Почва Лектор: к. т. н. доц. П. Ф. Агаханянц Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Определения Почва — поверхностный слой Земли, обладающий плодородием. Почва является полифункциональной четырёхфазной системой: твердые минеральные частицы, твердые органические частицы, вода (с растворенными в ней органическими и неорганическими веществами), воздух. Изучением почв занимается почвоведение.
Определения Почвенный горизонт — специфический слой почвенного профиля, образовавшийся в результате воздействия почвообразовательных процессов. Почвенный профиль — совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся почвенных горизонтов, на которые расчленяется почва в процессе почвообразования. Почвенный покров — совокупность почв, покрывающих территорию.
Факторы почвообразования Почва формируется под влиянием 1. климата, 2. рельефа, в результате выветривания исходной почвообразующей (материнской) породы, 4. а также жизнедеятельности живых организмов (растений и животных) 5. и меняется со временем. Учение о факторах почвообразования было создано В. В. Докучаевым. 3.
Средний состав почвы
Почвенный горизонт Для горизонтов принято буквенное обозначение, позволяющее записывать строение профиля. Например, для дерново-подзолистой почвы: AO-A-E-EB-Bt, f, al-С.
Типы горизонтов Органогенные (подстилка (AO, O), торфяный горизонт (T), перегнойный горизонт (Ah, H), дернина (Ad), гумусовый горизонт (A) и т. д. ) — происходит биогенныое накопление органического вещества. Элювиальные (подзолистый горизонт, лессивированный горизонт, осолоделый горизонт, обозначаются буквой E с индексами, ранее использовалось обозначение A 2) — происходит вынос органических и/или минеральных компонентов. Иллювиальные (B с индексами) — происходит накопление вынесенного из элювиальных горизонтов вещества. Метаморфические (Bm) — образуются при трансформации минеральной части почвы на месте.
Типы горизонтов Гидрогенно-аккумулятивные (S) — образуются в зоне максимального накопления веществ (легкорастворимые соли, гипс, карбонаты, оксиды железа и т. д. ), приносимых грунтовыми водами. Коровые (K) — горизонты, сцементированные различными веществами (легкорастворимые соли, гипс, карбонаты, аморфный кремнезём, оксиды железа (плинтит, латерит) и т. д. ). Глеевые (G) — с преобладающими восстановительными условиями. Подпочвенные горизонты — материнская порода (C), из которой образовалась почва, и залегающая ниже подстилающая порода (D) иного состава.
Роль почвы на Земле Почву рассматривают как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли. Почва является результатом действия микроорганизмов. «Почва это зеркало ландшафта» .
Минеральная часть почвы
Минеральный состав Около 50 -60 % объёма и до 90 -97 % массы почвы составляют минеральные компоненты. Минеральный состав почвы отличается от состава материнской породы (тем сильнее, чем старше почва). Остаточные минералы после выветривания и почвообразования, носят название первичных. Большинство минералов разрушается, наиболее устойчивы кварц, полевые шпаты (до 10 -15% массы твёрдой фазы почвы) и пр. Чаще всего они представлены относительно крупными песчаными частицами.
Минеральный состав В почве высоко содержание вторичных минералов, образованных в результате химического преобразования первичных, или синтезированных непосредственно в почве: глинистые минералы – каолинит, монтмориллонит, галлуазит, серпентин и пр. Они обладают высокими сорбционными свойствами, большой ёмкостью катионного и анионного обмена, способностью к набуханию и удержанию воды, липкостью и т. д. Этими свойствами во многом обусловлена поглотительная способность почв, её структура и плодородие.
Химический состав минерального вещества почвы Высоко содержание оксидов и гидрокисидов железа (лимонит, гематит), марганца, алюминия и др. , сильно влияющих на свойства почвы участвуют в формировании структуры, ППК, участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Большую роль в почвах играют карбонаты (кальцит, арагонит). В аридных регионах в почве нередко накапливаются легкорастворимые соли (хлорид натрия, карбонат натрия и др. ), влияющие на весь ход почвообразовательного процесса.
