ПОЧВА лесники ответы / Voprosy_36-37

7

Вопросы 36-37

Лекция 14. Почва как многофазная полидисперсная система.

1. Твёрдая фаза почвы и её характеристика.

2. Гранулометрический агрегатный состав почвы и его влияние на лесорастительные свойства.

3. Минералогический и химический состав почвы.

4. Газообразная фаза почвы и её воздушные свойства.

5. Характеристика жидкой и живой фаз почвы.

6. Уровни структурной организации почвы: почвенный покров, почвенный профиль, генетический горизонт, агрегат (пед), механический элемент (гранула).

Почва – самостоятельное естественно-историческое органо-минеральное образование, возникающее на поверхности земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды, воздуха и имеющее специфические структуру и свойства, создающие условия для роста и развития растений.

Почва – это многофазное природное тело, вещество которого представлено следующими физическими фазами: твёрдая, жидкая, газообразная и живое вещество, населяющих почву организмов.

Твёрдая фаза почвы – это её основа, матрица, формирующаяся в процессе почвообразования из материнской горной породы и в значительной степени унаследующая её свойства. Это полидисперсная и поликомпонентная органо-минеральная система, образующая твёрдый каркас почвенного тела. Она состоит из остаточных минералов горной породы и вторичных продуктов почвообразования – растительных остатков, продуктов их частичного разложения, гумуса, вторичных глинистых минералов, простых солей и оксидов, элементов, освобождённых при выветривании на месте или принесённых со стороны агентами геохимической миграции, различных почвенных новообразований. Твёрдая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также сложением, структурой и порозностью.

Гранулометрический состав почв. Твёрдая фаза почвы состоит из частиц различной величины, которые называются механическими элементами. Они находятся в почве в свободном (песок) и агрегатном состоянии (когда отдельные частицы соединены в структурные отдельности разной формы, размера и прочности) и в различном соотношении. Свойства механических элементов изменяются в зависимости от их размеров. Близкие по свойствам и размеру частицы группируются во фракции.

Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией механических элементов. Относительное содержание в почве фракций механических элементов, выраженное в %, называется механическим или гранулометрическим составом.

Таблица 1. – Классификация механических элементов по фракциям

Частицы более 1 мм называются скелетом почвы, менее 1 мм – мелкозёмом.

Отдельные фракции имеют различный минералогический, химический состав, различные физические и химические свойства, поэтому они по-разному влияют на свойства почв.

Камни (>3) образуются из крупных обломков первичных минералов и горных пород, обладают «провальной» водопроницаемостью. В зависимости от содержания частиц более 3 мм (% от массы почвы) почвы разделяются по степени каменистости: некаменистые – 0,5%, слабокаменистые – 0,5-5%, среднекаменистые – 5-10%, сильнокаменистые - >10%. По типу каменистости почвы могут быть валунные, щебенчатые, гравийные галечниковые.

Гравий (3-1) состоит из обломков первичных минералов и придаёт почвам неблагоприятные свойства: «провальную» водопроницаемость, отсутствие водоподъёмной способности, низкую влагоёмкость, что неблагоприятно для произрастания растений.

Песчаная фракция состоит из обломков первичных минералов, преимущественно кварца и полевых шпатов, обладает высокой водопроницаемостью, плохо удерживает воду, не набухает, не пластична, но в отличие от гравия обладает некоторой капиллярностью и влагоёмкостью. Поэтому природные пески, особенно мелкозернистые, пригодны для выращивания культур. Для лесных культур пригодны пески с полевой влагоёмкостью не менее 3-5%, для сельхозкультур – не менее 10%.

Пыль крупная и средняя (0,05-0,005). По минералогическому составу фракция крупной пыли (0,05—0,01 мм) мало отличается от песчаной, поэтому обладает некоторыми физическими свойствами песка: не пластична, слабо набухает, обладает невысокой влагоемкостью. Фракция средней пыли (0,01—0,005 мм) имеет повышенное содержание слюд, придающих ей повышенную пластичность, связность, что определяет её лучшую водоудерживающую способность. Она обладает слабой водопроницаемостью, не способна к коагуляции, не участвует в структурообразовании и физико-химических процессах, протекающих в почве. Почвы, обогащенные фракцией крупной и средней пыли, легко распыляются, заплывают и уплотняются, отличаются слабой водопроницаемостью.

