Вопрос 14.Фазовый состав почв.
Почва – это многофазное природное тело, которое представлено следующими физическими фазами: твердая, жидкая, газовая и живое вещество почвенных организмов.
Твердая фаза почвы – это ее основа, образующая твердый каркас почвенного тела. Она состоит из остаточных минералов или обломков горной породы и органических веществ — растительных остатков. На поверхности твердых почвенных частиц сосредоточены основные запасы питательных веществ, прежде всего — гумус, микроорганизмы. Свойства почвы, ее богатство и плодородие в значительной мере зависят от состава почвы и величины частиц. Твердые частицы в естественном залегании заполняют не весь объем почвенной массы, а лишь некоторую ее часть. Другую часть составляют поры – промежутки различного размера и формы между частицами и их агрегатами. Суммарный объем пор называется пористостью почв. От пористости зависят водные свойства почвы (водопроницаемость, влагоемкость) и ее плотность. Твердая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, а также сложением, структурой, порозностью. При механическом анализе почвы в ней различают следующие по крупности частицы. Частицы мельче 0,01 мм называют физической глиной, частицы от 0,01 до 1 мм — физическим песком, и частицы мельче 0,0001 мм — коллоидальными частицами.
Жидкая фаза почвы – это вода в почве, почвенный раствор, заполняющий поровое пространство почвы. Почвенные поры могут составлять от 25 до 70 % общего объема почвы. Во всякой почве содержится вода. Различно только ее содержание. Вода в почву попадает с дождем, снегом, градом, и росой. Иногда она проникает в ее поверхностные слои снизу, поднимаясь вверх по капиллярам. Вода, с растворенными в ней органическими веществами, солями, воздухом и содержащимися микроорганизмами называется почвенным раствором.
В различных почвах, различно и содержание почвенного раствора. Один богат солями (солончаковые почвы), другой органическими веществами (торфяники), третий бедный и тем и другим (пески). Передвигаясь в почве, раствор омывает почвенные частички, таким образом, он забирает из твердых частиц различные вещества, но в то же время и теряет часть. Таким образом, происходит постоянная смена состава почвенного раствора и самой почвы.
Содержание и свойства почвенного раствора зависят от водно-физических свойств почвы и от ее состояния в данный момент. В районах с низкими зимними температурами в холодный сезон жидкая фаза почвы переходит в твердое состояние, при повышении температуры часть почвенной воды может испариться, перейдя в газовую фазу. Жидкая фаза – это «кровь» почвенного тела, служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля — главным образом путем передвижения воды в вертикальном и горизонтальном направлении происходит перемещение почвенных растворов, микроорганизмов. Почвенные растворы служат непосредственным источником питания растений. Человек всегда стремился своими разнообразными воздействиями в процессе сельскохозяйственного производства сделать его состав оптимальным для получения наиболее высокой продуктивности агроценозов. Орошение и осушение почв наряду с созданием благоприятного водного режима позволяет разбавить сильно концентрированные растворы, понизить концентрацию соединений железа и других элементов, токсичных для растений.
Для питания растений большое значение имеет осмотическое давление почвенного раствора. Осмотическое давление – это движение молекул из области более высоких концентраций в область более низких концентраций. При повышении осмотического давления почвенного раствора нарушается нормальное развитие сельскохозяйственных культур. У пшеницы, например, наблюдается задержка кущения, но ускоряются колошение, цветение и созревание, уменьшается урожайность, но увеличивается содержание белка в зерне.
Газовая фаза почвы или почвенный воздух – это смесь газообразных веществ, заполняющая в почве поры, свободные от воды, состав которой существенно отличается от атмосферного и очень динамичен во времени. Количество воздуха зависит от минерального состава почв. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называется газообменом или аэрацией. Растворенный почвенный воздух – это газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в почвенной воде возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы.
В сухой почве воздуха больше, во влажной – меньше, поскольку вода и воздух в почве являются антагонистами, взаимно замещая друг друга в общем объеме почвенной порозности. Изменение состава почвенного воздуха происходит, главным образом, вследствие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, дыхания корней растений и почвенной фауны. Почвенные грибы образуют разнообразные летучие соединения органической природы и определяют специфический запах земли. К макро газам почвенного воздуха относится азот, кислород, диоксид углерода.
В незначительных количествах в почвенном воздухе присутствуют такие компоненты, как NO2, NO3, CO3, различные углеводороды – этилен, ацетилен, метан, а также сероводород, аммиак, эфиры и другие вещества. Болота часто выделяют самовозгорающиеся и психотропные газы. Обязательно отмечается присутствие инертных газов, в том числе и радиоактивных. Источником последних является распад радионуклидов минеральной части почвы. Естественная радиоактивность почвенного воздуха намного выше атмосферного.
