Вальков - Почвоведение. Издательский центр МарТ
 Скачать 19.72 Mb.
|
|
э л ем е н тов bbвbbп о ч в ах Кислород входит в состав первичных и вторичных минералов, является элементом органических веществ и воды. К рем ний . Наиболее распространенное соединение кремния — кварц (S i0 2). Он относится к веществам очень инертным химически и биологически. Кремний входит в состав силикатов и алюмосиликатов как первичных, таки вторичных минералов. Анионы орто- (S i0 4)4“ и мета- (БЮз)2- кремниевых кислот могут находиться в состоянии золей или гелей и быть активными компонентами почвенных коллоидов. А лю мини й находится в почвах в составе первичных и вторичных минералов в форме органо-минеральных комплексов ив поглощенном состоянии (в кислых почвах. При разрушении первичных Почвоведение bи вторичных минералов, содержащих алюминий, освобождается его гидроокись, значительная часть которой при выветривании остается на месте (как малоподвижная) и лишь частично переходит в раствор в виде золя. Коллоидная гидроокись алюминия, взаимодействуя с органическими кислотами, образует подвижные комплексные соединения, в форме которых может перемещаться по профилю почвы. Ж еле зов почвах встречается в составе первичных и вторичных минералов-силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощенном состоянии, а также в составе органо-минеральных комплексов. Гидроокись железа, как и гидроокись алюминия, может образовывать с органическими кислотами подвижные формы комплексных соединений, способных перемещаться по профилю почвы. А зо т . Основная масса азота почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота находится в прямой зависимости от содержания в почве органического вещества, и прежде всего гумуса. В большинстве почв этот элемент составляет 1/12—1/20 гумуса. Накопление азота в почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало. Азот доступен растениям главным образом в форме ионов аммония и ни трат-ионов, которые образуются при разложении азотсодержащих органических веществ. Ион N H / легко поглощается почвой с частичным переходом в необменное (фиксированное) состояние. Ион N 0 3“ не поглощается почвой ни химически, ни физико-химически, находится преимущественно в почвенном растворе и легко используется растениями. Ф осф ор. Поглощаясь в больших количествах растениями, фосфор аккумулируется в верхних горизонтах почвы. Фосфор в почвах содержится в органических и минеральных соединениях. Органические представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, са- харофосфатами и др, минеральные — солями кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты. Фосфор в почве входит в состав апатита, фосфорита и вивианита. Апатит встречается во многих магматических породах и составляет 95% соединений фосфора в земной коре. К али й . Присутствует калий чаще в глинистых минералах тонко дисперсных фракций, особенно в гидрослюдах, а также в составе таких первичных минералов крупной фракции, как биотит, мусковит, калиевые полевые шпаты. Калий относится к числу органогенов, не Часть. Состав и свойства почв 61обходимых для развития растений в ряде случаев калий может быть в дефиците. Н атрий В почве натрий главным образом присутствует в составе первичных минералов, преимущественно в натрийсодержащих полевых шпатах. В засоленных почвах сухостепной и аридных зон в значительных количествах может присутствовать в виде хлоридов или входить в поглощающий комплекс. В почве дефицита этого элемента обычно не наблюдается присутствие натрия в повышенных количествах в составе подвижных соединений обусловливает наличие у почв неблагоприятных физических и химических свойств. Тит ан присутствует в почве в составе первичных устойчивых к выветриванию титансодержащих минералов (ильменита, рутила, сфена, в связи с чем при выветривании наблюдается его относительное накопление. С ера присутствует в почве главным образом в составе различных органических соединений как растительного, таки животного происхождения в засоленных почвах при наличии значительных количеств сульфатов валовое содержание S 0 3 может возрастать. Повышенное содержание серы в виде подвижных соединений может наблюдаться при загрязнении почв промышленными отходами выпадение с осадками газообразных выбросов соединений серы. В крупных фракциях почвы сера присутствует в составе сульфидов пирит, гипса, вторичных соединений железа, образующихся приболотном процессе. К аль ц и й и магний находятся в кристаллической решетке минералов в обменно-поглощенном состоянии ив форме простых солей разной степени растворимости. Среди обменных катионов кальций в большинстве почв занимает первое место, а магний — второе. Карбонаты кальция и магния, а также бикарбонатные формы (СаСОэ, M gC 03, Са(НСОэ)2, M g(H C03)2) всегда присутствовуют в почвах степей, саванн и пустынь, во многом определяя направление почво образования. Наряду с перечисленными макроэлементами в почве в очень небольших количествах присутствуют рассеянные элементы ими iiкроэлем ент ы , чрезвычайно, однако, важные для жизнедеятельности