Почвоведение. Лекция №4

Лекция №4
Тема: 1.Гранулометрический (механический) состав почв
План:
1.1. Механические элементы, их классификация и свойства.
1.2. Классификация почв по гранулометрическому составу.
1.3. Методы определения гранулометрического состава почв:
1.3.1. Полевые методы;
1.3.2. Лабораторные методы.
1.4. Значение гранулометрического состава почв.
Лектор – д.б.н., профессор
Балабко Петр Николаевич
МАИ -18.10.2021г.

1.1. Механические элементы, их классификация
и свойства

1.2. Классификация почв по гранулометрическому составу

1.3. Методы определения гранулометрического состава почв
Ситовой метод
Сито
Почвенная коробочка
Чашка
Весы
Фарфоровая
ступка с пестиком
Оборудование, необходимое для определения гранулометри-ческого
состава ситовым методом

Ситовой гранулометрический анализ
Метод применяется для определения песчаных и супесчаных почв.
фракций крупнее 0,1 мм
Разделение материала на гранулированные фракции производится при помощи стандартного набора сит с последующим взвешиванием выделенных фракций.
Выпускаемые в настоящее время промышленные стандартные наборы сит состоят из 7 сит с величиной отверстий в 10, 7, 5, 3, 1, 0,5 и 0,25 мм, поддонника и крышки

Метод ареометра
основан на последовательном определении плотности почвенной суспензии через определенные промежутки времени
основан на использовании пропорциональной зависимости между глубиной погружения стеклянного поплавка ареометра в исследуемую жидкость и ее плотностью
Определяют
содержание
в почве частиц
диаметром
менее 0,1 мм

Определение гранулометрического состава
с использованием закона Стокса
Закон Стокса функционально связывает радиус частицы и ее равномерную скорость падения в жидкости известной вязкости и плотности при известной плотности твердой фазы самой частицы:
Где V — скорость падения частицы (в см/с);
r — радиус падающей частицы шарообразной формы (в см);
d1 — плотность падающей частицы;
d2 — плотность жидкости, в которой оседает частица;
g — ускорение силы тяжести при свободном падении тела;
ŋ — вязкость жидкости.
Зная, с какой скоростью осаждаются механические элементы различного диаметра, можно брать пробы почвенной суспензии с определенной глубины (по истечении различных сроков после взмучивания) и определить содержание механических элементов

Прибор для гранулометрического анализа и схема положений крана при работе с пипеткой

Время отстаивания почвенной суспензии для взятия проб

Прибор для гранулометрического анализа

Гранулометрический состав почв разных типов

1.4. Значение гранулометрического состава почв
Гранулометрический состав относится к числу фундаментальных свойств почвы и сильно влияет на почвообразовательные процессы и сельскохозяйственное использование почв. От гранулометрического состава зависит водопроницаемость, водоудерживающая и водоподъемная способность почв, потенциальный резерв элементов минерального питания растений, структурное состояние, поглотительная способность, твердость и удельное сопротивление почвы при обработке.
Песчаные и супесчаные почвы – высоко водо- и воздухопроницаемы, быстро оттаивают и прогреваются весной. Они рыхлые и легко поддаются обработке сельскохозяйственными орудиями.
Отрицательные свойства: они бесструктурны, бедны гумусом и элементами питания растений, низкая влагоемкость, невысокая поглотительная способность.
Песчаные и супесчаные почвы легко подвергаются эрозии и дефляции.
Тяжелосуглинистые и особенно глинистые почвы при их обработке требуют больших энергетических затрат. Они отличаются высокой влагоемкостью и замедленной фильтрацией, что в гумидных условиях ведет к переувлажнению и оглеению. Тяжелые почвы отличаются высокой поглотительной способностью и буферностью, они всегда более гумусированы и содержат большие резервы элементов минерального питания растений. При высоком содержании гумуса они , как правило, хорошо оструктурены, имеют благоприятные агрофизические свойства, водный и воздушный режим, устойчивы к эрозии
Для улучшения песчаных и супесчаных почв применяют глинование – внесение 300…800 тонн на 1 га тяжелосуглинистого или глинистого материала. Бесструктурные тяжелосуглинистые и глинистые почвы улучшают путем пескования – внесения 300 - 800 тонн на 1 га песка. Глинование и пескование обычно сопровождается внесением 150 - 300 тонн на 1 га торфа или торфонавозных компостов.

