Название темы 1: Предмет дисциплины. Основные определения

Цель лекции: Раскрыть суть изучения науки, значимости почвенного покрова на Земле, определить основные роли и функции твердой оболочки земной поверхности.

Ключевые слова: биосфера, значение, педосфера, Докучаев, плодородие, экологическая ниша, развитие, гипотезы, эволюция и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Почвоведение как наука, ее цели и задачи

2. Связь почвоведения с экологией

3. История почвоведения

4. Роль Докучаева

5. Развитие почвоведения в Казахстане

6. Что такое почва, ее роль в биосфере

7. Почва – экологическая ниша в биосфере

Почвоведение как наука. Понятие о почве

Почвоведение – это наука о почве, ее строении, составе и свойствах, процес­сах образования, развития и функционирования, закономерностях географического распространения, взаимосвязях с внешней средой, путях и методах рационального использования.

В современном представлении почва – биокосное тело, возникшее на поверх­ности земли в результате воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, обладающее способностью обеспечивать рост и развитие растений.

Почва сформировалась на границе соприкосновения и взаимодействия лито­сферы, атмосферы и гидросферы и образует особую геосферу, называемую почвен­ным покровом или педасферой. Наиболее деятельной частью педасферы является верхняя часть – гумосфера, наиболее насыщенная органическим веществом.

Почва имеет свое положение в пространстве, объем и границы. Верхняя гра­ница – это поверхность раздела между почвой и атмосферой, нижняя – насколько распространен почвообразовательный процесс в литосфере.

Мощность почвы 1-3 м, но в тундре, пустыне и в горах она может иметь не­сколько сантиметров или десятки сантиметров.

Границы почвы: боковая определяется поверхностью раздела между элемен­тарными почвенными ареалами (ЭПА), внутри которых нет почвенно-географиче­ских границ. Это самый низкий таксономический ранг.

Почвы по вертикали делятся на генетические горизонты. Они характеризу­ются свойственными им морфологическими признаками, составом и свойствами. Верхние горизонты богаты органическим веществом, ниже расположены горизонты выноса и накопления продуктов выветривания, еще ниже - переходные горизонты к почвообразующим породам. Совокупность этих гори­зонтов образует почвенный профиль. Он характеризует тип, подтип, род и другие таксономиче­ские ранги квалификации почв.

Функции почвенного покрова многообразны и чрезвычайно ответственны, но главными из них являются:

- обеспечение существования жизни на земле;

- трансформация энергии солнца в энергию органического вещества;

- регулирование газового состава атмосферы и гидрологического режима суши и др.

Почва – четырехфазная система

Почва состоит из 4 фаз: твердой, жидкой, газовой и живой.

Твердая фаза состоит из первичных и вторичных минералов и органического вещества животного и растительного происхождения, а также продуктов их взаимо­действия. Она образует каркас для других фаз, характеризуется определенными морфологическими признаками, гранулометрическим, минералогическим и химиче­ским составами.

Жидкая фаза – это вода (атмосферных осадков и грунтовых вод) с растворен­ными в ней органическими и минеральными веществами и названная поэтому поч­венным раствором. Ему принадлежит ведущая роль в химических, биологических и биохимических процессах, протекающих в почве. Он является непосредственным источником питания растений. В почвенном растворе продукты его функционирова­ния обновляются в течение суток.

Газовая фаза – это почвенный воздух, заполняющий поровое пространство, свободное от воды. Он состоит из азота, кислорода и углерода, но, в отличие от ат­мосферного, содержание кислорода и углерода сильно изменяется во времени и пространстве. Скорость обновления продуктов функционирования газовой среды сопоставима со скоростью обновления в жидкой среде.

Живая фаза – это населяющие почву организмы – микроорганизмы, бактерии, грибы, водоросли, представители почвенной микрофауны: простейшие насекомые, дождевые черви (вопрос об отнесении растений и млекопитающих – вопрос дискус­сионный).

Связь почвоведения с другими науками. Разделы почвоведения

Почвоведение как наука тесно связана с физико-математическими, химиче­скими, биологическими, геологическими и географическими науками, использует их фундаментальные законы и методы исследований. В свою очередь почвоведение яв­ляется теоретической основой для прикладных агробиологических наук: агрохимии, экологии, землеустройства, земледелия, мелиорации и др.

В настоящее время выделяются такие самостоятельные разделы почвоведения как физика, химия, минералогия, биология, география, картография и классифика­ция почв.

По формам использования почв и прикладных знаний о них оформились сле­дующие прикладные разделы: агропочвоведение, мелиоративное почвоведение, лес­ное, экологическое и инженерное почвоведение.

Агропочвоведение рассматривает почву с точки зрения ее сельскохозяйствен­ного использования и решает следующие вопросы:

- для землеустроительных целей (организация территории, севообороты, отвод под многолетние насаждения);

- проведение агропроизводственной группировки (бонитировки) почв;

- составление и ведение земельного кадастра;

- обоснование рациональных систем земледелия;

- разработка методов защиты почв от загрязнения и деградации (эрозия, де­фляция, переуплотнение, выпаханность и др.).

Мелиоративное почвоведение служит теоретической основой для коренного улучшения почв: орошения, осушения, химической мелиорации (известкование, гипсование, кислование), комплексной мелиорации биологическими и агротехниче­скими методами, рекультивации почв.

Лесное почвоведение является научной основой повышения продуктивности лесов и искусственных лесных насаждений. Разрабатывает приемы и способы агро­лесомелиорации.

Методы исследования в почвоведении

Наряду с общими естественнонаучными методами почвоведение, как само­стоятельная наука, имеет свои методы и приемы исследований:

1. Сравнительно-географический метод. Сущность метода заключается в вы­явлении коррелятивной связи между строением, составом и свойствами почвы, с од­ной стороны, и факторами почвообразования (климат, растительность и животный мир, почвообразующая порода, рельеф и возраст страны), с другой. Таким именно методом было разработано В.В. Докучаевым учение о факторах почвообразования, о зональности и вертикальной поясности и др. Некоторые почвы образовались не под влиянием современных факторов почвообразования, а остались от прошлых эпох. Такие свойства почв называют реликтовыми.

2. Сравнительно-исторический. Реликтовые свойства почвы исследуются на основе изучения современных процессов почвообразования и их связи с современ­ными факторами почвообразования.

3. Профильный метод. При этом методе изучается вся система генетических горизонтов, включая и почвообразующую породу. Метод предусматривает изучение в каждом генетическом горизонте: морфологии, микроморфологии, физических свойств, гранулометрического состава, агрегатного и микроагрегатного состава, форм химических соединений, физико-химических свойств, состава и свойства ор­ганического вещества, минералогического состава и др.

4. Стационарный метод, или метод почвенно-режимных наблюдений приме­няется при биосферном мониторинге и заключается в изучении почвенных режи­мов: водного, теплового, солевого, газового, окислительно-восстановительных ус­ловий и др. Широкое распространение получили методы почвенных лизиметров, стоковых площадок и т.д.

5. Метод моделирования. Сущность метода в экспериментальном воспроизве­дении различных явлений и процессов, совершающихся или гипотетических, в об­становке контролируемого эксперимента в полевых и лабораторных условиях.

6. Картографический метод применяется для изображения на картах почвен­ного покрова определенных территорий.

Широко применяются также методы агрохимии и земледелия, т.е. исследова­ния в полевых, лабораторных и др. опытах.

Основные этапы развития почвоведения

Знания о свойствах почвы человечество начинало приобретать с тех времен, когда человек перешел к оседлому образу жизни, т.е. начал выращивать зерно, а не собирать дикорастущие формы.

Развитие феодализма дало значительный толчок и развитию почвоведения, поскольку возникала необходимость в оценке качества для установ­ления «податей» - феодальных повинностей

Значительный толчок учению о почве дали теории питания растений, появив­шиеся в 17-18 веках: теория питания растений исключительно водой Ван-Гельмота, гумусовая теория А.Тэера, теория минерального питания Ю. Либиха.

В 30-х годах 19 века появился ряд руководств по почвоведению К. Краузе, К.Шпрингеля, в которых почва рассматривалась как среда, где развиваются корни растений. Одновременно в той же Германии зародилось геологическое направление в почвоведении (Ф. Фаллу, Г. Берендт), которое рассматривало почву как наружную оболочку коры выветривания. Здесь проводились земельно-оценочные работы, со­ставлялись кадастровые карты.

Большая роль в развитии почвоведения в России принадлежит М. Ломоно­сову. В работе «О слоях земли» он впервые дал научное определение сущности поч­вообразовательного процесса как взаимодействие растения и продуктов их сожития с горными породами.

Создание Вольного экономического общества внесло новый импульс в разви­тие учения о почвоведении. В этот период было проведено много экспедиций Ака­демии наук, результаты которых были опубликованы в трудах И. Комова, А.Болотова, В.Чаславского, В Докучаева.

Особенно велики заслуги В.В.Докучаева в развитии науки о почвоведении. В своей монографии «Русский чернозем» (1883г.) он обосновал создание нового уче­ния – генетического почвоведения, он дал первое научное обоснование почвы, сформулировал учение о факторах почвообразования, закон о вертикальной поясно­сти, основы и методы картографирования почв и составил первую карту северного полушария, разработал план реконструкции степей (на примере Каменнаой степи Воронежской области).

Основателем биологического направления в почвоведении является П.А. Кос­тычев, он же является сооснователем генетического почвоведения наряду с другим учеником В.В. Докучаева – Н.М.Сибирцевым.

Докучаевские идеи нашли дальнейшее развитие в работах А.Н.Сабянина в МГУ, В.Р.Вильямса ( ТСХА), П.С. Коссовича (лесной институт в С.-Петербурге), К.К.Гедройца, И.В.Тюрина, Н.А.Качинского и других почвоведов.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: по теме лекции имеются слайд-шоу с презентацией основных типов почв, методах исследования почвенного покрова и значении плодородия в сельском хозяйстве.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое почвоведение?

2. Какие методы исследования почвенного покрова Вы знаете?

3. Как классифицируются почвенные карты в зависимости от их размеров?

4. Кто такой В.В. Докучаев?

5. Какой вклад внес Докучаев в развитие и становление почвоведения как науки?

6. Что такое почва?

7. Что такое литосфера и педосфера?

8. Что такое генетические горизонты?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

3. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

Дополнительная:

1. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

2. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

3. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

4. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 2: Почвообразовательный процесс

Цель лекции: Определить типы выветривания, их существенные различия, изучить эволюцию планеты Земля.

Ключевые слова: эволюция, возраст, минералы, породы, коацерваты, материки, биологическое, химическое, физическое, литосфера и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Строение и состав сфер Земли

2. Виды выветривания

3. Большой геологический круговорот

4. Горные породы, классификация

5. Главными генетическими типами осадочных пород

Строение и состав сфер земли

Внутренняя часть земли подразделяется на три оболочки (геосферы): земную кору, мантию и ядро.

Земная кора (литосфера) имеет толщину под материком 30-80 км, под океа­нами – 3-10 км. Наружный слой (осадочный) – толщина 2-5 км, средний (гранитный) – 15-35 км, нижний (базальтовый).

Под океанами находится только базальтовый слой, перекрытый донными отложениями, толщиной до 1 км.

Источником тепла для прохождения основных геохимических процессов внутри земли является распад радиоактивных элементов.

История земной коры Возраст земли исчисляется 8-10 млрдами лет. Процесс формирования литосферы про­должается 2,5 млрд. лет. На наибольшей части земли современный почвенный по­кров сформировался 0,8-1,0 млн.лет тому назад. Он подразделяется на ледниковый период и послеледниковый. Европейская часть России была покрыта мощным лед­никовым щитом, в Западной Сибири он имел небольшую мощность, в Восточной Сибири его вовсе не было. После таяния ледников остались ледниковые и водно-ледниковые отложения. Возраст этих пород исчисляется 10-12 тыс.лет.

Структура земной коры. На поверхности земли выделяются материк и океанические впадины. На мате­риках сформировались платформы, т.е. древние устойчивые участки с двухъярус­ным строением. На основании залегает кристаллический или складчатый фундамент, который перекрыт сравнительно тонким слоем (2-5 км) осадочных пород. Для складчатых систем характерны интенсивные вертикальные движения земной коры и излияния магмы (горные системы Кавказа, Памира, Урала).

Поверхность литосферы граничит с атмосферой и гидросферой.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли. В состав атмосферного воздуха входят: азот 78,1%, кислород 20,1%, ар­гон 0,9%, углекислый газ 0,03%, остальное – неон, гелий, водяной пар, частицы пыли и льда.

Атмосфера пропускает 3/4 солнечного излучения и задерживает длинноволновые излучения земной поверхности. Космические и атмосферные агенты – свет, тепло, осадки, ветер проводят огромную работу в процессах выветривания и почвообразо­вания, создают условия для существования жизни на земле.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой. Она покрывает 70,8% земной поверхности. Основная масса воды – 98,3% сосредоточена в морях и океанах, 1,65% – в материковых льдах, 0,45% – в пресных водах рек, озер.

Подавляющая часть осадочных горных пород и ценные полезные ископаемые находят в водоемах.

Биосфера (верхняя граница – 10-12 км тропосферы, нижняя – 2-3 км, в гидро­сфере – более 10 км) – это особая биокосная оболочка земли, в которой работают живые организмы. Внутри биосферы выделяются отдельные слои, в которых на­блюдается повышенная концентрация живых организмов. Это наземная оболочка, включающая растительный и почвенный покров, животный мир, водные экоси­стемы.

Элементарной структурной единицей биосферы являются биогеоценоз = фа­ция = биоценоз = биотоп.

Почва являются одним из главных компонентов биоценоза.

Виды выветривания

Выветривание – это совокупность абиотических и биологических процессов разрушения и образования горных пород и слагающих их минералов под воздейст­вием агентов атмосферы, биосферы, гидросферы в верхних слоях земной коры. Не­отъемлемой частью выветривания горных пород являются процессы денудации – перенос продуктов разрушения в пониженные элементы рельефа под действием внешних сил (вода, ветер, тепло и т.д.). В результате этих процессов образуется кора выветривания мощностью от нескольких метров до десятков метров.

Выделяют три вида выветривания:

Физическое – разрушение (растрескивание, дробление) минералов под влия­нием давления, возникающего при суточных и сезонных колебаниях температур (расширение и сжатие, замерзание и оттаивание), ветра, потоков воды, корней рас­тений. В результате этих процессов наблюдается увеличение дисперсности и удельной поверхности, снижение плотности минералов.

Химическое – процесс химического разрушения горных пород под влиянием воды, СО₂, О и других веществ. Вода растворяет вещества, содержащиеся в горных породах и минералах, при этом в раствор поступают катионы и анионы, изменяю­щие кислотно-щелочной режим. Разложение минералов усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который подкисляет реакцию среды.

В преобразовании минералов в присутствии угольной кислоты большую роль играют реакции карбонизации (образование карбонатов) и декарбонизации (разру­шение карбонатов)

Биологическое выветривание – процесс разрушения горных пород под дейст­вием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. При биологическом выветривании процессы разрушения минералов протекают более интенсивно, по­скольку увеличивается агрессивность среды.

Корни растений, микроорганизмы выделяют во внешнюю среду СО₂, кислоты: щавелевую, янтарную, яблочную и др. Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии – серную. В резуль­тате разложения мертвых остатков растений и животных образуются агрессивные гумусовые кислоты и фульвокислоты.

Многие виды бактерий, грибов, а также водоросли, лишайники могут усваивать эле­менты питания непосредственно из первичных минералов, разрушая их. Это и есть механизм первичного почвообразования.

Большой геологический круговорот веществ

Геологические процессы, происходящие в земной коре, делятся на две группы: эндогенные (внутренние), которые зарождаются в глубинных слоях Земли за счет энергии радиоактивного распада, и экзогенные (наружные, поверхностные), обусловленные внешней энергией (энергией солнца).

К эндогенным процессам относятся: магматизм, метаморфизм (действие высо­ких температур и давления), вулканизм, движение земной коры (землетрясения, го­рообразования).

К экзогенным – выветривание, деятельность атмосферных и поверхностных вод морей, океанов, животных, растительных организмов и особенно человека – техногенез.

Взаимодействие внутренних и внешних процессов образует большой геологи­ческий круговорот веществ.

При эндогенных процессах образуются горные системы, возвышенности, океанические впадины, при экзогенных – происходит разрушение магматических горных пород, перемещение продуктов разрушения в реки, моря, океаны и формирование осадоч­ных пород. В результате движения земной коры осадочные породы погружаются в глубокие слои, подвергаются процессам метаморфизма (действию высоких темпера­тур и давления), образуются метаморфические породы. В более глубоких слоях они пе­реходят в расплавленное состояние (магматизация). Затем, в результате вулканиче­ских процессов, поступают в верхние слои литосферы, на ее поверхность в виде магматических пород. Так образуются почвообразующие породы и различные формы рельефа.

Горные породы, из которых формируется почва, называются почвообразую­щими или материнскими. По условиям образования они подразделяются на три группы: магматические, метаморфические и осадочные.

Магматические горные породы состоят из соединений кремния, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na. В зависимости от соотношения этих соединений различают кислые и ос­новные породы.

Кислые (граниты, липариты, пегматиты) имеют высокое содержание кремне­зема (более 63%), оксидов калия и натрия (7-8%), оксидов кальция и Mg (2-3%). Они имеют светлую и бурую окраску. Почвы, образующиеся из таких пород, имеют рыхлое сложение, повышенную кислотность и малоплодородны.

Основные магматические породы (базальты, дуниты, периодиты) характери­зуются низким содержанием SiO₂ (40-60%), повышенным содержанием CaO и MgO (до 20%), оксидов железа (10-20%), Na₂O и K₂O менее менее 30%.

Почвы, образующиеся на продуктах выветривания основных пород, имеют щелочную и нейтральную реакцию, много гумуса и высокое плодородие.

Магматические породы составляют 95% общей массы пород, но в качестве почвообразующих они занимают небольшие площади (в горах).

Метаморфические горные породы, образуются в результате перекристал­лизации магматических и осадочных пород. Это мрамор, гнейсы, кварцы. Занимают небольшой удельный вес в качестве почвообразующих пород.

Осадочные породы. Формирование их обусловлено процессами выветривания магматических и метаморфических горных пород, переносом продуктов выветрива­ния водными, ледниковыми и воздушными потоками и отложением на поверхности суши, на дне океанов, морей, озер, в поймах рек.

По составу осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные.

Обломочные отложения различаются по величине обломков и частиц: это валуны, камни, гравий, щебень, пески, суглинки и глины.

Хемогенные отложения образовались в результате выпадения солей из водных растворов в морских заливах, озерах в условиях жаркого климата или в результате химических реакций.

К ним относятся галоиды (каменная и калийная соль), сульфаты (гипс, ангид­рид), карбонаты (известняк, мергель, доломиты), силикаты, фосфаты. Многие из них являются сырьем для производства цемента, химических удобрений, используются как агро­руды.

Биогенные отложения образованы из скоплений остатков растений и живот­ных. Это: карбонатные (биогенные известняки и мел), кремнистые (доло­мит) и углеродистые породы (угли, торф, сапропель, нефть, газ).

Главными генетическими типами осадочных пород являются:

1. Элювиальные отложения – продукты выветривания горных пород, остав­шиеся на листе их образования. Расположен элювий на вершинах водоразделов, где смыв выражен слабо.

2. Делювиальные отложения – продукты эрозии, отложенные временными во­дотоками дождевых и талых вод в нижней части склонов.

3. Пролювиальные отложения – образовались в результате переноса и отложе­ний продуктов выветривания временными горными реками и потопами у подножий склонов.

4. Аллювиальные отложения – формируются в результате отложения продуктов выветрива­ния речными водами, поступающих в них с поверхностным стоком.

5. Озерные отложения – донные отложения озер. Илы с высоким содержанием органического вещества (15-20%) называются сапропелями.

6. Морские отложения – донные отложения морей. При отступлении (транс­грессии) морей они остаются как почвообразующие породы.

7. Ледниковые (гляциальные) или моренные отложения – продукты выветрива­ния различных пород, перемещенные и отложенные ледником. Это несортирован­ный грубообломочный материал красно-бурого или серого цвета с включениями камней, валунов, гальки.

8. Флювиогляциальные (водно-ледниковые) отложения временных водотоков и замкнутых водоемов, образовавшиеся при таянии ледника.

9. Покровные глины относятся к внеледниковым отложениям и рассматрива­ются как отложения мелководных приледниковых разливов талых вод. Они пере­крывают марену сверху слоем 3-5 м. Имеют желто-бурую окраску, хорошо отсорти­рованы, не содержат камней и валунов. Почвы на покровных суглинках более пло­дородные, чем на марене.

10. Лессы и лессовидные суглинки характеризуются палевой окраской, повы­шенным содержанием пылеватых и илистых фракций, рыхлым сложением, высокой пористостью, высоким содержанием карбонатов кальция. На них образовались пло­дородные серые лесные, каштановые почвы, черноземы и сероземы.

11. Эоловые отложения образовались в результате деятельности ветра. Разру­шительная деятельность ветра слагается из коррозии (оттачивание, шлифование песком горных пород) и дефляции (сдувание и перенос ветром мелких частиц почв). Оба эти процесса вместе взятые представляет собой ветровую эрозию.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: презентация с фотографиями видов выветривания.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое выветривание?

2. Что такое магматизация?

3. Чем отличается физическое и химическое выветривание?

4. Что такое геологический круговорот веществ?

5. Опишите строение Земли?

6. Что такое магма?

7. Из каких слоев состоит ядро Земли?

8. Что такое породы?

9. Как классифицируются породы?

10. Что такое лесс?

11. Что такое фракция?

12. Какие характеристики называются органолептические?

13. Что такое эрозия почв?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 3: Влияние экологических факторов на морфологические признаки почв

Цель лекции: Изучение типов рельефов местности, факторов почвообразования, а также роли растений и микроорганизмов в процессе почвообразования

Ключевые слова: микроорганизмы, рельеф, ландшафт, плоскость, разновидность, тип, и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Типы рельефов

2. Формы и виды мезорельефа

3. Грунтовые воды

4. Влияние рельефа на геохимические процессы в почве

5. Климат, его роль в почвообразовании

6. Биологические факторы почвообразования

7. Хозяйственная деятельность человека как фактор почвообразования.

Рельеф – это совокупность форм земной поверхности разных масштабов. В за­висимости от размеров различают следующие формы:

Мегарельеф – наиболее крупные неровности земной поверхности - материко­вые массивы, океанские впадины.