растений. Валовое содержание этих элементов в основном связано с содержанием в почве первичных минералов, отчасти глинистых минералов и органического вещества и П о ч во ведение Наблюдается следующая приуроченность важнейших микроэлементов и рассеянных элементов к первичным минералам Ni, Со, Zn — авгит, биотит, ильменит, магнетит, роговая обманка Си — авгит, апатит, биотит, гранаты, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы V — авгит, биотит, ильменит, мусковит, роговая обманка, сфен РЬ — авгит, апатит, биотит, калиевые полевые шпаты, мусковит Li — авгит, биотит, роговая обманка, турмалин В — турмалин Zr — циркон редкоземельные элементы — эпидот, монацит. Носителями микроэлементов и рассеянных элементов в крупной фракции почв могут быть также зерна кварца и обломки содержащих кварц пород, так как в них нередко встречаются субмикроскопические вкрапления перечисленных первичных минералов .4 .3 . Изменениях ими чес ко гос оста в а п о ч в В ПРОЦЕССАХ ГЕНЕЗИСА В целом химический состав почвы наследуется от материнской горной породы, которая в процессе почвообразования преобразуется, обогащается химическими элементами органического вещества СОН, Р и др, а также минеральными элементами-биофилами. Поэтому особой спецификой химического состава отличаются верхние гумусоаккумулятивные горизонты. Химический состав почв оказывает чрезвычайно большое влияние на их плодородие, как непосредственно, таки определяя те или иные свойства почвы, имеющие решающее значение в жизни растений. С одной стороны, это может быть дефицит тех или иных элементов питания растений, например фосфора, азота, калия, железа, некоторых микроэлементов с другой — токсичный для растений избыток, как в случае засоления почв. В процессе почвообразования происходят весьма существенные преобразования химического состава исходных почвообразующих пород, связанные с рядом почвенных процессов и антропогенным воздействием) переход химических элементов из одних соединений в другие в связи с трансформацией первичных минералов во вторичные) вынос химических элементов с почвенными растворами за пределы профиля почвы и коры выветривания при постоянном промывании почвы атмосферными осадками Часть. Состав и с вой ст в а почв) перераспределение химических элементов между генетическими горизонтами в процессах элювиально-иллювиальной дифференциации почвенного профиля) накопление химических элементов за счет притока их с грунтовыми водами при образовании засоленных почв) антропогенное загрязнение почв при поступлении элементов из атмосферы с осадками) антропогенное загрязнение почв при использовании ядохимикатов и минеральных удобрений. При оценке изменения валового состава почв в процессе почвообразования принято использовать молярные отношения кремнезема (S i0 2) к полуторным окислам (R20 3) или отдельно к Аи Потеря кремнезема и накопление окисей алюминия и железа хорошо иллюстрируются расчетом молярных отношений S i0 2: А 3 или S i0 2: R20 3 вили стой фракции почв и пород. С.В. Зонн предложил следующее разделение коры выветривания по молярным отношениям S i0 2: R20 3 в илистой фракции: Аллитные ( S i0 2: R20 3 < 2,5) с подразделением на аллитные (А12Оэ резко преобладает над Fe20 3), ферраллитные (А12Оэ преобладает над Fe20 3) и ферритные (Fe20 3 преобладает над S i0 2 и А12Оэ не только в илистой фракции, но ив коре в целом); Сиаллитные (S i0 2: R20 3 > 2,5) с подразделением на сиаллитные и феррсиаллитные. Для последних характерно суженное отношение S i0 2: Fe20 3. 1.5. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ Органическое вещество почв представлено органическими остатками живых организмов, продуктами их метаболизма, а также специфическими органическими соединениями, носящими название почвенного гумуса. По современным представлениям все органические вещества, находящиеся в почвенной массе генетических горизонтов, делятся на две группы Неспецифические, те. вещества не почвенного происхождения, а имеющие фито-, зоо-, микробоценотическую природу и поступающие в процесс почвообразования как отмирающая биомасса (органические остатки) и как продукты жизнедеятельности живых организмов Почвенный гумус или специфические органические вещества почвенно-генетической природы, присущие только почвам. В вещественном составе почв органическим соединениям принадлежит особая роль, поскольку гумусообразование и гумусонако- пление связано только с почвообразовательным процессом и не наследуется, как правило, от материнской почвообразующей породы, хотя, безусловно, материнские породы влияют на состав и свойства гумуса. г. Нес пе ц и фи чески е о р га ни чески е СОЕДИНЕНИЯ ПОЧВ Из массы органических веществ биологического происхождения в почвоведении широко представлены углеводы (целлюлоза, моносахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски и смолы и др. Особую роль играют ферменты и фенолы. Разные биологические объекты, поступающие в процесс почвообразования весьма варьируют по химическому составу (табл. Углеводы — большая группа органических веществ, куда