, что рыхлые почвообразующие породы представляют собой продукт многократного переотложения и дли­ тельного изменения материала плотных пород под действием физи­ ческих, химических и биологических агентов, что приводит к относи­ тельному накоплению более устойчивых к выветриванию минералов,

ипрежде всего кварца. В свою очередь, в зависимости от грануло­ метрии рыхлых почвообразующих пород участие первичных минера­ лов в формировании их состава весьма различно: первичные минера­ лы составляют 90—98% массы мелкозема песков, 50—80% суглинков

и10—12% глин.

Впочвах и почвообразующих породах наиболее распространены следующие группы первичных минералов.

Полевые шпаты (алюмосиликаты) — большая группа широко распространенных и относительно устойчивых к выветриванию ми­ нералов. Они составляют около 60% массы земной коры, а в почвах их около 10—15%. Типичные представители полевых шпатов: орто­ клаз — KAlSi30 8, альбит — NaAlSi30 8, анортит — CaAlSi20 8 и пла­ гиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.

Силикаты в литосфере содержатся в количестве около 20%: оли­ вин — (Mg,Fe)Si04, авгит — Ca(Mg,Fe)Si20 6, роговая обманка — MgSi03 и др.

Кварц (Si02) — один их наиболее распространенных минералов многих магматических пород, осадочных отложений и почв. Пре­ обладание кварцевых минералов в почвах обусловливает их низкое плодородие.

Слюды (3% от общего объема пород) являются важнейшими ис­ точниками питания растений калием, так как разрушаются сравни­ тельно быстро. В числе слюд отмечаются мусковит — KH2Al3(Si04)3 и биотит — KH2(Mg Fe)3Al(Si0 4)3.

Апатит — очень прочный минерал изверженых пород, в состав которого входят фосфор, кальций, фтор, хлор —3Ca3P20 8u Ca(F,Cl)2. Апатит —главнейший первоисточник фосфора в биосфере.

Часть I. С о ста в и свойства почв

Визверженных породах установлено более 1000 различных мине­ ралов. Одни из них очень устойчивы, долго сохраняются в почвах и почвообразующих породах, давая возможность судить о длительно­ сти почвообразования. Это минералы группы эпидота, дистена, анда лузита, граната, а также ставролит, циркон, турмалин. Доминирую щими минералами, имеющими важное значение в почвообразовании, как считает В.А. Ковда, являются кварц, полевые шпаты, оливины, пироксены, амфиболы, слюды, апатит, роговые обманки.

Преобразование первичных минералов в почвах и корах выветри­ вания сопровождается образованием различных растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, а также формированием вторичных глинистых алюмосиликатов, поступление

впочвенные растворы простых солей.

Вприроде (в почвах, почвообразующих породах, в литосфере) первичные минералы встречаются в составе массивно-кристалличе­ ских, метаморфических и осадочных пород и эти породы представля­ ются как ассоциации минералов. Широкое распространение в почвах и осадочных рыхлых отложениях имеют индивидуальные кристаллы первичных минералов. Таким образом, в почвах первичные минералы наблюдаются как в обломках (зернах) горных пород, так и в отдельно разобщенном состоянии. Обломки пород приурочены к крупнопесча­ ным и гравелистым фракциям гранулометрического состава, а инди­ видуальные минералы входят в состав тонкого песка и пыли.

1.3.2. Вто р и ч н ы е м и н ерал ы п о ч в

К вторичным минералам относятся глинистые минералы, минера­ лы оксидов кремния, железа, алюминия и марганца, а также мине­ ралы простых солей.

Глинистые минералы составляют основную часть вторичных минералов. Названы они так в связи с тем, что преимущественно определяют минералогический состав глин. Важнейшая роль глини­ стых минералов состоит в том, что в силу присущей им поглотитель­ ной способности они определяют емкость поглощения почв и наряду с гумусом являются основным источником поступления минеральных элементов в растения.

Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами с общей химической формулой n Si02Al20 3 u т Н 20 и характерным

54 П о ч в о в е д е н и е

молярным отношением Si02: А120 3, изменяющимся в пределах от 2 до 5.

