Органическое вещество почвы (гумус)

Важной частью почвы является органическое вещество. Органическая часть почвы представляет очень сложный комплекс разнообразных органических веществ.

Одним из главных признаков плодородия почвы является наличие в ней гумусовых веществ, которые обуславливают чёрную, тёмно-серую и серую окраски. Помимо вышеуказанных цветов, соединения окислов железа придают почве красноватый и бурый цвет, от присутствия закисей железа формируются голубовато-зеленоватые тона; кремнезём, углекислый кальций, каолиниты обуславливают белую и белесую окраску. Эти же тона придают почве наличие гипса и некоторых легкорастворимых солей.

Почву по содержанию гумуса и цвету можно условно разделить на следующие категории по плодородию (табл. 2).

Таблица 2. Категории почвы по окраске, содержанию гумуса и плодородию

Окраска почв	Содержание гумуса, %	Категории
Очень чёрная	10–15	Высокогумусная, очень плодородная (m = 0,05 г)
Чёрная	7–10	Гумусная, плодородная (m = 0,1 г)
Тёмно-серая	4–7	Среднегумусная, среднеплодородная (m = 0,2 г)
Серая	2–4	Малогумусная, среднеплодородная (m = 0,3 г)
Светло-серая	1–2	Малогумусная, малоплодородная (m = 0,4 г)

Содержание органического вещества, и в том числе гумуса в пахотном слое разных почв сильно колеблется. Наиболее высоким содержанием органического вещества отличается верхний слой почвы (0-20 см).

Первичными источниками органического вещества почвы и биосферы являются так называемые первичные продуценты, или автотрофы – организмы, способные к самостоятельному синтезу органического вещества из минеральных соединений.

В почву поступают не только органические остатки отмерших растений (первичное органическое вещество), но и продукты их микробиологической трансформации, а также останки животных (вторичное органическое вещество). Сложность и разнообразие органических веществ почвы уже заранее предопределены разнообразием поступающих в почву органических остатков и условиями их дальнейшей трансформации. В составе органического вещества почвы находятся все соединения растений, бактериальной и грибной плазмы, а также продуктов их последующего взаимодействия и трансформации. Схема, характеризующая систему органических веществ почвы, представлена на рис. 6.

Рис. 6. Система органических веществ почвы (по Д.С. Орлову)

Органические вещества почвы представлены в виде веществ органической природы, входящих в состав организмов (живых и мертвых), а также специфических гумусовых веществ.

Неспецифические органические вещества – вещества, встречающиеся не только в почве (углеводы, аминокислоты, белки, органические кислоты, лигнин и др.). Они составляют единицы процентов общего содержания органического вещества почв.

Специфические гумусовые вещества – тёмноокрашенные органические соединения, входящие в состав гумуса и образующиеся в процессе гумификации растительных и животных остатков в основном только почве. В составе гумусовых веществ имеются и гидрофобные, и гидрофильные группы.

Гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, объединенных общностью происхождения, некоторых свойств и чертами строения. На их долю приходится 85-90 % общего количества содержащегося в почвах органического вещества. Перечислим важнейшие характеристики гумусовых веществ:

1) специфическая окраска, варьирующая от темно-бурой, почти черной, до красновато-бурой и оранжевой для различных групп и фракций гумусовых веществ;

2) кислотный характер, обусловленный карбоксильными группами;

3) содержание углерода от 36 до 62 %, азота – от 2,5 до 5% в различных группах и фракциях;

4) наличие во всех группах циклических фрагментов, содержащих 3-6% гетероциклического азота;

5) наличие негидролизуемого азота в количестве 25-35% от общего;

6) большое разнообразие веществ по молекулярным массам, лежащим в пределах от 700-800 до сотен тысяч.

Гумусовые вещества подразделяются на две главные группы, различающихся по составу и свойствам: гуминовые кислоты и фульвокислоты. Кроме того, выделяют еще третью группу – гумины.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных (от бурой до черной) гумусовых кислот, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в минеральных кислотах и воде. Основными компонентами молекулы является ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы. Молекулярная масса гуминовых кислот может достигать десятков и сотен тысяч единиц. Наличие функциональных групп обуславливает очень высокую емкость поглощения катионов. Образующиеся при этом соли гуминовых кислот называются гуматы.

Фульвокислоты – группа светлоокрашенных (от желтой до бурой) гумусовых кислот, сходных по составу и строению с гуминовыми кислотами, но имеющих ряд существенных отличий: более выраженная периферическая часть молекулы и, в меньшей степени ядерная, более низкая молекулярная масса, хорошо растворяются не только в щелочных растворах но и в кислотах, воде, на чем основано их отделение от гуминовых кислот, больше карбоксильных и фенолгидроксильных групп и более высокая емкость катионного обмена. Фульвокислоты обладают большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части почв. При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются соли, которые называются фульваты.

Гумины (негидролизуемый остаток) – совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, очень прочно связанных с минеральной частью почв. При выделении гуминов из почвы и разрушении этих связей происходит гидролитическое расщепление молекул гуминвых и фульвокислот, что не позволяет детально изучить состав этой группы соединений.

Органическое вещество участвует в формировании характерных почвенных признаков, в процессах трансформации, массопереноса, питания растений. Все группы органического вещества выполняют различные роли – агрегатообразование с участием гумусовых и глиногумусовых соединений, взаимодействие гумуса с минералами и формирование микробиологически и термодинамически устойчивых структур; формирование сложения и влияние гумусовых веществ на водно-физические свойства почвы; формирование лабильных миграционноспособных соединений и вовлечение минеральных компонентов почвы в биогеохимический круговорот; формирование сорбционных, кислотно-основных и буферных свойств почвы, источник элементов минерального питания высших растений (N, Р, К, Са, микроэлементов); источник биологически активных веществ в почве, оказывающих влияние на рост и развитие растений, мобилизацию питательных веществ и т.д. (природные ростовые вещества, ферменты, витамины и др.

Органическое вещество почв – это совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и особых новообразованных органических веществ почвы, называемых гумусом.

В органическом веществе почвы всегда присутствует какое-то количество остатков отмерших организмов, находящихся на разных стадиях разложения, живые клетки микроорганизмов, почвенная фауна.

Источники органического вещества в почве

Растения. Источниками органического вещества служат все компоненты биоценоза, которые попадают на поверхность или в толщу почвы и участвуют в процессах почвообразования. Однако в абсолютном большинстве наземных биоценозов наибольшую биомассу и годичный прирост (первичную продукцию) имеют зеленые растения. Эта биомасса (фитомасса) превышает биомассу беспозвоночных животных и микроорганизмов в несколько десятков или сотен раз, а позвоночных животных – в несколько тысяч раз.Запасы фитомассы в различных ландшафтах тундровой зоны варьируют от 150 до 2500 г/м², в таежно-лесной зоне запасы зрелых лесов возрастают до 25-40 тыс. г/м², а травянистая растительность накапливается в количестве 1200-2500 г/м². Роль древесной и травянистой, лесной и степной растительности в процессах почвообразования существенно различается. Под лесом опавшие листья (опад), которые служат главным источником гумуса, поступают преимущественно на поверхность почвы. В меньшей степени в образовании гумуса участвуют корни древесных растений. В хвойном лесу опад содержит много дубильных веществ и поэтому разлагается микроорганизмами очень медленно. Он образует подстилку различной мощности, которая разлагается преимущественно грибами. Формирующиеся здесь почвы отличаются низким содержанием гумуса и высокой кислотностью, они бедны питательными элементами, особенно азотом, и поэтому их плодородие низкое. В смешанных и особенно в широколиственных лесах лиственный опад более мягкий, содержит в своем составе высокое количество зольных элементов, богат азотом. В лесах такого типа в гумусообразовании принимает участие и опад травянистой растительности, который богат зольными элементами, в частности основаниями (карбонатами кальция и магния). Поэтому кислотность почв под такими лесами не столь высока, в них больше азота и других питательных элементов. Соответственно и уровень их плодородия выше. Под пологом степной или луговой растительности наблюдается иной характер превращений органических веществ. В формировании гумуса здесь участвует как надземная биомасса, так и масса корней. Опад травянистой растительности, в отличие от лесного опада, более богат питательными элементами, в частности азотом и основаниями. Поэтому здесь формируются почвы с высоким плодородием. Например, под пологом степной растительности сформировались черноземные почвы с высоким запасом гумуса, а под покровом травянистой растительности поименных террас различные луговые почвы, также отличающиеся высоким природным плодородием.

Животные. Наряду с высшими растениями большое влияние на почвообразование оказывают многочисленные представители почвенной фауны – беспозвоночные и позвоночные, населяющие различные горизонты почвы и живущие на ее поверхности. По размерам особей всех представителей почвенной фауны можно разделить на четыре группы: микрофауна - организмы, размеры которых менее 0.2 мм. Это главным образом простейшие и другие микроскопические животные, обитающие во влажной почве; мезофауна - животные размером от 0,2 до 4 мм. Это клещи, мельчайшие насекомые, некоторые многоножки и черви, приспособленные к жизни в почве, имеющей достаточно влажный воздух; макрофауна - состоит из животных размером от 4 до 80 мм. Это земляные черви, многие насекомые (муравьи, термиты и др.); мегафауна - размеры животных более 80 мм. Это крупные насекомые, крабы, скорпионы, кроты, змеи, черепахи, мелкие и крупные грызуны, лисы, барсуки и другие животные, роющие в почве ходы и норы. Среди почвенных животных преобладают беспозвоночные. Их суммарная биомасса в 1000 раз больше биомассы позвоночных. Функции почвенных животных разнообразны: одна из них -разрушение, измельчение и поедание органических остатков на поверхности почвы и внутри ее. Благодаря механическому дроблению и измельчению поверхность растительных остатков увеличивается в сотни и тысячи раз, что существенно облегчает их дальнейшее разрушение грибами и бактериями. Кроме того, животные затаскивают растительные остатки в глубь почвы, придают ей структуру, усиливают аэрацию и образование органоминеральных соединений. Примером исключительно интенсивного воздействия животных на почву служит деятельность дождевых червей. Чарльз Дарвин писал в 1882 г.: «вряд ли найдутся другие животные, которые играли бы столь большую роль в истории мира, как дождевые черви». Действительно, на площади 1 га черви ежегодно пропускают через свой кишечник в разных почвенно-климатических зонах от 50 до 600 т мелкозема. Вместе с минеральной массой при этом поглощается и перерабатывается огромное количество органических остатков. В среднем масса экскрементов дождевых червей достигает 25 т/га в год. Столь же большую работу по переработке и перераспределению органического вещества осуществляют насекомые и другие животные. Почвенные животные накапливают в своих телах элементы питания, которые после естественной гибели животного возвращаются в почву. Переработанное почвенной фауной органическое вещество служит питательной средой для почвенных микроорганизмов. Экскременты животных образуют зоны повышенной микробиологической активности, где процессы почвообразования идут быстрее, так как в них участвуют бактерии, грибы, плотность которых здесь в десятки раз выше, чем в окружающей почве. Деятельность роющих животных (кротов, землероек, сусликов и др.) оказывает большое воздействие на перемещение масс почвы, на формирование своеобразного микрорельефа.

Микроорганизмы. Невозможно переоценить роль микроорганизмов (бактерий, грибов и водорослей) в трансформации органического вещества и процессах почвообразования. Если высшие растения являются главными продуцентами биологической массы, то микроорганизмам принадлежит основная роль в глубоком и полном разрушении органических веществ. Почвенные микроорганизмы способны разлагать сложнейшие высокомолекулярные соединения до простых минеральных веществ. Поэтому их называют редуцентами, или биологическими деструкторами. В биомассе отмирающих микроорганизмов содержится около 12% азота, 3% фосфора и 2% калия. При ее разложении около трети питательных веществ используют сами микроорганизмы, а две трети растения.

