Материальная часть почвы Почва – многофазное тело, состоящее из твердой (минеральной и органической), жидкой, газообразной и живой фаз. Жидкая фаза почвы – вода в почве, почвенный раствор, исключительно динамичная по объему и составу часть почвы, заполняющая ее поровое пространство. Содержание и свойства этой фазы зависят от водно-физических характеристик почвы и состояния в данный момент в соответствии с условиями увлажнения и погоды. В холодный сезон влага может переходить в твердое состояние, превращаясь в лед, при повышении температуры часть воды может перейти в газообразное состояние. Жидкая фаза – «кровь почвенного тела», служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как вертикальное либо латеральное перемещение веществ происходит в виде суспензий или растворов.

Фазовый состав почв

Газовая фаза – воздух, заполняющий поры, свободные от воды. Его состав очень динамичен во времени и существенно отличается от атмосферного. Воздуха больше в сухой почве, вода и воздух – антагонисты. Живая фаза – населяющие почву организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования. К ним относятся микроорганизмы, представители микро- и мезофауны, корневые системы растений.

Твердая фаза составляет основу почв, ее матрицу. Это – полидисперсная и поликомпонентная органо- минеральная система. Частички почвы различной степени дисперсности составляют своеобразный скелет почвы, промежутки между которыми заняты воздухом и (или) водой, т.е. в почве одновременно присутствуют все три фазы почвы. Соотношение этих трех фаз имеет решающее значение в создании плодородия почв и условий жизни живых организмов. Отсутствие или уменьшение ниже определенных пределов жидкой или газообразной фаз исключает возможность использования почв для обычных биологических процессов.

Твердая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, с одной стороны, и сложением, структурой и порозностью, с другой стороны. В состав твердой фазы почвы входят почти все элементы, но они отличаются по количеству и содержанию в минеральной и органической части почв. В твердой части почвы содержатся основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99 % массы) и органической частей (1–10 %). Минеральная часть почвы в свою очередь на 90 % состоит из трех элементов: кислорода, кремния и алюминия. Углерод, водород, кислород, фосфор и сера содержатся в почве как в минеральной, так и органической части. Азот почти целиком содержится в органической части, калий – только в минеральной части почвы.

Химический состав твердой фазы почвы в % (кларк): 49О, 33 Si, 7,1Al, 3,8 Fe, 1,4 Ca, 1,4 K, 1,0Н, 0,6Mg, 0,6 Na, 0,46 Ti, 2,0 C, 0,09 S, Mn, 0,08 P, 0,1 N… Почвы содержат также значительное количество микроэлементов и ультрамикроэлементов, также важных для почвенных процессов и жизни растений. С, О, Н, N используются для построения клеток растений, многие другие нужны для выполнения различных частных функций. Химический состав почвы в значительной степени наследуется от почвообразующих пород. Химические показатели могут отражать свойства почв (химический состав, содержание подвижных форм элементов, реакция среды, ОВП) и проявление почвообразовательных процессов (соотношение SiO2/R2O3, C/N). Для характеристики условий развития растений используют и показатели запасов тех или иных веществ или элементов в определенном слое почв (в т/га или кг/га).

По минеральному составу в сформировавшейся почве наряду с первичными (унаследованными от породы) мы находим и вторичные минералы – результат химического выветривания, а также органо-минеральные соединения – результат деятельности живых организмов. Минерал – это однородное в химическом отношении тело, обладающее постоянством химического состава и определенными физическими свойствами. По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. Большинство минералов аморфны. Кристаллы ряда минералов анизотропный, т.е. различаются по своим свойствам в различных направлениях (твердость, теплопроводность и электропроводность и др.). В горных породах минералы встречаются в определенных сочетаниях различными группами, образовавшимися в однородных условиях. Всего известно более 2000 минералов, 230 – породообразующие. 60 % - полевые шпаты, 17 – силикаты, 12 – кварц, примерно по 4 % - слюды, рудные и иные минералы.

Минеральный состав почв существенно различается по размерам механических элементов. Решающую роль в хозяйственной деятельности человека играют почвы, состоящие в значительной мере из высокодисперсных частиц. В почвенных частицах более 0,001 мм (ил) преобладают первичные минералы, особенно алюмосиликаты и силикаты, содержание которых в земной коре составляет около 85%. Главными составными их частями являются кислород, кремний, алюминий. Преимущественно это – полевые шпаты. К первичным относятся также мусковит, флогопит, серицит, кварц, слюды, карбонаты. Среди илистых частиц преобладают вторичные минералы, важнейшими признаками которых является их дисперсность, кристаллохимическая природа, что имеет следствием высокую адсорбционную способность и пластичность.

92% общей массы изверженных пород состоит из 4-х групп минералов: полевых шпатов, роговых обманок и пироксенов, кварца и слюды. Наибольшей механической прочностью обладает кварц, затем следуют полевые шпаты, роговые обманки и пироксены, слюды. В связи с этим при физическом выветривании они дробятся с различной скоростью. Более прочные будут разрушаться медленнее и сохраняться в виде более крупных частиц. Менее прочные минералы будут дробиться сильнее и быстрее переходить в более мелкие гранулометрические фракции. По мере перехода к более мелким фракциям содержание кварца и полевых шпатов уменьшается, и увеличивается содержание менее прочных минералов (табл. 5.1).

Гранулометрический состав минералов озерно-гляциального суглинка. Группа Содержание минералов (в % от веса) минералов 1-0,25 0,25- 0,05 0,05- 0,01 0,01- 0,005 < 0,005 Кварц Полевые шпаты Слюда Роговые обманки Прочие -3436

Строение кристаллической решетки минералов в значительной степени зависит от объема составляющих ее ионов Образование устойчивой структуры происходит при условии, что каждый катион соприкасается с окружающими его анионами. Число ионов противоположного знака, окружающих данный ион называется координационным числом. Величина координационного числа зависит от соотношения радиуса ионов

Отношение радиуса катиона к радиусу аниона определяет не только его координационное число, а также форму кристаллической решетки и характер элементарной ячейки. (кремнекислородный тетраэдр)

Листы, как у слюды, образуются в том случае, когда тетраэдры соединяются друг с другом тремя вершинами и образуют сетку гексагональной (шестиугольной) формы в виде плоского слоя. При этом по каждой стороне имеются ионы кислорода со свободной валентностью, направленной в одну сторону. Каждый слой соединяется с последующим, что придает слюдам пластичность. В случае, когда кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой таким образом, что каждый из четырех кислородных ионов принадлежит двум тетраэдрам, получается структура, не имеющая свободных ионов кислорода. Подобную структуру имеет кварц (SiO2)n, который отличается большой прочностью.

Такая же форма трехмерных каркасов характерна и для полевых шпатов, однако в некоторых из тетраэдров Si заменен Al3+. В результате такого замещения (изоморфного) образуется алюмокислородный комплекс (AlO4)5ˉ. Он несет на единицу больший отрицательный заряд, чем SiO4, который компенсируется тем или иным катионом. Этим можно объяснить химический состав алюмосиликатов, к которым принадлежат полевые шпаты: альбит Na[Al,Si3O8], анортит Ca[Al2Si2O8] и др. В альбите из четырех ионов Si один замещен на Al3+, возникший отрицательный заряд компенсирован Na. В анортите из четырех ионов Si4+ два иона замещены на Al3+, два отрицательных заряда компенсируются Ca2+.

Глинистые минералы подразделяют на 4 основные группы: каолинита – диоктаэдрические слоистые алюмосиликаты жесткой кристаллической решетки, не набухающие, имеющие ЕКО до 25 смоль/кг; их много в тропиках и субтропиках; гидрослюд (элита) – трехслойные алюмосиликаты сне расширяющейся решеткой, содержащие 6-8% К2О, имеющие ЕКО смоль/кг; к ним близок вермикулит, имеющий ЕКО до 100 смоль/кг; монтмориллонит (смектита) – трехслойные алюмосиликаты с сильно расширяющейся решеткой, отличающиеся очень высокой дисперсностью, имеющие ЕКО смоль/кг; характерно много изоморфных замещений, их много в нейтральных почвах (черноземы, каштановые, солонцы); смешаннослойные – минералы с неоднородным составом; они составляют 30-80% всех глинистых минералов в почвах умеренного пояса, часто сочетание хлорита с вермикулитом.

Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление. Гидратация - это притяжение молекул воды к поверхности минералов. Вследствие полярности молекул воды она представляет собой диполь. При измельчении минералов часть зарядов ионов кристаллической решетки высвобождаются, к ним притягиваются молекулы воды тем конусом, который имеет противоположный заряд. Диполи воды стремятся выдернуть ионы из кристаллической решетки минерала, вследствие чего происходит ее расшатывание и разрыхление. Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н+ - ионы воды. Схематически данная химическая реакция для полевого шпата описывается следующим образом: КАlSi2O8 + H2O = KOH + HAlSi2O8 Присутствие в минералах Fe2+ также способствует выветриванию, так как окисление Fe2+ до Fe3+ приводит к изменению объемов, занимаемых ионами в кристаллической решетке, что вызывает в конечном итоге ее разрушение.

