Лекция почвовебение. Лекция_почвоведение. Введение цель и задачи курса, краткая история развития почвоведения

• Название: Введение цель и задачи курса, краткая история развития почвоведения
• Анкор: Лекция почвовебение
• Дата: 08.10.2022
• Размер: 0.71 Mb.
• Имя файла: Лекция_почвоведение.doc
• Тип: Лекция; #721494
• страница: 4 из 16

Дополнительная литература

1.Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука. 1978.

2.Криволуцкий Д.А. Животный мир почвы. М.: Наука. 1969.

3.Гиляров М.С., Криволуцкий Д.А. Жизнь в почве. М.: Молодая гвардия. 1985. 192 с.

4. Фокин А.Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле. М.: Наука. 1986. 178 с.

5.Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности. М.-Л., 1965.

6.Самсонов С.К. Невидимые земледельцы. М.: Мысль. 1987. 168 с.

7.Титлянова А.А., Тесаржова М. Режимы биологического круговорота. Новосибирск: Наука. 1991.

8.Туев Н.А. Микробиологические процессы гумусообразования. М.: Агропромиздат. 1989. 237 с.

9.Гришина Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М.:МГУ. 1986. 243 с.

10.Картамышев Н.И. Критика современной теории гумусообразования // Земледелие. 2002. №5. С.38-42.

11.КононоваМ.М. Гумус главных типов почв СССР,его природа и пути образования //Почвоведение. 1956 № 3.

12.Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М., 1963.

13.Куришбаев А.К. Гумусовое состояние основных пахотных почв Казахстана и пути его регулирования //Авторефер. дисс…д.с.-х. н. Алматы. 1997. 45 с.

14.Нестерова О.В. Особенности процессов гумусообразования в зоне перехода от континента к океану //Сохраним планету Земля. Докл. Международного экологического форума. Санкт-Петербург: ЦПМ. 2004. С. 441-445.

15.Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. Л.: Наука. 1980.

16.Орлов Д.С. и др. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука. 1996. 253 с.

17.Ковда В.А. Живое вещество, биосфера и почвенный покров планеты // Почвоведение. 1991 № 6. С.5-14.

18.Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности. М.-Л.: Наука. 1965

19.Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов // Почвоведение. 2003. №1. С.53-61.

ЛЕКЦИЯ 5

ПОЧВЕННЫЕ КОЛЛОИДЫ И ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

Почвенные коллоиды играют исключительно важную роль в жизни почвы и ее направленном изменении. По размерам частиц коллоиды занимают промежуточное положение между взвесями и истинными растворами. Диаметр частиц от 0,0001 до 0,000001 мм (одна миллионная).

Свойства почвенных коллоидов и значение их в процессе почвообразования стали известны, главным образом, благодаря работам К.К.Гедройца.

Коллоиды образуются в результате измельчения частиц. С уменьшением размеров части коллоидные свойства проявляются постепенно, проходя предколлоидную стадию. Второй способ образования коллоидов – соединение молекул и ионов молекулярных растворов с образованием труднорастворимых веществ. В почве имеются минеральные, органические и органно-минеральные коллоиды.

Коллоиды – это системы, состоящие из дисперсионной среды и рассеянной в ней коллоидной дисперсной фазы.

Среда и фаза могут быть твердыми жидкими и газообразными в разном сочетании.

Физическое состояние почвенных коллоидов.

Если твердые коллоидные частицы почвы распределены в большом объеме воды и находятся в раздельном одна от другой состоянии, то такое состояние коллоидов называется золем или, точнее, гидрозолем. В данном случае воду называют дисперсионной средой, а распределенные в ней твердые частицы – дисперсной фазой.

Раздельное существование коллоидных частиц в состоянии золя обусловливается двумя причинами: 1) электрическим зарядом (электрокинетическим потенциалом) и 2) наличием водной оболочки на поверхности частиц. Электрический заряд способствует взаимному отталкиванию коллоидных частиц, а водная оболочка препятствует слипанию их при столкновении.

В природе можно встретить разнообразные сочетания среды и фазы. Например, дым представляет собой коллоидную систему, в которой дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой – частицы углерода. В мутной воде рек и оросительных каналов дисперсная фаза представлена твердыми почвенными частицами, а дисперсионная среда - водой.

В результате высушивания, добавления солей и просто долгого хранения золя, заряд и водная пленка коллоидных частиц уменьшаются, вследствие чего они могут соединиться друг с другом и образовать рыхлую массу в виде хлопьевидного осадка.

Процесс соединения (склеивания) коллоидных частиц называется коагуляцией с образованием геля, а следующее за ним осаждение – седиментацией.

Минимальная концентрация солей, при которой наступает коагуляция коллоидов, называется порогом коагуляции.

Имеет место и обратный процесс, т.е. переход геля в золь – пептизация.

