Ганжара - Почвоведение

Глава 13. Химический состав почв

и почвеобразующих пород

13.1.Содержание химических элементов в почвах

и почвообразующих породах

Почва является четырехфазной системой. Она включает твердую, жидкую, газообразную и живую фазы. Каждая фаза име­ ет специфический химический состав. Твердая фаза автоморфных

почв является преобладающей по массе и преимущественно со­

стоит из минеральных- 80-90% и, в меньшей мере, - 10-15% -

органических веществ. Минеральная часть почвы в основном со­ стоит из кислорода и кремния. Затем идут в убывающем порядке

алюминий и железо, кальций, калий, натрий и магний

(табл.13.1). Эти 8 элементов в сумме составляют около 99% мине­ ральной части почв и почваобразующих пород. Около 1% прихо­

дится на все остальные элементы. Среди них повышенное содер­ жание имеют титан, фосфор, марганец, сера и хлор, водород и углерод, которые относятся к макроэлементам. Очень незначи­ тельную часть почвы занимают микроэлементы: Си, Zп, Мо, В, РЬ и др. Углерод, азот и, частично, водород, сера и фосфор со­

держатся в основном в составе органических веществ.

Литосфера и почвы имеют близкий химический состав. Од­ нако в составе почв значительно больше содержится углерода и азота, что связано с их биологическим накоплением в составе органических веществ. Несколько больше в почвах, по сравнению с литосферой, содержится кислорода, водорода и кремния и

меньшеалюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и

других металлов, что связано с процессами выветривания и поч-

13.1. Содержание (в весовых процентах) химических элементов в литосфере и почвах (А.П.Виноrрадов)

Элемент Литосфера Почва Элемент Литосфера Почва

110

ливается кремнии в составе устоичивых к выветриванию минералов и, прежде все~о, кварца; выносятся за пределы почвенного профиля алюминии, железо и др.uэлементы.

валовой состав минеральнон части почвы принято выражать

в виде процентнога содержания оксидов на сухую навеску, а так­

же на прокаленную почву. Пересчеты на безгумусную, бескарбо­ натную и прокаленную почву необходимы для суждения о пере­ распределении элементов в почвенном профиле в процессе поч­

вообразования.

В большинстве типов почв преобладают оксиды кремния

(SI02). Содержание их в среднем составляет 60-70%, с колебания­

ми от 30% в ферраллитных почвах тропиков до 95% в песчаных почвах. На долю полуторных оксидов (R20 3), основную часть ко­

торых составляют оксиды железа и алюминия, приходится, в

среднем, 15-20%, с колебаниями от 1-2% в песчаных почвах до 50

и более - в ферраллитных почвах тропиков. Валовое содержание оксидов кальция, магния, калия и натрия в сумме составляет 5- 6%, с колебаниями от 1-2% в песчаных до 20% и более в засолен­ ных почвах и в почвах, формируюшихся на породах с повышен­ ным содержанием карбонатов. Содержание остальных оксидов (ТЮ;, Р205, S03 и др.) в сумме составляет около 1%.

13.2.Формы соединений химических элементов

в почвах

Химические элементы в почвах находятся в форме различ­

ных соединений, отличающихся строением, составом, степенью

устойчивости к выветриванию, растворимостью и др. Выделяют

следующие формы соединений химических элементов в почвах:

первичные и вторичные минералы, органические вещества, орга­

но-минеральные соединения, обменные (поглощенные) формы, nочвенные растворы, газообразные формы в составе почвенного

воздуха, живое вещество почв.

Первичные и вторичные минералы. В форме первичных и вто­

ричных минералов находится преобладающая часть химических

элементов в минеральных почвах как по их числу, так и по массе:

ки:лород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, ка­

лии, натрий, марганец, титан, хлор, частично фосфор и сера. На­

блюдается nриуроченность важнейших микроэлементов к минера­

лам. Так, медь обнаруживается в составе авгита, апатита, биотита,

111

полевых шпатов; цинк, кобальт и никель - в составе роговых об­

манок, биотита, магнетита; свинец - в авгите, апатите, мускови­

те, полевых шпатах. На основании данных по содержанию хими­

ческих элементов можно получить приближенные сведения о ми­ нералогическом составе почв и почваобразующих пород.

