Что такое минералогический состав грунта
Минералами называются однородные природные химические соединения элементов или самородные элементы, образующиеся 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 минералогии – кристаллография. Кристаллы часто имеют форму различных многогранников – кубов, призм, пирамид, октаэдров и др.
Всего известно около 2 тыс. минералов, а число разновидностей достигает 4 тыс. 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 выветренности.
По химическому составу выделяются следующие девять классов минералов:
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 (3–7 %).
Тетраэдры, соединяясь через кислородные ионы, могут образовывать различные сочетания, или типы структур: островные (оливин), ленточные (амфиболы), листовые (слюды), каркасные (полевые шпаты, кварц). Если тетраэдры в структуре располагаются изолированно, соединяясь между собой через положительно заряженные атомы металлов, получается 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 (SiO2). По химической природе кварц – типичный оксид, а по кристаллической структуре его относят к каркасным силикатам.
Известны разновидности кварца, имеющие разный цвет и прозрачность: горный хрусталь, аметист, раухтопаз, морин. 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, неспособности 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. Эта наиболее распространенная в литосфере группа минералов имеет каркасный тип кристаллической решетки. В каркасных структурах часть ионов четырехвалентного кремния 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: 1) калиево-натриевые полевые шпаты; 2) натриевокальциевые полевые шпаты, или плагиоклазы; 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 (ортоклаз, микроклин, альбит); средние и основные – с пониженным содержанием (лабрадор, анортит и др.).
Полевые шпаты являются менее устойчивыми к выветриванию, по сравнению с кварцем. Среди них наиболее устойчивыми считаются кислые полевые шпаты, содержащиеся в кислых породах (гранит, липарит). 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 присутствуют 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 алюмосиликатам.
Типичными представителями являются мусковит и биотит, в своем составе содержат калий, магний, железо. Слюды более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с амфиболами и пироксенами.
2. 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: 1) 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 – 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 SiО2 : Al2О3 = 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. 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 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, молярное отношение SiО2 : Аl2О3 = 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. Соответственно составным частям они получают название – иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит 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 Fe2О3, гетит Fe2О3·H2О, гидрогетит, гиббсит (гидрагелит) Al2О3·3H2О. Минералы этих групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых, серых лесных почв, почв влажных тропических и субтропических областей (красноземы, ферраллиты и др.). Они образуются путем кристаллизации из аморфных гидратов оксидов железа и алюминия.
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 – СаСО3, доломит – СаСО3 MgCО3, сода – Na2CО3·10H2О. Среди сульфатов наиболее распространены гипс – CaSО4·2H2О, мирабилит – Na2SО4·10H2О, среди хлоридов – галит NaCl. Много солей содержится в засоленных почвах и почвообразующих породах в аридных областях, где они оказывают ведущее влияние на свойства и плодородие почв.
Агромелиоративное значение минералогического состава почв. Минералогический состав почв наследуется от почвообразующих пород, является довольно устойчивым во времени и пактически 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, физико-механические, а также 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 формирования агрономически ценной структуры и поэтому является одним из ведущих факторов, определяющих уровень почвенного плодородия.
В агрономическом аспекте наиболее благоприятны полиминеральные почвы с определенным соотношением минералов, обусловливающих те или иные свойства почв. Абсолютное преобладание какого-либо минерала чаще всего негативно проявляется на агрономических свойствах почв. Например, на каолиновых породах формируются бедные, уплотненные почвы с низкой влагоемкостью и слабой поглотительной способностью. Еще более бедны почвы на кварцевых песках. На монтмориллонитовых глинах развиваются набухающие, слитные почвы, крайне неблагоприятные для сельскохозяйственного использования. Такие категории почв называют литогенными. Относительно благоприятны почвы с гидрослюдистым минералогическим составом. Однако плодородие их существенно повышается при участии в них умеренных количеств монтмориллонитовых минералов, способствующих образованию структурных агрегатов, повышению емкости катионного обмена, буферности, влагоемкости.