Гумус. Наряду с процессами распада органических остатков и минерализацией органических веществ в почве протекает и процесс синтеза гумусовых веществ, или гумуса. По современным представлениям, гумус (в быту мы называем его перегноем) представляет собой комплекс промежуточных продуктов трансформации органических веществ почвы. На этот процесс оказывают влияние все живые организмы, минеральные вещества почвы, водный и воздушный режим, климат и пр. Содержание и состав гумуса служат важными показателями плодородия почв и их устойчивости как компонента биосферы. Гумусовые вещества образуются из «обломков» биоорганических молекул, которые появляются в почве благодаря деятельности ее живого населения. На роль органических остатков растительного и животного происхождения в образовании перегноя обратил внимание еще М. В. Ломоносов. В работе «О происхождении перегноя» (1761 г.) он писал: от согнития животных и растущих тел со временем» произошли почвы.

Гумус – это источник многих химических элементов, необходимых для питания растений, основа жизни почвенных микроорганизмов и беспозвоночных животных, важнейший фактор почвенного плодородия.

Кроме того, гумус содержит большое количество физиологически активных веществ, а его содержание в почве определяет интенсивность поступления СО₂ в приземный слой воздуха, а значит, эффективность фотосинтеза растений. Однако в последние десятилетия было обнаружено, что ведение сельского хозяйства без заботы о поддержании запасов гумуса в почве привело к заметному их сокращению. Так, в наших черноземах, где не применялось травосеяние и внесение органических удобрений, по сравнению сданными полученным 100 лет назад В. В. Докучаевым, содержание гумуса сократилось на 30%. С запасом гумуса тесно связаны физические свойства почвы. Почвы с высоким содержанием гумуса обладают хорошей структурой, весной они быстрее просыхают и «созревают», то есть становятся пригодными для обработки.

24. Что такое состав гумуса? Чем отличаются гуминовые кислоты и фульвокислоты?

Гумус, состав - Гумус - это сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении органических остатков. Содержание гумуса в почвах определяется условиями и характером почвообразовательного процесса; оно колеблется в верхних горизонтах от 1 - 2 до 12 - 15%, резко или постепенно уменьшаясь с глубиной. В составе почвенного гумуса выделяют специфическую часть (85 - 90 % всего гумуса), представленную гумусовыми веществами, и неспецифическую часть (10 - 15%), представленную негумифицированными органическими веществами. Последние по своему составу могут, быть весьма разнообразны и включать: азотистые соединения (белки, ферменты, аминокислоты), углеводы (моносахариды, олигосахариды, полисахариды), липиды (жиры, воски, фосфолипиды), дубильные вещества (таннины, галловая кислота, флобафены и другие полифенолы), органические кислоты; кроме того, лигнины, смолы, спирты, альдегиды. Гумусовые вещества почвы представлены гуминовыми и фульвокислотами, а также гуминами. Гуминовые кислоты - это высокомолекулярные азотсодержащие (до 3 - 6%) органические кислоты, имеющие циклическое строение, не растворимые в воде и минеральных кислотах, но растворимые в слабых щелочах и некоторых органических растворителях. Гуминовые кислоты состоят из углерода (50 - 62%), водорода (3 - 7%), кислорода (31 - 40%) и азота (2 - 6%). Их элементный состав зависит от типа почвы, химического состава разлагающихся остатков, условий гумификации. Так, гуминовые кислоты в подзолистых почвах в отличие от черноземов и каштановых почв содержат меньшее углерода, но больше водорода. В составе гуминовых кислот может содержаться от 1 до 10 % зольных элементов, однако они не являются постоянными компонентами молекулы, а присоединяются в результате химических реакций. Молекулы гуминовых кислот неодинаковы по размерам и химическому составу. Молекулярная масса их колеблется от 4000 до 100 000, поэтому они легко разделяются на фракции. Гуминовые кислоты в почвах находятся преимущественно в виде гелей, которые под действием минеральных кислот слабо гидролизуются, а под действием щелочей переходят в раствор. Взаимодействуя с минеральной частью почвы, гуминовые кислоты образуют соли - гуматы, сложные органо - минеральные комплексы, которые могут устойчиво и прочно адсорбироваться поверхностью глинистых минералов. Гуматы щелочей (натрия, калия, аммония) хорошо растворимы в воде, образуют истинные и коллоидные растворы, могут вымываться из верхних горизонтов почв, а при соответствующих условиях - иллювироваться в глубину почвенного профиля и там осаждаться и накапливаться. Это хорошо выражено в осолоделых солонцах и солонцеватых почвах. Гуматы кальция и магния нерастворимы в воде и закрепляются в почве в виде гелей. Они способны склеивать и цементировать механические элементы в агрегаты и способствуют образованию водопрочной структуры. Это наблюдается в черноземных, лугово - черноземных и дерново - карбонатных почвах. При взаимодействии гуминовых кислот с несиликатными соединениями образуются сложные органо - минеральные комплексы. Железо с гуминовыми кислотами связывается прочно и в последующем в реакциях обмена не участвует. В комплексах с алюминием часть алюминия проявляет способность к обмену. Образование комплексных соединений гуминовой кислоты способствует ее прочному закреплению в почве. Основная часть гуминовых кислот в любой почве (рН более 5) находится в форме нерастворимых в воде органо - минеральных соединений, а в почвах с кислой реакцией (рН менее 5) - в форме дегидратированных гелей и частично растворяется при действии щелочных растворов, образуя молекулярные и коллоидные растворы. Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические кислоты. Они растворяются в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, пирофосфата натрия и водном растворе аммиака, образуя водорастворимые соли - фульваты. Кроме того, они растворяются во многих органических растворителях. Их растворы в зависимости от концентрации имеют окраску от соломенно - желтой до оранжевой. Водные растворы их обладают сильнокислой реакцией (рН 2,2 - 2,8). Фульвокислоты состоят из углерода, водорода, кислорода и азота, но меньше, чем гуминовые кислоты, содержат углерода и больше кислорода. В среднем в фульвокислотах содержится углерода 40 - 52 %, водорода 4 - 6 %, кислорода 40 - 48 % и азота 2 - 6 %  Фульвокислоты благодаря сильнокислой реакции и хорошей растворимости в воде энергично разрушают минеральную часть почвы. Фулызатные соли (фульваты) щелочных и щелочно - земельных металлов хорошо растворимы. Комплексные соединения фульвокислот с железом и алюминием также частично растворимы, причем фульватно - железистые сильнее, чем комплексы с алюминием. Степень подвижности таких комплексных соединений зависит от насыщенности их металлом. При высокой насыщенности комплекс становится нерастворимыми ыпадает в осадок. Гумины представляют ту часть гумуса, которая не извлекается из декальцинированной почвы щелочами. Они почти полностью извлекаются при попеременном воздействии на остаток почвы с гуминами различных кислот и щелочей. Исследования показали, что в большинстве случаев гумины состоят из тех же групп гуминовых и фульвокислот, что и извлекаемые щелочью из гумуса. Эти кислоты в гуминах находятся в сложных и проч ных связях как между собой, так и с минеральной частьюпочвы. В группу гуминов входят также инертные карбонизированные углистые частицы и неполностью гумифицированные органические остатки. Содержание гуминов в гумусе составляет 15 - 20%, а в некоторых почвах даже 40 - 48 %.

24. Трансформация органического вещества?

Трансформация органических веществ или их микробная деструкция, используемая человеком в процессе народнохозяйственной деятельности, становится возможной потому, что многие микроорганизмы способны удовлетворять свои пищевые потребности за счет углерода и азота разнообразнейших органических соединений, в том числе и синтетических, а энергетические за счет утилизации химической энергии, освобождаемой при трансформации либо расщеплении этих органических веществ на более простые. [1]

Биологический процесс трансформации органических веществ при сбраживании осуществляется комплексом микроорганизмов, ведущая роль в котором принадлежит группе метанообразующих бактерий. Культивирование микроорганизмов этой группы представляет основную задачу службы эксплуатации. Устойчивый ход процесса обеспечивается выполнением ряда режимных параметров, важнейшими из которых являются нагрузка, сохранение и воспроизводство биомассы, условия перемешивания и поддержания температуры бродящей массы. [2]

При разработке моделей трансформации органических веществ в экосистемах необходимо учитывать, что она связана с совокупностью чрезвычайно разнообразных физических, химических, биохимических и биологических процессов. [3]

Наряду с рассмотренными явлениями трансформации органических веществ и почвенных минералов следует отметить еще ряд процессов превращения некоторых элементов под влиянием специфических групп микроорганизмов. К ним относятся процессы окисления и восстановления элементов переменной валентности - азота ( нитрификация и денитрификация), железа, серы ( сульфофикация и де-сульфофикация), марганца и ряда других элементов. Подробно биохимическую сущность этих процессов рассматривают в курсе микробиологии. [4]

24. Как влияет гумус на физические, физико-механические свойства почвы?

Физико-механические свойства почвы

К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, усадка, связность, твердость и сопротив­ление при обработке.

Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и сохранять эту форму впоследствии.

Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют состав колло­идной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гуму­са. Например, при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием — снижается. При высо­ком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость — способность почвы прилипать к различным поверх­ностям. В результате прилипания почвы к рабочим частям ма­шин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении. Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение натрием — увеличению липкости. С липкостью свя­зано такое агрономическое и ценное свойство почвы, как физичес­кая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипа­ет к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спе­лости.

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим содер­жанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много поглощенного кальция. Набухание может вы­звать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы мо­гут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных отдельностей.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это об­ратный процесс набуханию. При высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.

Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические показатели, как сумма энергетичес­ких затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ ма­шин и орудий.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему уси­лию, стремящемуся разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы. Связность определя­ет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает поч­ва проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство специальными приборами — твердоме­рами. Высокая твердость является признаком плохих физико-хи­мических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влия­ет на сопротивление при обработке.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подреза­ние пласта, его оборот и трение о рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удель­ное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.

24. Перечислите мероприятия, обеспечивающие положительный баланс гумуса?

К основным мероприятиям, способствующим накоплению гумуса в почве, относят: внесение навоза, компостов на торфяной основе, применение зеленого удобрения (люпин, сераделла). Сохранению и накоплению гумусовых веществ в почве способствуют также мероприятия по предотвращению водной иветровой эрозии почв, возделывание многолетних трав, использование пожнивных остатков. При правильной системе земледелия идет накопление или сохранение запасов гумуса. Установлено, что для поддержания положительного гумусового баланса следует ежегодно вносить органические удобрения: на дерново-подзолистых почвах 30...40 т/га, на черноземных почвах 10... 12 т/га.

Потеря почвенного плодородия чаще всего связана с уменьшением запасов гумуса. Дело в том, что гумус не только накапливается, но и разлагается. При низкой культуре земледелия процессы разложения, дегумификации преобладают над процессами накопления гумуса, в результате гумусовый баланс становится отрицательным. При частом рыхлении пахотного слоя почвы увеличиваются аэрация и интенсивность микробиологического разрушения гумуса. При систематическом применении органических удобрений даже на наиболее бедных подзолистых почвах постепенно возрастают запасы гумуса и устанавливается положительный гумусовый баланс.

24. Что называют «скелетом» и «мелкоземом» почвы? Что означает понятие «механический элемент», «физический песок», «физическая глина»?

Пространственное распространение почв и их свойства отображают на специально создаваемых почвенных картах и в сопроводительных документах к ним. На основе материалов почвенного обследования составляют аналитические карты (называемые также картограммами), на которых разными цветами показывают ареалы различных значений кислотности. Данные агрохимических картограмм используют для составления схемы удобрения полей и проведения известкования.

