Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
которые могут быть поглощены почвой из солевого раствора, называют емкостью поглощения катионов почвой. Эту величину
выражают в миллиграмм–эквивалентах на 100 г почвы. Величина
емкости поглощения зависит от содержания коллоидов, а следовательно, от механического состава почвы и содержания гумуса.
Большой емкостью поглощения обладают суглинистые и
глинистые черноземы, солонцы, луговые и болотные почвы. Емкость поглощения в этих почвах достигает 50–60 мг и более на
100 г почвы.
В состав обменных катионов отрицательно заряженных
коллоидов почвы входят Са2+, Мg2+, К+, Nа+, Н+, Аl3+, NН
В положительно заряженных коллоидах в составе обменных
анионов находятся SiО
2–
2
, SО
2–
и др. В ППК дерново-
4
+
, Fе2+.
4
подзолистых почв, красноземов и желтоземов входят катионы
Са2+, Мg2+, Н+, Al3+, в черноземных почвах в поглощенном состоянии находится Са2+ и Мg2+; в почвах засушливых областей –
каштановых, солонцах – состав поглощенных катионов представлен Са2+, Мg2+ и Nа+. Поглощенный К+ встречается во всех типах
почв, но в малых количествах.
В зависимости от состава обменных катионов академик
К. К. Гейдройц все почвы подразделил на насыщенные основаниями и ненасыщенные. К насыщенным относятся почвы, ППК
которые содержат одни поглощенные основания: Са2+, Мg2+, Nа+;
к ненасыщенным – почвы, ППК которых не полностью насыщен основаниями, в нем содержатся ионы Н+ и Аl3+.
В зависимости от состава обменных катионов академик
К. К. Гейдройц все почвы подразделил на насыщенные основаниями и ненасыщенные.
К почвам, насыщенным основаниями, относятся почвы,
ППК которых содержит одни поглощенные основания: Са2+,
Мg2+, Nа+; к ненасыщенным - почвы, ППК которых не полностью
насыщен основаниями, в нем содержатся ионы Н+ и Аl3+.
Количество поглощенных оснований принято называть
суммой поглощенных оснований, которая выражается в мг-экв на
100
г почвы. Насыщенность основаниями у почв различных типов неодинакова. Она будет близка к полной (100 %) у черноземных и каштановых и неполной (30-60 %) у почв ненасыщенных -
51
дерново-подзолистых, красноземов и желтоземов и др. Степенью
E
насыщенности почв основаниями (V) называется отношение суммы поглощенных оснований (S) к емкости поглощения катионов
(Е), выраженное в процентах
S
V
100⋅=
.
Влияние обменных катионов на свойства почв и произра-
стание растений. Наиболее благоприятными свойствами обла-
дают почвы, насыщенные основаниями, например черноземы, в
которых ППК насыщен Са
2+
и Мg2+. В таких почвах образуется
водопрочная структура, органические и минеральные коллоиды
сохраняются и накапливаются, что способствует увеличению емкости поглощения катионов. Эти почвы имеют нейтральную или
слабощелочную реакцию.
Почвы, насыщенные основаниями, но в ППК которых на-
ряду с Са
2+
и Мg
2+
много Nа+ (в солонцеватых почвах и солонцах),
имеют свои недостатки. Наличие натрия приводит к пептизации
коллоидов, агрономически ценная структура не образуется, а ранее созданная разрушается. При этом ухудшаются физические
свойства, водный и воздушный режимы почвы; во влажном состоянии она становится вязкой, а при высыхании образует плотную массу, трудно поддающуюся обработке. Реакция этих почв
щелочная.
Почвы, не насыщенные основаниями (подзолистые, дерново-подзолистые, болотные и др.), содержат в ППК Н+ и Аl3+. Ионы Н+ постепенно разрушают минералы почвенного поглощающего комплекса, поэтому почва обедняется коллоидами, уменьшается емкость поглощения катионов, ухудшается структура. В
таких почвах создается неблагоприятный водно-воздушный режим, суглинистые почвы заплывают, образуя корку на поверхности. Кроме того, почвы обладают кислой реакцией.
Поглотительная способность почвы. Почва способна поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества. Различают
пять видов поглотительной способности:
1.
Биологическое поглощение в почве – это поглощение
растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из
52
почвенного раствора. Для этого вида поглощения характерна избирательная поглотительная способность, присущая растениям, а
не почве.
2. Механическая поглотительная способность почвы –
способность ее механически задерживать в своих порах частицы
другого вещества. Она связана с пористостью почвы. Так происходит поглощение твердых частиц органических веществ, удобрений, коллоидов и др.
Особенно велико значение механической поглотительной
способности почв в областях с обилием осадков и на почвах, искусственно орошаемых. Этот вид поглощения широко используется в практике при очистке воды на водоочистительных станциях, очистке сточных вод.