Органическое вещество. Гумус и органические остатки состо­

ят в основном из углерода (25-65%), кислорода (30-50%), азота (1-5%), водорода (2-5%). В составе молекул органических соедине­ ний всегда присутствуют сера, фосфор, а также ряд металлов, в

том числе и микроэлементов.

Органо-минеральные соединения. Эта форма представлена

продуктами взаимодействия органических веществ с минеральной

частью почв: простыми гетерополярными, комплексно-гетерапо­

лярными солями гумусовых кислот с ионами металлов и глинагу­

мусовыми сорбционными комплексами.

Обменные ионы в составе почвенного поглощающего комплек­ са (ППК). Обменные ионы составляют небольшую часть от об­

щего содержания химических элементов в почвах. Их количество измеряется единицами и десятками мг-экв на 100 г почвы. По­

скольку в почвах преобладают отрицательно заряженные колло­

иды, то в поглощенном (обменном) состоянии преобладают ка­ тионы. Преобладающими в ППК и играющими большую роль в почвенных процессах и формировании физико-химических

свойств почв являются катионы: Са2+, Mg2+, Н+, АР+, Na+, к-, NH/. Присутствуют также катионы Mn2+, Fe2+, лития, стронция

и др. В поглощенном состоянии могут находиться и анионы

(SO/, РО/, N03- и др.) на положительно заряженных участках

КОЛЛОИДНОЙ МИЦеЛЛЫ.

Почвенный раствор. В почвенном растворе содержатся мине­

ральные, органические и органаминеральные вещества в виде

ионных, молекулярных и коллоидных форм. В них также присут­ ствуют растворенные газы: С02, 0 2 и др. Концентрация почвенно­ го раствора обычно находится в пределах 1 или несколько грам­

мов на литр.

Почвенный воздух. Состав почвенного воздуха аналогичен ат­

мосферному. В нем содержатся 0 2, N2, С02, а также в небольших количествах метан, сероводород, аммиак, водород и др. В отличие

от атмосферного, состав почвrнноrо воздуха более динамичен как

во времени, так и в пространсmе.

Живое вещество. В состав живой фазы почв входят грибы, во­

доросли, бактерии, актиномицеты, мезо- и микрофауна. Основ­ ную массу живых организмов составляют: кислород (70%), водо-

112

род (10%), азот, кальций (1-10%); сера, фосфор, калий, кремний (0,1-1%); железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01-0,1%).

1З.З.Аrроэкологическая оценка химического состава

почв

Химический состав почв является одним из основных фак­

торов почвенного плодородия. В настоящее время установлено

20 элементов, которые относятся к необходимым элементам

питания. Это азот, фосфор, калий, кальций, магний, натрий,

железо, углерод, кислород, водород, сера, хлор, медь, цинк,

бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий. Кроме того, 12 элементов считаются условно необходимыми: кремний,

алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан,

стронций, кадмий, хром, селен. Каждый элемент играеr опре­ деленную физиологическую роль в жизни растений. Как недо­

статок, так и избыток любого элемента, как правило, отрица­

тельно сказывается на росте и развитии растений. Так, при не­ достатке азота, фосфора, калия, кальция, магния и др. снижа­

ется урожай культурных растений, при недостатке железа воз­

никает заболевание хлорозом; при недостатке цинка и избытке фосфора - розеточность плодовых культур. Недостаток или из­

быток того или иного элемента в почвах отрицательно сказыва­

ется на качестве урожая и может вызывать заболевания живот­ ных и человека. Так, например, избыток молибдена способству­ ет развитию подагры, недостаток йодаэндемии зоба, избы­ ток тяжелых металлов - онкологическим заболеваниям и бо­

лезням нервной системы.

