Вальков - Почвоведение

обходимых для развития растений; в ряде случаев калий может быть

вдефиците.

Натрий. В почве натрий главным образом присутствует в составе

первичных минералов, преимущественно в натрийсодержащих поле­ в ы х шпатах. В засоленных почвах сухостепной и аридных зон в зна­ чительных количествах может присутствовать в виде хлоридов или входить в поглощающий комплекс. В почве дефицита этого элемента обычно не наблюдается; присутствие натрия в повышенных количе­ ствах в составе подвижных соединений обусловливает наличие у почв неблагоприятных физических и химических свойств.

Титан присутствует в почве в составе первичных устойчивых к выветриванию титансодержащих минералов (ильменита, рутила, сфена), в связи с чем при выветривании наблюдается его относительное накопление.

Сера присутствует в почве главным образом в составе различ­ ных органических соединений как растительного, так и животного происхождения; в засоленных почвах при наличии значительных количеств сульфатов валовое содержание S 0 3 может возрастать. Повышенное содержание серы в виде подвижных соединений мо­ жет наблюдаться при загрязнении почв промышленными отходами (выпадение с осадками газообразных выбросов соединений серы). В крупных фракциях почвы сера присутствует в составе сульфидов (пирит), гипса, вторичных соединений железа, образующихся при болотном процессе.

Кальций и магний находятся в кристаллической решетке мине­ ралов в обменно-поглощенном состоянии и в форме простых солей разной степени растворимости. Среди обменных катионов кальций в большинстве почв занимает первое место, а магний — второе. Кар­ бонаты кальция и магния, а также бикарбонатные формы (СаСОэ, MgC03, Са(НСОэ)2, Mg(HC03)2) всегда присутствовуют в почвах степей, саванн и пустынь, во многом определяя направление почво­ образования.

Наряду с перечисленными макроэлементами в почве в очень не­ больших количествах присутствуют рассеянные элементы и ми­ кроэлементы, чрезвычайно, однако, важные для жизнедеятельно­ сти растений. Валовое содержание этих элементов в основном связа­ но с содержанием в почве первичных минералов, отчасти глинистых минералов и органического вещества.

Наблюдается следующая приуроченность важнейших микроэле­ ментов и рассеянных элементов к первичным минералам: Ni, Со, Zn — авгит, биотит, ильменит, магнетит, роговая обманка; Си — ав­ гит, апатит, биотит, гранаты, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы; V —авгит, биотит, ильменит, мусковит, роговая обманка, сфен; РЬ — авгит, апатит, биотит, калиевые полевые шпаты, мусковит; Li — ав­ гит, биотит, роговая обманка, турмалин; В — турмалин; Zr — цир­ кон; редкоземельные элементы — эпидот, монацит.

Носителями микроэлементов и рассеянных элементов в крупной фракции почв могут быть также зерна кварца и обломки содержащих кварц пород, так как в них нередко встречаются субмикроскопические вкрапления перечисленных первичных минералов.

1.4.3. И зм ен ен и я х и м и ч ес к о го с о с т а в а п о ч в

ВПРОЦЕССАХ ГЕНЕЗИСА

Вцелом химический состав почвы наследуется от материнской горной породы, которая в процессе почвообразования преобразуется, обогащается химическими элементами органического вещества (С, О, Н, N, Р и др.), а также минеральными элементами-биофилами. По­ этому особой спецификой химического состава отличаются верхние гумусоаккумулятивные горизонты.

Химический состав почв оказывает чрезвычайно большое влияние на их плодородие, как непосредственно, так и определяя те или иные свойства почвы, имеющие решающее значение в жизни растений. С одной стороны, это может быть дефицит тех или иных элементов пи­ тания растений, например фосфора, азота, калия, железа, некоторых

микроэлементов; с другой — токсичный для растений избыток, как

вслучае засоления почв.

Впроцессе почвообразования происходят весьма существенные преобразования химического состава исходных почвообразующих по­ род, связанные с рядом почвенных процессов и антропогенным воз­ действием:

1)переход химических элементов из одних соединений в другие в связи с трансформацией первичных минералов во вторичные;

2)вынос химических элементов с почвенными растворами за пре­ делы профиля почвы и коры выветривания при постоянном промывании почвы атмосферными осадками;

3)перераспределение химических элементов между генетическими горизонтами в процессах элювиально-иллювиальной дифферен­ циации почвенного профиля;

4)накопление химических элементов за счет притока их с грун­ товыми водами при образовании засоленных почв;

5)антропогенное загрязнение почв при поступлении элементов из атмосферы с осадками;

6)антропогенное загрязнение почв при использовании ядохими­

катов и минеральных удобрений.

При оценке изменения валового состава почв в процессе почво­ образования принято использовать молярные отношения кремнезема (Si02) к полуторным окислам (R20 3) или отдельно к А120 3 и Fe20 3.

Потеря кремнезема и накопление окисей алюминия и железа хоро­ шо иллюстрируются расчетом молярных отношений Si02: А120 3 или Si02: R20 3 в и л и с т о й фракции почв и пород.

