Мінеральний склад грунтів

Зміст

1. Вступ
2. Розвиток ґрунтознавства
3. Первинні та вторинні мінерали
4. Склад ґрунту
5. Мінералогічний склад ґрунтів
6. Фізичні та хімічні властивості ґрунту

Тема реферату «Будова  і склад ґрунтів» з дисципліни «Ґрунтознавство».

Протягом  тисячоліть людина уявляла ґрунт  як відносно пухкий поверхневий шар  суші Землі, на якому ростуть рослини  і який є засобом сільськогосподарського виробництва. Таке поняття ототожнювалось з терміном земля – ділянкою поверхні, на якій жила людина.

Наукове визначення цього  терміну дав В.В. Докучаєв. На основі численних фактів, одержаних у  процесі вивчення чорноземів Росії, та їх логічного аналізу він запропонував під ґрунтом розуміти виключно лише ті денні або близькі до них  горизонти гірських порід, які були більше або менше природно змінені  взаємним впливом води, повітря і  різноманітних організмів – живих  і мертвих. Він підкреслював, що ґрунти утворились шляхом надзвичайно складної взаємодії місцевого клімату, рослинності  і тваринних організмів, складу і  будови материнських гірських порід, рельєфу  місцевості і, нарешті, віку країни. Отже, ґрунт є продуктом взаємодії  живої й неживої природи, особливим  природноісторичним тілом. Тому в сучасному  ґрунтознавстві найчастіше використовують наступне визначення ґрунту.

Ґрунт – самостійне природно-історичне, органо-мінеральне тіло, яке виникло  внаслідок дії живих і мертвих  організмів і природних вод на поверхневі горизонти гірських порід  під впливом кліматичних факторів, рельєфу і гравітаційного поля Землі.

Мета роботи – розглянути будову і склад ґрунтів.

Ґрунтознавство — це наука  про ґрунти, їх утворення, склад, властивості, закономірності поширення, формування та розвиток головної властивості —  родючості, про найраціональніше використання ґрунту. Воно вивчає ґрунт як природне тіло, як засіб виробництва, предмет людської праці та її продукт.

Як основний засіб виробництва  в сільському господарстві ґрунт має такі важливі особливості: незамінність, обмеженість, непереміщення у просторі та родючість.

Першоджерела емпіричних знань про ґрунти сягають у  дуже давні часи. Розвиток знань  про ґрунти в епоху Відродження по-в’язаний з іменем Леонардо да Вінчі (Італія), Б. Паліссі (Франція), Я. П. ван Гельмонта (Нідерланди), І. Р. Глаубера (Німеччина) та ін. У Росії М. В. Ломоносов уперше сформулював наукове поняття «чорнозем» та умови його утворення.

В. В. Докучаева (1846–1903) вважають засновником науки про ґрунт. У докучаєвський період розвитку природничих наук ґрунт розглядався  як верхній шар гірських порід  або як інертний субстрат, що пасивно  передає рослинам необхідні їм мінеральні солі. В. В. Докучаєв перший дав визначення поняття ґрунт. Ґрунтом він називав «денні» або поверхневі горизонти будь-яких гірських порід, що змінюються під сумісним впливом води, повітря та різних живих і мертвих організмів. Він сформулював вчення про природні фактори ґрунтоутворення, до яких відніс такі: материнську, або ґрунтотворну, гірську породу, клімат, рослинність, рельєф та вік формування ґрунту.

Ґрунт як природне тіло складається  з чотирьох фізичних фаз: твердої, рідкої, газоподібної та живої (сукупність організмів, що населяють його).

Тверда фаза ґрунту формується в процесі ґрунтоутворення з  материнської породи і відмерлих  решток організмів. До її складу входять уламки первинних і вторинних мінералів, гірських порід, рослинних решток, гумусових речовин тощо. Отже, ґрунт – багатокомпонентна органо-мінеральна система. Показниками, які характеризують тверду фазу ґрунту, є механічний, хімічний і мінералогічний склад, структура, пористість і будова.

Основна частина мінеральних  компонентів ґрунту представлена кристалічними  структурами, які є стійкими продуктами вивітрювання материнської породи. Найчастіше зустрічається дуже інертний мінерал - кварц (SiO₂). Кварц є джерелом силікат-іонів (SiO₄^4-), які об'єднуються з катіонами, особливо з катіонами алюмінію (Аl³⁺) і заліза (Fe³⁺, Fe²⁺), утворюючі електронейтральні кристали.

Велику роль в утриманні  води та поживних речовин в ґрунті відіграють глинисті мінерали, які зустрічаються в колоїдній формі.