Тема 2.
Минералогический состав почв
и почвообразующих пород
План
2.1. Минералы, особенности их строения. Кристаллические, аморфные, коллоидные минералы.
2.2.Классы минералов.
2.3. Виды минералов. Первичные и вторичные минералы почв.
2.4.Агроэкологическое значение минералогического состава почв

2.1. Минералами называются однородные природные химические соединения элементов или самородные элементы, образующиеся в глубоких слоях литосферы и на ее поверхности.
Свойства, состав и процессы образования минералов 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.)

Некоторые минералы имеют не кристаллическое, а аморфное строение (напр., опал), но со временем могут кристаллизоваться (опал переходит в халцедон и кварц).

Строение минералов
Кристаллические вещества
Аморфные вещества

Примеры кристаллических решеток

Дисперсные системы, состоящие из мельчайших частиц диаметром 10 -4 - 10-6 мм, называются коллоидами (коллоидными системами). К ним относят аморфные минералы, образовавшиеся в водной среде и содержащие воду в переменных количествах (опал, аллофан, дельвоксит, лимониты)

2.2.Классы минералов
По химическому составу выделяются следующие девять классов минералов:
1) силикаты,
2) карбонаты,
3) нитраты,
4) сульфаты,
5) фосфаты,
6) оксиды и гидроксиды,
7) галоиды,
8) сульфиды,
9) самородные элементы.
Большинство из перечисленных классов включают как первичные, так и вторичные минералы.

Силикаты
Имеют наибольшее
распространение
в почвах и породах.
Свойства силикатов, в том числе устойчивость к выветриванию, определяются строением кристаллической решетки, состоящей из кремнекислородных тетраэдров (Si04)4. Во всех силикатах каждый атом кремния соединен с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом кремния.

Карбонаты
Это соли угольной кислоты
Н2СО3. Чаще всего это соли
кальция, магния, натрия, меди. Всего в этом классе известно около 100 минералов. Некоторые из них очень широко распространены в природе, например, кальцит и доломит.
кальцит

Нитраты
Это соли азотной кислоты НNО3.
Образуются исключительно при экзогенных процессах (выветривание, денудация), часто в связи с разложением органических остатков и деятельностью бактерий, возможно, в результате образования NO2 при грозовых разрядах. Нитраты весьма неустойчивы вследствие очень высокой растворимости и встречаются только в очень сухом климате, например, в пустынях Чили. Наиболее распространены нитраты натрия и калия.
нитронатрит
нитробарит

Сульфаты
Это соли серной кислоты H2SO4. В их кристаллической структуре обособляются комплексные анионы SO42−. Наиболее характерны труднорастворимые сульфаты сильных двухвалентных оснований, особенно Ba2+, а также Sr2+ и Ca2+.
барит

Фосфаты
Это соли фосфорной кислоты Н3Р04. Происхождение у фосфатов глубинное и поверхностное. Основное применение фосфатов — сырье для получения фосфорных удобрений, фосфора, фосфорной кислоты и других соединений фосфора.
Апатит —Ca5[PO4]3(F, Cl)
Вивианит Fe3(PO4)2

Оксиды. В почвах из породообразующих минералов группы оксидов чаще всего встречаются: кварц, магнетит, рутил, дистен, ильменит.
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.

