Лекция 2.

1. Морфологические свойства почвы (строение почвенного профиля, окраска почвенного профиля, структура почвы, гранулометрический состав почвы).

2. Органическое вещество почвы и особенности гумусообразования.

3.Поглотительная способность почвы. Виды поглотительной способности. Кислотность почв

Как уже отмечалось, в результате образования почв произошли большие изменения в составе и свойствах материнских пород. Это отразилось на изменении их внешнего вида или внешних призна­ков. Внешние признаки называют морфологическими. К ним отно­сятся строение почвенного профиля, мощность почвы и отдель­ных горизонтов, окраска почвы, ее влажность, гранулометричес­кий состав, структура, сложение, новообразования, включения, характер перехода от одного генетического горизонта к другому и иные особенности. В связи с тем что они точно отражают после­действия определенных почвообразовательных процессов, состав и свойства почв, их используют в классификационных целях, для диагностики почв; по ним можно делать выводы о плодородии и эволюции почв, что очень важно для агрономической практики. Приведем краткое описание внешних, или морфологических, признаков почв.

Строение почвенного профиля

Каждая почва состоит из слоев, или генетических горизонтов, характерных только для нее. Определенное сочетание горизонтов составляет профиль почвы. Например, в целинной дерново-подзо­листой почве сверху выделяется горизонт лесной подстилки, под ним — гумусовый горизонт, ниже — подзолистый, иллювиаль­ный, далее горизонт, переходный к материнской породе, и мате­ринская порода; для болотной почвы обязательными будут торфяной слой и под ним — минеральный глеевый горизонт. Почвы по­лучили названия по наличию тех или иных горизонтов с соответ­ствующими морфологическими признаками. Названия почв на почвенных картах обозначают индексами (П^д —дерново-подзо­листые, Л — лесные почвы, Ч — черноземы и т. д.).

Каждый горизонт также имеет название и индекс: Ао — гори­зонт лесной подстилки или степной войлок; А — гумусово-аккумулятивный горизонт; А_п — пахотный; А₂ — аллювиальный (под­золистый, осолоделый); В — иллювиальный, или горизонт вмывания; в черноземах этим индексом может обозначаться горизонт без признаков иллювиированности; Т — торфяной; G — глеевой, другие горизонты; С — материнская порода; Д — подстилающая порода. Горизонт с морфологическими признаками выше- и ни­жележащего слоев называют переходным и обозначают двумя бук­вами, например А₂В, ВС; первая буква —индекс вышележащего слоя, вторая — нижележащего.

Мощность почвы складывается из мощности отдельных гори­зонтов. Под почвенным слоем выделяется слабозатронутая почво­образовательным процессом материнская порода. Мощность от­дельных горизонтов обозначают в сантиметрах (верхняя и нижняя границы от поверхности), например А_п 0—22 см, В 57—82 см. Эти границы горизонтов определяются при просмотре профиля почвы сверху вниз по изменению одного или нескольких морфологичес­ких признаков.

Окраска почв

Окраска является наиболее заметным морфологическим при­знаком. Народные названия почв связаны именно с этим призна­ком: подзол (напоминает цвет золы), чернозем, серая лесная по­чва, каштановая, серозем. Эти народные названия были использо­ваны в почвоведении при разработке классификации почв, так как они характеризуют особенности гумусово-аккумулятивных про­цессов в разных почвенных зонах, состав и свойства почв.

Для определенных генетических горизонтов типична своя ок­раска, являющаяся отражением прошедших почвообразователь­ных процессов, химического и минералогического составов твер­дой фазы почв. Гумусовые вещества окрашивают почву и ее гори­зонты в черные, серые и бурые тона. Окисные соединения железа придают красноватые, ржавые и желтоватые оттенки, а закисные соединения — сизовато-голубоватые (в глеевых горизонтах болот­ных почв), соединения марганца — фиолетово-черные оттенки. Диоксид кремния, или кремнезем, образующийся в подзолистом горизонте при разрушении алюмосиликатов, в результате подзо­листого процесса почвообразования обусловливает белесую ок­раску, углекислый кальций, каолинит, гидрат окиси алюминия — белую и т. д.