Отже, преобладаючими мінералами ґрунту є силікати.

Рідка фаза ґрунту (ґрунтовий розчин) – волога ґрунту з розчиненими мінеральними сполуками. Це динамічна фаза, яка має дуже важливе значення для ґрунтоутворення. Під її впливом відбуваються майже всі елементарні ґрунтові процеси. Г.М. Висоцький назвав ґрунтовий розчин “кров’ю землі”.

Газова фаза ґрунту –  ґрунтове повітря, яке заповнює пори ґрунту. У зв’язку з біологічними процесами склад ґрунтового повітря відрізняється від атмосферного.

Рідка і газова фази ґрунту є антагоністами і тому перебувають у динамічній рівновазі.

Жива фаза ґрунту – сукупність організмів, які населяють ґрунт і беруть безпосередню участь у ґрунтоутворенні.

Завдяки тісному взаємозв’язку  між фазами ґрунт функціонує як єдина система.

Ґрунтове тіло — це суміш  механічних елементів різного розміру. Близькі за розмірами механічні елементи, об’єднані у певні групи, називаються гранулометричними фракціями. Існує кілька класифікацій механічних елементів за розмірами. Нині найчастіше застосовується класифікація механічних елементів, розроблена Н. А. Качинським.

Часточки, крупніші за 1 мм, тобто  камінці і гравій, називають скелетом ґрунту, а часточки, дрібніші за 1 мм, дрібноземом. У межах фракції дрібнозему виділяють дві групи часточок: крупніші за 0,01 мм, об’єднані у групу під назвою «фізичний пісок», та дрібніші за 0,01 мм, об’єднані у групу «фізична глина».

Механічні елементи ґрунту залежно від походження та розмірів поділяють на дві групи. Першу з них становлять зерна первинних мінералів, тобто дрібних уламків щільних порід різного походження, що руйнуються при вивітрюванні. До другої групи належать тонкодисперсні вторинні мінерали, переважно глинисті, що постійно утворюються внаслідок трансформації первинних мінералів під час вивітрювання і ґрунтоутворення.

Первинні мінерали майже  цілком зосереджені в гранулометричних фракціях розміром понад 0,001 мм. Вони становлять 90– 98% маси дрібнозему пісків, 50–80% — суглинків, 10–12% — глин.

Серед первинних мінералів  у ґрунтах переважає кварц SiO2 (40–60% і більше), для якого характерні значна механічна міцність і стійкість проти хімічного вивітрювання. З оксидів, крім кварцу, у ґрунті в невеликих кількостях є магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3, рутил ТіО2. Частка силікатів серед первинних мінералів коливається в межах 5–10%. Крім того, в ґрунті зустрічається авгіт, рогова обманка, олівін та ін. Силікати порівняно легко руйнуються.

Алюмосилікати представлені польовими шпатами і слюдами. Серед польових шпатів найчастіше трапляються ортоклаз та мікроклин — мінерали, які важко руйнуються при механічному подрібненні, однак порівняно з кварцом вони менш стійкі проти хімічного вивітрювання. Загальний їх вміст досягає 20% і більше. З-поміж слюд найпоширеніші мусковіт і біотит. Слюди легко под-рібнюються при вивітрюванні, відносно стійка проти хімічного вивітрювання лише біла слюда. Вміст слюд у ґрунті досягає 10%.

Первинні фосфати представлені апатитом, вміст якого становить приблизно 0,5%.

Для первинних мінералів, що містяться у ґрунтах, характерними є динамічні процеси фізичного й хімічного перетворення різної швидкості та інтенсивності. У їх вивітрюванні активну участь беруть різноманітні живі організми. Швидкість процесів вивітрювання та утворення окремих вторинних мінералів залежать від складу первинних мінералів і певних біокліматичних умов.

Вторинні мінерали зосереджені  переважно у тонкодисперсних  гранулометричних фракціях (< 0,001 мм), які представлені глинистими мінералами, мінералами оксидів заліза та алюмінію, алофанами, а також мінералами (солями). Глинисті мінерали, як правило, становлять основну частину вторинних мінералів. Називаються вони так тому, що визначають переважно мінералогічний склад глин. Поряд з гумусом вони є основним джерелом надходження мінеральних елементів у рослини. До головних глинистих мінералів належать мінерали груп каолініту, гідрослюд, монтморилоніту, хлориту, змішаношаруватих мінералів.

