Минеральная часть почвы — основная составляющая почв.
Минеральная часть почвы возникла в ходе процессов выветривания горных пород и минералов верхних слоев литосферы и их превращений. Это подтверждается схожим химическим составом литосферы и почв. Почвенный покров образовался под совокупным влиянием на минеральную природу физических и химических факторов, а также живых организмов, прежде всего растений и микроорганизмов.
Геохимический состав почвы наследуется от почвообразующих пород. Так, высокое содержание оксида кремния определяет высокое содержание его в почве. На карбонатных породах образуются почвы, обогащенные щелочноземельными элементами.
Биологических фактор почвообразования
Благодаря деятельности живых организмов в почве по сравнению с земной корой содержание углерода увеличилось в 20 раз, азота — в 10 раз.
Почвообразование в естественных условиях протекает очень медленно. Применение удобрений и агротехнических приемов позволяет ускорить этот процесс. Так, внесение удобрений усиливает жизнедеятельность растений и почвенной микрофлоры, что приводит к накоплению органических веществ и биологически важных элементов.
Силикаты и алюмосиликаты
По химическому строению минералы делятся на силикаты и алюмосиликаты. Из силикатов для всех типов почв во фракциях песка и пыли преобладает кварц — SiO2, характеризующийся низкой поглотительной способностью и высокой водопроницаемостью. В почвах его содержание, как правило более 60%, в песчаных — более 90%. Кварц химически инертен, отличается высокой прочностью.
Основой минеральной части почв составляют кремнекислородные соединения. Самый распространенный почвенный минерал — кварц, или оксид кремния. Алюминий и железо преимущественно входят в состав алюмосиликатных и ферросиликатных минералов. Атомы кремния и кислорода образуют прочносвязанные группы SiO4, имеющие тетраэдрическую структуру. В связи с четырехвалентностью кремния, группы SiO4 могут образовывать между собой различные сложные комбинации соединения.
В структурах минералов тонкодисперсных фракций почв кремнекислородные тетраэдры могут соединяться в слои, цепочки или отдельные группы тетраэдров SiO4. Суммарная степень окисления этих групп отрицательна. В сложных сочетаниях кремнекислородных тетраэдров часть атомов кремния может замещаться атомами алюминия.
В кристаллической решетке кварца тетраэдры SiO4 соединены между собой посредством атомов кислорода с четырьмя другими тетраэдрами SiO4. Общая формула кварца (SiO2)n. В кристаллической структуре полевых шпатов часть атомов кремния замещена на алюминий. Для компенсации возникающего отрицательного заряда кремнеалюмокислородного каркаса в их состав включаются атомы натрия, кальция и других, встраивающиеся в «полостях» решетки. Так, полевой шпат альбит имеет формулу Na[SiAlO8].
Алюминий в тетраэдрической координации с ионами кислорода или гидроксильной группы ОН образует октаэдрические группы, где атом алюминия окружен шестью атомами кислорода или гидроксильной группами. Формула такого соединения (слоя) [Аl(ОН)3]•n соответствует минералу гиббситу (гидраргиллиту).
Структуру таких минералов можно представить следующим образом:
…[(ОН)ЗАl2(ОН)З]•n…[(ОН)3Al2(ОН)3]•n…[(OH)3Al2(OH)3]•n.
Формуле отражает химический состав слоя (пакета), а точки — межпакетные промежутки.
Минеральная часть почв состоит из первичных и вторичных минералов. В песчаных и супесчаных почвах в основном преобладают первичные минералы, суглинистые почвы состоят из первичных и вторичных минералов, а глинистые — преимущественно из вторичных с примесью кварца. Разделение минералов на первичные, то есть с размером частиц более 0,001 мм и вторичные менее 0,001 мм условно, так как последние являются продуктами физико-химического выветривания первичных и образования при этом гидратов полуторных оксидов кремнезема и иных соединений.
В процессе выветривания гидролиз полевого шпата и слюды приводит к замещению катионов металлов в кристаллических решетках минералов на ионы водорода:
Физико-химическое выветривание нераздельно от биологического преобразования пород и минералов под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Первичные минералы почвы
Первичные минералы почвы — минералы, перешедшие из земной коры в почву без изменения своей структуры. К ним относятся минералы почвенного скелета:
- кварц и его разновидности,
- полевые шпаты: ортоклазы, плагиоклазы, слюды, роговые обманки, авгит, турмалин, магнетит, кальцит, доломит и др.
Первичные минералы почвы входят в состав материнских почвообразующих пород, образовавшихся в результате выветривания и разрушения горных пород. В почвах они присутствуют в виде песчаных частиц размером от 0,05 до 1,0 мм и пылеватых частиц размером от 0,001 до 0,05 мм. В небольшом количестве присутствуют в виде илистых размером менее 1 мкм и коллоидных размером менее 0,25 мкм частиц.
Из первичных минералов под влиянием физико-химических процессов, таких как гидратация, гидролиз, окисление и жизнедеятельности почвенных организмов образуются гидраты полуторных оксидов и кремнеземы, минеральные соли, а также вторичные минералы.
При разрушении полевых шпатов и слюд высвобождается калий, кальций, магний, железо и некоторые другие питательные элементы для растений.
Вторичные минералы почвы
Вторичные минералы, или минералы глин, — каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др. В основном представлены в виде илистых и коллоидных частиц, реже в виде пылеватых частиц.
В кристаллических решетках алюмосиликатных минералов мелкодисперсной фракции почв лежат комбинации кремнекислородных тетраэдрических и алюмогидроксильных октаэдрических слоёв.
Кристаллическая решетка каолинита образована пакетами из двух слоев, связанных между собой атомами кислорода: тетраэдрического кремнекислородного и октаэдрического алюмогидроксильного:
…[O3Si2O2(OH)Al2(OH)3]•n…[O3Si2O2(OH)Al2(OH)3]•n.
Кристаллические решетки монтмориллонита и гидрослюд образованы одним алюмогидроксильным слоем и двумя присоединёнными к нему кремнекислородными:
[O3Si2O2(OH)Al2OHO2Si2O3]•n…[O3Si2O2(OH)Al2OHO2Si2O3]•n.
Связь между пакетами у минералов каолинитовой группы сильнее, а межпакетные пространства небольшие. Поэтому взаимодействие микрокристаллических частиц с водой протекает только на внешней поверхности.
У минералов монтмориллонитовой группы межпакетные пространства больше, а связь между пакетами слабее, поэтому молекулы воды могут проникать в межпакетные пространства. В катионном обмене с почвенным раствором минералов этой группы принимают участие катионы, расположенные на поверхности частиц и находящиеся в межпакетных промежутках. Этим объясняется высокая обменная поглотительная способность минералов монтмориллонитовой группы и наличие необменного поглощения катионов. Эта группа характеризуется высокой дисперсностью, набухаемостью, липкостью и вязкостью.
Почвенные глинистые минералы разделяются на:
- монтмориллонитовые (монтмориллонит — Al2Si4O10(OH)2·nН2O, бейделлит — Al3Si3O9(OH)3·nH2O, нонтронит, сапонит, соконит и др.).
- каолинитовые (каолинит — Al2Si2O5(OH)4 и галлуазит Al2Si2O5(OH)4·2Н2O),
- гидрослюды (гидромусковит (иллит) (К,Н3O)Аl2(OН)2[Аl,Si]4·nН2O, гидробиотит, вермикулит),
- минералы полуторных оксидов (гематит, бемит, гидраргиллит, гётит и др.).
Наибольшей поглотительной способностью обладают монтмориллонитовые минералы, наименьшей — каолинит. Так, емкость поглощения каолинита в 8-15 раз меньше емкости поглощения монтмориллонита. Эта особенность имеет значение в поглощении удобрений.
