Элементный состав почв и его задачи.
Элементный состав почв — первая и необходимая химическая характеристика
почв, на которой базируется понимание свойств почв, их
генезиса и плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие
почвенно-химические исследования невозможны.
Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение
химических элементов в почвенной массе. В качестве синонима
«элементного состава» иногда употребляют термин «валовой состав
почвы», но он менее точен, поскольку не поясняет, о каком именно
составе (химическом, механическом) идет речь. Слово «валовой» означает
«общий», состоящий из всех компонентов. Поэтому часто говорят
о валовом, или общем, содержании элемента в почве, имея в виду все
его количество в почве независимо от форм соединений.
Элементный состав в химии почв и в почвоведении — важнейший
показатель химического состояния почв, их свойств и генезиса. Он используется
для оценки потенциального плодородия почв, а также при
выборе и разработке методов химического анализа почв. Элементный состав в химии почв и в почвоведении — важнейший
показатель химического состояния почв, их свойств и генезиса. Он используется
для оценки потенциального плодородия почв, а также при
выборе и разработке методов химического анализа почв.
Рассмотрим эти направления более подробно.
1. Элементный состав отражает многие и наиболее важные ИТОГИ
почвообразовательного процесса. По элементному составу различаются
генетические горизонты почв; в частности, перегнойно-аккумулятивные
горизонты отличаются повышенным содержанием С, Р, N; в иллювиальных
горизонтах накапливается Fe, A1 и ряд других элементов. В элювиальных
горизонтах повышено количество кремния и понижено содержание
многих других элементов. Иными словами, можно воспользоваться
элементным составом как диагностическим признаком при определении
вида генетического горизонта.
Совокупность элементных составов генетических горизонтов одного
почвенного профиля служит показателем направления почвообразовательного
процесса. В качестве примера на рис. 1 показано распреде-
ление углерода органических соединений и валового содержания железа
по профилю чернозема и дерново-подзолистой почвы. Для чернозема
характерно постепенное убывание с глубиной количества углерода
органических соединений и равномерное распределение железа. Это
свидетельствует о том, что в черноземной почве не произошло заметного
перераспределения по профилю железа (и других минеральных компонентов),
а одним из главных процессов является прогрессирующее
накопление гумуса без последующего его переноса в профиле.
В дерново-подзолистой почве уже только по этим данным выявляются
иные процессы: интенсивное гумусонакопление идет только в самой
верхней части профиля с частичным выносом органического вещества
в иллювиальный горизонт. Распределение железа указывает на его
потерю элювиальным горизонтом (возможно, с разрушением алюмоси-
ликатов) и накопление в иллювиальном горизонте. Верхний максимум
накопления железа совпадает с перегнойно-аккумулятивным горизонтом;
одна из вероятных причин появления этого максимума — биологическое
накопление элемента. Даже эти немногие данные элементного
состава позволили высказать некоторые положения о наиболее важных
процессах, формирующих почвенный профиль. Полный анализ
элементного состава позволяет во многих, хотя и не во всех случаях определить
главное направление процесса, результат почвообразования.
Однако элементный состав ничего не говорит о механизмах протекающих
реакций и не дает возможности выявить те процессы, которые связаны
только с трансформацией, перестройкой веществ в почве, если эта
трансформация не сопровождается пространственной дифференциацией
2. Элементный состав позволяет в некоторой степени судить о потенциальном
плодородии почв. Высокое содержание углерода органических
соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы.
Высокий уровень накопления хлора — показатель неблагоприятных
для растений свойств. Конечно, растениям доступна только часть (и не
всегда большая) находящихся в почве элементов питания растений.
Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав
труднорастворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов
гумусовых веществ, становятся доступными растениям только
после их мобилизации, т. е. после полного или частичного разрушения
исходной структуры и перехода элемента в форму легкорастворимого
соединения. Тем не менее валовое содержание или запасы элемента
показывают, как долго та или иная почва потенциально может
обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.
Расчет потенциальной обеспеченности типичного чернозема азотом,
фосфором и калием приведен в табл. 2. Только в слое 0—20 см запасы
азота достигают б—11 т/га,и при урожае пшеницы в 30 ц/га этого может быть
достаточным на 60—100 лет.
