Ковда В.А., Розанов Б.Г. (ред.) Почвоведение. Часть 1 Почва и почвообразование

Подождите немного. Документ загружается.

ют аморфные гидроксиды и органоминеральные соединения при

отсутствии вновь образованных глинистых минералов (В. О. Тар¬

гульян, 1971). В тропических почвах глинистые минералы могут

образовываться за сравнительно короткий срок. Так, например,

глинистые минералы группы гидрослюд и монтмориллонита были

обнаружены, хотя и в небольшом количестве, в почвах на элювии

лавы вулканов тропической зоны 300- и 1000-летнего возраста

(Н. И. Горбунов, 1974).

Влияние условий среды на формирование глинистых минера-

лов четко может быть прослежено только при образовании почв

на элювии изверженных пород.- Однако подавляющая часть почв

формируется на дериватах плотных осадочных пород и рыхлых

почвообразующих породах, в которых глинистые минералы могли

образоваться еще до наложения современного почвообразова-

ния.

Рис. 12. Минералогический состав почв

разного гранулометрического состава

(по Д. Шредеру, 1978):

а - песчаная почва на дюнных песках

б — суглинистая почва на лессе; в — гли¬

нистая почва на аллювии; 1 — каолинит,

2 — монтмориллонит, 3 — иллит и пере¬

ходные минералы; 4 — слюды, 5 — поле¬

вые шпаты; 6 — кварц, 7 прочие ми¬

нералы

Кроме того, и в случае почвообразования на элювии магматиче-

ских пород глинистые минералы могли образоваться в процессе

поствулканической гидротермальной переработки исходных по-

род, переходя в мелкозем при их разрушении (В. Н. Разумова,

1977, Б. П. Градусов, В. В. Иванов, 1983).

Определенные трудности в изучении распространенности от-

дельных групп глинистых минералов по различным типам почв

и профилю почвы создаются отсутствием точных методов количе-

ственного учета содержания глинистых минералов, по мере

совершенствования этих методов могут вскрыться и отличия в

содержании этих минералов в зависимости от типа почвообразо-

вания и различных почвенных процессов.

Минералы гидроксидов железа и алюминия. Из них наиболь-

шее значение имеют гематит и гетит из минералов группы железа

и гиббсит из минералов группы алюминия. Минералы этих групп

встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых почв,

желтоземах и красноземах; в значительных количествах гетит и

гиббсит присутствуют в ферраллитных и железистых почвах, где

они образуются из аморфных гидратов оксидов железа и алю-

миния при их кристаллизации. Присутствие пленок из тонкодис-

персных минералов гидроксидов железа на поверхности почвен-

ных агрегатов делает их более влагоемкими, минералы этой

группы могут связывать в малоподвижных формах значительное

количество фосфорной кислоты. Для диагностики минералов

гидроксидов железа и алюминия основным методом является

термический

Аллофаны. Они образуют самостоятельную группу вторичных

минералов Формирование этих минералов в почвах может быть

обусловлено взаимодействием кремнекислоты и гидроксидов алю-

миния, высвободившихся при разрушении первичных и вторич-

ных минералов, а также из золы растительных остатков. Присут-

ствие в почве аллофанов повышает емкость ее поглощения, но

увеличивает гидрофильность, липкость, набухаемость почв.

Минералы-соли встречаются в виде примесей к глинистым

минералам главным образом в почвах аридных и семиаридных

зон. (Следует учитывать, однако, что иногда в почвах могут

присутствовать минералы-соли, являющиеся по своему проис-

хождению первичными.) Значительная часть минералов-солей

при высокой влажности почвы растворяется, насыщая почвенный

раствор, а при высыхании они опять выпадают в осадок, форми-

руя твердую фазу почв

Наиболее широко распространенными минералами-солями в

почвах являются карбонаты: кальцит, люблинит, арагонит —

СаСО

; доломит — СаСО

•MgCO

; сода — Na

•10Н

О; тро-

на— NaHCO

•Na

•2H

O. Среди сульфатов наиболее рас-

пространены гипс — CaS0

•2H

0, полугидрат — CaSO

•0,5H

ангидрит — CaS0

, мирабиллит—Na

•10H

O, тенардит —

. Среди хлоридов в почвах преобладает галит — NaCl,

хотя встречаются и СаС1

и MgCl

. Большое количество солей

характерно для соленосных почвообразующих пород (примор-

ские отложения, древние морские осадки) и засоленных почв.

