Почвенные коллоиды и почвенные растворы, их свойства. Органическое вещество почвы. Болотный почвообразовательный процесс.

Программные вопросы. Почвенные коллоиды их виды и роль в почвообразовании. Почвенный поглощающий комплекс, его значение в формировании плодородия почв и их устойчивости к техногенным загрязнителям окружающей среды. Поглотительная способность почв, её виды, эколого-мелиоративное значение и влияние на растительные свойства. Химические свойства почв. Окислительно-восстановительный режим. Органическое вещество почвы, пути образования и состав. Гумус как динамичная система органического вещества, его роль в почвообразовании и плодородии. Биологические свойства почвы. Почвенное плодородие, его виды. Лимитирующие факторы почвенного плодородия, их ликвидация и минимизации в лесном хозяйстве. Экологические и экономические основы плодородия почв. Болотный почвообразовательный процесс, его сущность. Гидроморфные и полугидроморфные почвы, их строение, свойства и использование.

Методические указания. При изучении этой темы студент должен уяснить, что большинство почвенных свойств зависит от наличия и состояния почвенных коллоидов. Коллоиды - это минеральные, органические и органо-минеральные частицы и молекулы размером менее 0,0001мм. Почвенные коллоиды подразделяются на минеральные - вторичные глинистые минералы, органические - вещества гумусовой и белковой природы и полисахариды, органо-минеральные - комплексные соединения гумусовых веществ с глинистыми (вторичными) минералами и осаждёнными формами полутораоксидов. Содержание коллоидов в почве зависит от механического состава и содержания гумуса. Совокупность минеральных, органических и органо-минеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощённые ионы, молекулы, различные вещества и соединения называется почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Студент должен чётко представлять, что почвенный поглощающий комплекс определяет способность почвы к проявлению сорбционных процессов, которые обуславливают поглотительную способность почв. К.К. Гедройц выделил пять видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую или обменную, химическую и биологическую, которые определяют почвенные свойства и её плодородие.

Механически поглощаются остатки органических веществ, водорослей, плазм бактерий, частиц фосфоритной муки и суперфосфата, благодаря чему они не выносится в глубокие горизонты. Физическая поглотительная способность имеет большое экологическое значение, так как положительно сорбирует не только молекулы воды, но и молекулы газов, органических соединений, в том числе пестицидов, способствуя их закреплению и дальнейшему разложению. Физическое поглощение этих веществ играет важную роль в стабилизации свойств почвы и в выполнении санитарно-защитных функций. На физико-химическом поглощении основаны химические виды мелиорации почв; известкование и гипсование, а также внесение удобрений. Процессы химического поглощения играют существенную роль в формировании глиногумусовых компонентов. Биологическая поглотительная способность лежит в основе малого биологического круговорота вещества и энергии.

Студенту следует уяснить такие химические свойства почв как сорбционная емкость почв, ёмкость катионного обмена (ЕКО), общее содержание обменных катионов, кроме Н⁺ и Аl³⁺, или сумма обменных катионов, степень насыщенности почв основаниями, кислотность и щёлочность почв. Носителями кислотности в почве могут быть как почвенный раствор, так и почвенные коллоиды.

Студент должен различать два вида почвенной кислотности: актуальную или активную и потенциальную или скрытую. Актуальная кислотность обусловлена наличием водородных ионов в почвенном растворе и обозначается рН_Н2О. Потенциальная кислотность обусловлена наличием ионов Н⁺ и А1³⁺ в почвенном поглощающем комплексе и подразделяется на две формы - обменную и гидролитическую.

Студент должен знать, что почва способна противостоять изменению концентрации почвенного раствора, особенно её щёлочно-кислотного и окислительно-восстановительного состояния, под воздействием различных факторов, и это свойство почвы называется буферность.

Студент должен найти различие между окислительно-восстановитель-ными режимами почв и знать, что почва - сложная окислительно-восстановительная система. В ней присутствует большое разнообразие минеральных и органических веществ, способных вступать в реакции окисления и восстановления. С окислительными реакциями связаны процессы гумификации растительных остатков; с реакциями окисления и восстановления - изменение степени окисленности органического вещества и других элементов. Окислительно-восстановительные процессы в почве определяют её окислительно-восстановительный режим. Различают типы окислительно-восстановительного режима почв: почвы с абсолютным господством окислительной обстановки - автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь (черноземы, каштановые, серо-коричневые, бурые, полупустынные, серозёмы, серо-бурые); почвы с господством окислительных условий при возможном проявлении восстановительных процессов в отдельные влажные годы или сезоны (автоморфные почвы таёжно-лесной зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной и буро-черноземно-лесной зоны); почвы с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон); почвы с устойчивым восстановительным режимом (болотные и гидроморфные почвы).