Почвенная окраска обычно является смешением окрасок, со­ставляющих почву химических соединений. Она не бывает яр­кой. Интенсивность окраски зависит от влажности почв: чем влажнее почва, тем темнее окраска; глыбистая поверхность вспа­ханного поля выглядит более темной. В утренние часы преобла­дание ультрафиолетовых лучей в солнечном спектре, а вечером — инфракрасных изменяет цветовые оттенки почвы. Поэтому сравнивать цвета почв следует в сухом состоянии и в дневное вре­мя.

Названия окрасок почв имеют свою специфику; иногда отмеча­ют даже оттенки, например светло-бурая, светло-серая с белесым оттенком, буровато-серая и т. д. Для того чтобы правильно назвать окраску почв, необходимо приобрести определенный опыт; целе­сообразно использовать шкалы окраски почв, исключающие субъективизм.

Структурой называют отдельности (агрегаты), на которые способна распадаться почва. Они состоят из соединенных между собой механических элементов и мелких агрегатов.

Форма, размер и качественный состав структурных отдельностей в различных почвах, а также в одной почве, но в разных ее горизонтах неодинаковы.

Различают три основных типа структуры:

1) кубовидную — структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям;

2) призмовидную — отдель­ности развиты преимущественно по вертикальной оси;

3) плитовидную — отдельности развиты преимущественно по двум горизон­тальным осям и укорочены в вертикальном направлении.

Каждый из перечисленных типов в зависимости от характера ребер, граней и размера подразделяется на более мелкие единицы.

Типичные структурные элементы почв: I тип: 1) крупнокомковатая, 2) комковатая, 3) мелкокомковатая, 4) пылеватая, 5) крупноореховатая, 6) ореховатая, 7) мелкоореховатая, 8) крупнозернистая, 9) зернистая, 10) мелкозернистая. II тип: 11) столбчатая, 12) столбовидная, 13) крупнопризматическая, 14) призматическая, 15) мелкопризматическая, 16) карандашная. III тип: 17) сланцеватая, 18) пластинчатая, 19) листоватая, 20) грубочешуйчатая, 21) мелкочешуйчатая.

В зависимости от размера структуру подразделяют на следующие группы:

1) мегаструктура (глыбистая)—больше 10 мм; 2) макро­структура— 10—0,25 мм; 3) грубая микроструктура — 0,25— 0,01 мм; 4) тонкая микроструктура — меньше 0,01 мм.

Почва может быть структурной и бесструктурной. При струк­турном состоянии масса почвы или породы разделена на отдель­ности той или иной формы и величины. При бесструктурном или раздельночастичном состоянии отдельные механические элементы, слагающие почвы, не соединены между собой в более крупные от­дельности, а существуют раздельно или залегают сплошной сце­ментированной массой. Типичным примером бесструктурного со­стояния является рыхлый песок. В бесструктурном состоянии мо­гут находиться почвы и иного механического состава. Между структурными и бесструктурными почвами имеются и переходные почвы, у которых структура выражена слабо.

В любом из почвенных горизонтов структурные отдельности не бывают одного размера и формы. Чаще всего структура бывает смешанной, что при описании отмечают двумя или даже тремя словами:  комковато-зернистая, комковато-пылеватая, комковато-пластинчато-пылеватая и т.д.

Различным генетическим горизонтам почв присущи определен­ные формы структуры. Так, комковатая и зернистая структура при­суща дерновым горизонтам, пластинчато-листоватая — элювиаль­ным, ореховатая — иллювиальным (особенно серым лесным поч­вам). Призматическая структура типична для иллювиальных горизонтов подзолистых и лесостепных почв, сформировавшихся на тяжелых покровных суглинках, или для черноземов и каштановых почв, образовавшихся на суглинистых и глинистых породах, име­ющих в поглощенном состоянии натрий.

При оценке почвенной структуры надо отличать морфологичес­кое понятие структуры от понятия агрономического. В морфологи­ческом отношении хороша структура, которая четко выражена,— ореховатая или призматическая иллювиального горизонта, пла­стинчатая — подзолистого и т. д. В агрономическом отношении благоприятной будет комковато-зернистая структура верхних гори­зонтов почвы размером от 0,25 до 10 мм.

