Глина и песок, находящиеся в почвах

Нещества, присутствием которых, главным образом, обусловливаются химические процессы в почвах, т. е. цеолиты и перегной, рассмотрены нами в предыдущих главах. Песок и глина своим присутствием в почве, главным образом, определяют физические свойства почвы; значение их с этой стороны рассмотрено будет впоследствии; но так как химические изменения происходят и в этих составных частях почвы, то мы рассмотрим их и здесь, начавши ввиду некоторых удобств с песка.

Песок, находимый нами в разных почвах, а часто и в одной и той же, представляет большое разнообразие как по крупности, так и по своему петрографическому характеру. Так как теперь мы имеем в виду рассмотрение химических изменений песка, то на крупность его пока не будем обращать особенного внимания, потому что на сущность химических изменений она имеет влияние, во всяком случае, второстепенное.

Что касается происхождения песка, то, как известно, он представляет продукт механического измельчения плотных горных пород под влиянием твердой или жидкой воды, а иногда и некоторых других веществ, например, кислорода и угольной кислоты. В подробное рассмотрение этих процессов мы входить здесь не будем, так как описание их можно найти в различных курсах геологии.

Песок, находящийся в почвах, в громадном большинстве случаев представляет почти исключительно зерна кварца и безводных силикатов, содер;

жащих глинозем и другие окислы. (Мы не упоминаем здесь об известковом песке, потому что углекислая известь рассматривается в особой главе.).

Чтобы указать на некоторых примерах, какие горные породы составляют песок в почвах, мы приведем здесь результаты исследований прусских почв. ?(См. табл, на стр. 79). Замечательно, что во всех этих случаях мелкий песок одной и той же почвы содержал гораздо больше кварцевого песку и сравнительно меньше силикатов, чем песок крупный. То же самое следует из*цифр, полученных Ортом при исследовании песчаных почв Силезии. Им найдено в разных почвах:

По исследованиям Лауфера дилювиально-песчаной почвы, в ней найдено:

В зернах крупнев 2 мм…32,3% кварца.

" «от 2 до 1 «66,9 ««.

" «» 1 о 0,5 .> 88,9 «•>

" «мельче 0,5» 97,2 ««.

Во всех этих случаях песок мелкий состоял по преимуществу из зерен кварца, тогда как в крупном песке, кроме кварца, содержалось много силикатов. Правило это весьма вероятно для всех почв вообще, потому что из горных пород, послуживших материалом для образования почв, кварц наиболее тверд; поэтому, если условия измельчения были таковы, что кварц распадался в мелкие зерна, то другие породы, более мягкие, должны были при этом растираться в мельчайший ил.

Кроме того, при этом, вероятно, имело влияние еще следующее обстоятельство. Добре показал, что если куски полевого шпата заставить двигаться в воде так, чтобы они взаимно стирали поверхности один другого, то минерал подвергается при этом химическому разложению: в воде оказывается растворенным кремнекислый кали, а остальная часть полевого шпата дает глину. При перетирании кварца с ним не может происходить никаких химических изменений, и потому он остается в виде мелких зерен или пыли, тогда как силикаты не только сильнее измельчаются, но и разлагаются при тонком измельчении в воде.

Количество кварцевого и силикатного песка, находящееся в почвах, имеет хозяйственное значение: кварцевый песок не подвергается дальнейшим изменениям и не дает продуктов, полезных для питания растений; зерна силикатов, напротив, могут химически изменяться и доставлять питательные вещества растениям; они, как говорят, представляют запас, из которого может пополняться убыль питательных веществ в почве, когда она истощается. Изменение силикатов, происходящее под влиянием естественных условий, носит обыкновенно название выветривания. Зерна силикатов, находящиеся в почвах, постоянно выветриваются.

Мы не будем подробно рассматривать процессы выветривания, а укажем только в общих чертах на результаты исследований по этому предмету.

Безводные силикаты, находящиеся в почвах, как мы сказали, почти всегда содержат глинозем и другие окислы. Их состав, в самом общем виде, можно представить в виде следующей формулы:

где под В разумеются кальций, магний, калий, натрий или, наконец, железо в виде закиси.

Рот различает два вида выветривания горных пород вообще: простое и сложное. При первом из них вода, чистая или содержащая угольную кислоту, действует на силикат, растворяя и удаляя вторую часть его (q-Si0₂-r-R0), причем остается кремнекислый глинозем, поглощающий при разложении.

.минерала воду, и таким образом, вместо прежнего минерала является глина. Процесс этот, согласно с Форхгаммером, можно представить по отношению к нолевому шпату (ортоклазу) так:

К этому присоединяется 6,5 части воды, и получается 46,5 каолина.