Пыль мелкая (0,005—0,001 мм) характеризуется относительно высокой дисперсностью, содержит значительное количество вторичных минералов, что определяет такие её свойства как пластичность и липкость. Она способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. Однако обилие тонкой пыли в почвах в свободном, неагрегированном состоянии придает почвам такие неблагоприятные свойства, как низкая водопроницаемость, большое количество недоступной воды, высокая способность к набуханию и усадке, липкость, трещиноватость, плотное сложение.

Ил (<0,001 мм) состоит преимущественно из высокодисперсных вторичных минералов, очень сильно разбухающих в воде и почти не пропускающих воду и воздух. Из первичных минералов встречаются кварц, ортоклаз, мусковит.

Илистая фракция обладает высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса и элементов зольного и азотного питания растений, и имеет большое значение в создании почвенного плодородия. Она определяет направленность физико-химических процессов, протекающих в почве, играет особо важную роль в структурообразовании и формировании водно-физических и физико-механических свойства почвы. Илистые частицы обладают коллоидными свойствами и в основном удерживают в поглощённом состоянии элементы питания. Структурная почва даже при высоком содержании ила характеризуется благоприятными физическими свойствами.

Таким образом, с уменьшением размера механических элементов значительно изменяются их свойства, которые претерпевают довольно резкие изменения на рубеже 0,01 мм, затем 0,005 и 0,001 мм. Это позволило разделить все механические фракции на две большие группы: физический песок (>0,01 мм) и физическая глина <0,01 мм).

Различные фракции механических элементов имеют неодинаковые свойства, поэтому и почвы и породы в зависимости от их содержания также будут обладать неодинаковыми свойствами.

Все многообразие почв и пород по механическому составу объединяют в несколько групп с характерными для них физическими, физико-химическими и химическими свойствами.

Для характеристики механического состава используют двух- и трёхчленные классификации. В настоящее время для классификации почв и грунтов используют трёхчленную классификацию Н.А. Качинского, в которой выделяют три группы частиц: песок – 1,0-0,05 мм, пыль – 0,05-0,001 мм и ил – менее 0,001 мм. По этой классификации основное наименование по механическому составу производится по содержанию физического песка и физической глины и дополнительное — с учетом других преобладающих фракций; гравелистой (3— 1 мм), песчаной (1—0,05 мм), крупнопылеватой (0,05— 0,01 мм), пылеватой (0,01—0,001 мм) и_иловатой (<0,001 мм).

Однако самое широкое распространение имеет двучленная классификация почв Н.М. Сибирцева и Н.А. Качинского. В основу этой классификации почв и пород положено соотношение физического песка и физической глины.

Таблица 2. – Классификация почв и пород по механическому составу (по Н.А Качинскому)

Классификация составлена с учетом генетической природы почв, способности их глинистой фракции к агрегированию, что зависит от содержания гумуса, состава обменных катионов, минералогического состава. Чем выше эта способность, тем слабее проявляются глинистые свойства при равном содержании физической глины. Поэтому степные почвы, красноземы и желтоземы, как более структурные, переходят в категорию более тяжелых почв при большем содержании физической глины, чем солонцы и почвы подзолистого типа. Так степные почвы (например, черноземы) относят к категории глинистых при 60-75 % содержании физической глины, подзолистые почвы - при 50-65 %, а солонцы - при 40-50 %.

Механический состав почв и почвообразующих пород влияет на интенсивность многих почвообразовательных процессов, связанных с превращением, перемещением и накоплением органических и минеральных соединений в почве, и определяет продуктивность и состав насаждений, а также сельскохозяйственное использование почв. В одних и тех же природных условиях на породах разного механического состава формируются почвы с неодинаковыми свойствами.

Механический состав оказывает существенное влияние на водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, зольных элементов и азота.

