Химический и минералогический состав почвы, их влияние на жизнь организмов и на развитие почвенных процессов.

Минералами называются однородные природные химические соединения элементов или самородные элементы, образующисся в глубоких слоях литосферы и на ее поверхности. Большинство минералов имеют кристаллическое строение. Кристаллы часто имеют форму различных многогранников - кубов, призм, пирамид, октаэдров и др. Некоторые минералы имеют не кристаллическое, а аморфное строение (например, опал), но со временем могут кристаллизоваться (опал переходит в кварц). Дисперсные системы, состоящие из мельчайших частиц диаметром от 10-4 до 10-6 мм, получили название коллоидов. К ним относятся некоторые природные гели, в которых дисперсная среда (вода) занимает пространство между коллоидными частицами (например, опал). Широкое распространение в почвах и почвообразующих породах имеют около 50 минералов. Они подразделяются на первичные и вторичные. Первичные минералы (кварц, полевые шпаты и др.) образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. Только из них состоят магматические породы. Первичные минералы неустойчивы в условиях земной поверхности и подвергаются процессам выветривания. Они содержатся, в основном, в частицах почвы диаметром более 0,001 мм. Вторичные минералы образовались в результате экзогенных процессов выветривания из первичных минералов. Они более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с первичными, так как образовались в термодинамических условиях земной поверхности. Вторичные минералы являются тонкодисперсионными и содержатся, в основном, во фракции почв диаметром менее 0,001 мм. Из группы вторичных минералов в почвах преобладают слоистые алюмосиликаты (каолинит, монтмориллонит и др.), оксиды 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 перечисленных классов включают как первичные, так и вторичные минералы. Преобладают в породах и почвах силикаты и карбонаты.Первичные минералы.Наибольшее распространение в почвах и породах имеют силикаты: кварц, полевые шпаты, амфиболы (роговые обманки и пироксены), 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 преобладает кварц (40-60% и более), как наиболее устойчивый к выветриванию, затем идут полевые шпаты (до 20%), слюды (З-7%). Свойства силикатов, в том числе устойчивость к выветри ванию, определяются строением кристаллической решетки, со­ стоящей из кремнекислородных тетраэдров (Si04) Кварц (SiO2) По химической природе кварц - типичный оксид, а по кристаллической структуре его относят к каркасным силикатам. Известны разновидности кварца, имеющие разный цвет и прозрачность. Кварц весьма стойкий к выветриванию минерал, поэтому он накапливается в осадочных породах и в почвах. Особенно много кварца содержится в песчаных и супесчаных почвах. Обогащенность почв кварцем обусловливает пониженное 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; гейзерит - гидротермальный опал. Все перечисленные минералы вместе с кварцем объединены в группу свободного кремнезема. Полевые шпаты. Наиболее распространенная в литосфере группа минералов имеет каркасный тип кристаллической решетки. 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[AlSi3О8] и Na[AlSi3О8], к этим соединениям от носятся ортоклаз, микроклин и др.; 2) натриево-кальциевые полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие собой изоморфные смеси натриевой молекулы - Na[AlSi3О8] (в чистом виде называется альбит) и кальциевой - Ca[Al2Si3О8] (в чистом виде называется анортит); 3) фельдшпатиды по химическому составу сходны с полевыми шпатами, но имеют меньшее содержание оксидов кремния, они часто замещают полевые шпаты в основных породах. В зависимости от содержания оксида кремния полевые шпаты подразделяются на кислые, с повышенным содержанием кремнезема; средние и основные - с пониженным содержанием. Полевые шпаты являются менее устойчивыми к выветриванию, по сравнению с кварцем. Среди них наиболее устойчивыми счита­ются кислые полевые шпаты, содержащиеся в кислых породах (гранит, лиларит). Средние и основные, содержащиеся в основных магматических породах (габбро, базальт), менее устойчивы и могут являться источником элементов питания (калия, кальция и др.) для растений. Пироксены и амфиболы. Пироксены и амфиболы занимают в литосфере по массе второе место после полевых шпатов (около 17%). В почвах и осадочных породах они лприсутствуют в небольших количествах, в связи с низкой устойчивостью к выветриванию. Пироксены относятся к цепочечным силикатам. Типичным представителем является авгит - породообразующий минерал основных и ультраосновных пород. Амфиболы относятся к ленточным силикатам. Типичным и наиболее распространенным представителем является роговая обманка. Группа слюд. Эта группа минералов имеет листовую, слоистую структуру. В земной коре содержится около 4% слюд. В осадочных породах и почвах - встречаются в небольших количествах. В этой группе минералов часть кремнекислородных тетраэдров заменена 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 самфиболами и пироксенами. Вторичные минералы. Вторичные минералы содержатся только в осадочных породах и в почвах. Они представлены в основном глинистыми минералами, оксидами железа, алюминия и простыми солями.