По количеству воды, которое удерживается коллоидами, последние условно разделяют на две группы: гидрофильные и гидрофобные. Первые удерживают большое количество воды, т.е. гидратация их большая, поэтому для коагуляции необходимо отнять воду от коллоидов путем добавления к ним спирта или концентрированного раствора соли. Гидрофобные коллоиды содержат небольшое количество воды и их можно коагулировать раствором соли слабой концентрации.

Примером гидрофильных коллоидов могут служить желатин, клей, некоторые органические вещества, встречающиеся в почвах, минералы монтмориллонитовой группы (монтмориллонит, бейделит и др.). Из гидрофобных коллоидов можно назвать гидроокись железа, минералы каолинитовой группы (каолинит, галлуазит) и др.).

Состояние коллоидов в форме геля является распространенным в природе. В почве коллоиды также находятся преимущественно в состоянии геля. Во влажной почве обычно лишь небольшая часть коллоидов находится в состоянии золя. Гели при высушивании склеиваются с крупными песчаными или пылеватыми частицами, образуя структурные агрегаты разного размера. Если гели не растворяются в воде и не переходят опять в состояние золя, то образующиеся при их высыхании структурные отдельности называются водопрочными. Водопрочной структурой обладают многие черноземы. Если гели в воде переходят, хотя бы частично, в состояние золя, то почвенные агрегаты расплываются, а почва становится бесструктурной.

В почвах постоянно происходят изменения количества коллоидов и переход части коллоидов из одного состояния в другое.

Под влиянием периодического высушивания почвы, нагревания, увлажнения, промораживания, изменения реакции среды и других причин органические и минеральные коллоиды сильно изменяются. Установлено, что высушивание, нагревание и промораживание способствуют переходу почвенных золей в гели. Изменение в поглощающем комплексе также сказывается на состоянии коллоидов. Например, насыщение поглощающего комплекса натрием способствует образованию золей и распылению почвы. Замещение натрия кальцием, наоборот, способствует переходу золей в гели и образованию водопрочной структуры.

Золи, несмотря на малое их содержание в почве по сравнению с гелями, сильно влияют на свойства почвы. Заполняя промежутки между крупными частицами почвы, коллоиды могут уменьшать проницаемость воды и воздуха в почву.

В сельскохозяйственной практике пептизация почв имеет отрицательные последствия. Хорошо известно, что почву рекомендуют пахать в спелом состоянии, когда она не сильно прилипает в орудиям. Эта рекомендация вполне обоснована с точки зрения учения о свойствах коллоидов. Если лемех плуга или зубья бороны будут раздвигать почву, имеющую слишком высокую влажность, то их действие станет аналогично механическому дезагрегированию гелей, т.е. разрушению структуры.

К особому виду коагуляции относится так называемая тиксотропия. Этот вид коагуляции имеет две особенности.

Во-первых, образовавшийся их золя гель не отделяется от дисперсной среды, а застудневает вместе с ней. Коллоидные, а вместе с ними и более крупные частицы образуют своеобразный каркас, внутри которого свободное пространство заполняется раствором. По внешнему виду тиксотропный гель напоминает студень или скисшееся молоко. Образование студня происходит обычно медленно и сопровождается постепенным нарастанием вязкости.

Вторая особенность тиксотропных коллоидов состоит в том, что путем механического воздействия, например, помешивания или встряхивания геля его снова можно перевести в золь. Если такой золь оставить в покое, он снова перейдет в гель.

Тиксотропия резко выражена в почвах тундровой зоны, а также, иногда, в плывунах.

Поверхность тиксотропной почвы до механического воздействия ничем не отличается от почвы, не имеющей такого свойства. При копке шурфа, состоянии или механической обработке выступает вода и почва становится текучей. Оставление ее в покое снова приводит к увеличению вязкости и затвердеванию.
Поглотительная способность.

Почвенный поглощающий комплекс.

Громадная внутренняя поверхность, образующаяся в коллоидном веществе, наличие множества точек электрических зарядов и свободной энергии на поверхности коллоидных частиц приводит к тому, что почвенные коллоиды обладают выраженной способностью к поглощению.

Задержанные на поверхности коллоидных частиц ионы называются поглощенными или обменными. Чаще всего в этой роли в почве встречаются ионы кальция, магния, натрия, калия, алюминия и водорода. От того, какой катион преобладает в почвенном поглощающем комплексе, зависят многие свойства почв. Так, Са++ способствует созданию прочных агрегатов, предохранению гумусовых соединений от вымывания, Na+, наоборот, вызывает распыление почв, потерю гумуса.

Поглотительная способность почвенных коллоидов передается всей почвенной массе и проявляется в отношении газов, жидкостей, особенно воды, молекул и ионов веществ, находящихся в почвенных растворах и, наконец, бактерий и ферментов.