Почвы песчаные и супесчаные легко поддаются обработке, обладают хорошей водопроницаемостью и благоприятным воздушным режимом, быстро прогреваются и носят название лёгких Отрицательные свойства - низкая влагоемкость, бедны гумусом и элементами питания растений, обладают незначительной поглотительной способностью, наиболее подвержены ветровой эрозии.

Тяжелосуглинистые и глинистые почвы отличаются более высокой связностью и влагоемкостью, лучше обеспечены питательными веществами, богаче гумусом. Обработка их требует больших энергетических затрат, поэтому их называют тяжелыми. Тяжелые бесструктурные почвы обладают неблагоприятными физическими и физико-механическими свойствами, имеют слабую водопроницаемость, легко заплывают, образуют корку, отличаются большой плотностью, липкостью, часто неблагоприятным воздушным и тепловым режимами.

Лучшим комплексом свойств из бесструктурных и слабо-оструктуренных почв обладают легкосуглинистые и среднесуглинистые почвы. Правильное использование почвы улучшает ее свойства. Коренное улучшение свойств бесструктурных песчаных почв возможно путем глинования, а глинистых — пескования на фоне применения высоких норм органических удобрений.

Механический состав почвы довольно устойчивый признак, унаследованный от почвообразующей породы, Он оказывает влияние на все свойства почвы, в том числе и на лесорастительные. На рыхлых и связных песках в борах растут сосновые насаждения, на супесчаных почвах в суборях – сосновые насаждения с примесью ели, дуба, липы, берёзы и осины, на легкосуглинистых почвах в сураменях и судубравах прекрасно растут сосново-еловые или сосново-дубовые насаждения, на средне- и тяжелосуглинистых почвах в раменях – ельники. Наилучшие условия для роста сосны складываются на супесчаных почвах, для ельников на легко- и среднесуглинистых, для дубрав на средне- и тяжелосуглинистых.

В зависимости от механического состава меняются условия и способы обработки почв, сроки полевых работ, нормы внесения удобрений и приёмы ведения сельского и лесного хозяйства.

Минералогический состав почв представлен первичными минералами (полевые шпаты – 59,5%, кварц – 12%, амфиболы и пироксены – 16,8%, слюды – 3,8%, прочие – 7,9%) и вторичными продуктами почвообразования – растительные остатки, продукты разложения растительных остатков и вторичные минералы (соли – кальцит, магнезит, гипс, галит, фосфаты, нитраты и т.д., гидроокиси кремния, алюминия, железа, марганца, вторичные алюмосиликаты, группа монтмориллонита, каолинита, гидрослюд).

Первичные минералы влияют на физические свойства почвы (связность, липкость, набухание и т.п.), являются резервным источником зольных элементов питания, и источником образования вторичных минералов.

Вторичные минералы – соли, влияют на химический состав почв, их засолённость. Гидроокиси и окиси являются цементом в структурообразовании. Аморфные гидроокиси переводят фосфор в труднодоступное состояние. Глинистые минералы монтмориллонитовой группы влияют на водно-физические свойства почвы. Их свойства малоблагоприятны, так как они содержат большое количество воды, недоступной для растений. В сочетании с гумусовыми веществами образуют водопрочные агрегаты. Минералы каолинитовой группы не набухают, мало содержат щелочноземельных элементов. Гидрослюды важный источник калия, по своим свойствам близки к монтмориллонитам.

Основную долю крупных фракций почвы составляют первичные минералы (кварц и полевые шпаты), а в илистой и тонкопылеватой фракциях преобладают богатые железом и алюминием глинистые алюмосиликаты при значительно меньшем содержании других минералов. Распределение химических элементов по отдельным гранулометрическим фракциям также неравномерно в соответствии с различиями в их минералогическом составе. Наиболее высокое содержание кремния в обогащённых кварцем фракциях размером более 0,25 мм, в более тонких фракциях увеличивается участие полевых шпатов и других первичных, в особенности, железосодержащих минералов в связи с чем, растёт содержание железа и алюминия и других элементов. По мере уменьшения фракций закономерно падает содержание кремния и увеличивается содержание полуторных окислов.