Студент должен уяснить, что основное различие между почвой и почвообразующей породой заключается в наличии органического вещества. Органическое вещество почвы – это совокупность живой биомассы органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса. Первичным источником органического вещества и биосферы являются так называемые первичные продуценты или автотрофы – организмы, способные к самостоятельному синтезу органического вещества из минеральных соединений. В наземных экосистемах основную часть первичной продукции производят зелёные растения. Практически все органические вещества почвы перерабатываются микроорганизмами и представителями почвенной фауны. Конечным продуктом этой переработки являются минеральные соединения. В элементарном составе органических остатков важнейшее место принадлежит четырём элементам: С, О, Н и N, из которых построены тела растений и животных. Важнейшими органическими соединениями, встречающимися в растениях и животных, являются углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры, воскосмолы, дубильные вещества, вещества аллелопатической природы и вещества, образующие покровные ткани. Кроме органических соединений в состав тел растительных и животных входят зольные вещества.

Совокупность сложных биохимических, физико-химических и химических процессов превращения органических веществ индивидуальной природы в специфические гумусовые вещества, называется гумификацией.

Количественной характеристикой процесса гумификации является коэффициент гумификации (К_Г), показывающий какая доля углерода С (в %) органических остатков, претерпевающих превращения, трансформировалась в гумусовые вещества после полного разложения органических остатков.

Гумус - динамическая система органического вещества почвы. Наличие многочисленных функциональных групп обусловливает разнообразные взаимодействия гумусовых веществ практически со всеми компонентами почв, особенно с минеральными соединениями почвы, что придаёт стабильность гумусу и способствует формированию специфических почвенных аккумуляций гумуса, макро- и микроэлементов минерального питания, приводит к характерному агрегатообразованию. В зависимости от разнообразия форм в генезисе и плодородии почв органическое вещество почвы подразделяется на лабильную (мобильную) часть и стабильную.

Мобильную часть составляют растительные остатки разной степени разложения, предгумусовая фракция (детрит) и подвижные формы гумусовых веществ (водорастворимая и слабозакреплённая минеральными соединениями часть гумуса). Эта группа является эффективным источником элементов питания растений, и он сбалансирован по макро- и микроэлементам. Лабильная группа является первостепенным источником энергии и пищи для почвенной биоты. Растительные остатки улучшают физические и физико-механические свойства почвы.

Стабильная часть представлена гумусовыми веществами, прочно закреплёнными минеральными соединениями (гумин, гуматы кальция, гумино-глинистые комплексы). Это устойчивая, медленно минерализующаяся часть органического вещества (время его обновления сотни и тысячи лет). Стабильный гумус – потенциальный резерв многих элементов питания.

Наибольшее значение гумуса заключается в формировании благоприятных физических, водно-воздушных, физико-механических свойств, в выполнении почвозащитной санитарной функции, в противоэрозионной устойчивости почв. При недостатке лабильных форм идёт быстрое разложение стабильного гумуса и потери органического вещества почвы, т.е. наблюдается процесс дегумификации органического вещества. Гумусовая оболочка Земли – аккумулятор и распределитель энергии в масштабе всей планеты, а энергия, накопленная гумусом, используется даже в поверхностных горизонтах горных пород для протекания химических процессов, связанных с образованием химической связи минералов.

В лесах с травянистым покровом поступление корневых остатков в почву значительно выше. Характер и скорость гумусообразования зависит от химического состава растительных остатков и источника их поступления в почву. Остатки травянистой растительности разлагаются непосредственно в почвенной толще (корни, богатые белками, углеводами и зольными элементами) в присутствии значительного количества оснований, особенно кальция, что определяет образование «мягкого» гумуса или мулля, равномерно пропитывающего минеральную часть почвы. Муллевый гумус формируется в почвах под лиственными или смешанными лесами с интенсивной деятельностью почвенной фауны. В муллевом типе органического вещества подстилка однослойная, так как нижняя гумифицированная часть её сильно перемешана с минеральной частью почвы и соответствует гумусовому рыхлому, крупитчатому или мелко-комковатому горизонту А₁ повышенной мощности. Разложение опада идёт с большим участием дождевых червей, бактерий, грибов и актиномицетов и в тесном взаимодействии с минеральной частью почвы; реакция нейтральная или слабощелочная.