3. Химическая поглотительная способность почвы – это
понятие входит способность почвы образовывать труднорастворимые вещества. Их образование связано с химической реакцией
обмена солей в растворе или с твердой фазой почвы. Труднорастворимые и нерастворимые соединения выпадают в осадок и закрепляются почвой. Например, в почвах, насыщенных основаниями, содержащих бикарбонаты и карбонаты кальция (в черноземах обыкновенных и южных), растворимый CaHPO
превраща-
4
ется в малорастворимый Cа3(РО4)2. В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимых фосфатов
осаждается в виде фосфатов железа и алюминия (FеРО4 и АlРО4).
4. Обменная поглотительная способность почвы – свойст-
во почвы удерживать на поверхности своих частиц ионы, способные к эквивалентному обмену. Обменная поглотительная способность основывается на реакции обмена между катионами
диффузного слоя почвенных коллоидов и катионами почвенного
раствора, соприкасающегося с ними. Подобный обмен может
происходить и между анионами.
Ca
(почва) + 4NH4Cl → (почва)4NH
Mg
2+
2+
+
+ CaCl2 + MgCl2.
4
Обменная поглотительная способность – важнейший вид
поглотительной способности, с ней связано превращение вносимых удобрений в почве. Химическая мелиорация (известкование,
53
гипсование) также основана на обменной поглотительной способности.
5. Физическая поглотительная способность почвы – спо-
собность твердых частиц поглощать молекулы газов, паров и растворенных в почвенном растворе веществ. Поглощение целых
молекул отдельных веществ связано с наличием свободной поверхностной энергии у коллоидов. Суглинистые и глинистые
почвы с большим содержанием гумуса обладают повышенной
физической поглотительной способностью по сравнению с почвами легкого механического состава. Примером физической поглотительной способности является сорбированная форма воды в
почве (гигроскопическая и пленочная).
Сорбционные процессы в почвах. Основным механизмом
обменной поглотительной способности почвы является процесс
сорбции.
Обменная сорбция катионов - способность катионов диффузного слоя почвенных коллоидов обмениваться на эквивалентное количество катионов соприкасающегося с ним раствора. Основные закономерности обменной сорбции катионов:
1) Эквивалентность обмена между поглощенными катио-
нами почвы и катионами взаимодействующего раствора;
2) В ряду разновалентных ионов энергия поглощения воз-
растает с увеличением валентности иона:
Li+ < Na+ < K+ < NH
+
<< Mg2+ <Ca2+ << Al3+ < Fe3+.
4
Под энергией поглощения понимается относительное количество поглощения катионов почвами при одинаковой их концентрации в растворе.
3) Энергия поглощения определяется радиусом негидратированного иона: чем меньше радиус, тем слабее связывается ион.
Это объясняется большей плотностью заряда, а следовательно, и
большей гидратированностью иона.
4) Внутри рядов ионов одной валентности энергия поглощения возрастает с увеличением атомной массы, атомного номера.
Процесс обмена иона электролита с ионом сорбента проходит через пять последовательных стадий: 1) перемещение вытесняющего иона из раствора к поверхности твердой фазы; 2) пере-
54
мещение вытесняющего иона внутри твердой фазы к точке обмена; 3) химическая реакция двойного обмена; 4) перемещение вытесняемого иона внутри твердой фазы от точки обмена к поверхности; 5) перемещение вытесняемого иона от поверхности в раствор.
Сорбция анионов почвами зависит от заряда, строения и
химических свойств ППК. По способности сорбироваться на почвенных частицах анионы располагаются в следующий ряд:
Cl- < NO
-
< SO
3
2-
<< PO
4
3-
< SiO
4
4-
< OH-
4
По мере увеличения в ППК содержания алюминия и железа
и наличия сколов почвенных минералов, а также понижении pH
среды сорбция анионов возрастает. Так как анионы менее гидратированы, чем катионы, они характеризуются высокой селективностью поглощения. В поглощении анионов большую роль играют процессы солеобразования. При взаимодействии растворимых
солей образуются новые, нерастворимые в воде соли (сульфаты,
карбонаты, фосфаты), переходящие в твердую фазу почвы.
2.2. Химический состав почв и почвообразующих пород
Содержание отдельных химических элементов в литосфере
и почве колеблется в широких пределах.
Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47,2
%), более чем на четверть из кремния (27,6 %), далее идут алюминий (8,8 %), железо (5,1 %), кальций, натрий, калий, магний
(до 2-3 % каждого). Восемь названных элементов составляют более 99 % общей массы литосферы. Такие важнейшие для питания
растений элементы, как углерод, азот, сера, фосфор, занимают
десятые и сотые доли процента. Еще меньше в земной коре микроэлементов. Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород
литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов.
Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором - кремний, затем алюминий, железо и т. д. Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода
и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве свя-
55
зано с жизнедеятельностью организмов, в которых содержится
углерода 18 %, азота 0,3 % на живое вещество (по А. П. Виноградову).
В почве больше, чем в литосфере, кислорода, водорода (как
элементов воды), кремния и меньше алюминия, железа, кальция,
магния, натрия, калия и других элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования.
Содержание кремнезема в рыхлых породах почти всегда
выше, чем в магматических, но сильно колеблется в зависимости
от генетического типа почвообразующей породы, ее механического состава. Увеличение количества SiO2, связано с обогащением рыхлых пород кварцем в процессе выветривания, а также переотложением продуктов выветривания, их сортировкой.
Обогащение кварцем происходит не только вследствие разрушения других минералов, но и в результате новообразования
вторичного кварца из кремнезема, отщепляющегося при выветривании.
В песчаных породах содержится более 90 % кремнезема, в
суглинистых и глинистых его количество снижается до 50 - 70 %,
а содержание Аl2O3, Fе2О3 и других оксидов возрастает.
Связанного кремнезема в рыхлых породах меньше, чем в
магматических, так как он частично выщелачивается в процессе
выветривания. Менее подвижные оксиды железа и алюминия накапливаются в рыхлых породах.
Определенное химическим анализом бескварцевой части
пород молярное отношение SiO2:Al2O3 или SiO2:R2O3 в илистой
фракции почв и пород легло в основу классификации коры выветривания:
1. Аллитные (SiO2:R2O3<2,5) разделяемые на аллитные
(Al2O3 резко преоблалает над Fe2O3), ферраллитные (Al2O3 преобладает над Fe2O3) и ферритные (Fe2O3 преобладает над SiO2 и
Al2O3 не только в илистой фракции, но и в коре в целом).
2. Сиаллитные (SiO2:R2O3>2,5) с подразделением на сиал-
литные и феррсиаллитные.
Наиболее подвижны среди продуктов выветривания простые соли, растворимость их тем больше, чем ниже валентность
их ионов. Поэтому оснований в рыхлых породах и почвах в сред-
56
нем меньше, чем в литосфере. Во влажном климате рыхлые породы обеднены основаниями, в засушливом основания накапливаются.
По содержанию щелочно-земельных и щелочных оснований почвообразующие породы делятся на засоленные, карбонатные и выщелоченные. В выщелоченных породах содержится не
более 1-3 % каждого из оксидов кальция, магния, натрия, калия.
Карбонатные содержат значительное количество (до 15-20 %)
карбонатов кальция (СаСО3). В засоленных породах наряду с
карбонатами кальция большое содержание сульфатов и хлоридов
кальция, магния и натрия.
Химический состав почвообразующей породы отражает в
известной мере ее механический и минералогический состав.
Песчаные породы, богатые кварцем, состоят преимущественно из
кремнезема. Чем тяжелее механический состав породы, тем
больше в ней высокодисперсных вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше оксидов алюминия, железа, химически связанной воды, а в породах сиаллитного типа
также оксидов калия и магния.
2.2.1. Формы соединений химических элементов
в почвах и их доступность растениям
Химические элементы находятся в почвах в различных соединениях.
Кислород входит в большинство первичных и вторичных
минералов почв, является одним из основных элементов органических веществ и воды.
Кремний наиболее распространен в почве в виде кварца
(SiO2). Кремний входит также в состав силикатов. При их разрушении соединение переходит в раствор в форме анионов (SiO
2–
SiO
), силикатов натрия и калия, частично в форме золя. Неко-
3
4–
и
4
торое количество растворенного кремнезема вымывается из почвы, другая часть осаждается (при кислой реакции) в виде гелей.
Алюминий находится в почвах в составе первичных и вто-
ричных минералов, в форме органоминеральных комплексов и в
поглощенном состоянии (в кислых почвах). При разрушении пер-
57
вичных и вторичных минералов, содержащих алюминий, освобождается его гидроксид, значительная часть которого при выветривании остается на месте (как малоподвижная) и лишь частично переходит в раствор в виде золя.
При слабощелочной реакции Al(OH)3 полностью выпадает
в виде коллоидных осадков – гелей (Аl2O3⋅nН2О), переходящих
при кристаллизации во вторичные минералы. В кислой среде
(рН<5) гидроксид алюминия становится более подвижным, и
алюминий появляется в почвенном растворе в виде ионов
Аl(ОН)
+
, Аl(ОН)2+, что отрицательно сказывается на росте расте-
2
ний.