Макрорельеф – крупные формы земной поверхности, занимающие большие площади от сотен метров до нескольких километром (горные хребты, плоскогорья, равнины).

Мезорельеф – рельеф средних размеров с колебаниями высот от нескольких метров до десятков метров (склоны, ложбины, балки, террасы).

Микрорельеф – мелкие формы рельефа, занимающие незначительные пло­щади с колебаниями высот в пределах 1 метра (западины, блюдца, бугорки).

Нанорельеф – разновидность микрорельефа, мелкие формы рельефа в преде­лах 0,3 м (кочки, борозды).

Рельеф формируется в результате взаимного действия эндогенных и экзоген­ных сил. Рельеф играет важную роль в процессах функционирования биосферы и в почвообразовании.

Мего- и макрорельефы участвуют в формировании макроэкосистем с харак­терным типом почвенного покрова.

Мезо- и микрорельефы способствуют перераспределению тепла и влаги в пре­делах склонов, определяя особенности микроклимата, глубину залегания грунтовых вод; формируют мезо- и микроэкосистемы с характерным почвенным покровом.

Тиры рельефа, их распределение

С учетом внешнего вида (морфологии) и происхождения (генезиса) выделяются четыре морфологических типа рельефа:. горный (структурно-тектонический); структурный (пластовый); скульптурный (эрозионный); аккумулятивный (насыпной).

1. Горный (структурно-тектонический) тип подразделяется на 6 подтипов:

Высокогорный имеет самые высокие абсолютные отметки, крутые склоны, острые вершины без растительности. Здесь формируются слаборазвитые почвы (Кавказ, Памир, Алтай).

Альпийский рельеф имеет черты высокогорного с участием ледниковых отло­жений в нишеобразных понижениях на склонах и долинах (здесь же и альпийские луга) – Кавказ, Памир, Тянь-Шань, Урал, Сибир.

Нагорья – высокогорные выровненные поверхности с наличием мощных рых­лых отложений и сформированными почвами. К ним относятся альпийские луга, районы Алтая, Саян, Становогой хребет в Сибири, где возможно ведение высокогорного земледелия.

Среднегорье характеризуется более низкими (0,5-2,0 км) абсолютными высо­тами. Склоны мене крутые, покрыты щебнем, лесом. Встречаются на всей территории России.

Низкогорье – имеет низкие абсолютные высоты – менее 0,5 км.

Сельговый рельеф – имеет отметки 100-200 м, характерен для рельефа Карелии и кольского полуострова.

2. Структурный (пластовый) тип рельефа представлен плоскими осадочными породами, устойчивыми к деградации.

Данный тип подразделяется на три подтипа:

Плоскогорье – высота до 1 км;

Плато – высотные отметки до 400 м;

Куэсты – узкие плато, имеющие наклон в одну сторону.

3. Скульптурный (эрозионный) тип рельефа – это равнины, которые образовались в ре­зультате речной и плоскостной эрозии, морской абразии – Среднерусская, Окско-Донская, Среднеднепровская возвышенности и Западно-Сибирская низменность.

4. Аккумулятивный (насыпной) рельеф – накопление рыхлых четвертичных отложений. Этот тип включает:

Аллювиальные равнины – слабопониженные плоскохолмистые и плосковолни­стые территории бассейнов крупных рек и их притоков. Имеют мощную толщу чет­вертичных отложений, древнеаллювиальных песчаных и суглинистых. К ним относятся: Ярославско-Костромская, Марийскаяравнины, Западная Сибирь.

Ледниковый и водно-ледниковый рельеф – холмистые и холмисто-увалистые равнины на маренных и водно-ледниковых отложениях. Такой рельеф характерен для Севера и Северо-Запада страны.

Эоловый аккумулятивный рельеф имеет распространение в песчаных пусты­нях Средней Азии, на побережьях морей и озер, образуя барханы, бугристые и грядовые пески.

Формы и виды мезорельефа

Формы мезорельефа складываются из следующих элементов: вершины водо­раздела, склона, подошвы склона, шельфа склона, днища межсклоновых запа­дин, днища оврагов и балок, террасы, уступа и склона террасы. Сочетание элементов рельефа образуют формы мезорельефа, к которым относятся:

Холмы – возвышение округлой формы с широким основанием, высота 40-100, иногда 200 м;

Бугор – имеет меньшую высоту (10-25 м) и более крутые склоны, чем холм;

Грива, гряда, увал – удлиненные возвышения, в отличие от холма в несколько раз превышают ширину;

Овраги – линейно вытянутые понижения с крутыми или отвесными склонами, не задерненными растительностью, образуются в результате водной эрозии. Если глубина не превышает 1-2 м, то это промоина.

Балки – пологие задерненные склоны. В верховьях они становятся мельче и переходят в лощину, еще выше – на менее пологих элеменнтах рельефа – в ложбину.

Размеры оврагов и балок могут достигать до нескольких километров в длину и десятков метров в ши­рину и глубину.

В зависимости от сочетания форм различают следующие виды рельефа:.

- холмистый - чередование холмов и равнинных просторов;

- гривистый, увалистый и грядовый - пониженные пространства чередуются с гривами, грядами или увалами;

- волнистый – плоские повышения чередуются с плоскими понижениями;

- полого-волнистый – плоские широкие повышения чередуются с плоскими широкими понижениями.

По степени горизонтального и вертикального расчленения рельефы подразделяются на следующие группы:

Группировка рельефа по степени горизонтального расчленения

Степень расчленения	Расстояние между водораздельной линией и тальвегом, м
Слаборасчлененный Среднерасчлененный Сильнорасчлененный Очень сильно расчлененный	>1000 100-1000 50-100 <50

Группировка рельефа по степени вертикального расчленения

Степень расчленения	Перепад высот водораздела и тальвега, м
	равнинные территории	холмистые территории
Мелкорасчлененный Среднерасчлененный Глубокорасчлененный	<2,5 2,5-5,0 5-10	<25 25-50 50-100

Всё многообразие неровностей, из которых слагается рельеф земной поверхности, можно в основном свести к следующим пяти элементарным формам:

1) Гора - значительное куполообразное или коническое возвышение с более или менее явно выраженным основанием - подошвой.

2) Котловина - замкнутая чашеобразная впадина обычно с пологими скатами.

3) Хребет - линейно вытянутое возвышение, постепенно понижающееся к одному или обоим своим концам.

4) Лощина - вытянутое углубление, понижающееся в одном направлении; имеет скаты с чётко выраженным верхним перегибом - бровкой. К разновидностям лощин относятся: долины, ущелья, овраги, балки, каньоны.

5) Седловина - понижение на гребне хребта между двумя смежными вершинами; к ней с двух противоположных направлений, поперечных хребту, подходят

На почвообразовательный процесс большое влияние оказывает крутизна склона. Различают следующие виды склонов.

очень пологие - менее 1⁰

пологие - 1-2⁰; крутые - 8-20⁰;

покатые - 2-5⁰; очень крутые - 20-45⁰

сильнопокатые - 5-8⁰; обрывистые - >45⁰

Грунтовые воды

Факторами, влияющими на глубину грунтовых вод, являются рельеф местно­сти, степень водопроницаемости почвообразующих пород и верхнего горизонта почвы.

Различают следующие виды почвенных вод: почвенно-грунтовые (верховодка почвенная.); грунтовые воды; артезианские воды.

Почвенно-грунтовые воды (почвенная верховодка) формируется под гумусовым горизонтом и над уплотненным иллювиальным горизонтом. Здесь может накопиться 10-25% атмосферных осадков. Это не постоянный слой, он может существовать от 1 недели до 2-3 месяцев. Почвенно-грунтовые воды могут быть также в понижениях рельефа в поймах рек, в тундре и в областях вечной мерзлоты. Характерная особен­ность – они залегают в пределах почвенного профиля.

Грунтовые воды формируются в рыхлых отложениях над водопроницаемым иллювиальным слоем выше базиса эрозии (горизонтальная поверхность, на уровне которой прекращается эрозия). Слой почвы, который насыщается влагой от грунто­вых вод, называется капиллярная кайма или поясом эрозии. Вблизи рек грунтовые воды взаимодействуют с реками, имеет место взаимное питание их: в межень грунтовые воды питают реки, при паводках – наоборот. Болота являются регуляторами уровня рек. Грунтовые воды могут быть вскрыты колодцами на глубине 2-6 метров и более.

Артезианские воды расположены на большой глубине и являются источником водоснабжения многих регионов.

По содержанию минеральных веществ они бывают: пресные (до 1 г/л солей), солоноватые – 1-10, соленые – 10-50, рассолы – >50 г/л.

Грунтовые воды движутся в направлении общего уклона со скоростью от 1 м/год в глинах до 2-5 м/сутки в песках и галечниках.

Глубина расположения и степень минерализации почвенных вод зависит от почвенно-биоклиматических зон и составляют в:

тундре и областях. вечной мерзлоты – 0-0,5 м, минерализации 0,01-0,03 г/л;

северной и средней тайге – 1-6 м, реже до 10 м – 0,2-0,3 г/л;

южной тайге – 10-20 м – до 0,5 г/л;

лесостепи и степи – 30-60 м – 0,75-3 г/л;

Прикаспийской низменности – 1-10 м – от 5-20 г/л до 30-50 г/л.

Грунтовые воды играют важную роль в формировании почвы. Под их влия­нием может происходить заболачивание, оглеение, вынос и привнос продуктов поч­вообразования и солей. В связи с этим различают почвы:

автоморфные формируются в условиях свободного стока осадков и глубине расположения грунтовых вод более 6 м;

полугидроморфные – грунтовые воды распологаются на глубине3-6 м (капиллярная кайма достигает корней);

гидроморфные – грунтовые воды расположены на глубине менее 3 м (капиллярная кайма может достигать поверхно­сти почвы).

Влияние рельефа на геохимические процессы в почве

Геохимические процессы, проходящие в почве, зависят от элементов рельефа, которые классифицируются так:

Элювиальные ландшафты.- занимают повышенные элементы местности, процесс почвообразования проходит независимо от грунтовых вод и бокового по­ступления. Продукты почвообразования и осадки просачиваются вглубь, они не пе­ремещаются вниз по склону.

Транзитные ландшафты - занимают склоны возвышений. В верхней части склонов преобладают процессы выноса продуктов почвообразования (трансэлюви­альные), во второй половине – одновременно с выносом идет накопление (аккуму­ляция) веществ и поэтому называются трансэлювиально-аккумулятивными ландшафтами.

Аккумулятивные ландшафты занимают равнинные территории, прилегающие к склонам.

Климат, его роль в почвообразовании

Основными показателями климата являются тепло- и влагообеспеченность.

По обеспеченности теплом Северная полушария земля подразделяется на следующие географические пояса.

	Географические пояса	Сумма t >10ºC
		запад Евразии	восток Евразии
	Полярный (холодный)	400-600	400-600
	Бореальный (умеренно холодный)	600-2400	600-1800
	Суббореальный (умеренно теплый)	2400-4000	1800-3200
	Субтропический (теплый)	4000-8000	3200-7000
	Тропический (жаркий)	>8000	>7000

Для характеристики обеспеченности влагой используется следующая шкала классификации климата.

Области обеспеченности влагой	Почвенно-растительные зоны		КУ
Избыточно влажненные (экстрагумидные)	Тундра, тайга с глееподзолистыми почвами	>1,33
Влажные (гумидные)	Таежные и лиственные леса с подзоли­стыми и дерново-подзолистыми почвами	1-33-1,0
Полувлажные (семигумидные)	Лесостепь с серыми лесными почвами и лесостепными черноземами	1,0-0,77
Полузасушливые и засушливые (субаридные)	Южные степные зоны с обыкновенными черноземами	0,77-0,44
Очень засушливые (субаридные)	Сухие степи с темно-каштановыми и каштановыми почвами	0,44-0,33
Полусухие и сухие (семиаридные)	Полупустыни со светло-каштановыми и бурыми пустынными почвами	0,33-0,12
Очень сухие (аридные)	Пустыни с серо-бурыми почвами и такырами	<0,12

Действие климата на почвообразование проявляется черед изменение водно-воздушного, теплового, биологического режимов, а также через атмосферу, гидро­сферу, растительный и животный мир, хозяйственную деятельность человека.

Биологические факторы почвообразования

Почва и основное ее свойство – плодородие – сформировались благодаря живым организмам. В основе почвообразования лежит биологический круговорот веществ, который заключается в том, что химические элементы литосферы, атмосферы и вода поглощаются живыми организмами, перерабатываются, перегруппировываются и возвращаются в почву уже в новом качестве. Источником энергии для прохождения всех этих процессов является солнечная радиация. Все живые организмы, участвующие в этом процессе состоят из следующих 4 групп:

1. Растения - первичные продуциенты органического вещества;

2. Животные – потребители органического вещества;

3. Грибы – разлагатели органического вещества;

4. Прокариоты – бактерии, синезеленые водоросли, которые выступают как редуценты (разлагатели), отчасти и как продуциенты - синезеленые водоросли.

Зеленые растения, малый биологический круговорот

Живое вещество почвы на 99% представлено растениями и характер биологического круговорота определяется в первую очередь ими. Растения синтезируют органическое вещество, используя солнечную радиацию и зольные элементы питания из почвы, и возвращают их обратно в почву уже в новом качестве - в виде потенциальной энергии.

Зеленые растения представлены лесными и травянистыми сообществами. Лесные сообщества ежегодно наращивают значительное количество фитомассы, а в почву поступает только 3-5 тонны этой массы в расчете на 1 га в виде наземного опада, в котором содержится 50 – 300 кг/га азота и зольных элементов. Остальная часть накапливается в стволах и ветвях деревьев и длительное время исключается из круговорота веществ.

Травянистые сообщества значительно меньше накапливают общей биомаасы, чем лесные сообщества. Но с ежегодным опадом в почву возвращается в 3-5 раза больше органического вещества, а значительная часть его поступает в верхнюю часть почвенного профиля в виде корней, способствуя увеличению гумуса и улучшению структуры почвы.

В процессе питания корни не только используют азот и зольные элементы, но пополняют почву десятками – сотнями килограммов корневых выделений в виде водорода и органических кислот. Они вместе с углекислым газом, выделяемым при дыхании корней, вовлекают в биологический круговорот новые химические элементы из труднодоступных соединений, которые содержатся в материнских породах и минералах.

Роль животных в почвообразовании

Основной функцией животных в биосфере является потребление и разрушение органического вещества. Общая биомасса почвенных животных достигает 10-15 т/га, но это всего 0,5- 5,0 % от фитомассы.

Общая численность беспозвоночных особей ( червей, нематод, членистоногих ) достигает десятков миллионов экз. на кв. метре, нор сусликов, кротов – 2-4 тыс/га; дождевые черви пропускают через себя от 50 до 600 тонн мелкозема в год; капролиты ( экскременты )дождевых червей повышают содержание гумуса в почве.

В разрушении растительных и животных остатков участвуют:

• фитофаги ( нематоды, грызуны ), питающиеся растениями;

• хищники (простейшие, скорпионы, клещи), питающиеся живыми животными;

• сапрофаги (муравьи, многоножки, термиты), поедающие трупы животных;

• капрофаги (жуки, мухи, их личинки, бактерии), питающиеся экскрементами других животных.

Все эти группы, вместе взятые, перерабатывают органические остатки до более простых соединений, перемешивают и разрыхляют почву, улучшают питательный режим, создают условия для жизнедеятельности растений.

Роль микроорганизмов в почвообразовании

При участии микроорганизмов происходит гумификация и минерализация органического вещества растений и животных, фиксация атмосферного азота в почве и другие процессы, направленные на повышение плодородие почвы. В 1кг почвы насчитывается от нескольких миллионов до нескольких миллиардов микроорганизмов, масса их достигает 1-2 т/га сухого вещества. Основные группы микроорганизмов следующие:

• Почвенные водоросли: Их насчитывается около 200 видов. Биомасса в слое 0-10 см достигает нескольких сотен кг/га. Они сами являются первичными продуциентами органического вещества почвы. Некоторые из них участвуют в первичной трансформации органического вещества почвы (диатомовые водоросли), а синезеленые водоросли (цианобактерии) обладают способностью фиксировать атмосферный азот и выделять кислород, что особенно важно при выращивании риса , который испытывает острый его недостаток при выращивании под слоем воды.

• Почвенные грибы – насчитывается более 10 тыс. видов. Они участвуют в разложении органического вещества почвы и в образовании гумусовых веществ. Они синтезируют и выделяют в почву различные ферменты, которые участвуют в разложении самых сложных трудно разлагаемых органических веществ, растворяют первичные и вторичные минералы, уничтожают многих вредных грибов - паразитов корневых систем растений (нематод, амеб) . Но есть среди них и такие, которые приносят вред, К ним относятся корневые гнили зерновых культур, которые сильно распространяются и приносят большой вред при повторных ( в течении нескольких лет) посевах этих культур на одном и том же поле.

• Бактерии- Это наиболее многочисленная группа микроорганизмов, которых в 1 кг почвы насчитывается несколько миллиардов. В почве они осуществляют самые разнообразные процессы. Так, азотобактер является свободноживущим азотфиксатором; клубенковые бактерии-симбиотическими азотфиксаторами; энтеробактерии возбуждают гнилостной процесс; пачкующиеся бактерии участвуют при нитрификационных процессах, т. е. при превращении аммонийного азота в нитратный, а некоторые из них выступают и как денитрификаторы, восстанавливая нитратный азот до нитритного и молекулярного; цитофаги разлагают целлюлозу – одну из самых трудно разлагаемых соединений

• Вирусы и фаги – это группа мелких паразитов, которые способны развиваться только внутри клеток живых организмов. Они не имеют клеточного строения, существуют в виде инфекционных частиц – варионов.

• Ферменты – биологические катализаторы, которые ускоряют химические реакции по разложению органического вещества почвы и даже минералов. К настоящему времени известны около 2 тыс. ферментов. Ферментативная активность почв прямо пропорциональна ее биологической активности.

Хозяйственная деятельность человека как фактор почвообразования.

Воздействие человека на почву проявляется как непосредственно, так и опосредственно через биологический круговорот веществ. Непосредственное участие человека заключается в строительстве водохранилищ, гидротехнических сооружений, осушении болот, которые влияют на глубину залегания грунтовых вод и свойства почв. Влияние человека через биологический круговорот осуществляется посредством освоения земель под пашню путем распашки лугов, рубку леса, вынос элементов питания из почвы посевами, одомашнивание диких животных и концентрацию большого поголовья их на относительно небольших площадях.

Почвенный покров постоянно подвергается эрозии – процессу разрушения под действием воды и ветра. Различают два вида эрозии: геологическую (нормальную) и антропогенную (ускоренную)

Геологическая эрозия протекает в естественных условиях в результате прохождения процессов выветривания и денудации.

Антропогенная эрозия приводит к частичному или полному разрушению почвенного профиля.

Водная эрозия подразделяется на:

поверхностную эрозию, которая образуется под действием дождевых капель и поверхностного стока дождевых и талых вод;

линейную или овражную эрозию, которая размывает почву в глубину и ширину более мощными потоками, приводящими к образованию оврагов и промоин;

ирригационную эрозию, смывающую почву на склонах при орошении.

Водная эрозия проявляется при уклонах, превышающих 1,5 градусов. По степени смытости почвы подразделяются на:

слабо эродированные, где недобор урожая составляет 10-20 %;

средне эродированные - недобор урожая 21-60%;

сильно эродированные – недобор урожая достигает от 60 до 80%

Факторы водной эрозии

Кроме нерациональной хозяйственной деятельности человека к факторам водной эрозии относятся: климат, рельеф, свойства почв и почвообразующих пород, растительный покров.

К климатическим факторам относятся: количество и интенсивность осадков, их продолжительность, параметры стока талых вод. Капли дождя обладают большой кинетической энергией, они отрывают от земли и поднимают в воздух десятки тонн почвы на 1 гектаре и нагружают поверхностный сток частицами почвы. Наиболее опасны ливневые осадки с крупными размерами капель, высокой интенсивностью и продолжительностью. Опасны также запасы воды, накопившиеся в снежной толще в зимний период, и при одновременном таянии весной приобретает большую разрушительную силу.

Рельеф. Интенсивность эрозии нарастает с увеличением крутизны и длины склона. При уклонах 1-3 град. формируются слабосмытые почвы, при уклонах 3-5 град.- среднесмытые; при уклонах более 5 град. – сильно смытые почвы.

Свойства почв и почвообразующих пород. Песчаные и супесчаные почвы, почвы с хорошей водопрочной структурой лучше впитывают влагу, чем глинистые бесструктурные, на них меньше образуется поверхностный сток и слабо развиваются эрозионные процессы.

Растительный покров выполняет ряд функций по защите почв от эрозии: он принимает на себя удары дождевых капель; замедляет поверхностный сток, повышает впитываемость воды в почву, корни растений скрепляют и удерживают почвенные частицы, противодействуя смыву.

Дефляция почвы

Дефляция – это разрушение почвы под влиянием ветра. Она проявляется преимущественно в аридных регионах с осадками менее 300 мм в год, Проявляется через пыльные бури и повседневную эрозию.

Факторы дефляции Факторы дефляции те же, что и при водной эрозии. Из климатических факторов основную роль играют режим ветров, осадки и температура. Но основным фактором является сила ветра. Повседневная дефляция проявляется при скорости ветра 4-6 м/сек, пыльные бури образуются при сильном ветре (16-20 м/сек), штормах и ураганах, когда скорость его достигает 24-43 м/сек.

Влажные почвы менее подвержены дефляции, чем сухие.

Температура оказывает косвенное влияние на дефляцию, способствуя формированию растительного покрова определенного проективного покрытия.

Роль рельефа проявляется в том, что почва на наветренных склонах и выступающих элементах рельефа сильнее выдувается, чем на подветренных и пологих склонах.

Наиболее подвержены дефляции песчаные и супесчаные почвы. На таких почвах критической является скорость ветра 5 м/сек.

Загрязнение почв химическими веществами

Различают техногенное и агрогенное загрязнение почв.

Техногенное загрязнение обусловлено выбросами и сжиганием топлива, газообразных и аэрозольных отходов промышленности, добычей, транспортировкой и переработкой нефти, газа, агроруд и других отходов производства.

Химические вещества – загрязнители почв по степени опасности для окружающей среды делятся на три класса:

• высокоопасные – мышьяк, кадмий, ртуть, силен, свинец, фтор, бензопирен;

• умеренноопасные – бор, кобальт, никель, молибден, хром, медь, сурьма;

• малоопасные– барий, ваннадий, вольфрам, магний, стронций, ацетофенол.

