1 курс / Практика / Почвенная / Почвоведение. Курс лекций

1)присыпки, налеты, корочки, выцветы – сформированы тончайшими кристал- лами различных соединений (легкорастворимыми солями, гипсом, углекислым кальцием, аморфным кремнеземом). Эти образования появляются на поверхности структурных частей, стенках трещин, поверхности почвы.

2)пятна, прожилки, трубки – образуются при выпадении в осадок легкораство- римых соединений вокруг корешков растений, в полостях, оставленных насеко- мыми и разложившейся органикой. В зависимости от химического состава соеди-

нений имеют различную окраску и свидетельствуют о влиянии грунтовых вод или болотном режиме почвообразования. Ортзанды – крупные рыхлые ржавые скоп- ления окислов железа в песках таежных районов. Соединения закиси железа обра- зуют в болотных почвах скопления минерала вивианита [Fe3(PO4)28H2O].

3)конкреции, стяжения – концентрически разросшиеся новообразования гипса, ангидрита, углекислого кальция и других соединений, имеющие различную кон- систенцию и размеры от 2-3 мм до 5-10 см. Образуют сростки, друзы, буравчики, скопления округлой или овальной формы.

4)пласты, плиты и горизонты цементации – значительные по площади и мощности новообразования, при которых первичный материал почвообразующей породы почти не различим.

Новообразования биологического происхождения являются продуктами ме- ханической и физиологической деятельности животных и растений. Они пред- ставляют собой извилистые ходы (червоточены), экскременты дождевых червей (капролиты), пустые или заполненные ходы роющих животных (кротовины), сгнившие крупные корни растений (корневины), узоры мелких корешков на по- верхности структурных отдельностей (дендриты).

Включениями называются тела, органического и минерального происхожде- ния, образование которых не связано с почвообразовательными процессами, а унаследованы от материнской породы. Они имеют большое значение при оценке генезиса самих материнских пород и тех условий, в которых происходило почво- образование.

Основными включениями являются:

1)обломки горных пород различного размера, окатанности и минералогического состава, которые свидетельствуют о ледниковом, аллювиальном или местном элювиальном происхождении почвообразующих пород.

2)раковины моллюсков свидетельствуют о недавнем перемещении береговой ли- нии на значительном пространстве суши, о существовании пресных озер и болот.

3)остатки корней и стволов ранее не произраставших в данной местности рас- тений говорят о коренной смене условий почвообразования, что особенно важно при изучении торфяников.

4)антропогенные включения, которые представлены остатками кирпича, стекла, костей, обломков посуды, монетами, подтверждают антропогенный характер трансформации почвенного профиля и составляющих его горизонтов. Археологи-

ческие находки позволяют датировать возраст почвообразующей породы и самой почвы.

6. Фазовый состав почв. Состав твердой фазы.

Почва – многофазное тело, состоящее из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз.

Жидкая фаза почвы – вода в почве, почвенный раствор, исключительно ди- намичная по объему и составу часть почвы, заполняющая ее поровое пространст- во. Содержание и свойства этой фазы зависят от водно-физических характеристик

почвы и состояния в данный момент в соответствии с условиями увлажнения и погоды. В холодный сезон влага может переходить в твердое состояние, превра- щаясь в лед, при повышении температуры часть воды может перейти в газообраз- ное состояние. Жидкая фаза – «кровь почвенного тела», служащая основным фак- тором дифференциации почвенного профиля, так как вертикальное либо лате- ральное перемещение веществ происходит в виде суспензий или растворов.

Газовая фаза – воздух, заполняющий поры, свободные от воды. Его состав очень динамичен во времени и существенно отличается от атмосферного. Воздуха больше в сухой почве, вода и воздух – антагонисты в почве.

Живая фаза – населяющие почву организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования. К ним относятся микроорганизмы, представители микро- и мезофауны, корневые системы растений.

Твердая фаза составляет основу почв, ее матрицу. Это – полидисперсная и поликомпонентная органо-минеральная система. Частички почвы различной сте- пени дисперсности составляют своеобразный скелет почвы, промежутки между которыми заняты воздухом и (или) водой, т.е. в почве одновременно присутству- ют все три фазы почвы.

Соотношение этих трех фаз имеет решающее значение в создании плодоро- дия почв и условий жизни живых организмов. Отсутствие или уменьшение ниже

определенных пределов жидкой или газообразной фаз исключает возможность использования почв для обычных биологических процессов.

Твердая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогиче- ским и химическим составом, с одной стороны, и сложением, структурой и по- розностью, с другой стороны.