Химический состав почвообразующих пород и почв в определенной степени зависит от химического состава минералов, входящих в породу и почву. Средний химический состав почв и пород можно характеризовать следующими данными. Почти половина твердой фазы (49 %) приходится на кислород, одна треть (33 %) – на кремний, более 10 % – на алюминий и железо и только 8 % на остальные элементы.
Из органогенных элементов в почвах и почвообразующих породах встречаются C, H, N, P, S, K, Ca, Mg. Они являются источником питания растений, и от их содержания зависит плодородие почвы. Кроме того в почвах и породах содержатся токсичные для растений элементы: хлор, натрий, марганец. Повышенное их содержание в породах и почвах делает почву засоленной. В почвах и породах имеются микроэлементы: бор, молибден, цинк, кобальт, йод, играющие важную физиологическую роль. В небольшом количестве в почвах и породах представлены радиоактивные элементы: уран, торий, радий, изотопы калия, кальция, углерода.
От минералогического состава пород и почв в большой степени зависит и гранулометрический состав почвы.
3. Гранулометрический состав
Твердая фаза почвы состоит из частиц разного размера, которые называются механическими элементами.
Гранулометрический состав почвы характеризуется содержанием механических элементов разного размера, выраженном в % к массе абсолютно сухой почвы. Близкие по размерам механические элементы характеризуются примерно одинаковыми свойствами и поэтому их группируют во фракции. Существует несколько группировок, или классификаций механических элементов как отечественных, так и зарубежных. В России наибольшее распространение получила классификация механических элементов, разработанная А.Н. Сабининым и В.Р. Вильямсом и уточненная впоследствии Н.А. Качинским.
Частицы размером более 1 мм называются почвенным скелетом, менее 1 мм – мелкоземом. Сумма частиц мельче 0,001 мм называется илистой фракцией, и при определении гранулометрического состава для практических целей на более мелкие фракции не подразделяется.
Отдельные фракции механических элементов различаются по химическому и минералогическому составу, а также по физикохимическим и физическим свойствам. Наиболее резкие различия наблюдаются между фракцией ила ( 10).
Гранулометрический состав наследуется почвой от породы и является признаком разновидности почв.
4. Агромелиортивная оценка гранулометрического состава почв
Гранулометрический состав оказывает очень большое влияние на процессы почвообразования, свойства и режимы почв.
Как правило, гранулометрический состав наследуется от почвообразующей породы и очень медленно изменяется во времени. Необходимы тысячи и десятки тысяч лет для его изменения. В связи с этим на породах разного гранулометрического состава часто формируются почвы, отличающиеся по свойствам. Особенно резко эта граница выражена между песчаными и супесчаными разновидностями, с одной стороны, и всеми остальными – с другой. Обычно в почвенной классификации разные по гранулометрическому составу почвы выделяются на уровне низких таксономических рангов – разновидностей, иногда родов, однако песчаные почвы во многих природных зонах выделяются в отдельные альфегумусовые подзолы среди подзолистых почв.
Песчаные и супесчаные почвы состоят в основном из кварца с незначительной примесью полевых шпатов и других первичных минералов. Поэтому в их химическом составе более 90 %, а зачастую более 95 %, приходится на долю оксида кремния. Такие почвы имеют раздельно частичное сложение и характеризуются высокой водопроницаемостью, низкой влагоемкостью, отсутствием структурных агрегатов, низким содержанием гумуса, низкой емкостью катионного обмена и поглотительной способностью в целом, низким содержанием элементов питания. Все эти свойства в основном являются негативными для растений.
Преимуществом песчаных и супесчаных почв является рыхлое сложение, хорошая воздухопроницаемость и быстрая прогреваемость, что положительно сказывается на обеспечении кислородом корневых систем. Песчаные и супесчаные почвы требуют меньших затрат на обработки, в связи с чем их и называют легкими. Свойства легких почв существенно улучшаются при внесении в них органических веществ, высоких (мелиоративных) норм торфа, компостов, использовании зеленого удобрения. Супесчаные почвы приближаются к оптимальным в холодных и влажных областях. Многие культуры, такие как картофель, озимая пшеница, ряд овощных культур, ячмень, овес, в условиях таежно-лесной зоны дают более высокие урожаи на легких почвах, по сравнению с тяжелыми. Исключение составляет озимая рожь, предпочитающая тяжелые почвы.