Химический состав почв. Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. По химическому составу она существенно отличается от исходных почвообразующих пород.

Главные особенности химического состава почвы – присутствие органических веществ, а в их составе специфической группы – гумусовых веществ, разнообразие форм соединений отдельных элементов и непостоянство (динамичность) состава во времени.

Источник минеральных соединений почвы - слагающие горные породы. Органические вещества поступают в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов, населяющих почву. Взаимодействие органических и минеральных веществ создаёт сложный органо-минеральный комплекс органо-минеральных соединений почвы.

Минеральная часть составляет 80-90% и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10% и менее. В составе почв обнаружены почти все химические элементы. Сравнивая содержание химических элементов в литосфере и почве необходимо отметить, что литосфера почти наполовину состоит из кислорода (47,2%), более чем на четверть из кремния (27,6%). Далее идут алюминий (8,8%), железо (5,15), кальций, магний, натрий, калий (до 2-3% каждого). Восемь названных элементов составляет 99% общей массы литосферы. Такие важные элементы для растений, как С, N, Р, S занимают десятые и сотые доли %. Ещё меньше в земной коре микроэлементов.

Минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород, поэтому по содержанию отдельных химических элементов она сходна с литосферой. В почве, как и в литосфере, на первом месте стоит кислород (49%), на втором кремний (33%), затем алюминий - 7,13%, железо - 3,80%, кальций – 1,37%, натрий -0,63%, калий – 1,36%, магний – 0,63%.

В валовом химическом составе почв преобладает кислород и кремний, в меньшей мере алюминий, в очень небольшом количестве присутствуют Са, Мg, К, Na, другие элементы присутствуют в микроколичествах.

Однако в почве, по сравнению с литосферой, в 20 раз больше углерода (2% против 0,1%) и в 10 раз азота (0,1 против 0,01%). Накопление этих элементов связано с жизнедеятельностью организмов, в которых содержится 18% углерода, 0,3% азота на живое вещество. В почве больше, чем в литосфере, O, H, Si, меньше Al, Fe, Ca, Mg, Na, K и других элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования.

Почва наследует геохимические черты исходного материала (рыхлые породы) почвообразующих пород: богатство породы кремнезёмом сказывается на содержании его в почве; почвы развивающиеся на карбонатной породе (лёссе), имеют и больше кальция; засолённость почвообразующей породы – источник засоления почв.

Материнская порода в процессе почвообразования изменяется, и в зависимости от типа почвообразования изменяется содержание и перераспределение по профилю почвы различных химических элементов. Каждый тип почвы приобретает характерную дифференциацию на горизонты с определённым химическим составом.

Существенные различия в валовом химическом составе отдельных горизонтов характерны для почв с элювиально-иллювиально с дифференцированном профилем: относительное обеднение элювиальной части Al₂O₃ и Fe₂O₃, и соответствующим обогащением SiO₂; в иллювиальной части профиля наблюдается обратная картина.

Однако данные химического состава не дают оснований судить о характере процесса, приводящего к профильной дифференциации валового состава.

В частности, одинаковый химический профиль может образоваться в результате: оподзоливания (разрушение минералов в кислой среде сверху и вынос продуктов разрушения в иллювиальную часть или за пределы профиля); обезиливания (вынос тонких частиц) в иллювиальный горизонт без их разрушения); отбеливания (снятие железистых плёнок с крупных частиц сверху и вынос соединений железа в иллювиальную часть); осолодения (разрушение минералов в щелочной среде и вынос в иллювиальный горизонт); глее-элювиального процесса (разрушение минералов в восстановительных условиях вверху и вынос).

Валовое содержание химических элементов в илистой фракции можно рассчитать по формуле, предложенной И.А.Соколовым.

R_x = (1-d/100) · С R_o/100-В ,где

R_x - валовое содержание оксида, приходящегося на долю ила, % на прокалённую почву в целом;

d - потери при прокаливании ила, % к илу;

С- содержание ила, % к мелкозёму;

R_o - валовое содержание оксида в иле, % на прокалённую навеску ила;

В- потери при прокаливании почвы, % к мелкозёму.