Диагностику степени обеспеченности растений элементами nитания проводят не по валовому их содержанию в почвах, а по

количеству доступных, или усвояемых форм. К доступным отно­

сятся водорастворимые, подвижные (растворимые в слабых ра­ створах кислот и щелочей) и обменные формы элементов, а так­

же связанные с легкоразлагаемым органическим веществом.

Недостаток того или иного элемента в почвах компенсирует­

ся nрименением органических и минеральных удобрений.

8

113

Глава 14. Органическое вещество и

органо-минеральные соединения в почвах

Содержание органического вещества в гумусовом горизонте

целинных автоморфных почв различных природных зон колеблет­

ся от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных почвах до 13-15% в

черноземах лесо-степной зоны. На преобладающих площадях па­

хотных угодий России в пахотном слое его содержание составляет всего лишь 2-5%. С глубиной содержание органического вещества

в профиле почв резко или постепенно снижается до десятых до­

лей процентов. Однако практически все генетические, агрономи­ ческие свойства и режимы почв в той или иной степени связаны

с содержанием и составом органического вещества.

14.1.Состав органического вещества почв

Качественный состав органического вещества почв очень

разнообразен, что определяется разнообразием растительных и

животных остатков, ежегодно поступающих в почву, условиями

их трансформации и взаимодействия с минеральной частью почв.

По составу органическое вещество почв можно разделить на три

части.

1. Источники гумуса - свежие, неразложившиеся вещества

растительного и животного происхождения, ежегодно поступаю­

щие в почву в виде наземного и корневого опада растений, остат­

ков животного происхождения, в том числе микроорганизмов,

состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.).

2. Детритпромежуточные продукты разложения и гумифи­ кации источников гумуса, не связанные с минеральной частью

почвы. Содержат много неспецифических веществ.

3. Гумусовые вещества специфической природы: гуммновые кислоты, фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы.

Состав источников гумуса определяется видом растительных

и животных остатков; детрита - видом растительных и животных

остатков и условиями разложения и гумификации; гумусовых ве­ ществ - условиями гумификации и взаимодействия с минераль­

ной частью почвы.

Понятием "гумус" объединяются весьма разнокачественные

114

веLЦества, полностью утратившие черты анатомического строения

организмов. Основную массу гумуса составляют гумусовые веще­

ства. Некоторая часть его (единицы и десятки процентов) всегда nредставлена гумифицированным детритом и неспецифическими

веLЦествами. Разнокачественность включаемых в гумус веществ со­

здает затруднения в интерпретации ряда свойств гумуса.

Исходя из функциональных свойств и способности к транс­ формации, вполне логично в одну группу объединять две первые части - источники гумуса и детрит - под общим названием лег­ коразлагаемое (лабильное) органическое вещество. В эту же груп­

nу входят и практически все виды внесенных в почву органичес­

ких удобрений (различные виды навоза, компосты и др.).

Гумусовые вещества, как наиболее устойчивые к разложе­

нию, следует относить к стабильной (трудноразлагаемой) части

органического вещества.

14.2.Состав и свойства гумусовых веществ

Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную, по­

лидисперсную систему высокомолекулярных, азотсодержащих,

ароматических органических соединений кислотной природы. В их

составе выделяют три группы: гуминовые кислоты, фульвокисло­ ты и гумин, или негидролизуемый остаток. Качественное соотно­ шение этих групп характеризует групповой состав гумуса. В составе групп выделяются фракции, отличающиеся друг от друга некото­ рыми свойствами (растворимость, молекулярная масса, элемент­ ный состав и др.). Количественное соотношение фракций характе­ ризует фракционный состав гумуса.

Гуминовые кислотыгруппа темно-окрашенных (от бурой

до черной) гумусовых кислот (бурые, серые, гиматомелановые),

которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не ра­

створяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных ра­ створов гуминовые кислоты осаждаются водородом минеральных

кислот, а также двух-, трехвалентными катионами. Основными

компонентами молекулы являются ядро, периферические боко­ вые цепи и функциональные группы.