Кроме того, ценится структура, облада­ющая водопрочностъю, т. е. способностью не расплываться в воде, сохраняя свою форму. Структуру принято также характеризовать по связности (в сухом состоянии), т. е. способности противостоять механическому (физическому) разрушению. Связность структуры имеет прямую связь с гранулометрическим составом: чем он тяже­лее, тем выше связность.

гранулометрический состав почвы

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из облом­ков (частиц) первичных и вторичных минералов, органического вещества (гумуса) и органо-минеральных соединений, которые называются механическими элементами.

Механические элементы находятся в твердой фазе почв в раз­дельно-частичном состоянии, а также в виде агрегатов разной формы и величины.

Суммарное процентное содержание фракций мелкозема от 1 до 0,01 мм называют физическим песком, менее же 0,01 мм — физичес­кой глиной, а их процентное соотношение — гранулометрическим составом. Именно это процентное соотношение использовано для характеристики гранулометрического состава, потому что все главнейшие свойства почв особенно резко изменяются на перехо­де размера частиц мелкозема через 0,01 мм.

Чем больше физической глины в твердой фазе почв, тем тяже­лее их обрабатывать, поэтому в агрономической практике различа­ют почвы тяжелые и легкие. К тяжелым относятся глинистые и тя­желосуглинистые почвы, почвы легко- и среднесуглинистые ме­нее тяжелые по гранулометрическому составу, легкими называют супесчаные и песчаные почвы.

В почвах более тяжелых при равных условиях с легкими (плот­ность, гумусность и т. д.) в одном и том же объеме твердой фазы содержится в естественных условиях больше воздуха и влаги вследствие повышенной пористости и суммарной удельной по­верхности частиц мелкозема. Так как воздух — плохой провод­ник тепла, а вода обладает высокой теплоемкостью, то тяжелые почвы нагреваются солнцем медленнее легких, поэтому в агро­номической практике их называют холодными, а легкие почвы — теплыми.

Органическое вещество почвы представлено живой биомассой (почвенная биота и живые корни растений), органическими остат­ками растений, животных, микроорганизмов, продуктами разной степени их разложения и специфически новообразованными гу­мусовыми веществами (гумусом).

Органическое вещество и его превращение в почве играют важ­ную и разностороннюю роль в ее генезисе и формировании основ­ных свойств, с которыми связаны развитие плодородия и фитоса-нитарные функции почвы. Изучение его состава, свойств, процес­сов трансформации, познание агрономического значения при земледельческом использовании почв издавна привлекали при­стальное внимание исследователей.

Основными источниками органического вещества почвы явля­ются отмершие остатки растений в виде надземной и корневой масс. Органические остатки почвенной фауны поступают в мень­ших количествах.

В агроценозах количество поступающих в почву органических остатков сельскохозяйственных растений уступает естественным ценозам. Это связано, с одной стороны, с меньшей их продуктив­ностью в большинстве случаев, с другой — с ежегодным отчужде­нием с урожаем значительной части синтезированного растения­ми органического вещества .

Так, при возделывании зерновых культур с урожаем зерна и со­ломы отчуждение составляет около 50 % всей органической массы растений. Поэтому поступление растительных остатков в почву после распашки целинных степей в агроценозах уменьшается в 3— 4 раза.

В зависимости от возделываемых культур количество поступив­ших в почву органических остатков колеблется от 2—3 (пропаш­ные) до 7—9 (многолетние травы) т/га в год.

Характер поступления органических остатков в почвенный профиль неодинаков: в лесах основное их количество поступает на поверхность почвы, а в травянистых сообществах значительная часть (от 25—30 до 80—90 %) поступает непосредственно в почву в виде отмерших корней. Различный характер поступления опада имеет важное значение при дальнейших процессах его превраще­ния. Химический состав сухих органических остатков представлен углеводами, белками, лигнином, восками, смолами и другими ве­ществами.

В составе сухого вещества органических остатков содержатся зольные элементы (от 0,1—3,0 до 5—10 %): калий, кальций, маг­ний, кремний, фосфор, сера, железо и многие другие, в том числе микроэлементы.

От состава органических остатков зависят направление и темп их последующего превращения. Наиболее быстро трансформации (минерализации и гумификации) подвергается опад, богатый лег­кодоступными для микроорганизмов веществами (белками, ами­нокислотами, растворимыми углеводами) и основаниями (Са, Mg). Растительные остатки, богатые лигнином, дубильными веще­ствами, смолами (хвоя, древесина), разлагаются медленно. Из опада культурных растений быстрее разлагаются остатки бобовых трав и медленнее — солома злаковых.