Еще больше относительная обеспеченность по фосфору и тем более по калию. Сделанный расчет позволяет оценить только некоторую условную потенциальную возможность почвы при использовании всех запасов.
Практически полная мобилизация всех запасов невозможна, но даже мобилизация ближних резервов, как следует из этих расчетов, в течение десятилетий приводит к истощению почвы.
Полная мобилизация элементов означает полную деградацию, разрушение
почвы, превращение почвы в бесплодную смесь оксидов. Следовательно,
даже из данных элементного состава почв вытекает необходимость
обеспечения бездефицитного баланса всех элементов пита-
«ия в пахотных почвах.
3. Элементный состав — один из важнейших факторов, который
обусловливает выбор методов химического и физико-химического ана-
лиза почв. Любая почва содержит большой набор элементов, причем
содержание их колеблется от десятков процентов до 10
элементы оказывают взаимное мешающее влияние при химическом
анализе, причем соотношение мешающих и определяемых элементов
часто складывается очень неблагоприятно. Поэтому при химическом
анализе почв широко используются методы концентрирования и различные
приемы отделения определяемых элементов от мешающих выполнению
Элементный состав почвы и ее гранулометрических фракций может
быть использован как дополнительный диагностический признак при
идентификации почвенных минералов, особенно в тонкодисперсных
Источник
Элементный и фазовый состав почв.
Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор; и газовой (почвенный воздух) фаз.
Почвенный воздух отличается от атмосферного повышенным содержанием углекислого газа (в среднем около 1%, иногда до 2—3% и более) и меньшим — кислорода. Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образование углекислого газа в почве происходит в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. Образующийся углекислый газ частично выделяется из почвы в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту (H2O + СО2 = Н2СО3). Последняя вызывает подкисление раствора, в результате чего усиливается растворение и перевод в усвояемую для растений форму содержащихся в почве нерастворимых минеральных соединений Р, К, Са, Mg и др. При избыточном увлажнении почвы и плохой аэрации содержание углекислоты в почвенном воздухе повышается, а количество кислорода снижается до 8—12% и менее, что отрицательно сказывается на развитии растений и микроорганизмов.
Почвенный раствор — наиболее подвижная и активная часть почвы. Он является непосредственным источником воды и питательных веществ для растений. Состав и концентрация его изменяются в результате разнообразных биологических, химических и физико-химических процессов. Между жидкой, газообразной и твердой фазами почвы постоянно устанавливается подвижное (динамическое) равновесие. Поступление солей в почвенный раствор зависит от хода процессов выветривания и разрушения минералов, разложения органического вещества в почве, внесения органических и минеральных удобрений.
Концентрация почвенного раствора незасоленных почв невелика и колеблется от десятых долей грамма до нескольких граммов веществ на литр. В засоленных почвах содержание растворенных веществ достигает десятков, а иногда и сотен граммов на литр.
Избыток водорастворимых солей в почве (более 0,2%, или 2 г на 1 кг почвы) вредно действует на растения, а при содержании их 0,3—0,5% растения погибают.
В почвенном растворе содержатся не только минеральные, но и органические вещества, органоминеральные соединения, а также растворенные газы (углекислый газ, кислород, аммиак и др.). В составе почвенного раствора могут находиться различные анионы и катионы. Наиболее важное значение для питания растений имеет присутствие в почвенном растворе ионов К + Са 2+ , Mg 2+ , NH4 + NO3 — SO4 2- и H2PO4 — и постоянное их пополнение. Железо и алюминий содержатся в почвенном растворе в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами, а в кислых почвах — в виде катионов и гидратов полуторных окислов в коллоидно-растворимой форме.
Огромное значение для питания и роста растений, как уже указывалось ранее, имеет реакция почвенного раствора.
От концентрации и степени диссоциации растворенных веществ зависят осмотическое давление почвенного раствора и поглощение воды корнями растений. Осмотическое давление почвенного раствора в незаселенных почвах значительно ниже, чем в клеточном соке растений. На засоленных почвах с большим осмотическим давлением поглощение воды культурными растениями затрудняется.
Концентрация солей и осмотическое давление почвенного раствора зависят от влажности почвы и являются весьма динамичными величинами.
Твердая фаза почвы состоит из минеральной и органической частей, которые являются основными источниками питательных веществ для растений.