Ядро молекулы представлено ароматическими или гетеро­

циклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, на­

Фталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой угле­

Р(_одными, аминокислотными и другими цепочками и мостиками

0-, -N-, -СН2-, -С-С-) и образуют рыхлое сетчатое строение.

115

Боковые цепи содержат функциональные группы, преиму­

щественно карбоксильные (-СООН) и фенолгидроксильныс

(-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, кото­

рые предопределяют кислотную природу этих соединений. Водо­

род функциональных групп способен замещаться на металлы. При этом образуются соли гуминовых кислот - гуматы.

Наличие функциональных групп обусловливает очень высо­ кую емкость логлощения катионов, которая составляет при нейт­

ральной реакции 300-700 мг-экв на 100 г препарата гуминовой

кислоты; при кислой - несколько снижается, а при щелочной -

возрастает до 800-1000 мг-экв. В элементном составе гуминовых

кислот содержится: С- 50-62%; О- 31-40%; N- 2-5%; Н- 3-5%.

Значительная часть азота находится в труднодоступной для расте­

ний форме. Кроме того, в составе препаратов всегда содержится

1-5% зольных элементов (Si, Al, Fe, Р и др.), даже после тща­

тельной их очистки. Молекулярная масса гуминовых кислот может

достигать десятков и сотен тысяч единиц.

Фульвокислотыгруппа светло-окрашенных (от желтой до

бурой) гумусовых кислот (креновые, апокреновые), сходных по

составу и строению с гуминовыми кислотами, но имеющих ряд

существенных отличий:

- более выраженная периферическая часть молекулы и, в меньшей степени, ароматическая ядерная, более низкис

молекулярные массы;

-хорошо растворяются не только в щелочных растворах,

но и в кислотах и в воде, на чем основано их отделение

от гуминовых кислот в щелочных растворах;

-в элементном составе - меньше С (40-52%), но больше

кислорода (40-48%), примерно, такое же как у гумино­

вых кислот содержание азота и водорода, но гидролизус­

мого азота больше;

-больше карбоксильных и фенолгидроксильных функцио­

нальных групп и более высокая емкость катионного обме­

на (до 1000 и более мг-экв на 100 г препарата);

-обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части

почв.

При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются

соли - фульваты. Водные растворы фульвокислот обладают очень

кислой реакцией (рН 2,6-2,8).

Гумины (негидролизуемый остаток) - совокупность соеди­ нений гуминовых и фульвокислот, очень прочно связанных с ми·

116

альной частью почв. При выделении гуминов из почвы и раз­

не~ении этих связей происходит гидролитическое расщепление РУлекул гуммновых и фульвокислот, что не позволяет детально

~й. к сожалению, прямых методов изучения состава и свойств

гумусовых веществ, исключающих разрушение связей с мине­ ральной частью почв, практически нет. В связи с этим интерпре­

тация результатов исследования выделенных препаратов гуммно­

вых и фульвокислот на состав и свойства природных гумусовых

вешеств не всегда корректна.

в заключение этого раздела следует отметить, что прямых

методов определения гумуса в почвах нет. Проводят определение

содержания углерода, а в некоторых странах - азота с последую­

шим пересчетом на гумус. По предложению И.В. Тюрина, приня­ то, как среднее, содержание углерода в составе гумуса - 58%, по­ этому пересчетный коэффициент с углерода на гумус равен 1,724.

Однако, учитывая большую вариабельность углерода в составе гу­ миновых и фульвокислот, а также гуммновых и фульвокислот в разных почвах, в целях снижения ошибок, полученных за счет

пересчета, многие авторы содержание и запасы гумуса представ­

ляют в виде содержания углерода.

