59

Вопрос «Понятие о гумусе. Состав гумуса, свойства гумусовых веществ. Фракционный состав гумуса и его качество. Содержание и состав гумуса в различных типах почв»

Гумус – сложный комплекс органических соединений, который образуется в результате разложения и гумификации органических остатков.

Значение гумуса:

- является источником питания растений. При разложении образуются нитраты, фосфаты, сульфаты и др.;

- гумус – стимулятор роста и развития растений и корневой системы;

- улучшает азотное и кислородное питание, что способствует мощному развитию корней;

- огромная роль в структурообразовании, что обуславливает водно-воздушные свойства;

- обладает высокой поглотительной способностью и предотвращает от вымывания различные соединения, что дает возможность обменным реакциям при внесении удобрений;

- гумус увеличивает буферность почвы;

- огромная роль в формировании почвенного профиля.

За последние 50-80 лет в Центрально-Черноземной области потери гумуса составляют 20-30 %; на Украине- 20 %; в Бразилии – 3-4 %; в США – ниже естественного уровня. В нашей зоне в пахотном слое ежегодно теряется 500-800 кг\га гумуса (около 1% за 50 лет). Потери 1 % гумуса приводит к потере урожая до 2 ц\га. Поэтому, чтобы управлять процессами гумусообразования необходимо знать его образование, состав, качество и др.

Источниками гумуса являются остатки высших растений, низших, микроорганизмов и животных, населяющих почву.

Основную роль в образовании гумуса играют микроорганизмы. Растительные остатки под влиянием ферментов, микроорганизмов, кислорода, углекислого газа, воды разлагаются до промежуточных продуктов (белки – в аминокислоты, жиры – в глицерин, лигнин – в фенолы). Затем промежуточные продукты под воздействием тех же факторов разлагаются с одновременным протеканием 3-х процессов:

1) минерализация, которая приводит к созданию более простых соединений (аммиак, кислород, углекислый газ и др.), которые вымываются из почвенного профиля или используются растениями;

2) микробный синтез происходит под влиянием гетеротрофных организмов, которые используют органические соединения для построения своей плазмы;

3) гумификация – сложный процесс синтеза, устойчивых против разложения перегнойных веществ.

Состав гумуса

Гумус состоит из ГК (ульминовых), ФК (креновых и апокреновых), негидролизуемого остатка (гумина).

ГК – это группа высокомолекулярных азотсодержащих кислот циклического строения кислой природы. Они имеют черный или темно-бурый цвет, нерастворимые в воде и кислотах, но растворимы в слабых щелочах. Элементарный состав ГК представлен С (52-62 %), О₂ (31-39 %), Н (2,5-5,8%), N (2,6-5,1 %). ГК содержат в себе карбоксильную, метоксильную и гидроксильную группы. Благодаря этим группам ГК обладают высокой поглотительной способностью обменивать активные свои группы на катионы. С катионами ГК дают соли – гуматы. Одновалентные катионы создают растворимые в воде соли, способные вымываться. С 2-х и 3-х валентными катионами – нерастворимые соединения, вызывают коагуляцию, участвуют в формировании водопрочной структуры. Е=250-700 мг-экв\100 г почвы.

ФК - это группа высокомолекулярных азотсодержащих кислот циклического строения кислой природы. В отличие от ГК меньше содержат С и больше кислорода. Элементарный состав ФК представлен С (44-50 %), О₂ (42-48 %), Н (4-6 %). Они имеют соломенно-желтый цвет, растворимые во всем. В почвах находятся в свободном состоянии и в подвижном и связанных с несиликатными соединениями. Имеют функциональные группы. С катионами образуют соли – фульваты, которые растворимы в воде независимо от валентности.

Гумины – это те же ГК и ФК, но прочно связанные с минеральной частью почвы. Могут растворяться в сильных кислотах.

По соотношению С гуминовых кислот к С фульвокислот судят о качестве гумуса.

В таежно-лесной зоне, северной части лесостепи Сгк\Сфк<1, в южной части лесостепи, степи соотношение равно 1 или более 1, у черноземов – около 2, в пустынях, полупустынях и засоленных почвах – менее 1. В нашей зоне ФК представлены низкомолекулярными соединениями ГК, которые не вызывают агрессивного разрушения минеральной части почв.

Фракционный состав гумуса.

Образуется 1-ая фракция гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК), связанных с несиликатными формами полуторных окислов (Fе₂О₃), т.е. это наиболее подвижные соединения в почве.