Незважаючи на наявність  загальних для всіх глинистих  мінералів властивостей (шарувата кристалічна  будова, високі дисперсність та вбирна здатність), окремі їх групи внаслідок відмінності у будові і властивостях при їх значному вмісті можуть істотно впливати на властивості ґрунтів. Так, ґрунти, що містять значну кількість мінералів групи каолініту, мають низьку вбирну здатність, невеликі набряклість та липкість, добру водопроникність. Мінерали групи гідрослюд сприяють накопиченню в ґрунтовому розчині значної кількості калію. Мінерали монтморилонітової групи здатні сильно набрякати і мають високу вбирну здатність. Вони найпоширеніші в ґрунтах з нейтральною або слабколужною реакцією — чорноземах, каштанових ґрунтах, солонцях.

Група змішаношаруватих мінералів  найпоширеніша в ґрунтах помірного  поясу і становить 30–80% усіх глинистих  мінералів.

Характер і швидкість  руйнування первинних та утворення вторинних глинистих мінералів, тобто процесів ґрунтоутворення, залежать від зволоження та температури, біологічної активності ґрунтів.

Ґрунт як багатофазна система  містить в собі воду. Вода надходить  в ґрунти у вигляді атмосферних  опадів, в процесі конденсації  водяних парів з атмосфери, в  результаті капілярного підняття ґрунтових  вод та під час зрошення. Вода відіграє дуже важливу роль у ґрунтоутворенні. Від вмісту води в ґрунті залежить інтенсивність біологічних, хімічних і фізико-хімічних процесів. Вода забезпечує переміщення речовин в просторі, впливає на повітряний, поживний і тепловий режими ґрунту. Сезонна динаміка ґрунтоутворюючих процесів значною мірою відбувається під впливом ґрунтових вод. Продуктивність ґрунтів залежить від їх водного режиму.

Валовий хімічний склад мінеральної частини ґрунту успадковується від кори вивітрювання, а також виражає характер процесів ґрунтотворення. Він є функцією гранулометричного, а як наслідок - мінералогічного складу.

Приблизно половину літосфери  та ґрунту складає кисень; друге  місце займає кремній -майже чверть; десяту частину - алюміній і залізо; усього кілька процентів - кальцій, магній, натрій і калій.

У "живому" ґрунті є  органічна речовина, вода, гази, тому в ньому у 20 разів більше вуглецю  і в 10 разів - азоту. Збільшується в ґрунті також кількість кисню й водню, зменшується вміст алюмінію, заліза, калію, кальцію та магнію.

Оскільки основу ґрунтів (крім органогенних) складає мінеральна частина, то валовий хімічний склад ґрунту переважно визначається складом та кількісним співвідношенням мінералів, які його формують. Серед основних мінералів велику фракцію складають кварц та польові шпати, а тонкодисперсну фракцію - глинисті алюмосилікати. У відповідності з цим у валовому хімічному складі ґрунтів переважають кисень і кремній, менше алюмінію, дуже мало заліза, титану, кальцію, магнію, калію та натрію, інші елементи - в мікрокількостях.

Результати аналізу валового хімічного складу ґрунтів виражаються  в процентах вмісту різних оксидів. Він зручний тим, що точність розрахунку можна перевірити за сумою, яка має дорівнювати 100 ± 5%. Умовно для елементів зі змінною валентністю вміст елемента доцільно виражати в процентах. Для цього процентний вміст оксиду перемножується на відповідний коефіцієнт, який є часткою від ділення атомної маси визначеного елемента на молекулярну масу відповідного оксиду. Наприклад, для кремнію: К = атомна маса Si₂ молекулярна маса Si0₂ = 28.09/60.06 = 0.468, тоді кількість 77.85% Si0₂ відповідає кількості 36.43% Si (77.85x0.468).

Інколи виникає потреба  в перерахунках на безгумусний, безкарбонатний, прожарений ґрунт. Такі дані зручні для  зіставлення валового складу органоакумулятивних горизонтів і мінеральних, особливо для мулистої фракції. Можна вести розрахунок на об'ємну масу ґрунту.

Розподіл хімічних елементів по окремих фракціях механічних елементів залежить від їх мінералогічного складу. Кремнію найбільше у фракціях розміром понад 0,25 мм. Це зв'язано з тим, що тут знаходиться багато кварцу. У дрібніших фракціях більше польових шпатів та інших первинних мінералів, особливо залізовмісних. Тому тут збільшується вміст алюмінію та заліза. У мулуватій фракції багато глинистих мінералів, а отже чимало алюмінію та заліза.