В постоянно переувлажненных болотных и маршевых почвах

могут присутствовать сульфиды железа и других тяжелых метал-

лов, которые после дренирования и окисления переходят в суль-

фаты и карбонаты.

3.5. Общая оценка минералогического

состава почв

В отношении общей оценки минералогического состава почв

в почвоведении существует две точки зрения.

Согласно одной из них, наиболее старой, «классической»,

каждый «зональный» тип почвы характеризуется своим особым

минералогическим составом, особенно составом вторичных гли-

нистых минералов. Согласно другой, более современной точке

зрения, строгой приуроченности специфического минералогиче-

ского состава к определенным типам почв, а тем более к природ-

ным зонам не существует. Особо резкий спор идет, естественно,

в отношении вторичных, прежде всего глинистых минералов.

Аргументов, как фактических, так и концептуальных, много как

в пользу первой точки зрения, так и второй. Пока этот спор

нельзя считать однозначно решенным из-за отсутствия надежных

методов идентификации и количественного определения почвен-

ных минералов, особенно глинистых.

Дело в том, что на минералогический состав почв оказывает

влияние очень большое количество факторов: минералогический

и химический состав исходной почвообразующей породы, биокли-

матическая обстановка почвообразования, соотношение рН и

окислительно-восстановительного потенциала среды, условия

дренажа, присутствие катионов в среде, возраст выветривания

и почвообразования, присутствие хелатизирующих органических

компонентов в среде. Разнообразие их сочетаний дает соответ-

ствующее разнообразие минеральных ассоциаций в почвах и в

отдельных горизонтах почвенного профиля. К этому добавляется

и перемещение минералов в пределах профиля и в сопряженных

почвенно-геохимических ландшафтах с водными и эоловыми

потоками, а в почвенном профиле потоки могут быть как нисхо-

дящими, так и восходящими. Соответственно, практически во

всех почвах можно обнаружить почти все группы глинистых

минералов, хотя в разных соотношениях.

Есть определенные типы почв, характеризующиеся специфи-

ческим минералогическим составом: в вулканических почвах

(андосолях) имеется большое количество первичного вулканиче-

ского стекла и вторичных аллофанов; в илистой фракции вер-

тисолей преобладает монтмориллонит; ферраллитные почвы, в

частности красноземы, состоят почти нацело из трех компонен-

тов — кварца, каолинита и минералов группы оксидов железа

и алюминия; в болотных почвах преобладают вивианит и оксиды

железа, в окисленных маршевых и мангровых почвах преобла-

дает ярозит; для ряда типов почв характерна вторичная аккуму-

ляция карбонатов и гипса; в солончаках характерны те или иные

соли, состав которых определяется типом засоления.

Некоторые минералоги считают, что весь минералогический

состав почв унаследован от почвообразующих пород и в процессе

почвообразования вторичное минералообразование не имеет мес-

та, а лишь происходит перераспределение тех или иных мине-

ральных ассоциаций в пределах почвенного профиля. С этой ор-

тодоксальной точкой зрения едва ли можно согласиться, имея

в виду, во-первых, перечисленные выше некоторые типы почв

со специфической минералогией и, во-вторых, развитие почв на

коренных породах, когда выветривание и почвообразование про-

текают одновременно и физически совпадают в единой толще

коры выветривания (элювия) породы. Есть основания считать,

что неосинтез минералов в почвах имеет место, но пока вопрос

остается открытым. Нужны модельные эксперименты, необходи-

мо точное знание условий образования почвы.

Что же касается роли минералогического состава почв в

определении их свойств, то она никак не может недооцениваться.

От него зависят практически все свойства почвы и особенно

специфические свойства почв, определяющие их плодородие:

резерв питательных элементов, водно-физические свойства, по-

глотительная способность во всех видах, наличие доступных

элементов питания растений и т. д.