входят моносахариды, дисахариды, крахмал, целлюлоза (клетчатка, геми целлюлоза и др. Большая часть приходится на долю целлюлозы. Осо Часть. Состав и с вой ст в а почв 65бенно много ее в древесине — 50—60%. В листьях и травах ее содержится около Углеводные компоненты, поступающие в почву с растительными и животными остатками, довольно быстро подвергаются различным превращениям ферментативному гидролизу, окислению, конденсации. Их химическая трансформация в дальнейшем может происходить различными путями а) в условиях высокой биологической активности наблюдается распад углеводных соединений до мономеров сих дальнейшей конденсацией 6) низкая биологическая активность способствует накоплению высокомолекулярных соединений за счет процессов ароматизации и карбоксилирования. Наиболее быстро процессам разложения подвергаются простые углеводы (моно- и дисахариды. Максимальное разложение углеводов наблюдается впервые три месяца при значительном накоплении новообразованных геми целлюлоз. Таблица Химический состав органических остатков, % на сухую безэольную массу (Александрова) Организмы Зола Белки Углеводы Лигнин Липиды, дубильные ве щества гемицеллюло за, пектиновые вещества целлю лоза Бактерии 2-10 40-70 Есть Нет 0 Водоросли 10-15 50-60 5-10 Лишайники 3-5 60-80 5-10 8-10 Мхи 5-10 30-60 Папоротникообразные 4-5 20-30 20-30 20-30 Хвойные, древесина 0,5-1 15-25 45-50 25-35 Хвойные, хвоя 3-8 15-20 15-20 20-30 Лиственные, древесина 0,1-1 0,5-1 20-30 40-50 20-25 Лиственные, листья 4-10 10-20 15-25 20-30 Травы, злаки 5-12 25-35 25-40 15-20 Травы, бобовые 10-20 15-25 25-30 15-25 2-10 .1. Почвоведение 66 Почвоведение Специфические функции углеводов в почве формирование почвенной структуры за счет образования водопрочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемых высокой клеящей способностью микробных слизей, обусловленных различными углеводами образование органоминеральных золей с полуторными окислами и глинистыми частицами ускорение выветривания минералов за счет образования хелатных соединений участие в ионнообменных процессах, те. значительное влияние на поглотительную способность почвы влияние на питание растений как путем непосредственного поглощения (моносахариды, таки косвенным, через образование различных соединений (полисахариды трансформация гумусовых веществ микроорганизмами ускоряется в присутствии углеводов как источника энергии и угле рода. Хотя вопросы о распространении углеводов в почвах, влиянии типа почвы на их содержание и распределение пока изучены недостаточно, в целом, можно сделать вывод о существенной роли углеводов в почвообразовании. Гемицеллюлоза сопутствует целлюлозе и составляет 15—30% растительной массы. Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бензольных колец с гидроксильными ОН) и метоксильными (ОСН) группами, которые входят затем как структурные компоненты гумусовых веществ. В растительных остатках содержание лигнина может достигать Белки и аминокислоты — главные химические компоненты неспе цифических органических веществ, содержащие азот и фосфор. Содержание белков в биомассах крайне неодинаково древесина — <1, сено (трава) — 5—10, грибы — 10—50; бактерии — В процессах почвообразования эти химические соединения подвергаются действию протеолитических и дезаминирующих ферментов. Аминокислоты в почвах могут быть свободными и связанными. Однако в отличии от углеводных соединений количество свободных аминокислот больше содержания связанных, а роль их более существенна, так как они являются структурными элементами в синтезе белка, субстратом эндогенного дыхания, регулятором ферментатив Часть. Состав и с вой ст в а почв 67ных реакций. По профилю наблюдается снижение как количества, таки разнообразия состава аминокислот. При этом в сумме свободных аминокислот возрастает относительное количество нейтральных соединений, устойчивых к минерализации. Одной из особенностей аминокислотного состава почв является корреляция последних с запасами общего и гидролизуемого азота, почвенного гумуса. Таким образом, аминокислоты в почве являются важным звеном в системе органическое вещество — питание растенийу обеспечивая условия для развития почвообразовательного процесса и возделывания сельскохозяйственных растений. Смолы имеют различное химическое строение. Чаще всего встречаются в хвойных деревьях. Воски выполняют функции защитных веществ, содержатся вне значительных количествах. Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5—20%), мало в травах и микроор ганизмах. Смолы, воски и дубильные вещества плохо разлагаются в почве, а в некоторых случаях угнетают почвенную микрофлору. Зольные вещества составляют золу, оставшуюся после сжигания растительных и животных остатков. Содержание зольных элементов в живых объектах варьирует в зависимости от вида, возраста и среды обитания. В растительных остатках золы около 5%, в древесине мало, около 1%, в травах много, около 10%. Основную массу золы составляют Са, Mg, КН, Мп и многие микроэлементы. Ферменты определяют ферментативную активность почвенной массы, имеют биологическое происхождение и являются обязательными катализаторами всех биохимических процессов, происходящих при почвообразовании. Очень много ферментов участвуют в катализе процессов расщепления, превращения, минерализации органических веществ неспецифической природы и гумуса. Фенолы представляют собой особый класс органических соединений. Фенольные соединения присутствуют во всех трех фазах почвы и участвуют в биологических, гидрологических, геологических, химических, биохимических и физико-химических процессах, происходящих в почве, подвергаясь многообразным метаморфозам биотического и абиотического синтеза и разложения. Вещества фенольной природы принимают участие в образовании органо-минеральных 6 Почвоведение соединений. Почвенные фенолы существуют в нескольких формах свободные, связанные и прочносвязанные с почвенной матрицей и не передвигающиеся в профиле почвы. Соотношение между ними определяется химической структурой фенолов и совокупностью почвенных условий. Таким образом, все неспецифические органические вещества почв по их биохимической значимости в процессах почвообразования можно разделить на 5 групп. Быстроразлагающиеся и поглощающиеся микроорганизмами — сахара и белки. Обеспечивают незамедлительное поступление в почвенный раствор соединений азота, фосфора и других био- фильных элементов. Разлагающиеся медленно, расщепляющиеся под действием ферментов и являющиеся основными источниками гумусообразова- ния — целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин. Вещества-ингибиторы, подавляющие микробиологическую деятельность, трудноразлагаемые: дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации органического опада, образованию органогенных генетических горизонтов. Ферменты различной биохимической направленности. Фенольные соединения различного структурообразующего и функционального действия. В связи с высокой динамичностью количественной массы неспе цифических органических соединений количество этих веществ в почвах варьирует в широких пределах. Считается, что около 10% определяемого в лабораториях гумуса составляют органические вещества неспецифической природы, полностью утратившие морфологические структуры исходных организмов. Неспецифические органические вещества почвы представляют интерес прежде всего как исходный материал для образования другой группы органических веществ, специфичных только для почвенных масс и носящих название — гумусовые вещества почвы .5 .2 . Гумус поч в к а к к ом пл е к с с пе ц и фи чески х ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Гумус, или гумусовые вещества, — это особая группа химических соединений, свойственная почвенному покрову Земли, те. специфич Часть. Состав и с вой ст в а почв 69ная только для почвенных образований. Гумус образуется из веществ растительных, животных и микробных остатков во взаимодействии с комплексом компонентов окружающей среды. Теория гумусообразования в мировом почвоведении разработай благодаря трудам В.В. Докучаева, ПА. Костычева, ИВ. Тюрина, ММ. Кононовой, С.А. Ваксмана, Л.Н. Александровой, Д.С. Ор лова и других исследователей. Раскрыта его огромная планетарная роль в биосферных явлениях как величайшего аккумулятора солнечной энергии наземном шаре. Гумус определяют как интегральный показатель плодородия почв. Органическое вещество почв по своим функциям разнообразно и сложно, с ним связано формирование почвенного плодородия, рост и развитие растений. Но, чтобы стать условием жизни связанных с почвой организмов, гумус сам прежде всего должен являться производным живого вещества. Главные продукты гумификации, от которых непосредственно зависит формирование разных свойств почв и типов почвообразования, представлены гуминовыми и фульвокислотами. К сожалению, несмотря на выдающиеся достижения химии, сейчас нельзя вывести определенную химическую формулу гуминовой кислоты или фульвокислоты, так как это группы химических соединений переменного состава. Однако они состоят из одинаковых структурных элементов. Количество которых в молекулах варьирует. Ароматическое ядро у гуминовых кислот или ароматические участки у фульвокислот. 2. Азот и фосфорсодержащие компоненты. При разложении гумусовых кислот обнаружено большое разнообразие составляющих их аминокислот, в том числе и ароматических. Установлено, что все потенциальные запасы азота сосредоточены в органическом веществе. В нем же содержится и 50% запасов фосфора. Различные функциональные группы соединений карбоксильные, фенольные, спиртовые, метоксильные и др. Водород функциональных групп способен к реакциям замещения. Именно благодаря функциональным группам гумусовые кислоты могут обменно поглощать из окружающей среды катионы и образовывать коллоидные комплексы. Углеводородные цепи Почвоведение Молекулы гумусовых кислот имеют как бы рыхлое, губчатое строение, со множеством внутренних пор, отличаются гидрофильностью и высокими сорбционными свойствами. Их элементный состав приведен в табл. Таблица Элементный состав гумусовых веществ, % на сухую безэольную навеску |