Тема Органическое вещество и физико-химические свойства почв

Тема: Органическое вещество и физико-химические свойства почв • • Вопросы: 1. Органическое и гумусовое вещество 2. Поглотительная способность почв 3. Виды почвенной кислотности и щелочности. Буферность почв

Схема преобразования органического вещества

• Органическое вещество (ОВ) – это совокупность разложившихся и неразложившихся остатков флоры и фауны, сконцентрированных в верхних горизонтах почвы. • Источники поступления ОВ: наземный опад, отмершие растения (их растительные остатки и корешки), не потерявшие анатомического строения, остатки животных и мертвой микробной массы, а также продукты их жизнедеятельности. • В элементарном составе органических остатков главную роль играют: углерод, кислород, водород и азот. • Из этих элементов построены тела растений и животных.

Состав органического вещества верхнего слоя почвы

• Важнейшими органическими соединениями, встречающимися в растениях и животных, являются углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры, воск, смолы, дубильные вещества. • Содержание органического вещества в гумусовом горизонте различных природных зон варьирует. • в пустынных и полупустынных почвах от 0, 5 -1, 0% • в черноземах лесостепной зоны от 4 -15%. • В пахотном слое почв, используемых в земледелии, содержание ОВ изменяется в пределах 2 -5%. Исследованиями Л. Е. Родина, Н. И. Базилевич и М. М. Кононовой установлено, что ежегодно в различных растительных ассоциациях в почву поступает от 1, 2 до 21 т/га растительных остатков, способствуя образованию гумуса

Типы и виды растительных остатков определяют количественную и качественную сторону в накоплении перегноя. • Вклад различных биоценозов в образовании перегноя неодинаков. В экосистемах тундры и пустыни количество ежегодного опада не превышает 1 т/га сухого вещества. • В экосистемах лесостепной зоны – его объём увеличивается до 10 -15 т/га, а в тропических лесах – до 25 и более т/га. • В агроценозах учитываются послеуборочные остатки: после пропашных культур – 1 -2, зерновых – 2 -3, многолетних трав 5 -8 т/га. • Больше остатков –больше перегноя.

Гумусообразование – процесс разложения растительных остатков на месте их отмирания и последующего новообразования гумуса. • Морфологически выражается в образовании поверхностного [темного] гумусового горизонта комковатой или зернистой структуры, содержащего значительное количество живых и мертвых корней. • Гумусонакопление - процесс аккумуляции гумуса в профиле почв в результате разложения ОВ и гумусообразования.

Гумусом, или гумусовыми веществами, называются специфические органические соединения (гумусовые кислоты, гумин), образующиеся в результате множественных химических превращений и способные к полимеризации (уплотнению молекул). • Характерная черта гумуса – устойчивость против микроорганизмов и как следствие накопление и длительное сохранение в почве.

Гумусовые вещества (ГВ) составляют 80 -90% общего количества органического вещества в почве. • Г. В. – это высокомолекулярные соединения циклического строения, содержащие азот. • • Г. В. включают 3 группы соединений: гуминовые кислоты (ГК), Фульвокислоты (ФК), гумусовые угли – гумин, ульмин (ГУ).

Состав и строение почвенного гумуса. • Гуминовые кислоты состоят из: • углерода – 52 -58%; водорода - 3, 3 -4, 8%; • азота – 3, 6 -4, 1%; кислорода 34 -39%. • Фульвокислоты: • углерода – 45, 3%; водорода – 5, 0%; • азота – 2, 4%; кислорода - 47, 3%. • Отличие ФК от ГК – менее конденсированы, более просты по своему строению. В гумусовоиллювиальных горизонтах ряда подзолистых почв ФК закреплены в форме соединений с железом и особенно алюминием.

Гумин и ульмин (гумусовые угли) – инертная (труднорастворимая) часть почвенного гумуса. • По данным акад. И. В. Тюрина, гумин представляет собой сложный комплекс, в состав которого входят гуминовые и фульвокислоты, соединённые по типу сложных эфиров. • Инертность ГУ объясняется их прочной связью с минеральной частью почвы, особенно с частицами глинистых минералов. • Кроме того, в состав почвенного гумуса могут входить битумы, растворимые в органических растворителях (спирт, бензол и др. ). Их химический состав – совокупность жиров, высокомолекулярных жирных кислот, восков и смол. Их содержание в автоморфных почвах – 2 -4% от общего содержания гумуса, в заболоченных повышается до 10 -20%.