Органические остатки, поступая в почву или на ее поверхность, подвергаются различным превращениям: механическому измель­чению почвенной фауной, физико-химическим и биохимическим изменениям под влиянием микроорганизмов, мезо- и макрофау­ны почвы. Основными направлениями таких превращений явля­ются минерализация органического вещества до конечных продук­тов (С0₂, Н₂0 и простых солей) и гумификация. При определенных условиях (избыток влаги, неблагоприятный состав опада, низкие температуры) можно наблюдать консервацию органических остат­ков в форме торфа. Кроме того, в процессе превращения органи­ческих остатков всегда образуются водорастворимые формы орга­нических веществ. Такие формы превращения органического ве­щества могут иметь важное значение в генезисе некоторых почв (торфяные и др.), в миграции и аккумуляции веществ и других яв­лениях. Однако и для этих направлений трансформации органи­ческих остатков конечными стадиями превращений будут минера­лизация и гумификация. Образование гумусовых веществ связано с развитием процесса гумификации.

• Гумификация — совокупность сложных биохимических, физи­ко-химических и химических процессов превращения органичес­ких остатков в гумусовые вещества.

Степень изученности процессов превращения органических остатков в гумусовые вещества не позволяет оформить в закончен­ном виде теорию этого процесса. Существуют следующие три группы современных концепций процесса гумификации.

Конденсационная, или полимеризационная (Трусов, Кононова, Фляйг). Рассматривает гумификацию как про­цесс, состоящий из следующих звеньев: 1) образование исходных структурных единиц для формирования гумусовых веществ. Это продукты распада растительных тканей, отмерших микроорганиз­мов, их метаболизма и вторичного синтеза; все компоненты, включая простые соединения распада растительных тканей, могут быть источниками структурных единиц; 2) конденсация структур­ных единиц, осуществляемая путем окисления фенолов фермен­тами типа фенолоксидаз до хинонов, и взаимодействие последних с аминокислотами и пептидами; 3) поликонденсация (полимери­зация) — химический процесс, характеризующий заключительное звено процесса гумификации.

Концепция биохимического окисления (Тюрин, Александрова). Рассматривает гумификацию как слож­ный биофизико-химический процесс превращения высокомоле­кулярных промежуточных продуктов распада органических остат­ков (белков, лигнина, полиуглеводов, дубильных веществ и др.) в гумусовые вещества. Главное значение в этом процессе придают реакциям медленного биохимического (ферментативного) окис­ления, в результате которого и образуются высокомолекулярные гумусовые кислоты. В последующем они подвергаются постепен­ной ароматизации, т. е. возрастанию в их молекулах доли аромати­ческих компонентов за счет отщепления неустойчивых компонен­тов в периферической части молекул новообразованных гумусо­вых кислот.

Л.Н.Александрова рассматривает как составное звено гуми­фикации последующее взаимодействие гумусовых кислот с мине­ральными соединениями почвы и зольными продуктами минера­лизации органических остатков. При этом формируются различ­ные по сложности строения, свойствам и молекулярным массам фракции гумусовых веществ. Наиболее высокомолекулярная часть образует гуминовые кислоты, а более дисперсная и менее сложная — фульвоки слоты.

Биологическая концепция. Рассматривает гуму­совые вещества как продукт синтеза различных микроорганизмов (Вильяме).

Микробиологами экспериментально доказана возможность об­разования темноокрашенных гумусоподобных соединений раз­личными группами микроорганизмов.

Можно предположить, что процесс гумификации в различных почвах включает как реакции конденсации и полимеризации, так и биохимического окисления.

Состав уже сформировавшихся гумусовых веществ постоянно обновляется за счет включения в их молекулы органических со­единений в виде отдельных фрагментов. Такой процесс измене­ния гумусовых веществ называется фрагментарным обновлением гумуса.

Количественной характеристикой процесса гумификации яв­ляется коэффициент гумификации (К_г), показывающий, какая доля (в %) углерода органических остатков, претерпевающих пре­вращения, трансформировалась в гумусовые вещества после пол­ного разложения остатков. Величина К_г колеблется от единиц до десятков процентов и зависит от состава исходных растительных остатков, гидротермических, физико-химических (рН, Eh) и дру­гих условий их превращения. К_г соломистого навоза в среднем принят за 25 %.