14.З.Органо-минеральные соединения в почвах

Преобладающая часть гумусовых веществ в почвах находится

в форме органо-минеральных соединений. Именно они придают

гумусовым веществам устойчивость к разложению и минерализа­

ции в условиях земной поверхности и обеспечивают длительное

существование во времени, исчисляемое сотнями и тысячами лет.

По характеру взаимодействия выделяют три группы органо­

минеральных соединений (Л.Н.Александрова, 1980).

Простые rетерополярные соли. Гуматы, фульваты аммония,

щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования

их заключается в обменной реакции между водородом кислых

ФУнкциональных групп гумусовых кислот и катионами, находя­

щимися в почвенном растворе. Образующиеся гуматы и фульваты

Щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы

кальция не растворимы, а магния -частично; при высыхании

образуются водопрочные гели, они принимают участие в форми-

117

ровании водопрочной структуры почвы. Фульваты кальция и маг­ ния растворимы в воде при всех значениях рН, кроме сильноще­

лочных (рН более 10). Растворимость солей гумусовых кислот ха­ рактеризует их подвижность в почвенном профиле и участие вак­

кумулятивных процессах.

Комплексно-rетерополярные соли. Эти соединения образу­

ются при взаимодействии гумусовых кислот с поливалентными

металлами (железом, алюм~-tнием, а также медью, цинком, ни­ келем). Металл в комплексно-гетераполярных солях входит n

анионную часть молекул и не способен к обменным реакцияl\1. Установлено, что поливалентные металлы в составе комплек­ сов присутствуют в форме ионов. Характерной особенностью

этих соединений является остаточная емкость катионного обме­

на щелочных и щелочноземельных металлов за счет оставшихся

свободных карбоксильных и фенолгидроксильных групп. Ем­

кость связывания железа в комплексно-гетераполярные соли n

моделях опыта достигала 150 мгjг для гуминовых кислот и

250 мгjг для фульвокислот, для алюминия - в 2-3 раза ниже. Миграционная способность железо- и алюмогумусовых солей

зависит от состава обменных катионов, замещающих водород свободных функциональных групп, степени гидратации, степе­ ни насыщенности металлом и природы гумусовых веществ. Бо­

лее подвижными являются комплексно-гетераполярные соли

фульвокислот и неспецифических кислот (щавелевой, уксус­

ной, муравьиной и др.).

Адсорбционные органо-минеральные соединения. Эти соедине­

ния образуются путем сорбции гумусовых веществ на поверхности твердых частиц почвы. К ним относятся алюмо- и железогумусо­ вые сорбционные комплексы, глина- и кремнегумусовые комп­

лексы. Алюмо- и железогумусовые комплексы образуются путсы

сорбции гумусовых кислот гелями оксидов железа и алюминия.

При этом образуются пленки на поверхности твердых частиц и

конкреции.

Глинагумусовые комплексы образуются в процессе склеи­

вания поверхностей гумусовых кислот и их органо-минеральных

производных с поверхностями глинистых минералов. Склеива­

ние может происходить в результате ионного обмена, хемосор·· бции, адгезии и др. Эти процессы играют большую роль в фор··

миравании гумусовых горизонтов, их структурного состояния и

оказывают влияние практически на все свойства и режимы

почв.

118

14.4.Процессы трансформации органических веществ

в почвах. Гумусаобразование

Гумусообразование - процесс формирования динамичной

истемы органо-минеральных соединений в профиле почв, соот­

~етствуюшей экологическим условиям ее функционирования. Дру­

гими словами, это процесс формирования органопрофиля почв,

начинаюшегося с нулевой отметки почвенного профиля и заканчи­ ваюшегося переходным горизонтом к почвообразующей породе. Об­ щая схема процесса rумусообразования представлена на рис. 14.1.

Растительные остатки

Минеральная

часть почвы

Лигнин Белки Углеводы дубильные Липоиды

вещества

Разложение (гидролиз, окислительно­

восстановительные реакции)

микробный синтез

Рис. 14.1. Процесс .jмусообразования в почве

(Л.Н.Александрова, 1980)

119