Почвенные (органические, минеральные, органоминеральные) частицы получили названиемеханических элементов.

Свойства механических элементов зависят от их размера. Близкие по размеру, а следовательно, и по свойствам частицы группируют по фракциям. Группировка частиц по фракциям называетсяклассификацией механических элементов (табл.).

Классификация механических элементов (по Н.А. Качинскому)

Фракция	Размер фракции, мм	Фракция	Размер фракции, мм
Камни	более 3	Ил грубый тонкий	0,0005.„0.001 0,0001...0,0005
Гравий	1...3
Коллоиды	менее 0,0001
Песок		Пыль
крупный	0,5...1	крупная	0,01....0,05
средний	0,25-0,5	средняя	0,005...0,01
мелкий	0,05...0,25	мелкая	0,001.„0,005

Частицы размером более 1 мм называют скелетной частью, или скелетом почвы, менее 1 мм — мелкоземом. Частицы крупнее 0,1 мм образуют физический песок, менее 0,1 мм — физическую глину.

Отдельные фракции по-разному влияют на свойства почв и пород.

Камни (более 3 мм) — крупные обломки горных пород. Наличие камней затрудняет использование сельскохозяйственных машин и орудий и является механическим препятствием для роста и развития растений.

Гравий (1...3 мм). Высокое содержание гравия в почвах придает им провальную водопроницаемость, отсутствие водоподъемной способности, низкую влагоемкость, что неблагоприятно для растений.

Песок (0,05... 1 мм) в отличие от гравия обладает некоторой капиллярностью и влагоемкостью. Почвам он придает высокую водопроницаемость, низкую пластичность, слабое набухание.

Пыль крупная (0,01...0,05 мм) непластична, слабо набухает, имеет низкую влагоемкость.

Так как перечисленные выше фракции обладают рядом сходных свойств, их объединяют в отдельную группу и называют физическим песком.

Пыль средняя (0,005...0,01 мм) имеет повышенную пластичность и связность, неплохо удерживает влагу, но обладает слабой водопроницаемостью. Почвы с высоким содержанием крупной и средней пыли легко распыляются, имеют склонность к заплыванию и уплотнению, отличаются низкой водопроницаемостью.

Пыль мелкая (0,001. ..0,005 мм) имеет высокую дисперсность, способна к структурообразованию, обладает поглотительной способностью, обогащена гумусовыми веществами. Но мелкая пыль придает почвам такие неблагоприятные свойства, как низкая водопроницаемость, способность к набуханию и усадке, липкость, трещиноватость, плотное сложение.

Ил (менее 0,001 мм) обладает высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса, элементов питания. Коллоидная часть фракции активно участвует в структурообразовании.

Пыль средняя, мелкая и ил образуют физическую глину.

24. Дайте определение плотности почвы, плотности твердой фазы почвы?

Среди физических свойств почвы различают ее общие физические, физико-механические, водные, воздушные и тепловые свойства. Физические свойства влияют на характер почвообразовательного процесса, плодородие почвы и развитие растений.

К общим физическим свойствам относятся плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость.

Плотностью почвы называют массу единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженную в граммах на кубический сантиметр. Плотность почвы, г/см³, вычисляют по формуле

d_v= m/V.

где m — масса абсолютно сухой почвы, г; V — объем, занимаемый образцом почвы, см³.

Плотность почвы зависит от гранулометрического и минералогического составов, структуры, содержания гумуса и обработки. После обработки почва вначале бывает рыхлой, а затем постепенно уплотняется, и через некоторое время ее плотность мало изменяется до следующей обработки. Самую низкую плотность имеют верхние гумусированные и оструктуренные горизонты. Для большинства сельскохозяйственных культур оптимальная плотность почвы составляет 1,0... 1,2 г/см³.

Плотность твердой фазы почвы — это масса сухой почвы в единице объема твердой фазы почвы без пор. Ее вычисляют, г/см³, по формуле

d = m/V_s.

где m — масса сухой почвы, г; V_s — объем, см³.

В малогумусных почвах и в нижних минеральных горизонтах плотность твердой фазы составляет 2,6...2,8 г/см³. С увеличением содержания гумуса плотность твердой фазы уменьшается до 2,4...2,5 г/см³, а в торфяных почвах — до 1,4...1,8 г/см³. Плотность твердой фазы используют для расчета пористости почвы.

От плотности почвы зависят поглощение влаги, воздухообмен в почве, жизнедеятельность микроорганизмов и развитие корневых систем растений. Ниже приведена оценка плотности пахотного слоя почвы (по Н.А. Качинскому).

Плотность почвы, г/см3	Оценка
< 1,0	Почва вспушена или богата органическим веществом
1,0..1,1	Свежевспаханная почва
1,2..1,3	Пашня уплотнена
1,3..1,4	Пашня сильно уплотнена
1,4..1,6	Типичное значение для подпахотных горизонтов
	различных почв (кроме черноземов)
1,6...1,8	Сильно уплотненные иллювиальные горизонты

Пористость (скважность) почвы — это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Пористость (общую) вычисляют по показателям плотности почвы и плотности твердой фазы и выражают в процентах к общему объему почвы:

P_общ.=(1-d_v /d)100

где d_v — плотность почвы, г/см³; d — плотность твердой фазы почвы, г/см³.

Пористость зависит от гранулометрического состава, структурности, содержания органического вещества. В пахотных почвах пористость обусловлена обработкой и приемами окультуривания. При любом рыхлении почвы пористость увеличивается, а при уплотнении уменьшается. Чем структурнее почва, тем больше общая пористость.

Размеры пор, в совокупности образующих общую пористость почвы, варьируют от тончайших капилляров до более крупных промежутков, которые не обладают капиллярными свойствами. Поэтому наряду с общей пористостью различают еще капиллярную и некапиллярную пористость почвы. Капиллярная пористость характерна для ненарушенных суглинистых почв, а некапиллярная — для структурных и рыхлых почв.

Поры могут быть заполнены водой или воздухом. Капиллярные поры обеспечивают водоудерживающую способность почвы, от них зависит запас доступной для растений влаги. Некапиллярные поры увеличивают водопроницаемость и воздухообмен. Устойчивый запас влаги в почве при одновременном хорошем воздухообмене создается в том случае, когда некапиллярная пористость составляет 55...65 % общей пористости. В зависимости от общей пористости в вегетационный период для суглинистых и глинистых почв дают качественную оценку пористости почв. Далее приведена качественная оценка пористости почв по Н. А. Качинскому.

Пористость почвы обеспечивает передвижение воды в почве, водопроницаемость и водоподъемную способность, влагоемкость и воздухоемкость. По общей пористости можно судить о степени уплотнения пахотного слоя почвы. От пористости в значительной степени зависит плодородие почв.

Плотность (объемная масса) почвы — масса абсолютно сухой почвы при ненарушенном сложении (со всеми имеющимися в почве порами) в единице объема. Плотность выражается в г/см³. Значения плотности почвы изменяются в пределах от 0,4 до 1,8 г/см³ и зависят от механического состава, количества органического вещества и структуры почвы.

Оптимальная плотность для большинства культур равен 1-1,2 г/см³. При этих значениях плотности создаются наиболее благоприятные водный, тепловой, воздушный и питательный режимы в плодородном слое почвы, а также наиболее оптимальные условия для корневой системы. Разные культуры неодинаково реагируют на разную плотность. Пропашные культуры формируют свой урожай в почве (картофель, сахарная свекла, морковь и др.) или развивают мощную корневую систему (кукуруза, подсолнечник), поэтому отзывчивы на рыхлую почву, т.е. формируют самый высокий урожай при более низких значениях плотности почвы  (0,9-1,0 г/см³). Озимые культуры (озимая рожь, озимая пшеница) требуют более плотных почв — оптимальные значения плотности 1,1-1,3 г/см³. Под воздействием сельскохозяйственной техники плотность почвы нередко увеличивается на 1,4-1,6 г/см³ , при этом переуплотняется не только пахотный слой, но и подпахотный. Переуплотненная почва оказывает большое сопротивление корням растений, в плотные почвы плохо проникает вода, затрудняется воздухообмен между почвенным и атмосферным воздухом, ухудшается деятельность микроорганизмов, все это ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

Знание плотности почвы позволяет определить пористость, запасы влаги, элементы питания в почве, необходимые при расчете норм полива и количества вносимых удобрений.

24. Перечислите физико-механические свойства почв, дайте им определение?

К физико-механическим свойствам относятся пластичность, липкость, усадка, связность, твердость и сопротив­ление при обработке.

Пластичность — способность почвы изменять свою форму под влиянием внешних сил и сохранять эту форму впоследствии.

Пластичность проявляется только при увлажнении почвы и тесно связана с механическим составом (глинистые почвы пластичны, песчаные — непластичны). На пластичность влияют состав колло­идной фракции почвы, поглощенных катионов и содержание гуму­са. Например, при содержании в почве натрия ее пластичность усиливается, а при насыщении кальцием — снижается. При высо­ком содержании гумуса пластичность почвы уменьшается.

Липкость — способность почвы прилипать к различным поверх­ностям. В результате прилипания почвы к рабочим частям ма­шин и орудий увеличивается тяговое сопротивление и ухудшается качество обработки почвы. Липкость возрастает при увлажнении. Высокогумусированные почвы (например, черноземы) даже при высоком увлажнении не проявляют липкости. У глинистых почв липкость наибольшая, у песчаных — наименьшая. Увеличение степени насыщенности почвы кальцием способствует уменьшению, а насыщение натрием — увеличению липкости. С липкостью свя­зано такое агрономическое и ценное свойство почвы, как физичес­кая спелость. Состояние, когда почва при обработке не прилипа­ет к орудиям и крошится на комки, отвечает ее физической спе­лости.

Набухание — увеличение объема почвы при увлажнении. Оно присуще почвам, содержащим много коллоидов, и объясняется связыванием коллоидами молекул воды. Почвы с большим содер­жанием поглощенного натрия (солонцы) набухают больше, чем содержащие много поглощенного кальция. Набухание может вы­звать неблагоприятные в агрономическом отношении изменения в пахотном горизонте. Вследствие набухания частички почвы мо­гут быть настолько разделены пленками воды, что это приведет к разрушению структурных отдельностей.

Усадка — уменьшение объема почвы при высыхании. Это об­ратный процесс набуханию. При высушивании почвы вследствие усадки появляется трещиноватость.

Связностью и твердостью почвенной массы определяются такие важнейшие технологические показатели, как сумма энергетичес­ких затрат, расход горючего и смазочных материалов, износ ма­шин и орудий.

Связность почвы — способность сопротивляться внешнему уси­лию, стремящемуся разъединить ее частицы. Обусловливается она силами сцепления между частичками почвы. Связность определя­ет твердость почвы, то есть сопротивление, которое оказывает поч­ва проникновению в нее под давлением какого-либо предмета. Определяется это свойство специальными приборами — твердоме­рами. Высокая твердость является признаком плохих физико-хи­мических и агрофизических свойств почвы. Твердость почвы влия­ет на сопротивление при обработке.

Удельное сопротивление — усилие, затрачиваемое на подреза­ние пласта, его оборот и трение о рабочую плужную поверхность. В зависимости от механического состава, физико-химических свойств, влажности и агрохозяйственного состояния земли удель­ное сопротивление почвы изменяется в пределах от 0,2 до 1,2 кг/см2.

Физико-механические свойства почв улучшают химической ме­лиорацией при условии применения передовой агротехники.

24. Категории воды, водные свойства почв?

Вода в почве. Водные свойства, гидрологические константы и режимы

Воде принадлежит важнейшая роль во многих процессах, протекающих в почвах. Это выветривание и образование новых минералов, гумусообразование и бесчисленное множество химических и физико-химических реакций в почвенных растворах, теплорегулирование и т.д.