2-ая фракция ГК и ФК, связанная с кальцием, происходит коагуляция, это более устойчивая фракция гумусовых кислот.

3-я фракция ГК и ФК связана с устойчивыми глинистыми соединениями в виде полуторных окислов алюминия и железа (45-60 %).

ФК образуют фракцию 1а – это свободная, самая агрессивная фракция гумусовых кислот (рН=2,6-2,8). Она создает подзолистые почвы. Т.е. плодородие почвы зависит от качественного состава гумуса. У черноземов преобладает 2-ая и 3-я фракции.

На процессы гумификации влияют следующие условия:

1) водно-воздушный и тепловой режимы. Разложение органических остатков и образование гумуса происходит лучше всего при температуре 25-30⁰ и влажности почвы 60-80 % ПВ.

2) Состав и характер растительных остатков.

3)Видовой состав и интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов.

На севере видовой состав микроорганизмов однообразен и немногочислен. С продвижением на юг температурный режим усиливается, интенсивность микроорганизмов, количество и видовой состав.

4) Свойства самой почвы.

Содержание гумуса разных типах почв:

- подзолистые и дерново-подзолистые почвы – от 0,5 до 2,5-3, %

- серые лесные почвы – 3-4 до 7-8 %

- черноземы – 5-12 %

- каштановые – 2-5 %

- красноземы до 5-6 %

Вопрос 2 «Структура и структурность почвы. Образование структуры. Пути разрушения и восстановления структуры почв. Факторы образования структуры. Показатели, характеризующие агрономически ценную структуру»

1. Совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава называют почвенной структурой.

Способность почвы распадаться на агрегаты называют структурностью.

Размеры, формы и свойства агрегатов зависят от условий почвообразования и характерной для каждого почвенного типа, а иногда отдельных горизонтов. Для черноземов – зернистая структура. Для солонцов горизонт В имеет столбчато-призматическую структуру, для серых лесных почв горизонт А₂В₁ – ореховатая, подзолистые почвы – верхние горизонты бесструктурные, а горизонт В – имеет комковатую структуру.

Структура играет огромную роль в плодородии почв (Докучаев, Костычев, Тюллин, Антипов-Каратаев и др.).

Качественная оценка структуры определяется ее размерами, механической прочностью и пористостью. Агрономически ценная структура характеризуется: 1) размерами – от 0,25 до 10 мм или до 7 мм – для зоны с дефицитом влаги. Эту структуру называют мезоструктура. Макроструктура имеет размеры более 10 (7) мм, а микроструктура – менее 0,25 мм. По этим величинам можно рассчитать коэффициент структурности: К = количество мезоструктуры \ сумма макро- и микроструктуры; 2) Механическая прочность, т. е. агрегаты и комочки не должны разрушаться при многократных обработках орудиями; 3) Водопрочность – способность агрегатов противостоять разрушительным действиям воды; 4) Пористость – чтобы проникала и удерживалась в капиллярах влага. Пористость должна быть не более 45-50 %. И считают агрономически ценную структуру крупнопористую, т. к. тонкие поры снижают пористость до 30-40 %. Агрегаты находятся в плотной упаковке, куда трудно проникает вода и воздух.

Агрономически ценная структура оказывает положительное влияние на свойства и режимы почвы. Определяет физические свойства (плотность, пористость); воздушный, водный, тепловой, О-В и питательный режимы. Структура определяет физико-механические свойства почвы – это связность, коркообразование, трение при обработке и противоэрозионную устойчивость почвы.

Структура образуется в результате сложных биологических и физико-химических процессов. Условиями образования структуры являются 2 противоположно направленных процесса – это: 1) соединение или склеивание частиц почвы между собой; 2) разъединение отдельных участков склеенной массы почвы с образованием комочков не связанных между собой.

Если действует только один из процессов, то образуется бесструктурная почва. Первый процесс образует слитную массу, а второй процесс вызывает дробление, диспергирование почвы.