Вміст Si0₂ закономірно знижується зі зменшенням розміру фракцій при відповідному збільшенні вмісту А1₂0₃ і Fe ₂O_r Різниця у валовому хімічному складі окремих горизонтів ґрунтового профілю використовується для діагностики елементарних ґрунтових процесів. Наприклад, для групи елювіальних ЕГП характерне збіднення елювіальних горизонтів А1₂0₃та Fe ₂0₃й відносне збагачення Si0₂. При проходженні елювіальних ЕГП в ілювіальних горизонтах часто відбувається накопичення Fe₂0₃ та А1₂О_г Водночас, однаковий профіль за хімічним складом (елювіально-ілювіальний) може формуватись при проходженні різних елементарних ґрунтових процесів: опідзолення (руйнування первинних і вторинних мінералів), знемулення або лесиваж (переміщення глинистих мінералів у незруйнованому стані), відбілювання (зняття плівок заліза із зерен мінеральних частинок зверху та виніс сполук заліза в ілювіальну частину профілю), осолодіння (руйнування мінералів у лужному середовищі зверху та виніс продуктів руйнування до ілювіальної частини), глеєелювіальний процес (руйнування мінералів у відновних умовах зверху профілю та виніс продуктів руйнування в ілювіальну частину).

Суттєву роль у генезисі бурувато-підзолистих оглеєних ґрунтів  Передкарпаття відіграють процеси  елювіальної деградації. Дані аналізу  валового хімічного складу їх мінеральної частини свідчать, що верхня частина профілю (гумусово-елювіальний, елювіально-гумусовий та частково елювіально-ілювіальний горизонти) збіднені А1₂0₃, Fe₂0₃ та, меншою мірою, СаО, MgO і МпО і відносно збагачені кремнеземом (Si0₂). Ілювіального накопичення елементів, винесених із верхньої частини профілю, практично не відбувається.

Аналогічні закономірності можна встановити в ґрунтах підзолистого й солонцьового типу ґрунтотворення.

У ґрунтах черноземного типу ґрунтотворення елювіально-ілювіальні процеси не проходять або вони супутні. Тому диференціація профілю за вмістом окремих хімічних елементів виражена слабко або відсутня взагалі. Підвищення вмісту СаО в нижній частині профілю цих ґрунтів пояснюється наявністю карбонатів кальцію, а не трансформацією материнської породи в процесі ґрунтотворення.

Вміст окремих елементів у ґрунті визначається їх присутністю у складі конкретних мінералів та органічних сполук.

Кремній входить до складу первинних і вторинних мінералів, опалу, халцедону, їх накопичення пов'язане з біогенними або гідрогенними процесами.

Вуглець є основою специфічної органічної речовини ґрунту - гумусу.

Кисень входить до складу мінералів і гумусу.

Водень міститься переважно в ґрунтовій волозі та органічних сполуках. Визначає реакцію ґрунтового розчину.

Залізо і алюміній входять до складу первинних і вторинних мінералів, накопичуються в формі гідроксидів та оксидів, беруть участь у процесі структуроутворення.

Кальцій накопичується у формі солей - карбонатів і сульфатів, присутній у тонкодисперсних глинистих мінералах, гумусі, входить до складу обмінно-поглинутих катіонів. Стабілізує реакцію ґрунтового розчину, закріплює гумусові речовини, бере участь у структуроутворенні.

Магній входить до складу глинистих мінералів, особливо монтморилоніту, вермикуліту, хлориту, вміщується в деяких первинних мінералах, входить до складу ґрунтово-поглинального комплексу. У посушливих умовах акумулюється у ґрунті у вигляді хлоридів і сульфатів.

Калій знаходиться переважно в глинистих мінералах тонкодисперсних фракцій (гідрослюди) та деяких первинних мінералах (біотит, мусковіт, калієві польові шпати). Є необхідним елементом живлення рослин.

Натрій входить до складу деяких первинних мінералів (натрієвмісні польові шпати). В посушливих умовах накопичується у вигляді хлоридів або в значних кількостях у складі ґрунтово-поглинального комплексу. Викликає засолення та осолонцювання ґрунтів.

Азот входить до складу гумусу, органомінеральних сполук, є обов'язковим елементом живлення рослин.

Фосфор - складова частина органічної речовини ґрунту. Накопичується також у формі кислих, середніх та основних солей фосфорної кислоти, переважно з кальцієм, залізом і алюмінієм.

Сірка входить до складу гумусу, а також накопичується у вигляді сульфатів кальцію і магнію, особливо за посушливих умов.