Между атмосферой и почвой происходит постоянный газообмен, в процессе диффузии которого в почву проникает кислород и удаляется из нее углекислый газ и некоторые другие газы. Лучше аэрируются верхние слои почв, а также рыхлые, крупнопористые, с хорошей структурой и не переувлажненные почвы. При плохой аэрации, особенно в избыточно увлажненных почвах, содержание кислорода может понизиться до нескольких процентов или даже до десятых долей процента. Недостаток кислорода в почвенном воздухе нарушает нормальную жизнедеятельность корневых систем и растений в целом, а при очень малом содержании или отсутствии его (например, в случае затопления корнеобитаемого слоя почв) может привести к гибели активных корней и растений. Кроме того, недостаток кислорода в почве тормозит процессы разложения органического вещества. При этом в почве могут накапливаться токсичные продукты анаэробного разложения органических веществ, вредные для растений закисные соединения, а также токсичные продукты жизнедеятельности самих корней растений.
Достаточное содержание кислорода в почве обеспечивает необходимый уровень микробиологической деятельности, дыхание корней растений и почвенных животных, которые являются основными потребителями кислорода. И лишь небольшая его часть расходуется на чисто химические процессы окисления с выделением углекислого газа и воды. Основная масса кислорода в почве расходуется в процессе аэробного дыхания. Дефицит кислорода угнетает развитие корневых волосков, вызывает массовую гибель всходов растений, провоцирует развитие болезнетворных организмов, вызывающих корневую гниль. Концентрация кислорода в почвенном воздухе различных почв в различные сезоны года колеблется от десятых долей процента до 21 %. Растворенный кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора. Оптимальные условия для растений создаются при содержании кислорода в почвенном воздухе в пределах около 20 %.
Азот из почвы поступает через корни растений. Он необходим для роста растений, образования белков, нуклеиновых кислот, хлорофилла. При недостатке азота в почве растения желтеют, отстают в росте. Прямых определений содержания молекулярного азота в почвенном воздухе крайне недостаточно, но исследования динамики содержания молекулярного азота важны для изучения процессов азотфиксации, нитрификации.
Растворенные почвенные газы проявляют высокую активность. С насыщением почвенного раствора углекислым газом повышается растворимость карбонатов, гипса. Доказано, что диоксид углерода атмосферы на 90 % имеет почвенное происхождение. Биологическое значение этого газа многосторонне. С одной стороны, он обеспечивает ассимиляционный процесс растений (искусственное повышение концентрации CO2 в теплицах вызывает увеличение скорости фотосинтеза и дает 50-100 % пророст урожая). Высокое содержание углекислого газа оказывает отрицательное влияние на семена, корни, урожайность растений.
Важность роли почв как источника органического вещества, поступающего в реки и далее в моря, отмечал В.И. Вернадский, указывая на то огромное значение, которое имеет в жизни и химических реакциях океана почвенный покров суши, и подчеркивал, что почва и морская вода химически и генетически тесно связаны.
Живая фаза почвы – это населяющие её организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования. К ним относятся такие микроорганизмы, бактерии, грибы, водоросли, представители почвенной микро — и мезо- фауны, а именно простейшие, насекомые, черви, и корневые системы.
Источник
Фазовый состав почв
Почву в почвоведении представляют как многофазное природное тело, которое организовано веществами, находящимися в трёх фазовых состояниях (твердом, жидком и газообразном), а также веществом, населяющих почву живых организмов.
Твердая фаза почвы– это поликомпонентная, полидисперсная органоминеральная система, формирующаяся в процессе почвообразования из материнской горной породы и образующая твердый каркас почвенного тела. Она содержит обломки горной породы, остаточные минералы, растительные остатки и продукты их разложения, гумус, вторичные глинистые минералы, простые соли и оксиды. Твердую фазу почвы характеризуют структурой, порозностью, гранулометрическим, минералогическим и химическим составами.
Жидкая фаза почвы –это вода в почве, или почвенный раствор – динамичная (изменяющаяся) по объему, химическому и фазовому составу часть почвы, заполняющая ее поровое пространство. Жидкая фаза почвы при низких температурах переходит в твердое состояние, превращаясь в лед, при повышении температуры часть почвенной воды испаряясь, переходит в газовую фазу почвы. Жидкая фаза – основный фактор дифференциации почвенного профиля, поскольку лишь в результате вертикального и латерального передвижения воды в почве происходит перемещение тех или иных веществ в виде суспензий или растворов.
Газовая фаза почвы–это воздух, заполняющий в почве поры, свободные от воды. Состав этого воздуха существенно отличается от атмосферного воздуха и динамичен во времени.
Живая фаза почвы–это населяющие ее живые организмы, участвующие в процессе почвообразования.К ним относят различные бактерии, грибы, водоросли и представителей почвенной микро- и мезофауны: простейшие, насекомые, черви и пр., а также корневые системы растений.
Все четыре фазы почв неразрывны. Они существуют и функционируют как единое тело биогеосферы.
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