Глава четвертая

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЧВ

4.1. Общий химический состав почв

Почва является самой верхней частью коры выветривания ли-

тосферы и поэтому в общих чертах наследует ее химический

состав. Однако, представляя собой одновременно продукт воз-

действия на литосферу живого вещества, почва в содержании

ряда элементов приобретает существенные отличия. Как видно

из приведенных в табл. 13 данных, в литосфере и в почве около

половины составляет кислород; второе место занимает кремний

(приходится почти четвертая часть); следующую по порядку со-

держания группу, примерно десятую часть, образуют алюминий

и железо; еще меньшую долю, всего лишь несколько процентов,

составляют кальций, магний, натрий, калий и, наконец, на все

остальные элементы, исключая углерод, приходится менее одного

процента. В природной «живой» почве, кроме того, представлены

всегда органическое вещество, вода, газы. К числу наиболее

ярких отличий химического состава почвы относится резкое

возрастание в ней содержания углерода (в 20 раз) и азота

(в 10 раз), обусловленное влиянием биогенных факторов. Поэ-

тому же при сохранении общего порядка содержания элементов

заметно возрастает количество кислорода и водорода, как эле-

ментов воды, на фоне уменьшения содержания алюминия, желе-

за, калия, кальция, магния.

Если представить себе в общем виде почву как систему ато-

мов химических элементов, то эта система окажется состоящей

практически полностью из атомов кислорода и кремния, среди

массы которых, концентрируясь в тех или иных точках и давая

определенные минеральные и органические соединения, изредка

встречаются атомы других элементов. Поскольку основная часть

почвенной массы (за исключением гумуса и органических остат-

ков) представлена минеральными частицами, валовой химиче-

ский состав почвы в преобладающей мере определяется составом

и количественным соотношением формирующих ее минералов.

Как было показано в предыдущем разделе, основную долю круп¬

ных фракций почвы составляют кварц и полевые шпаты, а тон-

Таблица 13. Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах

в % по массе (А. П. Виноградов, 1950)

Элементы

Литосфера

Почва

Элементы

Литосфера

Почва

47,20

49,00

0,10

2,00

27,60

33,00

S 0,09

0,085

А1 8,80 7,13

0,09

0,085

5,10 3,80

0,08 0,08

Са

3,60

1,37

0,01 0,10

2,64 0,63

Сu

0,01

0,002

2,60

1,36

0,005 0,005

Mg 2,10 0,60

Со

0,003

0,0008

Ti 0,60 0,46 В

0,0003

0,001

0,15

Мо

0,0003 0,0003

кодисперсных фракций — глинистые алюмосиликаты при зна-

чительно меньшем содержании остальных минералов.

В соответствии с этим в валовом химическом составе почв

преобладают кислород и кремний, в меньшей мере алюминий,

и в очень небольшом количестве присутствуют железо, титан,

кальций, магний, калий, натрий: другие элементы присутствуют

в микроколичествах.

4.2. Химический состав

гранулометрических фракций почвы

Распределение химических элементов по отдельным грану-

лометрическим фракциям также неравномерно в соответствии с

различиями в их минералогическом составе. Наиболее высокое

Таблица 14. Валовой состав гранулометрических фракций песчаного подзола

севера Русской равнины, % на прокаленную почву

(В. Д. Тонконогов, 1971)

Размер фракций,

мм

Глубина,

см

SiO

А1

MgO K

1—0,25

2—10

96,87

1,66

0,25

0,00 0,48

1—0,25

20—30 93,79

3,54 0,49 0,00 0,83

1—0,25

170—180

94,63 3,12 0,39 0,20 0,71

0,25-0,1

2—10

92,95

4,68 0,39 0,00

1,25

0,25-0,1

20—30

88,88

6,57 0,68 0,00

1,55

0,25-0,1

170—180

89,58

6,99 0,59 0,00

1,83

0,1—0,01

2—10

87,66

7,90

1,18

0,00

1,54

0,1—0,01

20—30

88,86

6,43 0,88 0,40

1,95

0,1—0,01

170—180

83,48

10,62

1,58

0,10 2,10

0,01-0,001

2—10 74,13 17,58

1,43

0,10 3,41

0,01-0,001

20—30

58,46

26,80

9,13

1,59 1,69

0,01-0,001

170—180

63,77

22,45

7,33 2,20

1,92

0,001

2—10 61,33

27,42

3,46 0,52 3,56

0,001

20—30

47,57

33,40

13,11

1,72 1,61

0,001

170—180

50,79

28,95

12,54 2,52 2,57

содержание кремния в обогащенных обломочным кварцем фракци-

ях размером более 0,25 мм; в более тонких фракциях увеличивает-

ся участие полевых шпатов и других первичных, в особенности

железосодержащих, минералов и в связи с этим растет содержа-

ние алюминия, железа и других элементов.