Нормы классов опасности имеют следующие показатели:

Показатели	Первый класс	Второй класс	Третий класс
Токсичность, ЛД, мг/кг	Менее200	200-400	Более100
Персистентность в почве, месяц	Более 12	6-12	Менее 6
ПДК, мг/кг	Менее 0,2	0,2-0,5	Более 0,5
Миграция	мигрирует	Слабо мигрирует	Не мигрирует
Персистентность в растениях месяц	Более 3	1-3	Менее 1

На пищевую ценность химические вещества первого класса оказывают сильное влияние, второго класса – умеренное, третьего класса – не оказывают

Агрогенное загрязнение - это поступление вредных для растений и животных веществ при их использовании. Источником загрязнения могут быть минеральные удобрения, пестициды, химические мелиоранты, сточные воды и их осадки.

Загрязнение радионуклидами

Оно связано с атомными взрывами, авариями и хранением ядерных отходов. Радионуклиды не изменяют уровень плодородия почвы, но сохраняются в почве длительное время, накапливаются в урожае, организме животных и человека.

Существует естественная радиактивность почвы, вызванная содержанием в ней изотопов урана, радия, тория, калия-40, углерода – 14. Концентрация их обычно невысокая, они не представляют угрозы окружающей среде.

Но долгоживущие радионуклиды характеризуются продолжительным периодом сохранения в почве. Это стронций- 90, Цезий 127, Йод 129, радий 106 и др. Для примера: Стронций 90 имеет период полураспада 38 лет, Цезий 127-33года, Уран 238 – 4,5 млрд лет.

Уменьшению количества радионуклидов в почве способствуют: известкование кислых почв, внесение в почву органических удобрений, мелиорантов, цеолитов, а также захоронение на глубину 40 – 50 см зараженного верхнего слоя почвы.

Процессы почвообразования

Почвообразовательный процесс – это совокупность явлений превращения и передвижения веществ и энергии, протекающих в почвеной толще. К настоящему времени известны следующие 7 групп процессов почвообразования:

1. Биогенно – аккумулятивные ЭПП. Протекают под влиянием живых организмов и образуют биогенные органо – минеральные горизонты.

2. Гидрогенно – аккумулятивные – процессы аккумуляции веществ в почве проходят под воздействием грунтовых вод.

3. Метаморфические – процессы трансформации почвообразующих минералов проходят без элювиально – иллювиального перераспределения. Это внутрипочвенное выветривание горных пород, при котором первичные минералы преобразуются во вторичные.

4. Элювиальные – процессы образования элювиальных горизонтов при разрушении или преобразовании почвенного материала и выносе из него продуктов разрушения за пределы почвенного горизонта нисходящими или боковыми токами.

5. Иллювиально – аккумулятивные процессы сопутствуют элювиальным и проявляются в аккумуляции продуктов выноса из верхних горизонтов в среднюю или нижнюю части почвенного профиля.

6. Педатурбационные – механическое перемешивание почвенной массы с участием животных, при ветровале деревьев, при морозном перемешивании и т.д.

7. Деструктивные – группа процессов по разрушению почвы в результате эрозии, дефляции, погребения и прочих нежелательных процессов в естественных условиях

8. Агрогенные и техногенные почвообразовательные процессы – формирующие отдельные горизонты или почвенные профили при распашке целинных почв, мульчировании, окультуривании и др.

9. Мелиоративные – процессы, связанные с коренной мелиорацией почв. Это – орошение, осушение, химическая и фитомелиорация, рекультивация и др.

10. Деструктивные агрогенные и техногенные – процессы, ведущие к разрушению почв или ухудшению их экологических свойств под воздействием агрогенных и техногенных процессов (ускоренная эрозия, вторичное засоление, обеструкруривание, агрогенное и техногенное загрязнение, ирригационная эрозия и др.)

В результате сочетания нескольких ЭПП формируется почвенный профиль с набором соответствующих генетических горизонтов.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: показ слайдов по значению растений, микроорганизмов и животных в образовании почвенного покрова.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое фактор почвообразования?

2. Какие типы рельефов Вы знаете?

3. Что такое артезианские воды?

4. Как грунтовые воды влияют на почвообразовательный процесс?

5. Что Вам известно о бактерий и микроорганизмах, населяющих почву?

6. Что такое ферменты?

7. Что такое дефляция?

8. Какие типы почвообразования Вы знаете?

9. Чем отличается элювиальные от иллювиальные процессы?

10. Как Вы понимаете словосочетание мелиоратвные процессы?

11. Какие типы водной эрозии Вы знаете?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 4: Гранулометрический состав почвы и его значение.

Цель лекции: Определить значение морфологии и гранулометрии в получении высококачественного урожая. Изучить различия минералогического и химического составов

Ключевые слова: минералы, механический состав, включения, сложения, цвет, фракции.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

Каждая почва характеризуется определенными морфологическими признаками, по которым можно отличить их друг от друга и получить некоторые сведения об их происхождении, составе, свойствах и плодородии. Почвенный профиль состоит из определенного набора генетических горизонтов, каждый из которых имеет буквенное обозначение.

Основных морфологических признаков почв всего 12. Рассмотрим вкратце каждый из этих признаков.

1. Строение почвенного профиля. Наиболее часто в нем выделяются следующие горизонты:

Ао - органогенный, мощность 10 – 20 см в виде лесной подстилки и степного войлока, состоит из растительности разной степени разложения.

Ад - органо – минеральный, мощность до 10 см, на 50% состоит из корней травянистых растен6ий

А - гумусово - аккумулятивный, мощность 5-30 см, содержание гумуса до 15 %, цвет темный и темно – серый

А₁ - гумусово – элювиальный, наряду с накоплением гумуса из него выносятся органо – минеральные и минеральные соединения, содержание гумуса 4-6 %, состав гумуса фульватный или гуматно – фульватный, цвет серый и светло – серый.

Апах - пахотный горизонт, мощность 20 – 30 см.

А₂ – иллювиальный горизонт, 1 – 30 см, цвет белый или светло-серый

В – формируется в результате иллювиально – аккумулятивных (вмывание) и метаморфических (внутрипочвенных) процессов

С – материнская почвообразующая порода, слабо затронутая почвообразовательным процессом.

Д – подстилающая порода, мощность 2-5 м.

2. Окраска определяется химическим составом почв. Гумусовые вещества с повышенным содержанием гуминовых кислот придают черную, темно – серую, темно – бурую окраску; фульватный гумус – серую, бурую; окисленные соединения железа – красные, ржавые, желтые тона; восстановленные соединения его – сизые, серые тона; соединения кварца, алюминия, кальция, гипс – белые тона. Разные сочетания этих красок формируют широкий спектр окраски почвенных горизонтов.

3. Структура почвы - это агрегаты разного размера и форм, на которые способна распасться почва в сухом состоянии. Она состоит из отдельных механических элементов, связанных клеющими веществами – гумусовыми веществами, соединениями кальция, железа. Наиболее ценными в агрономии считаются агрегаты размером в диаметре от 0,25 до 10 мм. Чем больше таких агрегатов в почве, тем она считается плодородной.

Различают 3 типа структуры почвы: кубовидная, призмовидная и плитовидная. Кубовидный тип включает в себя 4 рода: глыбистую,комковатую, ореховатую и зернистую. В призмовидном типе 3 рода – столбовидная, столбчатая, призматическая, в плитовидном 2 рода – плитчатая и чешуйчатая. Каждый из перечисленных родов имеет по 2-6 видов структуры в зависимости от размеров агрегатов.

4. Прочность структурных агрегатов – это способность их противостоять одноосному сжатию при свободном боковом расширении. Существует следующая шкала прочности:

непрочная – легко разрушается при сдавливании пальцем,

прочноватая – с трудом разрушается при сдавливании пальцами, легко – при сдавливании между лодонями,

прочная – пальцами не разрушается, руками – с трудом,

очень прочная – не удается раздавить руками, может быть расколот молотком.

5. Гранулометрический состав – это содержание в ней не агрегированных частиц разной величины – камней, гравия, песка, пыли и ила. В полевых условиях он определяется органолептически (наощупь). Для этого 2-3 куб. см почвы увлажняют, перемешивают до тестообразного состояния, скатывают из него шарик и пытаются раскатать его в шнур. Эффективность скатывания будет различной в зависимости от гранулометрического состава:

песок - скатать шарик или шнур не удается;

супесь – скатывается в непрочный шарик, в шнур не скатывается;

легкий суглинок – скатывается в отдельные короткие отрезки шнура;

средний суглинок – скатывается в шнур толщиной 2-3 мм, при дальнейшем скатывании ломается или лопается при сгибании в кольцо;

тяжелый суглинок – скатывается в тонкий шнур (менее 2 мм), который образует кольцо с трещинами;

глина – скатывается в тонкий шнур, образует кольцо без трещин.

Песчаные и супесчаные почвы относятся к легким, легко- и среднесуглинистые - к средним, тяжелосуглинистые и глинистые – к тяжелым.

6. Сложение – выражает степень ее плотности или рыхлости. Различают сложение почвы:

очень плотное – не поддается лопате, требуется кирка или лом;

плотное – с трудом поддается лопате;

рыхлое – лопата легко входит в почву, при выбрасывании почва рассыпается;

рассыпчатое – почва обладает сыпучестью.

7. Пористость характеризуется формой и размерами пор. По форме различают поры округлые, трубковидные, щелевидные, клиновидные, камерные и неправильной формы. Размер пор колеблется от 1мм до 3-5 мм.

8. Твердость почвы - эта способность сопротивляться вдавливанию, проникновению ножа или другого предмета. Различают следующие виды твердости почв:

очень мягкая – нож свободно проникает в почву на 10-12 см;

мягкая – нож проникает с заметным усилием,

твердая – проникает только на 3-5 см с большим усилием;

очень твердая – проникает с трудом только кончик ножа;

крайне твердая – нож не вводится в почву даже при большом усилии.

9. Липкость почвы – это способность ее прилипать к другим телам. Определяется при увлажнении до тестообразного состояния. Различают следующие виды липкости:

нелипкая – не пристает к пальцам;

слаболипкая – к пальцам пристает, но легко счищается;

липкая – счищается с трудом;

очень липкая – счищается с большим трудом.

10. Новообразования – это морфологически выраженные скопления различных веществ, которые образовались в результате почвообразовательного процесса. Они бывают химического и биологического происхождения. По форме химические новообразования существуют в виде выцветов и налетов, корочек, потеков, прожилок, конкреций. По составу различают скопления водорастворимых солей, гипса, углекислой извести, гумусовых веществ.

Новообразования биологического происхождения выделяются в виде червоточен, капролитов, дендритов.

11. Включения – это различные тела, обнаруживаемые в почвенном профиле, происхождение которых не связано с почвообразованием – камни, валуны, кости животных и др.

12. Влажность почвы и ее отдельных горизонтов. Различают следующие градации:

сухая – сухая на вид и наощупь, не светлеет при высыхании и темнеет при добавлении воды;

влажноватая – влажная на вид и наощупь, светлеет при высыхании, не темнеет при добавлении воды, при сжатии образца яркость поверхности не изменяется;

влажная – влажная на вид и наощупь, светлеет при высыхании, не темнеет при добавлении воды, при сжатии образца на поверхности проступает тонкая водяная пленка, но вода не вытекает;

сырая – при сжатии образца с его поверхности капает вода;

мокрая – из среза почвы самопроизвольно сочится вода.

Пользуясь этими признаками в полевых условиях можно оценить уровень почвенного плодородия, а также диагностировать почву.

Гранулометрический состав почвы

Гранулометрический состав почвы характеризуется содержанием механиче­ских элементов разного размера и выражается в % к абсолютно-

сухой почве. Час­тицы размером >1 мм называется почвенным скелетом, менее 1 мм – мелкоземом.

Классификация механических элементов почвы по Н.А. Качинскому

Название фракции	Размер, мм	Название фракции	Размер, мм
Камни	>3	Пыль:	0,05-0,001
Гравий	3-1	крупная	0,05-0,01
Песок:	1-0,05	средняя	0,01-0,005
крупный	1-0,5	мелкая	0,005-0,001
средний	0,5-0,25	Ил:	0,001-0,00001
мелкий	>0,25-0,05	грубый	0,001-0,0005
		тонкий	0,0005-0,00001
		коллоиды	<0,000001

Фракции песка и пыли состоят из первичных минералов (кварц, полевые шпаты). В илистой фракции преобладают вторичные минералы с примесью органиче­ских веществ, что обуславливает высокую поглотительную способность, влагоем­кость и в целом высокое их плодородие.

Фракции крупной пыли обладают такими же свойствами, как фракции песка, поэтому все частицы крупнее 0,01 мм объединяются в группу физический песок, мельче 0,01 мм – в группу физическая глина. По этим признакам классифицируется и гранулометрический состав почв.

Классификация почв по гранулометрическому составу

Гранулометрический состав почвы наследуется от почвообразующей породы и практически не меняется во времени.

Песчаные и супесчаные почвы требуют меньших затрат на обработку и называются легкими. Они характеризуются высокой водопрочностью, низкой влагоемкостью, низким содержанием гумуса и емкости поглощения, низким содержанием элементов питания и в целом играют негативную роль в жизнедеятельности растений. Положительная сторона таких почв – хорошая воздухопроницаемость и быстрая прогреваемость.

Суглинистые почвы наоборот обладают более благоприятными водно-физическими, химическими и биологическими свойствами, соответственно и более высоким плодородием.

Для повышения плодородия легких почв применяется землевание, внесение больших дох навоза, торфа, сидерация почв. Те же приемы, а также пескование используются и для повышения плодородия тяжелых почв.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: слайд-шоу

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое механический состав почвы?

2. Как определить мехсостав почвы в полевых условиях?

3. Какие 12 характеристик относятся к морфологии почв?

4. Что такое включения?

5. Как можно визуально определить содержание гумуса в почве?

6. Что такое перегной?

7. Каких элементов больше в почве?

8. Какие основные три элемента нужны почве в большей степени?

9. Что относят к микроэлементам почвы?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 5: Минералогический состав почв

Цель лекции: Изучить минералогический состав почв, уметь различить минералы друг от друга

Ключевые слова: перегной, гумус, органическое вещество, минеральная часть, детрит, свойства, состав, структура и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Введение

2. Первичные минералы

3. Выветривание и образование вторичных минералов

4. Вторичные минералы

Введение

В почвах и почвообразующих породах насчитывается около 50 минералов. Первичные минералы (кварц, полевые шпаты) образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. От них состоят магматические породы. Первичные минералы подвергаются выветриванию в земной поверхности. Они содержатся, в основном, в частицах почвы диаметром более 0,001 мм.

Вторичные минералы образовались в результате экзогенных процессов выветривания из первичных минералов. Они тонкодисперсны, содержат фракции почв диаметром <0,001 мм. Из вторичных минералов в почвах преобладают алюмосиликаты (каолинит, монтмориллонит), оксиды и гидроксиды Fe, Al, а также кальцит, гипс и др.

По химическому составу выделены следующие 10 классов минералов: сили­каты, карбонаты, нитраты, сульфаты, оксиды и гидроксиды, галоиды, сульфиды и самородные элементы. Преобладающими являются силикаты и карбонаты.

Минеральный состав является одним из основных факторов, определяющих уровень почвенного плодородия, поскольку он определяет реакцию среды, по­тенциальный запас питательных веществ и гумуса, формирование структуры и пло­дородия в целом.

Минеральные вещества в почвах составляют 90-95 % в гумусовых горизонтах и более 99% в минеральных горизонтах. Исключением являются торфяные горизонты, лесные подстилки и ветошь. Минеральная часть в основном наследуется от почвообразующих пород. По мере развития почвообразовательного процесса минералы претерпевают ряд изменений.

В рыхлых почвообразующих породах и в почвах минеральная часть слагается из минералов, по своему происхождению относящимся к двум группам:

1. Первичным минералам магматического и метаморфического происхождения.

2. Вторичным минералам, образовавшихся в коре выветривания и в почвах в результате стадийного разрушения первичных минералов и синтеза из конечных продуктов выветривания.

По содержанию минералы подразделяются на породообразующие, содержание которых в почве и породах составляет более 5%, относительно редкие и акцессорные, образующие относительно ничтожную примесь в горных породах.

Первичные минералы представлены тремя группами: минералами-окислами, минералами-силикатами и минералами-солями.

Минералы-окислы

Минералы - окислы	содержание в почве
SiO2 кварц	25-40, иногда 90%
Fe2O3 гематит	< 0,5 %
Fe3O4 магнетит	< 0,5 %
TiO2 титанит	< 0,5 %

Кварц – наиболее распространенный минерал земной коры и почв. Он содержится в изверженных, метаморфических и осадочных породах. Основой кристаллохимической структуры кварца является кремнекислородный тетраэдр (SiO₄), состоящий из четырех ионов кислорода, между которыми расположен ион кремния (рис.1).

Ион кислорода

Ион кремния

Рис. 1. Кремнекислородный тетраэдр.

Кремнекислородные тетраэдры кварца соединяются в сплошной каркас, в котором ионы кислорода принадлежат нескольким тетраэдрам. Подобная кристаллохимическая структура обуславливает высокую устойчивость к процессам выветривания.

Силикаты – это большая группа минералов, основой кристаллохимической структуры является кремнекислородный тетраэдр. Они представлены полевыми шпатами, слюдами, пироксенами, амфиболами и оливином.

Полевые шпаты по массе в почве составляют ~ 50%. Их кристаллохимическая структура также как и кварца представляет собой каркас из кремнекислородных тетраэдров. В отличие от кварца внутри тетраэдров кремний частично замещен ионом алюминия, имеющего больший радиус. Возникшая нестабильность в строении компенсируется включением в структуру силикатов катионов щелочных ищелочноземельных металлов (К⁺,Na⁺,Ca²⁺). Полевые шпаты делятся на кислые и основные. К кислым полевым шпатам относятся К- и Nа- полевые шпаты. Они имеют светлую окраску, отношение SiO₂/Al₂O₃, характеризующее относительное содержание кремния и алюминия в минерале, составляет 5-6. Они представлены минералами калиевыми полевыми шпатами микроклином (триклинный) и ортоклазом (моноклинный) K[AlSi₃O₈] и натриевым полевым шпатом альбитом Na[AlSi₃O₈]. К основным полевым шпатам относятся кальциевые полевые шпаты, представителем которых является минерал анортит Ca[Al₂Si₂O₈].

Изоморфные смеси Na- и Ca- полевых шпатов образуют группу плагиоклазов. Если в плагиоклазах преобладают Na- полевые шпаты, то они относятся к кислым (олигоклаз, олигоклаз-альбит). Если в плагиоклазах преобладают Ca- полевые шпаты, то они относятся к основным (андезин, лабрадор).

Слюды входят в состав многих изверженных и осадочных пород.. Содержание их в почвах составляет 4-5%. Они имеют слоистую кристаллохимическую структуру, в которой SiO₄-тетраэдры образуют плоские сетки. Вершины обращенных друг к другу тетраэдров связаны ионами Al c OH- группой, образуя трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами К,Mg,Fe (рис.2).

• кремнекислородные и

Al OH Al OH Al алюмокислородные тетраэдры

К, Mg, Fe

Al OH Al OH Al

Рис. 2. Кристаллохимическая структура слюд

Калийная слюда – мусковит KAl[AlSi₃O₁₀](OH)₂, светлая, устойчива к выветриванию. Магнезиально-железистая слюда – биотит K(Mg,Fe)[AlS₃O₁₀](OH)₂ темная, менее устойчива к выветриванию. Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей.

Пироксены и амфиболы составляют 5-15 % в почвах. SiO₄ – тетраэдры их образуют цепочки, соединенные ионами Mg, Fe, Al, Са, К, Na. Это темные зеленоватые минералы. Наиболее распространены: среди пироксенов авгит R₂(Si₂O₆), среди амфиболов роговая обманка R₇ (Si₄O₁₁) (OH)_2.

Оливин (Mg, Fe)  (SiO₄), составляет в почвах 0,5-1 %. SiO₄ – тетраэдры в оливине представлены изолированными группами, соединенными двухвалентными катионами. Минералы группы оливина чрезвычайно неустойчивы и быстро разрушаются.

Минералы-соли представлены в основном фосфатами и сульфидами.

Фосфаты в основном представлены минералом апатит Са₅ (Сl F)(PO₄)₃. Содержание в почвах 0,3-0,5 %. Является источником Р и Сl. Иногда образует залежи.

Сульфиды в основном представлены минералами пирит и марказит FeS_2. Содержание в почвах 0,3-0,5%. Иногда образуют месторождение колчеданных руд.

К акцессорным минералам относятся:

Циркон ZrO₂SiO₂

Ильменит FeTiO₃

Сфен (титанит) Ca Ti Si O₅

Плавиковый шпат CaF₂

Эпидот Ca₂ (Al Fe³⁺) Al₂ (O(OH) SiO₄ (Si₂O₇)

Минералы с различной кристаллохимической структурой обладают неодинаковой устойчивостью к выветриванию. Если расположить главнейшие породообразующие минералы по степени возрастания их устойчивости к процессам выветривания, то будет иметь место следующая последовтельность, установленная С. Голдичем:

Оливин

Авгит Са-плагиоклаз

Роговая обманка Na-Са – плагиоклаз

Биотит Са-Na - плагиоклаз

Na – плагиоклаз

Калиевый полевой шпат

Мусковит

Кварц

Рис. 3. Устойчивость породообразующих минералов.

Выветривание и образование вторичных минералов

Горные породы, попадая на дневную поверхность, оказываются в условиях резко отличающихся от условий, в которых они образовались. Поэтому они теряют устойчивость и подвергаются процессам преобразования. Сумма процессов преобразования горных пород на поаерхности Земли называется выветриванием. Процесс преобразования горных пород включает многочисленные процессы и явления. Условно можно разделить их на физическое выветривание и химическое. Физическое разрушение горной породы вызвано в основном периодическим нагреванием и охлаждением их. Коэффициент расширения разных минералов и одного и того же минерала по разным осям, неодинаков. При нагревании и охлаждении образуются трещинки. Попадающая в них вода оказывает давление очень большое. При обычной температуре в трещинах шириной 1 мкм капиллярное давление составляет примерно 1510⁴ паскаль; шириной 1 мм составляет 1510⁷ паскаль. Замерзая вода еще более расширяет трещины, т.к. энергия кристаллизации очень велика. В жарких сухих областях действие аналогичное льду производят соли.