Состав гумуса в разных типах почв – неодинаков. • Показателем их различия принято считать соотношение между гуминовыми кислотами и фульвокислотами. Исследованиями (М. М. Кононова и др. ) установлено, что в лесной сильноподзолистой почве в гор. А 2 это соотношение равно 0, 56%; • В гор. А 1 дерново-подзолистой почвы под лесом – 0, 79%; в тёмно-серой лесной – 1, 11; • в целинном обыкновенном чернозёме – 1, 6; в залежной тёмно-каштановой почве – 1, 7; в светлом серозёме на пашне – 0, 7; краснозёме под лесом -0, 8 %

Итак, образование гумуса представляет собой совокупность ряда биологических процессов, объединённых в 2 группы: распада исходных органических соединений; синтеза новых, высокомолекулярных гумусовых соединений. Эти процессы идут непрерывно, в тесном взаимодействии друг с другом и в тесной зависимости от окружающих условий. Условия разложения органического вещества определили типы гумуса: мор, модер, мюлль, анмоор, а также олиготрофный и аутрофный торф.

Содержание гумуса в основных типах пахотных почв (по В. И. Тюрину) Содержание гумуса в пахотном слое, % Запасы гумуса в слое 0 -20 см, т/га Дерново-подзолистая 2 -4 53 Серая лесная оподзоленная 4 -6 109 7 -8 192 10 -12 224 обыкновенный 6 -8 137 южный 4 -5 Темно-каштановая 3 -4 99 1, 5 -3 Серозем 1 -2 37 Краснозем 5 -7 153 Почва Черноземы: выщелоченный типичные Каштановая и светло-каштановая

Причины потерь гумуса пахотными почвами • Уменьшение количества растительных остатков, поступающих в почву, при смене естественного агроценоза агроценозом. • Усиление минерализации органического вещества в результате интенсивной обработки и повышения степени аэрации почв. • Деградация гумуса из-за применения физиологически кислых удобрений и активации микрофлоры из-за вносимых удобрений. • Усиление минерализации из-за осушительных мероприятий и орошения. • Водная и ветровая эрозия почв. Определение расходов гумуса пахотного горизонта почвы сводится к определению азота, израсходованного культурой. Если принять среднее содержание азота в гумусе за 5%, то при выносе 100 кг этого элемента с урожаем растений почва потеряет 2000 кг/га гумуса.

Роль гумуса в питании растений и баланс гумуса 1. Гумус – источник элементов питания для растений. В нем содержится 98 -99% азота, 30 -40% фосфора, 90% серы от общего содержания их в почве. 2. Гумусовые кислоты совместно с неспецифическими органическими и минеральными кислотами разрушают почвенные силикаты и алюмосиликаты, растворяют карбонаты кальция и магния, фосфаты, делая их доступными для растений. 3. Гумусовые кислоты в высокодисперсном состоянии могут выступать в микроколичествах как стимуляторы роста растений. 4. Органическое вещество почвы – источник пищи микроорганизмов. При отмирании микроорганизмов происходит высвобождение доступных для растений форм питательных элементов. 5. Органическое вещество почвы участвует в адсорбционных процессах в почве, повышая ее поглотительную способность и буферность, улучшает физические свойства почв (влагоемкость, водо- и воздухопроницаемость, тепловой режим.

По содержанию гумуса (общее содержание органического вещества в почве, %) все почвы условно делятся на: • безгумусные < 1 • очень низкогумусные I— 2 ▫ низкогумусмые 2— 4 • среднегумусные 4— 6 ▫ высокогумусные 6— 10 • очень высокогумусные (тучные). . 10— 15 ▫ перегнойные 15— 30 • торфяные 30

Вопрос 2. Поглотительная способность почв (ПСП) • – это явление поглощения и удерживания веществ из почвенного раствора, а также коллоидных ЭПЧ, паров, газов и живых микроорганизмов. • С поглотительной способностью связаны важнейшие особенности почвообразовательных процессов и многие свойства, определяющие плодородие почв. • Поглотительные свойства почв могут существенно изменяться под влиянием растений. • К. К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, биологическую и физико-химическую.

Механическая ПСП – это свойство почвы поглощать твёрдые частицы, поступающие с водой или воздухом, размеры которых превышают размеры почвенных пор. В этом случае почву можно представить как набор сит с отверстиями разного диаметра. • Физическая ПСП (молекулярная адсорбция)- это свойство почвы изменяющее концентрацию молекул различных веществ на поверхности твёрдых частиц за счёт физического взаимодействия молекул. • Каждая почвенная частичка оказывается окружённой молекулярным слоем воды (плёнкой). Поэтому чем больше в почве мелких частиц, тем больше общая поверхность водной плёнки, а следовательно и энергия сил поверхностного натяжения, т. е. с изменением величины поверхности меняется и поверхностная энергия.