Подобным же образом разлагаются и другие силикаты: из них удаляются кремнекислые окислы калия, натрия, кальция и т. п., и остается глина. В природе, однако, процессы эти не происходят так просто, как указано выше; глина почти никогда не остается такой чистой, как следовало бы по указанной схеме, и причин этого весьма много: растворяющиеся кремнекислые соли могут разлагаться угольной кислотой, образуя углекислые соли; при этом кремнезем остается отчасти с глиной, а углекислая соль удаляется, если она легко растворима в воде, в противном случае она тоже остается с глиной, и вместо прежнего минерала является смесь нескольких веществ. Смесь эта будет еще более сложной, если выветривание не доходит до конца; тогда вместе с конечными продуктами разложения будут находиться и продукты промежуточные. Сложность смеси, наконец, увеличивается еще вследствие того, что в каждом минерале обыкновенно находятся микроскопические включения других минералов. Пока эти микроскопические кристаллики, зерна и т. п. находятся в плотной массе минерала, с ними не происходит никаких изменений, но когда минерал будет разрушен, то и они могут выветриваться, и к продуктам выветривания минерала присоединяются продукты химических изменений его микроскопических включений (микролитов).

Выветривание различных минералов и горных пород имеет неодинаковое значение: если выветривается, например, порода, содержащая кали, то освобождается калиевая соль, и почва обогащается калием, если выветривание происходит в почве. Если в минерале было много микроскопических кристаллов апатита, то после его разрушения почва будет обогащаться усвояемой фосфорной кислотой вследствие выветривания апатита; но может разрушаться минерал, содержащий магнезию и мало апатита,—понятно, что его выветривание в почве не дает таких полезных в хозяйственном отношении результатов. Следовательно, полезность выветривания горных пород, находящихся в почвах, определяется их составом, если только не принимать в расчет изменения физических свойств почвы вследствие выветривания; но изменение это, вследствие медленности выветривания, вообще незначительно.

Сложным выветриванием Рот называет такое, при котором химическое изменение минерала происходит под влиянием водных растворов различных солей; в этом случае вместо окислов, извлекаемых из минерала в раствор, на место их становятся окислы, бывшие в растворе, и в результате из одного минерала получается другой, иного состава. В хозяйственном отношении некоторые из таких изменений могут быть почти бесполезны, как, например, превращение ортоклаза в ыюду; но могут быть и весьма полезны, когда из безводного силиката образуется цеолит. Так, например, Кариус нашел, что измененный ортоклаз имел следующий состав:

По составу и свойствам он был сходен с натронным цеолитом (натролитом); подобные же превращения при сложном выветривании замечались и во многих других случаях.

Все это указывает, что безводные силикаты почвы, образующие песок, подвергаются изменениям, иногда весьма сложным, но что тем не менее мы можем указать на три главнейшие пути таких изменений соответственно конечным продуктам, которые при этом получаются: безводный силикат может дать глину и растворимые или труднорастворимые соли; он может превратиться в цеолит или же, наконец,—в безводный же силикат, но другого состава.

Из всего сказанного в настоящей главе видно, что глина, находящаяся в почвах, представляет всегда продукт выветривания горных пород (безводных глиноземных силикатов) и что в разных случаях отличается неодинаковой степенью чистоты. Вследствие различных технических употреблении различных веществ, содержащих глину, в обыкновенном разговорном языке под названием глины разумеется в разных случаях не одно и то же. «Для кирпичного заводчика,—говорит Лауфер, — глина есть всякая земля, которая при выкапывании пристает к лопате, при разрезе блестит, во влажном состоянии пластична и для кирпичей может быть набита в формы без предварительного отмучивания, или, если оно необходимо, без большого остатка от отмучивания. Он довольствуется, если для точнейшей характеристики своей глины он называет ее жирною или тощею, песчанистою и т. д.». Должно оговориться, что под названием глины мы разумеем, как видно уже из прежних глав, вещество, сходное по составу и свойствам с каолином, состав которого такой:

Часть глинозема может быть в глине заменена железом; в ней могут быть примеси других солей, но только в небольшом количестве, и, наконец, она должна состоять из мельчайших частиц и должна быть в высшей степени пластичной.

По двум последним признакам различные сорта глины неодинаковы между собой. Шлезинг показал, что разные сорта каолина состоят из частиц неодинаковых: одни из них при значительной мелкости плотны, подобны кристалликам; при взмучивании в воде они отражают свет и довольно быстро садятся на дно сосуда. Другие—бесформенны и распускаются в воде так, что их нельзя видеть под микроскопом; взмученные в воде, частицы эти не оседают очень долго. Между тем состав тех и других одинаков, как видно из следующих цифр, относящихся к одному сорту каолина.

После взмучивания осадки образовались:

Состав всех фракций был почти тождественный; в этом случае глина, осаждавшаяся медленнее, содержала больше воды; в других случаях замечено обратное явление.

Из цифр предыдущей таблицы видно, что даже очень чистая глина содержит некоторое количество других соединений, кроме кремнекислого глинозема; так как в связи с этим из глины всегда растворяется небольшое количество веществ соляной кислотой, то надо думать, что вещества эти находятся в ней в виде цеолитных соединений, что подтверждается способностью глины поглощать незначительные количества веществ из водных растворов.