Вода в ґрунті перебуває  в трьох станах: твердому, рідкому  і газоподібному. За фізичним станом, рухомістю і доступністю для  живих організмів ґрунтову воду поділяють  на форми: пароподібну, хімічно зв’язану, сорбційно зв’язану і вільну. Багато мінералів ґрунту містять в своєму складі молекули води (Na₂SO₄×10H₂O; CaSO₄×2H₂O; MgCl₂×6H₂O та ін.). Цю форму води називають кристалізаційною. Крім того виділяють конституційну воду, яка представлена в мінеральних, органічних і органо-мінеральних сполуках гідроксильною групою ОН. Ці форми води входять до складу твердої фази ґрунту, вони є нерухомі і недоступні для рослин. Вільна вода - вода ґрунту, яка не піддається дії сорбційних сил. Ця форма не має молекул, які орієнтовані до колоїдних часток ґрунту. В ґрунтах вона міститься у двох форма: капілярній і гравітаційній.

Ґрунтове повітря - це суміш  газів і летких органічних сполук, які заповнюють пори ґрунту. Основними  джерелами надходження повітря  в ґрунт є приземкуватий шар  атмосфери і гази, які утворюються  в ґрунті. Воно потрібне для дихання  коренів рослин, аеробних мікроорганізмів, тваринних організмів.

Ґрунтове повітря перебуває  в ґрунті у трьох станах: вільному, адсорбованому і розчинному. Вільне повітря заповнює капілярні і  некапілярні пори, легко переміщується  в ґрунті і обмінюється з атмосферою. Його газовий склад значно відрізняється  від складу атмосферного повітря. Лише вміст азоту залишається близьким до його вмісту в атмосфері.

Швидкість і характер хімічних, біологічних і фізико-хімічних процесів зумовлюються тепловим режимом ґрунту, який сформувався на даній території.

Тепловим режимом ґрунту називають суму явищ надходження, перенесення, акумуляції і віддачі тепла. Тепловий режим характеризує тепловий стан ґрунту. Основним його показником є температура  ґрунту. На формування теплового режиму ґрунту впливають атмосферний клімат (приток сонячної радіації, умови зволоження, континентальність тощо), рельєф, рослинність, сніговий покрив і теплові властивості  ґрунту.

Тепловими властивостями  ґрунту називають сукупність властивостей, які зумовлюють здатність ґрунту поглинати і переміщувати в своїй  масі теплову енергію. До них належать: теплопоглинання, теплоємкість і теплопровідність.

Забарвлення горизонтів ґрунту залежить від фізичних властивостей і хімічного складу. Недаремно багато типів ґрунтів названо за їх забарвленням. Забарвлення ґрунту – перша морфологічна ознака, за якою виділяють генетичні горизонти. За забарвленням можна характеризувати як окремі горизонти, так і профіль ґрунту в цілому. Забарвлення ґрунту частково успадковується від забарвлення ґрунтоутворюючої породи, а частково (інколи значною мірою) набувається в процесі ґрунтоутворення.

Чорне забарвлення ґрунту зумовлено, як правило, накопиченням гумусу і, зокрема, гумінових кислот. Фульвокислоти  надають ґрунтам світлого забарвлення. Крім гумусу чорного забарвлення ґрунтам надають деякі хімічні сполуки: оксид марганцю, деревне вугілля, магнетит та ін. Біле забарвлення ґрунту залежить від наявності кварцу, каолініту, вапна, водорозчинних солей, вівіаніту, гіпсу тощо. Червоне і жовте забарвлення зумовлюють оксиди заліза. Синє або сизе забарвлення мають глейові горизонти. Пурпурове забарвлення вказує на високий вміст оксидів марганцю (трапляється дуже рідко). Оливкове (зелене) забарвлення характерне для ґрунтів з надмірним зволоженням, які містять зеленуваті глинисті мінерали з увібраним залізом.

При описанні ґрунтів преобладаючий  тон в забарвленні вказують на останньому місці.

                                         Література

1. В. П. Гудзь, А. П. Лісовал В. О. Андрієнко, М. Ф. Рибак - Землеробство з основами грунтознавства і агрохімії
2. Родючість ґрунтів: моніторинг та управління / за ред. В.В.Медвєдєва. — К.:. Урожай, 1992. — 248 с.
3. 18.       Чорний І.Б. Географія ґрунтів з основами ґрунтознавства. —

К.: Вища школа, 1995. — 216 с.

4. Кафедра грунтознавства і географії грунтів (1993-2003): До 10-річчя заснування кафедри/ За заг. ред. С.П.Позняка.- Львів: Вид. центр ЛНУ ім. І.Франка, 2003.- 70с.- 6.00