• Химическая ПСП (хемосорбция)- способность почвы удерживать катионы и анионы в форме нерастворимых или труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок из почвенного раствора. Например, новообразования в форме белоглазки, псевдомицелия, охристых пятен, рудяковых зёрен. Благодаря химической ПС в почвах накапливаются такие элементы питания растений, как фосфор и сера. • Биологическая ПСП - способность почвы обеспечивать закрепление азота и основных элементов питания в соотношениях наиболее выгодных для растений. Она обусловлена избирательным поглощением элементов питания корнями растений и микроорганизмами. В определённых случаях возможна конкуренция между растениями и микроорганизмами.

Физико-химическая ПСП (обменная) – это способность коллоидных (илистых) частичек почвы удерживать и обменивать ионы с почвенным раствором. Водный раствор, окружающий почвенные частицы, содержит значительное количество веществ, диссоциированных на ионы – катионы (заряжены положительно, такие как Na+, K+, Mg 2+, Ca 2+, H+, F 3+) и анионы (заряжены отрицательно – Cl-, SO 4 2 -, PO 4 3 -, NO 3 2 -). • Она определяет физико-химические свойства почв, такие как кислотность, щелочность, буферная способность, которые в свою очередь определяют агрономические свойства почв и почвенное плодородие.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – это совокупность минеральных, органических и органоминеральных частиц твёрдой фазы почв, преимущественно <0, 001 мм, обладающих физикохимической поглотительной способностью (Толковый словарь). • В значительной мере часть катионов взаимодействует с коллоидами почвы и переходит в связанное, поглощенное состояние. • Ёмкость катионного обмена (ЕКО) – это сумма поглощенных (обменных) катионов. • В то же время большая часть анионов, за исключением фосфатов, частично сульфатов и ряда анионов органических кислот, остается в растворе, не поглощаясь коллоидами, которые заряжены, как и анионы, отрицательно.

Почвенные коллоиды • - это частицы с размером меньше 0, 0001 мм. • Коллоиды образуют пленки на поверхности почвенных первичных минералов. Коллоиды составляют почвенную плазму, часто образующую оптически ориентированную массу в порах почв, а также по граням структурных агрегатов почв, входя в состав кутан. • -Коллоиды благодаря своему малому размеру обладают очень большой удельной поверхностью (от 10 до 800 м 2/г массы). В слое 0– 15 см на гектаре общая суммарная площадь коллоидов в суглинистых и глинистых почвах может достигать 700 000 км 2. • -Поверхность коллоидов несет заряд как отрицательный, так и положительный, но обычно в почвенных коллоидах резко преобладает отрицательный заряд. Поэтому эти заряды притягивают (адсорбируют) катионы, чаще всего ионы Ca, Mg, Na, H, Al. Анионы (РО 4 , реже SO 4) могут поглощаться железоколлоидами, имеющими положительный заряд.

• Минеральные коллоидные частицы состоят из вторичных глинистых минералов (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, гетит, гидраты окиси железа), а также мелкие частицы первичных минералов (в основном кварц и слюды). • Органические - представлены гумусовыми кислотами и их солями (гуминовые и фульвокислоты, белки, полисахариды). • Органо-минеральные – это соединения гумусовых веществ с глинистыми (вторичными) минералами (глинисто-гумусовые, алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы). -Каждая коллоидная частица состоит из однородного вещества кристаллического или аморфного строения.

Обмен катионов в почве • Катионы могут быть обменными и необменными. Обменные катионы легко, но эквивалентно обмениваются на другие катионы, при этом свойства почв, характерные при данном обменом катионе, восстанавливаются после его вторичного замещения в составе активных центров на почвенной матрице. Необменные обычно фиксируются в почве (в решетке почвенных минералов), и заметно меняют основные свойства почв (их поглотительную способность, основную гидрофизическую характеристику). • Сорбция анионов в почвах определяется их свойствами, зарядом и свойствами ППК. • По способности к поглощению анионы располагаются в следующий ряд: Cl- < NO 3 - < SO 4 - < PO 4 -

Коллоидные частицы с водой образуют коллоидные растворы двух типов—золь и гель. • Золь - коллоидный раствор, в котором частицы находятся во взвешенном состоянии, так как они почти не оседают. Например, коллоидные растворы (гидрозоли) солонцовых почв не оседают в течение 2— 5 лет. • Гель – дисперсная студнеобразная или твёрдая система с жидкой или газообразной дисперсной средой и пространственной структурой, образуемой частицами дисперсной фазы. Гели образуются в результате коагуляции (свёртывания) золей и обладают пластичностью и тиксотропными свойствами.