Твердая фаза образуется из горной породы под влиянием сложных процессов

– выветривания. Простейшее – физическое, которое идет благодаря различному объемному расширению при нагревании и охлаждении. этот процесс особенно интенсивно идет в континентальном климате. Замерзающая вода играет роль своеобразных клиньев, расширяя трещины и раздвигая обломки. Химическое вы- ветривание идет в основном благодаря воде, содержащей растворенный кислород и углекислоту, что способствует растворению минералов. Тот вид выветривания лежит в основе зонального для таежной зоны процесса подзолообразования. Био- логическое выветривание представляет собой разрушение твердых пород продук- тами жизнедеятельности микроорганизмов.

В сформировавшейся почве наряду с первичными (унаследованными от ко- ренной породы) мы находим и вторичные минералы – результат химического вы-

ветривания, а также органо-минеральные соединения – результат деятельности живых организмов.

Твердая фаза почвы различается не только по минералогическому составу, но и по размерам механических элементов. Решающую роль в хозяйственной дея- тельности человека играют почвы, состоящие в значительной мере из высокодис- персных частиц. В почвенных частицах более 0,001 мм преобладают первичные минералы, особенно алюмосиликаты, содержание которых в земной коре состав- ляет до 85%. Преимущественно это – полевые шпаты. К первичным относятся также мусковит, флогопит, серицит, кварц, слюды, карбонаты. Среди илистых частиц преобладают вторичные минералы, важнейшими признаками которых яв- ляется их дисперсность, кристаллохимическая природа, что имеет следствием вы- сокую адсорбционную способность и пластичность.

Глинистые минералы, особенно монтмориллонит, бейделлит, понтронит, галлузит хорошо набухают, то есть происходит расширение кристаллической ре- шетки перпендикулярно силикатным слоям. Глинистые минералы подразделяют на 4 основные группы:

-каолинита – диоктаэдрические слоистые алюмосиликаты жесткой кри- сталлической решетки, не набухающие, имеющие ЕКО до 25 смоль/кг; минералов этой группы много в тропиках и субтропиках;

-гидрослюд (иллита) – трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся

решеткой, содержащие 6-8% К2О, имеющие ЕКО 45-50 смоль/кг; к ним близок вермикулит, имеющий ЕКО до 100 смоль/кг;

-монтмориллонит (смектита) – трехслойные алюмосиликаты с сильно рас- ширяющейся решеткой, отличающиеся очень высокой дисперсностью, имеющие ЕКО 80-120 смоль/кг; для них характерно много изоморфных замещений, их много в почвах с нейтральной реакцией почвенной среды (черноземы, каштановые, солонцы);

-смешаннослойные – минералы с неоднородным составом; они составляют 30-80% всех глинистых минералов в почвах умеренного пояса, особенно

часто встречается сочетание хлорита с вермикулитом.

Диспергирование не меняет веса всей породы (твердой фазы), но резко уве- личивает суммарную поверхность всех частиц. Удельная поверхность почвы – суммарная поверхность всех частиц почвы, отнесенная к единице веса или объе- ма. Выражается чаще всего в м2/г или м2/см3. Удельная поверхность почвенных частиц является важной физической характеристикой почвы. Процесс дисперга- ции (дробления) минеральной части почвы означает переход ее в более активное состояние, так как с увеличением дисперсности увеличивается поверхность твер- дой фазы в единице веса или объема, а вместе с тем возрастает и поверхностная энергия. С увеличением удельной поверхности связаны явления поглощения ми- неральных веществ, зольных элементов, паров, газов, передвижение в почве воды и воздуха, а также другие физические и технологические свойства почвы.

Выделяют внешнюю поверхность, или как ее еще называют кинетическую поверхность дисперсного вещества и внутреннюю поверхность внутри элемен- тарных почвенных частиц, микропор, трещин и т.п. Поверхность почвенных час-

тиц имеет свой сложный микрорельеф, отдельные участки которого энергетиче- ски неравноценны. Особой энергетической активностью характеризуются выпук- лые элементы частиц. Удельная частиц частиц разного размера может различать- ся на 6 порядков (таблица).

Обычно удельную поверхность почвы определяют насыщением почвы во- дяным паром (этиленгликолем). По Кутилеку насыщение идет до образования мономолекулярного слоя вокруг каждой почвенной частицы.

S=3610 (V2-V1)/(V1-V0),

где V2, V1, V0 – вес после насыщения, до насыщения и тары соответственно.