Наземные растения системой своих побегов постоянно расходуют воду на испарение и транспирацию. Эта вода извлекается корнями растений из почвы. Растения потребляют значительное количество воды на жизненные процессы, рост, образование тканей.

Закономерности состояния и поведения влаги в почве изучали многие исследователи: А.А. Измаильский, Г.Н. Высоцкий, А.Ф. Лебедев, А.Г. Дояренко, С.И. Долгов, Н.А. Качинский, А.А. Роде и др.

Термин “водные свойства” означает совокупность свойств почвы, обусловливающих накопление, сохранение и передвижение воды в почвенной толще. К водным свойствам почвы относятся водоудерживающая способность, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемная способность.

Водоудерживающей способностью называется свойство почвы поглощать и удерживать воду в своем профиле, противодействия стеканию ее под действием силы тяжести. Основными удерживающими воду в почве силами являются сорбционные и капиллярные. Количественно водоудерживающая способность представляет влагоемкость.

Влагоемкость почвы – это максимальное количество той или иной формы (категории) почвенной воды, удерживаемое соответствующими силами в почве.

Это свойство зависит от:

1) гранулометрического состава

2) минерального состава и гумусированности

3) состояния увлажненности,

4) структуры и пористости,

5) температуры почвы,

6) концентрации и состава почвенных растворов,

7) степени окультуренности,

а также от других факторов и условий почвообразования.

Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв обогащенных гумусом.

Водопроницаемость почвы – это свойство почвы впитывать и пропускать через свой профиль поступающую с поверхности воду.

При этом различают поглощение, впитывание воды почвой, когда вода заполняет поры и пустоты сухой почвы, передвигаясь от генетического горизонта к горизонту (1 стадия), и фильтрацию, когда свободная вода проходит сквозь толщу насыщенной влагой почвы под воздействием силы тяжести и градиента напора (2 стадия). Водопроницаемость связана с гранулометрическим составом и оструктуренностью почвы.

Водоподъемная способность почвы – это свойство почвы вызывать восходящее передвижение, содержащийся в ней влаги за счет капиллярных сил.

Высота подъема воды в почвах и скорость ее передвижения зависят в основном от:

1) гранулометрического состава

2) структурного состояния

3) пористости почв

Высота капиллярного поднятия воды возрастает по мере уменьшения диаметра капиллярных пор. Поэтому водоподъемная способность песчаных почв составляет 0,5-1 м, супесчаных 1,0-1,5 м, суглинистых – 3-4 м, лессовидных пород – 4-5 м. В бесструктурных глинистых почвах, несмотря на наиболее мелкий размер капилляров, по сравнению с почвами иного гранулометрического состава, водоподъемная способность снижается, поскольку капилляры заполнены преимущественно связанной водой.

Благодаря водоподъемной способности почвы растения дополнительно снабжаются влагой, поступающей из грунтовых вод. Это особенно важно в засушливых регионах. Однако, при близком залегании грунтовых вод к поверхности, может произойти заболачивание, а когда они минерализованные – засоление почв.

Особой характеристикой воды в почве является ее влажность.

Влажность почвы (весовая) – количество воды, находящейся в данный момент в почве, приходящееся на единицу массы абсолютно сухой почвы.

Влажность почвы (объемная) – количество воды, находящейся в данный момент в почве, приходящееся на единицу объема абсолютно сухой почвы.

Формула расчета влажности почвы:

Влажность почвы = (масса испарившейся влаги / масса сухой почвы) × 100, %

Важно отметить особенность традиционного почвенного подхода, когда расчет влажности ведется именно на абсолютно сухую навеску. Поэтому, если встречаются значения влажности > 100 % (при процентном выражении доли воды к весу абсолютно сухой почвы), значит, речь идет об оторфованных почвах, торфах, лесных подстилках, степном войлоке, когда вес абсолютно сухого веществ значительно меньше, чем вес влаги вмещающимся в нем.

Обычные же минеральные почвы имеют, как правило, диапазон изменения влажности от долей до 50 % к весу.

Запас воды в почве рассчитывают:

В м³/га = (W1×Н1) + … (Wn×Нn),

В мм = В м³×0,1

где W1, Н1 – соответственно полевая влажность в % от объема и мощность первого слоя в колонне;

24. Перечислите типы водного режима почвы в разных природных зонах, охарактеризуйте их.

Водным режимом почвы называют совокупность всех процессов поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания и расхода. Количественной характеристикой водного режима почвы является ее водный баланс. К основным источникам водного баланса относят осадки и грунтовые воды. Кроме того, дополнительными источниками увлажнения почвы служат поверхностный приток и влага, конденсирующаяся из паров воды. Расходные статьи водного баланса состоят из физического испарения воды поверхностью почвы, влаги, затраченной на транспирацию (десукцию) растениями, воды, теряющейся в результате поверхностного и внутрипочвенного бокового стоков, а также инфильтрирующейся в почвенно-грунтовую толщу.

Типы водного режима почв. В различных почвенно-климатических зонах и на отдельных участках местности водный баланс складывается по-разному. Выделяют несколько основных типов водного режима: застойный (мерзлотный), промывной, периодически промывной, непромывной и выпотной.

Коэффициент увлажнения, показывающий отношение годового количества осадков к испаряемости, используют для установления типа водного режима.

Испаряемость — это количество воды, которое может испариться с открытой водной поверхности за определенный период времени.

Г. Н. Высоцкий установил для различных природных зон следующие коэффициенты увлажнения: лесная — 1,33, лесостепная — 1, черноземная — 0,67, сухие степи — 0,33, пустыни — 0,15.

Застойный (мерзлотный) тип характерен для почв тундры, где многолетняя мерзлота выполняет роль водоупора. Оттаивающая летом почва насыщена влагой большую часть вегетационного периода.

Промывной тип характеризуется ежегодным промачиванием атмосферными осадками всей почвенной толщи до грунтовых вод. Этот тип водного режима свойствен почвам таежно-лесной зоны, влажных субтропиков и тропиков, где осадков выпадает больше, чем испаряется влаги из почвы (рис.).

Рис. Схема водного баланса при водном режиме промывного типа (по А. А. Роде):

1 — влага осадков, задерживаемая кронами; 2— поверхностный сток; 3 — физическое испарение и транспирация травяно-моховым покровом; 4— внутрипочвенный сток; 5—транспирация древесным пологом; 6— грунтовый сток; в скобках приведены примерные численные характеристики расходных статей водного баланса

Периодически промывной тип присущ почвам лесостепной зоны и характеризуется промыванием почвы до грунтовых вод в годы, когда сумма осадков превышает испаряемость.

Непромывной тип характерен для черноземов, каштановых, бурых почв и сероземов, где испаряемость превышает сумму атмосферных осадков. Почвы и подстилающие породы никогда не промываются до грунтовых вод. Между верхним промачиваемым слоем и границей капиллярной каймы грунтовых вод находится «мертвый» горизонт с постоянной влажностью, близкой к влажности завядания (рис.).

Рис. Схема водного баланса при водном режиме непромывного типа (по А. А. Роде):

1 — влага осадков, задерживаемая кронами; 2—физическое испарение и транспирация травяным покровом; 3— транспирация древесным пологом

Выпотной тип возникает в засушливых районах, где испаряемость значительно превышает сумму осадков. Недостаток влаги пополняется за счет грунтовых вод. Если грунтовые воды минерализованы, то происходит засоление почв (рис.).

Рис. Схема водного баланса при водном режиме выпотного типа (по А. А. Роде)

В зависимости от водного режима формируются автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные почвы.

Регулирование водного режима почв. Комплекс мероприятий по регулированию водного режима почв проводят для устранения неблагоприятных условий водоснабжения растений. Его разрабатывают с учетом конкретных почвенно-климатических условий.

Болотные почвы требуют осушительных мероприятий путем устройства открытого или закрытого дренажа. Минеральные гидроморфные (заболоченные) почвы, в которых наблюдается длительный застой воды, затрудняющий или исключающий рост и развитие сельскохозяйственных культур, также подлежат осушению. Однако эти почвы можно использовать в сельском и лесном хозяйстве без дренажа, если они находятся на начальном этапе проявления признаков гидроморфизма. Водный режим почв с временным избыточным увлажнением регулируют такими агротехническими приемами, как гребневание, бороздование, выравнивание поверхности почвы и нивелировка микро- и мезопонижений, в которых застаивается вода, и др. При создании глубокого пахотного слоя, рыхлении подпахотного горизонта увеличивается влагоемкость и улучшаются водный, воздушный и питательный режимы в корнеобитаемом слое.

В условиях недостаточного увлажнения применяют различные мероприятия, направленные на накопление, сохранение и рациональное использование влаги в почве. Эффективный способ влагонакопления — задержание снега и талых вод. Лесные полосы, кулисные растения, стерня, валы из снега предохраняют снег от сдувания в зимнее время, увеличивают запасы влаги в почве. Полезащитные лесные полосы также уменьшают испарение влаги с поверхности почвы. Вспашка поперек склона, обваловывание, лункование, прерывистое бороздование и другие приемы способствуют уменьшению поверхностного стока воды. Для снижения физического испарения применяют поверхностное рыхление почвы весной. При бороновании происходит разрыв почвенных капилляров, что обеспечивает «закрытие» влаги и сохранение ее в корнеобитаемом слое.

Основной способ улучшения водного режима в засушливых зонах — орошение. Наряду с регулярным орошением поверхностным, подпочвенным способами и дождеванием большое значение имеют приемы разового лиманного и паводкового орошения, а также влагозарядковые поливы. В каждой природной зоне должен быть дифференцированный подход к выбору способов по регулированию водного режима почв. При этом следует учитывать особенности возделываемых культур. Разные растения для образования единицы органического вещества требуют различное количество воды, то есть они обладают разным транспирационным коэффициентом, который показывает, какое количество воды необходимо для создания единицы сухого вещества. В зависимости от условий влажности он выражается следующими показателями: просо — 270...300, ячмень — 380...500, пшеница — 340...620, овес— 350...660, рожь — 380...700, картофель — 280...450, сахарная свекла - 300...1500, люцерна - 510...1100.

Коэффициент транспирации у различных растений зависит от водного режима, способов обработки почвы, сортовых особенностей растений и других факторов. При этом наблюдается такая закономерность: с увеличением сухости климата транспирационный коэффициент возрастает, а в более влажных северных районах он снижается.

Из приведенных данных видно, что для создания, например, 1 т урожая пшеницы необходимо в среднем 400...500 т воды. Если к этому прибавить еще воду, испаряемую почвой, то понятно, какое огромное количество ее требуется для получения высоких урожаев.

24. Что такое поглотительная способность почвы? Какие виды Вы знаете?

Большую роль в питании растений и в превращении внесенных в почву удобрений играет ее поглотительная способность. Под поглотительной способностью понимается способность почвы поглощать различные вещества из раствора, проходящего через нее, и удерживать их. Основы современных представлений о поглотительной способности почвы были заложены работами академика К. К. Гедройца. Он различал пять видов поглощения в почве.

Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью растений и почвенных микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвы необходимые элементы минерального питания, переводят их в органическую форму и предохраняют тем самым от выщелачивания. После отмирания корней, растительных остатков и тел микроорганизмов происходят их разложение и постепенная гумификация. Минерализация и последующее использование растениями ранее закрепленного в почве в органической форме азота, фосфора и серы протекают довольно медленными темпами.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почвы, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для преобладающих в почве гетеротрофных микроорганизмов. Внесение в почву значительного количества бедного азотом органического вещества (соломы или соломистого навоза) вызывает быстрое размножение микроорганизмов, сопровождающееся интенсивным биологическим, закреплением минеральных форм азота, что приводит к ухудшению азотного питания растений и снижению урожая. В то же время биологическое поглощение способствует закреплению нитратного азота, который никаким другим путем в почве не удерживается и может вымываться, особенно на легких почвах в зонах достаточного увлажнения и орошаемого земледелия.

Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений (фосфоритной муки, извести). Благодаря механической поглотительной способности они не вымываются из верхнего слоя почвы.

Физическая поглотительная способность — это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ. Положительная физическая адсорбция почвой растворимых минеральных солей неизвестна. Отрицательная абсорбация наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов, что обусловливает высокую подвижность их в почве и возможность вымывания из ее верхнего слоя при повышенной влажности. Это имеет положительное значение для Сl^- иона (избыток которого вреден для некоторых растений), но для нитратов оно нежелательно.

Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе).

Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений — суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H₂PO₄)₂, аммофоса NH₄H₂PO₄ и др.- в почвах происходит интенсивное химическое связывание фосфора. В кислых почвах (в подзолистых и красноземах), содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение фосфора идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. В почвах, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы), химическое связывание фосфора происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция.

Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы далее сероземы далее черноземы.

Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность имеет особенно важное значение при взаимодействии удобрений с почвой. Физико-химическое поглощение — это способность мелкодисперсных (от 0, 2 до 0, 001 мкм) коллоидных частиц почвы поглощать из раствора различные катионы. Поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы.

Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами железа и алюминия), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа К. К- Гедройцем почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды.

24. Что такое почвенный поглощающий комплекс и емкость катионного обмена? Назовите почвы насыщенные и не насыщенные основаниями?

Катионообменную способность почв относят к числу фундамен­тальных свойств почвы. Катионный обмен – это обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Реакцию обмена в общем виде можно представить следующим уравнением:

- ППК(М?+) + пМ™⁺ «=t ППК(М™+)„ + тМ?⁺,

где М»⁺ и М™⁺ — обменные катионы; ППК — почвенно-поглощающий комплекс.

 

Почвенно-поглощающий комплекс — материальный носитель катионообменной способности почв.Это понятие объединяет совокупность минеральных, органических и органоминеральных компо­нентов твердой фазы почв, обладающих ионообменной способностью. Катионы, которые входят в состав почвенно-поглощающего комплекса и могут быть замещены в процессе ионного обмена, на­зывают обменными катионами. Наиболее часто в реакции обмена принимают участие катионы Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, А1³⁺.

Одной из важнейших характеристик почвенно-поглощающего комплекса является емкость катионного обмена (ЕКО). В насто­ящее время различают стандартную, реальную и дифференциаль­ную ЕКО.

Стандартная ЕКО – общее количество катионов одного рода, удерживаемых почвой при стандартных условиях и способных к об­мену на катионы взаимодействующего с почвойраствора. При опре­делении стандартной ЕКО почву насыщают ионами Ва²⁺ из буфер­ного раствора с рН = 6,5. После насыщения емкость определяют по количеству поглощенного почвой Ва²⁺ и выражают в смоль(р⁺)/кг (сантимолях положительных зарядов в 1 кг почвы).

Реальную, или эффективную, ЕКО определяют при обработке почвы небуферными растворами солей. О реальной емкости катионного обмена можно судить по сумме обменныхкатионов.

Дифференциальную ЕКО характеризует приращение емко­сти катионного обмена с увеличением рН равновесного раствора: ∆ЕКО/∆рН. Для определения дифференциальной ЕКО почву на­сыщают катионами одного рода из буферных растворов с различ­ными значениями рН (например, 6,5 и 8,2), а затем рассчитывают или общее приращение ЕКО, или ее приращение на единицу рН.

Влияние рН на ЕКО особенно заметно для органической ча­сти почв, поскольку в нейтральной и кислой средах в реакциях обмена будет участвовать только водород карбоксильных групп, а в щелочной среде становится подвижным и водород фенольных ОН-групп.

Величина ЕКО зависит от механического состава почв, пре­обладающей группы минералов и, в первую очередь, от со­держания гумусовых веществ в почвенно-поглощающем ком­плексе. Численное значение ЕКО меняется в широких пре­делах: от нуля (главным образом, для обломков кварца) до 500-900 смоль (р⁺)/кг (для гуминовых кислот). Погло­щающаяспособность почв определяется илистой фракци­ей. Структурные элементы почв с размерами более 0,2-0,5 мм практически лишены способности к катионному обмену.

онятие о почвенном поглощающем комплексе было введено в почвоведение К.К. Гедройцем. Он установил, что почвы содержат некоторое количество катионов, нерастворимых в дистиллирован­ной воде, но легко переходящих в раствор при обработке опреде­ленной навески почвы раствором нейтральной соли (NH₄C1, NaCl, ВаС1₂ и т. д.). При этом часть катионов нейтральной соли поглоща­ется почвой, а взамен поглощенной части в растворе появляются в эквивалентном количестве другие катионы, а в ряде случаев — во­дородный ион. Свойством поглощения катионов из растворов обладают предколлоидная (0,001—0,0001 мм) и особенно коллоидная (<0,0001 мм) фракции.

Вся масса присутствующих в данной почве органических и ми­неральных коллоидов вместе с поглощенными ими ионами называ­ется почвенным поглощающим комплексом, который в свою очередь состоит из двух частей: адсорбентов-коллоидов и адсорбируемых веществ — различных катионов и анионов.

В состав адсорбентов-коллоидов входят, как уже было ранее показано, минеральные, органические и органоминеральные ве­щества. Из минеральных почвенных коллоидов можно назвать следу­ющие.

1. Группа глинистых минералов (монтмориллонит, бейделлит, каолинит, галлуазит, аллофаны и др.). Это отрицательно заряжен­ные коллоиды. В состоянии золя они бесцветны, а в виде геля дают белые и светло-серые осадки. Наиболее гидрофилен из них монт­мориллонит.

2. Гидрат оксида кремния Si0₂ • nН₂0 — также гидрофильный отрицательно заряженный коллоид. В состоянии золя он дает бес­цветные, слабоопалесцирующие растворы, при переходе в гель об­разует белые студенистые осадки, по высыхании превращающиеся в тончайший белый порошок аморфного кремнезема (кремнеземи­стая присыпка).

3. Гидроксид марганца Мп₂0₃ • nН₂0 — отрицательно заряжен­ный коллоид. В состоянии золя он имеет коричневато-бурый цвет. Гель его представляет темно-коричневый осадок, по высыхании превращающийся в темно-коричневые и иссиня-черные конкреции и пленки.

4. Гидроксиды железа Fe(OH)₃ • nН₂0. Это коллоид, обладающий амфолитоидностью. В кислой среде он заряжен положительно, в щелочной — отрицательно. Изоэлектрическая точка лежит около рН 7,0. В состоянии золя он имеет красновато-коричневый цвет. При выпадении в гель дает ржаво-красный осадок, по высыхании превращающийся в темно-бурые и темно-коричневые конкреции.

5. Гидроксиды алюминия А1(ОН)₃ • nН₂0. Так же как и гидрат оксида железа, он представляет амфолитоид. Изоэлектрическая точка наступает при рН 7,0—8,0. В чистом виде дает бесцветный золь и белый хлопьевидный осадок. В природе в чистом виде обычно не встречается и образует растворы и осадки совместно с гидратами оксида железа.

В состав органических почвенных коллоидов входят:

1) коллоиды гумусовых веществ и прежде всего гуминовой кис­лоты; заряжены отрицательно, гидрофильны, в состоянии золя имеют темный красновато-коричневый цвет, в состоянии геля дают тем­но-коричневые, чернеющие при высыхании осадки.

2) тела некоторых очень мелких бактерий, обладающих свой­ством физико-химического поглощения и обмена; у белковых тел в зависимости от реакции среды заряд может быть отрицательным или положительным.

В почвах присутствуют также многочисленные комплексные ми­неральные и органоминеральные соединения коллоидной природы. Комплексный характер коллоидных веществ в почвах объясняется тем обстоятельством, что большинство коллоидов в почвах находится в скоагулированном состоянии. Они образуют клей между более круп­ными частицами почвы. При коагуляции весьма обычно совместное осаждение двух или нескольких веществ и образование коагелей. Весьма обычны кремне-глиноземные и кремне-железистые коагели, железис­то-марганцевые, гумусово-железисто-марганцевые, гумусово-глиноземные и ряд других. Соотношение компонентов в коагелях варьирует в широких пределах, отчего меняются и свойства последних.

Другая составная часть поглощающего комплекса — это погло­щенные коллоидами, способные к обменным реакциям катионы или анионы. Обзор почвенных коллоидов показывает, что большинство из них несет отрицательный заряд и поэтому способно поглощать и обменивать преимущественно катионы.

Лишь в условиях нейтральной и кислой сред некоторые коллои­ды приобретают положительный заряд и почва обнаруживает спо­собность к поглощению анионов, что особенно заметно при обиль­ном содержании гидроксидов железа и алюминия, как это наблюда­ется в красноземах и ферраллитных почвах.

Количество поглощенных катионов изменяется в зависимости от общего содержания коллоидов, соотношения между органичес­кими минеральными коллоидами и от реакции среды.

Можно привести следующие величины емкости обмена глинис­тых минералов (мг-экв на 100 г) (табл. 9.3).

Органические коллоиды обладают значительно большей погло­тительной способностью, чем минеральные. Так, чистый коллоид гуминовой кислоты может поглотить 350—450 мг-экв, а фульвокислоты — 600—700 мг-экв оснований на 100 г почвы. По данным К.К. Гейдройца, в черноземе, содержащем 10 % гумуса, около 50 % емкости обмена обусловлено органической частью. В почве колло­иды составляют лишь часть ее массы (максимум до 20—25 %), гуму­совые вещества исчисляются единицами процентов. Поэтому коли­чество оснований, способных к поглощению и обмену в почвах, значительно ниже, чем в чистых коллоидах.

Таблица 9.3

Величина емкости обмена глинистых минералов

Минералы	Емкость, мг • экв на 100 г почвы
Каолинит	3-15
Галлуазит 2Н20	5-10
Галлуазит 4НгО	40-50
Сепиолит-палыгорскит	20-30
Хлорит	10-40
Иллит	10-40
Монтмориллонит	80-150
Вермикулит	100-150

Таблица 9.4

Время вытеснения поглощенного кальция

Время воздействия, мин	Масса вытесненного Са, г
	0,544
2,5	0,545
	0,544
30 дн	0,543

Максимальное количество поглощенных катионов (мг • экв на 100 г почвы), способных к обмену на другие катионы, называется емкостью поглощения (или обменной емкостью) почв.

В глинистых почвах, богатых органическими коллоидами, ем­кость поглощения достигает 60—65 мг • экв на 100 г, в большинстве почв она составляет 15—35 мгэкв, а в песчаных, бедных коллоида­ми, почвах не превышает часто 2—3 мг экв на 100 г почвы.

Емкость поглощения одной и той же почвы — величина непосто­янная: она изменяется в зависимости от реакции среды, при которой происходит вытеснение и обмен катионов, и от энергии катиона- вытеснителя. В щелочной среде емкость коллоидов-ацитоидов уве­личивается, в кислой — понижается. У коллоидов с положительным зарядом — базоидов — наоборот, повышение электростатического потенциала и емкости поглощения анионов увеличивается в кислой среде.

Реакция обмена при условии высокой влажности протекает с большой скоростью. К.К. Гедройц показал, что при взаимодействии почвы с 1 н. раствором хлористого аммония при различном време­ни воздействия последнего на почву вытесняется следующее коли­чество Са (табл. 9.4).

Таким образом, для полного вытеснения достаточно было одной минуты. Однако оно происходит лишь при широком отношении раствора-вьггеснителя в почве. По данным Н.И. Горбунова, при 38 %-й важности обмен поглощенных Са и Mg на аммоний заканчивается лишь через 10 дн.

