почвоведение ганжара. Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
вообразования. В результате этих процессов относительно накапливается кремний в составе устойчивых к выветриванию минералов и, прежде всего, кварца; выносятся за пределы почвенного профиля алюминий, железо и др. элементы. Валовой состав минеральной части почвы принято выражать в виде процентного содержания оксидов на сухую навеску, а также на прокаленную почву. Пересчеты на безгумусную, бескарбо- натную и прокаленную почву необходимы для суждения о перераспределении элементов в почвенном профиле в процессе почвообразования. В большинстве типов почв преобладают оксиды кремния (Si02). Содержание их в среднем составляет 60-70%, с колебаниями от 30% в ферраллитных почвах тропиков до 95% в песчаных почвах. На долю полуторных оксидов (R203), основную часть которых составляют оксиды железа и алюминия, приходится, в среднем, 15-20%, с колебаниями от 1-2% в песчаных почвах до 50 и более — в ферраллитных почвах тропиков. Валовое содержание оксидов кальция, магния, калия и натрия в сумме составляет 56%, с колебаниями от 1-2% в песчаных до 20% и более в засоленных почвах и в почвах, формирующихся на породах с повышенным содержанием карбонатов. Содержание остальных оксидов (Ti02, Р205, S03 и др.) в сумме составляет около 1%.
Химические элементы в почвах находятся в форме различных соединений, отличающихся строением, составом, степенью устойчивости к выветриванию, растворимостью и др. Выделяют следующие формы соединений химических элементов в почвах: первичные и вторичные минералы, органические вещества, орга- но-минеральные соединения, обменные (поглощенные) формы, почвенные растворы, газообразные формы в составе почвенного воздуха, живое вещество почв. Первичные и вторичные минералы. В форме первичных и вторичных минералов находится преобладающая часть химических элементов в минеральных почвах как по их числу, так и по массе: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калии, натрий, марганец, титан, хлор, частично фосфор и сера. На- людается приуроченность важнейших микроэлементов к минералам. Так, медь обнаруживается в составе авгита, апатита, биотита, 111полевых шпатов; цинк, кобальт и никель — в составе роговых обманок, биотита, магнетита; свинец — в авгите, апатите, мусковите, полевых шпатах. На основании данных по содержанию химических элементов можно получить приближенные сведения о минералогическом составе почв и почвообразующих пород. Органическое вещество. Гумус и органические остатки состоят в основном из углерода (25-65%), кислорода (30-50%), азота (1-5%), водорода (2-5%). В составе молекул органических соединений всегда присутствуют сера, фосфор, а также ряд металлов, в том числе и микроэлементов. Органо-минеральные соединения. Эта форма представлена продуктами взаимодействия органических веществ с минеральной частью почв: простыми гетерополярными, комплексно-гетеропо- лярными солями гумусовых кислот с ионами металлов и глиногумусовыми сорбционными комплексами. Обменные ионы в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК). Обменные ионы составляют небольшую часть от общего содержания химических элементов в почвах. Их количество измеряется единицами и десятками мг-экв на 100 г почвы. Поскольку в почвах преобладают отрицательно заряженные коллоиды, то в поглощенном (обменном) состоянии преобладают катионы. Преобладающими в ППК и играющими большую роль в почвенных процессах и формировании физико-химических свойств почв являются катионы: Са2+, Mg2+, Н+, Al3+, Na+, К , NH4+. Присутствуют также катионы Mn2+, Fe2+, лития, стронция и др. В поглощенном состоянии могут находиться и анионы (S042, Р043, N03 и др.) на положительно заряженных участках коллоидной мицеллы. Почвенный раствор. В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органоминеральные вещества в виде ионных, молекулярных и коллоидных форм. В них также присутствуют растворенные газы: С02, 02 и др. Концентрация почвенного раствора обычно находится в пределах 1 или несколько граммов на литр. Почвенный воздух. Состав почвенного воздуха аналогичен атмосферному. В нем содержатся 02, N2, С02, а также в небольших количествах метан, сероводород, аммиак, водород и др. В отличие от атмосферного, состав почвенного воздуха более динамичен как во времени, так и в пространстве. Живое вещество. В состав живой фазы почв входят грибы, водоросли, бактерии, актиномицеты, мезо- и микрофауна. Основную массу живых организмов составляют: кислород (70%), водо- 112 род (10%), азот, кальций (1-10%); сера, фосфор, калий, кремний (0,1-1%); железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01-0,1%).