Дисперсность почвы обычно характеризуется гранулометрическим составом. Частицы более 3 мм называют камни, 1-3 мм – гравий, 1-0,05 – песок, 0,05- 0,001 – пыль, менее 0,001 – ил, менее 0,0001 – коллоиды. В развитых странах обычно песок – 2-0,06 мм, пыль – 0,06-0,006, глина – менее 0,002 мм, коллоиды – менее 0,0002 мм. Определение гранулометрического состава довольно сложное: почва растирается, кипятится, определяется гигроскопическая влага, пипетирует- ся.

Классификация по гранулометрическому составу приведена выше.

По Сибирцеву физической глиной называют частицы до 0,01 мм, а более 0,01 мм – физическим песком.

Химический состав твердой фазы почвы в % (кларк): 49О, 33 Si, 7,1Al, 3,8 Fe, 1,4 Ca, 0,6 Na, 1,4 K, 0,6Mg, 0,46 Ti, 2,0 C, 0,09 S, Mn, 0,08 P, 0,1 N.

Главная особенность химического состава почв – присутствие органических веществ, особенно гумусовых, разнообразие форм различных элементов и их не- постоянство во времени. Минеральная часть обычно 80-90% массы почв (в орга- ногенных – 10% и менее). По сравнению с литосферой в почве в 20 раз больше углерода и в 10 раз – азота, что связано с деятельностью микроорганизмов. В поч- ве меньше металлических элементов вследствие процессов выветривания и поч- вообразования, хотя в целом почвы наследуют геохимические черты исходного почвообразующего материала.

В органическом веществе С, S, P, N….

Органическое вещество почв первичным источником имеет автотрофы, пре- имущественно зеленые растения. Они дают от 1-2 в тундре до 30-35 т/га сухого органического вещества во влажных тропических лесах в год, в агросистемах – 3- 9 т/га. Почти все органическое вещество перерабатывают микроорганизмы, и ко- нечный продукт – минеральные соединения.

В твердой части почвы содержатся основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99% массы) и органической частей (1–10%). Минеральная часть почвы в свою очередь на 90 % состоит из трех элементов: ки-

слорода, кремния и алюминия. Углерод, водород, кислород, фосфор и сера содер- жатся в почве как в минеральной, так и органической части. Азот почти целиком содержится в органической части, калий – только в минеральной части почвы.

По происхождению минералы делятся на первичные и вторичные. Первич- ные минералы – кварц, полевые шпаты, слюды – входят в материнские почвооб- разующие породы и присутствуют в виде частиц песка (0,05 до 1 мм), пыли (0,001 до 0,05 мм) и меньше в виде илистых (меньше 0,001 мм) и коллоидных (меньше 0,25 микрона) частиц. При разрушении минералов под влиянием химических процессов и жизнедеятельности различных организмов образуются гидраты полу- торных окислов, гидраты кремнезема, различные соли и вторичные минералы – каолинит А2Оз • 2Si02 • 2H2O, монтмориллонит А120з • 4Si02 • nН20, гидрослюды

идр. Вторичные минералы находятся в почве преимущественно в виде .илистых и коллоидных частиц и редко в виде пылеватых частиц.

По химическому составу минералы подразделяются на кремнекислородные соединения, или силикаты (кварц), и алюмокремнекислородные соединения, или алюмосиликаты (полевой шпат, мусковит, биотит).

Органические вещества твердой части почвы подразделяются на две большие группы: негумифицированные и гумифицированные вещества. Негумифициро- ванные (подвижные) органические вещества – это отмершие, но еще не разло- жившиеся или полуразложившиеся остатки растений (корни) и микробов (живот- ных). На площади 1 га в почву ежегодно поступает 5–10 т растительных остатков

и0,7–2,4 т продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Негумифицирован- ные органические вещества сравнительно легко разлагаются в почве. Содержа- щиеся в них элементы питания (азот, фосфор, сера и др.) переходят в доступную для растений минеральную форму. Органические вещества не полностью минера- лизуются. Одновременно в почве идет синтез новых очень сложных органических веществ, которые служат источником для образования гумусовых, или перегной- ных, веществ.

Гумифицированные (перегнойные) органические вещества – это высокомо- лекулярные азотсодержащие соединения специфической природы. Они составля- ют основную часть (90 %) органического вещества почвы. Гумус представляет собой аккумулятор энергии Cолнца на планете.