По мере продвижения к югу, в лесостепную, степную и сухостепную зоны, на легких почвах резко возрастает недостаток влаги и, соответственно, снижается их производительная способность, поэтому более оптимальными становятся тяжелосуглинистые и глинистые почвы.
Сопоставляя многочисленные данные по гранулометрическому составу почв и урожайности зерновых культур в зональном аспекте, Н.А. Качинский разработал десятибалльную систему оценки основных типов и подтипов почв (таблица 1). Наиболее высоким бонитетом среди подзолистых почв характеризуются легкосуглинистые разновидности, довольно близки к ним супесчаные в переувлажненных и холодных районах. На более южных дерново-подзолистых почвах наивысший бонитет отмечается у среднесуглинистых разновидностей. Из серых лесных почв высшую оценку получают тяжелосуглинистые, из черноземов – глинистые разновидности, наиболее гумусированные и оструктуренные, где негативные стороны высокого содержания глинистых частиц компенсируются их хорошей агрегатированностью. Увеличение бонитета более тяжелых почв к югу связано с более благоприятным водным режимом в засушливых условиях.
Для коренного улучшения песчаных и супесчаных почв иногда применяют глинование – внесение тяжелосуглинистого или глинистого мелкозема, взятого, по возможности, из верхнего гумусированного слоя почв, в дозе 300–800 т/га. Это мероприятие очень 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 тяжелосуглинистых и глинистых почв используют пескование – внесение высоких 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 вносят мелиоративные
дозы торфа или органических компостов, которые в этом случае оказывают разрыхляющее действие, усиливают водопроницаемость и улучшают водный режим.
Таблица 1 – Примерная оценка гранулометрического состава почв для зерновых культур (по Качинскому)
| Почвы | Оценка по гранулометрическому составу почв, баллы | ||||||
| глинистые | тяжело-суглинистые | средне-суглинистые | легко-суглинистые | супе-счаные | песчаные, рыхлые | ||
| Глееподзолистые | 4 | 6 | 8 | 10 | 8 | 5 | 3 |
| Подзолистые | 5 | 6 | 8 | 10 | 8 | 5 | 3 |
| Дерновоподзолистые | 6 | 7 | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 |
| Серые лесные | 8 | 10 | 9 | 7 | 6 | 4 | 2 |
| Черноземы типичные | 10 | 9 | 8 | 6 | 4 | 3 | 1 |
| Черноземы южные | 9 | 10 | 8 | 7 | 5 | 3 | 1 |
| Темнокаштановые | 8 | 10 | 9 | 7 | 6 | 3 | 1 |
| Каштановые | 7 | 9 | 10 | 8 | 6 | 3 | 1 |
Имеются существенные различия в использовании тяжелых и легких почв. Они заключаются в дозах внесения химических мелиорантов 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 землеустройстве территории: при выборе участков под многолетние насаждения, при введении специализированных севооборотов, проведении почвозащитных мероприятий и др.
Научная электронная библиотека
9. Минеральная часть почвы
Минералы (от лат. «mina» – шахта) – внутренние однородные твердые компоненты земной коры. Минеральная часть почвы составляет от 55–60 до 90–97 % ее объема. Все минералы почв и пород делятся на три группы.
2. Вторичные глинистые минералы и окислы – образованы в результате биохимической и геохимической трансформации, выветривания и почвообразования из первичных минералов и продуктов их разрушения.
3. Растворимые минералы – соли, которые могут быть в почвенном растворе и в сухих условиях переходить в твердую фазу почвы.
Первичные минералы почв – основная группа веществ почв и пород выветривания, исходный материал для образования тонкодисперсных вторичных минералов. Они встречаются во всех породах в виде обломков (зерен) и в отдельном разобщенном состоянии. Их обломки приурочены к крупным песчаным и гравелистым фракциям, а индивидуальные минералы входят в состав тонкого песка и пыли.
