Minerały glebowe
Minerały glebowe – nieorganiczna część substancji glebowych, produkty wietrzenia magmowych, metamorficznych lub osadowych skał macierzystych (minerały pierwotne) lub związki powstające w czasie powstawania gleby (minerały wtórne). Poza składnikami mineralnymi w strukturze gleby występują stałe cząstki organiczne (próchnica), organiczno-mineralne, roztwór glebowy, gazy (powietrze i para wodna) oraz organizmy żywe (edafon)[1][2].
Skład chemiczny
edytujInformacje o chemicznym składzie minerałów najczęściej występujących w glebach zawierają tabele.
| Nazwa | Wzór |
| Kwarc | (SiO2)n |
| Grupa skaleni | |
| ortoklaz | KAlSi3O8 |
| plagioklazy | NaAlSi3O8 |
| Grupa łyszczyków | |
| muskowit | KAl3Si3O10(OH)2 |
| biotyt | K(MgFe)3(AlSi3O10)(OH,F)2 |
| Grupa amfiboli i piroksenów | |
| hornblenda | Ca2Al2Mg2Fe3Si6O22(OH)2 |
| augit | Ca(MgFe)Si2O6 |
| Grupa oliwinów, np. (MgFe)2SiO4 | |
| Nazwa | Wzór |
| Węglany i fosforany | |
| kalcyt | CaCO3 |
| dolomit | CaMg(CO3)2 |
| apatyt | Ca5(PO4)3 · (Cl, F, OH) |
| Tlenki i uwodnione tlenki | |
| Si, opal, chalcedon | SiO2 * n H2O |
| Al | Al(OH)3 · n H2O |
| Fe | Fe(OH)3 · n H2O |
| Mn | Mn(OH)3 · n H2O |
| Minerały ilaste (dwuwarstwowe, trójwarstwowe, czterowarstwowe) | |
| Allofany, mineraloidy, np. amorficzne koloidy (xAl2O3· ySiO2 · zH2O | |
Struktura krystaliczna
edytuj
O sorpcyjnych właściwościach minerałów glebowych decyduje obecność podstawowych jednostek struktury krystalicznej (komórek elementarnych), w których[1]:
- węzły sieci krystalicznej są obsadzone przez atomy tlenu,
- jony Si zajmują luki tetraedryczne (w modelu kulowym – przestrzenie otoczone czterema stykającymi się kulami),
- jony Al zajmują luki oktaedryczne (przestrzenie otoczone sześcioma stykającymi się kulami).
Największą wartość z punktu widzenia chemii rolnej mają minerały zbudowane z naprzemianległych warstw czworościanów i ośmiościanów, połączonych mostkami Al–O–Si. Z takich elementów powstają pakiety podwójne, potrójne kub poczwórne. Są oddzielone przestrzeniami międzypakietowymi o różnych wymiarach, od których zależy możliwość sorpcji różnych kationów i skłonność do pęcznienia w wodzie.
- Strukturę kaolinitu tworzą pakiety dwuwarstwowe. Szerokość przestrzeni między warstwami wynosi 0,28 nm, wskutek czego minerał nie pęcznieje i ma niewielką pojemność sorpcyjną.
- Minerałami trójwarstwowymi, w których warstwa oktaedryczna (glinowa) jest z obu stron związana z warstwami tetraedrycznymi (krzemowymi), są smektyt i wermikulit. Minerały te pęcznieją pod wpływem wody i mają bardzo dużą pojemność sorpcyjną. Jest to związane z szeroką przestrzenią międzypakietową (zmienną w zakresie 0,5–1,76 nm), w której mogą się zmieścić cząsteczki wody. Illit ma również pakiety trójwarstwowe, jednak jego pojemność sorpcyjna i skłonność do pęcznienia są nieznacznie większe niż w przypadku kaolinitu. W przestrzeni między pakietami (0,3 nm) występują silnie związane jony potasu K+ oraz Ca2+, Mg2+ i inne.
- Przedstawicielem minerałów o pakietach czterowarstwowych jest chloryt. Pakiety tworzą: warstwa 1 – Si–O, warstwa 2 – Al–O, warstwa 3 – Si–O, warstwa 4 (oktaedryczna) – Al, Fe, Mg–OH. Chloryt charakteryzuje się małą pojemnością sorpcyjną i nie pęcznieje.
W glebach Polski dominują składniki mineralne o pakietach mieszanych smektyt/illit oraz tlenki i uwodnione tlenki metali[1].