Данные нами здесь разъяснения в достаточной степени показывают, чтоназвание глины придается нами не тем смесям, которые мы находим в природе и которые содержат всегда значительную примесь песку и других веществ^ Представителем глины, в том смысле, какой придается нами этому слову, может считаться только чистая фарфоровая глина (каолин), находимая сравнительно редко. Обыкновенные сорта глины представляют смесь глины с другими веществами, и, чтобы извлечь из них глину, нужно сперва удалить из смеси цеолитные вещества и углекислую известь и затем кварцевый и силикатный песок. Поэтому нет ничего удивительного, что в том, что называют обыкновенно глиной, глины, в настоящем смысле этого слова содержится всего 35—37%.

Глина обыкновенно считается одной из наименее изменяемых составных частей почв; действительно, если она подвергается разложению, то оно должно происходить весьма медленно и в самых незначительных размерах. Но под влиянием растворов различных солей она может соединяться с некоторыми составными их частями и образовать двойные силикаты, подобные тем, из которых образуется глина; таким образом, в почвах могут происходить процессы, по своему направлению противоположные простому выветриванию силикатов. Чтобы привести пример подобного рода процессов, укажем на следующий опыт Лемберга. Взявши каолин (из Карлсбада), Лемберг обрабатывал его в течение 33 часов при 180—190° раствором кремнекислого натра. При этом получен аморфный продукт, из которого 94,1% растворялось в соляной кислоте. Состав каолина и полученного из него вещества был следующий.

Очевидно, что из глины получился натронный цеолит. Высокая температура при опыте ускоряла превращение каолина; в природе то же самое при более низкой температуре и при более слабых растворах щелочей происходит медленно. Подобные же продукты Лемберг получил при действии на каолин растворами едких и сернокислых или хлористых щелочей. На возможность таких изменений указывалось уже и прежде некоторыми лицами.

Следовательно, между цеолитами, с одной стороны, и безводными силикатами—с другой, существует несомненная связь, так как цеолиты могут образоваться как из безводных силикатов, так и из глины. Но и сами они, несомненно, могут давать начало образованию как безводных силикатов, так и глины. Мы знаем довольно значительное число примеров подобных превращений. Так, например, полевой шпат находится иногда в форме кристаллов апальцита (натронного цеолита), и Бишоф дает следующую схему такого превращения:

«Поэтому,—говорит Бигиоф,—если анальцит поглотит калиевый силикат указанного выше состава, то превращается в ортоклаз. Так как натронный силикат разлагается углекислым кали, то воды, содержащие углекислое кали и кремнезем, могут превращать анальцит в ортоклаз»; между тем, прибавим мы к этому, в почвах, несомненно, вода содержит оба указанные вещества, а следовательно, превращение в ней натронных цеолитов в полевой шпат вполне возможно. Из анальцнта иногда образуется тальк; Сишоф исследовал пример превращения ломоитита (известкового цеолита) в ортоклаз, и такое превращение происходит при тех же условиях, как и образование ортоклаза из анальцнта.

Лемберг, действуя раствором кремнекислого натра на лейцит, превратил его в вещество, по составу и свойствам сходное с натронным силикатом (акальцитом), и затем снова получил из него лейцит действием калиевых солей. Вероятно, что подобное превращение возможно и в почвах; по крайней мере, нет никаких причин, по которым оно было бы невозможно; между тем лейцит может превращаться, с одной стороны, в ортоклаз, а, с другой стороны, при выветривании дает глину.

До настоящего времени при рассмотрении химических изменений минеральных составных частей почвы ограничивались, главным образом, только изучением процессов выветривания, почти не обращая внимания на изменения в цеолитах и в глине. Между тем факты, указанные нами в настоящей главе, приводят к убеждению, что если безводные силикаты почвы нс представляют чеголибо неизменного, то, по меньшей мере, настолько же можно считать изменчивыми глину и цеолиты, и превращения последних могут приводить к результатам, противоположным по сравнению с выветриванием. В настоящее время нет возможности указать безошибочно, при каких условиях преобладают одни и при каких другие из этих процессов; мы знаем только, что почвенные растворы, цеолиты, глина и безводные силикаты не представляют какие-либо особенные группы веществ, не имеющие между собой никакой связи; растворы, действуя на безводные силикаты, могут ускорять их выветривание, но при действии на цеолиты они могут способствовать новообразованию безводных силикатов; точно так же глина может образовать цеолиты, но может и сама образоваться из силикатов и т. д., так что между всеми составными частями почвы существует несомненная связь по химическим взаимодействиям между ними.

Заключения эти весьма важны по отношению ко всем химическим изменениям в почвах, и мы воспользуемся ими в одной из следующих глав, когда будем говорить о химических изменениях в почвах под влиянием растительности и, в частности, об истощении почв при возделывании культурных растений.