Гранулометрический (механический) состав почвы
Гранулометрический (механический) состав почвы В почвах могут находиться частицы диаметром как менее 0, 001 мм, так и более нескольких сантиметров. Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это приводит к большим величинам ёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшей агрегированности, но к меньшей порозности. Тяжёлые (глинистые) почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие (песчаные) – с водным режимом.
Гранулометрический (механический) состав почвы Весь диапазон размеров делят на фракции (есть разные классификации). Классификация размеров по Н. А. Качинскому, учитывается тип почвообразования: физическая глина – частицы менее 0, 01 мм физический песок – частицы более 0, 01 мм.
Гранулометрический (механический) состав почвы В мире механический состав почвы определяется по треугольнику Ферре: по одной стороне откладывается доля пылеватых (алевритовых) частиц (silt, 0, 002 -0, 05 мм), по второй – глинистых (clay, <0, 002 мм), по третьей – песчаных (sand, 0, 05 -2 мм), находится место пересечения отрезков. Внутри треугольник разбит на участки, каждый из которых соответствует тому или иному гранулометрическому составу почвы.
Треугольник Ферре
Органическая часть почвы
Органическая часть почвы В почве содержится органическое вещество. В торфяных почвах оно может преобладать, в большинстве почв его количество не превышает нескольких процентов в верхних горизонтах. В состав органического вещества почвы входят растительные и животные остатки, не утратившие черт анатомического строения, органические химические соединения, называемые гумусом. В состав гумуса входят неспецифические вещества известного строения - липиды, углеводы, лигнин, флавоноиды, пигменты, воска, смолы и т. д. (до 10 -15% всего гумуса), образующиеся из них в почве специфические гумусовые кислоты.
Гуминовые и фульвокислоты Гумусовые кислоты не имеют определённой формулы и представляют собой целый класс высокомолекулярных соединений. В российском почвоведении они традиционно разделяются на гуминовые и фульвокислоты.
Гуминовые кислоты - это высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты циклического строения. Они хорошо растворяются в слабых растворах щелочей, щавелевокислого натрия, фтористого натрия и аммиака с образованием солей - гуматов. Гуматы кальция и магния в воде не растворяются. Препараты гуминовых кислот, выделенные из почвы, окрашены в коричневый или черный цвет. Гуминовые кислоты частично или очень слабо растворяются в воде и не растворяются в минеральных кислотах. Основная масса гуминовых кислот в любой почве находится в виде гелей. Элементный состав гуминовых кислот (по массе): 46 -62% углерода, 3 -6% азота, 3 -5% водорода, 32 -38% кислорода.
Фульвокислоты - высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. Они растворяются в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, в водном растворе аммиака. Соли фульвокислот (фульваты) хорошо растворимы в воде. Выделенные из почвы препараты фульвокислот окрашены в светло-бурый цвет. Состав фульвокислот: 36 -44% углерода, 3 -4, 5% азота, 3 -5% водорода, 45 -50% кислорода.
Гуминовые и фульвокислоты В обоих соединениях присутствуют также сера (от 0, 1 до 1, 2%), фосфор (сотые и десятые доли %). Молекулярные массы для гуминовых кислот составляют 20000 -80000 а. е. м. (5000 -650000), для фульвокислот 4000 -15000 а. е. м. Фульвокислоты подвижнее, растворимы на всём диапазоне кислотности, а гуминовые выпадают в осадок в кислой среде. Отношение углерода гуминовых и фульвокислот (Cгк/Cфк) является важным показателем гумусового состояния почв.
Гуминовые и фульвокислоты В молекуле гуминовых кислот выделяют ядро, состоящее из ароматических колец, которые соединяются «мостиками» с двойными связями. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, которые несут различные гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и амино- функциональные группы, что является причиной высокой ёмкости поглощения – 180 -500 мг-экв/100 г. О строении фульвокислот известно меньше. Они имеют тот же состав функциональных групп, и более высокую ёмкость поглощения – до 670 мгэкв/100 г.