Чтобы образовалась структура, необходимы следующие факторы: 1) наличие в почве клеящих веществ, т. е. образование органических и минеральных коллоидов (илистые частицы и гумус). Органические соединения в 12 раз склеивают частицы прочнее, чем илистые; 2) наличие деятельного или свежего перегноя; 3) Качество гумуса с преобладанием гуминовых кислот, которые создают пористый характер почвенной массы. Преобладание фульвокислот образуют слитную массу; 4) Наличие цементирующего катиона в почве Са, который с гумусом образует необратимые формы соединений. Цементирующим фактором структуры являются полуторные окислы алюминия и железа (причем железо обладает большей прочностью); 5) периодическое промораживание и высушивание почвы, что вызывает обезвоживание коллоидов и необратимую коагуляцию; 6) Давление, которое возникает между верхними и нижними слоями; 7) большую роль в оструктуривании играют многолетние и однолетние травы, которые с одной стороны расчленяют слитную массу корнями, а с другой стороны отмирая обогащают деятельным гумусом и количество биомассы поступает больше, чем от культурных растений; 8) роль червей.

Причины разрушения структуры: 1) в результате механического воздействия многократных обработок почвы, движения сельхоз машин; 2) биологическим путем, за счет жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов, которые используют для своего питания углерод органических соединений, обедняют клеем веществом; 3) физико-химические процессы в почве при замене 2-х и 3-х валентных солей одновалентными, которые вызывают пептизацию и разрушение.

Пути восстановления структуры: 1) рациональная и своевременная обработка почвы с учетом свойств и особенностей ее; 2) прекращение бессменного выгона скота на поля; 3) сбалансированное применение органических и минеральных удобрений; 4) введение в севообороты злаково-бобовых и многолетних трав. Многолетние травы в поверхностном слое оставляют после себя 4-18 т на га пожнивных и корневых остатков; 5) агрономические приемы (известкование, гипсование); 6) искусственное структурообразование, которое основывается на полиакритных полимерах.

Вопрос «Понятие о поглотительной способности почв. Виды поглотительной способности почв и их характеристика»

Поглотительная способность почв – это способность почвы поглощать различные вещества (твердые, пары воды и газы) из раствора, проходящего через нее и удерживать их.

Это свойство почвы играет большую роль в питании растений и превращении внесенных удобрений. Благодаря поглотительной способности почва удерживает легкорастворимые соединения, элементы питания, гумусовые вещества. У разных почв поглотительная способность различна и зависит от содержания коллоидов. Связь между ними прямая.

К.К. Гедройц различал пять видов поглотительной способности:

1) биологическая

2) механическая

3) физическая

4) химическая

5) физико-химическая ли обменная

Биологическая поглотительная способность связана с наличием в почве корней живых растений и микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора необходимые элементы питания и переводят их в органические соединения своих тел. Тем самым эти питательные вещества предохраняются от вымывания из почвы (кальций, калий, нитраты, фосфаты и др.) и накапливаются в почве. После отмирания растений происходит постепенная их минерализация, содержащиеся в них питательные элементы переходят в доступную форму для новых поколений растений и микроорганизмов.

По мнению Ковды растения на каждом гектаре поглощают и возвращают в почвы сотни килограммов химических элементов. Емкость поглощения корней растений колеблется от 10 до 80 мг-экв\100 г почвы. Бобовые растения более активные сорбенты, чем злаки.

Биологическое поглощение зависит от: аэрации, влажности, состава органического вещества, служащего энергетическим материалом для микроорганизмов.

Биологическим путем поглощаются катионы и анионы. Из катионов – это калий, сера, кальций, железо и др. Из анионов – хорошо поглощаются РО₄ кислот, частично – сульфаты и карбонаты, а хлориды и нитраты вообще не поглощаются без живых организмов. Биологическое поглощение играет особенно большую роль в превращении нитратных форм азота в почве (удобрения, содержащие нитратную группу лучше вносить весной – натриевая, калиевая, аммиачная, кальциевая селитр). А удобрения, содержащие хлор лучше вносить осенью (хлористый аммоний).

Т.о., в зависимости от конкретных условий биологическое поглощение питательных веществ микроорганизмами может иметь положительное и отрицательное значение. Например, в паровых полях протекает процесс нитрификации, т.е. образование нитратного азота и этот азот не закрепляется в почве и в последствии вымывается. Но этими процессами можно регулировать – известкование кислых почв, внесение органических и минеральных удобрений и др.

Механическая поглотительная способность – это способность почвы как пористого тела задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. Задерживаются те частицы, диаметр которых больше, чем диаметр пор почвы. Чем тяжелее почвы по гранулометрическому составу, тем тоньше поры и выше механическое поглощение. Оно предотвращает от вымывания из почвы илистые и коллоидные частицы. Это поглощение способствует образованию новых почв (пойменных).