Таким образом, поглотительной способностью почв следует называть их способность поглощать и удерживать (сорбировать) различные твердые, жидкие и газообразные вещества или увеличивать их концентрацию у поверхности коллоидов.

Поглотительная способность почвенных коллоидов в широком смысле выражена тем резче, чем выше степень дисперсности, т.е. чем меньше диаметр коллоидных частиц. Соответственно, наибольшей поглотительной способностью характеризуются почвы тяжелосуглинистого механического состава, содержащие большое количество минералов монтмориллонитового типа и гумуса. Сниженной поглотительной способностью отличаются малогумусные почвы и грунты грубого механического состава или содержащие большое количество минералов каолинитового типа.

Совокупность высокодисперсных минеральных и органических веществ, придающих почвам и грунтам поглотительную способность названа К.К.Гедройцем почвенным поглощающим комплексом (ППК). Он состоит из двух частей: адсорбентов-коллоидов и адсорбируемых веществ – различных катионов и анионов. В состав адсорбентов-коллоидов входят коллоидные вещества минеральной и органической природы.

Большинство коллоидов несет отрицательный заряд и поэтому способно поглощать и обменивать преимущественно катионы. Лишь в условиях нейтральной и кислой среды некоторые коллоиды обнаруживают положительный заряд, и почва обнаруживает способность к поглощению анионов. Особенно это заметно при обильном содержании в почвах гидратов окиси железа и алюминия (красноземы, ферраллитные почвы). Количество поглощенных катионов изменяется в зависимости от соотношения между органическими и минеральными коллоидами, от реакции среды.

Общее количество всех поглощенных (обменных) катионов, которые могут быть вытеснены из почвы, называется емкостью поглощения или емкостью катионного обмена (ЕКО) – понятие введено К.К.Гедройцем – и выражается в миллиграмм-эквивалент на 100 г почвы.

Емкость поглощения почв зависит от многих причин: содержания коллоидов и ила, минералогического состава, количества и качества органических веществ. Большую емкость поглощения имеют глинистые черноземы – ведь они, как правило, содержат много минеральных и органических коллоидов. Небольшую емкость поглощения имеют дерново-подзолистые почвы, сероземы, красноземы. Вообще почвы, имеющие легкий механический состав, а также почвы, богатые полуторными окислами, минералами каолинитовой группы, слюдами, имеют небольшую емкость поглощения.

В почвах, богатых органическими коллоидами, емкость поглощения достигает 65 мг · экв на 100 г., но чаще составляет 25-35 мг · экв, в некоторых почвах она падает до 2 мг · экв.

Емкость поглощения одной и той же почвы – величина непостоянная: она изменяется в зависимости от реакции среды и от энергии катиона вытеснителя.

Состав поглощенных оснований в почвах разнообразен: в почвах обнаружены поглощенные Ca, Mg, K, Na, NH₄, H, Al. А также Li, Mn, Rb, Cr, Ti, Ni.

Состав поглощенных оснований определяет устойчивость поглощающего комплекса, т.е. сопротивляемость диспергирующему действию воды.

К.К.Гедройц показал, что выход коллоидной фракции при обработке почвы водой резко изменяется в зависимости от состава поглощенных оснований. Катиона по их осаждающему действию образуют следующий ряд (в порядке возрастающего влияния):

Na+4 2+2+ +2+3+3+.

Порядок, который образуют катионы по их влиянию на сопротивляемость коллоидов диспергирующему действию воды, тот же, в каком эти катионы располагаются по их коагулирующей способности и по энергии вытеснения и поглощения.

Следовательно, почвы, насыщенные трехвалентными и двухвалентными катионами, обладают устойчивым поглощающим комплексом; коллоиды находятся в них преимущественно в форме водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные почвенные частицы. Обычно такие почвы обладают хорошей структурой.

Почвы, насыщенные одновалентными катионами, особенно натрием, легко подвергаются диспергирующему действию воды: их коллоиды при увлажнении переходят в золь.
Почвы, насыщенные натрием, при увлажнении набухают, заплывают, делаются воздухо- и водонепроницаемыми; при высушивании и резком уменьшении объема они разбиваются вертикальными трещинами на отдельные блоки. Все эти явления не наблюдаются, если почвы насыщены Ca и Mg, а тем более Fe и Al.

В природе встречаются кислые почвы, у которых в поглощающем комплексе присутствует большее или меньшее количество поглощенного водорода. Это почвы не насыщены основаниями.

Присутствие в поглощающем комплексе ионов водорода, алюминия и железа обусловливает появление в почвах обменной кислотности.

Регулируя состав поглощенных ионов, можно улучшить многие свойства почвы.