Вторичные минералы – глинистые минералы, минералы оксидов железа, алюминия, марганца, простых солей.
Наиболее распространенные группы первичных минералов
Полевые шпаты (алюмосиликаты) широко распространены, устойчивы к выветриванию, составляют 60 % массы земной коры, в почвах – 10–15 %. Типичные представители: ортоклаз КАlSi3О8, альбит NaАlSi3О8, анортит СаАlSi2О8, плагиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.
Силикатов в литосфере около 20 %: оливин (Mg, Fе) SiО4. авгит Са(Mg,Fе)Si2О5, роговая обманка MgSiО3.
Кварц (SiО2) – наиболее распространенный минерал среди магматических пород, осадочных отложений и почв. Его преобладание снижает плодородие почв.
Слюды – 3 % от общего объема пород – источники питания растений калием. Типичные представители: мусковит КН2Аl3(SiО4)3.и биотит КН2(Mg,Fе) 3Аl3(SiО4)3
Апатит – прочный минерал изверженных пород, основной первоисточник фосфора (Р), в его составе Р, Са, F, Сl – 3Са3Р2О8 и Са (F, Сl) 2.
Преобразование первичных минералов сопровождается образованием растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, формированием вторичных минералов, поступлением в почвенные растворы простых солей.
Основные группы вторичных минералов
Глинистые минералы – основная часть вторичных минералов, определяют минералогический состав почв, обладают поглотительной способностью. Также как и гумус, они – источник поступления минеральных элементов в растения. Это вторичные алюмосиликаты с общей формулой n SiО2 Аl2О3•mН2О и характерным молярным отношением SiО2 к Аl2О3 в пределах 2:5.
Наиболее распространены минералы группы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешанослоистых минералов. Они имеют слоистое кристаллическое строение, высоко дисперсны, обладают поглотительной способностью, содержат химически связанную воду.
Монтмориллонит, бейделит, нонтронит – группа 3-хслойных минералов с набухающей решеткой. Их отличает высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и поллютантов. С гуминовыми кислотами (ГК) эти минералы образуют прочные темноокрашенные комплексы.
монтмориллонит (Аl, Mg)2 (ОН)2 [Si4О10]•mН2О;
бейделит (Ка, Na, Н3О) Аl2(ОН) 2 [АlSi3О10]•mН2О;
нонтронит Fе2 (ОН)2[Si8О10]•mН2О.
Для монтмориллонита характерно набухание с увеличением объема в 1,5–3 раза, с этим связаны такие свойства как жирность, липкость, вязкость, пластичность и гигроскопичность.
Вермикулиты (лат. Vermiciular – червеобразный) – магниевые алюмосиликаты, сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Вермикулит (Mg, Fе2+,Fе3+)3 (ОН) 2 [(Аl, Si) 4О10]•4Н2О. Цвет бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый, реже зеленоватый. Способны к набуханию, ЕКО около 100 мг-экв. Так его назвали, потому что при нагревании он увеличивается в объеме в 20–30 раз, его частички удлиняются, червеобразно изгибаются и скручиваются.
В группу каолинита входит сам каолинит (наиболее распространен), диккит, накрит: Аl2(ОН)4[Si2О5]. Их структура состоит из двухслойных пакетов, Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, сплошные массы белые. Он не набухает, доступ воды в межпактеное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Он не содержит щелочных и щелочноземельных оснований. Очень дисперсен, свободно мигрирует в суспензиях. Набухает слабо, у него невысокие плотность, липкость, связность и гидрофильность.
Галлуазит встречается в виде гелеподобных масс, белый, по свойствам близок к каолиниту, но более гидратирован, имеет расширяющуюся кристаллическую решетку.
Гидрослюды (иллит) – гидратированные формы слоистых минералов с морфологическим чешуйчатым строением. Но в отличие от монтмориллонита, связь между пакетами прочная и вода в них не проникает. Гидрослюды – важный источник калия. Они гидрофильны, липки, связны, набухают меньше монтмориллонита.
Гидробиотит (К, Н3О) (Mg Fе)3(ОН) 2[(Аl,Si) 4О10]•mН2О.