С.В. Зонн предложил следующее разделение коры выветривания по молярным отношениям Si02: R20 3 в илистой фракции:

Аллитные (S i02: R20 3 < 2,5) с подразделением на аллитные (А12Оэ резко преобладает над Fe20 3), ферраллитные (А12Оэ преоб­ ладает над Fe20 3) и ферритные (Fe20 3 преобладает над Si02 и А12Оэ не только в илистой фракции, но и в коре в целом);

Сиаллитные (Si02: R20 3 > 2,5) с подразделением на сиаллитные и феррсиаллитные. Для последних характерно суженное отношение Si02: Fe20 3.

1.5. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ

Органическое вещество почв представлено органическими остат­ ками живых организмов, продуктами их метаболизма, а также спе­ цифическими органическими соединениями, носящими название по­ чвенного гумуса. По современным представлениям все органические вещества, находящиеся в почвенной массе генетических горизонтов, делятся на две группы.

■Неспецифические, т. е. вещества не почвенного происхожде­ ния, а имеющие фито-, зоо-, микробоценотическую природу и поступающие в процесс почвообразования как отмирающая био­ масса (органические остатки) и как продукты жизнедеятельно­ сти живых организмов.

■Почвенный гумус или специфические органические вещества почвенно-генетической природы, присущие только почвам.

Ввещественном составе почв органическим соединениям при­ надлежит особая роль, поскольку гумусообразование и гумусонакопление связано только с почвообразовательным процессом и не на­ следуется, как правило, от материнской почвообразующей породы, хотя, безусловно, материнские породы влияют на состав и свойства

1.5.1. Н е сп ец и ф и ч ес к и е о рган и ч еск и е

СОЕДИНЕНИЯ ПОЧВ

Из массы органических веществ биологического происхождения в почвоведении широко представлены углеводы (целлюлоза, моносаха­ риды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски и смолы и др. Осо­ бую роль играют ферменты и фенолы.

Разные биологические объекты, поступающие в процесс почвообра­ зования весьма варьируют по химическому составу (табл. 7).

Углеводы — большая группа органических веществ, куда входят моносахариды, дисахариды, крахмал, целлюлоза (клетчатка), геми­ целлюлоза и др. Большая часть приходится на долю целлюлозы. Осо­

Специфические функции углеводов в почве:

•формирование почвенной структуры за счет образования водо­ прочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемых высокой клеящей способностью микробных слизей, обуслов­ ленных различными углеводами;

•образование органоминеральных золей с полуторными окисла­ ми и глинистыми частицами; ускорение выветривания минера­ лов за счет образования хелатных соединений;

•участие в ионнообменных процессах, т. е. значительное влия­ ние на поглотительную способность почвы;

•влияние на питание растений как путем непосредственного по­ глощения (моносахариды), так и косвенным, через образование различных соединений (полисахариды);

•трансформация гумусовых веществ микроорганизмами ускоря­ ется в присутствии углеводов как источника энергии и угле­ рода.

Хотя вопросы о распространении углеводов в почвах, влиянии типа почвы на их содержание и распределение пока изучены недо­ статочно, в целом, можно сделать вывод о существенной роли угле­ водов в почвообразовании.

Гемицеллюлоза сопутствует целлюлозе и составляет 15—30% рас­ тительной массы.

Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бен­ зольных колец с гидроксильными (ОН) и метоксильными (ОСН3) группами, которые входят затем как структурные компоненты гуму­ совых веществ. В растительных остатках содержание лигнина может достигать 35%.

Белки и аминокислоты — главные химические компоненты неспе­ цифических органических веществ, содержащие азот и фосфор. Со­ держание белков в биомассах крайне неодинаково: древесина — <1, сено (трава) — 5—10, грибы — 10—50; бактерии — 40—80%.

В процессах почвообразования эти химические соединения под­ вергаются действию протеолитических и дезаминирующих фермен­ тов. Аминокислоты в почвах могут быть свободными и связанными. Однако в отличии от углеводных соединений количество свободных аминокислот больше содержания связанных, а роль их более суще­ ственна, так как они являются структурными элементами в синтезе белка, субстратом эндогенного дыхания, регулятором ферментатив­

ных реакций. По профилю наблюдается снижение как количества, так и разнообразия состава аминокислот. При этом в сумме свобод­ ных аминокислот возрастает относительное количество нейтральных соединений, устойчивых к минерализации. Одной из особенностей аминокислотного состава почв является корреляция последних с за­ пасами общего и гидролизуемого азота, почвенного гумуса. Таким образом, аминокислоты в почве являются важным звеном в системе

органическое вещество — питание растенийуобеспечивая условия для развития почвообразовательного процесса и возделывания сель­ скохозяйственных растений.

Смолы имеют различное химическое строение. Чаще всего встре­ чаются в хвойных деревьях.

Воски выполняют функции защитных веществ, содержатся в не­ значительных количествах.

Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5—20%), мало в травах и микроор­ ганизмах.