Отрицательной значение – это заиливание почвенных пор, что ведет к заболачиванию.

Механически в почве закрепляются нерастворимые в воде удобрения и мелиоранты (фосфоритная мука, известь, гипс).

Физическая (молекулярная) поглотительная способность – это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул растворенных веществ.

Она зависит от суммарной поверхности твердых частиц. Чем больше в почве тонкодисперсных частиц, тем выше физическое поглощение. Оно происходит за счет сил поверхностного натяжения. За счет свободной энергии притягиваются целые молекулы паров, газа, растворенные в воде вещества и целые бактерии. При этом изменяется концентрация на поверхности этих частиц, но не меняется химический состав.

На почвенных частицах удерживаются кислород, углекислый газ, азот, водород, пары воды, аммиак. Наиболее энергично поглощается вода и аммиак, менее – углекислый газ, кислород и азот. Энергия поглощения газов снижается в следующей последовательности: пары воды, аммиак, углекислый газ, кислород, азот.

Физическое поглощение может быть положительным и отрицательным.

Положительное наблюдается тогда, когда молекулы растворенного вещества притягиваются к почвенным частицам сильнее, чем молекулы воды. Так поглощаются многие органические кислоты, алкалоиды, высокомолекулярные органические соединения.

Отрицательное физическое поглощение протекает у растворимых минеральных солей и неорганических кислот. Происходит обратный процесс. Молекулы воды закрепляются почвенными частицами сильнее, а растворенные вещества находятся в растворе (минеральные соли, кислоты, щелочи).

Для удобрений известна отрицательная адсорбция аниона хлора и нитратного азота, что обуславливает их сильную подвижность в почве и возможность вымывания из верхних слоев почвы при высокой влагообеспеченности. Такое вымывание хлора, вредного для большинства растений (особенно картофеля, табака, цитрусовых), имеет положительное значение, а для нитратного азота оно нежелательно. Поэтому это необходимо учитывать при внесении удобрений.

Физическая поглотительная способность имеет большое экологическое значение: 1) положительно сорбирует не только молекулы воды, но и молекулы газов и органических соединений, в том числе различных пестицидов, способствуя их закреплению и дальнейшему разложению; 2) на поверхности частиц удерживаются разные микроорганизмы. Различные почвы обладают неодинаковой способностью поглощать микроорганизмы. Чем тяжелее гранулометрический состав, чем больше гумуса, тем выше поглотительная способность по отношению к микроорганизмам. Бактерии при поглощении их почвой снижают свою биохимическую активность, благодаря чему улучшаются санитарные условия местности, очищаются воды колодцев и грунтовых вод.

Химическая поглотительная способность (хемосорбция) обуславливает образование нерастворимых или труднорастворимых соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве.

Химическое поглощение зависит:

1) от того, какие анионы находятся в почве. Анионы хлора и нитратный азот ни с какими катионами не образуют труднорастворимых соединений. Карбонаты и сульфаты с оновалентными катионами дают растворимые соли, а с 2-х и 3-х валентными – труднорастворимые. Фосфаты с одновалентными дают растворимые соли, а с 2-х и 3-х валентными – труднорастворимые.

2) состава коллоидов и реакции среды. Чем больше в почве амфолитоидов и чем кислее реакция среды, тем сильнее выражено химическое поглощение аниона. Гумусовые вещества снижают интенсивность поглощения фосфатов.

Химическая поглотительная способность имеет большое значение в закреплении почвами анионов фосфорной кислоты, органического вещества и катионов поливалентных металлов.

Химическое поглощение проявляется при внесении фосфорных удобрений:

Са(Н₂РО₄) + Са(НСО₃)₂ 2СаНРО₄ + 2Н₂СО₃

_{Суперфосфат}

Са(Н₂РО₄) + 2Са(НСО₃)₂ Са₃(РО₄)₂ + 4Н₂СО₃

(NН4)₂НРО4 + Са(НСО₃)₂ СаНРО₄ + 2NН₄НСО₃

аммофос

В кислых почвах, содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение идет с образованием труднорастворимых фосфатов железа и алюминия. Учитывая свойство РО₄^3- закрепляться химически необходимо вносить фосфора в почву больше, чем нужно растениям (в гранулированной форме).

Физико-химическая или обменная поглотительная способность – способность почвенных коллоидов обменивать свои ионы на ионы почвенного раствора.