Органическое вещество почвы представлено двумя группами веществ: органическими остатками отмерших организмов (глав­ным образом растений), в разной степени затронутых разложени­ем, и продуктами их гумификации — гумусовыми веществами (гу­мусом).

Первая группа, называемая неспецифической частью гумуса, — это частично видимые невооруженным глазом остатки растений (и животных). Их содержание существенно варьирует и зависит от состава растений, условий их роста и разложения и т. д. В состав неспецифической части гумуса также входит небольшая часть (10—15 %), представленная веществами различных классов орга­нических соединений — белков, углеводов, аминокислот, Сахаров, дубильных веществ, ферментов, веществ аллелопатической при­роды и др.

Основную часть органического вещества почв автоморфного ряда составляют специфические гумусовые вещества. Гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свой­ствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соеди­нений, имеющих общие части строения и общность некоторых свойств.

Общность строения, состава и свойств гумусовых веществ про­является: 1) в наличии и строении циклических и алифатических фрагментов; 2) в большом разнообразии веществ по молекуляр­ным массам (от 700—800 до сотен тысяч); 3) в общности элемент­ного состава (С, О, N, Н) с содержанием С от 30 до 62 % и азота от 2,5 до 5 % в различных группах и фракциях; 4) в кислотных свой­ствах, обусловленных карбоксильными группами; 5) в наличии негидролизуемого азота (25—30 % общего N); 6) в высокой способно­сти к соле- и комплексообразованию.

По растворимости и экстрагируемое™ из почвы гумусовые ве­щества делятся на следующие группы (групповой состав гумуса): фульвокислоты (ФК), гуминовые кислоты (ГК) и гумин.

Фульвокислоты — наиболее растворимая группа гумусовых ве­ществ, менее сложная по строению, с более низкими молекуляр­ными массами по сравнению с гуминовыми кислотами, с высокой миграционной способностью; характеризуются повышенной кис­лотностью и способностью к комплексообразованию; наиболее светлоокрашенная

часть гумуса; преобладают в подзолистых, дер­ново-подзолистых, сероземах, красноземах и некоторых почвах тропиков.

Гуминовые кислоты — нерастворимая в минеральных и органи­ческих кислотах группа гумусовых веществ; характеризуются бо­лее сложным строением; имеют более высокие молекулярные мас­сы, повышенное содержание углерода преобладают в черноземах, каштановых почвах, серых лесных, дерновых и не­которых других.

Гумин — неэкстрагируемая из почвы кислотами и щелочами часть гумуса (нерастворимый остаток после экстракции фульво- и гуминовых кислот). Эти гумусовые вещества наиболее прочно свя­заны с глинными минералами.

Гуминовые и фульвокислоты могут подразделяться на фракции по молекулярным массам воздействием различными растворите­лями (фракционный состав) и другими приемами. Для гуминовых кислот наибольшую ценность как структурообразователь пред­ставляет фракция, связанная с кальцием (вторая фракция ГК); для фульвокислот наиболее показательна в оценке их «агрессивности» (реакционной способности) фракция, извлекаемая из почвы 0,1 н. серной кислотой и непосредственной обработкой 0,1 н. NaOH (фракции 1а и 1).

Стабильная часть представлена гумусовыми веществами, проч­но закрепленными минеральными соединениями (гумин, гуматы кальция, гуминово-глинистые комплексы и др.). Это устойчивая, медленно минерализующаяся часть органического вещества. Вре­мя его полного обновления составляет сотни и тысячи лет. Ста­бильный гумус — потенциальный резерв многих элементов пита­ния. Однако наибольшее его агрономическое значение заключается в формировании благоприятных физических, водно-воздушных, физико-механических свойств, в выполнении почвой санитарно-защитных функций, в противоэрозионной устойчивости почвы.

Недостаток лабильных форм способствует более быстрому раз­ложению устойчивого гумуса, т. е. дегумификации. Поэтому систе­матическое восполнение в почве содержания свежего органичес­кого вещества, повышение объема и скорости его круговорота способствуют сохранению основной массы гумуса.