Остатки древесной растительности, поступающие на поверхность почвы в виде наземного опада, бедны белками, содержат мало зольных элементов, но обогащены лигнином, восками, смолами, разлагаются в условиях сквозного промачивания подстилки атмосферными осадками при участии грибов с образованием большого количества органических кислот, нейтрализация которых затруднена вследствие интенсивного выщелачивания оснований. Гумус в верхних слоях минеральной толщи накапливается в небольших количествах, вследствие чего, горизонт А₁ выражен плохо, реакция его сильно кислая. Нерастворимые кислые продукты накапливаются на поверхности, образуя лесную подстилку, толщиной 8-10 см; при большей толщине она приобретает характер торфа. Кислая реакция подавляет развитие процессов гумификации и на поверхности почвы образуется гумус из полуразложившихся растительных остатков («грубый» гумус - мор). При формировании органического вещества типа «мор» образуется двухслойная подстилка, медленно разлагающаяся, переплетённая гифами грибов, уплотнённая, отчётливо отделяющая от нижележащего минерального горизонта (обычно горизонта А₁ или А₁А₂).

Однако существует ещё много переходных форм, для которых характерно наличие и лесной подстилки и гумусового горизонта А₁ и называется органическое вещество «модер» средней рыхлости, состоит из двух или трёх слоёв. Под слоем слаборазложившегося опада, на границе с ясно выраженных гумусовым комковато-слоеватым горизонтом А₁ (7-10 см), имеется хорошо разложившаяся перегнойная часть около 1 см мощности, постепенно переходящая в нижележащий горизонт. В разложении подстилки дождевые черви принимают незначительное участие, а в составе микрофлоры грибы начинают преобладать над бактериями; реакция почвы слабокислая.

В зависимости от характера опада, являющегося исходным материалом для образования, подстилки (по Н.Н. Степанову) делят на три типа: муллёвая хорошо разложившаяся тёмно-бурая или тёмно-серая, перемешанная с минеральной частью почвы, сверху имеющая небольшой рыхлый слой быстро разлагающегося опада; модермуллёвая – имеющая все три слоя лесной подстилки; грубогумусная или мор, состоящая преимущественно из первых двух слоёв. Муллёвые подстилки чаще всего образуются под лиственными или смешанными лесами, грубогумусные под хвойными лесами или на переувлажнённых участках.

Лесные подстилки, покрывая поверхность почв, поддерживают верхний слой почвы в рыхлом состоянии, способствуют свободному проникновению влаги вглубь почвы и препятствуют её испарению. В них содержится значительный запас элементов питания, обеспечивающий жизнь лесных насаждений в течение длительного времени. Они являются благоприятной средой для развития грибов и бактерий, производящих их минерализацию.

Студент должен знать, что органическое вещество почвы определяет её биологические свойства, а именно: состав и количество микроорганизмов, ферментативную активность, нитрификационную и азотфиксирующую способность, интенсивность разложения целлюлозы, дыхание почвы, её фитосанитарное состояние и, в целом, почвенное плодородие. Почвенное плодородие – основное специфическое свойство почвы, отличающее её от материнской породы. Это способность почвы обеспечивать рост и воспроизводство растений всеми необходимыми им условиями. Оно подразделяется на естественное или природное, искусственное или эффективное, и экономическое.

Следует уделить особое внимание процессам почвообразования под разными тинами растительности. Поскольку каждая растительная ассоциация тесно связана с почвой, почвообразующей породой, то тип растительности определяет тип почвообразования. В хвойных лесах преобладает подзолообразовательный процесс, в лиственных и смешанных лесах почвообразование идет в основном под воздействием подзолистого и дернового процессов, под травянистой растительностью протекает дерновый процесс, под болотной растительностью в зависимости от степени увлажнения преобладают торфообразовательный и глеевый процессы. Обычно все эти процессы протекают в большинстве своём в сочетании, образуя различные почвенные типы.

Необходимо четко представлять сущность болотного процесса и знать причины заболачивания и условия образования болотных почв и гидро-морфные ряды почв. В условиях дернового процесса при поверхностном переувлажнении формируются дерново-глеевые почвы, постепенно превращающиеся в болотную торфяную низинную почву.

