Лекция №3 - Состав и свойства минеральной части почвы

Лекция №3 – Состав и свойства минеральной части почвы

1. Происхождение минеральной части почвы

2. Минералогический состав почв: первичные, вторичные минералы и их роль в плодородии почв

3. Гранулометрический состав почв и пород и его значение.

Литература:

1) , и др. Почвоведение с основами геологии. – М: Колос, 2000.– 465 с.

2) Ягодин / , , ; под ред. . – 2-е изд, перераб. и доп. – М. : Агропромиздат, 1989. – 639 с.

1 Минеральная часть твердой фазы почвы состоит из частичек первичных и вторичных минералов. Первичные минералы – это минералы, перешедшие из земной коры в почву в неизменном виде.

Из первичных алюмосиликатных минералов наиболее распространены:

– полевые шпаты

калиевые –ортоклазы –

натриево-кальциевые  (плагиоклазы) смеси:

анортита –

альбита –

– слюды

Мусковит –

Биотит –

Флогопит –

Полевые шпаты и слюда, постепенно разрушаясь, служат источником калия,  кальция,  магния,  железа  и других элементов  питания для  растений.

В процессе химического выветривания из первичных минералов образуются вторичные с измененным химическим составом и физическим состоянием. Вторичные минералы могут быть в виде простых солей, гидроксидов, оксидов и глинных минералов.

Наиболее распространенные реакции при химическом выветривании:

1. Растворение:

2. Окисление (оксидация)

3. Гидролиз:

4. Гидратация:

5. Дегидратация:

6. Оглинивание (образование глинных минералов)

Простые соли (сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия, натрия) могут быть непосредственными источниками питания для растений.

Наибольшее значение представляют вторичные глинистые минералы. Они обеспечивают поглотительную способность почв

Вторичные минералы объединяют в следующие группы:

– монтмориллонитовая

Монтмориллонит –        

Бейделлит –        

Монтмориллонитовые глины характеризуются высокой дисперсностью, обладают высокой набухаемостыо, липкостью и вязкостью. Преобладают в дерново-подзолистых и черноземах на покровных суглинках.

– каолинитовая

Каолинит –        

Галлуазит –        

Каолинитовые глины менее дисперсны, чем монтмориллонитовые, имеют небольшую набухаемость и липкость. Преобладают в красноземах и желтоземах, а также в дерново-подзолистых почвах, образовавшихся на граните.

– Гидрослюды

гидромусковит (иллит) –

гидробиотит –        

вермикулит –        

Кристаллическая решетка глинистых минералов построена из кремнекислородных тетраэдров, состоящих из атомов кремния и кислорода, и алюмогидроксильных октаэдров, состоящих из атомов алюминия, кислорода и водорода, расположенных относительно друг друга в определенном порядке.

Кремнекислородный тетраэдр	Алюмогидроксильный октаэдр

Кремний с кислородом соединен очень прочно, между ними образуется ковалентная связь. Поскольку кремний четырехвалентен, а кислород двухвалентен, то в тетраэдре у каждого из атомов кислорода остается по одной ненасыщенной валентности:

каждый тетраэдр можно рассматривать как четырехзарядный анион (SiO4)4- Избыток отрицательных зарядов может быть нейтрализован присоединением оснований или соединением нескольких тетраэдров вместе.

У вторичных алюмосиликатных (глинистых) минералов кремнекислородные тетраэдры соединены в слои, или «листы», в основе строения которых лежат циклические структуры, образованные из шести кремнекислородных тетраэдров

В таком листе на каждые два иона кремния приходится пять ионов кислорода, т. е. 8 положительных и 10 отрицательных зарядов, что соответствует формуле (Si2O5)2-. У каждого атома кислорода, не участвующего в соединении между собой двух (SiO4)4- тетраэдров, остается свободная валентность. Избыток отрицательных зарядов нейтрализуется в результате соединения кремнекислородного тетраэдрического слоя со слоем, построенным из алюмогидроксильных октаэдров.

	–алюмогидроксильные октаэдры
– кремнекислородные  тетраэдры

В алюмогидроксильных октаэдрах ион алюминия соединен с шестью ионами гидроксила (ОН-), образуются группы [А1 (ОН)6]3-, имеющие правильную восьмигранную, или октаэдрическую, форму.