Гуминовые и фульвокислоты В молекуле гуминовых кислот выделяют ядро, состоящее из ароматических колец, которые соединяются «мостиками» с двойными связями. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, которые несут различные гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и амино- функциональные группы, что является причиной высокой ёмкости поглощения – 180 -500 мг-экв/100 г. О строении фульвокислот известно меньше. Они имеют тот же состав функциональных групп, и более высокую ёмкость поглощения – до 670 мгэкв/100 г.
Гумификация Гумусовые вещества образуются в результате трансформации органических остатков в гуминовые кислоты и в фульвокислоты. Механизм гумификации до конца не изучен. Есть несколько гипотез: конденсационные (полимеризационные) гипотезы – гумус синтезируется из низкомолекулярных органических соединений. гипотезы окислительного кислотообразования – гумусовые кислоты образуются при взаимодействии высокомолекулярных соединений (белки, биополимеры), затем постепенно окисляются и расщепляются. Согласно обеим гипотезам в этих процессах принимают участие ферменты, образуемые микроорганизмами. Степень гумификации органического вещества — отношение количества углерода гумусовых кислот к общему количеству органического углерода почвы, выраженное в массовых долях.
Поглотительная способность почвы и ППК
Большую роль в питании растений и в превращении внесенных в почву удобрений играет ее поглотительная способность. Поглотительная способность – способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их. Емкость поглощения — суммарное количество ионов или молекул, которое способна удержать почва. При адсорбции ионов обычно выражается в мг-экв. на 100 г породы. Для глинистых пород емкость поглощения зависит от минерального состава глин (монтмориллонит 80 -150, гидрослюда 20 -40, каолинит 3 -15 мг-экв. на 100 грамм). Для кислых, карбонатных и засоленных почв емкость поглощения определяется по количеству катиона, которым насыщают почву, промывая ее обычно забуференным по р. Н раствором соли этого катиона и вытесняя каким-либо другим катионом.
Емкость поглощения — количество молекул или ионов, которое способна удержать п. Чаще этот термин используют для кислых, карбонатных и засоленных почв. В этих случаях Е. п. определяется по количеству катиона, которым насыщают п. , промывая ее обычно забуференным по р. Н раствором соли этого катиона и вытесняя каким-либо другим катионом. Е. п. зависит от природы и концентрации катиона, р. Н, анионного состава раствора, используемого для определения Е. п. , температуры. Обычно, говоря о Е. п. , имеют в виду емкость обмена катионов.
Пять видов поглощения в почве 1. 2. 3. 4. 5. Биологическая поглотительная способность Механическая поглотительная способность Физическая поглотительная способность Химическая поглотительная способность Физико-химическая (обменная) поглотительная способность
Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.
Биологическая поглотительная способность Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия.
Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности они не вымываются из верхнего слоя почвы.
Физическая поглотительная способность — это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная абсорбация наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов, что обусловливает высокую подвижность их в почве и возможность вымывания из ее верхнего слоя при повышенной влажности. Это имеет положительное значение для Сl- иона (избыток которого вреден для некоторых растений), но для нитратов NO 3 - оно нежелательно.
Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе). Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений — суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H 2 PO 4)2, аммофоса NH 4 H 2 PO 4 и др. - в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора.
Химическая поглотительная способность В кислых почвах (в подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. В почвах, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы), химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция. Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы далее сероземы далее черноземы.
Физико-химическая (обменная) поглотительная способность Физико-химическое поглощение – способность мелкодисперсных (от 0, 2 до 0, 001 мкм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии удобрений с почвой.
ППК Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа почвенным поглощающим комплексом (ППК).
Обменное поглощение катионов Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды. В естественном состоянии почвы всегда содержат определенное количество поглощенных катионов (Са 2+ , Mg 2+ , Н + , А 13+ , Na+ , K+ , NH 4+ и др. ). Эти катионы могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе. Обмен катионами между раствором и почвенным поглощающим комплексом происходит в строго эквивалентных количествах.