Гумус состоит из гуминовых кислот, фульвокислот, гиматомелановых ки- слот и гуминов. Гуминовые кислоты представляют собой гетерогенную и поли- дисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот, включающих ароматические циклы и алифатические цепи. Они извлекаются из почвы щелочами и некоторыми другими растворителями с образованием темно- окрашенных растворов гуматов натрия, калия и аммония. Молекулярная масса гуминовых кислот измеряется десятками тысяч атомных единиц массы. Гумино- вые кислоты в зависимости от типа почвы включают от 30 до 43% углерода, от 32 до 42 – водорода, от 17,5 до 22 – кислорода, от 2,4 до 3 % азота. Гуминовые ки- слоты содержат также фосфор, серу и другие элементы.

Химическими и физико-химическими методами (рентгендефрактометрия, электронная микроскопия, спектрофотометрия и др.) установлено, что основными

структурными единицами гуминовых кислот являются ароматические “ядра”, в том числе азотсодержащие гетероциклы, боковые цепи и периферические функ- циональные группы: карбоксильные – СООН, гидроксильные и фенольные ОН, метоксильные – О-СН3, карбоксильные =С=0, хинонные С=0. Боковые цепи гу- миновых кислот представлены углеводными, аминокислотными и другими остат- ками.

Фульвокислоты – гумусовые вещества желтой или красноватой окраски,

которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из почвы и выпадения в осадок гуминовых кислот. Как и гуминовые кислоты, они входят в

гетерогенную и полидисперсную группу высокомолекулярных азотсодержащих органических кислот. Фульвокислоты содержат: от 27 до 30 % углерода, от 34 до 42 – водорода, от 25 до 30 – кислорода и от 1,4 до 2,5 % азота.

В структуре фульво-, как и гуминовых кислот, установлены ароматические и алифатические группы. Однако ароматическая часть в их молекулах выражена менее ярко и в основном преобладают боковые цепи, т. е. алифатические, угле- водные и аминокислотные компоненты. По составу фульвокислоты различных типов почв менее разнообразны и они лучше растворяются в воде, чем гуминовые кислоты.

Часть гумусовых веществ настолько прочно связана с минеральной частью почвы, что, не извлекается при обработке почвы щелочами и кислотами. Эти “не- растворимые” составляющие гумуса называются гуминами. В тяжелых глинистых почвах нерастворимые образования составляют более 50 % гумуса.

Гумифицированные вещества почвы более устойчивы к микробиологическо- му разложению, чем негумифицированные соединения. Однако разложение гуму- са в почве, хотя немедленно, но происходит. На полях, занятых зерновыми куль- турами, за вегетационный период разлагается 0,7–0,8 т/га гумуса, пропашными – 1,0–1,2 т/га с образованием доступного растениям минерального азота, фосфора, серы. В гумусе содержится около 5 % азота, от 1,5 до 2,4 % фосфора. В дерново- подзолистых почвах на органические соединения приходится 40 % фосфора и 90 % серы от общего содержания этих элементов в почве. На степень разложения гумуса влияет гранулометрический состав почвы, содержание гумуса в ней и т. д.

Систематическое внесение органических и минеральных удобрений обеспечивает сохранение и накопление запасов гумуса в почве.

7. Минералогический состав минеральной части почвы.

Известно, что рыхлые горные породы образуются в результате выветрива- ния изверженных горных пород и представляют собой смесь продуктов химиче- ского и физического выветривания, т.е. смесь первичных и вторичных минералов. Первичные минералы обладают различной устойчивостью против разрушения, поэтому в составе рыхлых пород они могут встречаться в различных соотноше- ниях.

Минерал – это однородное в химическом отношении тело, обладающее по- стоянством химического состава и определенными физическими свойствами. По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. Большинство минералов аморфны. Кристаллы ряда минералов анизотропны, т.е. различаются по своим свойствам в различных направлениях (твердость, тепло- проводность и электропроводность и др.). В горных породах минералы встреча- ются в определенных сочетаниях различными группами, образовавшимися в од- нородных условиях. Количество первичных минералов, встречающихся в извер- женных породах, достигает более 3000. Содержание того или иного минерала в рыхлой породе зависит от их физических и химических свойств (табл. 7.1).

Таблица 7.1.

Средний минералогический состав изверженных и осадочных горных пород (по Кларку).

Таким образом, 92% общей массы изверженных пород состоит из 4-х групп минералов: полевых шпатов, роговых обманок и пироксенов, кварца и слюды. Из них наибольшей механической прочностью обладает кварц, затем следуют поле- вые шпаты, роговые обманки и пироксены, слюды. В связи с этим при физиче- ском выветривании они дробятся с различной скоростью. Более прочные будут разрушаться медленнее и сохраняться в виде более крупных частиц. Менее проч-

ные минералы будут дробиться сильнее и быстрее переходить в более мелкие гранулометрические фракции.