Резкая смена минералогического состава в илистой и отчасти

тонкопылеватых фракциях, где преобладают относительно бога-

тые алюминием и железом глинистые минералы, соответственно

отражается и на валовом химическом составе этих фракций.

Сказанное иллюстрируется данными валового химического

состава различных гранулометрических фракций песчаного под-

зола (табл. 14).

Как видно из приведенных данных, содержание SiO

законо-

мерно падает по мере уменьшения размеров фракций при соот-

ветственном увеличении содержания Аl

и Fe

. Очевидно,

что в зависимости от гранулометрического состава почвообразу-

ющих пород и почв будет соответственно меняться и их валовой

химический состав. Последний, таким образом, в значительной

мере является функцией гранулометрического, а в итоге мине-

ралогического состава, что отчетливо видно из приведенных в

табл. 15 данных по валовому химическому составу различных

рыхлых почвообразующих пород.

4.3. Изменение химического состава

по профилю почвы

Различия в валовом химическом составе отдельных гори-

зонтов почвенного профиля, при однородной почвообразующей

породе, используются для суждений о химических преобразова-

ниях породы и дифференциации профиля в процессе почвообра-

зования. Существенные различия в составе горизонтов харак-

терны для почв с элювиально-иллювиально дифференцированным

профилем: относительное обеднение элювиальной части А1

и Fe

с соответствующим обогащением SiO

; в иллювиальной

части профиля наблюдается обратная картина (см. табл. 14).

Однако сами по себе данные химического состава не дают осно-

ваний для суждения о характере процесса, приводящего к про-

фильной дифференциации валового состава. В частности, оди-

наковый химический профиль почвы может образоваться в

результате оподзоливания (разрушение минералов в кислой

среде вверху и вынос продуктов разрушения в иллювиальную

часть или за пределы профиля), обезиливания (иллимеризации,

партлювации, лессивирования) (вынос тонких частиц в иллюви-

альную часть без их разрушения), отбеливания (снятие желе-

зистых пленок с крупных частиц вверху и вынос соединений

железа в иллювиальную часть), осолодения (разрушение мине-

ралов в щелочной среде вверху и вынос продуктов разрушения

в иллювиальную часть), глее-элювиального процесса (разрушение

минералов в восстановительных условиях вверху и вынос про-

дуктов разрушения в иллювиальную часть) или в результате

совместного действия нескольких из перечисленных процессов

Для разделения этих процессов и соответственно почв, сформи-

рованных ими, приходится привлекать данные других анализов

почвенного профиля, в частности гранулометрического, минера-

логического и ряда специфических анализов различных вытяжек

Таблица 15. Содержание основных химических компонентов в разных

литологнческнх типах морен Белорусского Полесья, % на прокаленную породу

(В. И. Лукашев, 1966)

Литологический

тип морены

SiO

А1

TiO

Глина

Супесь

Песок

73,3

83,7

94,2

3,8

2,5

0,5

11,3

7,2

4,0

0,8

0,3

cл

3,8

2,2

0,1

Таблица 16. Валовое содержание кремнезема и полуторных оксидов в

элювиально-иллювиально дифференцированной почве Московской области и ее

отдельных фракциях

(по данным Ф. Р. Зайдельмана, 1974)

В качестве примера можно отметить, что данные для почвы в

табл. 14 свидетельствуют о вероятном образовании ее в процес-

се оподзоливания (элювиально-иллювиальная дифференциация

состава по профилю, разный состав ила в элювиальном и иллю-

виальном горизонтах, причем отличный от состава ила породы)

Горизонт и глу-

бина, см

% на прокаленную навеску

Молекулярные отношения

Горизонт и глу-

бина, см

% на прокаленную навеску

Молекулярные отношения

Горизонт и глу-

бина, см

SiO

Fе

Аl

SiO

/Fe

SiO

/Al

Почва в целом

Ар 0—10

Е 29—35

В 70—80

С 160—170

80,3

80,1

74,2

75,8

2,8

2,9

4,9

4,7

10,5

11,1

14,5

14,0

77,4

73,5

40,6

43,1

13,0

12,2

8,7

9,2

Фракция ила (< 0,001 мм)