Обменное поглощение катионов Реакция обмена катионов протекает быстро. При внесении в почву легкорастворимых удобрений (КСl, NH 4 Cl, NH 4 N 03 и др. ) они сразу же вступают во взаимодействие с ППК, катионы их поглощаются в обмен на катионы, ранее находившиеся в поглощенном состоянии. Реакция обмена катионов обратима, так как поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор: (ППК)Са + 2 KCl « (ППК) KK + Са. Сl 2; ППК)Са + NH 4 N 03 « (ППК) NH 4
Вода в почве
Вода в почве — один из основных ее компонентов. Она находится в сложном взаимодействии с твердой фазой. Почвенная вода имеет большое значение, является одним из факторов плодородия и урожайности растений. От содержания и качества воды в почве зависят произрастание растений и деятельность микроорганизмов, процессы почвообразования и выветривания, производственная деятельность человека. Основной источник влаги — атмосферные осадки, которые проникают в почву и заполняют ее поры. В почве влага активно взаимодействует с твердой фазой (частью) почвы. Передвижение влаги, ее доступность растениям зависят от состава и свойств почвы.
Влажность почвы В естественных условиях почва обладает различной степенью влажности. Понятие «влажность» характеризует содержание воды в почве, выраженное в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объема почвы (объемная влажность).
В зависимости от подвижности и доступности растениям различают несколько форм воды в почве: 1) гравитационную; 2) капиллярную; 3) сорбированную; 4) парообразную; 5) грунтовую; 6) твердую; 7) химически связанную и кристаллизационную. Непосредственно для питания растений имеет значение только гравитационная и капиллярная вода, а остальные формы почвенной влаги, кроме небольшой части пленочной, растениям недоступны.
Формы воды в почве Частицы почвы, покрытые водой: 1 – гигроскопической; 2 – максимальной гигроскопической; 3, 4 – пленочной; 5 – гравитационной http: //www. zoodrug. ru/topic 3534. html
Формы воды в почве Сорбированная вода удерживается на поверхности почвенных частиц сорбционными силами, то есть молекулы воды притягиваются к твердым частицам почвы и прочно удерживаются ими. Эту форму воды подразделяют на два вида: пленочную и гигроскопическую. Пленочная вода окружает твердые частицы почвы в виде пленки, притягиваясь к ним под действием поверхностной энергии. Она передвигается только под влиянием молекулярных сил в разных направлениях, но всегда от более толстых пленок к тонким. Пленочная вода определяет смачивание почвы, но растениям почти недоступна, так как притягивается к поверхности частиц твердой фазы почвы с силой в несколько тысяч атмосфер (от 6 до 10 тыс. ). Гигроскопическая влага представляет собой молекулы водяного пара, удерживаемые поверхностным притяжением почвенных частиц подобно тому, как удерживается пленочная вода. Поэтому гигроскопическая влага не принимает участия в газовом давлении окружающей среды и не способна передвигаться. Для растений она недоступна, полностью удаляется при высушивании почвы в течение нескольких часов при температуре 100 -105 °С.
Формы воды в почве Гравитационная вода заполняет капиллярные поры между структурными — отдельностями, по которым она передвигается под влиянием силы тяжести (отсюда и ее название). Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, главным образом, внутри структурных отдельностей. Она может передвигаться в почве во всех направлениях.
Формы воды в почве Свободная парообразная влага входит в состав почвенного воздуха в виде отдельных молекул водяного пара и поэтому принимает участие в газовом давлении и передвигается из мест с большим парциальным давлением (упругостью пара) в места с меньшей упругостью. Она недоступна для растений, но при переходе в капельно-жидкую может усваиваться ими. Грунтовая вода — это влага водоносного слоя почвы, лежащего ниже почвенной толщи, удерживаемая слоем водоупора. Использование грунтовой воды растениями возможно, но при близком залегании и поднятии до корнеобитаемого слоя. Твердая вода (лед) — переход влаги из жидкого состояния в твердое происходит у свободных форм влаги при температуре ниже 0 °С. Химически связанная и кристаллизационная вода входит в состав молекул минералов в виде ионов. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллических веществ в виде молекул. Растениям эти формы воды недоступны.