Так как трехвалентный алюминий окружен шестью ионами гидроксила (ОН-), то октаэдры также имеют ненасыщенные валентности и могут соединяться между собой, образуя другой слой кристаллической решетки минерала – октаэдрический (или гиббситовый). Общая формула такого слоя [A1(OH)3 ]n.

У глинистых минералов кристаллическая решетка образована сочетанием слоев кремнекислородных тетраэдров со слоями алюмогидроксильных октаэдров.

При соединении тетраэдрического и октаэдрического слоев ионы О2- тетраэдрического слоя, расположенные на вершинах тетраэдров, становятся общими, одновременно связанными с ионами Si4+ одного слоя и ионами А13+ другого слоя, т. е. являются «кислородными мостиками», связывающими эти слои. Образующаяся структура («пакет») нейтральна, количество положительных зарядов кремния и алюминия в ней равно количеству отрицательных зарядов кислорода и гидроксила, поэтому свободных валентностей для соединения с основаниями не остается.

В зависимости от типа минерала образуются пакеты из двух или трех слоев, или «листов». Кристаллическая решетка минералов состоит из множества таких пакетов. Между ними имеются свободные межпакетные пространства. Различают два основных типа строения кристаллической решетки глинистых минералов.

У минералов каолинитовой группы пакет кристаллической решетки образован из двух связанных между собой через общие атомы кислорода слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных  октаэдров.

	–алюмогидроксильные октаэдры
– кремнекислородные тетраэдры

У минералов монтмориллонитовой группы пакет кристаллической решетки образован из трех слоев: одного октаэдрического и двух присоединенных к нему тетраэдрических

	– кремнекислородные тетраэдры
– алюмогидроксильные октаэдры
– кремнекислородные тетраэдры

У каолинита расстояние от нижней части одного пакета до нижней части другого пакета равно 0,715 нм, а у монтмориллонита оно больше и может существенно меняться (от 0,94 до 2,14 нм) за счет сокращения или расширения межпакетного пространства. При увлажнении вода входит в межпакетное пространство и монтмориллонит сильно набухает.

В кремнекислородных, тетраэдрических слоях часть ионов кремния (четырехвалентных) внутри тетраэдров может быть изоморфно замещена ионами алюминия (трехвалентными), в результате чего возникают отрицательные заряды и поглотительная способность.

Возникающие отрицательные заряды компенсируются соответствующим количеством К+, Na+, Ca2+ и других катионов. Эти катионы способны к диссоциации и эквивалентному обмену на любые катионы почвенного раствора.

Аналогично в алюмогидроксильных октаэдрических слоях часть трехвалентных ионов алюминия внутри октаэдров может быть замещена двухвалентными ионами магния. В этом случае также возникают отрицательные заряды, которые компенсируются ионами кальция и другими катионами.

Так как межпакетные промежутки у монтмориллонита больше, чем у каолинита, и связь между пакетами менее прочна, компенсирующие отрицательный заряд пакета катионы располагаются не только на внешней поверхности микрокристаллических частиц, но и в межпакетных промежутках.

Отрицательный заряд глинистых минералов обусловливается не только изоморфными замещениями в октаэдрических и тетраэдрических слоях, но частично также кислородными ионами, расположенными на краях слоя из кремнекислородных тетраэдров, которые соединены не с двумя, а с одним ионом кремния, и вторая валентность у них остается свободной для связи с ионом водорода или с основанием.

Обменное поглощение катионов различными минералами ха­рактеризуется следующими цифрами (мг-экв. на 100 г минерала):

Каолинитовые  каолинит 3–15

галлуазит 5–10,

монтмориллонитовые  монтмориллонит – 80–120,

бейделлит 55–65,

гидрослюды  иллит (гидробиотит)–10–40,

вермикулит 100–150.