Вычитая из общего содержания оксида в мелкозёме значение R_x, получим содержание оксида, приходящегося на долю крупных фракций.

В сравнении с почвообразующей породой верхние горизонты дерново-подзолистых почв обогащены кремнезёмом, меньше содержат окисей алюминия и железа. Состав преобладающих окисей для чернозёмов остаётся неизменным. Для всех почв в отличие от пород характерно накопление органического вещества в верхних горизонтах, с которыми связана аккумуляция биологически важных элементов – углерода и азота, а для многих почв – фосфора, серы, кальция.

Эта особенность химического состава почв подчёркивает их самостоятельную химическую природу, отличающую от горной породы. Изменения, которые претерпевает горная порода, обуславливаются факторами почвообразования. Химический состав почв постоянно изменяется в соответствии с непрерывностью процессов выветривания и почвообразования.

Химические элементы в почвах находятся в различных соединениях.

Кислород входит в большинство первичных и вторичных минералов почв, является одним из основных элементов органических веществ и воды.

Кремний – наиболее распространён в форме кварца (SiO₂). Кремний входит в состав силикатов и при их разрушении в процессах выветривания и почвообразования переходит в раствор в форме анионов орто –(SiO₄)₇^4- и мета – (SiO₃)^2- кремневых кислот, а также силикатов Na и К, частично в форме золя. Одна часть растворённого кремнезёма вымывается их почвы, другая при кислой реакции осаждается в виде гелей (SiO₂ · nН₂О) – аморфных осадков, которые теряя воду, могут переходить в кварц вторичного происхождения. Взаимодействуя с основными полуторными окислами, истинно растворённый и коллоидный кремнезём образует вторичные силикаты. Валовое содержание силикатов в глинистых почвах колеблется от 40 до 70%, в песчаных – 90-98%.

Алюминий находится в почве в составе первичных и вторичных минералов в форме органо-минеральных комплексов и в поглощённом состоянии в кислых почвах.

Образующаяся при разрушении первичных и вторичных минералов гидроокись алюминия при слабощелочной реакции выпадает в виде коллоидных осадков – гелей (Аl₂О₃·nН₂О), переходящих при кристаллизации во вторичные минералы – гиббсит (Аl₂О₃·3Н₂О), белит (Аl₂О₃·Н₂О).

В кислой среде (рН менее 5) гидроокись алюминия становится более подвижной и алюминий в почвенном растворе появляется в виде ионов Аl(ОН)₂⁺, Аl(ОН)²⁺, что отрицательно сказывается на росте растений. Водорастворимая и коллоидная гидроокись алюминия, взаимодействуя с органическими кислотами, образует подвижные комплексные соединения, в форме которых может передвигаться вниз по профилю. Валовое содержание колеблется от 1-2% до 15-20%, в ферралитных почвах тропиков и бокситах может превысить 40%.

Железо – элемент, без которого не образуется хлорофилл. В почвах он встречается в составе первичных и вторичных минералов – силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощённом состоянии, а также в составе органо-минеральных комплексов. Освобождающаяся при выветривании минералов гидроокись железа выпадает в форме аморфного геля Fe₂О₃·nН₂О и переходит при кристаллизации в гетит (Fe₂О₃·Н₂О) и гидрогетит (Fe₂О₃·3Н₂О). В сильно кислой среде (рН менее 3) в почвенном растворе появляются ионы Fe³⁺. В восстановительных условиях окисное железо переходит в закисное с образованием растворимых соединений FeCO₃, Fe(HCO₃)₂, FeSO₄, доступных растениям. Избыток железа угнетает растения. На нейтральных и щелочных почвах растения испытывают недостаток железа, проявляющийся в виде хлороза.

Гидроокись железа, также как и гидроокись алюминия, образует с органическими кислотами подвижные формы комплексных соединений, способных мигрировать вниз по профилю. Общее содержание в почве колеблется от 0,5-1,0% в кварцево-песчаных, 3-5% в почвах на лёссах, до 8-10% в почвах на элювии плотных ферромагнезиальных пород, и 20-50% в ферралитных почвах тропиков (железистые конкреции и прослойки).

