Глинистые минералы в почвах. Учебное пособие

В настоящем учебном пособии рассмотрены строение кристаллических решеток, свойства и проблемы происхождения наиболее широко распространенных в почвах глинистых минералов, методы их изучения и изменение в ходе почвообразования. Детально анализируются сорбционные свойства глинистых минералов с точки зрения поведения в почвах некоторых элементов питания растений и ряда загрязняющих химических соединений. Обсуждаются основные методы, используемые в целях диагностики глинистых минералов в составе тонкодисперсных почвенных фракций — рентгеновский фазовый анализ, термические методы и некоторые химические методы, Рассмотрены процессы образования, трансформационных изменений, разрушения и перемещения глинистых минералов в почвах, механизмы и диагностические критерии этих процессов. Описаны закономерности профильного распределения основных групп глинистых минералов в почвах зонального ряда и в некоторых интразоиальных почвах, имеющих широкое распространение на территории России. Анализируется изменение содержания и состава глинистых минералов под влиянием различных антропогенных воздействий. Приведены примеры использования термодинамического подхода к оценке устойчивости глинистых минералов при известном составе почвенного раствора.

Книга предназначена для специалистов — почвоведов, геохимиков, экологов и может служить в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по этим специальностям.

 

Учение о глинистых минералах к настоящему времени сформировалось как самостоятельный раздел цикла наук о Земле, в том числе и как самостоятельный раздел почвоведения. Это связано с большой химической активностью и с высокой степенью дисперсности глинистых минералов.

Основная часть глинистого материала находится в самой тонкодисперсной — илистой фракции. По классификации механических элементов, принятой в нашей стране, к илистой фракции относят частицы < 1мкм, по классификациям, принятым в большинстве зарубежных стран — частицы < 2 мкм (Воронин, 1986).

В большинстве почвенных типов в составе илистой фракции преобладают окристаллизованные глинистые минералы, относящиеся к подклассу слоистых силикатов. Это значит, что в их кристаллических решетках в качестве обязательного структурного компонента присутствует слой кремнекислородных тетраэдров. Наиболее широко распространенными в почвах и в почвообразующих породах глинистыми минералами являются каолиниты, слюды и гидрослюды (иллиты), вермикулиты, монтмориллониты (смектиты), хлориты, почвенные хлориты и смешанослойные минералы. Помимо собственно глинистых минералов, т. е. тонкодисперсных слоистых силикатов, в составе илистых фракций почв и почвообразующих пород встречаются минералы, имеющие строение, промежуточное между ленточным и слоистым (сепиолит-палыгорскиты), некоторые каркасные силикаты (полевые шпаты), кварц, аморфные алюмосиликаты (группа аллофанов), минералы оксидов и гидроксидов железа и алюминия (гетит, лепидок-рокит, гиббсит), карбонаты и некоторые другие минералы.

Все перечисленные группы минералов встречаются в почвах не только в составе илистой фракции, но также и в более крупных фракциях. Поэтому граница размеров частиц < 1 или < 2 мкм для отделения глинистого материала от остальной почвенной массы является в значительной мере условной.

Благодаря высокой степени дисперсности глинистые минералы характеризуются огромными величинами удельной поверхности, измеряемыми десятками и сотнями квадратных метров на 1 г минерала.

Высокодисперсные, особенно глинистые, минералы обладают большой химической активностью, что объясняется влиянием ряда факторов. На поверхности глинистых кристаллитов находятся ионы кислорода и (или) гидроксильные группы, легко дающие водородные связи. Большинство глинистых минералов имеет отрицательный заряд кристаллической решетки, который нейтрализуется положительно заряженными частицами — катионами. Вокруг находящихся на поверхности глинистых кристаллитов катионов формируется сильное электрическое поле, что способствует проявлению каталитических свойств глинистых минералов, как в природных системах, так и в различных технологических схемах. Существует гипотеза, которая связывает образование на Земле нефтяных залежей с каталитическими функциями глинистых минералов, способствовавших превращению органических остатков в нефтепродукты. Существует также гипотеза, что глинистые минералы могли играть определенную роль в возникновении жизни на Земле, способствуя превращению аминокислот в протеины.

Еще одним фактором, определяющим высокую химическую активность глинистых минералов, является наличие в их кристаллических решетках ионов с переменной валентностью, прежде всего — железа. В зависимости от почвенно-геохимических условий железо в кристаллических решетках глинистых минералов может менять свою валентность, и поэтому по отношению к внешней среде глинистые минералы могут играть роль окислителей или восстановителей.

Молекулы воды на поверхности глинистых минералов, особенно если они попадают в электрическое поле находящихся на поверхности катионов, характеризуются рядом специфических особенностей, в том числе и повышенной способностью к диссоциации. При этом гидро-ксильная группа остается вблизи катиона, а ион водорода может диссоциировать, что придает воде ярко выраженные кислотные свойства.

Изучение содержания и состава глинистых минералов в почвах имеет большое теоретическое и практическое значение. Содержание этих минералов обычно колеблется от нескольких процентов в почвах легкого гранулометрического состава до 20-40 % в суглинистых и глинистых почвах. Поверхность глинистых минералов — это арена, на которой в почвах непрерывно происходят реакции сорбции-десорбции, фиксации и обмена катионов и других частиц, реакции гидратации и дегидратации, т. е. многие основные реакции взаимодействия раствора с силикатными компонентами почвы.

Содержание и состав глинистых минералов определяют основные сорбционные свойства минеральных почвенных горизонтов с низким содержанием органического вещества — различные виды емкости кати-онного и анионного обмена, способность к фиксации ряда минеральных и органических компонентов и другие сорбционные характеристики.От количества и состава глинистых минералов зависят водно-физические и физико-механические свойства почв — их водоудержи-вающая способность, липкость, пластичность, способность к структу-рообразованию и другие.Содержание и состав глинистых минералов является основным фактором, контролирующим режим калийного питания растений и такие важнейшие его показатели, как количество доступных для растений форм калия, буферную способность почв по отношению к калию, калий-фиксирующую способность. Глинистый материал существенно влияет также на поведение в почвах фосфора и иона аммония.Глинистые минералы оказывают определенное влияние на почвенные микроорганизмы, поскольку многие представители микробиоты способны сорбироваться на поверхности глинистых минералов, а продукты их жизнедеятельности вступают с минералами в химические реакции. Содержание и состав глинистых минералов оказывают воздействие на происходящие в почвах процессы гумификации и минерализации растительных остатков и на состав и свойства образующихся в почвах специфических и неспецифических органических соединений. Последние, в свою очередь, сорбируются на глинистых кристаллитах, образуя глинисто-гумусовые комплексы.Во многих почвенных типах минералы тонкодисперсных фракций являются прямым продуктом современного или древнего почвообразования. Во всех почвах глинистые минералы, унаследованные от породы, подвергаются изменениям в процессе почвообразования, иногда — вплоть до полного их разрушения. Процессы образования, трансформации, разрушения и перемещения глинистого материала относятся к числу важнейших процессов, формирующих почвенный профиль, и их изучение необходимо при решении генетических проблем почвоведения.