Обменные реакции в основном протекают с катионами, т.к. коллоиды заряжены отрицательно. Если базоиды, то обмен происходит анионами.

Например:

ППК 2Nа + СаSО₄ ППК Са + Nа₂SО₄ (растворимая соль)

ППК 2Н + СаСО₃ ППК Са + Н₂СО₃ (Н₂О и СО₂)

ППК Са + 2NН₄NО₃ ППК 2NН₄ + Са(NО₃)₂

Физико-химическое поглощение имеет ряд закономерностей:

1) Обмен происходит в строго эквивалентных количествах по законам обменных химических реакций;

2) Реакция обмена катионов происходит быстро (за 3-5 мин сорбируется 85 % катионов – по Гедройцу), но для установления динамического равновесия между катионами почвенного раствора и диффузного слоя необходимо 1-3 суток.

3) Любой поглощенный катион может быть вытеснен и заменен другим катионом почвенного раствора;

4) Энергия обменного поглощения различных катионов зависит от валентности, а при одинаковой валентности – от атомной массы иона. Она увеличивается с увеличением валентной и атомной массы. Исключением является водород, который хотя и имеет меньшую атомную массу, обладает высокой энергией поглощения и вытесняет другие катионы.

Li<Na<K<NH₄<Mg<Ca<H<Al<Fe

внедрение вытеснение

5) Обменное поглощение – процесс в основном обратимый.

6) Интенсивность поглощения катионов зависит от концентрации раствора. Чем ниже концентрация, тем более активно поглощение катионов.

Вопрос «Гранулометрический состав почв. Группы механических элементов, их характеристика, влияние на свойства почв. Классификация почв по гранулометрическому составу. Значение гранулометрического состава в агрономической оценке почв»

Почва является полидисперсной системой, т. к. в состав ее твердой фазы входят минеральные, органические, и органо – минеральные частицы самых различных размеров: от молекулярных м коллоидных величин до грубых дисперсий – пыли, песка, камней. Эти элементарные частицы отличаются друг от друга не только по своей величине, но и по минералогическому и химическому составам, обладают различной активностью в отношении проходящих в почве физико–химических и биологических процессов. Водный, воздушный, пищевой режимы почвы и условия роста растений в значительной мере связаны с гранулометрическим составом почвы.

Гранулометрический состав почвы – это относительное содержание в породе или почве механических элементов различной величины, выраженное в процентах к массе сухой почвы.

Н. А. Качинский предложил объединить механические элементы в следующие фракции: частицы крупнее 3 мм – камни. Фракция состоит из обломков горных пород. Положительной роли в почве нет.

3–1 – гравий, состоит из обломков горных пород и первичных минералов. В небольшом количестве улучшает воздушный режим, а в большом – затрудняет механизированные процессы;

1–0,05 – песок, состоит из первичных минералов. Такие почвы обладают хорошей аэрацией, легки в обработке, но имеют провальную водопроницаемость, в них не накапливается гумус, влага и элементы питания;

0,05–0,01 – крупная пыль, по составу и свойствам близка к песку.

0,01–0,005 –средняя пыль; 0,005–0,001 – мелкая пыль, состоят из вторичных минералов, такие почвы обладают высокой поглотительной способностью, в них накапливается много влаги, элементов питания, гумуса, но имеют плохую аэрацию, тяжелы в обработке, способны к набуханию, заплыванию и коркообразованию.

мельче 0,001 мм – ил, по составу и свойствам близок к средней и мелкой пыли.

Каждая из этих фракций отличается от остальных по своим свойствам. Для классификации почв по гранулометрическому составу все частицы крупнее 0,01 мм объединяют в «физический песок», мельче 0,01 мм – «физическую глину». Гранулометрический состав имеет большое производственное значение. Он учитывается при агротехнических мероприятиях, обработке, орошении, выборе культур и т. д.

В России утвердилась двучленная классификация, предложенная Н. М. Симбирцевым и усовершенствованная А. Н. Сабаниным и Н. А. Качинским, учитывающая генетические особенности почв (содержание гумуса, состав обменных катионов, минералогический состав и др.) и связанную с ними неодинаковую способность глинистой фракции к агрегированию. Поэтому в классификации отдельно рассмотрены три основные группы почв: с подзолистым типом почвообразования, со степным типом почвообразования, а также солонцы и сильно солонцеватые почвы.