Гидромусковит (К, НзО)Аl (ОН)2 [(Аl,Si) 4О10]•mН2О.
Глауконит К(Fе3+ Аl, Fе2+, Mg) 2(ОН) 2 [Аl, Si3О10]•mН2О.
Хлориты – минералы близкие к слюдам. Кристаллическая решетка – из четырех слоев. Это смешаннослойные минералы с правильным чередованием слоев. Решетка их не набухает, стабильна.
Минералы гидроокисей и окисей кремния, алюминия, железа, марганца образуются в аморфной форме при выветривании первичных минералов. Гидроокись кремния SiО2 •mН2О по мере старения переходит в твердый гель опал с той же формулой и с содержанием воды 2–30 %, затем, теряя воду, в кристаллические формы халцедона и кварца SiО2. Гидроокись Mn кристаллизуется в виде пиролюзита МnО2, псиломелана mМnО и МnО2•mН2О.
Гидраты полутораокисей Аl2О3•mН2О, Fе2О3•mН2О кристаллизуясь, образуют вторичные минералы: бемит Аl2О3•Н2О, гидраргилит (гиббсит) Аl2О3•3Н2О или Аl (ОН)3 гематит Fе2О3, гетит Fе2О3•mН2О, гидрогетит Fе2О3 •m 3Н2О. Эти минералы обволакивают пленками агрегатное скопление глинистых минералов, встречаются в виде конкреций. Они не обладают поглотительной способностью, липкостью, не набухают (Вальков и др., 2006).
Цеолиты – щелочные и щелочноземельные алюмосиликаты. Они образуются в пресноводных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверхность они остаются в почве как унаследованные от породы.
Твердая фаза почвы состоит из механических элементов различного происхождения.
Растворимые минералы – компоненты почвенного раствора. Формы соединений – истинно молекулярные и ионные растворы, ассоциации ионов и коллоидные золи. Важнейшие катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4,+ H+, Al3+, Fe2+. Среди анионов преобладают: HCO3-, CO32-, NO3-, NO2-, Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO42-.
Механические элементы – разнообразные по величине обломки минералов и горных пород, органические и органо-минеральные соединения. К ним не относят кристаллы льда и биоту.
Их почвы наследуют от породы, в процессе почвообразования они изменяются, так как в почве постоянно происходят следующие явления: дробление, растворение, гидролиз, осаждение, гумификация, перемещение тонких механических элементов вниз по профилю. В России принята классификация механических элементов почв, разработанная Н. А. Качинским (табл. 8).
Классификация механических элементов почв по размеру
Диаметр элементов, мм
Скелет почвы, камни
Скелет почвы, гравий
Мелкозем почвы: песок
Генетическое и экологическое значение скелетности почв
Скелетные (каменистые и щебнистые) почвы – свидетельство «молодости» развития почвенного покрова на территории, результата экзогенных процессов (эрозия, дефляция, оползни). Сухой и холодный климат, горный и пересеченный рельеф благоприятствуют развитию покрова со скелетными почвами. Галечниковый скелет морского и речного происхождения может иметь любой геологический возраст.
Скелетные почвы представлены зональными неполноразвитыми подтипами черноземов, серых и бурых лесных, коричневых почв, желтоземов.
Скелет почвы может быть различного происхождения: известняковый, мергелистый, гранитный, сланцевый, кварцитовый, галечниковый. Это придает почвам особую экологическую специфику. Рост доли скелета приводит к снижению мелкозема в почве, запасов питательных веществ и продуктивной влаги, в итоге – к истончению мощности корнеобитаемого слоя и снижению плодородия.
Генетическое и экологическое значение структуры почв Структура почвы – взаимное расположение структурных отдельностей (агрегатов) определенной формы и размеров. В значительной степени экологическая оценка почв определяется структурным состоянием, в первую очередь, количеством и качеством зернистой и мелкокомковатой структуры. Наличие подобных агрегатов – залог оптимальных условий развития корневых систем растений и существования почвообитающих животных. Аэробные микроорганизмы успешно развиваются в межагрегатной среде, анаэробные – в массе самих агрегатов.