Около половины твердой фазы приходится на кислород, одна треть — на кремний, свыше 10% — на алюминий и железо и лишь 7% составляют остальные элементы.
Азот практически полностью содержится в органической части почвы, углерод, фосфор, сера, кислород и водород — как в минеральной, так и в органической, а все другие из указанных в ице элементов — в минеральной части почвы.
Минеральная часть составляет 90—99% массы твердой фазы почв и имеет сложный минералогический и химический состав. Она представлена кристаллическими кремнекислородными и алюмокремнекислородными (или силикатными и алюмосиликатными) минералами, аморфными и кристаллическими гидроксидами алюминия, железа и кремния, а также различными нерастворимыми минеральными солями. Наиболее распространен в почве первичный силикатный минерал кварц (SiO2, двуокись кремния). Содержание его во всех почвах превышает 60%, а в легких песчаных достигает 90% и более. Кварц характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к химическому выветриванию, он не участвует в химических реакциях в почве.
Из первичных алюмосиликатных минералов в почве широко распространены калиевые и натрий-калиевые полевые шпаты, в меньшей степени — калийная и железисто-магнезиальные слюды. Постепенно разрушаясь, эти минералы служат источником калия, кальция, магния и железа для растений. Первичные минералы — кварц, шпаты и слюды — обычно присутствуют в почве в виде частиц песка и пыли.
Вторичные, или глинистые, минералы образуются при изменении полевых шпатов и слюд в процессе выветривания и почвообразования. Они находятся в почве главным образом в виде мелкодисперсных илистых и коллоидных частиц и обладают большой суммарной поверхностью и поглотительной способностью. По строению кристаллической решетки, степени дисперсности и другим свойствам глинистые минералы объединяют в три группы: каолинитовую; монтмориллонитовую; гидрослюд. Они состоят главным образом из кремния, алюминия, кислорода и водорода, а также содержат небольшое количество железа, кальция, магния, калия и могут быть источником этих элементов для растений. В твердой фазе почвы всегда присутствуют в сравнительно небольшом количестве труднорастворимые соли фосфорной кислоты (фосфаты кальция, магния, железа и алюминия), а в отдельных почвах может быть значительное количество малорастворимых карбонатов кальция, магния и сульфата кальция.
В почве постоянно протекают процессы превращения труднорастворимых соединений в легкорастворимые и, следовательно, более доступные растениям. Одновременно происходят и обратные процессы. Различные механические фракции почвы имеют неодинаковый минералогический и химический состав, отличаются по содержанию элементов питания. Более крупные частицы почвы — песчаные и пылеватые — состоят в основном из кварца, поэтому характеризуются высоким содержанием кремния, но меньшим — алюминия, железа, а также кальция, магния, калия, фосфора и других элементов. В состав мелкодисперсной коллоидной и илистой фракции входят преимущественно первичные и вторичные алюмосиликатные минералы, поэтому в ней больше содержится алюминия и железа, а также кальция, магния, калия, натрия, фосфора и других элементов питания. В связи с этим более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче элементами питания, чем песчаные и супесчаные. Мелкодисперсные минеральные частицы почвы (глинистые минералы) вместе с органическим веществом обусловливают ее поглотительную способность, которая играет важную роль при взаимодействии удобрений с почвой.
Следовательно, механический состав почвы в значительной степени определяет многие важные ее свойства — содержание элементов питания (Са, Mg, К, Р, Fe, микроэлементов), поглотительную способность, а также физические свойства (влагоемкость, водопроницаемость, воздушный и тепловой режим).
Источник
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОЧВ
ЭЛЕМЕНТНЫЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВ
Практически все процессы, протекающие в почвах, имеют сложный комплексный характер, что обусловлено спецификой почвы как природного тела. В числе химических особенностей почв можно назвать следующие.
Полихимизм. Почва содержит очень большой набор химических элементов и веществ, причем один и тот же элемент представлен, как правило, несколькими соединениями, а одно и тоже вещество может находиться в различных кристаллических или аморфных состояниях.
Гетерогенность и полидисперсность. Почва представляет собой многофазную систему с развитыми неоднородными поверхностями раздела, на которых происходят процессы сорбции и десорбции (включая хемосорбцию) органических и минеральных компонентов.