Ар 0—10

Е 29—35

В 70—80

С 160—170

50,8

51,8

52,9

53,3

11,8

12,4

12,2

29,0

28,9

27,5

27,0

11,4

11,6

11,4

11,7

3,0

3,3

3,4

Крупная фракция (1-0,001 мм) — данные расчетные

Ар 0—10

Е 29-35

В 70—80

С 160—170

85,2

84,6

84,7

86,5

1,2

1,4

1,2

1,1

7,5

8,3

8,0

7,9

185,0

153,6

193,3

200,9

19,4

17,3

18,9

18,6

Однако в этой почве процесс оподзоливания сопровождается

отбеливанием, о чем свидетельствует существенно большая

дифференциация по железу, чем по алюминию. С другой сторо-

ны, данные табл. 16 не дают оснований для однозначных сужде-

ний: здесь более вероятно развитие процессов лессивирования

наряду с некоторым отбеливанием при отсутствии оподзоли-

вания.

Некоторую помощь в интерпретации данных анализа валового

состава почв могут оказать критерии, перечисленные в табл. 17,

но и они отнюдь не всегда оказываются достаточными.

Различия в составе отдельных гранулометрических фракций

значительно затрудняют использование результатов валового

химического анализа для оценки педогенных изменений в профи-

ле исходно гранулометрически неоднородных почв, например, на

двучленных или слоистых отложениях.

При элювиальной или элювиально-иллювиальной дифферен-

циации профиля почв по содержанию ила в связи с почвообра-

зованием, например в подзолистых и лессированных, изменения

в общем валовом химическом составе по горизонтам могут быть

обусловлены только перераспределением относительно богатого

полуторными оксидами ила и не позволяют еще сами по себе

делать выводы о характере химических изменений в минеральных

составляющих почвенной массы. Наиболее достоверно об этом

можно судить на основе валового химического анализа каждой

из гранулометрических фракций, однако этот способ очень трудо-

емок и применяется лишь при специальных углубленных иссле-

дованиях генезиса почв.

Для суждения об изменении в профиле почвы валового хими-

ческого состава суммы фракций крупнее 0,001 мм, представлен-

ных почти целиком первичными минералами, может быть при-

менен расчетный метод с использованием данных по валовому

составу почв в целом и илистой фракции, а также гранулометри-

ческому составу, пример которого приведен в табл. 16. Для

расчетов можно воспользоваться формулой, предложенной

И. А. Соколовым (по В. О. Таргульяну, 1971):

=(1-d/100)•CR

/(100-B), (14)

где R

— валовое содержание оксида, приходящегося на долю

ила, % на прокаленную почву в целом; d — потеря при прокали-

вании ила, % к илу; С — содержание ила, % к мелкозему;

— валовое содержание оксида в иле, % на прокаленную на-

веску ила; В — потеря при прокаливании почвы, % к мелкозему.

Вычитая из общего содержания оксида в мелкоземе значение

, получим содержание оксида, приходящееся на долю крупных

фракций. С учетом процентного содержания крупной фракции

производится расчет на 100 г крупной фракции, что позволяет

сравнивать между собой валовой состав крупной фракции раз-

личных горизонтов. Это значительно расширяет информативность

имеющихся данных по валовому составу почв и ила.

При содержании в почве значительных количеств несиликат-

ных соединений железа и алюминия для суждения об изменениях

минеральной части почв на основе данных валового химического

состава, необходимо рассчитывать валовое содержание силикат-

ных соединений этих элементов путем вычитания содержания их

несиликатных соединений, определенных каким-либо химическим

методом, из их валового содержания. В особенности целесооб-

разным это может быть для характеристики наиболее богатой

свободными оксидами илистой фракции.

4.4. Выражение результатов анализа

валового химического состава почв

Валовой состав минеральной части почв чаще выражают в

виде процентного содержания различных оксидов. Подобный

способ удобен тем, что позволяет проверить точность анализа

простым их сложением, исходя из того, что в сумме оксиды долж-

ны составить величину, близкую к 100% (при 5% точности ана-

лиза). Однако конкретные формы соединений в почве более раз-

нообразны, а для элементов с переменной валентностью (железо,

марганец, сера), кроме того, не всегда известно, в каких они при-

сутствуют формах, поэтому такой способ выражения очень усло-

вен.