Химическое изменение. Агентами химического выветривания является Н₂О, О₂, Н₂СО₃, органические соединения кислотного типа. Чем больше физическое выветривание, тем больше химическое или биохимическое выветривание.

Гидратация – присоединение воды (чаще к минеральным окислам).

Fe₂O₃ (гематит ) + H₂O = 2 FeO (OH) (гетит)

FeO(CO) гетит + H₂O = Fe₂ O(OH)₂ (гидрогетит)

Fe₂O(OH)₂ гидрогетит + H₂O = 2 Fe(OH)₃ H₂O лимонит

Окисление Fe и S и последующая гидратация соединений сопровождается образованием гидратов окиси Fe и сернокислых солей.

2Fe S₂ + 7 О₂ + 2 Н₂О = 2 FeО₄ + 2 Н₂ SО₄ окисляется S

Fe SО₄ + О₂+ Н₂О = Fe(ОН₃) + Н₂ SО₄ окисляется Fe²⁺→ Fe³⁺

Разложение (гидролиз) это реакция замещения оснований ионом Н⁺ с гидратацией промежуточных и конечных продуктов распада. Источником Н является Н₂ СO₃ и органические кислоты, растворенные в воде.

CaAl₂Si₂O₈(анортит) + Н₂SО₄ + 4H₂O = H₂AL₂Si₂O₈H₂O(каолинит)+ CaSО₄(гипс) + 2 H₂O

При возд. Н₂ SО₄ на другие силикаты образуются другие сернокислые соли: мирабилит Na₂SO₄10 H₂O, глауберит Na₂SO₄Са SO₄, тенардит Na₂SO₄ и т.д.

Глинка (1906) показал, что в результате стадийного преобразования калевые полевые шпаты и слюды сначала преобразуются в слюдоподобные кислые соли и на конечном этапе при условии свободного удаления подвижных продуктов и подкисления среды образуется каолинит.

Органические кислоты и Н₂СO₃ в почвах образуются благодаря жизнедеятельности организмов - лишайников, бактерий, водорослей. Они образуются и при разложении органических веществ. Поэтому химическое выветривание правильнее называть биохимическим.

Вторичные минералы

Вторичные минералы представлены алюмосиликатами (глинистыми минералами), окислами (аморфными и окристаллизованными) и солями.

Алюмосиликаты отличаются:

• небольшим размером (диаметр кристаллов измеряется мкм и долями мкм);

• наличием коллоидных свойств: имеют заряд (преимущественно отрицательный), сорбционные свойства по отношению к катионам, могут переходить в состояние золя и геля;

• некоторые сильно набухают;

• относятся к группе алюмосиликатов (двух-, трех-, четырехслойных) SiO₂/Al₂O₃ = 2-5;

• гидратированы.

Алюмосиликаты подразделяются на группы монтмориллонита, гидрослюды, каолинита, хлорита, смешаннослойных минералов.

Монтмориллонитовая группа минералов

Наиболее типичными представителями этой группы являются монтмориллонит mMg₃(OH)₂[Si₄O₁₀]n(Al,Fe)₂[Si₄O₁₀]pH₂O, бейделлит (А1₂0₃SiO₂ nH₂O) и нонтронит - железистая разновидность монтмориллонита. Кроме указанных в формулах элементов, в монтмориллоните содержится около 4% МgО, а также различные поглощенные (обменные и необменные) катионы. Монтмориллонит, бейделлит и нонтронит – трехслойные минералы. Основой кристаллохимической структуры минералов монтмориллонитовой группы являются кремнекислородный тетраэдр и алюмогидроксильный октаэдр (рис. 4), образующие трехслойные пакеты, соединенные между собой катионами К, Mg, Ca, H₃O.

- кремнекислородный тетраэдр

- алюмогидроксильный октаэдр

K, Mg, Ca, H₂O

Рис. 4. Кристаллохимическая структура трехслойных алюмосиликатов.

Часть Si в тетраэдрах замещена Al, часть Al в октаэдрах замещена Fe и Mg. Отношение SiO₂/Al₂O₃ сильно варьирует.

Минералы монтмориллонитовой группы образуются из слюд, основных изверженных пород, а также синтезируются из продуктов разрушения разных минералов в щелочной среде, богатой Ca и Mg. Кристаллическая решетка монтмориллонита подвижна, в межпакетные пространства может входить вода.

Гидрослюды включают такие минералы, как гидромусковит (иллит) КА1₂[Si,Аl)₄O₁₀](OH)₂nH₂O, гидробиотит K(Mg,Fe)₃[Al,Si)₄O₁₀](OH)₂nH₂O, гидрофлогопит, глауконит. Они, также как монтмориллонит, относятся к трехслойным минералам с многочисленными аморфными замещениями. Решетка гидрослюд стабильная, не набухающая. Она не расширяется от воды. Гидрофильность, связность, липкость, набухание гидрослюд значительно меньше, чем монтмориллонита. Минералы этой группы встречаются почти во всех почвах и составляют, как правило, значительную часть илистой фракции. Источником образования гидрослюд являются главным образом слюды (мусковит, биотит), в которых часть калия и магния замещается на гидратированный ион водорода. Кроме того, гидрослюды могут образоваться синтетическим путем из продуктов распада полевых шпатов, слюд и др. Входящие в состав гидрослюд калий и магний довольно хорошо усваиваются растениями, поэтому почвы, богатые гидрослюдами, как правило, обеспечивают калийное и маг­ниевое питание растений.

Из трехслойных минералов в почвах довольно часто, но в небольших количествах встречают­ся вермикулиты. Отличие их от гидрослюд состоит в том, что вермикулит имеет решетку, расширяющуюся от воды и полярных ор­ганических жидкостей. По способности к набуханию, высокой гидра­тации, емкости поглощения катионов (около 100 мг-экв/100 г) верми­кулиты сходны с монтмориллонитом, от которого они отличаются более высоким содержанием магния и железа. Вермикулиты образуют­ся главным образом из биотита и гидрофлогопита. Вермикулиты бо­гаты магнием, микроудобрениями, иногда калием.

Каолинитовая группа минералов

Главнейшими представителями этой группы являются каолинит А1₂[Si₂0₅](ОН)₄ и галлуазит А1₂[Si₂0₅](ОН)₄∙4H₂O. Оба минерала имеют двухслойную кристаллическую решетку (рис.5).

Рис. 5. Кристаллохимическая структура двухслойных алюмосисликатов.

Отличие каолинита от галлуазита состоит в том, что он содержит меньше воды и имеет ста­бильную ненабухающую кристаллическую решетку. Галлуазит более гидратирован и имеет расширяющуюся решетку. Каолинит и галлуазит довольно часто встречаются в почвах одновременно, но, как пра­вило, в небольших количествах, за исключением ферраллитных почв, где он является основным глинистым минералом. Отношение SiO_/Al₂O₃=2. Емкость поглощения низкая (20мг-экв./100г.п.). Образуется при выветривании полевых шпатов, слюд с в условиях выноса К, Na, Ca, Mg и части SiO₂. Условиями, благоприятствующими образованию каолинита, является: обилие просачивающихся через почву осадков, большой возраст почв, кислая реакция.

Вследствие различий в структуре и повышенной дисперсности галлуазит обладает более высокой емкостью поглощения катионов (25-30 мг-экв/100 г) и фосфат-ионов, большей связностью и гидрофильностью, чем каолинит. Минералы группы каолинита содержат мало кальция, калия и магния, поэтому почвы, богатые каолинитовыми минералами, обычно нуждаются в минеральных удобрениях, в том числе калийных, магниевых и кальциевых.

Среди глинистых минералов в почве часто встречаются хлориты. Это группа слюдоподобных минералов подкласса слоистых силикатов характерно отсутствие натрия, калия, кальция. Кристаллическая решетка их четырехслойная ненабухающая.

При гидролизе алюмосиликатов освобождается SiO₂ тетраэдров. Часть выносится, а часть осаждается в виде гелей SiO₂nH₂O, при высыхании образуется опал, далее при кристаллизации образуется халцедон. Новообразования аморфного SiO2·n H2O обычны в коре выветривания и в почве и имеют белесую окраску.

Разрушаются и алюмогидроксидные октаэдры, при этом освобождаются аморфные гидроокислы алюминия: Al₂O3· nH₂O.

При совместном осаждении SiO₂·nH₂O и Al₂O3·nH₂O образуются аллофаноиды с варьирующим отношением SiO₂/Al₂O₃ и неопределенным содержанием Н₂O. Кристаллизация аллофаноидов приводит к образованию вторичных каолинита, монтмориллонита и других минералов.

Кристаллизация гидрооксидов алюминия Al₂O₃·nH₂O в чистом виде ведет к образованию гидраргиллита, гиббсита Al(OH)₃ и далее бемита AlO(OH). Это типичные минералы продуктов выветривания и почв влажных субтропиков и тропиков.

При выветривании Fe-содержащих силикатов – авгитов, роговых обманок, оливина освобождаются гидрооксиды Fe, которые, по мере кристаллизации и потери воды, образуют лимонит, гидрогетит, гетит и вторичный гематит. Имеют яркий цвет.

При выветривании Mn-содержащих минералов образуются пиролюзит MnO₂, псиломелан (m MnOnMnO₂·pH ₂O).

Освобождающиеся при выветривании первичных минералов Ca, Mg, K, Na соединяются с СO₃^- и образуют карбонаты.

СaAl₂Si₂O₈ + H₂CO₃ + 2H₂O → H₂Al₂Si₂O₈·2H₂O + CaCO₃

каолинит кальцит

При выветривании калиевых полевых шпатов и кислых натриевых плагиоклазов образуются сода Na₂CO ₃·10H ₂O, поташ K₂CO ₃·H ₂O.

При выветривании Ca, Mg - содержащих минералов образуется доломит (Ca, Mg) CO₃.

К аморфным минералам и веществам относятся окислы железа, алюминия и марганца, аморфный кремнезем, аллофаны, вулканические стекла. Источником аморфных окислов являются различные минералы и растворы. Аморфных веществ обычно в почве очень мало, однако их значение в формировании почвенного профиля очень велико. Гидроокиси железа часто окрашивают профиль почв в бурые и ох­ристые тона. Аллофаны принимают участие в поглощении катионов и фосфатов, оказывают влияние на липкость и связность почв, увеличивают их гидрофильность.

Минералы-соли.

В засоленных почвах всегда присутствуют карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты кальция, магния, натрия, калия. В незаселенных почвах также могут присутствовать названные соли в небольших количествах или в значительном количестве, но в глубоких горизонтах профиля. Соли образуют различные минералы: кальцит СаСОз, гипс СаS0₄∙2Н₂0, доломит СаМg(СОз)₂, мирабилит Nа₂S0₄∙10 Н₂0 галит или хлористый натрий NаС1, натриевую селитру NаNО₃. Как показывает химический состав солей, они служат источником питания растений кальцием, магнием, азотом, серой.

В сухой почве подобные минералы образуют кристаллы, которые при увлажнении частично или полностью растворяются, в зависимости от природы соединения. Если в растворе образуется высокая концентрация солей (1-2%), то они оказывают неблагоприятное воздействие на растения. Наиболее вредны соли, которые при растворении создают сильнощелочную реакцию, например, углекислый натрий или сода, и содержащие ионы хлора, например, хлористый натрий. Некоторые соли оказывают положительное влияние на почву и их используют в качестве мелиорирующих средств. Например, углекислым кальцием известкуют кислые почвы, гипсом улучшают свойства солонцов. Незначительные количества медных, кобальтовых, цинковых, марганцевых солей применяют для удобрения почвы микроэлементами.

По степени устойчивости вторичные минералы образуют следующий ряд:

1. Гипс ( CaSO₄·10 H₂O), галит (NaCl), мирабилит (Na ₂SO₄) и др. соли.

2. Кальцит (CaCO₃),арагонит Ca[CO₃], доломит [Ca, Mg] (CO₃)₂

3. Хлорит, нонтронит

4. Иллит, гидромусковит, серицит

5. Вермикуллит

6. Монтмориллонит, бейделлит

7. Вторичный диоктаэдрический хлорит.

8. Аллофаны, каолинит, галлуазит

9. Бемит, гиббсит

10. Гематит, гетит, лимонит, лепидокрокит

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: в ходе пояснения и ведения лекции преподаватель использует программу, где показывает интересные фотографии, схемы, таблицы и диаграммы по содержанию гумуса в различных почвах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое первичные минералы?

2. Что относят к первичным минералам?

3. Что относят к вторичным минералам?

4. Как подразделяются вторичные минералы по степени устойчивости?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 6: Химический состав почв

Цель лекции: Изучить химический состав почв

Ключевые слова: перегной, гумус, органическое вещество, минеральная часть, детрит, свойства, состав, структура и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Химический состав почв и почвообразующих пород

2. Формы соединений химических элементов в почвах и их доступность растениям

3. Микроэлементы почв

Химический состав почв и почвообразующих пород

Почва на 80-90% состоит из минеральных, на 10-20% – из органических веществ. Минеральная часть почвы в основном состоит из O и Si. Затем в убывающем порядке идут: Al, Fe, Ca, K, Na, Mg. Эти 8 элементов в сумме составляют 99% мине­ральной части почв и почвообразующих пород. Повышенное содержание имеют: Ti, P, Mn, S, Cl, H, C, которые также относятся к макроэлементам. Очень незначитель­ная часть почвы приходится на микроэлементы: Cu, Zn, Mo, B, Pb и др.

В органической части почвы содержатся: C, N и частично H, S, P.

Химический состав является одним из основных факторов почвенного плодородия. Каждый элемент играет определенную физиологическую роль в жизни растений. Недостаток N, P, K, Ca, Mg резко снижает урожайность всех растений, недостаток Fe – хлороз, йода, марганца - заболевание животных и человека; онкологические заболевания людей появляются при избытке тяжелых металлов.

Диагностику степени обеспеченности растений элементами питания проводят не по валовому количеству, а по количеству доступных (растворимых в воде и в слабых растворах кислот и щелочей), подвижных и обменных формах.

Почва - чрезвычайно сложный природный объект, характеризующийся большим разнообразием химических элементов и их соединений. Она формируется под непосредственным влиянием литосферы, атмосферы, гидросферы и живых организмов и в той или иной степени наследует их химический состав, в то же время приобретал и индивидуальные особенности.

По содержанию химических элементов почва и литосфера имеют много общего. Как в почве, так и в литосфере преобладают кислород и кремний, которые в сумме составляют 75...82%. За ними следуют алюминий и железо (11…14%). Еще меньшую долю составляют кальций, магний, натрий и калий. На все остальные элементы, за исключением углерода, приходится около 1%.

В то же время и почве по сравнению с литосферой содержится в 20 раз больше углерода и в 10 раз азота, что связано с деятельностью живых организмов и аккумуляцией в почвенном профиле органического вещества. Кроме того, в почве больше кислорода, водорода (как элементов воды) и кремния, но меньше железа, алюминия, кальция, натрия, магния, калия и других элементов которые мигрируют в процесса выветривания и почвообразования.

В результате проведения полного химического анализа почвы установлено, что в ней присутствуют практически все элементы таблицы Менделеева. Однако не все элементы имеют существенное значение при сравнительной характеристике химического состава различных почв.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы объединяют в несколько групп. Первая группа включает элементы, содержание которых составляет от десятых долей до десятков процентов. В эту группу входят кремний, кислород, алюминий, железо, углерод, кальций, магний, натрий и калий. Это типичные макро- элементы. В следующую группу входят титан, водород, азот, фосфор и сера. Их количество колеблется от десятых долей до сотых долей процента, и они составляют группу, переходную к микроэлементам. К микро- и ультрамикроэлементам относят никель, марганец, мель и др. Они содержатся в почвах в количествах n×10^-3-n×10^-10%.

Валовой состав минеральной части почвы выражают в виде процентного содержания оксидов макроэлементов и переходных элементов на прокаленную бескарбонатную навеску. Эти данные отражают характер преобразования почвообразующей породы и дифференциацию почвенного профиля во химическому составу в процессе почвообразования.

Разнос содержание кремния, железа, алюминия, серы и других элементов связано с различиями в составе исходных почвообразующих пород, на которых образовались почвы, а также с трансформацией и миграцией веществ в процессе почвообразования. Во влажном и теплом тропическом климате активно протекает процесс десиликации, сопровождающийся высвобождением кремнезема из почвенных силикатов с последующим выносом его вместе с основаниями. Железо ц алюминий. находясь вблизи своей изоэлектрической точки, нерастворимы и накапливаются в почвенном профиле (ферраллитная почва). В аридных условиях подвижность большинства элементов невысокая и продукты почвообразования почти не выносятся из почвенного профиля (серо-бурая почва). Между этими крайними вариантами существуют почвы с иным содержанием химических элементов. По- этому химический состав почв отличается большим разнообразием. Это связано с климатическими условиями, определяющими интенсивность выветривания и развитие почв, составом пород, на которых формируются почвы, характером растительности, обогащающей почву органическим веществом, и рельефом, способствующим перераспределению продуктов выветривания и почвообразования.

Формы соединений химических элементов в почвах и их доступность растениям

Химический состав почвы - важный фактор почвенного плодородия, поскольку многие элементы питания растений не входят в состав минеральных удобрений. Хотя в растениях обнаружено более 70 химических элементов, роль большинства из них пока окончательно не установлена. В настоящее время к числу необходимых элементов питания растений относят 20 химических элементов (азот, фосфор, калий, углерод, сера, кальций, магний, натрий, железо, кислород, водород, хлор, медь, цинк, бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий). Еще 12 элементов считают условно необходимыми (кремний, алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан, стронций, кадмий, хром, селен). Каждый элемент выполняет определенные физиологические функции в растении. При недостатке или избытке какого-либо элемента растения хуже растут и развиваются. Однако при этом важное значение имеет не только валовое содержание элемента, но и форма его нахождения в почве.

Один и тот же элемент образует разные по растворимости и подвижности соединения, от которых зависят доступность их растениям, способность к миграции, реакция среды, участие в реакциях обмена, осаждения, комплексообразования, в окислительно-восстановительных процессах и т. п.

В почве химические элементы находятся в следующих формах:

в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в составе аморфных гидроксидов, в органическом веществе и органо-минеральных производных, в обменном и необменном состоянии, в почвенном растворе и в почвенном воздухе. Разнообразие форм обусловлено процессами выветривания и почвообразования, сопровождающимися трансформацией первичных минералов и формированием системы гумусовых веществ. В результате этих процессов образуется большая группа соединений (органических, минеральных и органо-минеральных) вторичного происхождения.

Для растений и микроорганизмов наиболее доступны те элементы, которые находятся в почвенном растворе, в обменном состоянии и в составе легкоразлагаемого органического вещества. Водорастворимые вещества наиболее миграционноспособные. В меньшей степени в миграционные процессы вовлекаются коллоидные и илистые частицы.

Кислород. Образует много разнообразных соединений. Он входит в состав органического вещества, первичных и вторичных минералов, содержится в почвенном воздухе, органических и минеральных соединениях почвенного раствора. При дефиците свободного кислорода в почве создаются анаэробные условия.

Водород. Присутствует в почвах главным образом в составе воды, угольной кислоты и в органическом веществе, а также в кислых солях и гидроксильных ионах. Часть водорода находится в почвенном растворе и в обменном состоянии, обусловливая актуальную а потенциальную кислотность почвы.

Кремний. Валовое содержание оксида кремния (SiО₂) в почвах варьирует в широких пределах от 30.40 % в ферраллитных почвах тропиков до 90...98% в песчаных почвах Однако в среднем оно составляет 60…70%. Кварц - наиболее распространенное соединение кремния в почвах- кремний входит и в состав различных силикатов и алюмосиликатов. В результате процессов выветривания и почвообразования они разрушаются и кремний переходит в почвенный раствор в форме анионов орто- и метакремниевой кислот а затем осаждается в виде гелей — аморфных осадков. Постепенно теряя воду, аморфный гель кремнезема превращается в опал и халцедон или же кристаллический кварц вторичного происхождения.

Обычно в почвах обнаруживается незначительное количество водорастворимого кремнезема (до 10…50 мг/л). С увеличением рН среды растворимость кремнезема возрастает. Так, в щелочных содовых растворах ири ры, равном 10.11, его содержание достигает 100…200 мг/л. Однако сульфаты, карбонаты и гидрокарбонат кальция и магния, присутствующие в почве, подавляют растворимость кремнезема и вызывают осаждение SiО₂, если он находится в форме силиката натрия. В условиях влажных тропиков часть высвободившегося кремнезема вымывается из почв (процесс десиликации). В аридных зонах при поступлении кремнезема из щелочных грунтовых вод он образует в почве кремнеземистые сцементированные горизонты прослои и коры.

Алюминий. Валовое содержание в почвах АI₂О₃ обычно колеблется от 1...2 до 15...20%, достигая в латеритах 50% массы почвы. Наряду с кремнием и кислородом алюминий - важнейший компонент алюмосиликатов Поведение алюминия, освобождающегося при разрушении первичных и вторичных минералов, зависит от реакции среды.

В кислой среде — это катион А1³⁺, в щелочной — анион А1(ОН)₄. При поступлении в почвенный раствор А1³⁺ образуются комплексные ионы, гидролизованные в различной степени. Они имеют кислотные свойства, так как при взаимодействии с водой освобождаются ионы Н⁺.

Гидроксид алюминия выпадает в осадок в виде аморфного геля, который в дальнейшем приобретает кристаллическую структуру с образованием гиббсита и бёмита. Частично А1(ОН)₃, может оставаться в почвенном растворе в виде золя. В кислой среде он взаимодействует с фульвокислотами и низкомолекулярными органическими веществами с образованием подвижных комплексных соединений, в форме которых мигрирует в почвенном профиле. Коллоидный гидроксид алюминия часто связывается с гелем кремнезема противоположного знака заряда, образуя смешанный гель - аллофан.

В обменной форме АI³⁺ в значительных количествах присутствует в кислых почвах, где он вместе с Н⁺ насыщает часть поглощающего комплекса. Обменный алюминий уравновешивает алюминий почвенного раствора. В кислых почвах обменный алюминий часто переходит в необменную форму, закрепляясь в межпакетных пространствах разбухающих минералов, особенно вермикулитов. Обменный и водорастворимый алюминий ухудшают минеральное питание растений, переводи фосфор в труднорастворимые соединения и препятствуя поглощению двухвалентных катионов. Кроме того, алюминий токсичен для многих культур. Под его влиянием ухудшается развитие корневой системы, нарушается углеводный и азотный обмен в растении.