• Процесс перехода золя в гель называется коагуляцией, или свертыванием. Концентрация электролита — соли, при которой начинается процесс коагуляции, называется порогом коагуляции, который зависит от валентности и атомного веса катионов, образующих лиотропный ряд по увеличению коагулирующего влияния на коллоиды: Li+, Na+, NH 4 +, К+ , Н+ Са 2 +, Мg 2+, Fe 3+, Al 3+. • • Самые сильные коагуляторы—железо и алюминий, самые слабые — одновалентные элементы, затем двухвалентные, наиболее полно и быстро происходит коагуляция при • воздействии трехвалентных элементов. • При водонасыщении почвы часть коллоидов из геля переходит в золь.

Обычно при коагуляции происходит захват молекул воды, причем количество воды, которое может удерживать в себе гель, тем больше, чем меньше валентность и атомный вес элемента. Гели, насыщенные Na+, способны удерживать воды в 1000 раз больше своей массы. • Используя это свойство, из солей натрия и коллоидов силикатов изготавливают обычный канцелярский клей. • Коллоиды, удерживающие большое количество воды, называются гидрофильными (греч. hydor—вода, phileo—люблю). К ним относятся коллоиды, насыщенные Na+ , К+ , Са 2+, Mg 2+. • Коллоиды, удерживающие малое количество воды, называются гидрофобными (греч. phobos—страх). Эти коллоиды образуют при коагуляции гели, почти не содержащие воды, или порошки—седимент. Они не обладают клеящей способностью.

Емкость поглощения (Е) • это максимально возможное количество катионов, которое может сорбировать почва. Для различных почв емкость поглощения различна: • • у песчаных почв она равна 1— 5 мг-экв, супесчаных 7 — 8, суглинистых — от 7— 8 до 15— 18, глинистых — от 15 до 30 мг-экв и выше, у суглинистых подзолов колеблется в пределах 12— 18, • • у дерново-подзолистых почв 16— 25, серых лесных 18 — 30 и черноземов 30— 50 мг-экв на 100 г почвы. • • Емкость поглощения складывается из двух величин: суммы поглощенных оснований S, куда входят главным образом Na+, K+, Mg 2+, Са 2+, и поглощенного Н+, содержание которого обозначается буквой Н. Как и емкость поглощения, S и Н выражаются в мг-экв на 100 г почвы. Таким образом, E=S+H.

В зависимости от соотношения суммы поглощенных оснований и содержания обменного водорода различают почвы • насыщенные и не насыщенные основаниями. • Почвы, не насыщенные основаниями, содержат в поглощающем комплексе большое количество обменного водорода и алюминия и называются кислыми — это подзолы, дерновоподзолистые, серые лесные и другие почвы. • Почвы, у которых сумма поглощенных оснований Са 2+, Mg 2+ и Na+ равна емкости поглощения, называются насыщенными основаниями — черноземы, сероземы, солонцы, каштановые почвы.

Вопрос 4. Виды почвенной кислотности и щелочности. Буферность почв • Реакция среды в почвах обусловлена наличием и соотношением в почвенном растворе водородных (H+) и гидроксильных (ОН-) ионов и характеризуется р. Н — отрицательным логарифмом активности водородных ионов в растворе.

Почвы могут иметь нейтральную (р. Н 7), кислую (р. Н<7)или щелочную (р. Н>7) реакцию • Реакция среды зависимости от состава растворенных веществ и характера их взаимодействия с твердой фазой почв, определяющих соотношение между концентрациями водородных и гидроксильных ионов в почвенном растворе. • Важнейшим регулятором реакции почвы являются находящиеся в ней соли. Нейтральные, кислые, щелочные соли, переходя из твердой фазы в раствор при увлажнении и обратно при иссушении, оказывают соответствующее влияние на характер реакции почвенного раствора, что отзывается и на плодородии почв.

Кислотность почв • Это способность почвы подкислять воду, а также растворы солей • В зависимости от того, при каком взаимодействии она проявляется и измеряется различают два вида почвенной кислотности: ▫ актуальную (активную); ▫ потенциальную кислотность почв в.

