Общее значение и роль соединений кремния в почвах Д. С. Орлов (1985) определяет следующими основными положениями:
1) соединения кремния в большинстве почв и горизонтов создают их материальную основу, основной костяк почвенной массы, выполняя тем самым важнейшую конституционную роль;
2) количественное распределение кремния по почвенному профилю служит одним из важнейших показателей типа протекающих процессов, а по отношению SiO2 : R2O3 или SiO2 : Al2O3 различают типы кор выветривания;
3) с соединениями кремния непосредственно связаны многие важнейшие свойства почвы. От содержания и состава алюмосиликатов — глинистых минералов, зависят связность и липкость почв, их набухаемость, а также емкость катионного обмена. В глинистых и тяжелосуглинистых почвах даже инертный кварц может играть положительную роль, улучшая их водно-воздушный режим.
Кремний в форме анионов орто — и метакремниевых кислот (SiO4)4+ и (SiO2)силикатов натрия и калия, частично в форме золя, постоянно поступает в почвенные растворы и грунтовые воды в результате гидролиза раздробленных алюмосиликатов и растворения кварца, халцедона, опала, а также минерализации растительных остатков. Нефелин, диопсид, авгит в измельченном состоянии могут отдавать в водный раствор 15-20 мг/л кремнезема; биотит, микроклин, лабрадорит — до 5-7,5 мг/л. Даже кварц при высокой степени измельченности и нисходящих токах растворяется в количестве 3,5-4,0 мг/л SiO2 (Keller, 1957). Полевые шпаты и ряд сложных силикатов, таких как турмалин, циркон, фанат, являются очень стойкими против выветривания минералами с крайне низкой растворимостью. Но и они отдают в раствор небольшие количества кремнезема. Энергичный вынос кремнезема при выветривании, сопровождаемый значительным отставанием выноса соединений алюминия, железа, титана, установлен даже для условий тундры и тайги (Иванова Е. Н., Полынцева О. А., 1936; Таргульян В. О., 1967). Одна часть растворенного кремнезема вымывается из почвы, другая осаждается (при кислой реакции) в виде гелей (SiO2 * nH2O) — аморфных осадков, которые, теряя воду, могут переходить в кварц вторичного происхождения (Кауричев И. С., Панов Н. П., Розов Н. Н. и др., 1989). Как свидетельствуют А. Кабата-Пендиас и X. Пендиас (1989), кремний легко переходит из минералов в почвенные растворы, если он находится в последних в неравновесной концентрации. Как показали исследования Д. С. Орлова (1985), такой переход зависит прежде всего от степени окристаллизованности кремнезема, величины pH и водного режима почвы. По его данным, растворимость кварца в воде составляет около 2*10-4 моль/кг, нарастая при увеличении pH. Растворимость аморфного кремнезема примерно в 10 раз выше, но она очень сильно зависит от степени гидратации и в гидратированой форме кремнекислота образует довольно устойчивые водные коллоидные растворы. Второй фактор, влияющий на растворимость кремнезема, — это реакция среды. При значениях pH ниже 5 и выше 10 растворимость кремнезема наибольшая. Минимум растворимости приходится на промежуточный интервал pH. Как показали исследования G. Okamoto, Т. Okura и К. Goto (1957), сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема и повышение температуры. Это объясняет, почему термальные воды, выходящие на поверхность, богаты растворенным кремнеземом — до 500-1000 мг/л SiO2 (Ковда В. А., 1985).
Следующий фактор, от которого зависит концентрация кремния в почвенном растворе, — адсорбция кремнекислоты твердой фазой почвы.
Растворимость гелей кремнезема повышается под влиянием NaCl, Na2SO3 и особенно NaHCO3, и Na2CO;. Есть указания, что в поровых растворах, содержащих соду, концентрация кремнезема может повышаться до 452 мг/л (Богомолов Г. В., Плетникова Г. Н., Титова Е. А. 1967).
Адсорбция мономерных форм кремниевой кислоты, как и растворимость, зависит от pH среды. При увеличении pH от 3,0 до 6,5 этот процес развивается, а в интервале pH 6,5-10,0 — очень быстро. Количество адсорбированной SiO2 при изменении pH от 6,5 до 10,0 увеличивается в 2-3 раза. При дальнейшем росте pH адсорбция кремнекислоты вновь снижается. В присутствии угольной кислоты, хлористых и сернокислых солей происходит интенсивный гидролиз измельченного базальта, гранита, нефелина с переводом в растворы значительных количеств Si02 (до 20-100 мл/л). Испарение, транспирация или замерзание растворов, содержащих кремнезем, вызывают выпадение его в осадок в форме гелей, аморфной "присыпки”, корочек или плотной коры. Образование гелей кремнезема описывалось многими исследователями. Так, Е. В. Гильгард сообщал, что в долине Миссисипи им наблюдался слой кремнистого геля мощностью 4-5 м. Были указания на нахождение гелей кремнезема при работах в Симплонском туннеле, на Кап-Годе, в барах Австралии (Termier Н., Termier G., 1952).
В содовых солончаках и в солонцовых почвах идет мобилизация соединений подвижного кремнезема щелочными растворами, их перемещение в профиле с явлениями сильно выраженной слитости и цементации почвенных горизонтов (Ковда В. А., 1985).
Кремнезем, поступивший в раствор при выветривании, осаждается также биологическим путем. Диатомовые водоросли, радиолярии, растения, особенно злаки (бамбук), усваивают подвижный кремнезем, полимеризуют его в опал и переводят в осадок. Однако есть много свидетельств о том, что деполимеризация опалов до коллоидных и истинных растворов — явление, столь же широко распространенное в природе (Erhart Н., 1956).
Процессы высвобождения кремниевой кислоты из почвенных силикатов называют десиликацией. Свободная кремнекислота может соосаждаться с гидроксидами алюминия, образуя аллофаны. В условиях промывного водного режима происходит ее выщелачивание из почвы. Наиболее интенсивно процесс десиликации протекает в рисовых оросительных системах и почвах влажных тропиков при образовании латеритов и ферраллитов. При латеритизации и ферраллитизации в профиле почв накапливаются устойчивые продукты выветривания, такие как гиббсит (Орлов Д. С., 1985).
На содержание растворимого кремния в почвенном растворе определенное влияние могут оказать присутствующие здесь ионы фосфора, алюминия, кальция и железа. В кислых почвах силикатный и фосфатный ионы образуют нерастворимые осадки, которые могут связывать и ряд катионов, тогда как оксиды алюминия и железа обладают заметной сорбционной емкостью в отношении растворенного кремния в форме H4SiO4. Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают его осаждение в виде силикатов щелочных земель или оксида. Органическое вещество, присутствующее в затапливаемых и переувлажненных почвах, также повышает подвижность кремния. Это происходит за счет восстановления водных оксидов железа, которые высвобождают адсорбированные на них мономеры кремниевой кислоты (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989).
Валовое содержание кремнезема колеблется от 40-70 % в глинистых почвах до 90-98 % в песчаных (Роде А. А., Смирнов В. Н., 1972). Его кларк в почве равен 33 %. В почвах Краснодарского края валовые запасы кремния составляют 55,5-70,5 % (Кириченко К. С.. 1953; Блажний Е. С., 1971).