Химический состав почв является одним из основных факторов почвенного плодородия. В настоящее время установлено 20 элементов, которые относятся к необходимым элементам питания. Это азот, фосфор, калий, кальций, магний, натрий, железо, углерод, кислород, водород, сера, хлор, медь, цинк, бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий. Кроме того, 12 элементов считаются условно необходимыми: кремний, алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан, стронций, кадмий, хром, селен. Каждый элемент играет определенную физиологическую роль в жизни растений. Как недостаток, так и избыток любого элемента, как правило, отрицательно сказывается на росте и развитии растений. Так, при недостатке азота, фосфора, калия, кальция, магния и др. снижается урожай культурных растений, при недостатке железа возникает заболевание хлорозом; при недостатке цинка и избытке фосфора — розеточность плодовых культур. Недостаток или избыток того или иного элемента в почвах отрицательно сказывается на качестве урожая и может вызывать заболевания животных и человека. Так, например, избыток молибдена способствует развитию подагры, недостаток йода — эндемии зоба, избыток тяжелых металлов — онкологическим заболеваниям и болезням нервной системы. Диагностику степени обеспеченности растений элементами питания проводят не по валовому их содержанию в почвах, а по количеству доступных, или усвояемых форм. К доступным относятся водорастворимые, подвижные (растворимые в слабых растворах кислот и щелочей) и обменные формы элементов, а также связанные с легкоразлагаемым органическим веществом. Недостаток того или иного элемента в почвах компенсируется применением органических и минеральных удобрений. Глава 14. Органическое вещество и органо-минеральные соединения в почвах Содержание органического вещества в гумусовом горизонте целинных автоморфных почв различных природных зон колеблется от 0,5-1,0% в пустынных и полупустынных почвах до 13-15% в черноземах лесо-степной зоны. На преобладающих площадях пахотных угодий России в пахотном слое его содержание составляет всего лишь 2-5%. С глубиной содержание органического вещества в профиле почв резко или постепенно снижается до десятых долей процентов. Однако практически все генетические, агрономические свойства и режимы почв в той или иной степени связаны с содержанием и составом органического вещества.
Качественный состав органического вещества почв очень разнообразен, что определяется разнообразием растительных и животных остатков, ежегодно поступающих в почву, условиями их трансформации и взаимодействия с минеральной частью почв. По составу органическое вещество почв можно разделить на три части.
Состав источников гумуса определяется видом растительных и животных остатков; детрита — видом растительных и животных остатков и условиями разложения и гумификации; гумусовых веществ — условиями гумификации и взаимодействия с минеральной частью почвы. Понятием “гумус” объединяются весьма разнокачественные вещества, полностью утратившие черты анатомического строения организмов. Основную массу гумуса составляют гумусовые вещества. Некоторая часть его (единицы и десятки процентов) всегда представлена гумифицированным детритом и неспецифическими веществами. Разнокачественность включаемых в гумус веществ создает затруднения в интерпретации ряда свойств гумуса. Исходя из функциональных свойств и способности к трансформации, вполне логично в одну группу объединять две первые частИ _ источники гумуса и детрит — под общим названием лег- коразлагаемое (лабильное) органическое вещество. В эту же группу входят и практически все виды внесенных в почву органических удобрений (различные виды навоза, компосты и др.). Гумусовые вещества, как наиболее устойчивые к разложению, следует относить к стабильной (трудноразлагаемой) части органического вещества.
Гумусовые вещества представляют собой гетерогенную, по- лидисперсную систему высокомолекулярных, азотсодержащих, ароматических органических соединений кислотной природы. В их составе выделяют три группы: гуминовые кислоты, фульвокисло- ты и гумин, или негидролизуемый остаток. Качественное соотношение этих групп характеризует групповой состав гумуса. В составе групп выделяются фракции, отличающиеся друг от друга некоторыми свойствами (растворимость, молекулярная масса, элементный состав и др.). Количественное соотношение фракций характеризует фракционный состав гумуса. Гуминовые кислоты — группа темно-окрашенных (от бурой до черной) гумусовых кислот (бурые, серые, гиматомелановые), которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в минеральных кислотах и в воде. Из щелочных растворов гуминовые кислоты осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух-, трехвалентными катионами. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы. Ядро молекулы представлено ароматическими или гетероциклическими кольцами типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др. Ядерные фрагменты соединены между собой углеродными, аминокислотными и другими цепочками и мостиками ('О-, -N-, -СНГ, -С-С-) и образуют рыхлое сетчатое строение. 115 Боковые цепи содержат функциональные группы, преимущественно карбоксильные (-СООН) и фенолгидроксильныс (-ОН) с участием метоксильных, карбонильных, амидных, которые предопределяют кислотную природу этих соединений. Водород функциональных групп способен замещаться на металлы. При этом образуются соли гуминовых кислот — гуматы. Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов, которая составляет при нейтральной реакции 300-700 мг-экв на 100 г препарата гуминовой кислоты; при кислой — несколько снижается, а при щелочной — возрастает до 800-1000 мг-экв. В элементном составе гуминовых кислот содержится: С - 50-62%; О — 31-40%; N - 2-5%; Н - 3-5%. Значительная часть азота находится в труднодоступной для растений форме. Кроме того, в составе препаратов всегда содержится 1-5% зольных элементов (Si, Al, Fe, Р и др.), даже после тщательной их очистки. Молекулярная масса гуминовых кислот может достигать десятков и сотен тысяч единиц. Фульвокислоты — группа светло-окрашенных (от желтой до бурой) гумусовых кислот (креновые, апокреновые), сходных по составу и строению с гуминовыми кислотами, но имеющих ряд существенных отличий:
При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются соли — фульваты. Водные растворы фульвокислот обладают очень кислой реакцией (pH 2,6-2,8). Гумины (негидролизуемый остаток) — совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, очень прочно связанных с ми- 116 сальной частью почв. При выделении гуминов из почвы и раз- Н шении этих связей происходит гидролитическое расщепление лекул гуминовых и фульвокислот, что не позволяет детально М учить состав этой группы соединений. Гидролитическое расщепи Ие молекул происходит при выделении и очистке препаратов л иновых кислот и фульвокислот под действием кислот и щелочей К сожалению, прямых методов изучения состава и свойств гумусовых веществ, исключающих разрушение связей с мине- альной частью почв, практически нет. В связи с этим интерпретация результатов исследования выделенных препаратов гуминовых и фульвокислот на состав и свойства природных гумусовых веществ не всегда корректна. В заключение этого раздела следует отметить, что прямых методов определения гумуса в почвах нет. Проводят определение содержания углерода, а в некоторых странах — азота с последующим пересчетом на гумус. По предложению И.В. Тюрина, принято, как среднее, содержание углерода в составе гумуса - 58%, поэтому пересчетный коэффициент с углерода на гумус равен 1,724. Однако, учитывая большую вариабельность углерода в составе гуминовых и фульвокислот, а также гуминовых и фульвокислот в разных почвах, в целях снижения ошибок, полученных за счет пересчета, многие авторы содержание и запасы гумуса представляют в виде содержания углерода. 14.3.0ргано-минеральные соединения в почвах Преобладающая часть гумусовых веществ в почвах находится в форме органо-минеральных соединений. Именно они придают гумусовым веществам устойчивость к разложению и минерализации в условиях земной поверхности и обеспечивают длительное существование во времени, исчисляемое сотнями и тысячами лет. По характеру взаимодействия выделяют три группы органоминеральных соединений (Л.Н.Александрова, 1980). Простые гетерополярные соли. Гуматы, фульваты аммония, Щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм образования их заключается в обменной реакции между водородом кислых Функциональных групп гумусовых кислот и катионами, находящимися в почвенном растворе. Образующиеся гуматы и фульваты Щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы кальция не растворимы, а магния — частично; при высыхании °бразуются водопрочные гели, они принимают участие в форми- 117ровании водопрочной структуры почвы. Фульваты кальция и магния растворимы в воде при всех значениях pH, кроме сильнощелочных (pH более 10). Растворимость солей гумусовых кислот характеризует их подвижность в почвенном профиле и участие в аккумулятивных процессах. Комплексно-гетерополярные соли. Эти соединения образуются при взаимодействии гумусовых кислот с поливалентными металлами (железом, алюминием, а также медью, цинком, никелем). Металл в комплексно-гетерополярных солях входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям. Установлено, что поливалентные металлы в составе комплексов присутствуют в форме ионов. Характерной особенностью этих соединений является остаточная емкость катионного обмена щелочных и щелочноземельных металлов за счет оставшихся свободных карбоксильных и фенолгидроксильных групп. Емкость связывания железа в комплексно-гетерополярные соли в моделях опыта достигала 150 мг/г для гуминовых кислот и 250 мг/г для фульвокислот, для алюминия — в 2-3 раза ниже. Миграционная способность железо- и алюмогумусовых солей зависит от состава обменных катионов, замещающих водород свободных функциональных групп, степени гидратации, степени насыщенности металлом и природы гумусовых веществ. Более подвижными являются комплексно-гетерополярные соли фульвокислот и неспецифических кислот (щавелевой, уксусной, муравьиной и др.). Адсорбционные органо-минеральные соединения. Эти соединения образуются путем сорбции гумусовых веществ на поверхности твердых частиц почвы. К ним относятся алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы, глино- и кремнегумусовые комплексы. Алюмо- и железогумусовые комплексы образуются путем сорбции гумусовых кислот гелями оксидов железа и алюминия. При этом образуются пленки на поверхности твердых частиц и конкреции. Глиногумусовые комплексы образуются в процессе склеивания поверхностей гумусовых кислот и их органо-минеральных производных с поверхностями глинистых минералов. Склеивание может происходить в результате ионного обмена, хемосорбции, адгезии и др. Эти процессы играют большую роль в формировании гумусовых горизонтов, их структурного состояния и оказывают влияние практически на все свойства и режимы почв. 14 4. Процессы трансформации органических веществ в почвах. Гумусообразование |