Железо. Относится к элементам, выполняющим важнейшие функции в растениях. Без него в зеленых частях растений не образуется хлорофилл, гак как железо — необходимая составная часть системы ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Железо регулирует процессы окисления и восстановления сложных органических соединений в растениях. Его недостаток вызывает хлороз и распад ростовых веществ (ауксинов), синтезируемых растениями.

По соединениям железа, находящимся в почвах, можно судить о многих свойствах почв, а также о элементарных почвенных процессах и генезисе дочв. Цвет почвы зависит от степени гидратации соединений железа. Так, красный цвет в основном связан с присутствием сильноокристаллизованных оксидов железа, желтый — с преобладанием слабоокристаллизованных гидроксидов, соединения железа (II) придают почве сизую, серо-голубоватую или зеленовато-оливковую окраску. Повышенное содержание аморфных форм соединений железа показатель палео- или современного гидроморфизма. По распределению железа в почвенном профиле можно судить о процессах лессиважа, иллювиирования, панцере- и латеритообразовании. В гидратированном состоянии и в контакте с глиногумусовым комплексом соединения железа способствуют образованию пористых, водопрочных агрегатов. Железо важный компонент окислительно-восстановительной системы почвы, участвует в образовании разнообразных конкреций.

Общее содержание в почве Fе₂0₃ колеблется в широких пределам от 0,5... 1,0 % в песчаных почвах до 20…80% в ферр1ылктных почвах и латеритах тропиков.

Формы соединений железа в почве разнообразны. Оно находится в составе различных первичных и вторичных минералов, в виде аморфных гидроксидов простых солей, в обменном состоянии, участвует в образовании комплексов. Одна из важнейших особенностей железа способность менять валентность, поэтому его присутствие в почвах в виде Fе₂²⁺ или Fе₂^З+ сильно зависит от окислительно-восстановительного режима.

В результате разрушения минералов при выветрiiваi1ии и почвообразовании выевобождается гидроксид железа Fе(ОН)₃. Это малоподвижное и аморфное соединение образуется практически во всех почвах, если только в раствор поступает свободное железо.

Водорастворимое (нонное) железо изучено недостаточно. Ионы железа (III) присутствуют только в сильнокислой среде (при рН, равном З и ниже) и при высоких (близких к 800 мВ) значениях окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Такие сочетание в почвах встречаются редко. При более высоких значениях рН железо осаждается в форме гидроксида Fе(ОН)₃, а при подщелачивании среды образуются анионы Fе(ОН). Железо (II) в значительных количествах присутствует только в переувлажненных и затопленных почвах. Восстановление железа начинается при ОВП ниже 300...400 мВ, причем чем выше рН, тем больше должно быть снижение ОВП, при этом образуются такие соединения, как FеСО₃, Fе (НСО₃)₂, FеSО₄, Fе₃(РО₄)₂ ×8Н₂0, ЕеS, а в щелочной среде — ферроферригидроксид Ее₃(ОН)₈. Водорастворимое железо поглощается почвенными коллоидами и переходит в обменное состояние в виде Fе²⁺. В гидроморфных гумусированных и биологически активных почвах содержится до 18 мг-экв/100 г обменного Fе²⁺.

Железо активно с органическими веществами и фульвокислотами с образованием прочных комплексных железоорганических соединений, способных к миграции в почвенном профиле. Органические вещества не только вступают во взаимодействие с ионным железом, оксидами и гидроксидами железа, но и способны извлекать его из кристаллической решетки первичных минералов и глинистых вторичных минералов.

Кальций. Этот элемент имеет огромное значение не только в питании растений, но и в почвообразовании. Кальций содержится во всех растительных клетках. При его недостатке прежде всего замедляется развитие корневой системы растений, корни ослизняются и быстро загнивают, а при кальциевом голодании отмирает верхушечная почка и прекращается рост стебли. Кальций влияет на прочность надземных частей растений и качество продукции растениеводства.

Соединения кальция создают благоприятные условия для трансформации органических остатков, гумусообразования, участвуют в образовании глинистых минералов, влияют на природу глиногумусовых комплексов, играют важную роль в биологических процессах. Кальций - эффективный коагулятор почвенных коллоидов, он также способствует формированию агрономически ценной структуры почвы.

Содержание кальция в бескарбонатных почвах составляет 1...3%. Он входит в состав кристаллической решетки многих минералов. Может находиться как в обменно-поглощенном состоянии, так и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов и фосфатов). В процессе почвообразования в аридных регионах много кальция накапливается в форме вторичного кальцита (СаСО₃) и гипса (СаSО₄ 2Н₂0). Гидрогенным путем могут образовываться известковые или гипсовые коры.

Карбонат кальция присутствует в почвах в двух формах: активной и неактивной. Неактивные карбонаты представлены крупнозернистым или обломочным кальцитом и сосредоточены в крупных фракциях (размером более 1 мкм). Они малорастворимы в воде, насыщенной СО₂, проявляют невысокую химическую активность, не влияют на поглощающий комплекс и представляют собой резерв кальция, способного переходить в активную форму.

Активные карбонаты сосредоточены во фракциях размером менее 1 мкм. Взаимодействуя с почвенным раствором, насыщенным СО₂, они переходят в гидрокарбонаты и насыщают кальцием поглощающий комплекс.

СаСО₃ + СО₂ + Н₂0 = Са(НСО₃)₂,

ППК/_Н^Н + Са(НСО₃)₂=ППК/Са+2СО₂+2Н₂О.

Свободный углекислый кальций обусловливает слабощелочную реакцию почвенного раствора. В бескарбонатных почвах кальций, насыщая поглощающий комплекс, придает им нейтральную реакцию среды. В почвах с промывным типом водного режима при низком содержании обменного кальция реакция среды кислая. Обычно растения не испытывают недостатка в кальции. Однако на растениях, произрастающих на кислых и сильнокислых почвах, особенно легкого гранулометрического состава, будет сказываться недостаток кальция.

Магний. Входит в состав многих органических веществ, образующихся в растениях важнейшее из которых хлорофилл, придающий листьям зеленый цвет и поглощающий энергию солнечных лучей. Магний положительно влияет на потребление растениями, особенно цитрусовыми, питательных веществ, насыщая вместе с кальцием почвенный поглощающий комплекс, магний способствует созданию нейтральной реакции среды. Вместе с тем при повышенном содержании обменного магния почвы характеризуются латоприятнь1ми агрофизическими свойствами. В таких почвах образуются подвижные гуматы и фульваты магния, что снижает почвенное плодородие.

Валовое содержание магния в почвах близко к содержанию кальция. Как и кальций, он находится в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в обменном состоянии и в форме различных солей — карбонатов, сульфатов и хлоридов. В аридных регионах при засолении почв соли магния накапливаются в избыточных количествах и оказывают угнетающее действие на растения. В почвах с реакцией среды, близкой к нейтральной, магний занимает второе место после кальция среди обменных катионов. Дефицит магния испытывают растения, произрастающие на почвах легкого гранулометрического состава.

Калий. Этот элемент наравне е азотом, фосфором и серой интенсивно поглощают растения, особенно такие, как картофель, корнеплоды, травы, табак, овощные культуры. Валовое содержание калия в почвах относительно высокое (до 2.3 %). Основная часть его входит в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов и доступна для растений. Однако из некоторых минералов (биотита мусковита) растения сравнительно легко извлекают этот элемент.

Калий, представленный простыми солями почвенного раствора, легко доступен растениям но главная роль в питании растений принадлежит обменному калию, адсорбированному на поверхности почвенных коллоидов. Обменный калий, подобно иону способен переходить в необменную форму. Такое явление известно как ретроградация. Между обменной и необменной формами калия существует определенное равновесие. При потреблении обменного калия его запасы пополняются за счет необменного. Переход из одной формы в другую возможен при определенных условиях. Так, переход калия в необменное состояние происходит при повышении рН и избытке ионов Са²⁺ в растворе, иссушении почвы и сокращении межпакетньх расстояний минералов с разбухающей решеткой. Обратному процессу способствуют биологическое поглощение обменного калия и гидратация минералов.

Натрий. Валовое содержание натрия в почве составляет 1.3%. Он сосредоточен главным образом в кристаллической решетке первичных минералов. преимущественно натрий содержащих полевых iппатов, присутствует в обменном состоянии и в почвенном растворе в составе водорастворимых солей Nа₂СО₃, NаНСО₃, Nа₂SО₄, NаСI и NaNО₃. При достаточном увлажнении соли натрия легко выносятся из почвенного профиля благодаря высокой растворимости и подвижности, а в аридных регионах вместе с другими солями аккумулируются в почвах, вызывая их засоление. Это отрицательно сказывается па развитии растений, для которых особенно токсична соль Nа₂СО₃. Почвенное плодородие снижается и при высоком содержании обменного натрия. Когда его доля в составе обменных катионов превышает 10% емкости обмена, существенно ухудшаются агрономические свойства почв, что вынуждает проводить их мелиорацию.

Углерод. В почвах находится в составе органического вещества и в составе солей — карбонатов и гидрокарбонатов. Содержание органического углерода колеблется от долей процента в песчаных почвах, бедных органическим веществом, до 6...7% и более в черноземах и некоторых дерновых почвах, а в торфяных почвах и торфянистых горизонтах достигает десятков процентов. Содержание углерода минеральных соединений также изменяется в широких пределах: от долей процента в почвах с промывным водным режимом до десятков процентов в аридных регионах, где он аккумулируется в почвах в составе карбонатов. Значительное количество углерода находится в углекислом газе почвенного воздуха.

Азот. Это важнейший элемент питания растений. Он почти целиком сосредоточен в органическом веществе почвы и клетках живых организмов. Азот составляет, как правило, 1/10...1/20 часть от содержания органического углерода. Накопление азота в почве обусловлено биологической фиксацией его из атмосферы. В почвообразующих породах этого элемента очень мало.

Азот доступен растениям главным образом в виде аммония, нитратов и нитритов, хотя последняя форма в почвах практически не содержится. Аммонийный и нитратный азот - основные формы азотистых соединений, которые усваивают растения. Аммонийный азот находится в почве в свободном состоянии н почвенном растворе, из него аммоний поглощается отрицательно заряженными почвенными коллоидами и переходит в обменную форму. Часть обменно поглощённого аммония фиксируется в межпакетных пространствах разбухающих минералов и теряет способность к обмену, трансформируясь в необменную форму.

Ион NО₃ в большинстве почв находится преимущественно в почвенном растворе и легко поглощается растениями. В то же время он легко вымывается за пределы почвенного профиля атмосферными осадками. В почвах е высоким содержанием положительно заряженных коллоидов железа и алюминия, таких как ферраллитные почвы может присутствовать в обменно-поглощенном состоянии.

Фосфор. Валовое содержание фосфора в почвах невысокое -0,1…0,2%. Однако его активно поглощают растения, поскольку он входит в состав многих органических соединений, без которых невозможно функционирование живых организмов. В почвах фосфор представлен органическими и минеральными соединениями. Органическое вещество почвы - резерв подвижного фосфора, поскольку оно содержит до 60...80% всех запасов фосфора. Органические соединения фосфора представлены фосфолипидами, фосфопротеинами, сахарофосфатами. Значительная часть фосфора входит а состав гумусовых веществ. Так, в гуминовых кислотах содержится до 50.80 % всего органического фосфора почвы. Растительные остатки также богаты этим элементом. Фосфор органических соединений переходит в доступную форму после минерализации их микрофлорой.

Среди минеральных соединений фосфора важнейшую роль играют соли ортофосфорной кислоты Н₃РО₄.

Фосфат-нон в обменном состоянии удерживается на поверхности глинистых минералов обменными двух- и трехвалентными катионами или катионами кристаллических решеток. Таким путем из почвы поглощается до 1% фосфора. У аморфных гидроксидов способность к поглощению фосфора выше, чем у глинистых минералов: для Fе(ОН)з она составляет 4%, для А1(ОН)₃ - около 25%. Важную роль в удержании фоcфора играют гидраты железа, входящие в органо-минеральные комплексы. Свободный алюминий удерживает фосфор в менее растворимой форме, чем обменный или АР кристаллических решеток. Окристаллизованные гидроксиды (гиббсит и гётит) фосфор практически не поглощают. В почвах, содержащих карбонаты в активной форме, фосфор сохраняется в обменной форме при не слишком высоких значениях рН и достаточном содержании гумуса.

Ф. Дюшофур считает, что между фосфором почвенного раствора и фосфором, поглощенным коллоидами, существует постоянный обмен, приводящий к равновесному состоянию между обменным и растворимым фосфором. Вследствие этого всякие изменения в концентрации фосфора немедленно компенсируются путем обмена Однако часть почвенного фосфора (нерастворимые фосфаты) не участвует в этом кинетическом обмене.

Фосфор теряет растворимость и способность к обмену в результате осаждения и включения в кристаллические образования. Осаждение происходит при наличии растворимого и обменного фосфора в очень кислой (и восстановленной) среде, содержащей растворимые ионы А1₃ или Fе₂ . В результате осаждения образуются нерастворимые фосфаты железа или алюминия с соотношением фосфор-металл порядка 1 : 2, тогда как для фосфора адсорбированного поверхностью коллоидальных гидроксидов оно равно 1:100 или 1:500.

В почвах происходит медленная и постепенная потеря фосфором растворимости что возможно в результате следующих процессов:

• проникновения фосфат-нонов в межплоскостные пространства глинистых минералов во время приобретения гелями слоистой структуры или раздвиганния слоев у некоторых разбухающих минералов;

• образования железистых конкреций и поглощения ими фосфат-ионов а также включения фосфат-ионов в минералы типа гётита или гиббсита в процессе кристаллизации соответствующих гидроксидов;

• фиксации фосфатов в карбонатной среде, когда рН поднимается выше 8 и фосфаты переходят в менее растворимое и более состояние.

Доступность фосфора растениям у почв разных типов неодинакова. Сравнительно легко переходит в раствор фосфор, удерживаемый глинистыми минералами глиногумусового комплекса. В кислых почвах доступность фосфора растениям резко падает Вследствие связывания его свободным алюминием и включения в железистые конкреции. При высоком содержании карбонатов доступность фосфора растениям также низкая.

Известкование кислых почв, свежее органическое вещество, служащее источником подвижных гумусовых веществ, способствуют растворению фиксированного фосфора и повышают его доступность растениям. Выращивание бобовых трав способствует мобилизации почвенных фосфатов, поскольку они энергично экстрагируют фосфор, даже малорастворимый. Разлагающиеся остатки бобовых трав в дальнейшем будут служить источником растворимого фосфора для других культур.

Сера. Это важный элемент питания растений, она необходима для синтеза аминокислот и ферментов. Ее содержание в верхних горизонтах незасоленных почв колеблется в широких пределах — от 0,01 до 0,2.0,4%, в засоленных достигает нескольких десятков процентов. Повышенное содержание серы в почвах наблюдается при загрязнении их промышленными отходами, в местах выпадения с осадками газообразных выбросов соединений серы. Сера входит в состав разнообразных органических л минеральных соединений. В верхних гумусовых горизонтах почв на долю органических соединений приходится 70...80% всех запасов серы. доля минеральных соединений увеличивается по мере снижения содержания гумуса и накопления легкорастворимых солей и гипса. Сульфаты шелочных и щелочно-земельных элементов — наиболее распространенная форма минеральных соединений серы в почвах. В анаэробных условиях при недостатке кислорода сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сульфидов.

Марганец. Среднее содержание марганца в почвах колеблется от 0,01...0,02 до 0,15...0,20%. С биологической точки зрения марганец микроэлемент, имеющий большое значение в физиологии растений. Часто растения страдают от его недостатка, но в повышенных количествах он токсичен. В почвах марганец встречается в различных формах: труднорастворимые оксиды, легко- и труднорастворимые марганцовые соли, в обменном состоянии, в составе силикатов, а также в виде комплексных соединений с органическими веществами.

К легкорастворимым солям относятся Мп₅О₄, Мп(НО₃)₂, МпСI₂, присутствующие в незначительных количествах в почвенном растворе. из которых марганец переходит в обменную форму. Соединения двухвалентного марганца, включая легкорастворимые соли и обменный Мп², присутствуют преимущественно в кислых почвах. В переувлажненных почвах при интенсивном развитии восстановительных процессов могут накапливать труднорастворимые судьфиды марганца МпS₂ и МпS. При увеличении рН почвенного раствора до 8,5 и выше марганец осаждается в виде Мп(OH)₂, который впоследствии окисляется до Мп(ОН)₄ или Мп₃0₄. В карбонатньгх почвах аридных регионов образуется труднорастворимая соль МпСО₂. Марганец часто входит в состав конкреций, различных по химическому составу. Конкреции глеевых почв содержат до 8...10%, а некоторых тропических почв - до 20 % марганца.

Микроэлементы почв

Многие элементы находятся в почвах и биологических объектах в тысячных-стотысячных долях процента и составляют особую группу микроэлементов. Кроме марганца к ним относятся бор, молибден. медь. цинк, кобальт, йод, ванадий др. Микроэлементы выполняют в растениях важнейшие функции. Они принимают участие в углеводном и азотном обменах, окислительно-восстановительных процессах, входят в активные центры различных ферментов и витаминов. Под влиянием микроэлементов в листьях увеличивается содержание хлорофилла, улучшается фотосинтез, повышается устойчивость растений к болезням и неблагоприятным условиям внешней среды.

При достаточном количестве основных питательных веществ (N, Р, К, Са, S и др.) дефицит микроэлементов в почве приводит к существенному снижению урожайности сельскохозяйственных культур и ухудшению качества продукции. Существует тесная взаимосвязь между содержанием микроэлементов в почве, с одной стороны, урожайностью растений, продуктивностью животных и здоровьем человека с другой. При изучении этих взаимосвязей А. П. Виноградов разработал учение о биогеохимических провинциях.

Биогеохимическая провинция - территория значительных размеров, отличающаяся от соседних территорий концентрацией в среде (почвах, водах, воздухе) одного иди нескольких микроэлементов. Например, в Читинской и Амурской областях выделяются провинции, обогащенные стронцием, в Центральной Якутии стронцием и бором, в Тыве - селеном и молибденом, в Дагестане отмечается дефицит меди и избыток молибдена, торфяные почвы таежно-лесной зоны обеднены медью и кобальтом.

В пределах биогеохимических провинций вследствие избытка или недостатка микроэлементов наблюдаются массовые нарушения обмена веществ у растений, животных и человека, сопровождающиеся специфическими заболеваниями. Эти заболевания известны как биогеохимические эпидемии. Так, при недостатке йода у животных и человека развивается эндемия зоба. С недостатком меди связаны суховершинность плодовых деревьев, полегание я невызревание злаков, атаксия овец и крупного рогатого скота. Избыток меди приводит к заболеванию скота анемией, к перерождению печени. При избытке стронция нарушается формироваiiие костной ткани, а при избытке селена наблюдается деформация копыт у животных, хлороз листьев и некроз тканей у некоторых растений.

Главный источник микроэлементов в почвах - почвообразующие породы. Набор и содержание в них микроэлементов, определяющие характерные особенности микроэлементного состава почв, заметно варьируют.

Основные почвообразующие породы таежно-лесной, лесостепной и степной зон — моренные отложения, лёссы и лёссовидные суглинки, покровные суглинки. Они содержат примерно одинаковое количество Мп, Со, Сп, Мо, 1. Морские отложения обогащены Мп, Сц, В, 1, пески и супеси существенно обеднены многими микроэлементами.

Заметное обогащение почв отдельным и микроэлементами наблюдается вблизи рудных месторождений (молибденовых, медных, никелевых и др.) и в зонах деятельности вулканов, а также в результате технического загрязнения территории – на содержание микроэлементов в почвах и их распределение по генетическим горизонтам сильно влияет характер почвообразования. При гумусово-аккумулятивном процессе они, как правило накапливаются в верхней части профиля почв. Интенсивное развитие элювиальных процессов (оподзоливание, лессиваж и др.) сопровождается обеднением почв или отдельных горизонтов многими микроэлементами.

В почвах микроэлементы находятся в различных формах. Преимущественно они входят в состав кристаллических решеток первичных (авгит, биотит, полевые шпаты, роговая обманка и др.) и вторичных (монтмориллонит, вермикулит, хлорит) минералов. Также они могут находиться в почвенном растворе, в ионообменном состоянии, в составе органического вещества, труднорастворимых солей и осадков.

На поведение микроэлементов и формы их соединений большое влияние оказывают окислительно-восстановительные условия, реакция среды, концентрация в почвенном растворе СО₂ и содержание органического вещества. Так, поведение микроэлементов с переменной валентностью связано с окислительно-восстановительным режимом почв. Марганец при окислении переходит в нерастворимое состояние, а хром и ванадий, наоборот, приобретают подвижность. В кислой среде возрастает растворимость соединений Мп, Сu, Со, Zn, благодаря чему они могут находиться как в обменном состоянии, так и в миграционноспособных формах. В шелочной среде эти элементы переходят в гидроксиды, из-за чего снижается их подвижность и доступность растениям. Молибден, наоборот, малоподвижен в кислой среде и приобретает подвижность при повышении рН. Бор, фтор и йод подвижны в кислой и щелочной средах.

При повышении концентрации СО₂ в почвенном растворе увеличивается подвижность Мп, Ni, Ва в результате перехода карбонатов этих элементов в гидрокарбонаты. Гумусовые вещества и органические соединения неспецифической природы образуют со многими микроэлементами комплексные соединении различной подвижности, что влияет на перераспределение микроэлементов в почвенном профиле.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: в ходе пояснения и ведения лекции преподаватель использует программу, где показывает интересные фотографии, схемы, таблицы и диаграммы по содержанию гумуса в различных почвах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие химические элементы встречаются в почве?

2. Что необходимо для растений для благоприятного их развития?

3. Какие элементы составляют основной состав почв Западного Казахстана?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

3. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

4. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

5. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

6. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

7. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

8. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

9. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 7: Органическое вещество почв и его значение в плодородии почв

Цель лекции: Определить значение гумуса в почве

Ключевые слова: перегной, гумус, органическое вещество, минеральная часть, детрит, свойства, состав, структура и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Состав и свойства гумусовых веществ

2. Органо-минеральные соединения в почвах

3. Факторы и условия гумусообразования

4. Физико-химические свойства и окислительно-восстановительные условия.

5. Особенности условий гумусообразования и состояния органического вещества пахотных почв

6. Роль органического вещества в почвообразовании, плодородии почв и питании растений

В гумусовом горизонте содержание органического вещества колеблется от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных, до 13-15% в черноземных почвах.