Глинистые минералы. Минералы этой группы относятся к слоистым алюмосиликатам. Их название связано с тем, что они, как правило, преобладают в составе глин. К глинистым минералам относятся минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, смешаннослоистых минералов, хлорита. Глинистые минералы обладают рядом общих свойств: l) высокая дисперсность; 2) поглотительная, или обменная способность по отношению к катионам; 3) содержат химически связанную воду, которая выделяется при температурах в несколько сотен градусов; 4) имеют слоистое строение, сочетающее тетраэдрические и октаэдрические слои. Различают двух-, трех- и четырехслойные минералы. Минералы группы каолинита. Каолинит Al4OH>s(Si4010) - .двухслойный минерал с жесткой кристаллической решеткой, состоящей из одного слоя кремнекислородных тетраэдров и одного слоя алюмогидроксильных октаэдров. Каолинит не набухает в воде, так как вода не проникает в межплоскостное пространство 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 умеренных широт его содержание незначительное, за исключением древних кор выветривания. Почвы, содержащие каолинит, характеризуются низкой емкостью катионного обмена, обеднены основаниями, меньше накапливают гумуса, характеризуются пониженным плодородием. Минералы группы гидрослюд (гидробиотит, гидрамусковит и др.). Их еще называют минералами группы иллита. Эти минералы представляют собой трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся решеткой, а поэтому межпакетная вода в них отсутствует. Емкость катионного обмена гидрослюд достигает 45-50 мг­ экв на 100 г. Гидрослюды характеризуются повышенным содержанием калия (до 6-8%), который частично используется растениями. Представитель гидрослюд- глауконит является агрономической 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, характеризующийся расширяющейся решеткой и очень высокой емкостью катионного обмена (до 100-120 мг-экв на 100 г). Вермикулит Часто используют как компонент тепличных грунтов. Минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонтронит, 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 решеткой, при этом они поглощают влагу, сильно набухают и увеличиваются в объеме. Отличительной особенностью этих минералов является высокая дисперсность. Разнообразные изоморфные замещения кремния на алюминий, алюминия на железо и магний влекут за собой появление отрицательных зарядов, которые уравновешиваются обменными катионами. Повышенная дисперсность и изоморфные замещения обусловливают высокую емкость катионного обмена- 80-120 мг-экв на 100 г. Минералы группы монтмориллонита чаще содержатся в почвах с нейтральной и щелочной реакцией среды (черноземы, каштановые, солонцы) и практически полностью отсутствуют в субтропических и тропических почвах на ферраллитных и аллитных корах выветривания. Много монтмориллонита содержится в слитых почвах. Минералы группы хлорита. Они имеют четырехслойную набухающую решетку. Содержат в своем составе железо, магний. Могут быть как магматического, так и экзогенного происхождения. Имеются данные, что почвенные хлориты участвуют в формировании гидролитической кислотности почв. Группа смешаннослойных минералов. Смешаннослойные минералы имеют кристаллические решетки, в которых чередуются слои разных минералов: монтмориллонита с иллитом, вермикулита с хлоритом и др. В зависимости от состава и доли участия тех или иных минералов свойства их сильно изменяются. Эта группа минералов наиболее распространена в почвах умеренного и холодного гумидного и арктического поясов, в которых они занимают 30-80% от общего содержания глинистых минералов. Минералы гидроксидов и оксидов железа и алюминия. Наибольшее распространение имеют гематит Fe20 3, гетит Fe20 3·H20, гидрогетит, гиббсит (гидрагелит) Al20 3·3Hp. Минералы этих групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых, серых лесных почв, почв влажных тропических и субтропических областей (красноземы, ферраллиты и др.). Минералы этой группы принимают участие в оструктуривании почв, в связывании фосфорной кислоты. В условиях кислой реакции среды гидраты оксидов железа и алюминия растворяются и принимают активное участие в процессах почвообразования. Аллофаны. Группа вторичных минералов, состоящая из октаэдров и тетраэдров, но расположенных не систематически, а беспорядочно и поэтому имеющих аморфное строение. Они повышают емкость поглощения, увеличивают гидрофильность, липкость и набухаемость почв. Минералы - соли. Могут быть как вторичными, так и первичными. Наибольшее распространение имеют карбонаты: кальцит- СаС03, доломит- СаС03 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 породах в аридных областях, где они оказывают ведущее влияние на свойства и плодородие почв. Агроэкологическое значение минералогического состава почв . Минералогический состав почв наследуется от почвообразующих пород, является довольно устойчивым во времени и практически не поддается регулированию, за исключением приемов пескования, глинования; химических мелиораций- известкования, гипсования; удаления из почв водорастворимых солей промывками. С минералогическим составом тесно связаны гранулометрический и химический составы почв, физика-механические, а так­ же физические и физико-химические свойства. Очень часто он определяет направленность почвообразовательных процессов и приводит 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 гумуса, на емкость катионного обмена, реакцию среды, потенциальный запас элементов питания для растений, на процессы форми­ рования агрономически ценной структуры и поэтому является од­ ним из ведущих факторов, определяющих уровень почвенного плодородия.

Поиск по сайту: