Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
Сложение почв зависит от механического состава, структуры,
развития корней растений, деятельности фауны и человека. Почва по сложению может быть рыхлой, рассыпчатой, плотной,
слитной (очень плотной). Рыхлое сложение наблюдается в структурных обогащенных гумусом почвах, в пахотном слое обрабатываемых почв. Рассыпчатое сложение присуще для пахотного
слоя песчаных и супесчаных почв. Плотным сложением отличаются нижние горизонты почв, особенно суглинистых и глинистых. Слитное сложение присуще иллювиальным горизонтам солонцов.
Новообразования и включения. Новообразованиями называют скопления веществ различного химического состава и формы в почвенных горизонтах, резко морфологически отличимые
от основной массы почвы. По происхождению они представляют
собой различные продукты процесса почвообразования. Новообразования обычно встречаются в порах, полостях, по граням
структурных отдельностей. Они делятся на химические и биологические. Для каждого типа почв свойственны определенные новообразования.
Карбонатные новообразования, главным образом карбоната
кальция, широко представлены в черноземах, каштановых и бурых почвах, сероземах.
Новообразования из соединений железа и марганца наиболее характерны для почв, образующихся в условиях избыточного
увлажнения – в таежно-лесной зоне, зоне влажных субтропиков и
других зон.
В заболоченных и болотных почвах наблюдаются новообразования из соединений железа (II), имеющих сизую окраску. В
подзолистых и осолоделых почвах выделяются новообразования
аморфного кремнезема, беловатого или серого цвета.
Новообразования биологического происхождения связаны
с произрастанием растений и жизнедеятельностью животных. К
ним относятся: червоточины, червороины, кротовины, копролиты
(экскременты червей), корневины (сгнившие корни растений) и
др.
Включениями называют предметы или вещества, механически включенные в массу почвы, не связанные с процессом
41
почвообразования. К включениям относятся: корни и другие части растений различной степени разложения, валуны, кости животных и др.
2.1.4. Органическое вещество почвы
Органическое вещество почвы – это совокупность живой
биомассы и органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса.
В абсолютном большинстве наземных биоценозов зеленые
растения имеют наибольшую биомассу и годичный прирост, превышающую биомассу беспозвоночных животных и микроорганизмов в несколько десятков и сотен раз, а позвоночных животных в несколько тысяч раз. Поэтому наземный и корневой опад и
продукты метаболизма высших растений дают основной материал, из которого формируется органическое вещество почвы. Количество органических остатков, поступающих в почву и на ее
поверхность, определяется типом растительности, ее возрастом,
условиями произрастания. Например, в еловом или березовом
лесу 60–80-летнего возраста средний годовой опад листвы составляет от 4 до 7 тонн на 1 га.
Под травянистой растительностью основной источник гумуса – корни, масса которых в метровом слое почвы (в воздушносухом состоянии) составляет на суходольных лугах таежнолесной зоны от 6 до 13 т на 1 га, в зоне степей 8–28 т, в зоне пустынь 3–12 т на 1 га. Многолетние сеяные травы в зависимости от
их состава и условий произрастания оставляют в почве 6–15 т
корней на 1 га, а однолетняя культурная растительность – 3–5 т.
Скорость разложения органических остатков зависит
от их состава. Основная часть массы органических остатков
(75–90 масс. д.,%) – вода; сухое вещество включает углеводы,
белки, лигнин, липиды, воски, смолы, дубильные вещества и др.
Быстро разлагаются остатки травянистых растений, особенно богатых белками бобовых растений; медленно – лесная подстилка,
содержащая лигнин, смолы, дубильные вещества.
42
Превращение органических остатков в почве. Разложение
органических остатков происходит под воздействием воды, воздуха, животных и, главным образом, микроорганизмов, обитающих в почве.
Бактерии активно участвуют в трансформации органического вещества во всех почвах. Эти микроорганизмы с помощью
своих экзоферментов как источник пищи и энергии используют
белок, простые сахара, крахмал, органические кислоты, спирты,
альдегиды, разлагают клетчатку и имеют преимущество в разложении углеводов.
Актиномицеты, как и бактерии, могут использовать любые
углеводы, в том числе активно разрушают маннаны, ксиланы,
пектиновые вещества, целлюлозу, кератин, могут разрывать
длинные цепочки жирных кислот и углеводородов.
Грибы способны совершать многие процессы трансформации, но с меньшей скоростью, чем бактерии. В то же время расщепление лигнина и танинов в природе идет преимущественно
под их воздействием. Грибы осуществляют и разложение гумуса.
Процессы трансформации органического вещества идут
при активном участии ферментов. Ферменты – структурированные белки, несущие множество функциональных групп, осуществляющих катализ. Выполняя роль катализаторов, они в миллионы
раз ускоряют течение химических реакций распада и синтеза органических веществ.
Таким образом, процессы разложения и минерализации носят биокаталитический характер.
Аэробный процесс разложения при благоприятных условиях протекает интенсивно и приводит к полной минерализации
органических остатков. При этом углерод из различных соединений окисляется до диоксида углерода, водород – до воды, азот –
до азотистой и азотной кислот, фосфор – до фосфорной кислоты,
сера – до серной кислоты. Все эти кислоты соединяются с основаниями, имеющимися в почве и золе растений, и образуют различные минеральные соли. Большинство этих солей растворяется
в воде и служит источником питания для растений.
Анаэробный процесс разложения (гниение) органических
остатков, возникающий, главным образом, при избыточном ув-
43
лажнении почвы, протекает медленно. Он характеризуется неполным разрушением органических остатков. Если продукты
жизнедеятельности анаэробных бактерий из среды не удаляются,
разложение замедляется или прекращается, неразложившиеся
остатки консервируются. Кроме того, под влиянием анаэробных
процессов ряд химических соединений в почве восстанавливается. Например, Fe2O3 восстанавливается до FeO.
Помимо процессов минерализации и консервации органических остатков в почве протекает процесс гумификации – образования гумусовых веществ. Процесс гумификации протекает в
несколько этапов. Начальный этап − биохимическое окислительное кислотообразование, т. е. формирование системы гумусовых
кислот. Вторая стадия – постепенное нарастание ароматизации
вследствие частичной деструкции алифатических цепей путем
гидролиза и процессов окисления при участии окислительных
ферментов.
Содержание гумуса в верхнем слое почв колеблется от 1-2
(сероземы) до 10-12 (черноземы) масс.д., % и более, постепенно
или резко уменьшаясь с глубиной.
Гумусовые вещества как специфический продукт гумификации представляют собой гетерогенную полидисперсную систему высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. Они представлены гуминовыми кислотами, фульвокислотами и негидролизируемым остатком или
гумином.
Основные группы гумусовых кислот, взаимодействующих
в почве: фульвокислоты и гуминовые кислоты. Соединения этих
кислот содержатся в гумусе всех типов почв, но в различных количествах и соотношениях. Например, отношение содержания
гумусовых кислот к содержанию фульвокислот для черноземов
равно 1,5-2,5.
Гуминовые кислоты черного цвета имеют следующий эле-
ментный состав: углерод 50–62 %, водород 2,8–6,6 %, кислород
31–40 %, азот 2–6 %.
Молекула гуминовой кислоты имеет сложное строение.
Ядро молекулы содержит бензолполикарбоновые кислоты, ароматические и гетероциклические кольца типа бензола, фурана,
44
пиридина, индола и др. Эти ароматические компоненты соединены непосредственно через углерод или мостиками в рыхлую сетку.
Периферию молекулы составляют цепи боковых радикалов,
как правило, неароматического строения, в состав которых входят углеводные, аминокислотные и углеводородные компоненты.
Важной частью молекулы являются функциональные группы: карбоксильные, фенолгидроксильные, метоксильные, карбонильные, амидные. Строение молекул определяет свойства гуминовых кислот. Они слабо растворяются в воде, но растворимы в
слабых растворах щелочей. Кислотная их природа обусловлена
теми же причинами, что и у фульвокислот.
Фульвокислоты в зависимости от концентрации имеют
цвет от соломенно–желтого до оранжевого. В элементный классический состав фульвокислот входят: углерод 41–46 %, кислород 40–48 %, водород 4–6 %, азот 2–6 %.
Строение молекулы имеет однотипную природу с молекулой гуминовой кислоты. Отличие состоит в том, что в молекуле
фульвокислоты доминируют алифатические структуры. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде, минеральных кислотах и
слабых растворах щелочей. Их водные растворы обладают сильно кислой реакцией (рН 2,6–2,8). Кислотная природа обусловлена
карбоксильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к реакциям обмена.
Высокомолекулярные гумусовые вещества (гуминовые кислоты и фульвокислоты) в растворах обладают свойствами коллоидов.
Гумусовые кислоты активно взаимодействуют с минеральной частью почвы, при этом формируются различные органоминеральные производные. Из компонентов почвы в таких реакциях
участвуют катионы NН
+
, К+, Na+ и Са2+, Мg2+, поливалентные
4
металлы и глинистые минералы.
Выделяют три группы соединений:
1. При взаимодействии гумусовых кислот с катионами почв
образуются соли – фульваты и гуматы. Гуматы аммония и щелочных металлов хорошо растворимы в воде, гуматы кальция и
магния нерастворимы, они образуют водопрочные гели (осадки
45
коллоидов); склеивая и цементируя частицы почвы, они могут
закрепляться на поверхности глинистых минералов. Все соли
фульвокислот растворимы в воде и легко вымываются по профилю почвы.
2. Поливалентные металлы образуют с гумусовыми кислотами сложные алюмо- и железо-гуминовые соединения комплексной природы (в этих соединениях все железо и большая
часть алюминия находятся в анионной части молекулы). Алюмои железо-фульватные соли наиболее подвижны, они легко вымываются и перемещаются по профилю почвы. При высокой насыщенности среды оксидами металлов выпадают в осадок. Алюмои железо-гуминовые соли менее подвижны, они осаждаются и
накапливаются на месте своего образования.
3. Специфическая группа органоминеральных производных
гумусовых веществ образуется при взаимодействии гумусовых
кислот и их солей с коллоидами почвы. При этом происходит
прочное склеивание пленок гумусовых кислот и их солей с поверхностью минеральных коллоидов – образуются органоминеральные коллоиды.
Гумус подзолистых и дерново-подзолистых почв характеризуется преобладанием в нем соединений фульвокислот. Отношение гуминовых кислот (гк) к фульвокислотам (фк) в составе
гумуса этих почв всегда меньше единицы. В черноземах в составе
гумуса преобладают гуминовые кислоты и отношение гк:фк
близко к двум. Таким образом, почвы различаются не только по
количеству гумуса, но и по качественному его составу.
Условия образования гумуса. В природных условиях отдельных почвенно-климатических зон характер и скорость разложения органических остатков и процесса гумификации неодинаковы, они зависят от ряда взаимосвязанных условий почвообразования. Процесс гумификации интенсивно протекает в тех
почвах, в которых складываются благоприятные условия для роста растений и микроорганизмов:
- благоприятное сочетание температур и выпадающих осад-
ков в период вегетации,
- суглинистый механический состав почв и почвообразую-
щих пород, наличие карбонатов в них,
46
- нейтральная и слабощелочная реакция.
Такие условия имеются на юге лесостепной зоны. В черноземных почвах этой зоны образуется наибольшее количество гумуса, в его составе преобладают гуминовые кислоты, которые
прочно закрепляются в почве.
К югу от зоны типичных черноземов увеличивается теплообеспеченность и сухость почвы, что приводит к уменьшению
количества биомассы, увеличению ее минерализации, ослаблению процесса гумификации. Поэтому запасы гумуса в темно–
каштановых почвах меньше по сравнению с черноземами. К северу с меньшей обеспеченностью теплом и большей увлажненностью на бескарбонатных почвообразующих породах с кислой реакцией среды, сокращается количество травянистых остатков и
их зольность. Образующиеся продукты гумификации частично
вымываются, поэтому запас гумуса в подзолистых почвах обычно
не превышает 100 т на 1 га.
В таежно-лесной зоне в составе органических остатков немалую долю занимают остатки деревянистых растений, при разложении которых образуется большое количество фульвокислот.
Гумификация в значительной степени зависит от механического состава почвы. В песчаных и супесчаных почвах органическое вещество быстрее и полнее минерализуется, гумуса накапливается меньше, чем в глинистых почвах, где процесс разложения замедляется, а закрепление гумусовых веществ идет интенсивнее. На увеличение содержания гумуса в почве оказывает
влияние химический состав почвообразующих пород и содержание оснований кальция и магния в почве. Последнее способствуют закреплению гуминовых кислот и образованию ценной структуры почвы.
Роль гумуса в почвообразовании и плодородии почвы. Гумус
входит в почву как ее важнейшая составная часть и в основном
определяет ее плодородие. По содержанию гумуса (общее содержание органического вещества в почве, масс. д., %) все почвы
условно делятся:
-
на безгумусные….........< 1;
- очень низкогумусные…. 1-2;
- низкогумусные…....... 2-4;
47
- среднегумусные…...... 4-6;
- высокогумусные…...... 6-10;
- очень высокогумусные… 10-15;
- перегнойные…......... 15-30;
- торфяные…............ > 30.
Органическое вещество и гумус – источники питательных
веществ для растений. В гумусе почвы элементы питания сохраняются на продолжительный срок. При постепенной минерализации гумуса в результате микробиологических процессов из него
высвобождаются азот, фосфор, сера и другие питательные элементы в доступной для растений форме.
При разложении органического вещества почвы увеличивается содержание СО2 в почвенном воздухе и при земных слоях
атмосферы, что способствует увеличению фотосинтеза зеленых
растений. С гумусом почвы связана ее поглотительная способность.
Огромная роль принадлежит гумусовым веществам в почвообразовательных процессах и формировании профиля почвы.
Фульвокислоты наиболее активно участвуют в подзолообразовательном процессе, а гуминовые кислоты – в дерновом.
Гумус влияет на все агрономические свойства почвы, поэтому содержание его и распределение по профилю – один из
важнейших классификационных признаков различных типов
почв.
2.1.5. Почвенные коллоиды
и поглотительная способность почв
Почву необходимо рассматривать как систему, состоящую
из трех фаз (или частей) - твердой, жидкой и газообразной. Все
три фазы почвы находятся в постоянном взаимодействии, между
ними непрерывно протекают реакции обмена и поглощения.
Наибольшей подвижностью и изменчивостью обладают газообразная и жидкая фазы, по сравнению с ними твердая фаза инертна, но и она содержит активную часть - почвенные коллоиды.
К коллоидам принято относить все измельченные вещества,
размер частиц которых колеблется от 10-5 до 10-7 см. Тонкодис-
48
персные частицы коллоидов обладают большой удельной поверхностью, достигающей 10-50 м2 и более на 1 г вещества, и
свободной поверхностной энергией. Большой запас свободной
поверхностной энергии обусловливает такие важные свойства
коллоидов, как их высокую адсорбционную способность (поглощение), стремление к агрегации частиц и др.
В явлениях обмена и поглощения в почве решающая роль
принадлежит коллоидам. Совокупность почвенных частиц, обладающих свойствами коллоидов, принято называть коллоидным
комплексом почвы или (по предложению академика К. К. Гедройца) почвенным поглощающим комплексом (ППК).
Почвенный поглощающий комплекс - высокодисперсная
минеральная и органическая часть почвы, обусловливающая ее
поглотительную и обменную способность.
По составу коллоиды почвы подразделяются на три группы: минеральные, органические и органо-минеральные. В почве
преобладают минеральные коллоиды, преимущественно из групп
глинистых минералов, гидрокисидов и окислов.
Органические коллоиды состоят из гумусовых веществ, поэтому верхние слои почвы содержат больше органических коллоидов, чем нижние. Органо-минеральные коллоиды представлены комплексными соединениями гумусовых веществ с минеральными.
Содержание коллоидов зависит от механического состава
почвы и содержания гумуса. Наиболее богаты коллоидами глинистые и суглинистые почвы с высоким содержанием гумуса. В
почвах песчаных, супесчаных, обедненных илистой фракцией и
гумусом отмечается незначительное количество коллоидов.
Коллоидную частицу называют мицеллой. Ядро мицеллы
состоит из агрегата недиссоциированных молекул того или иного
вещества (например, каолинит, монтмориллонит и др.). На поверхности ядра формируется двойной электрический слой ионов,
образующий границу раздела с дисперсионной средой. Этот слой
образуется в результате диссоциации внешних молекул самого
ядра или вследствие поглощения ионов из дисперсионной среды.
Двойной электрический слой ионов состоит из внутреннего – потенциалопределяющего слоя неподвижных ионов, прочно
49
связанных с ядром, и внешнего – компенсирующего слоя ионов
противоположного знака зарядов. Ядро вместе с потенциалопределяющим слоем ионов называется гранулой. Часть ионов компенсирующего слоя неподвижна, т. к. прочно связана с внутренним слоем ионов, другая часть подвижна и образует внешний,
или диффузный, слой. Этот слой содержит ионы, способные к
обменным реакциям. В пределах диффузного слоя между неподвижным слоем ионов и дисперсионной средой возникает разность
потенциалов вследствие удаления части противоионов к внешней
границе диффузного слоя. Эта разность потенциалов обусловливает свободный электрический заряд коллоидной частицы.
Основная масса коллоидов почвы являются отрицательно
заряженными коллоидами, содержащими в потенциалопределяющем слое анионы, а в диффузном – катионы, способные к обменным реакциям.
Коллоиды могут находиться в двух состояниях: коллоидного раствора – золя – и коллоидного хлопьевидного осадка – геля.
Когда твердые коллоидные частицы почвы распределены в
большом объеме воды и отделены одна от другой, они находятся
в состоянии золя. Подобное состояние объясняется двумя причинами: наличием электрического заряда у коллоидных частиц и
водной оболочки вокруг них.
Образованию геля способствуют обезвоживание коллоидных частиц при высушивании и промораживании почвы и нейтрализация заряда при добавлении в почву электролитов.
Процесс соединения (слипания) коллоидных частиц называется коагуляцией. Процесс, противоположный коагуляции, называется пептизацией, он возможен для гидрофильных коллоидов.
В почве наблюдается переход части коллоидов из одного
состояния в другое, но состояние коллоидов в виде геля – наиболее постоянное. Лишь во влажной почве небольшая часть коллоидов находится в состоянии золя.
Обменные катионы почвы. Обменные катионы, содержащиеся в диффузном слое почвенного коллоида, способны замещаться эквивалентным количеством катионов соприкасающегося
с ним раствора. Максимальное количество обменных катионов,
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]