Минералы группы каолинита имеют двухслойную кристаллическую решетку, которая состоит из двух слоев: слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно- гидроксильных октаэдров.

Монтмориллонит состоит из трехслойных пакетов: октаэдрический слой заключен между двумя тетраэдрическими.

Из глинистых минералов в почвах большое место принадлежит группе гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие Кристаллическая решетка элита построена так же, как и у монтмориллонита. Разница состоит в том, что в тетраэдрах часть Si4+ (до 1/4) замещена Al3+. При этом образовавшийся отрицательный электрический заряд компенсируется ионом К+, который прочно связывает пакеты между собой. Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует.

Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов: 1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.), 2) сочетание первичных минералов, 3) температуры, 4) влажности, 5) реакции среды, 6) условий выноса продуктов выветривания, 7) жизнедеятельности организмов.

Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Поэтому более древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования, содержат относительно много минералов группы каолинита, гибсита и гетита, которые являются конечными продуктами выветривания. Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, а теплый и влажный - ускоряет. В условиях промывного режима происходит вымывание щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема, и, как следствие, из гидрослюд и монтмориллонита образовывается каолинит и галлузит.

Основная масса рыхлых пород состоит из относительно небольшого числа минералов. Из группы первичных минералов в состав почвообразующих пород входят кварц, полевые шпаты, слюды и роговые обманки, из вторичных - слоистые алюмосиликаты всех групп, оксиды и гидрооксиды железа и алюминия.

В различных гранулометрических фракциях преобладают различные минералы в песках содержатся в основном, первичные минералы (кварц, полевые шпаты), в глинах - вторичные, в суглинках - смесь первичных и вторичных. Минералогический состав илистой фракций (< 0,001 мм) резко отличается от состава более крупных фракций. Из первичных минералов в этой фракции встречается главным образом кварц, который из-за химической устойчивости может сохраниться в виде очень мелких частиц, другие минералы этой группы присутствуют в очень малых количествах. В данной фракции сосредотачивается основная масса вторичных алюмосиликатов - монтмориллонит, каолинит, иллитовые минералы, вермикулит.

Состав литосферы значительно отличается от состава почвы Литосфера почти на половину состоит из кислорода – 47,2%, второе место занимает Si – 27,6%, потом Al – 8,8% и Fe – 5,1%. Калий, кальций, магний составляют по 2-3%, остальные химические элементы составляют менее 1%. Почвы, по химическому составу, значительно отличаются от литосферы. В них более высокое среднее содержание О и Н, в 20 раз больше С, в 10 - N, меньше, чем в литосфере - Al, Fe, Ca, Na, K и Mg. Состав почв относительно почвообразующих пород более динамичен.

Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, в весовых % (по Виноградову, 1950) Элемент ы Литосфе ра Почва Элемент ы Литосфе ра Почва O47,249,0C(0,1)2,0 Si27,633,0S0,090,085 Al8,87,13Mn0,090,085 Fe5,13,8P0,08 Ca3,61,37N0,010,1 Na2,640,63Cu0,010,002 K2,61,36Zn0,005 Mg2,10,6Co0,0030,0008 Ti0,60,46B0,00030,001 H(0,15)?Mo0,0003

Дисперсность почвы обычно характеризуется гранулометрическим составом. гранулометрический состав во многом определяется минеральным составом породы, так как разные минералы не одинаково поддаются выветриванию. Так, кварц наиболее устойчивый минерал, поэтому обычно он накапливается в крупных фракциях, полевые шпаты преобладают в среднем песке. Существуют также классификации почв по гранулометрическому составу, учитывающие содержание трех фракций: песка (1(2)0,05 мм), пыли (0,05-0,001 мм) и глины (ила). В классификации, принятой в Беларуси, построенной на основании содержания физической глины, выделяют две фракции. На последнее место ставят преобладающую фракцию. Наименьшую по содержанию фракцию в название не включают. Почва, содержащая 32 % физической глины, 20 % ила, 25 % пыли и 55 % песчаной фракции называется пылевато-песчанистый средний суглинок. В зарубежной литературе используют несколько другую, более подробную, классификацию почв по гранулометрическому составу, построенную на содержании пыли, песка и ила.