Широко применяющиеся методы известкования почв, внесение в почвы гипса направлены на изменение состава поглощенных оснований в коллоидной части и замену водородного иона (известкование) или иона натрия (гипсование) кальцием, благоприятно действующим на почвы.

Виды поглотительной способности

Физическая и физико-химическая поглотительная способность почв имеет большое значение как фактор, удерживающий от вымывания вносимых в почву минеральных удобрений.

В поглотительной способности почв К.К.Гедройц различал кроме физического и физико-химического поглощения еще поглощение механическое, химическое и биологическое.
Механическая поглотительная способность – это свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать взвешенные в перемещающейся почвенной влаге твердые частицы, диаметр которых превышает размеры пор. В тонких порах задерживаются илистые частицы, в более крупных – пылеватые и тонкопесчаные.

В результате механического поглощения происходит кольматация (заиливание) определенных, преимущественно иллювиальных, горизонтов: поры почвы заполняются тонкими механическими частицами, принесенными из верхних элювиальных горизонтов. Вода, проходя сквозь почвенную толщу, очищается от взвесей. Это свойство почв и рыхлых пород используется для очистки питьевых и сточных вод.

Механическое поглощение используется также для заиливания дна и стенок оросительных каналов в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию.

Химическое поглощение основано на образовании в почве в результате химических обменных реакций труднорастворимых соединений, которые переходят в твердую фазу в виде нерастворимого осадка.

В почвах из катионов, дающих нерастворимые соединения, наиболее обычны Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Fe³⁺. Из анионов, образующих труднорастворимые соединения с перечисленными катионами, надо назвать CO₃^2-, РO₄^3- SO₄^2-_{_}.

Образование труднорастворимых соединений происходит в следующих случаях:

1.При наличии в водах, поступающих в почвы (атмосферных, грунтовых, поливных), простых солей, анионы или катионы которых способны давать с солями, находящимися в почвенном растворе, нерастворимые осадки. Так, еcли в почвы, в растворе которых содержится хлористый кальций, поступают воды с сульфатом натрия, происходит обменная химическая реакция:

Na₂ SO₄ + CaCl₂ → 2NaCl + CaSO₄↓

Сульфат кальция – относительно труднорастворимая соль, и она выпадает в осадок.

Такой же эффект химического поглощения вызывает воздействие на почву, в растворе которой присутствует CaCl₂, вод содержащих содуNa₂CO₃. При обменных реакциях образуется очень слабо растворимый карбонат кальция:

Na₂CО₃+ CaCl₂ → 2NaCl + CaСO₃

2.Химическое поглощение наблюдается при реакции физико-химического обмена: в раствор выходят катиона, находившиеся в адсорбированном состоянии, и образуют с анионами, находящимися в растворе, нерастворимые соли. Например, при вытеснении Ca из поглощающего комплекса раствором соды или фосфорнокислого натрия образуются нерастворимые карбонаты или еще более труднорастворимые фосфаты кальция.

3.Биологическое поглощение обусловлено способностью живых организмов и корневой системы растений усваивать химические элементы из почвы. Благодаря биологическому поглощению в почве удерживаются от вымывания важные элементы питания растений: Ca²⁺, K⁺, NO₃⁺, PO₄^3-.

Поглотительная способность почв и питание растений.

Экспериментальными исследованиями К.К.Гедройца, Д.А.Сабанина, Е.И.Ратнера и др. доказана не только доступность всех поглощенных катионов растениям, но и большое значение поглощенных ионов в почвенном питании растений.
Так, установлено (Гедройц и др.), что оптимальные условия питания, развития и плодородия растений складываются в тех случаях, когда поглощенный кальций составляет более половины (50-60%) емкости, а остальные катионы представлены меньшими величинами.

Вегетационные опыты Гедройца и Кедрова-Зихмана на образцах почв, насыщенных одним из катионов (Al, Fe, Mn, Ba, Mg, Na, R, H, NH4), показали, что растения при этом полностью гибнут или крайне угнетены и дают ничтожный урожай. Исключение составляли .ионы Ca и Sr, насыщение почв которыми не сопровождалось катастрофическим ухудшением развития растений. Дополнительное внесение в вегетационные сосуды углекислого кальция значительно улучшало развитие и продуктивность растений. Следовательно, кальций играет исключительную физиологическую роль в жизни растений.

Повышенное содержание в поглощенном состоянии таких катионов, как водород (до 30% от емкости поглощения), магний (до 40%), натрий (до 30-35%), также в резко выраженной форме угнетает сельскохозяйственные растения. Искусственное замещение этих катионов в поглощающем комплексе на кальций обязательно сопровождается значительным улучшением развития растений.

Таким образом, необходимо известкование кислых почв, насыщенных водородом и алюминием, а также гипсование засоленных щелочных почв, содержащих в избыточном количестве магний и натрий.