Более достоверно выражать валовой химический состав в

процентном содержании элементов, а не в оксидах. Для такого

пересчета процентное содержание оксида умножается на соот-

ветствующий коэффициент, представляющий собой частное от

деления атомной массы определенного элемента на молекуляр-

ную массу соответствующего оксида. Так, для кремния необхо-

димый коэффициент вычисляется по формуле:

(мол масса Si)/(мол массаSiO

)=28,09/60,06=0,468, тогда содержа-

ние 77,85% SiO

соответствует содержанию 36,43% Si(77,85X0,468).

При выражении результатов валового анализа часто воз-

никает необходимость в различных пересчетах, в частности на

безгумусную, бескарбонатную, а также прокаленную почву.

Последний из названных способов включает одновременно и два

предыдущих и широко применяемых в практике. Он наиболее

целесообразен при сопоставлении валового состава органоакку-

мулятивных и минеральных горизонтов почвы, особенно для

илистой фракции, богатой органическим веществом и прочносвя-

занными формами воды. При этом более точное представление о

перераспределении того или иного элемента по профилю в процессе

почвообразования дают данные не о его процентном содержании,

а сопоставление запасов в определенных слоях с учетом объем-

ной массы. Особенно эффективен этот способ выражения резуль-

татов валового состава почвы при резких отличиях в объемной

массе по горизонтам почвенного профиля.

При вычислении запаса того или иного элемента его процент-

ное содержание должно выражаться на сухую, а не на прока-

ленную почву. Для расчета запаса элемента можно использовать

формулу: А = аНd

•100, где А — запас элемента, г/м

, в слое

мощностью Н, см; а — содержание элемента в этом слое, % на

сухую почву; d

— плотность почвы в данном слое, г/см

. Этот

вид расчета также относится к выражению содержания элемен-

тов в виде оксидов.

4.5 Химические элементы и их соединения в почвах

Для понимания причин формирования того или иного валово-

го химического состава почвы и его варьирования по профилю

всегда необходимо учитывать, что содержание отдельных эле-

ментов определяется присутствием их в почве в составе разнооб-

разных конкретных минеральных и органических соединений.

Кремний. Содержание этого элемента определяется главным

образом присутствием в почве кварца и в меньшей мере первич-

ных и вторичных силикатов и алюмосиликатов. В ряде случаев

может присутствовать, в том числе и в больших количествах,

аморфный кремнезем в виде опала или халцедона, генезис и

накопление которых в почве связаны с биогенными (опаловые

фитолитарии, спикулы губок, скелеты диатомей и т. п.) или

гидрогенными (окремнение почв) процессами. Валовое содержа-

ние SiО

в почве колеблется от 40—70% в глинистых почвах,

до 90—98% в песчаных, тогда как в ферраллитных почвах тро-

пиков может быть и много ниже.

Алюминий. Содержание алюминия в почвах обусловлено

главным образом присутствием полевых шпатов и глинистых

минералов и отчасти некоторых других богатых алюминием

первичных минералов, например слюд, эпидотов, граната, корун-

да. Может присутствовать и свободный глинозем в виде разно-

образных гидроксидов алюминия (диаспор, бемит, гидраргиллит)

в аморфной или кристаллической форме. Валовое содержание

А1

в почвах обычно колеблется от 1—2 до 15—20%, а в фер-

раллитных почвах тропиков и бокситах может превысить 40%.

Железо. Этот элемент присутствует в почвах в составе как

первичных, так и вторичных минералов, являясь компонентом

магнетита, гематита, титаномагнетита, глауконита, роговых

обманок, пироксенов, биотита, хлоритов, глинистых минералов,

минералов группы оксидов железа. Много в почвах содержится

и аморфных соединений железа, особенно разнообразных гид-

роксидов (гетит, гидрогетит и др.). Общее содержание в почве

колеблется в очень широких пределах (в %): от 0,5—1,0

в кварцево-песчаных почвах и 3—5 в почвах на лессах, до 8—

4-817