Глинистые минералы образуются путем постепенного изменения первичных минералов в процессе выветривания и почвообразования, а также могут образоваться биогенным путем из продуктов минерализации растительных остатков.

К наиболее распространенным глинистым минералам относятся минералы групп монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешаннослоистых минералов.

Глинистым минералам присущи общие свойства: слоистое кри­ сталлическое строение, высокая дисперсность, поглотительная спо­ собность, наличие в них химически связанной воды. Однако каждая группа минералов имеет специфические свойства и значение в плодо­ родии. Велика их роль в создании физических свойств, структуры и порозности почвы, водопроницаемости и влагоемкости.

Монтмориллонит, бейделит, нонтронит — группа трехслой­ ных минералов с набухающей решеткой. Монтмориллонит и бейде­ лит встречаются в почве самостоятельно и в смешаннослойных об­ разованиях с гидрослюдами, хлоритами, вермикулитами. Нонтронит по химическому составу отличается повышенным содержанием же­ леза. Монтмориллонит и бейделит весьма сходны. Различия в том, что в бейделите часть кремния замещена на алюминий, поэтому со­ отношение Si02: А120 3 равно трем, вместо четырех в монтморилло­ ните. Соотношение групп атомов в минералах: монтмориллонит — (Al, Mg)2 (ОН)2 [Si4O10]unH2O, бейделит — (К, Na, НэО) А12(ОН)2 [А1 Si3O10]un Н20, нонтронит — Fe2(OH)2 [Si4O10]un Н20 .

Между пакетами трехслойной структуры монтмориллонитовых минералов находятся молекулы воды и обменные катионы, опреде­ ляющие особенности отдельных минералов группы. Межпакетные расстояния могут изменяться. В связи с этим для монтмориллонита характерно сильное набухание с увеличением объема в 1,5—3 раза и связанная с этим жирность, липкость, вязкость, высокая пластичность и гигроскопичность. Цвет монтмориллонита белый с сероватым, бу­ роватым, красноватым оттенками и зеленый. Нонтронит — зелено­ вато-желтый, зеленоватый, буровато-зеленый.

Отличительная черта монтмориллонитовых минералов — высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и в от­ ношении загрязняющих веществ. Средние величины катионного обме­

на 80—120 м.-экв. на 100 г. С гуминовыми кислотами монтмориллонит образует прочные темноокрашенные (серые и черные) комплексы.

Вермикулиты по химическому составу близки к магниевым алю­ мосиликатам. Вермикулит — (Mg, Fe+2, Fe+3)3 (ОН)2 [(Al, Si)40 ^ ) u 4H20 , нонтронит — Fe2(OH)2 [Si4O10] un H20 . По структуре очи сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Цвет минерала бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый; иногда наблюдаются зеленова­ тые оттенки. Вермикулиты обладают высокой способностью к набу­ ханию. Емкость поглощения катионов около 100 м.-экв на 100 г.

Группа каолинита — каолинит, диккит, накрит имеют следую­ щее строение: А12(ОН)4 [Si20 5]. Наиболее распространенным являет­ ся каолинит. Кристаллическая структура этих минералов состоит из двухслойных пакетов. Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, а сплошные массы белые. Каолинит не набухает, так как доступ воды в межпакетное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Расстояние между пакетами не изменяется. Каолинит не содержит щелочных и мало содержит щелочноземельных оснований. Дисперсность его высокая, он свободно мигрирует в суспензиях. Ем­ кость поглощения 10—20 м.-экв на 100 г. Каолинит набухает слабо, имеет небольшую липкость, связность и гидрофильность.

Галлуазит встречается в виде гелеподобных полуматовых масс. Цвет галлуазита белый, часто с желтоватым, красноватым и голубо­ ватым оттенками. По свойствам близок к каолиниту, но более гидра­ тирован и имеет расширяющуюся кристаллическую решетку. Емкость поглощения 25—30 м.-экв на 100 г.