Монтмориллонит — Мg3(OН)4[Si4O8(OН)2]·Н2O — характеризуется высокой дисперсностью: 40-50% коллоидных (размер менее 0,0001 мм) и 60-80% илистых (размер менее 0,001 мм) частиц. Преобладает в черноземах. Из-за высокой дисперсности емкость поглощения достигает 120 мг-экв/100 г, при увлажнении набухает. В межплоскостное пространство кристаллической структуры могут проникать катионы (К+, NH4+, Na+, Са2+ и др.), которые при дегидрации (подсушивании) почвы фиксируются и становятся недоступными для растений до следующего насыщения влагой.
Вторичные алюмосиликатные минералы находятся в почве в виде мелкодисперсных кристаллов и характеризуются высокой поглотительной способностью.
Группа каолинитов менее дисперсна, обладает небольшой набухаемостью и липкостью, емкость поглощения — не более 25 мг-экв/100 г почвы, размер частиц менее 0,001 мм, водопроницаемость хорошая.
В дерново-подзолистых и черноземных почвах, сформированных на покровных суглинках, в составе высокодисперсных фракций преобладают монтмориллонит и гидрослюды. В красноземах, желтоземах и дерново-подзолистых почвах, сформировавшихся на продуктах древнего гумидного выветривания гранита, содержание минералов каолинитовой группы значительно выше.
Гидрослюды образуются из слюд, имеют непостоянный химический состав, по физическим свойствам занимают промежуточное положение между монтмориллонитом и каолинитом. Гидрослюды присутствуют во всех почвах в илистой и коллоидной фракциях. Из-за высокой дисперсности обладают большой поверхностью и поглотительной способностью.
Слюды определяют агрохимические и агрофизические свойства почвы. Являются источником калийного питания растений, в их состав входит до 5-7% калия. Энергия коллоидного поглощения калия большая, вследствие чего в поглощающем комплексе его содержится 0,510 ммоль/100 г почвы. Красноземы и латериты вследствие небольшого содержания слюд и гидрослюд и избытком минералов каолинитов группы с низким содержанием калия, отличаются дефицитом калия.
К слабо окристаллизованным минералам, существенно влияющих на поглотительную способность почв, относятся аллофан, свободная кремнекислота, различные кислоты и их соли. В состав минеральной части почвы входят аморфные вещества: гидраты оксидов алюминия Al2O3 • nН2O, железа Fe2O3 • nН2O и кремния SiO2 • nН2O. Наибольшее их содержание отмечается в красноземах и желтоземах. В изоэлектрических точках этим вещества образуют аморфные осадки, которые по мере старения образуя новые минералы:
Минеральные соли
В почве содержатся минеральные соли: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия, марганца. Все нитраты и хлориды, а также соли калия и натрия хорошо растворимы в воде, но их содержание в почвах (за исключением засоленных) относительно небольшое. Малорастворимые соли (карбонаты кальция, магния и сульфат кальция) встречаются в составе твердой фазы в некоторых почвах в значительных количествах, а нерастворимые — фосфаты кальция, магния, железа и алюминия — во всех почвах.
Таблица. Содержание микроэлементов в почве и литосфере, масс. %
| Марганец | Медь | ||||
| Фтор | Цинк | ||||
| Вольфрам | Кобальт | ||||
| Бор | Молибден | ||||
| Никель | Йод | ||||
В почве кроме макроэлементов присутствуют микроэлементы. Основным их источником в почве служат почвообразующие горные породы. Так, почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, то есть гранитах, липаритах, гранито-порфирах, бедны никелем, кобальтом, медью. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания основных пород (базальтах, габбро), напротив, обогащены этими элементами.
Некоторые микроэлементы, например, йод, бор, фтор, селен, мышьяк могут поступать в почву из атмосферного воздуха, вулканических извержений и осадками. Для йода и фтора эти источники являются основными.
Литература
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