С.В.Зонн соединения железа в почвах представил следующими формами:

- силикатное железо, входящее в состав кристаллических решёток первичных минералов и вторичных глинистых минералов;

- несиликатное железо (свободное);

- окристаллизованное оксидов и гидрооксидов;

- аморфных соединений (железистых и гумусо-железистых);

- подвижных соединений (обменных и водно-растворимых).

Азот входит в состав всех белковых веществ, содержится в хлорофилле, нуклеиновых кислотах, фосфатидах и многих других веществах живой клетки.

В почве азот сосредоточен в органическом веществе и его количество находится в прямой зависимости от содержания органического вещества. Содержание азота в почве составляет 1/40-1/20 гумуса. Накопление его в почве обусловлено биологической аккумуляцией. Азот доступен растениям в аммонийной, нитратной и нитритной формах, которые образуются при разложении азотистых органических веществ.

Нитриты практически в почве не содержатся, ион NН₄⁺ легко поглощается почвой с частичным переходом в необменное состояние, NO₃^- находится в почвенном растворе и доступен растениям.

Фосфор входит в состав многих органических соединений, считается «элементом жизни». В почвах фосфор содержится в органических и минеральных соединениях (органические – фитин, нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфатиды, сахарофосфаты; минеральные - солями железа, кальция, магния, алюминия ортофосфорной кислоты) Он входит в состав фосфорита, апатита, вивианита, встречается в форме фосфат-иона.

Сера – в почве находится в форме сульфатов, сульфидов и в составе органического вещества.

Калий– входит в состав кристаллической решётки первичных и вторичных минералов в малодоступной для растений форме. Он содержится в почве в поглощённом состоянии (обменный и необменный) и в форме простых солей. Калия в почве около 2-3%

Кальций и магний в почве находятся в кристаллической решётке минералов, в обменно-поглощённом состоянии и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов, фосфатов). Кальция в почве содержится от 1 до 3%.

Натрий - валовое содержание около 1-3%, присутствует в составе первичных минералов, натрийсодержащих полевых шпатов. В засолённых почвах сухостепной и аридной зон присутствует в виде хлоридов или входит в почвенный поглощающий комплекс.

Титан – содержание в почве не превышает десятых долей процента, присутствует в составе первичных минералов, может накапливаться в составе илистой фракции до 1%.

Углерод в почве содержится в составе гумуса и органических остатков. Много углерода в составе карбонатов. Содержание его колеблется от долей процента в бедных органическим веществом песчаных почвах до 3-5 и даже 10% в богатых гумусированных почвах.

Элементы, содержащиеся в почве в микроколичествах (менее n·10^-3 %) составляют особую группу микроэлементов. К ним относятся В, Mn, Mo, Cu, Zn, Co, J, F и др.

В почве содержатся радиоактивные элементы, которые обуславливают радиоактивность почв. К ним относятся ^235,238U, ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K, ²²²Rn, ⁴⁸Ca, ⁹⁶Zn и др.

Химический состав почв, оказывает большое влияние на их плодородие как непосредственно, так и определяя те или иные свойства почвы, имеющие решающее значение в жизни растений. Недостаток их (дефицит) в питании растений не обеспечивает нормального их роста и развития. Избыток – токсичен для растений.

Жидкая фаза почвы – это вода почве, почвенный раствор, исключительно динамичная по составу и объёму часть почвы, заполняющая её поровое пространство. Содержание и свойства почвенного раствора зависят от водно-физических свойств почвы и от её состояния в данный момент в соответствии с условиями грунтового и атмосферного увлажнения при данном состоянии погоды. В районах с низкими зимними температурами в холодный сезон жидкая фаза почвы переходит в твёрдое состояние, превращаясь в лёд; при повышении температуры часть почвенной воды может испариться, перейдя в газовую фазу почвы. Жидкая фаза – это «кровь» почвенного тела, служит основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как главным образом путём вертикального и горизонтального передвижения воды в почве происходит в ней перемещение тех или иных веществ в виде суспензий и истинных или коллоидных растворов.