Значение р. Н для развития растений и микроорганизмов Растения Пшеница Оптимум р. Н Пределы р. Н 6 -7 5 -8 - 6 -7, 2 Рожь 5 -6 4 -7 Овес 5 -6 Растения, микроорганизмы Пределы р. Н 4, 5 -6, 0 - 5 -8 4 -7 Табак 4, 5 -6, 5 - 4 -8 Люпин 4 -5 4 -6 5 4 -8 Горох 6 -7 5 -8 7 -8 6 -8 Грибы 3, 5 -6, 0 - Клевер 6, 0 -6, 5 5 -8 Азотобактер 6 -8 - Хлопчатник 6, 0 -7, 3 6 -8 Нитрификаторы 6, 8 -8, 0 - Денитрификаторы 7, 0 -8, 0 - Ячмень Картофель Люцерна Чайный куст Оптимум, р. Н Лен

Актуальная кислотность почвы • Характеризует активность свободных ионов водорода в почвенном растворе и вызвана наличием в нем свободных кислот, гиролитически кислых солей и степенью их диссоциации. • Для большинства почв актуальная кислотность обусловлена угольной кислотой и ее солями. • Для большинства культур сильно кислая или сильно щелочная реакция отрицательно сказывается на развитии растений. • Актуальная кислотность почвы измеряется при взаимодействии почвы с дистиллированной водой [водный р. Н, р. Нн 2 о, р. Н (Н 2 O)] при разбавлении 1: 2, 5 либо в пасте.

Потенциальная кислотность — • способность почвы при взаимодействии с растворами солей проявлять себя как слабая кислота. Определяется количеством H и Al, находящегося в ППК. Эта кислотность твердой фазы почвы. • Потенциальная кислотность подразделяется на ▫ обменную ▫ гидролитическую

Обменная кислотность • Определяется количеством поглощенных Н и Al, вытесняемых из почвы катионами нейтральных солей. • [ППК–] Н++КСl–>[ППК–]К++НСl, • [ППК 3–]Аl 3++ 3 КСl–>[ППК 3– ]3 К++Аl. С 13

Гидролитическая кислотность • Определяется количеством поглощенных водорода и алюминия, вытесняемых гидролитически щелочной солью. • Гидролитическую кислотность рассматривают как суммарную кислотность почв, состоящую из актуальной и потенциальной кислотности. Ее величина обуславливает насыщенность почв основаниями. • Гидролитическая кислотность может быть выражена T=S+Hr тогда V=S/(S+Hr)100% • [ППК–]Н++CH 3 COONa –>[ППК– ]Na++СН 3 СООН

Щелочность почв • создание щелочной реакции в почве обусловленной гидролитически щелочными солями слабых кислот и оснований: ▫ карбонатами и гидрокарбонатами щелочных и щелочноземельных элементов, ▫ силикатами, ▫ алюминатами, ▫ гуматами натрия. • Щелочная реакция, согласно теории кислот и оснований Бренсте-да — Лоури, может быть обусловлена анионами слабых кислот, которые переходят из твердой фазы почв в почвенные растворы и водные вытяжки и могут проявлять основные свойства.

Актуальная и потенциальная щелочность • Актуальная щелочность обусловлена наличием в почве гидролитически щелочных солей, которые при диссоциации определяют повышенную концентрацию гидроксилионов. • Аl(Н 2 O)2(ОН)– 4+Н 2 O<–>Al(H 2 O)3(OH)– 3+ОН– • Потенциальная щелочность обусловлена содержанием обменно-поглощенного натрия, который может переходить в раствор и подщелачивать его. • [ППК 2–]2 Na++Ca. SO 4=[ППК 2–]Ca 2++Na 2 SO 4 • Na 2 CO 3+Ca. SO 4=Ca. CO 3+Na 2 SO 4 • Na 2 CO 3+H 2 SO 4=Na 2 SO 4+H 2 O+CO 2

Буферностью называется • способность почвы противостоять изменению ее актуальной реакции под воздействием различных факторов. • Различают буферность почв против кислотных и буферность против щелочных агентов. • Буферность почвы определяется свойствами ее твердой фазы, главным образом почвенных коллоидов. Кислота или щелочь, появляющиеся в почвенном растворе, вступают во взаимодействие с почвенными коллоидами, что ослабляет сдвиг реакции. • При взаимодействии почвы с кислотой происходит реакция обмена между обменными катионами и водородным ионом кислоты, в результате чего водородный ион оказывается связанным с твердой фазой почвы, а в растворе появляются катионы: • [ППК 2–]Са 2++НСl=[ППК 2–]2 Н++Са. С 12 • Если в почве появляется щелочь, водород или алюминий поглощающего комплекса обмениваются с катионами щелочи, которая нейтрализуется: • [ППК 2–]2 Н++Са(ОН)2=[ППК 2–]Са 2++2 Н 2 O