В почвах, помимо кристаллических коллоидов (глинистых минералов), имеющих отрицательный заряд, присутствуют аморфные коллоиды гидроксидов алюминия и железа. Они обладают амфотерными свойствами: в зависимости от реакции почвенного раствора могут приобретать положительный или отрицательный заряд, т. е. могут вести себя то как основания (базоиды), то как кислоты (ацидоиды). При кислой реакции молекулы гидроксидов алюминия и железа, находящиеся на поверхности коллоидной частицы, диссоциируют как основания, посылая в окружающий раствор ионы ОН-, и приобретают положительный заряд:

При щелочной реакции они ведут себя как кислоты, посылая в окружающий раствор ионы Н+, и приобретают отрицательный заряд;

3. В процессе выветривания горные породы превращаются в рыхлую массу – рухляк, состоящую из частичек различной величины. Эти частицы называют механическими элементами.

Механические элементы по крупности подразделяют на:

Камни – диаметром  > 3 мм

Гравий – диаметром 3–1 мм

Песок крупный – 1,0–0,5 мм

Песок средний – 0,25–0,5 мм

Песок мелкий – 0,05–0,25 мм

Пыль крупная – 0,05–0,01 мм

Пыль средняя – 0,01–0,005 мм

Пыль мелкая – 0,005–0,001 мм

Ил грубый –0,001–0,0005 мм.

Разные механические элементы содержат в своем составе разные минералы и обусловливают разные свойства.

Камни и гравий – состоят из первичных минералов, имеют очень большую водопроницаемость, низкую влагоемкость (<3%)

Фракции песка состоят из кварца и полевых шпатов, имеют высокую водопроницаемость, низкую влагоемкость (3–10%).

Крупная пыль имеет лучшие свойства по сравнению с песком, но заплывает.

Средняя и мелкая пыль состоит из слюд, роговых обманок, вторичных глинистых минералов. Водопроницаемость низкая, влагоемкость высокая.

Ил состоит из высокодисперсных вторичных минералов, гумуса, окислов. Имеет высокую влагоемкость, способность к структурообразованию.

Частицы, крупнее 1 мм называются почвенным скелетом, а элементы <1 мм – почвенным мелкоземом.

Почвенный мелкозем подразделяется на:

– частицы диаметром< 0.01 мм– физическая глина

–частицы диаметром > 0,01 мм – физический песок.

Гранулометрический состав почвы определяется подержанием в почве отдельных фракций механических элементов, выраженных в % от веса сухой почвы.

Классификация почв по гранулометрическому составу основана на соотношении физического песка и физической глины.

– песчаные разновидности содержат 0–10 % физической глины,

– супесчаные –        10–20%

–легкие суглинки        20–30%.

–средние суглинки        30–45 %

–тяжелые суглинки        45–55%

– глинистые        >55 %.

Гранулометрический состав играет важную роль в процессе почвообразования – в супесчаных почвах преобладает элювиальный процесс почвообразования. Глинистые почвы, обладая низкой водопроницаемостью, способствуют заболачиванию.

В земледельческой практике по отношению к механической обработке выделяют почвы легкие (песчаные, супесчаные, легкосуглинистые) и тяжелые (тяжелосуглинистые, глинистые). Нормы выработки и амортизационные отчисления следует снижать на тяжелых почвах, и увеличивать на легких.

Легкие почвы обладают хорошей аэрацией и водопроницаемостью, но плохо удерживают влагу, бедны гумусом и элементами питания.

Теплые почвы (быстро прогреваемые) – супесчаные, песчаные, холодные  (медленно прогреваемые) – тяжелого гранулометрического состава.

Гранулометрический состав нужно учитывать и при обосновании глубины заделки семян – на тяжелых –3–4 см, на среднесуглинистых – 5–6 см, на легких – 7–8 см.

Система удобрения должна строиться с учетом особенностей гранулометрического состава почв.

На легких почвах – органические удобрения заделывают на большую глубину, минеральные удобрения вносят весной при посеве, перед посевом. На легких почвах известь вносят меньшими дозами, чем на тяжелых.

В мелиоративном отношении для осушения территории дрены на легких почвах закладывают на большие расстояния друг от друга.

Устойчивость почв к водной эрозии также определяется гранулометрическим составом – легкие почвы подвержены размыву (оврагообразованию), а тяжелые – смыву (плоскостной эрозии).