На начальной стадии поверхностного заболачивания формируются перегнойно-подзолистые поверхностно-глееватые почвы, при дальнейшем заболачивании торфянисто-подзолистые, торфянисто-подзолистые глеевые, торфянисто- и торфяно-глеевые почвы и затем болотные верховые торфянистые почвы и верховые торфяники.

Устойчивое развитие грунтового заболачивания пресными водами приводит к образованию болотно-подзолистой, а затем торфяно-глеевой и торфяной почвы верхового болота. Ряд заболачивания слабоминерализованными грунтовыми водами представлен такими разностями: подзолистые со следами оглеения, глееватые, торфянисто-подзолистые глееватые, торфянисто- и торфяно-глеевые, торфяники верховые маломощные (толщина торфа от 50 до 100 см). среднемощные (от I 00 до 200 см) и мощные (более 200 см).

Ряд грунтового заболачивания жесткими грунтовыми водами при песчаном составе материнских пород представлен следующими почвенными разностями: темноцветно-подзолистые почвы со следами оглеения, темноцветно-подзолистые глееватые, перегнойно-подзолистые глееватые, перегнойно-глеевые и перегнойно-железисто-глеевые почвы, торфянисто-перегнойно-глеевые, торфяно-перегнойно-глеевые, торфяно-глеевые и торфяники низинные маломощные, среднемощные и мощные.

Наилучшими лесорастительными свойствами обладают дерново-подзолистые и дерновые хорошо дренированные почвы, далее идут подзолы и дерново-подзолистые глеевые почвы, худшими свойствами обладают подзолы, подзолисто-болотные почвы и торфяные.

Контрольные вопросы

1. Что такое почвенные коллоиды, их происхождение, состав, строение и основные свойства? 2. Что понимают под почвенным поглощающим комплексом? 3. Дайте характеристику видов поглотительной способности почв, их сущность и значение. 4. Что такое сорбция, ЕКО, сумма обменных оснований, степень насыщенности основаниями и каково значение этих показателей в лесорастительной оценке почв? 5. Чем обусловлена почвенная кислотность и щёлочность почв? 4. Какие виды кислотности Вы знаете, их сущность и значение? 6. Что такое буферность и какие свойства почвы она определяет? 7.Какова роль поглотительной способности и состава поглощённых катионов в плодородии почв? 8. Какими приемами регулируется состав катионов почвенного поглощающего комплекса? 9. Назовите виды поглотительной способности почв, их характеристику и значение в почвообразовании.10. Охарактеризуйте источники органического вещества в почве и процессы его превращения. 11. Охарактеризуйте основные группы гумусовых веществ, их свойства и влияние на плодородие почв. 12. Охарактеризуйте лимитирующие факторы почвенного плодородия и пути их устранения. 13. Что подразумевается под болотным процессом? 14. Назовите типы болот, их строение и свойства. 15. Охарактеризуйте причины, типы и ряды заболачивания. 16. Дайте характеристику гидроморфных и полугидроморфных почв, строение профилей, свойства и использование. 17. Какие почвообразовательные процессы протекают под разными типами растительности, и какие почвы образуются?

Литература

1. Вальков, В.Ф. Почвоведение: учебн. для вузов /В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. – М: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Изд. центр «МарТ», 2004. – с.58-82, 102-146, 156-161, 269-273, 389-409, 435-462.

2. Горбылёва, А.И. Почвоведение с основами геологии: уч. пособие /А.И. Горбылёва, Д.М. Андреева, В.Б. Воробьёв, Е.И. Петровский. – Мн.: Новое знание, 2002. – с.143-185, 246-281, 334-349.

3. Зеликов, В.Д. Почвоведение с основами геологии: уч. пособие /В.Д. Зеликов. – М.: МГУЛ, 1999. – с. 64-77, 89-102, 123-133, 155-159.

4. Кауричев, И.С. Почвоведение: учебн. для вузов /И.С Кауричев, Н.П.Панов, Н.Н. Розов, М.В. Стратонович, А.Д. Фокин. – М.: Агропромиздат, 1989. – с. 136-178, 243-268,371-391.

5. Ковриго, В.П. Почвоведение с основами геологии: учебн. для вузов /В.П. Ковриго, И.С. Кауричев, Л.М. Бурлакова. – М.: Колос, 2000. – с. 74-136, 157-162, 176-204, 248-260.