Почвенные горизонты состоят из агрегатов, структурных отдельностей определенной формы и размеров. Структурные агрегаты сформированы из механических элементов фракций пыли и ила. Они удерживаются в сцепленном виде в результате коагуляции коллоидов, склеивания, слипания, остаточных валентностей и водородных связей, адсорбционных и капиллярных явлений в жидкой фазе, а также с помощью корневых тяжей, грибов и слизи микроорганизмов. Одним из основных качественных признаков почв является размер агрегатов
По размерам выделяют три группы:
• макроагрегаты, размер части более 10 мм,
• микроагрегаты (меньше 0,25).
В агрономическом смысле почва считается структурной, если комковато-зернистые водопрочные агрегаты размером от 10 до 0,25 мм составляют более 55 %. Их называют агрономически ценными. Они обладают водопрочностью, противостоят размывающему действию воды, обеспечивают оптимальный водно-воздушный режим почв.
Структурные почвы отличаются хорошей аэрацией (газообмен с атмосферным воздухом), быстро впитывают осадки, медленно испаряют влагу. Им свойственна высокая микробиологическая активность, они легко поддаются обработке.
При бесструктурном состоянии механические элементы почвы существуют раздельно или залегают в виде сплошной массы. У таких почв низкая водопроницаемость, воздухопроницаемость. Разрушение структуры почвы происходит под влиянием механического воздействия (машинная деградация, пастбищная нагрузка), изменения физико-химической обстановки (осолонцевание, содовое засоление).
Экологическое значение гранулометрического состава почв
Гранулометрический состав – относительное содержание в мелкоземе почвы твердых частиц (механических элементов, фракций) разной величины. В основу классификации почв по гранулометрическому составу положено соотношение физического песка (частицы размером крупнее 0,01 мм) и физической глины (менее 0,01 мм). Более детальное разделение фракций: песок (1–0,25 мм), пыль (0,25–0,001 мм), ил (меньше 0,001 мм).
Гранулометрический состав – важнейшая характеристика почвы. От нее зависят многие ее свойства и плодородие. Он оказывает существенное влияние на воздушные и тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, элементов питания. Размеры частиц отражают различия в свойствах гранулометрических фракций.
Песчаные и супесчаные почвы легко поддаются обработке и их называют легкими и одновременно «теплыми». Они быстрее оттаивают и прогреваются, в них механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии. Тяжелосуглинистые и глинистые почвы – тяжелыми и «холодными».
Песчаная фракция (1–0,25 мм) состоит из обломков разных горных пород и минералов, в ней преобладают кварц и полевые шпаты. Пески имеют высокую водопроницаемость, свободно фильтруют воду, не набухают, не пластичны. Эти свойства используют при заполнении выемок, канав, траншей, где недопустима усадка грунта.
Фракция крупной пыли (0,25–0,001 мм) по минералогическому составу мало отличается от песчаной, не пластична, слабо набухает.
Средняя пыль (0,01–0,005мм) содержит много слюды, которая придает ей пластичность и связанность. Средняя пыль дисперсная, лучше удерживает влагу, чем предыдущие фракции, слабо водопроницаема. Для частиц этой фракции характерна неспособность к коагуляции и структурообразованию. Почвы, в которых эта фракция преобладает, легко распыляются, склонны к уплотнению и образованию сплошной корки.
Тонкая пыль (0,005–0,001 мм) отличается высокой дисперсностью. Кусочки горной породы отсутствуют, характерно наличие минералов. Заметно резкое уменьшение кварца. Появляются свойства, не присущие крупным фракциям: способность к коагуляции и структурообразованию. Фракция может содержать органические вещества.
Ил (менее 0,001 мм) состоит преимущественно из глинистых минералов, гумусовых и органо-минеральных веществ. В нем содержатся питательные элементы. Илистые частицы обладают огромной поверхностной энергией. Илистая фракция – основной участник всех процессов, происходящих в почве, ее называют плазмой почвы. В ней сосредоточены почти весь гумус, азот, фосфор.