Таблица 9.4

Время вытеснения поглощенного кальция

Время воздействия, мин	Масса вытесненного Са, г
	0,544
2,5	0,545
	0,544
30 дн	0,543

Состав поглощенных оснований в почвах достаточно разнооб­разен: в почвах обнаружены поглощенные Са, Mg, К, Na, NH₄, Н и А1. Этот перечень касается лишь наиболее распространенных ионов. В почвенном поглощающем комплексе присутствуют Li, Mn, Rb, Cs, Ti, Ni и др.

Прочность связи поглощенных ионов с коллоидными частица­ми поглощающего комплекса зависит от зарядности катиона, его атомной массы, степени гидратации иона, а также от свойств само­го коллоида. Так, в коллоидных частицах, сохранивших кристалли­ческое строение (как, например, в монтмориллоните), поглощен­ные катионы входят в межплоскостные расстояния кристалличес­кой решетки и вытесняются оттуда с трудом.

 

 

Физическое состояние почвенного поглощающего комплекса в зависимости от состава поглощенных оснований

Состав поглощенных оснований определяет устойчивость погло­щающего комплекса, т. е. его сопротивляемость распыляющему дей­ствию воды.

Катионы по их осаждающему действию образуют следующий ряд (в порядке возрастающего влияния):

Na⁺ < NH⁴⁺ < К⁺ < Н⁺ < Mg²⁺ < Са²⁺ < Ва²⁺ < А1³⁺ < Fe³⁺.

Порядок, который образуют катионы по их влиянию на сопро­тивляемость коллоидов распыляющему действию воды, тот же, в каком эти катионы располагаются по их коагулирующей способно­сти и энергии их вытеснения и поглощения.

Таким образом, почвы, насыщенные двух- и трехзарядными ка­тионами, обладают устойчивым поглощающим комплексом; колло­иды находятся здесь преимущественно в форме водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные частицы; обычно такие почвы обладают хорошей структурой.

Почвы, насыщенные однозарядными катионами, особенно на­трием, легко подвергаются распыляющему действию воды: их кол­лоиды при увлажнении переходят в золь.

Даже при незначительном увлажнении состав поглощенных кати­онов резко сказывается на состоянии почвы благодаря различиям в степени гидратации ионов и коллоидов. В зависимости от состава по­глощенных катионов набухание почвы при увлажнении (выраженное в % от первоначального объема) изменяется в следующих парамет­рах: Н - 5; Са, Ва - 7,7; Mg - 9,3; К - 15,5; Na - 26,8; Li - 50,0.

Если принять степень набухания почвы при насыщении ее водо­родом за единицу, относительное набухание почвы при насыщении другими катионами выразится следующими величинами: Н — 1; Са, Ва - 1,5; Mg - 1,8; К - 3,1; Na — 5,3; Li - 10.

Почвы, насыщенные натрием, при увлажнении набухают, зап­лывают, делаются воздухо- и водонепроницаемыми, при высушива­нии, резком уменьшении объема они разбиваются вертикальными трещинами на отдельные блоки. Все эти явления не наблюдаются, если почвы насыщены Са и Mg, а тем более А1 и Fe.

В природе встречаются кислые почвы, у которых в поглощаю­щем комплексе присутствует большее или меньшее количество по­глощенного водорода. Это почвы, не насыщенные основаниями.

Процентное содержание водорода в общей сумме поглощенных ионов (выраженном в мг экв на 100 г) служит показателем степени ненасыщенности почвы.

Присутствие в поглощающем комплексе ионов водорода, алюми­ния и железа обусловливает появление в почвах обменной кислотно­сти, обнаруживаемой при воздействии на твердую фазу почв не на­сыщенных основаниями растворов нейтральных солей. В результате реакции обмена часть катионов нейтральной соли поглощается твер­дой фазой почвы, а взамен ее в растворе появляется эквивалентное количество ионов водорода и алюминия, находившихся в поглощаю­щем комплексе. Например, при воздействии на почву КС1 в резуль­тате обменных реакций с поглощенным водородным ионом в раство­ре появляется соляная кислота; реакция идет по схеме

(Кол.) Н+ + КС1 -4 (Кол.) К+ + НС1

При обмене с поглощенным алюминием (А1С13 — соль слабого основания и сильной кислоты) в воде она гидролитически расщеп­ляется по реакции

А1С13 + ЗН2ОА1(ОН)3 + ЗНС1

В результате в растворе появляется также соляная кислота, а гид­рат оксида алюминия выпадает в осадок. В случае если почва обра­батывается раствором основной, гидролитически расщепляющейся соли (соли сильного основания и слабой кислоты, например, уксус­нокислым натрием), из поглощающего комплекса можно вытеснить еще некоторое дополнительное количество обменного водорода по сравнению с вытесняемым нейтральной солью. Появляющаяся кис­лотность называется гидролитической.

Обменная емкость поглощающего комплекса почвы и состав обменных катионов определяют буферность почвы — ее способность нейтрализовать кислоты или щелочи и противодействовать измене­нию реакции почвенного раствора. Если в коллоидном поглощаю­щем комплексе почвы находится способный к обмену ион водоро­да, она буферна по отношению к щелочам:

(Кол.) Н⁺ + NaOH -» (Кол.) Na⁺ + Н₂0

если же она содержит способные к обмену основания (кальций, маг­ний, калий), она обладает буферностью по отношению к кислотам:

(Кол.) Са²⁺ +H₂S0₄ -» (Кол.) 2Н⁺ + CaS0₄

Буферность почв по отношению к действию кислот способству­ет также реакции необменного связывания водорода с почвенным гумусом в кристаллических решетках глинистых минералов.

Таким образом, состав поглощенных ионов определяет многие физические и химические свойства почв. Регулируя состав погло­щенных ионов, многие свойства почвы можно улучшить.

Известкование кислых ненасыщенных почв, внесение гипса в почвы, содержащие в поглощающем комплексе натрий, направле­ны на изменение состава поглощенных оснований, замену водород­ного иона (известкование) или иона натрия (гипсование) кальцием, благоприятно действующим на почвы.

Физическая и физико-химическая поглотительная способность почв имеет большое значение как фактор, удерживающий от вымы­вания различные вносимые в почвы минеральные удобрения.

К почвам легкого гранулометрического состава, обладающим малой естественной поглотительной способностью, применяются различные мелиорации, предусматривающие увеличение в них кол­лоидной фракции. Наиболее распространенные из них — это землевание и кольматаж, внесение навоза, компостов и торфа.

Основатель учения о почвенном поглощающем комплексе К. К. Гедройц предложил использовать его состав и свойства как основу гене­тической классификации почв. Им было выделено две главные груп­пы, объединяющие четыре типа почвообразования.

А. Насыщенные основаниями.

1. Черноземный поглощающий комплекс. Насыщен Са²⁺ и Mg²⁺. Характеризуется устойчивостью поглощающего комплекса и боль­шой долей органических коллоидов, свойствен степным областям.

2. Солонцовый. В поглощающий комплекс кроме Са²⁺ и Mg²⁺ вхо­дит натрий. Этот тип почвообразования представлен фазами солон­чаков, солонцов и солодей. В фазе солонцов и солодей коллоиды легко диспергируются, поглощающий комплекс неустойчив. Солон­цовый тип почвообразования распространен локально в степных, пустынно-степных и пустынных областях и характерен для почв, формирующихся на засоленных породах или при воздействии ми­нерализованных, содержащих Na₂C0₃грунтовых вод.

Б. Ненасыщенные основаниями.

3. Подзолистый. Содержит в поглощающем комплексе водород­ный ион Н⁺ и ион поглощенного алюминия, а также остаточные катионы Са²⁺ и Mg²⁺. Поглощающий комплекс неустойчив, в кис­лой среде идет разрушение и растворение минеральных и органи­ческих коллоидов и вымывание их из верхних горизонтов почв. Почвы подзолистого типа с ненасыщенным и неустойчивым погло­щающим комплексом, приурочены к влажным лесным и таежным областям.

4. Латеритный (в современной терминологии — ферсиаллитный и ферраллитный). Водородный ион и ион поглощенного А1³⁺ преобладают в составе поглощенных катионов. Поглощающий ком­плекс неустойчив, легко распадается с энергичным выносом про­дуктов распада (оснований, Si0₂). Этот тип почвообразования свой­ствен влажным, субтропическим и тропическим лесным областям.

24. Что такое рH, кислотность, щелочность, буферность почвы?

1. Кислотно-основные свойства (реакция среды) почвы имеют важное генетическое и агротехническое значение. Они определяют интенсивность внутрипочвенного выветривания, подвижность химических элементов и соединений, биологическую активность почвы, трансформацию органического вещества. Для выращивания с/х растений важно соответствие реакции среды почвенного раствора диапазону оптимальных значений рН, который различен для разных видов.

В почвенном растворе и ППК все катионы находятся в динамическом равновесии. Вода в почвенном растворе подвергается электролитической диссоциации и распадается на два иона: Н⁺ и ОН^-. В идеальных условиях концентрация Н и ОН равна 10^-7, т.е. реакция среды нейтральна. При добавлении к этому раствору кислоты, концентрация Н⁺ увеличивается и раствор будет подкисляться. При добавлении щелочи повышается концентрация ОН^- и раствор подщелачивается. рН – показатель концентрации водородных ионов рН = - lg 10^-7.

Реакция почвы зависит от многих факторов, и, прежде всего, от химического состава, состава обменно-поглощенных катионов, наличия солей, органических и минеральных кислот, жизнедеятельности организмов.

 

2. Под кислотностью почвы понимают ее способность подкислять почвенный раствор имеющимися в почве кислотами и обменно-поглощенными катионами Н, а так же Al способного при вытеснении из ППК образовывать гидролитически кислые соли.

В зависимости от реакции почвенного раствора различают строго определенные уровни кислотности и щелочности:

- сильнокислые 3-4

- кислые 4,1-5,5

- слабокислые 5,6-6,5

- нейтральные 6,6-7

- слабощелочные 7,1-7,5

- щелочные 7,6-8,0

- сильнощелочные 8,1-12

В зависимости от того, в каком состоянии находятся в почве ионы Н и Al, кислотность может быть активной или актуальной и потенциальной.

Под активной (актуальной)понимают концентрацию свободных водородных ионов в почвенном растворе.

Источником свободного Н в почвенном растворе могут быть растворимые органические кислоты, образующиеся после разложения органических остатков, и углекислота, при растворении углекислого газа в воде. Активная кислотность частично вызывается и десорбцией обменных ионов водорода поглощающим комплексом.

Факторами активной кислотности в почве могут быть и некоторые минеральные соли Al и Fe. Известно, что соли слабых оснований и сильных кислот в водных растворах гидролитически расщепляются освобождая кислоту. Примером может служить хлористый Al , который при взаимодействии с водой расщепляется специальным образом:

AlCl₃ + 3H₂O = Al (OH)₃ + 3HCl .

Образующаяся соляная кислота придает раствору кислую реакцию. Это явление наблюдаются в почвах, ненасыщенных основаниями. В почвах, насыщенных основаниями, активной кислотности нет.

Активная кислотность определяется в лабораториях в водной вытяжке из почвы. Количественно выражается символом рН_H2OилирН_вод.

Кислую реакцию имеют подзолистые, дерново-подзолистые и болотные почвы; нейтральную – главным образом чернозёмы; щелочную – каштановые, серозёмы и солонцы.

Потенциальная кислотность –обусловлена ионами Н и Al, находящиеся в поглощенном состоянии.

Потенциальная кислотность подразделяется на обменную и гидролитическую.