По мере перехода к более мелким фракциям содержание кварца и полевых шпатов уменьшается, и увеличивается содержание менее прочных минералов

(табл. 7.2).

Кварц - считается минералом, вполне устойчивым к химическому выветрива- нию. Сравнительно медленно подвергаются химическому выветриванию полевые шпаты. Средние и основные полевые шпаты отличаются меньшей устойчивостью, чем кислые.

Слюды - (мусковит и биотит) легче, чем предыдущие подвергаются химиче- скому выветриванию.

Роговые обманки и пироксены представляют собой минералы, которые легко изменяются вследствие воздействия на них химических агентов.

Таблица 7.2.

Гранулометрический состав минералов озерно-гляциального суглинка.

Первичные минералы. Минералы, входящие в состав почв, делятся на две группы: 1) первичные и 2) вторичные. Первичные минералы образуются вследст- вие выветривания магматических и метаморфических пород, вторичные - из пер- вичных (табл.2.3.1).

Из первичных минералов наиболее распространенными являются минералы, включающие кислородные соединения кремния (кварц, полевые шпаты, пироксе- ны и слюды).

Первичные минералы различаются между собой химическим составом и строением кристаллической решетки, что и предопределяет их неодинаковую ус- тойчивость против выветривания.

Таблица 7.3.

Средний минералогический состав магматических и осадочных пород,

в % (по Jeffris).

Строение кристаллической решетки минералов в значительной степени зави- сит от объема составляющих ее ионов, или если считать, что форма ионов шаро- образная, то от величины их радиусов. В элементарных ячейках, из которых со- стоят кристаллы, объем катионов и анионов определяет их взаимное расположе- ние. Образование устойчивой структуры происходит при условии, что каждый ка- тион соприкасается с окружающими его анионами. Число ионов противополож-

ного знака, окружающих данный ион называется координационным числом. Ве- личина координационного числа зависит от соотношения радиуса ионов (табл. 7.4). По данным Гольшмидта, радиусы катионов основных элементов, из которых

состоят минералы, следующие:

Ni – 0,78 А0 (10ˉ8cм), Na – 0,98, K - 1.33, NH +4 – 1,43, Mg2+ – 0,78, Ca2+ – 1,06, Ba2+ – 1,43, Zn2+ – 0,83, Co2+ – 0,82, C +4 – 0,96, Cu2+ – 0,83, Fe2+ – 0,83, Fe3+ – 0,67, Al3+ –

0,57, B3+ – 0,20, Mn2+– 0,91, Mn3+ – 0,70, Mn4+ – 0,62, Si4+ – 0,39, C4+ – 0,18, Mo4+ – 0,68, Ni5+ – 0,1-0,2, P5+ – 0,35, S6+ – 0,34, H3O+ – 1,35,

анионов: O2ˉ– 1,32, Fˉ – 1,33, Clˉ – 1,81, OHˉ – 1,53, S2ˉ – 1,81 А0 (10-8cм).

Таблица 7.4.

Координационное число и форма кристаллической решетки

Отношение радиуса катиона к радиусу аниона определяет не только его ко- ординационное число, а также форму кристаллической решетки и характер эле- ментарной ячейки.

Элементарной ячейкой кремнекислородного соединения является тетраэдр, четыре вершины которого заняты крупными анионами О2+ (r = 1,32 А0), а в центре нахо- дится катион с небольшим радиусом Si4+ (r = 0,39 А0). Данный тетраэдр является основной структурной ячей- кой всех существующих соединений кремния с кисло- родом. Ячейка SiO4 заряжена отрицательно (на 4 поло- жительных заряда Si приходится 8 отрицательных заря-

дов кислорода). Отрицательный заряд ячейки может

быть компенсирован путем присоединения катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами.

Соединение тетраэдров между собой происхо- дит через вершины, при этом определенные ионы

кислорода одновременно связаны с двумя ионами кремния. Оставшиеся свободные валентности ки- слородных анионов нейтрализуются катионами.

Кремнекислородные тетраэдры могут образовывать непрерывные структуры в виде одинарных цепочек, что характерно для пироксенов - энтатита

(Mg2Si2O6), гиперстона ((Mg1Fe)2Si2O6). Двойные цепочки образует группа амфи-