Смолы, воски и дубильные вещества плохо разлагаются в почве, а в некоторых случаях угнетают почвенную микрофлору.

Зольные вещества составляют золу, оставшуюся после сжигания растительных и животных остатков. Содержание зольных элементов в живых объектах варьирует в зависимости от вида, возраста и среды обитания. В растительных остатках золы около 5%, в древесине мало, около 1%, в травах много, около 10%. Основную массу золы состав­ ляют Са, Mg, К, Na, Si, Н, S, Fe, Al, Мп и многие микроэлементы.

Ферменты определяют ферментативную активность почвенной массы, имеют биологическое происхождение и являются обязатель­ ными катализаторами всех биохимических процессов, происходящих при почвообразовании. Очень много ферментов участвуют в катализе процессов расщепления, превращения, минерализации органических веществ неспецифической природы и гумуса.

Фенолы представляют собой особый класс органических соеди­ нений. Фенольные соединения присутствуют во всех трех фазах по­ чвы и участвуют в биологических, гидрологических, геологических, химических, биохимических и физико-химических процессах, про­ исходящих в почве, подвергаясь многообразным метаморфозам био­ тического и абиотического синтеза и разложения. Вещества феноль­ ной природы принимают участие в образовании органо-минеральных

ная только для почвенных образований. Гумус образуется из веществ растительных, животных и микробных остатков во взаимодействии с комплексом компонентов окружающей среды.

Теория гумусообразования в мировом почвоведении разработай^ благодаря трудам В.В. Докучаева, П.А. Костычева, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, С.А. Ваксмана, Л.Н. Александровой, Д.С. Ор­ лова и других исследователей. Раскрыта его огромная планетарная роль в биосферных явлениях как величайшего аккумулятора солнеч­ ной энергии на земном шаре. Гумус определяют как интегральный показатель плодородия почв. Органическое вещество почв по сво­ им функциям разнообразно и сложно, с ним связано формирование почвенного плодородия, рост и развитие растений. Но, чтобы стать условием жизни связанных с почвой организмов, гумус сам прежде всего должен являться производным живого вещества.

Главные продукты гумификации, от которых непосредственно за­ висит формирование разных свойств почв и типов почвообразования, представлены гуминовыми и фульвокислотами.

К сожалению, несмотря на выдающиеся достижения химии, сейчас нельзя вывести определенную химическую формулу гуминовой кис­ лоты или фульвокислоты, так как это группы химических соединений переменного состава. Однако они состоят из одинаковых структурных элементов. Количество которых в молекулах варьирует:

1.Ароматическое ядро у гуминовых кислот или ароматические участки у фульвокислот.

2.Азот и фосфорсодержащие компоненты. При разложении гу­ мусовых кислот обнаружено большое разнообразие составля­ ющих их аминокислот, в том числе и ароматических. Уста­ новлено, что все потенциальные запасы азота сосредоточены в органическом веществе. В нем же содержится и 50% запасов фосфора.

3.Различные функциональные группы соединений: карбоксиль­ ные, фенольные, спиртовые, метоксильные и др. Водород функциональных групп способен к реакциям замещения. Имен­ но благодаря функциональным группам гумусовые кислоты мо­ гут обменно поглощать из окружающей среды катионы и обра­ зовывать коллоидные комплексы.

4.Углеводородные цепи.

Молекулы гумусовых кислот имеют как бы рыхлое, губчатое стро­ ение, со множеством внутренних пор, отличаются гидрофильностью и высокими сорбционными свойствами. Их элементный состав при­ веден в табл. 8.

Таблица 8

Элементный состав гумусовых веществ, % на сухую безэольную навеску

Гумификация совершается в определенных условиях окружающей среды. В связи с разнообразием этих условий конечные продукты гу­ мификации также неодинаковы. Обычно, отмечая разнообразие усло­ вий среды, подчеркивают следующие факторы гумификации: масса растительных остатков, химический состав гумифицирующихся ве­ ществ, режим влажности и аэрация почв, реакция среды и окисли­ тельно-восстановительные условия, интенсивность деятельности ми­ кроорганизмов, гранулометрический состав и другие особенности ми­ неральной части почв.

Одни и те же условия могут иногда оказывать противополож­ ное влияние на процесс гумификации. Например, обогащение почв кальцием при благоприятных условиях активизирует микрофлору и ускоряет процессы трансформации растительных остатков, но одновременно повышает устойчивость органических соединений за счет их взаимодействия с кальцием, что может снизить темп гуми­ фикации.

Органические вещества почвы проходят сложный путь преобра­ зования от простого к сложному и от сложного к простому. Еже­ годно в верхних слоях коры выветривания протекает синтез све­ жих гумусовых веществ. Начало этого обусловлено поступлением в почву органических остатков растительного и животного проис­ хождения. В почвоведении данное явление считается одним из эле­ ментарных почвенных процессов, который свойственен всем типам почвообразования.

Установлена биохимическая сущность гумификации как специфи­ ческого почвенного процесса превращения целлюлозы, белков, лигни­ на и других химических соединений растительных остатков в различ­