Обменная кислотность –та часть потенциальной кислотности, которая определяется при взаимодействии с почвой раствора гидролитически нейтральной соли КCl. При этом катион К вытесняет из ППК обменно – поглощенные катионы, среди которых H, Al, Fe подкисляют солевую вытяжку, образуя кислоту HCl.

ППК) Н, Al, Fe + 7KCl = ППК) K + HCl + AlCl₃ + FeCl₃

 

AlCl₃ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3HCl

 

Уровень обменной кислотности определяется значением рН солевой вытяжки (рН_KClилирН_сол). Отмечено, что при рН_КCl <4 почвенная кислотность обусловлена в основном обменным Н, а при рН 4-4,5 обменным Al. В кислых почвах имеющих ион Н в ППК, обменная кислотность всегда больше актуальной т.е. рН_KCl меньше рН _Н2О.

Гидролитическая кислотность –это та часть потенциальной кислотности, которая определяется при взаимодействии с почвой раствора гидролитически щелочной соли СН₃СООNa с рН 8,2. в этом случае катион Na вытесняет обменно-поглощенный Н, Al и другие катионы в процессе эквивалентного обмена. При этом щелочная реакция раствора соли уксуснокислого Na способствует более интенсивному вытеснению из ППК обменно-поглощенных катионов.

 

ППК)Н, Al + 4CH₃COONa + 3H₂O = ППК)Na, 3Na + Al(OH)₃ + 4CH₃COOH

 

Нг выражается в мг экв/100 г почвы. Нг больше обменной.

 

3. Почвы, в поглощенном комплексе которых, находится Na имеют щелочную реакцию. Она обусловливается главным образом содой, образующейся в результате обмена поглощенного почвой Na на Н углекислоты.

Аналогично почвенной кислотности различают актуальную и потенциальную щелочность почвы. Актуальная щелочность обусловлена содержанием в почве гидролитически щелочных солей, это преимущественно карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов: сода, гидрокарбонаты Са и Mg. Определяется актуальная щелочность значением рН водной вытяжки или путем титрования водной вытяжки кислотой с последующим выражением результатов в мг экв/100 г почвы.

Потенциальная щелочность определяется содержанием обменно-поглощенного катиона Na, который, переходя в раствор, подщелачивает его.

ППК)Na + Ca(HCO₃)₂ = ППК)Ca + 2 NaHCO₃.

Потенциальную щелочность отдельно не оценивают и щелочность почвы выражают по значению актуальной щелочности. При мелиорации солонцеватых и засоленных почв оценка щелочности почвы является одним из условий, учет которого необходим для эффективного повышения плодородия.

 

4. Под буферностью почвы понимают ее способность как полифункциональной системы, противостоять изменению концентрации почвенного раствора, особенно ее щелочно-кислотного и окислительно-восстановительного состояния. Буферные свойства почвы связаны с процессами физико-химического (обменного) поглощения ионов, перехода различных соединений в ионные или молекулярные формы, с нейтрализацией и выпадением в осадок вновь образующихся соединений. В основном буферность почвы определяется качеством ее твердой фазы, однако механизм работы буферных систем почвы весьма разнообразен и может обходиться без вовлечения элементов твердой фазы. Наиболее простым примером проявления буферности почв является нейтрализация попадающих в почву кислых и щелочных соединений в результате реакции обмена между ионами почвенного раствора и катионами ППК.

Изменение концентрации почвенного раствора проявляется при внесении в почву в виде удобрений водорастворимых солей, которые локально могут создавать токсичные для растений концентрации. Благодаря буферности почв это отрицательное действие высоких концентраций блокируется. В целом, чем большей емкостью поглощения обладает почва, тем выше ее буферная способность. Наименьшая буферность свойственна песчаным почвам и пескам. Величина буферности почв зависит от содержания почвенных коллоидов их качества (чем больше гумусовых веществ, тем больше), состава обменно-поглощенных катионов (наличие в ППК катионов Са, К, Na препятствует подкислению, Н – подщелачиванию.)

 

5. Реакция почв зависит от концентрации и состава почвенного раствора. При наличии в почвенном растворе большого количества кислот, она будет более кислой, а при наличии соды – щелочной. По отношению к концентрации солей в почвенном растворе растения делят на гликофиты и галофиты.

Гликофиты - растения, не приспособленные к высокой концентрации солей.

Галофиты - растения, которые выдерживают высокую концентрацию солей и осмотическое давление (солярос, солянка).

Повышенная концентрация солей приводит к разрушению дыхательной функции растений, к появлению травматических пятен на корнеплодах и корнях, т.к. разрушаются клетки.

Наличие в почвенном растворе одних элементов способствует или усилению проникновения других элементов или снижению. Процесс усиления поступления одних элементов в почвенном растворе при наличии других называется синергизмом.

Так при наличии катионов NH₄ усиливается поступление в растения фосфат иона, а при преобразовании нитрат иона усиливается поступление катионов Са. Повышенное содержание Са в растениях сдерживает поступление в них К и St.

Антогонизм ионов проявляется только при некотором избытке концентраций некоторых ионов. Уравновешенным составом почвенного раствора является состав, соответствующий требованиям растений и без большого избытка других элементов.

 

6. Почвенный раствор, содержащий различные органические и минеральные соединения, способен их окислять и восстанавливать, поэтому состав и свойства его изменяются. Окислительные процессы усиленно развиваются при превращении органических соединений.

К основным окислителям относятся молекулярный кислород почвенного воздуха и раствора, а также продукты жизнедеятельности почвенных организмов. Их содержание тесно связано с аэрацией почвы, поэтому окислительно-восстановительные процессы зависят от свойств почв, определяющих газообмен и влажность. Уплотнение почв и повышенная влажность ухудшают аэрацию и приводят к ослаблению окислительных процессов. Наименее выражены окислительные процессы в сильно увлажненных почвах, для этих почв характерны процессы восстановления.

Для количественной характеристики окислительно-восстановительных процессов в почве определяют величину окислительно-восстановительного потенциалаЕ, которая выражается в милливольтах, используя потенциометрический метод, как и при определении рН. В дерново-подзолистых почвах нормального увлажнения величина ОВ-потенциала в течение лета колеблется в пределах 550-750 мв, в черноземах 400-600, в сероземах 350-450 мв.

ОВ условия влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, превращение растительных остатков, темпы накопления и состав образующихся органических веществ, превращение соединений N₂, фосфаты Se, Fe, Al и формирования почвенного профиля. При величине потенциала 200 мв и ниже интенсивнее развиваются восстановительные процессы, что приводит к образованию закисных соединений Fe и подвижных форм марганца, который может накапливаться в растворе в токсичных для растений концентрациях. Низкое значение ОВ-потенциала способствует замедленному разложению растительных остатков, образованию подвижных и активных форм органических веществ, превращению гуминовых кислот в фульвокислоты. Кроме того, если восстановительные процессы сочетаются с промывным водным режимом, происходит разрушение почвенных минералов и вымывание продуктов разрушения.

Таким образом, ОВ-потенциал 200 мв и ниже неблагоприятно влияет на плодородие почв и указывает на необходимость проведения мероприятий по регулированию ОВ-режима почвы.

 

7. Почвы, в коллоидном комплексе которых значительное количество занимают катионы Н и Al или Na отличаются плохими агрономическими свойствами и нуждаются в химической мелиорации. Для улучшения почв необходимо обменно-поглощенные катионы Н, Al, Na заменить на катионы Са, которые во – первых: снизят кислотность кислых почв подзолистого типа почвообразования и уменьшает щелочность солонцовых почв; во – вторых: закрепляет гумусовые вещества и другие коллоиды, сформируют агрономически ценную водопрочную структуру и улучшают агрофизические свойства почвы; в – третьих повысят биологическую активность почв, улучшают в целом и питательный режим растений. Обогащение Са нуждающихся в улучшении почв на практике осуществляют при помощи известкования и гипсования.

Известкование –это прием внесения извести, доломитовой муки, дефеката и др. известковых материалов на кислых подзолистых и дерново-подзолистых, а также на серых и бурых лесных почвах.

Помимо перечисленного положительного влияния на почву, известкование, устраняя избыточную кислотность, так же снижает подвижность и токсичность Al, повышает эффективность удобрений.

Гипсование –внесение гипса и фосфогипса на щелочных и солонцеватых почвах и солонцах для замены Na на Са.

Са, входя в коллоидный комплекс солонцовых почв, обусловливает коагуляцию почвенных коллоидов, улучшает агрофизические и химические свойства, а вытесненный Na образует с анионами SO₄ гидролитически нейтральную и хорошо растворимую соль. В результате снижается щелочность почвенного раствора и Na вымывается.

24. Структура почвы, типы структур?

1.Понятие структурности и структуры почвы.

2. Виды структуры. Основные показатели структуры почвы (форма, размеры, водопрочность, связность, порозность, набухаемость).

3. Агрономически ценные виды структуры.

4. Влияние структуры на плодородие почвы.

5. Мероприятия по восстановлению и поддержанию агрономически ценной структуры.

1. Механические элементы почвы могут находиться в раздельно-частичном состоянии или быть объединены под влиянием различных причин в структурные отдельности разной формы и размера.

Способность почвы разделяться на агрегаты называетсяструктурностью, а совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава, называетсяпочвенной структурой.

В песчаных и супесчаных почвах механические элементы обычно находятся в раздельно – частичном состоянии. Суглинистые и глинистые почвы могут быть структурными и бесструктурными или малоструктурными.

Необходимо понимать понятие структуры как характерного ее морфологического признака от понятия структуры в агрономическом смысле.

В практике земледелия давно подмечено большое влияние структуры почвы на ее физические свойства, условия обработки, водно-воздушный режимы в целом на плодородие почвы и развитие растений. Уже в работах В.В. Докучаева и особенно Костычева отмечалось важное значение в формировании агрономических свойств почвы. Наиболее детально исследовал роль структуры в плодородии почв В.Р. Вильямс.

 

2. Каждый тип структуры в зависимости от характера ребер, граней и размера подразделяют на более мелкие единицы: роды и виды.

Различают несколько типов структуры, основные из них:

- кубовидная –структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям;

- призмовидная –отдельности развиты преимущественно по вертикальной оси;

- плитовидная –отдельности развиты преимущественно по двум горизонтальным осям и укорочены в вертикальном направлении.

Типы делятся на следующие виды:

Кубовидная: комковатая, пылеватая, ореховатая, зернистая, порошистая;

Призмовидная: столбчатая, столбовидная, призматическая.

Плитчатая: сланцеватая, пластинчатая, листовая, чешуйчатая.

В зависимости от размеров структурных агрегатов, структура почвы делится на глыбистую >10 мм; макроструктура 10 – 0,25 мм и микроструктура < 0,25 мм.

3. Качественная оценка структуры определяется ее размером, пористостью, механической прочностью и водопрочностью. Наиболее агрономически ценны макроагрегаты размером 0,25 – 10 мм, обладающие, механической прочностью и водопрочностью. Структурной считается почва, содержащая > 55% водопрочных агрегатов размером 0,25 – 10 мм. Устойчивость структуры к механическому воздействию (связность) и способность не разрушаться при увлажнении (водопрочность) определяют сохранение почвой благоприятного сложения при многократных обработках и увлажнении. Необходимо иметь в виду, что не всякая водопрочная структура агрономически ценная. Важно, чтобы водопрочные агрегаты имели рыхлую упаковку, были пористые и обладали способностью легко воспринимать воду, чтобы в их поры легко проникали корневые волокна и микроорганизмы.

Чем богаче почва минеральными и органическими коллоидами, тем шире возможности для ее агрегации.

Процесс образования структуры протекает под влиянием коагуляции коллоидов, склеивания механических элементов коллоидными пленками, а также под воздействием корней растений, гиф грибов оплетающих почвенные комки и зерна и проникающие внутрь них.