Гидрослюды (иллит). К группе гидрослюд относятся гидратиро­ ванные формы слоистых минералов с морфологически чешуйчатым строением:

Гидробиотит - (К, H3OXMg, Fe)3 (ОН)2 [(Al, Si)4O10] и пН20 , Гидромусковит — (К, НэО) Al2 (ОН)2 [(Al, Si)4O10] и пН20 , Глауконит - K(Fe+3, Al, Fe+2, Mg)2 (OH)2 [Al, Si3O10] u nH20 , Гидробиотит и гидромусковит золотисто-желтого, серебряного и

белого цвета. Глауконит — зеленый различных оттенков. Структу­ ра гидрослюд подобна монтмориллониту. Они относятся к трехслой­ ным минералам с многочисленными изоморфными замещениями. В отличие от монтмориллонита связь между пакетами прочная, и вода в них не проникает. Гидрослюды —важный источник калия для расте­ ний. Обменный калий находится на краях кристаллической решетки.

56 П о ч в о в е д е н и е

Гидрослюды не набухают. Емкость поглощения 40 м.-экв на 100 г. Гидрофильность, липкость, связность, набухание значительно мень­ ше, чем у монтмориллонита.

Хлориты. К группе хлоритов относится большое количество ми­ нералов, которые по целому ряду свойств близки к слюдам. Кристал­ лическая решетка хлоритов состоит из четырех слоев. В связи с тем, что хлориты представлены слоями различных минералов, их можно отнести к смешаннослоистым минералам с правильным чередованием слоев. Решетка хлоритов не набухающая, стабильная. Хлориты име­ ют зеленый цвет различных оттенков.

М инералы гидроокисей и окисей кремния, алюминия, желе­ за, марганца, образующиеся в аморфной форме при выветривании первичных минералов в виде гидратированных высокомолекулярных гелей и постепенно подвергающиеся дегидратации и кристаллизации с образованием окисей и гидроокисей кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют высокая температура, замерзание, вы­ сушивание, окислительные условия почвы.

Гидроокись кремния (Si02 и пН20 ) по мере старения переходит в твердый гель — опал (S i02 и пН20 ) с содержанием воды от 2 до 30%, затем, теряя воду, в кристаллические формы халцедона и квар­ ца Si02. Гидроокись марганца кристаллизуется в виде минерала пи­ ролюзита М п02, псиломелана mMnO и Мп02и пН20 .

Гидраты полутораокисей (AI20 3 и пН20 , Fe20 3 и пН20), кристал­ лизуясь, образуют вторичные минералы: бемит А12Оэ и Н20 , гидраргилит (гиббсит) А120 3 ЗН20 или А1(ОН)3, гематит Fe20 3, гетит Fe20 3 и Н20 , гидрогетит Fe20 3 и ЗН20 . Эти минералы встречаются в не­ больших количествах во многих почвах. Гетита и гиббсита много в ферраллитных почвах. Эти минералы могут обволакивать пленками агрегатные скопления глинистых минералов, а также встречаться в виде конкреций. Поглотительной способностью, липкостью, набуха­ нием практически не обладают.

Встречаются в почвах цеолиты. Эта группа своеобразных минералов щелочных и щелочноземельных алюмосиликатов. Цеолиты о б ­ разуются в разных условиях при разной реакции среды: в пресновод­ ных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверх­ ность цеолиты остаются в почве как унаследованные от породы.

Каркасная решетка цеолитов характеризуется большим количе­ ством пор, полостей и каналов, что определяет их высокую поглоти-

1.4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ

Химия почв —особый раздел почвоведения. Его задача — изуче­ ние содержания химических элементов в почвах и химических про­ цессов, протекающих в почвенной массе. В почве химические явле­ ния всегда связаны с биологией, биохимией, физикой, с коллоидны­ ми физико-химическим процессами.

1.4.1. С о д ерж ан и е х и м и ч ес к и х эл ем ен то в в п о ч в а х

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минераль- ных веществ. Источником минеральных соединений почвы являют­ ся горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры — литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате деятельности живых организмов, ее населяющих. Взаи­ модействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо-минеральных соединений почв. Минеральная часть составляет 80—90% и более массы почв и только в органогенных по­ чвах снижается до 10% и менее.