Магнетит, или оксид Fe (II, III), Fез04 - минерал, легко подвергающийся процессам выветривания. Его содержание в почвах обычно составляет 0,5 - 1,0%, за исключением вулканических почв, где его количество увеличивается. Магматическое происхождение может иметь и гематит Fe203, часто встречающийся в почвах тропических областей.
Рутил ТiО2 — минерал, очень устойчивый к выветриванию. Его содержание в почвах составляет 0,3 - 0,5 %. Характерен для бокситов как остаточный продукт выветривания и полного разложения других минералов. Чаще всего встречается в верхних горизонтах почв, развитых под тропическим вечнозеленым лесом на сиенитах и пегматитах.
Ильменит FeTi02 — минерал из группы оксидов-гидроксидов. Встречается в небольших количествах во многих почвах, но наиболее часто в почвах, развитых на основных изверженных породах.
Дистен Al2SiО5 — сложный оксид алюминия и кремния. Его содержание в почвах составляет около 0,1 - 0,2 %.

2.3. Виды минералов.
Первичные минералы
Всего известно около 2 тыс. минералов, а число разновидностей достигает 4 тыс. Широкое распространение в почвах и почвообразующих породах имеют около 50 минералов.
Минералы 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.

Первичные минералы почв
Кварц (40-60% и более)
Полевые
шпаты
(до 20%)
Слюды (З-7%)

Силикаты. 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:
l) калиево-натриевые полевые шпаты, в состав которых входят K[AlSi3О8] и Na[AlSi3О8], к этим соединениям относятся ортоклаз, микроклин и др.;
2) натриево-кальциевые полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие собой изоморфные смеси натриевой молекулы - Na[AlSi3О8J (в чистом виде называется альбит) и кальциевой - Ca[Al2Si2О8J (в чистом виде называется анортит);
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.

Основным способом изучения первичных минералов почв является их оптическая диагностика с помощью поляризационного микроскопа и бинокулярной лупы (иммерсионный и шлифовой методы, заимствованные из практики геологических исследований). Диагностика преобладающих первичных минералов во всей массе почвенного образца может быть проведена в шлифах, изготовляемых для микроморфологического изучения почв.

Вторичные минералы почв
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 тонкодисперсными и содержатся, в основном, во фракции почв диаметром менее 0,001 мм.
Из группы вторичных минералов в почвах преобладают глинистые минералы, 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.

Глинистые минералы. Минералы этой группы относятся к слоистым алюмосиликатам. Их название связано с тем, что они, как nравило, nреобладают в составе глин. К глинистым минералам относятся минералы групп каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, смешаннослойных минералов, хлорита.
Глинистые минералы обладают рядом общих свойств:
l) 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 Si02 : Al203 = 2. Он обладает низкой поглотительной способностью (не более 20 мг-экв на 100 г почвы), 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 почвы).
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.

Минералы группы гидрослюд (гидробиотит, гидромусковит 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 мгэкв на 100 г почвы. 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 гидрослюдам близок минерал вермикулит, характеризующийся расширяющейся решеткой и очень высокой емкостью катионного обмена (до 100-120 мг-экв на 100 г почвы ). Вермикулит часто используют как компонент тепличных грунтов.

Минералы группы монтмориллонита (монтмориллонит, нонтронит, бейделит и др.). Их еще называют минералами группы смектита. 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 почвы.
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 (Соколова Т.А., 1982), что почвенные хлориты участвуют в формировании гидролитической кислотности почв.
Гpynna 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 (Б.П. Градусов, 1976).

Минералы ruдроксидов и оксидов железа и алюминия. Наибольшее распространение имеют гематит Fe203, гетит Fe203·H20, гидрогетит, гиббсит (гидрагелит) Al 20 3·3H2О. 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- СаС03 , доломит - СаС03 MgC03, сода - Na2C03·10H2О.
Среди сульфатов наиболее распространены гипс - CaS04·2H20, мирабилит - Na2S04·10H2О, 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.

Основными методами определения состава и содержания вторичных глинистых минералов в почвах являются рентгеноструктурный анализ, методы термического анализа, инфракрасной спектроскопии, электронной микроскопии.

2.4.Агроэкологическое значение минералогического состава почв
Минералогический состав почв наследуется от почвообразующих пород, является довольно устойчивым во времени и практически 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.