Skład granulometryczny
edytuj| nazwa (symbol) | wymiar cząstek [mm] | ||
|---|---|---|---|
| bardzo gruboziarniste | duże głazy (LBo) | >630 | |
| głazy (Bo) | >200–630 | ||
| kamienie (Co) | >63–200 | ||
| gruboziarniste | żwir (Gr) | gruby (CGr) | >20–63 |
| średni (MGr) | >6,3–20 | ||
| drobny (FGr) | >2,0–6,3 | ||
| piasek (Sa) | gruby (CSa) | >0,63–2,0 | |
| średni (MSa) | >0,2–0,63 | ||
| drobny (FSa) | >0,063–0,2 | ||
| drobnoziarniste | pył (Si) | gruby (CSi) | >0,02–0,063 |
| średni (MSi) | >0,0063–0,02 | ||
| drobny (FSi) | >0,002–0,0063 | ||
| ił (Cl) | ≤0,002 | ||
Z punktu widzenia prawidłowych stosunków powietrzno-wodnych ważna jest nie tylko struktura sieci krystalicznej minerałów glebowych, ale w dużym stopniu również porowatość gleby, mieszcząca się w szerokim zakresie od ok. 30% do nawet 90% (dla większości roślin wartość optymalna wynosi 50-60%)
Porowatość zależy przede wszystkim od wielkości ziaren mineralnych. Zasady oznaczania i klasyfikowania gruntów w Europie precyzuje norma PN-EN ISO 14688-1:2006 (EN ISO 14688-1:2002)[3][2][4].
Pojemność sorpcyjna
edytujMineralne składniki gleb o wymiarach <0,002 mm (ił koloidalny) oraz próchnica i cząstki organiczno-mineralne tworzą łącznie tzw. „glebowy kompleks sorpcyjny”, uczestniczący w zatrzymywaniu i dostarczaniu roślinom jonów biogennych, a w niekorzystnych warunkach również substancji szkodliwych (np. Al). Koloidy glebowe charakteryzuje się podając m.in. wartości[5]:
- powierzchni właściwej,
- gęstości ładunku elektrycznego na powierzchni (zob. podwójna warstwa elektryczna),
- pojemności sorpcyjnej wyrażanej np. ilością centymoli kationów sorbowanych przez kilogram sorbentu.
Energie adsorpcji poszczególnych kationów przez kompleksy sorpcyjne są zależne od ładunku jonów i ich wymiarów w postaci uwodnionej.
| Minerał | Powierzchnia właściwa m-2·g-1 |
Gęstość ładunku mmol(-)·cm-2 10-7 |
Pojemność sorpcyjna cmol(+)·kg-1 |
| Kaolinit i haloizyt | 1–40 | 2 | 3–15 |
| Illit | 50–200 | 3 | 20–50 |
| Wermikulit | 600–700 | 2 | 150–200 |
| Smektyt | 600–800 | 1,4 | 70–130 |
| Allofan | 700–1100 | 0,3 | 10–50 |
| Próchnica (humus) | 800–1000 | * | 180–300 |
Tworzą szereg[5]:
- Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+
Pojemność wymienna gleby w stosunku do kationów – pojemność wymiany kationów PWK – jest w dużym stopniu zależna od pH roztworu glebowego. Określane są rzeczywiste wartości PWKr, odnoszone do naturalnego pH gleby (inaczej – pojemność efektywna) i wartości pojemności potencjalnej (PWKpot, PWK8,2), często odnoszone do standardowej wartości pH = 8,2.
Przypisy
edytuj- ↑ a b c d e Gleba jako środowisko odżywiania roślin. W: Mariusz Fotyma, Stanisław Mercik: Chemia rolna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1992.
- ↑ a b Aleksandra Borecka: Gruntoznawstwo. [w:] Katedra hydrogeologii i geologii inżynierskiej. Gruntoznawstwo, wykład 1 [on-line]. giigs.agh.edu.pl. [dostęp 2012-06-06]. (pol.).
- ↑ a b Badania geotechniczne -- Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów -- Część 1: Oznaczanie i opis. [w:] PN-EN ISO 14688-1:2006 (ISBN 83-243-9801-5) [on-line]. PKN. [dostęp 2012-06-06]. (pol.).
- ↑ Anna Gołębiewska, Anna Wudzka: Nowa klasyfikacja gruntów według Normy PN-EN ISO. [w:] GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 04/2006 (11), s. 44–55 [on-line]. [dostęp 2012-06-06]. (pol.).
- ↑ a b c Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 174–206. ISBN 83-01-14216-2.