В составе почв обнаружены почти все известные химические эле­ менты. Средние цифры, показывающие содержание отдельных эле­ ментов в литосфере и почвах называют кларками. Изучение почв с геохимической точки зрения было впервые начато академиком В.И. Вернадским.

Содержание отдельных химических элементов в литосфере и по­ чве колеблется в широких пределах (табл. 6).

Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47,2%), более чем на четверть из кремния (27,6%), далее идут алюминий (8,8%), железо (5,1%), кальций, натрий, калий, магний (до 2—3% каждого). Восемь названных элементов составляют более 99% общей массы ли­ тосферы. Такие важнейшие для питания растений элементы, как угле­ род, азот, сера, фосфор, занимают десятые и сотые доли процента. Еще меньше в земной коре микроэлементов.

Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обу­ словлена химическим составом горных пород литосферы, имеется

дельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором — кремний, затем алюми­ ний, железо и т. д.

Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше угле­ рода и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве связано с жизнедеятельностью организмов.

В почвоведении состав почв принято выражать в условных гипо­ тетических оксидах химических элементов: Si02, А120 3, Fe20 3, СаО, MgO, Na20 и т. д. Это практически отражает всю почвенную массу.

1.4.2. Ф о р м ы х и м и ч е с к и х э л е м е н т о в в п о ч в а х

Кислород входит в состав первичных и вторичных минералов, является элементом органических веществ и воды.

Кремний. Наиболее распространенное соединение кремния — кварц (Si02). Он относится к веществам очень инертным химически и биологически. Кремний входит в состав силикатов и алюмосиликатов как первичных, так и вторичных минералов. Анионы орто- (Si04)4“ и мета- (БЮз)2- кремниевых кислот могут находиться в состоянии золей или гелей и быть активными компонентами почвенных коллоидов.

Алю миний находится в почвах в составе первичных и вторич­ ных минералов в форме органо-минеральных комплексов и в погло­ щенном состоянии (в кислых почвах). При разрушении первичных

и вторичных минералов, содержащих алюминий, освобождается его гидроокись, значительная часть которой при выветривании остается на месте (как малоподвижная) и лишь частично переходит в раствор в виде золя. Коллоидная гидроокись алюминия, взаимодействуя с орга ническими кислотами, образует подвижные комплексные соединения,

вформе которых может перемещаться по профилю почвы.

Железо —в почвах встречается в составе первичных и вторичных минералов-силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощенном состоянии, а также в составе органо-минеральных ком­ плексов. Гидроокись железа, как и гидроокись алюминия, может об­ разовывать с органическими кислотами подвижные формы комплекс­ ных соединений, способных перемещаться по профилю почвы.

Азот . Основная масса азота почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота находится в прямой зависимости от со­ держания в почве органического вещества, и прежде всего гумуса. В большинстве почв этот элемент составляет 1/12—1/20 гумуса. Нако­ пление азота в почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало. Азот доступен растениям главным образом в форме ионов аммония и ни­ трат-ионов, которые образуются при разложении азотсодержащих органических веществ. Ион N H / легко поглощается почвой с ча­ стичным переходом в необменное (фиксированное) состояние. Ион N 03“ не поглощается почвой ни химически, ни физико-химически, находится преимущественно в почвенном растворе и легко использу­ ется растениями.

Ф осф ор. Поглощаясь в больших количествах растениями, фос­ фор аккумулируется в верхних горизонтах почвы. Фосфор в почвах содержится в органических и минеральных соединениях. Органиче­ ские представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, сахарофосфатами и др., минеральные — солями кальция, магния, же­ леза и алюминия ортофосфорной кислоты. Фосфор в почве входит в состав апатита, фосфорита и вивианита. Апатит встречается во мно­ гих магматических породах и составляет 95% соединений фосфора

вземной коре.

Калий. Присутствует калий чаще в глинистых минералах тонко­ дисперсных фракций, особенно в гидрослюдах, а также в составе та­ ких первичных минералов крупной фракции, как биотит, мусковит, калиевые полевые шпаты. Калий относится к числу органогенов, не­