Типы почвообразования и почв
1. 2. 3. 4. Тундровая глеевая. Торфяно-болотная. Подзолистая. Дерново-подзолистая.
5. Болотно-подзолистая. 6. Серая лесная. 7. Чернозем типичный. 8. Лугово-черноземная.
9. Каштановая. 10. Бурая пустынно-степная. 11. Солонец. 12. Солончак.
13. Серозем. 14. Желтозем. 15. Краснозем. 16. Аллювиально-дерновая.
Распределение почв мира
Почвы Ленинградской области 1 – подзолистые почвы (песчаные и супесчаные) с участками торфяноподзолистых и торфяных почв; 2 – дерново-подзолистые почвы (песчаные и супесчаные) с участками торфяноподзолистых и торфяных почв; 3 – дерново-подзолистые глеевые почвы (суглинистые и глинистые) с участками торфяно-глеевых и торфяных почв; 4 – подзолисто-глеевые почвы (суглинистые и глинистые) с обширными участками торфяных почв; 5 – подзолистые суглинистые почвы с участками подзолисто-глеевых и торфяных почв; 6 – дерново-карбонатные суглинистые щебенчатые почвы.
Подзолистый процесс Подзолистые почвы – почвообразования типичные почвы хвойных северных (бореальных) лесов. Представляют собой большую группу кислых, формирующихся в условиях промывного водного режима при сезонном промораживании на суглинистых моренах, покровных суглинках, суглинистых делювиальных и элювиально-делювиальных отложениях кислых пород. Для формирования почв характерно периодическое переувлажнение верхней части профиля весной при снеготаянии и осенью перед установкой снежного покрова.
Подзолистый процесс почвообразования обедненность растительного опада азотом и зольными элементами (оксиды металлов, сульфаты и карбонаты металлов – гипс, мел, пирит. ); пониженные температуры и промывной водный режим; замедленность микробной деятельности, преобладание грибного кислотообразующего разложения; консервация лесного опада в виде подстилки, образование в ней и вымывание вниз по профилю водорастворимых фульвокислот и простых органических кислот.
Строение профиля подзолистой почвы и свойства Ао — Лесная подстилка бурого цвета, состоит в основном из хвойного опада, остатков мха, часто оторфована, рыхлая, мощность 3 -5 см; А 1 А 2 — Гумусово-элювиальный горизонт, серовато-белесый с темными пятнами, ясно различимы зерна кварца, бесструктурный, мощность 5 -10 см; А 2 — Подзолистый горизонт, пепельно-белесый, тонкозернистый, уплотнен, бесструктурный, мощность 10 -20 см и более, в нижележащий горизонт переходит глубокими потеками; В 1(Вh) — Иллювиальный горизонт, темно-желтого или буровато-желтого цвета, заметно уплотнен, бесструктурный. Возможно наличие бурых прослоек и пятен, обусловленных накоплением полуторных оксидов, гумуса, илистых частиц. Мощность 10 -30 см, переход постепенный; Вh — обогащенный гумусом В 2 — Иллювиальный горизонт, жёлтый, слабо уплотнен, бесструктурный, мощность 30 -50 см, переход постепенный; С — Почвообразующая порода часто с более или менее четко выраженными признаками оглеенности. Цвет светложелтый, с сизыми пятнами или сизовато-белесый. Неокультуренные подзолистые почвы малоплодородны, так как содержат 12 % фульватного гумуса в горизонте А 1 и часто лишь его следы в горизонте А 2. Они имеют кислую реакцию (р. НКСl 4, 0 -4, 5), низкую ёмкость поглощения (от 2, 4 до 12 -17 мг-экв/100 г почвы), степень насыщенности основаниями меньше 50 %, низкую обеспеченность элементами питания растений, неблагоприятные физические свойства.