По составу органическое вещество почв можно разделить на 3 группы:

1. Источники гумуса – свежие, неразложившиеся вещества растительного и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву; состоят из веществ т.н. неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.).

2. Детрит – промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы; содержат много неспецифических веществ.

3. Гумусовые вещества специфической природы – гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины, связанные с различной степени с минеральной частью почвы.

Первые две группы объединяются под общим названием легкоразлагаемые (лабильные) органические вещества, а гумусовые вещества являются трудноразлагаемыми (стабильными).

Состав и свойства гумусовых веществ

Гумусовые вещества – гетерогенная, полидисперсная система высокомолекулярных азотсодержащих ароматических органических соединений кислотной природы. В их составе выделяют три группы:

Гуминовые кислоты – это группа темноокрашенных (от бурой до черной) гумусо­вых кислот, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в минеральных кислотах и в воде. В эле­ментарном составе содержится: C – 50-62%, O – 31-40%, N – 2-5%, H – 3-5%. При замещении H металлами образуются соли гуминовых кислот – гуматы.

Фульвокислоты – группа светлоокрашенных (желтая, бурая) гумусовых ки­слот (креновая, апокреновая), сходных по составу и строению с гуминовыми, но имеющих ряд отличий: они хорошо растворимы не только в щелочах, но и в кислотах и в воде; в элементном составе меньше C (40-52%), но больше кислорода (40-48%), азота и H столько же, как в гуминовых, но больше гидролизуемого азота.

При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются соли – фульваты.

Гумины (негидролизуемый осадок) представляют собой совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, очень прочно связанных с минеральной частью почвы.

Органо-минеральные соединения в почвах

Преобладающая часть гумуса в почвах находится в виде органо-минеральных соединений. Они придают гумусовым веществам устойчивость к разложению и минерализации и обеспечивают существование в течение сотен и тысяч лет.

Процесс гумусообразования начинается с разложения поступающего в почву органического вещества с помощью микроорганизмов и микрофауны при участи химических реакций. В результате образуются промежуточные продукты разложения: аминокислоты, пуриновые соединения, моносахара и др.

Промежуточные продукты разложения частично подвергаются полной минерализации до простых солей, газов и воды, частично гумифицируются. Скорость разложения и гумификации зависит от биохимического состава источников гумуса (C:N) и гидротермических условий. В течение года разлагается от 30 до 70% исходной массы.

Гумификация – образование высокомолекулярных гумусовых веществ специфической природы и взаимодействие их с минеральной частью почвы. Прочностью связи с минеральной частью почвы объясняется чрезвычайная прочность гумуса к разложению.

Наибольшей гумусированностью отличаются типичные черноземы лесостепной зоны. Мощность гумусового горизонта достигает 1,5 м, содержание гумуса – 15%. К северу и югу от зоны распространения черноземов содержание и запасы гумуса снижаются.

Одновременно с этим отмечается относительное снижение гуминовых кислот и увеличение фульвокислот. Отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот наибольшее в черноземах (около 2), постепенно снижается к подзолистым, бурым пустынно-степным почвам.

По этому отношению выделяются следующие типы гумуса: гуматный - более 2, фульватно-гуматный – 1-2, гуматно-фульватный – 0,5-1, фульватный – <0,5.

(Содержание C в составе гумуса – 58%,

коэффициент пересчета на гумус – 1,724).

Факторы и условия гумусообразования

Основными факторами и условиями гумусообразования являются: количе­ство, состав и характер поступления источников гумуса. Ежегодный опад органической массы в почву колеблется от нескольких центнеров в тундре и пустыне до 10-15 т/га в лесостепной зоне и 20-25 т/га в тропиках. При прочих равных условиях, чем больше поступает органического вещества в почву, тем больше образуется гумуса.

Накоплению гумуса способствует также повышенное содержание оснований, азота и легкоразлагаемых органических веществ. Повышенное содержание лигнина и целлюлозы, наоборот, снижает интенсивность гумификации.

Поступление источников гумуса непосредственно в почву снижает интенсивность минерализации и увеличивает содержание гумуса в почве в отличие от поверхностного поступления.

Гидротермические условия. Гумификацию сдерживают как избыточное, так и недостаточное увлажнение. Оптимальным является контрастное увлажнение, когда влажные периоды (усиление гумификации) чередуются с сухими (закрепление продуктов гумификации твердой фазой почвы).

Благоприятными являются также умеренные температуры (пониженные – ограничивают интенсивность разложения и гумификации, повышенные – усиливают минерализацию).

Физико-химические свойства и окислительно-восстановительные условия. Оптимальной для гумификации является нейтральная или близкая к ней реакция среды. Такая реакция, в сочетании с окислительно-восстановительными усло­виями и гидротермическим режимом почвы, обеспечивает умеренную биологическую активность и образование устойчивых органо-минеральных соединений.

Биологическая активность для формирования гумуса должна быть умеренной (пониженная сдерживает процесс, высокая – усиливает минерализацию).

Гранулометрический состав. Чем тяжелее гранулометрический состав, тем благоприятнее условия для закрепления гумуса. Глинистые почвы накапливают в несколько раз больше гумуса, чем песчаные и супесчаные.

Минералогический состав. Накоплению гумуса способствуют вторичные тонкодисперсные минералы с высокой емкостью поглощения, общей и удельной поверхностью.

Химический состав. Наличие карбонатов Ca и Mg,, а также повышенное со­держание Ca и Mg в составе первичных и вторичных минералов, способствует накоплению гумуса. Эти элементы связывают гуминовые кислоты в труднорастворимые и недоступные микроорганизмам формы.

Особенности условий гумусообразования и состояния органического вещества пахотных почв

В связи с освоением почв под пашню изменяются условия гумусообразования, которые сводятся к следующим:

• Изменяются количество и состав источников гумуса: зерновые культуры оставляют после себя 2-3,5 т/га, пропашные – 0,5-1,5, многолетние травы – 4-8 т/га, а в среднем культуры полевого севооборота – 3-4 т/га органической массы. Не учтенными остаются корневые выделе­ния и корневые волоски, биомасса микроорганизмов. Это еще дополнительно 1-3 т/га. Отношение C:N в составе растительных остатков 12-15 у бобовых, 30-50 – у злаковых растений. Чем уже это соотношение, тем лучше для гумусообразования. Но в целом органической массы в почву в естественных сообществах попадает больше, чем на пахотных почвах. Но органическое удобрение (в основном навоз) является вторым по значению источник гумуса в пахотных почвах. В нем узкое соотношение углерода к азоту - 20-25 – с содержанием до 50% готового гумуса.

• Обработка почвы оказывает разностороннее воздействие. С одной стороны при этом равномерно распределяется масса органического вещества – это положительно сказывается на гумусообразовании. С другой стороны – высокая аэрированность способствует минерализации значительной части органического вещества. В целом наблюдается снижение содержания гумуса и ухудшение структуры почвы.

• Минеральные удобрения, повышая урожайность с/х культур, способствуют увеличению послеуборочных остатков гумуса в почве. Но высокие дозы их могут привести к угнетению почвенной биоты, ухудшению физических свойств почвы и условий гумусообразования. К снижению гумусообразования приводит также орошение, химические мелиорации, эрозия и дефляция почвы.

Роль органического вещества в почвообразовании, плодородии почв и питании растений

1. Органическое вещество является источником азота и зольных элементов. В нем содержится 98% валового азота, 40-60% P, 80-90% S, значительное количество других элементов питания. Часть из них находится в поглощенном состоянии и усваивается растениями в результате ионно-обменных реакций, другая часть усваивается после минерализации органического вещества. Но из собственно-гумусовых веществ минерализация может составить сотые-тысячные доли процента, а из свежего органического вещества – десятки процентов.

2. Органическое вещество оптимизирует физико-химические свойства почвы. Поглотительная способность органических коллоидов достигает 1000 и более мг-экв., а в минеральных (малогумусных) почвах – десятки мг-экв на 100г почвы. Высокогумусированные почвы отличаются высокой буферностью к окислению-восстановлению и действию токсикантов.

3. Улучшает структурное состояние почвы, физические, водно-физические и физико-механические свойства.

4. Гумус придает темную окраску, улучшает поглощение тепла.

5. Повышает биологическую активность почвы, снижает численность пато­генных микроорганизмов, биологическую деградацию пестицидов.

6. В гумусе содержатся биологически активные вещества, ускоряющие рост и развитие растений.

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: в ходе пояснения и ведения лекции преподаватель использует программу, где показывает интересные фотографии, схемы, таблицы и диаграммы по содержанию гумуса в различных почвах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое бонитировка почв?

2. Что такое буферность почвы?

3. Какое процентное содержание гумуса в почвах Мангистауской области?

4. Какие типы почв преобладают в нашем регионе?

5. Как климат может повлиять на формирование почвы?

6. Опишите физико-химический состав почвы.

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Почвоведение/ Под.ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988.

4. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ. 1995

5. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Дополнительная:

6. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

7. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

8. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

9. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

10. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

11. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 8: Водно-физические, физические свойства почв

Цель лекции: изучить виды поглотительной способности, свойства почвы, и процессы, протекающие в почве, как сложного субстрата-компонента окружающей среды.

Ключевые слова: поглотительная способность, буферность, коллоиды, частицы, рН, катионы, восстановление и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Виды поглотительной способности почв

2. Почвенно-поглощающий комплекс

3. Физическое состояние почвенных коллоидов

4. Обменное поглощение катионов

5. Кислотность почв, ее виды

6. Почвенный раствор и окислительно-восстановительные процессы в почвах

7. Физические свойства почв, их агроэкологическая оценка

8. Водный режим почвы

Под поглотительной способностью понимают способность твердой части почвы поглощать и удерживать на своей поверхности ионы и молекулы веществ, растворимых в почвенной влаге, а также молекулы жидкостей и газов. Поглотитель­ной способностью обладают сильно раздробленные (высокодисперсные) органиче­ские, минеральные и органо-минеральные вещества. Это тонкий ил (<0,0005 мм) и коллоиды (<0,00001)

Виды поглотительной способности почв

Гедройц К.К. выделил 5 видов поглотительной способности почв:

механическая – это свойство почвы поглощать твердые частицы, поступаю­щие с водой или воздухом, размеры которых превышают размеры почвенных пор;

физическая (молекулярная адсорбция) – это свойство почв изменять концен­трацию молекул различных веществ на поверхности твердых частиц за счет физического взаимодействия молекул. Физической адсорбции подвергаются пары и газы почвенного воздуха, особенно N и CO₂;

химическая (хемосорбция) – обусловлена образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок из почвенного раствора (пример: сорбция фос­фатов на поверхности гидроксидов железа и Al на почвах с кислой реакции);

биологическая – это поглощение элементов питания и кислорода корнями растений и микроорганизмами;

физико-химическая – обусловлена наличием в составе почв ППК, представ­ленного почвенными коллоидами. ППК обладает способностью поглощать и обменивать катионы и анионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц на эквивалентное количество ионов почвенного раствора. Физико-химическая поглотительная способность определяет кислотность, щелочность, буферность почв.

Почвенно-поглощающий комплекс

Характерной способностью коллоидных частиц почвы является наличие большой удельной поверхности – до 50 м²/г, которая определяет их высокую химическую активность.

По составу они подразделяются на минеральные (глинистые, гидроксиды Fe, Al, Si и др.), органические (гуминовые, фульвокислоты, белки и др.) и органо-минеральные (глинисто-гумусовые, Al-Fe гумусовые и др.).

Коллоидная мицелла состоит из ядра, слоя потенциалопределяющих, а также неподвижного и диффузного слоев компенсирующих ионов.

Ионы диффузного слоя способны обмениваться с ионами интермицеллярного слоя, обуславливая физико-химическую поглотительную способность. Основная масса мицеллы принадлежит грануле (ядро с потенциалопределяющим слоем ионов), заряд последней рассматривается как заряд всего коллоида.

Физическое состояние почвенных коллоидов

В почве коллоиды могут находиться в форме геля (в осажденном состоянии) и в форме золя (в виде суспензии). Гель может переходить в золь и, наоборот, под действием различных факторов, влияющих на величину заряда.

Увеличение степени дисперсности коллоидов (увеличение щелочности среды, замена 2-3-валентных катионов на одновалентные) и переход геля в золь называется пептизацией.

Уменьшение степени дисперсности и переход коллоидов из золя в гель (об­ратный процесс) называется коагуляцией.

Обменное поглощение катионов

Обменным поглощением (обменной сорбцией) катионов называется способность катионов диффузного слоя коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов почвенного раствора. В обменном состоянии в почвах находятся катионы Ca, Mg, Na, K, H, Al, NH₄ и др.

Энергия поглощения определяется валентностью иона, атомной массой и ра­диусом негидротированного иона.

Общее количество всех поглощенных (обменных) катионов называется емко­стью катионного обмена - ЕКО и выражается в мг-экв на 100 г почвы

ЕКО колеблется от нескольких (3-5) мг-экв в экстрагумидных и экстраарид­ных областях до 50-70 мг-экв./100г в черноземах семигумидных областей. Показатели ЭКО связаны с содержанием гумуса, гранулометрическим составом, минералогиче­ским и химическим составом, рН почвы.

Поглощение почвенных анионов

По способности к поглощению анионы располагаются в следующий ряд: Cl<NO₃<SO₄<PO₄<SiO₄<OH. Первые две практически не поглощаются почвой, их соли характеризуются отрицательной физической адсорбцией. Этим объясняется быстрое вымывание их из почвы. Сульфат-ионы образуют труднорастворимые соединения с Ca (хемосорбция). Процессы поглощения фосфат-ионов носят сложный характер и ослабевают от подзолистых почв к черноземам и усилением в пустынных, полупустынных почвах, особенно в красноземах и желтоземах.

Кислотность почв, ее виды

Кислотность почвы определяется наличием в ней органических и минераль­ных кислот и коллоидов, обладающих кислотными свойствами. Различают актуальную и потенциальную кислотность.

Актуальная (активная) кислотность определяется наличием ионов H и актив­ного водорода (протонов) в почвенном растворе. Измеряется величиной рН которая колеблется от 3 до 7.

Потенциальная (скрытая) кислотность обусловлена наличием ионов H и Al в поглощенном состоянии в составе ППК. Она подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная определяется количеством ионов H и Al, находящихся в обменном состоянии в составе ППК, которые извлекаются раствором нейтральной соли KCl.

Гидролитическая кислотность обусловлена количеством ионов H и Al в ППК, которые извлекаются раствором гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты (CH₃COONa). В результате образуется уксусная кислота.

Гидролитическая кислотность является суммой обменной и актуальной ки­слотностей и используется при расчетах доз извести для нейтрализации кислых почв.

Показатели ППК почв, ненасыщенных основаниями

В состав поглощенных катионов почв, ненасыщенных основаниями, входят преимущественно . Сумма катионов Ca + Mg называется суммой поглощенных оснований (S). Сумма поглощенных катионов H и Al характеризуется как показатель гидролитической кислотности (H₂₎. Общее количество поглощенных катионов ЕКО = S + H₂.

Доля участия Ca и Mg в составе катионов используется как показатель степени насыщенности основаниями или.

Поглощенные катионы не вымываются с осадками и доступны для питания растений. Чем выше ЕКО, тем лучше почва обеспечена питательными элементами, тем выше ее устойчивость к агрогенным и техногенным нагрузкам. Наиболее низкие показатели ЕКО (<10) имеют супесчаные и песчаные почвы.

Состав поглощенных оснований определяет физико-химические, агрохимические и водно-физические свойства почвы. Катионы Ca и Mg способствуют формированию водоустойчивых агрегатов, H и Al – их распылению. Кислая реакция почвы оказывает негативное влияние на урожайность. В кислой среде в почве недостаточно катионов Ca, Mg, Mo, в тоже время проявляется токсичное влияние H, Al, Mg. При этом нарушается питание P и N, угнетается процессы аммонификации и нитрификации. Только для чайного куста, картофеля и люпина приемлема кислая среда (рН 4,5-6), все остальные культуры предпочитают нейтральную или близкую к ней (рН 6-7).реакцию

Для оптимизации реакции среды кислых почв применяют химическую мелиорацию– известкование, а также вносят навоз, торф, запахивают сидераты.

Щелочность почв, ее виды, способы снижения

Щелочность, как и кислотность, отличают актуальную и потенциальную.

Актуальная щелочность обусловлена наличием в почвенном растворе гидро­литически щелочных солей Na₂SO₄, NaHCO₃ (сода), Ca(HCO₃)₂, при диссоциации которых образуется гидроксильный ион.

Потенциальная щелочность обусловлена наличием в ППК обменного Na, ко­торый может вытесняться водородом углекислоты, а образующаяся в почвенном растворе сода подщелачивает его.

По величине рН различают почвы:

слабощелочные - рН 7,0-7,5;щелочные - рН 7,5-8,5;сильнощелочные - рН 8,5 и выше.

Щелочность снижает плодородие почвы в большей степени, чем кислотность. Почвы с щелочной реакцией – солонцы и солонцеватые почвы – имеют неудовлетворительные водно-физические свойства из-за пептизации коллоидов. Они бесструктурны, после дождей образуется корка, урожаи резко снижаются. Для снижения щелочности применяют гипсование (внесение гипса), кислование (использование отходов сернокислого и азотнокислотного производства, сульфата Fe). Образующиеся после этих мелиорантов соли натрия удаляются при промывках

Буферность почвы

Это способность почвы противостоять изменению реакции почвенного рас­твора под воздействием кислотных и щелочных агентов.

Буферность увеличивается при утяжелении гранулометрического состава почв, увеличении содержания гумуса, емкости поглощения. Почвы, ненасыщенные основаниями (подзолы, красноземы) обладают повышенной буферностью к подщелачиванию. Почвы, насыщенные основаниями – наоборот, имеют повышенную буферность к подкислению.

Буферные почвы устойчивы к агрогенным и техногенным воздействиям.

Почвенный раствор и окислительно-восстановительные процессы в почвах

Почвенные растворы

Почвенный раствор представляет собой жидкую фазу почвы, который формируется путем взаимодействия атмосферных осадков, поверхностного стока и грунтовых вод с твердой, газообразной и жидкой фазами почвы.

Почвенный раствор содержит минеральные, органические и органо-минеральные вещества в ионной, молекулярной, коллоидной формах, а иногда в виде взвесей. Он также содержит растворенные газы: O, CO₂, NH₄. Количество почвенного раствора составляет от долей и единиц до десятков процентов в минеральных почвах до сотен процентов - в в торфяных.

Для выделения почвенных растворов используют различные методы, основ­ным из которых является метод водных вытяжек.

Доля коллоидов составляет от 1/10 до 1/4 общего количества веществ почвен­ного раствора. В нем преобладают:

катионы: Ca, Mg, Na, K, NH₄, H, в почвах с кислой реакцией – Al³, Fe^{2 и 3}.

анионы: CO₃, Cl, SO₄, NO₃, NO₂, H₂PO₄, HPO₄.

Минерализация почвенного раствора увеличивается с севера на юг от десят­ков мг в подзолах до нескольких граммов на 1 л в черноземах и каштановых почвах, а на засоленных почвах – до десятков и сотен граммов.

Реакция почвенных растворов меняется от кислой и слабокислой в подзолах, до нейтральной на черноземах и до слабощелочной и щелочной – в почвах аридной зоны. Это связано с закономерными изменениями водного режима в почвах. Наиболее высокая щелочная реакция раствора наблюдается при содовом засолении, относительно меньшая – при хлоридном, еще меньшая - при сульфатном.

С концентрацией и степенью диссоциации водорастворимых солей связано осмотическое давление почвенного раствора. Она наиболее высокая у засоленных почв. Если осмотическое давление почвы равно и выше концентрации клеточного сока растений, то прекращается поступление воды в растения.

Агробиологические функции почвенных растворов:

1. Он является центром взаимодействия твердой жидкой и газообразной фаз, его роль сравнима с ролью крови в живых организмах;

2. Является источником питания растений;

3. Формирует реакцию среды, осмотическое давление, окислительно-восста­новительные условия;

4. Играет главную роль в элювиально-иллювиальных процессах.

Окислительно-восстановительные процессы

Окисление рассматривается как присоединение кислорода к веществу, или потеря веществом водорода, или отдача электрона. Реакция восстановления противоположна окислению. Способность почвы вступать в окислительно-восстановительные реакции измеряется ОВ потенциалом. Это разность потенциалов, возникающая между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платины) и измеряется при помощи потенциометра. ОВП по отношению к H обозначается Eh и измеряется в милливольтах.

Основным окислителем в почве является молекулярный кислород почвенного воздуха и почвенного раствора, основными восстановителями – продукты анаэробного разложения органического вещества и жизнедеятельности микроорганизмов. Они в процессе жизнедеятельности поглощают кислород почвенного воздуха и переводят минеральные соединения Fe, Mg и других элементов в восстановленные формы.

Величина E_h в подзолистых, дерново-подзолистых почвах 450-600 мВ, в чер­ноземах, каштановых почвах 500-650, на болотных почвах <200. Снижение E_h ниже 350-400мВ свидетельствует о начале смены окислительного процесса на восстановительный. В кислой среде значения E_h более высокие по сравнению с щелочной.

Экологическое значение ОВП

В условиях преобладания восстановительных процессов в почвах протекает глеевой процесс, при котором увеличивается подвижность многих соединений, в т.ч. Fe, Mg, P, почва приобретает сизую окраску с ржавыми пятнами. Она теряет структуру, подвижные соединения Fe, Mg достигают токсичных величин.

При преобладании окислительных процессов порядка 700 мВ снижается подвижность и доступность растениям Fe, Mg и частично N.

Регулирование ОВП возможно путем оптимизации водного и воздушного режимов почвы.

К физическим свойствам относятся: структура, физико-механические, водные, воздушные и тепловые свойства. Важнейшая роль среди этих свойств принадлежит структуре почвы.

Структура почвы – это совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава. Способность почвы распадаться на отдельные агрегаты называется структурностью, а распределение структурных агрегатов в почве в соответствии с их размерами называется структурным составом почвы. Наиболее ценными в агрономическом отношении являются мезоагрегаты, размером 0,25-10 мм, обладающие высокой пористостью – 45% и выше.

Агрегаты крупнее 10 мм называются макроагрегаты, менее 0,25 мм - микроагрегатами.

Хорошо оструктуренной считается почва, которая содержит 55% водопроч­ных агрегатов размером 0,25-10 мм, агрегаты размером 0,25-0,01 мм также оказы­вают положительное влияние на свойства почвы, а менее 0,01 мм – затрудняют ее водо- и воздухопроницаемость.