Органно-минеральные взаимодействия – одна из наиболее специфичных почвенных особенностей исущественная черта почвообразования. В почвах формируются не толькопростые и комплексные соли, но и сложные адсорбционные комплексы, состоящие из минералов и органических веществ.
Динамичность почвенных процессов. Для природных почв характерны суточная, сезонная, годичная и вековая динамика. Изменения происходят непрерывно, что заставляет трансформировать классические химические представления и понятия.
Пространственная неоднородность – неотъемлемое почвенное свойство, обусловленное исходной пространственной неоднородностью факторов почвообразования (первичная неоднородность); она может нарастать по мере развития почвообразовательного процесса (вторичная неоднородность).
Неравновесность состояний и термодинамическая необратимость процессов. Почва – открытая термодинамическая система, через которую непрерывно протекает поток энергии и вещества. Это не позволяет достичь равновесных состояний, что усугубляется и своеобразной кинетикой почвенно-химических процессов, в которых сочетаются и очень быстрые и крайне медленно протекающие реакции.
Основой понимания происходящих в почвах процессов является знание химического состава почв и его изменений при почвообразовании и использовании почвенного покрова. Химический состав почв характеризуется двумя показателями: элементным и фазовым (вещественным) составом.
Элементный состав почв – одна из основных химических характеристик почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические исследования невозможны.
Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение химических элементов в почвенной массе.
Элементный состав отражает многие наиболее важные итоги почвообразовательного процесса. По элементному составу различают генетические горизонты почв: в частности перегнойно-аккумулятивные горизонты отличаются повышенным содержанием углерода, фосфора, азота; в элювиальных горизонтах повышено содержание кремния и понижено содержание многих других элементов; в иллювиальных горизонтах накапливаются железо, алюминий и ряд других элементов.
Элементный состав дает представление о потенциальном плодородии почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора – показатель неблагоприятных для растений условий. Конечно, растениям доступна только часть находящихся в почве элементов питания. Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав труднорастворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ, становятся доступными растениям после их полной мобилизации, т.е. после полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в форму растворимого соединения. Тем не менее валовое содержание, или запасы элемента, показывают, как долго та или иная почва потенциально может обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.
Элементный состав – один из важнейших факторов, который обусловливает выбор методов химического и физико-химического анализа почв.
Почвы содержат практически все природные элементы периодической системы Д.И.Менделеева. По набору элементов и их количественному содержанию почвы существенно отличаются от живых организмов, минералов и горных пород. Живые организмы состоят главным образом из элементов-органогенов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы; так называемые минеральные компоненты входят в их состав в сравнительно небольших количествах. Индивидуальные минералы содержат, как правило, небольшой набор элементов.
В почвах практически все входящие в их состав элементы являются обязательными и необходимыми. Большой набор элементов – первая отличительная особенность почв. Вторая особенность заключается в сочетании высокого содержания углерода и кремни, что отражает взаимное влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира, с оной стороны, и почвообразующих пород – с другой. Третья особенность — большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 порядков и даже достигающий 9-10 порядков.
Средний элементный состав некоторых важнейших почв приведен в таблице … Приведенные в таблице данные об элементном составе почв показывают усредненный состав метрового слоя почвы. Этот слой включает 2-3 (а иногда и больше) почвенных горизонтов.
По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. В первую группу следует отнести кислород и кремний, содержание которых составляет десятки процентов. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C. Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят Ti, Mn, N, P, S, H, концентрации которых измеряются десятыми и сотыми долями %. Они составляют переходную группу. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количестве 10 -3 …10 -10 %; к ним можно отнести все остальные элементы, встречающиеся в почвах: Ba, Sr, Cu, Cr и т. д.
Почвы различного механического состава значительно отличаются друг от друга, особенно по содержанию Si, Al, Fe, щелочных и щелочноземельных металлов. В легких почвах повышена концентрация кремния – основную массу составляет SiО2. По сравнению со средним содержанием пород почвы обогащены С, N, P, S, т. е. биогенными элементами, накапливающимися в результате деятельности живых организмов. Si, Al, Fe, Mg, K, Na практически унаследованы почвами от почвообразующей породы.
Источник