Железо – элемент, необходимый для жизни растений, без
него не образуется хлорофилла. В почвах оно встречается в составе первичных и вторичных минералов–силикатов, в виде гидроксидов и оксидов, простых солей, в поглощенном состоянии, а
также в составе органоминеральных комплексов. Наиболее доступны для растений FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4.
Азот входит в состав всех белковых веществ, содержится в
хлорофилле, нуклеиновых кислотах, фосфатидах и многих других органических веществах живой клетки. Основная масса азота
почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота
находится в прямой зависимости от содержания в почве органического вещества и, прежде всего, гумуса. В большинстве почв
этот элемент составляет 1/12–1/20 гумуса. Накопление азота в
почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало.
Азот доступен растениям, главным образом, в форме аммония, нитратов, нитритов, которые образуются при разложении
азотистых органических веществ. Основными формами азотистых соединений, которыми питаются растения, являются аммонийный и нитратный азот.
Фосфор входит в состав многих органических соединений,
без которых невозможна жизнедеятельность организмов. Поглощаясь в больших количествах растениями, фосфор аккумулируется в верхних горизонтах почвы. Валовое содержание его в черноземах составляет 0,35 % и более.
58
В почвах фосфор содержится в органических и минеральных соединениях, входит в состав апатита, фосфорита и вивианита, а также находится в поглощенном состоянии в виде фосфат–
аниона. Органические соединения представлены фитином, нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфатидами, сахарофосфатами и др. Минеральные – солями кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты.
Наиболее благоприятная реакция среды для усвоения растениями фосфат–ионов слабокислая (рН 6–6,5).
Сера входит в белковые вещества, эфирные масла. Потреб-
ность растений в ней небольшая, обычно меньше, чем в фосфоре.
Сера находится в почве в форме сульфатов, сульфидов и в составе органического вещества. Сульфаты образуются при разложении органического вещества, окислении сульфидов; это наиболее
устойчивая форма соединения серы в почвах.
Калий осуществляет важные физиологические функции в
организмах. Потребляется растениями в больших количествах,
особенно такими культурами, как картофель, корнеплоды, травы,
табак. Валовое содержание калия (К2О) в почвах относительно
высокое. В почвах тяжелого механического состава оно составляет 2 % и более. Значительно меньше калия в легких почвах.
Основная часть калия в почве входит в состав кристаллической решетки первичных и вторичных минералов в малодоступной для растений форме, а также содержится в почве в поглощенном состоянии и в форме простых солей. В форме простых
солей он легкодоступен растениям, но его доля незначительна.
Основным источником калия для растений является обменный
калий.
Кальций и магний – необходимые элементы питания растений. Им принадлежит, так же, как и калию, важная физиологическая роль. Магний входит в состав хлорофилла. Кальций имеет
большое значение в создании благоприятных для растений физических, физико-химических и биологических свойств почвы. В
почве кальций и магний находятся в кристаллической решетке
минералов, в обменно-поглощенном состоянии и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов и фосфатов). Кальций среди поглощенных катионов занимает в большин-
59
стве почв первое место, магний – второе. Ионы кальция и магния
преобладают в почвенном растворе.
2.2.2. Микроэлементы почв
Микроэлементами условно называют те химические элементы, которые содержатся в почве и в биологических объектах в
незначительных количествах. К ним относят: бор, марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, йод, фтор и др.
Значение микроэлементов. Они выполняют важную физиологическую и биохимическую роль в жизни растений, животных
и человека; входят в состав витаминов, ферментов, гормонов.
Ненормальное (избыточное или недостаточное) содержание микроэлементов в кормах и продуктах питания приводит к нарушению обмена веществ и развитию тяжелых заболеваний у животных и человека. Так, при недостатке йода развивается эндемия
зоба у животных и человека; при недостатке фтора развивается
кариес (повреждение зубной эмали), а при избытке – эндемический флюороз (пятнистость эмали); избыток молибдена способствует развитию подагры; при недостатке меди в кормах у ягнят
наблюдается заболевание энзоотической атаксией; у овец и других животных, выпасаемых на пастбищах, в почвах которых много бора, распространены энтериты, нервные расстройства и
пневмонии.
Недостаток микроэлементов в почве резко снижает урожай
растений и его качество. При недостатке меди в почвах наблюдается полегание растений, их невызревание и резкое снижение
урожайности. При недостатке бора затрудняется прорастание
пыльцевых трубок, опадает завязь, снижается урожай семян, растения поражаются болезнями (гниль сердечка сахарной свеклы,
бактериоз льна). При недостатке цинка развивается «розеточная
болезнь» лиственных деревьев.
Многочисленными исследованиями обнаружена тесная
связь между содержанием микроэлементов в почве, с одной стороны, и урожайностью растений, продуктивностью животных и
здоровьем человека – с другой. Изучение этих взаимосвязей по-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]