Для характеристики структурного состояния почв введено понятие коэффициента структурности (к), который равен

,

где a – количество мезоагрегатов, b – сумма микро- и макроагрегатов.

Факторы структурообразования следующие:

Физические – под действием замораживания-оттаивания, увлажнения-высу­шивания, давления корневых систем.

Физико-химические – главная роль в образовании структуры принадлежит почвенным коллоидам. Наиболее прочная структура образуется под воздействием гумата кальция, алюмо- и железо-гумусовых и глинисто-гумусовых комплексов, способствующих коагуляция коллоидов.

Химические факторы также оказывают склеивающее действие в результате образования труднорастворимых соединений углекислого кальция, гидроокиси железа и других соединений, которые цементируют почвенные агрегаты.

Биологические – ведущая роль принадлежит корневой системе растений: вблизи нее сосредотачивается обильная микрофлора, продукты жизнедеятельности которой цементируют агрегаты; клеящей способностью обладают и сами корневые выделения. Активное участие в структурообразовании принимают дождевые черви, другая мик­рофауна почвы. Их экскременты также обладают клеящей способностью.

Факторы обеструктуривания почв, способы ее восстановления и сохранения

Разрушение структуры почвы происходит под влиянием агрогенных факто­ров: обработки почвы, недостаточного поступления органического вещества в почву, движения тяжелой техники (переуплотнение). Минеральные удобрения улучшают структуру за счет увеличения органических остатков в почве. При ис­пользовании в повышенных дозах физиологически кислых удобрений на почвах с кислой реакцией или физиолологически. щелочных удобрений на почвах с щелочной реакцией происходит пептизация коллоидов и разрушение структуры почвы.

Орошение, водная эрозия, дефляция почвы также способствуют разрушению структуры почвы.

Способы восстановления структуры

1. Снижение степени выпаханности почвы за счет травосеяния, внесения ор­ганических удобрений, минеральных удобрений, минимизации механических обработок;

2. Проведение обработок почвы в периоды ее физической спелости;

3. Использование легкой техники при почвообработках;

4. Химические мелиорации почв с кислой и щелочной реакцией (гипсование, известкование);

5. Применение противоэрозионных и противодефляционных приемов обработки почвы.

Физические свойства почв, их агроэкологическая оценка

Кфизическим свойствам относятся: плотность в естественном сложении, плотность твердой фазы, порис­тость, удельная поверхность.

Плотность почвы – это масса сухого вещества почвы в единице ее объема в ненарушенном состоянии, выражается в г/см³. Пахотный слой считается рыхлым при плотности 0,9-0,095 г/см³, нормальной плотности (оптимальной) – 0,95-1,15, уплотненным – 1,15-1,25, сильно уплотненным, требующим рыхления – >1,25 г/см³.

Плотность твердой фазы почвы – масса сухого вещества в единице объема твердой фазы почвы – измеряется в г/см³ и т/см³. В следующей таблице приводится плотность и плотность твердой фазы различных горизонтов почв.

Название горизонтов	Плотность, г/см3	Плотность твердой фазы, г/см3
Гумусовые суглинистые и глинистые	1,0-1,2	2,4-2,6
Минеральные суглинистые и глинистые	1,3-1,6	2,6-2,7
Минеральные иллювиальные суглинистые и глинистые	1,6-1,8	2,6-2,7
Песчаные и супесчаные	1,4-1,6	2,6-2,7

Плотность и плотность твердой фазы различных горизонтов почв, г/см³

Порозность (пористость, скважность) – Это суммарный объем пор между твер­дыми частицами, занятый воздухом и водой. Выражается в процентах от общего объема почвы и определяется по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой почвы (d).

Различают общую пористость, капиллярную (внутриагрегатную) и некапил­лярную (межагрегатную). При НВ капиллярные поры заняты водой полностью, она удерживается менисковыми силами и доступна растениям. Некапиллярные поры обычно заняты почвенным воздухом (порозность аэрации). Наибольший показатель общей порозности (55-70%) отмечается в гумусовых горизонтах, в торфах и лесной подстилке ее величина достигает 90%, в минеральных горизонтах – 35-50%, в глеевых – 25-30%.

В почвоведении принята следующая шкала оценки общей пористости почв:

>70% – избыточная;

55-65 – отличная, характерная для пахотного слоя;

50-55 – удовлетворительная;

<50 – неудовлетворительная;

На поры, занятые воздухом (пористость аэрации), должно приходится не менее 15-20% в минеральных, 30-40% – в торфяных почвах.

Удельная поверхность – это суммарная поверхность (внутренняя и внешняя) всех частиц почвы. Выражается в м²/г и варьирует от 1,5-2 м²/г в песчаных до 300-400 м²/г в суглинистых и глинистых почвах.

По УП судят о степени дисперсности и адсорбционной способности почвы.

Физико-механические свойства

К физико – механическим свойствам относятся:

Сжимаемость – уменьшение объема почв под действием внешнего давления. Характеризует возможность уплотнения при обработках тяжелой техникой. Выра­жается как коэффициент уплотнения (см²/кг);

Пластичность – способность почвы изменять свою форму под влиянием внешнего воздействия и сохранять при этом сплошность. Число пластичности – показатели между верхним и нижним пределами пластичности. Глинистые почвы имеют >17, суглинистые – 7-17, супеси – <7, пески не обладают пластичностью;

Липкость – свойство влажной почвы прилипать к другим телам. Она опреде­ляется силой, которая требуется для отрыва от почвы металлической пластинки площадью 1 см² и выражается в г/см². Различают: предельно вязкие (>15 г/см²), сильновязкие (5-15), средневязкие (2-5) и слабовязкие (<2 г/см²);

Усадка – уменьшение объема при высыхании в % к первоначальному объему;

Набухание – увеличение объема при увлажнении;

Связность – способность противостоять внешнему усилию, направленному к разъединению частиц путем раздавливания или сдвига, г/см^3;

Твердость – сопротивление, которое оказывает почва проникновению в нее какого-либо тела (конуса, цилиндра) под давлением, выражается в кг/см^2, , величина которой колеблется от 5 до 45 кг/см² ;.

Удельное сопротивление – усилие, затраченное на подрезание пласта, его оборот и трение о рабочую поверхность плуга, выражается в кг/см² поперечного сечения пласта, поднимаемого плугом. Колеблется от 0,2 до 1,2 кг/см².;

С физическими свойствами связана физическая спелость почвы, которая соответствует влажности 35-45% от массы почвы.

Формы воды в почвах, почвенно-гидрологические константы. Доступность почвенной воды растениям

Вода в почве находится в следующих формах:

Химически связанной – входит в состав твердой фазы и не обладает свойст­вами воды. Выделяется из почвы при нагревании выше 100ºС, недоступна расте­ниям.

Твердая вода представлена в виде льда, которой является потенциальным источником жидкой воды.

Парообразующая – содержится в порах в почвенном воздухе. Относительная влажность почвенного воздуха близка к 100%. Перемещается вместе с почвенным воздухом, может конденсироваться и сорбироваться твердой фазой.

Сорбированная (физически связанная) вода подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода сорбируется почвой при низкой относительной влажности (20-50%) и образует тонкую пленку в 1-2 слоя молекул. Такая влага называется гигроскопической. При влажности близкой к 100% сорбируется 3-4 слоя молекул – это максимально гигроскопическая влага (МГ). Наибольшее количество прочносвязан­ной воды, удерживаемой сорбционными силами, называется максимальной адсорб­ционной влагоемкостью (МАВ) и составляет 60-70% от МГ.

Содержание рыхлосвязанной воды колеблется от 0,5-1% в песчаных и супес­чаных почвах, до 15-20% - в глинистых.

Рыхлосвязанная сорбированная (пленочная) вода имеет слой толщиной не­сколько десятков и сотен молекул. Удерживается молекулярными силами, менее прочно связана с твердой фазой. Верхний предел характеризует максимальную мо­лекулярную влагоемкость (5-7% в песчаных, 25-30% – в глинистых почвах), час­тично доступна растениям.

Капиллярная вода не зависит от сорбционных сил, удерживается и передвига­ется в почве капиллярными (менисковыми) силами. Это наиболее ценная и доступная для растений вода. Подразделяется на три вида:

капиллярно-подвешенная - заполняет капилляры при увлажнении плсвы сверху вниз, висит над сухим слоем почвы и не имеет связи с грунтовыми водами;

стыковая капиллярно-подвешенная - преобладает в песчаных и супесчаных почвах с крупными порами. Находится в местах стыка твердых частиц;

капиллярно-подпертая - заполняет почвенные поры при увлажнении снизу, от грунтовых вод. Слой почвы над грунтовыми водами, содержащий капиллярно-под­пертую воду, называется капиллярной каймой и может достигнуть от 0,4-2 до 2-6 м.

капиллярно-посаженная (подперто-подвешенная) - образуется в слоистых поч­вах, различающихся по гранулометрическому составу, на стыках слоев.

Наибольшее количество капиллярно-подпертой влаги, которая может удержи­ваться в почве в пределах капиллярной каймы, называется капиллярной влагоемкостью.

Наименьшая влагоемкость характеризует наибольшее количество капил­лярно-подвешенной влаги, которую может удерживать почва после стекания из­бытка влаги.

Влажность разрыва капилляров (ВРК) характеризует запасы влаги в почве, ко­гда разрывается сплошность капилляров. Такая влага теряет подвижность. Это ниж­ний предел оптимальной влажности почвы – 60-70% НВ.

Влажность устойчивого завядания – при этом растения теряют тургор и поги­бают. Это нижний предел продуктивной влаги.

ВЗ = МГ · 1,5 (1,34)

Запасы влаги в интервале ВРК-ВЗ соответствуют максимальной молекулярной влагоемкости.

Полная влагоемкость (ПВ) или водовместимость – наибольшее количество воды, которое может вместить почва при полном заполнении всех пор водой. Это сумма капиллярной и гравитационной вод. Последняя доступна растениям, но непро­дуктивна, поскольку является избыточной.

Максимальная водоотдача (МВО) – разность между ПВ и НВ. В структурных почвах она составляет 15-20% от массы почвы.

Водопроницаемость и водоподъемная способность

Водопроницаемость – способность почвы впитывать и пропускать через себя воду, поступающую с поверхности. Она измеряется объемом воды, протекающей через единицу поверхности в единицу времени при напоре воды 5 см и t-ре 10ºС:

Величина водопроницаемости, равная 1000-500 мм/час, считается провальной, излишне высокой;

500-100 мм – наилучшей;

100-70 – хорошей;

70-30 – удовлетворительной;

Водоподъемная сила – свойство почвы вызывать восходящее передвижение влаги за счет капиллярных сил. Высота капиллярного поднятая воды в песках

оставляет 0,5-1 м; в супесях – 1-2; в суглинках – 2-4; в тяжелых суглинках и в глинах – до 6 м.

Водный режим почвы

Водный режим – это совокупность явлений поступления, передвижения, из­менения физического состояния и расхода воды в почвах. Поступление ее в почву и расход характеризуются водным балансом.

К приходным статьям водного валанса относятся осадки, грунтовые воды, конденсация паров, поверхностный боковой приток, внутрипочвенный боковой приток.

К расходным статьям относятся: испарение, транспирация, фильтрация, сток, внутрипочвенный и боковой сток воды.

Типы почвенного режима

Выделено 13 типов водного режима.

Промывной режим - формируется в гумидных областях с КУ>1. Атмосферные осадки ежегодно промачивают почву до почвенно-грунтовых вод, часто формируется верховодка. Характерен для подзолистых почв, красноземов, желтоземов.

Периодически промывной режим формируется на границе гумидных (влаж­ных) и семигумидных (полувлажных) областей при КУ = 08-1,2. Промачивание до поч­венно-грунтовых вод наблюдается 1 раз в 10-15 лет, которое имеют место в регионах, где формируются серые лесные почвы и выщелоченные черноземы.

Непромывной водный режим формируется в семигумидных (полувлажных) и семиаридных областях с КУ = 1-0,33. При таком режиме почва промачивается на 1-2,5 м. Между промочившейся толщей и капиллярной каймой залегает слой почвы с постоянно низкой влажностью, близкой ВЗ. Такой режим благоприятствует формированию черноземов и каштановых посв. Продукты почвообразования накап­ливаются в почвенном профиле.

Аридный (сухой) водный режим – характерен для пустынных и полупустынных областей, где КУ<0,33. Влажность почвы приближается к ВЗ, несколько повышаясь после дождей.

Вытопной режим характерен для областей с семиаридным и аридным климатом с КУ<0,55 при неглубоком залегании грунтовых вод. Капиллярная кайма поднимается к поверхно­сти почвы, растворенные в ней соли накапливаются в поверхностных горизонтах. При таком режиме образуются гигроморфные солончаки.

Десуктивно-вытопной режим формируется в тех же областях с семиаридным и атидным климатом, но при более глубоком залегании грунтовых вод. Капиллярная кайма не достигает поверхности почвы, но охватывает зону распространения корней, испаряется влага не физически, а десуктивно – через посредство корней. Водорастворимые соли накапливаются на верхней границе капиллярной каймы. При таком режиме образуются полугидроморфные лугово-черноземные, лугово-каштановыве почвы.

Паводковый режим характерен для речных пойм и дельт, где почва периоди­чески подвергается затоплению паводковыми водами.

Амфибиальный – формируется при постоянном или длительном затоплении водой (морские или озерные мелководья, речные плавни).

Мерзлотный – характерен для областей вечной мерзлоты. Летом почва оттаивается на небольшую глубину, формируя мерзлотную верховодку.

Водостойный – характерен для болотистых почв.

Периодически водозастойный – характерен для болотных почв грунтового ув­лажнения с сезонными колебаниями грунтовых вод.

Ирригационный – формируется при искусственном орошении.

Регулирование водного режима почв осуществляется с помощью мелиоративных и агротехнических мероприятий.

Почвенный воздух и воздушный режим. епловые свойства и тепловой режим почв

Почвенный воздух находится в трех состояниях: свободном (в порах), адсорбционном (в твердой фазе) и растворенном (в почвенном растворе). Свободный почвенный воздух состоит из тех же газов, что и атмосферный. Атмосферный воздух содержит 78,1% N, 20,9% O, 0,03% CO₂, 1% остальные. В почвенном – кислорода меньше – 10-20%, больше CO₂ – 0,03-9%. Постоянно присутствуют аммиак, иногда сероводород, метан, закись O.

Почва постоянно поглощает из воздуха кислород и выделяет CO₂.

Кислород нужен для дыхания корней, почвенной фауны и микроорганизмов, прохождения аэробных процессов с участием микроорганизмов. Он поступает в почву диффузным способом, с атмосферными осадками и с оросительной водой. Оптимальное содержание его в почве 19-20%.

Углекислый газ поступает в почву в результате дыхания растений, но основ­ным источником является органическое вещество, которое разлагается и окисляется микроорганизмами. То количество CO₂, которое содержится в воздухе (0,03%), явно недостаточно для достижения высокой продуктивности растений. Искусственное повышение его до 1-2% повышает урожайность растений почти в 2 раза. Дальнейшее повышение концентрации угнетает растения.

Глобальная роль почвенного покрова заключается в регулировании состава атмосферного воздуха. Газообмен (аэрация) осуществляется через воздухоносные поры почвы (порозность аэрации). К факторам газообмена относятся: диффузия, изменение влажности почвы, температуры и атмосферного давления. Главным из них является диффузия – перемещение газов в соответствии с давлением, создаваемым концентрацией газов, при котором O₂ поступает в почву, CO₂ выделяется в атмосферу.

Влажность почвы оказывает влияние на газообмен, путем поглощения воздуха при высыхании и вытеснения его в атмосферу при увлажнении.

Изменение температуры и атмосферного давления сказывается на газообмене в почве в связи с расширением и сжатием газов и изменением градиентов давления.

Основными показателями воздушного режима почв являются воздухопроницаемость и воздухоемкость.

Воздухопроницаемость – это способность почвы пропускать через себя атмосферный воздух. Измеряется количеством воздуха (мл), прошедшим под определенным давлением через 1 см² при толщине слоя почвы 1 см.

Воздухоемкость – это содержание воздуха в почве в объемных процентах. Различают капиллярную и некапиллярную воздухоемкость, которая соответствует капиллярной и некапиллярной порозности. Оптимальным является порозность аэрации 20-25%, когда капиллярные поры заполнены водой, некапиллярные – воздухом.

Регулирование воздушного режима осуществляется через мелиорацию (осу­шение, орошение), систему обработки почв и другие мероприятия по их окультуриванию.

Тепловые свойства почв

К тепловым свойствам относятся теплопоглотительная способность, теплоемкостьи теплопроводность почв.

Теплопоглотительная способность – это способность почв поглощать или отражать падающую на ее поверхность солнечную радиацию. Характеризуется альбедо – долей коротковолновой радиации, отражаемой поверхностью почвы (в % к общей радиации). Чем меньше альбедо, тем больше почва поглощает солнечной энергии. Показатель альбедо для черноземов равен 14%, для влажного чернозема - 8, песка белого – 25-30%.

Теплоемкость – свойство почвы поглощать тепло, выражается в Дж. Один Дж соответствует количеству тепла, которое необходимо для нагревания на 1ºС единицы массы или объема почвы.

Минимальной теплопроводностью обладает воздух, высокой – органическое вещество, вода. Теплопроводность минеральной части почвы в 100 раз выше, чем воздуха, в 20 раз – чем воды. Рыхлые почвы менее теплопроводны, чем плотные.

Тепловой режим – это совокупность и последовательность явлений поступления, переноса, аккумуляции и отдачи тепла.

Характеризуется температурой на разных глубинах почвенного профиля, ко­торый имеет суточный и годовой ход.

Суточный ход наиболее резко выражается в пределах 0-50 см. Наибольшие колебания наблюдаются на поверхности почвы.

Годовой ход наиболее резко проявляется в пределах 3-4 метровой толщи. На годовой ход температур оказывает влияние не только температура воздуха, но и пе­редача тепла из глубинных слоев.

Типы теплового режима почв

В зависимости от динамики температуры почвы, длительности и глубины ее промерзания выделяются 4 типа температурного режима:

Мерзлотный – характерен для территорий с многолетней мерзлотой. Оттаива­ется лишь небольшой слой почвы в наиболее теплый период года.

Длительно-сезонно-мерзлотный – характерен для территории с положительной средней годовойтемпературой почвенного профиля. Длительность промерзания – не менее 5 месяцев, глубина промерзания – более 1 м.

Сезонно-промерзающий – для территорий с положительной годовой температурой почвы, длительность промерзания – до 5 месяцев.

Непромерзающий – температура почвы на глубине 20 см в самые холодные месяцы держится выше 0 град. Промерзание отсутствует или держится не более нескольких дней.

Регулирование теплового режима осуществляется путем снегозадержания, мульчирования, применения гребневых посадок, создания дымовых завес и других приемов

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: нет слайдов

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое почвенный поглотительный комплекс?

2. Что такое буферность почвы?

3. Что такое поглотиткльная способность почвы?

4. Какие виды поглотительной способности Вы знаете?

5. Какие агробиологические функции почвенного раствора Вы знаете?

6. Что такое минерализация почвы?

7. Что такое усадка?

8. Что такое связность?

9. Что такое липкость?

10. Какие физические свойства почвы вы знаете?

11. Какие факторы структурообразования Вы можете привести примером?

12. Что такое влагоемкость?

13. Сколько агрегатного состояния воды в почве Вы знаете?

14. Что такое мульчирование почвы?

15. Какие типы теплового режима почв Вы знаете?

16. Как определяется влажность почвы?

17. Какая форма воды в почве наиболее ценная для растительных организмов?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

Дополнительная:

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М. Высшая школа 1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М. Наука.1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР. М. Мысль 1974

4. Розанов Б. Г. Почвенный покров земного шара. М. изд. У. 1977

5. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторно-практические занятия по почвоведению. Л. Агропромиздат. 1985

6. Журнал РАН «Почвоведение », др. периодич. издания

Название темы 9: Природная зональность почв

Цель лекции: Изучить закономерности географического распространения почв.

Ключевые слова: кислые и щелочные почвы, факторы, свойства, поры, типы, содержание и т.д.

Основные вопросы (положения) и краткое содержание:

1. Химический состав и питательный режим

2. Общие закономерности географического распространения почв. Почвенно-географическое районирование

Местообитанием живых организмов в почве является система пор, занятых почвенным раствором и воздухом.

Обязательным условием активной жизнедеятельности микроорганизмов является наличие влаги в почве, а также, в соответствии с их требованиями, состав и концентрация почвенного раствора, осмотическое давление и реакция среды. В кислых почвах (рН 3-5) увеличивается роль грибов, но тормозится деятельность азотобактера и нитрификаторов.

Многие микроорганизмы переносят повышенную концентрацию CO₂ (10-12%). По отношению к содержания кислорода в почве микроорганизмы делятся на аэробы (облигатные и факультативные), анаэробы и микроаэрофилы. Последняя группа объединяет большинство почвенных микроорганизмов. Для них оптимально пониженное содержание O₂ в среде.

Тепловой режим является одним из главных факторов жизнедеятельности микроорганизмов. Большинство из них мезофиллы с оптимумом роста при температуре 26-30ºС. Среди актиномицетов и бактерий есть термофилы, минимальная температура роста которых выше 30º, а оптимальная – 50-60º. При 65º и более способны существовать только бактерии, а выше 90º – архебактерии. Оптимум для дрожжей – 12-15º, выше 18º они прекращают рост.

Комплексным показателем биологического режима почв является биологическая активность. Она характеризует емкость и интенсивность трансформации органических и органо-минеральных веществ в почве. Интегральным показателем биологической активности считается продуцирование почвой CO₂ или поглощение кислорода за определенный период времени (час, сутки, год).

Основными факторами, определяющими биологический режим почв, явля­ются:

- количество органических остатков и вносимых удобрений;

- водные и химические мелиорации почв;

- технологические мероприятия по регулированию водно-воздушного и других режимов;

- загрязнение почв чужеродными микроорганизмами, недоброкачественными компонентами.

Регулирование биологического режима осуществляется путем осуществления мероприятий по улучшению питательного режима, регулированию реакции среды, водного, воздуш­ного, теплового режимов, предотвращению загрязнения почвы.

Химические свойства и питательный режим

Химические свойства почвы главным образом определяются содержанием в них, наряду с гумусом, усвояемых форм азота, фосфора, калия, других макро- и микроэлементов.

Валовое содержание N тесно связано с содержанием гумуса в почве и меняется от 0,02-0,05% в песчаных дерново-подзолистых почвах до 0,2-0,5% в черноземах. Основные запасы N (93-99%) находятся в составе органического вещества (3-5%).