Особенно большое значение для образования структуры почв имеет гумус. Как коллоидное вещество, он под влияния катионов Са и Mg способен переходить в нерастворимую форму и давать прочный и нерастворимый в воздухе гель. Этот гель, играющий роль клея, и придает структурным агрегатам водопрочность.

Многолетняя травянистая растительность как фактор почвообразования играет двоякую роль. Во – первых, в результате развития корневой системы почва распадается на комки. Во – вторых, образующийся при разложении травянистых растительных остатков гумус пропитывает почвенные комочки и прочно их скрепляет. Наряду с травами, любая полевая культура оказывает определенное влияние на структурообразование, при этом, тем больше, чем выше урожай. Образованию агрономически ценной структуры, способствуют и органические удобрения. В образовании структуры почв принимают участие и дождевые черви, которые, пропуская через кишечный тракт частицы почвы, выбрасывают их в виде небольших водопрочных комочков – капролитов, которые содержат доступные для растений питательные вещества.

Периодическое увлажнение и высушивание почвы также способствует образованию структуры. При увлажнении почва набухает, увеличивается в объеме, а при высыхании ее объем уменьшается, появляются трещины, по которым она распадается на отдельности.

На образование агрегатов также влияют промерзание и оттаивание почв. Они лучше формируются при промерзании почв с влажностью 60 – 90 % от полной влагоемкости. Однако эти агрегаты не водопрочны.

Большое значение в структурообразовании почвы имеют микроорганизмы, хотя механизм их действия в этом отношении еще недостаточно изучен.

В природе наблюдается и разрушение структурных комочков. Оно может вызываться деятельностью атмосферных осадков, преимущественно в самых верхних слоях почвы. Некоторые разрушения агрегатов происходят в результате механической обработки почвы и особенно многократного дискования и боронования пересохших почв. Заметно портится структура и при пахоте влажной почвы, когда она мажется, залипает, а так же при вспашке пересохшей почвы. Распыление почвы вызывается и биологическими факторами. Под влиянием микроорганизмов в почве происходит разложение органического вещества, особенно интенсивное при развитии аэробных процессов. Минерализации подвергается и гумус – основное цементирующее вещество в образовании почвенной структуры.

 

4. Структура влияет на ряд важнейших в агрономическом отношении свойств почвы, что сказывается в конечном итоге на урожае сельскохозяйственных культур. Она оказывает положительное влияние на физические свойства – пористость, плотность сложения, водный, воздушный, тепловой, окислительно-восстановительный, микробиологический и питательный режимы; физико-механические свойства – связность, удельное сопротивление при обработке, коркообразование; противоэрозионную устойчивость почв.

При наличии агрономически ценной структуры в почве создается благоприятное сочетание капиллярной и некапиллярной пористости. Между агрегатами преобладают некапиллярные поры, а внутри агрегатов капиллярные. В бесструктурной почве механические элементы лежат плотно, поэтому в ней образуются в основном капиллярные поры. Эти особенности строения и пористости структурных и бесструктурных почв оказывают огромное влияние на водно-воздушный и питательный режимы. Структурные почвы, благодаря наличию некапиллярных пор, хорошо впитывают влагу, которая по мере движения рассасывается комками, промежутки между комками заполняются воздухом.

В такой почве потери воды от поверхностного стока незначительны. Бесструктурной почвой вода поглощается медленно, значит, часть ее может теряться вследствие поверхностного стока. В такой почве нередко наблюдается два крайних состояния увлажнения: избыточное и недостаточное. При избыточном все промежутки заполнены водой, воздух отсутствует. В этих условиях развиваются анаэробные процессы, ведущие к потерям азота в результате денитрификации, образованию вредных для растения закисных форм железа и марганца, накоплению неподвижных не силикатных форм полуторных окислов и к закреплению фосфора в труднорастворимые формы, т.е. создается неблагоприятный питательный режим.

Агрономически рыхлая структура, придавая почве рыхлое сложение, облегчает прорастание семян и распространение корней растений, а также уменьшаются энергетические затраты на механическую обработку почвы. Структурная почва хорошо поглощает воду и резко снижает поверхностный сток, а, следовательно, смыв и размыв почвы. Структурные комочки размером более 1-2 мм устойчиво противостоят развеванию ветром.

Рассмотренное выше агрономическое значение структуры позволяет сделать следующее общее заключение: « во всех случаях на почвах одного типа, одной генетической разности и в одних агротехнических условиях структурная форма всегда характеризуется более благоприятными для с/х культур показателями, нежели бесструктурная или малоструктурная.

 

5. Структура почвы динамична. Она разрушается и восстанавливается под влиянием различных факторов. Управление ими позволяет поддерживать почву в необходимом структурном состоянии.

Причины утраты структуры: механическое разрушение, физико-химические явления и биологические процессы.

Механическоеразрушение структуры протекает под влиянием обработки почвы, передвижение по ее поверхности машин и орудий, животных, ударов капель дождя. Важнейшие пути уменьшения механического разрушения – обработка почв в состоянии ее спелости, а также минимализация обработок.

Физико-химические причины –связаны с реакциями обмена двухвалентных катионов (Ca, Mg) в ППК на одновалентные (Na и аммоний). При этом коллоиды, прочно цементирующие механические элементы в агрегаты, пептезируются при увлажнении и структурные отдельности разрушаются. Поэтому процессы химической мелиорации почв (известкование, гипсование) приводящие к обогащению ППК обменным Са способствуют улучшению структуры.

Биологическиепричины разрушения структуры связаны с процессами минерализации почвенного гумуса – главного клеящего вещества при образовании структуры.

Восстановление и сохранение структуры в условиях с/х использования почв осуществляется агротехническими методами. Улучшение структурного состояния почв возможно также с помощью искусственных структурообразователей. К агротехническим мероприятиям относят обработку почв в состоянии физической спелости, известкование кислых почв, гипсование солонцов, внесение органических и минеральных удобрений. Прочная структура восстанавливается под действием многолетних трав и однолетних с/х культур.

24. Что такое почвенные коллоиды? Как их подразделяют по происхождению?

Накопление в почве элементов питания растений связано с поглотительной способностью почв. Академик К. К. Гедройц предложил под поглотительной способностью почвы понимать способность ее поглощать жидкости, газы, солевые растворы и удерживать твердые частички, а также живыемикроорганизмы. Поглотительные процессы в почве обусловлены преимущественно тонкодисперсной частью почвы и особенно коллоидами. Содержание коллоидов в почве редко превышает 30 % почвенной массы, но влияние их на свойства почвы и уровень плодородия исключительно велико.

Почва состоит из частиц различного размера. Почвенными коллоидами называют частицы диаметром от 0,2 до 0,001 мкм. Они образуются при диспергировании (раздроблении) крупных частиц или при конденсации вследствие физического или химического соединения молекул.

По происхождению почвенные коллоиды бывают минеральные, органические и органо-минеральные.

Минеральные коллоиды образуются при выветривании горных пород. Это глинистые минералы, коллоидные формы кремнезема и полуторные оксиды.

К органическим коллоидам относятся гумусовые вещества почвы, сформированные в процессе гумификации растительных и животных остатков.

Органо-минеральные коллоиды образуются при взаимодействии минеральных и органических коллоидов.

В различных почвах содержание коллоидов составляет от 1...2 до 30...40 % массы почвы. Наибольшее количество коллоидов отмечено в глинистых и суглинистых почвах с высоким содержанием гумуса, наименьшее — в песчаных и супесчаных почвах, бедных гумусом.

Строение коллоидной частицы (мицеллы). На рисунке показано строение коллоидной мицеллы. Ядро мицеллы — это внутренняя ее часть, состоящая из недиссоциированных молекул. Оно может быть аморфным или кристаллическим. На поверхности ядра находится двойной электрический слой ионов, соприкасающийся с дисперсной средой (почвенным раствором): внутренний — потенциал определяющий слой неподвижных ионов, прочно связанных с ядром, и внешний — компенсирующий слой ионов, имеющий противоположный заряд.

Заряд коллоидной мицеллы определяют ионы, непосредственно связанные с поверхностью ядра. Этот заряд возникает в результате диссоциации молекул на поверхности ядра. Например, молекулы гидроксида алюминия Аl(ОН)з, составляющие ядро мицеллы, в кислой среде диссоциируют на ионы Al(OH)₂⁺ и ОН^-, а в щелочной — на АlO(OН)₂^- и Н⁺. Сложные ионы удерживаются на поверхности ядра и определяют знак заряда коллоидной мицеллы. Поэтому коллоидная частица гидроксида алюминия в кислой среде имеет положительный заряд, а в щелочной — отрицательный.

Коллоиды, имеющие кристаллическое строение, приобретают заряд иным путем. Известно, что ионы кристаллических частиц, находящиеся на поверхности, не насыщены связями и поэтому могут притягивать ионы из растворов. При этом притягиваются ионы противоположного заряда, вследствие чего образуется диффузный слой коллоидной мицеллы.

Ядро мицеллы и потенциалопределяющий слой ионов образуют гранулу. За потенциалопределяющим слоем гранулы расположены компенсирующие ионы. Прочносвязанные ионы этого слоя образуют неподвижный слой компенсирующих ионов. Затем следует внешний, или диффузный, слой ионов, способных обмениваться на ионы почвенного раствора. Таким образом, коллоидная мицелла состоит из ядра и двух противоположно заряженных слоев ионов.

Почвенные коллоиды по знаку заряда потенциал определяющего слоя подразделяются на отрицательные (ацидоиды) и положительные (базоиды). К отрицательным коллоидам относятся кремниевая кислота, глинистые минералы и гумусовые кислоты, к положительным — гидроксиды железа и алюминия.

Потенциал почвенных коллоидов зависит от их природы и реакции среды. Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремниевая кислота, гумусовые кислоты), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные, то есть слабогидратированные коллоиды (гидроксид железа, каолинит). Гидрофильные коллоиды имеют сродство с водой и способны сильно набухать, что предотвращает их слипание. Гидрофобные коллоиды набухают слабо, поэтому у них выражена способность свертываться и выпадать в осадок.

Коагуляция и пептизация коллоидов. Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка).

Коагуляцией называется процесс перехода коллоидов из состояния золя в состояние геля. Слипание коллоидов в агрегаты происходит под влиянием электролитов. Коагуляция ацидоидов вызвана катионами электролита, базоидов — анионами. Свертывание (слипание) коллоидов может происходить при взаимодействии противоположно заряженных коллоидных систем. При высушивании или замораживании почвы наблюдаются дегидратация (обезвоживание) гидрофильных коллоидов и повышение концентрации электролита почвенного раствора, что также вызывает коагуляцию коллоидов.

При коагуляции коллоидов происходит склеивание элементарных почвенных частиц в комочки, в результате чего улучшаются физические свойства почвы. Коагуляцию вызывают двухвалентные катионы, особенно Са²⁺. Кальций называют «стражем почвенного плодородия», так как он способствует образованию структуры и уменьшает кислотность почв.

Пептизация — это обратный процесс коагуляции, при котором коллоиды переходят из геля в золь. Пептизация происходит при воздействии растворов щелочных солей. Например, под влиянием одновалентного катиона натрия наблюдается усиленная гидратация коллоидов и переход их в состояние золя. При пептизации почвенных коллоидов разрушается ценная структура и ухудшаются свойства почвы. Так, столбчатый горизонт солонцовых почв, насыщенный гидратированными катионами натрия, вовлажном состоянии набухает, а при высыхании растрескивается на крупные отдельности.

Роль коллоидов в почве исключительно велика: от содержания коллоидной фракции зависят связность, водопроницаемость, буферность и другие свойства почвы.

24. Что понимают под почвенным плодородием? Виды плодородия.