Накопление N в почве связано с биологической аккумуляцией его из атмо­сферы. Круговорот его включает несколько звеньев, в которых главными агентами выступают микроорганизмы. Фиксация клубеньковыми микроорганизмами достигает в среднем 300 кг/га, свободноживущими азотфиксаторами – 15-100 кг, ассоциативными (ризосферными) – 10-100 кг/га. При разложении азотсодержащих органических соединений в результате аммонификации освобождается NH₄, который в свою очередь окисляется до NO₃ и NO₄ при прохождении процесса нитрификации Последние в процессе денитрификации восстановливаются до газообразной формы Наиболее доступными для растний являются NH₄ и NO_3.

Валовое содержание фосфора в почвах составляет 0,03-0,2% – 1-6 т/га в па­хотном слое. Основной источник P – труднорастворимые минералы группы апатита, главным образом фторапатита.

В почве P находится в форме минеральных и органических соединений. Органическими фосфорсодержащими соединениями являются: нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, сахарофосфаты, гу­мусовые вещества. В минеральных соединениях он находится в виде солей кальция, Mg, Fe, Al. Ос­новная часть этих соединений недоступна растениям.

Из органических соедине­ний фосфор переходит в минеральные формы при участии ферментов.

Валовое содержание калия в почвах наиболее высокое - 0,5-0,3%. Основным источником усвояемого растениями калия является обменный, кото­рый входит в состав ППК (это 0,5-2,5% валового).

Для характеристики уровня обнспеченности почв основными элементами питания разработана соответствующая группировка почв. По обеспеченности P₂O₅ (по Мачигину) принята следующая классификация: очень низкое – <2 мг/100 г; низкое – 2-5; средняя – 5-10; повышенное – 10-15; высокое – 15-20; очень высокое – >20 мг/100 г.

По обеспеченности азотом (гидролизуемым) дается такая группировка ( в мг/100 г): очень низкое – <3; низкое – 3-4; среднее – 4-6; повышенное – 6-8; высокое – >8.

Группировка почв по содержанию обменного калия следующая:

очень низкое – <5; низкое – 5-10; среднее – 10-20; повышенное – 20-30; высокое – 30-40; очень высокое – 40 мг K₂O/100 г.

Микроэлементы – содержание их колеблется долей до нескольких мг/кг почвы, кроме Mg,, которогов почве имеется значительно больше - до 150 мг/кг. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почве вызывает не только снижение урожайности выращиваемых культур, но и появление ряда заболеваний растений, животных и человека

Плодородие почвы – это способность почв обеспечивать рост и развитие растений.

Виды плодородия:

Естественное – которым обладает почва в естественном состоянии;

Искусственное – которым обладает почва в результате хозяйственной дея­тельности человека;

Потенциальное – способность почв обеспечить определенный урожай в ре­зультате хозяйственной деятельности человека;

Эффективное – часть потенциального плодородия, реализуемая в полученном урожае при определенных климатических и агротехнических условиях;

Экономическое – это эффективное плодородие, измеряемое в экономических показателях;

Относительное – плодородие почвы по отношению к определенному виду растений. Свойства почв, благоприятные для одних растений, могут оказаться не­благоприятными для других. Поэтому нельзя говорить о плодородии безотноси­тельно к выращиваемой культуре.

Классификация почв – это группировка их в соответствии с определенной системой таксонометрических единиц и принципами классификации.

Согласно действующей «Классификацией и диагностикой почв СССР» (1977г.) в Российской Федерации систематизировано около 80 типов почв, которые объединены в 9 зонально-экологических групп: таежно-лесные; буроземно-лесные, лесостепные, сухостепные, полупустынные, пустынные, полупустынно-субтропические и субтропические жаркие; влажно-субтропические.

Основной таксонометрической единицей классификации почв является гене­тический тип.

Тип почв – это группа почв, которые развиваются в одинаковых биологиче­ских, климатических и гидрологических условиях и характеризуется ярким прояв­лением основного почвообразовательного процесса. В основу номенклатуры по­ставлены цветовые народные названия (черноземы, подзолы, каштановые и т.д.) или экологическо-ландшафтные (тундровые, луговые).

Подтип характеризует различия в тепловом режиме почв (теплые, холодные).

Род – характеризует свойства почв (солонцеватые, карбонатные, гумусиро­ванные).

Вид – степень проявления свойств почвы (малогумусированные, среднемощ­ные).

Разновидность – гранулометрический состав почв (песчаные, супесчаные и т.д.).

Разряд – свойство и генезис почвообразующей породы.

Пример: лесостепные (тип), умеренно холодные (подтип), карбонатные (вид), среднегумусированные (разновидность), на лессовидном суглинке (разряд).

Общие закономерности географического распространения почв. Почвенно-географическое районирование

Все многообразие почв в природе возникло в связи с различиями в их географическом расположении и природными условиями. Изучение этих закономерностей – задача географии почв – раздела почвоведения. Сформулированы следующие закономерности географического распространения почв:

1 Закон горизонтальной зональности – типы почв распространены на поверхности земли полосами (зонами) и имеют горизонтальное простирание, последовательно сменяя друг друга с севера на юг в соответствии с изменениями климата, растительности и других условий почвообразования.

2 Закон фациальности почв заключается в том, что провинциальные (фаци­альные) особенности климата, обусловленные термодинамическими атмосферными процессами, связанными с влиянием океанов и горных

систем, вызывают во многих частях почв осложнения широтной зональности, вплоть до образования особых ти­пов почв. Части почвенно-географических поясов с таким спектром называются почвенно-биоклиматическими областями. Внутризональные подразделения, осно­ванные на том же принципе фациальности, называются почвенными провинциями.

3 Закон вертикальной почвенной зональности гласит, что в горных системах основные типы почв распространены в виде высотных поясов (зон), последова­тельно сменяющих друг друга от подножия гор к вершинам в соответствии с изменением климата и растительности.

4 Закон аналогичных топографических рядов – в разных почвенных зонах состав почвенного покрова различен, но распределение почв по элементам рельефа имеет аналогичный характер как при вертикальной зональности. На возвышенных элементах рельефа формируются почвы автоморфные (генетически автономные), в нижних частях склонов – полугидроморфные и гидроморфные (генетически подчиненные), зависящие от привноса веществ с поверхностным и внутрипочвенным током.

Почвенно-географическое районирование – это группировка территорий с однотипной структурой почвенного покрова, обусловленной связями почв с экологическими условиями (факторами почвообразования).

В России принято следующее районирование.

1. Почвенно-биоклиматический пояс – совокупность почвенно-биоклиматических областей, зон, провинций, объединенных общностью радиационных и термических условий (полярный, бореальный, суббореальный, субтропический, тропический).

2. Почвенно-биоклиматическая область – совокупность зон и провинций, объединенных по сходству фациальных условий увлажнения и континентальности климата. По условиям увлажнения выделены следующие почвенно – биоклиматические области: экстрагумидные – очень влажные; гумидные – полувлажные; семиаридные – полусухие; аридные –сухие; экстрааридные – очень сухие. По континентальности климата выделены: океанические; континентальные; экстраконтинентальные.

3. Почвенная зона – ареал одного или нескольких зональных и сопутствую­щих интразональных типов почв.

4. Почвенная подзона выделяется в пределах почвенной зоны по теплообеспеченности и увлажнению в меридиальных отрезках почвенных зон.

5. Почвенная провинция – часть почвенной зоны (подзоны), отличающаяся фациальными особенностями почв (увлажнение, континентальность).

6. Почвенный округ – часть почвенной провинции, отличающаяся особенно­стями рельефа и почвообразующих пород.

7. Почвенный район характеризуется одним типом мезоструктуры почвенного покрова.

Почвенно-географическое районирование является научной основой для при­родно-сельскохозяйственного районирования территории.

Согласно почвенно-географическому районированию в РФ выделены: 4 поч­венно-биохимических пояса, 9 областей, 20 почвенных зон, 60 провинций, множе­ство округов и районов.

Для Республики Дагестан нами совместно с М.А.Баламирзоевым и Э. М.-Р.Мирзоевым предложено следующее почвенно-географическое районирование почвенного покрова.

Зона	Провинция	Подпровинция
Темно-каштановых и каштановых почв сухой степи	Восточно-Предкавказская	Терско-Сулакская Приморская
Светло-каштановых и бурых почв полупустыни	Прикаспийская	Терско-Кумская
Бурых лесных почв	Горная Восточно-Кавказская	Предгорная Среднегорная Высокогорная Речных долин

Основные схемы, формулы и т.д., иллюстрирующие содержание: таблица почвенно-географическое районирование почвенного покрова

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое почвенный округ?

2. Какие законы зональности Вы знаете?

3. Что такое вертикальная и горизонтальная зональность?

4. Дайте классификацию почв

5. Что такое валовое содержание азота, фосфора или калия?

Рекомендуемая литература:

Основная:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учебник для вузов. - М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1999.-384 с.

2. Почвоведение/ Под.ред. И.С. Кауричева. М. Агропромиадат изд. 4. 1989.

3. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М. Высшая школа, 1972

Название темы 10: Почвы Казахстана, экологические условия их формирования

Цель лекции: Изучение типов почв в Республике Казахстан. Описание экологических проблем страны и поиск путей их ликвидации.

Ключевые слова:

Мелиорация почв, географическая зональность почв, солонцы, солончаки, такыры, серо-бурые пустынные почвы и т.д.

Основные вопросы:

1. Зональность и типы почв республики

2. Экологические проблемы почв Казахстана и пути их решения

3. Сельскохозяйственное землепользование – основа общественного развития страны. Мелиорация земель.

1. Казахстан простирается почти от Волги до Алтая, от Западной Сибири до среднеазиатских пустынь и гор Тянь-Шаня. Протяженность его территории с запада на восток почти 3000 км и с севера на юг около 1600 км.

Республика характеризуется слабой лесистостью, с учетом саксаульных лесов и кустарников она составляет всего лишь 11,5 млн. га. Большая часть Казахстана – равнина, на которую приходится 93,6% площади, горы занимают 17,2 млн. га или 6,4% территории. На таком обширном пространстве природные условия очень разнообразны. Их изучение и оценка позволили выделить на территории республики 12 почвенных зон и высотных поясов. Разнообразие почв страны обусловлено зональностью, усилением аридности климата с запада на восток, геолого-геоморфологическими особенностями разных частей территории.

Зона черноземных почв занимает площадь 25,3 млн. га. Зональные черноземные почвы имеют небольшую мощность гумусового горизонта, очень неровную нижнюю границу этого горизонта и повышенное содержание гумуса. В данной зоне выделены три подзоны: подзона выщелочных черноземов, лугово-черноземных и серых лесных осолоделых почв; подзона обыкновенных черноземов и подзона южных черноземов.

В данной зоне в комплексе с другими почвами встречаются степные, лугово-степные и луговые солонцы. Данные почвы широко подвергаются мелиорации и используются в основном для создания кормовой базы животноводства. По периферии озер распространены корково-пухлые и луговые солончаки, которые требуют основательной мелиорации для их использования в сельском хозяйстве.

Зона каштановых почв занимает площадь 90,6 млн. га, что составляет 34% от всей площади почв республики. В пределах этой зоны также выделяются три подзоны: подзона темно-каштановых почв умеренно сухих разнотравно-типчаково-ковыльных степей; подзона каштановых почв сухих типчаково-ковыльных степей; подзона светло-каштановых почв.

В понижениях каштановых почв, где существует возможность дополнительное поверхностное и грунтовое увлажнение, развиты лугово-каштановые почвы, а в поймах речных долин – луговые и аллювиально-луговые.

В республике пустынная зона с бурыми и серо-бурыми, такыровидными и песчаными пустынными почвами занимает площадь 133,3 млн. га, бедны гумусом. В этой пустынной зоне выделяются две подзоны: подзона бурых и серо-бурых почв крайне сухая полынная и солянково-полынная пустыня.

Такыровидные пустынные почвы и пески пустынной зоны представляют собой разнообразные образования в виде сыпучих песков подвижных барханов и до более или менее связанных песчаных почв с помощью растительности.

В пустынной зоне из-за наличия сильно минерализованных грунтовых вод и соленосных пород значительные площади заняты солончаками. В долине Сырдарьи и в регулярно затопляемых водами понижениях развиваются карбонатные, малогумусные луговые почвы, содержащие около 2% гумуса.

В горных областях Казахстана выделяются несколько высотных зон или поясов.

Предгорный пустынно-степной пояс с сероземами – светлыми, типичными, темными и светло-каштановыми карбонатными почвами занимает площадь 16,0 млн. га, простирается у подножий хребтов Тянь-Шаня, Джунгарского Алатау.

Площади со светлыми сероземами заняты под поливное земледелие. Типичные сероземы используются под поливное земледелие и в большей степени под богарные посевы.

Низкогорный степной пояс, в его пределах на Алтае выделяются поясы горных влажных и умеренно влажных степей с выщелоченными, обыкновенными и южными горными черноземами, и горные предгорные сухие степи с темно-каштановыми почвами в восточном Тянь-Шане, горные степи с черноземами и темно-каштановыми почвами; на западном Тянь-Шане с коричневыми и серо коричневыми почвами. Площадь этого пояса 9,7 млн.га.

В пределах среднегорно-лесного и горно-лесостепного пояса различают пояс горной тайги Алтая с горно-подзолистыми почвами и пояс горных лесов, лесных лугов и луговых степей Алтая и Тянь-Шаня с горно-лесными темно-цветными и серыми оподзоленными почвами, оподзоленными черноземами и горно-степными почвами. Площадь 4,8 млн.га.

Выше данного пояса расположен высокогорный луговой пояс с горно-луговыми дерновыми, альпийскими и субальпийскими почвами и зона с вечными снегами, ледниками и скалами. Площадь зоны 3 млн.га.

2. За исключением продуктов, добываемых в морях, реках и других водоемах, человечество со дня своего существования все необходимые для поддержания жизни получает в основном из почвы.

Развитие сельскохозяйственного производства и, соответственно, благосостояния народов, во многом зависит как от уровня почвенного плодородия, так и от ее экологической чистоты. Кроме того, почва является регулятором биосферных процессов, в частности, численности живых организмов на Земле, химического состава атмосферы и гидросферы.

Природная почва является экологически чистой средой, абсолютно безопасной для обитающих в ней и на ней организмов, включая человека. Она полностью соответствует потребностям всех живых организмов. Поступление и накопление в ней тех или иных химических соединений, нарушающих жизнедеятельность живых организмов, растений, изменяющих нормальные почвообразовательные процессы, свидетельствуют о загрязнении почв.

Загрязнение почвы – это антропогенное изменение ее физических, химических, физико-химических и биологических характеристик, вызывающее снижение плодородия, биопродуктивности или опасность для здоровья населения, животных и растительных организмов. Антропогенные изменения происходят в почвах в результате хозяйственной деятельности человека или непосредственного общения с ней.

К основным источникам антропогенного загрязнения почв относятся:

1. Жилые дома и коммунально-бытовые предприятия.

2. Промышленные предприятия.

3. Теплоэнергетика.

4. Сельское хозяйство.

5. Транспорт.

В настоящее время на территории Казахстана накоплено свыше 20 млрд. тонн твердых промышленных отходов, в т.ч. 5,2 млрд. т токсичных. Большие объемы токсичных отходов образуются в Западно-Казахстанской области на предприятиях нефтегазового сектора. Интенсивно идет разрушение и загрязнение почвенного покрова при добыче полезных ископаемых и их обогащении. Значительное воздействие на почвы оказывают динамические нагрузки крупных городских агломераций и промышленных центров, крупные ирригационные системы и гидротехнические узлы.

Таким образом, наиболее основные экологические проблемы Казахстана, захватившие существенные масштабы, являются нефтяное загрязнение экосистем, проблема загрязнения атмосферного воздуха токсическими веществами, опустынивание земель, нерациональное сельскохозяйственное использование земель.

3. Казахстан – земледельческая страна. К сожалению, процессы интенсификации сельскохозяйственного землепользования имеют естественные пределы, обусловленные принципиальной невозможностью существенно ускорить воспроизводство почвенных ресурсов.

В этой сфере существенным и безотлагательным является проведение систем мероприятий для улучшения качества почвенного покрова для получения в дальнейшем продукции и здорового состояния почв для будущих поколений.

Мелиорация земель – это система организационно-хозяйственных и технических мероприятий, направленных на улучшение почвенных, гидрологических и климатических условий для сельскохозяйственного производства в целях получения высоких и устойчивых урожаев, обеспечения повышения плодородия почвы и рационального использования земельных ресурсов.

К мелиорации относятся:

1) орошение и осушение земель;

2) обводнение пастбищ;

3) промывка водой засоленной почвы;

4) регулирование течения рек и поверхностного стока вод;

5) вентиляция почв, плохо проводящих воздух, посредством подземных дрен;

6) устройство гидротехнических сооружений и валов для предотвращения эрозии почв;

7) удаление промоин и закрепление оврагов;

8) укрепление сыпучих песков облесением, сидерацией и внесением органических удобрений;

9) почво- и полезащитное лесонасаждение;

10) коренное улучшение физико-химических свойств почвы их известкованием, гипсованием или кислотованием щелочных почв и внесением органических и минеральных удобрений;

11) устранение солонцовых пятен на полях, пастбищах и сенокосах;

12) корчевание пней, сведение кустарника, уборка валунов и камней с полей, лугов и пастбищ, уничтожение кочек, выравнивание микрорельефа;

13) самомелиорация почв, т.е. выворачивание на поверхность богатого природным гипсом глубинного горизонта солонцов;

14) преобразование почвенного профиля путем плантажной вспашки или рыхления почвы на глубину до 60-80 см;

15) глинование, или кольматаж, легких песчаных почв или пескование тяжелых глинистых почв, взрывание динамитом плотных железистых или известковых прослоек в почвах для увеличения их корнеобитаемого слоя;

16) травосеяние для улучшения почвенной структуры и гумусового состояния.

Все эти мероприятия проводятся с одной целью – сельскохозяйственное землепользование, которое кроме выращивания сельскохозяйственных культур предусматривает и выпас скота.

Наиболее подробно материал предоставлен в лекциях преподавателей этого курса.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие типы почв встречаются на территории нашей страны?

2. Какие почвы распространены на территории Мангистауской области?

3. Почему Казахстан является хорошим примером при изучении вертикальной зональности?

4. Чем отличаются такыры от солонцов?

5. Что необходимо выполнять при освоении почв нашей области?

6. Каким целевым назначением обладает почвы Республики Казахстан?

7. Что по Вашему мнению необходимо для рационального использования земель в нашей области?

8. Что такое мелиорация почв?

Рекомендуемая литература:

1. Акбасов А.Ж., Саинов Г.А., Акбасова А.Д. Почвоведение: учебное пособие. – Алматы: 2006г. 170 с.

2. Почвы СССР под ред Г.В. Добровольского, Изд-во «Мысль». 1979г.

3. Почвы Гурьевской области 1986г.

6. Материалы для самостоятельной работы обучающегося: наборы текстов домашних заданий, материалы самоконтроля по каждой теме, задания по выполнению текущих видов работ, рефератов и других домашних заданий с указанием трудоемкости и литературы

Методические рекомендации по СРС: Студенты заочного обучения помимо лекционного материала и лабораторных занятий обязаны самостоятельно ознакомиться с нижеследующими темами:

Название темы 1: Почвы стран и континентов

Цель занятия: Изучить типы почв Евразии и других континентов

Задания, вопросы:

1. Описать регион

2. Дать природно-климатические характеристики объекта исследования

3. Описать распространенные типы почв

4. Нарисовать почвенный разрез

5. Сделать выводы по проделанному обзору

Методические рекомендации к выполнению:

Для выполнения данной самостоятельной работы рекомендуется использовать литературу, указанную в типовой программе, а также Интернет. Когда студент изучит тему по вышеописанным вопросам, это ему позволит свободно закрепить теоретический материал.

Литература:

Основная

1. Почвоведение. Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М., Высшая школа, 1988.

2. Почвоведение. Под ред. И.С.Кауричева. М., Агропромиздат. Изд.4.1989

3. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения. МГУ, 1975.

4. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М.Высшая школа, 1972.

5. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: учебник для вузов.-М.,Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1999.

Дополнительная

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М., Высшая школа,1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М., Наука,1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР.М., Мысль, 1974

4. Розанов Б.Г., Почвенный покров земного шара. М.,изд.У,1977

5. Александрова Л.Н.,Найденова О.А., Лабораторно-практические занятия по почвоведению . Л., Агропромиздат., 1985.

6. Журнал РАН «Почвоведение», др.период.издания

Название темы 2: Почвы переменно-влажных ксерофитно-лесных и саванных субтропических и тропических областей

Цель занятия: Определить основные различия почв субтропических и тропических областей

Задания, вопросы: в данной работе студенту можно прочитать научные статьи и соответствующие главы основной и дополнительной литературы, указанной ниже.

Методические рекомендации к выполнению:

Найти в литературе и прочитать главы по данной теме, сделать конспект по ней, выписать основные определения и попробовать ответить на вопросы, которые даются в литературе по этой теме.

Литература:

Основная

1. Почвоведение. Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова в 2-х частях М., Высшая школа, 1988.

2. Почвоведение. Под ред. И.С.Кауричева. М., Агропромиздат. Изд.4.1989

3. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения. МГУ, 1975.

4. Роде А.А., Смирнов В.Н. Почвоведение. М.Высшая школа, 1972.

5. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: учебник для вузов.-М.,Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1999.

Дополнительная

1. Глазовская М.А. Общее почвоведение и география почв. М., Высшая школа,1981

2. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М., Наука,1973

3. Ливеровский А.С. Почвы СССР.М., Мысль, 1974

4. Розанов Б.Г., Почвенный покров земного шара. М.,изд.У,1977

5. Александрова Л.Н.,Найденова О.А., Лабораторно-практические занятия по почвоведению . Л., Агропромиздат., 1985.

6. Журнал РАН «Почвоведение», др.период.издания

Название темы 3: Аллювиальные почвы пойм. Горные почвы

Цель занятия: Определить основные различия горных почв от чернозема и других типов.

Задания, вопросы:

1. Особенности условий и процессов образования аллювиальных почв

2. Горные почвы. Условия почвообразования.

Методические рекомендации к выполнению:

Прочитать теоретический материал о районировании почв в географическом отношении, по почвенной карте найти распространение горных почв, отметить их на карте, самостоятельно сформулировать существенные отличия данных почв от других по растительности и климату.

Литература: