Что такое физико химический состав почвы

Состав почвы

Почва – это сложная динамическая система. Она состоит из минеральных и органических веществ. Минеральные компоненты поступают в почву, в первую очередь, из материнской породы , на которой она образовалась. Органические вещества появляются и развиваются благодаря живым организмам, населяющим почвенный покров. Взаимодействие минералов и органики создает сложный комплекс разных соединений.

В этом разделе мы расскажем, из чего состоит почва. Вы узнаете о ее фазах и их особенностях. Также вы прочитаете о минеральном и органическом составах покрова, их соотношении и характеристиках.

Фазы почвы

Прежде всего мы поговорим о фазах почвы.

Выделяют четыре основных части:

Все они взаимосвязаны и активно влияют друг на друга.

К твердой фазе относятся органические и минеральные вещества. Это частицы разного размера и формы, которые неплотно примыкают друг к другу (глыбы, обломочные породы, глина, песок, пыль и другие). Тем не менее, они создают твердый почвенный каркас, на котором размещаются другие части. Эта фаза определяет петрографический (гранулометрический) состав, структуру, сложение и пористость почвенного покрова.

Сама по себе тве р дая часть является малодинамичной системой. Она же самая объемная – занимает 45-60% покрова. С ней связаны многие физические, физико-химические и химические свойства материала.

Подробнее об этом читайте на нашей странице Твердая фаза почвы.

Жидкая часть – это вода и растворенные в ней соли. Данная фаза формируется из атмосферных осадков, грунтовых вод, конденсации водяных паров. Она составляет около 25% от всего объема почвенного покрова.

Эта фаза считается самой динамичной. Именно из нее растения усваивают питательные вещества. Ведь без достаточного количества влаги нормальное развитие флоры и почвенных микроорганизмов невозможно. Кроме того, жидкая фаза участвует в таких процессах как гумификация и минерализация органических остатков, выветривание, перемещение веществ внутри покрова и формирование почвенного профиля.

Вода является и терморегулирующим фактором. Она определяет расход тепла из почвы и растений вследствие испарения и транспирации. С влажностью покрова тесно связаны его физико-механические свойства (твердость , крошение, липкость и другие). Стоит отметить, что передвижение влаги в почве и по ее поверхности также влияет и на отрицательно сказывающиеся на плодородии процессы. Среди них эрозия и вынос из верхних слоев питательных элементов.

Подробнее об этом читайте на нашей странице Жидкая фаза почвы.

Газообразная часть – это почвенный воздух. Он занимает все поры в почве, не занятые водой.

Эта фаза, как и жидкая, является динамической. Она покрывает 20-25% от общего объема почвы. В отличие от атмосферного воздуха, почвенный беден на кислород. В нем много углекислот. Это объясняется деятельностью микроорганизмов и растений: чем их больше в почве, тем больше кислорода они потребляют и углекислого газа выделяют.

Также в составе почвенного воздуха постоянно присутствуют нелетучие органические соединения (углеводороды жирного и ароматического рядов, сложные альдегиды, спирты и другие). Они , пусть и в небольшом количестве, тоже образуются в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Эти вещества поглощаются корнями, способствуя росту растений и повышению их жизнедеятельности.

Подробнее об этом читайте на нашей странице Газообразная фаза почвы.

Все фазы взаимодействуют друг с другом, активно переходят из одной в другую. Это возможно благодаря деятельности живых организмов. Они являются четвертой, живой фазой почвенного покрова. К ней относятся растения, грибы, бактерии, простейшие, мелкие животные. Высокая активность этих организмов доказывает, что все естественные процессы, которые происходят в почве, прямо или косвенно являются биохимическими по своей природе.

Подробнее об этом читайте на нашей странице Живая фаза почвы.

Примерное соотношение всех фаз почвы показано на диаграмме ниже.

Следующее, о чем мы поговорим, – это химический состав почвенного покрова. Он представлен минеральными и органическими веществами. Они сконцентрированы в твердой и жидкой фазах. В синтезе химических соединений принимают активное участие живые организмы.

Минеральный состав почвы

Минеральные вещества составляют 80-90% от общего объема покрова. Они поступают в почву двумя путями – из материнской породы и при полном разложении живых организмов. Из горной по р оды в почву попадают первичные минералы. Они имеют кристаллическое строение и практически не усваиваются растениями. Вторичные минералы аморфные, способны набухать и задерживать воду. Именно они являются источником питательных элементов почвы.

В составе почвы содержатся практически все известные химические элементы. Процентное содержание основных вы найдете в таблице ниже (средние значения).

Кроме того, около 1-3% составляют фосфор, марганец, хлор, азот, сера и микроэлементы (кобальт, фтор, йод, медь, цинк, молибден). Все элементы входят в состав оксидов, гидроксидов, растворимых и нерастворимых солей. Для роста и развития флоры наибольшее значение имеют калий, фосфор, азот, в меньшей мере – кальций и магний. Но в небольших количествах растениям требуются и другие элементы.

Первоисточником всех минералов в почве являются магматические породы. Они составляют 95% от общей толщи литосферы. На долю осадочных пород приходятся оставшиеся 5%. Метаморфические же причисляются к тем материалам , из которых они образовались. Поэтому здесь они в расчет не принимаются.

Подробно о влиянии горных пород на почву и процессы формирования почвенного покрова вы сможете узнать в нашей статье Почвообразующая порода как фактор почвообразования.

Химический состав почв находится в состоянии постоянного изменения. Это связано с непрерывностью процессов выветривания и почвообразования.

Органический состав почвы

Органические вещества составляют от 1-2% до 10-15% почвы. Они образуются при частичном разложении растений, животных и микроорганизмов. В состав почвы входят белки, углеводы, смолы, воски, лигнин, липиды и продукты их распада (спирты, аминокислоты, пептиды, моносахариды). Эти вещества составляют около 10% от всей органики, являются источником минералов и питательной средой для почвенной фауны, бактерий, грибов.

Скорость разложения растительных остатков зависит от содержащихся в них веществ. Так, древесина и хвоя содержат много лигнина, смол и дубильных веществ, но мало белков. Их разложение идет медленно. Остатки же бобовых трав, богатые белками, разлагаются быстро.

Основную часть почвенной органики (80-90%) составляют гуминовые вещества. Они и определяют плодородие грунта.

В группу входят:

• Гуминовые кислоты
  Это вещества темного цвета. Они образуют нерастворимые соли с железом и алюминием. Гуминовые кислоты способны поглощать и задерживать в верхних слоях почвы воду и питательные элементы , затем постепенно их высвобождать. Они участвуют в превращении химических соединений в доступную для растений форму. Эти кислоты играют главную роль в формировании структуры почвы и ее плодородия.
• Фульвокислоты
  Это растворимые вещества желтого цвета. Они быстро вымываются в нижние горизонты, плохо задерживают влагу и минералы, подкисляют почву.
• Гумины
  Это инертные вещества, связывающие минералы. Они не участвуют в почвообразовании.

Помимо соединений, органические остатки всегда содержат некоторый объем зольных элементов. Их количество и состав варьируются в зависимости от вида организмов и условий среды их обитания. В состав золы входят калий, кальций, магний, кремний, фосфор, сера, железо и многие другие элементы, содержащиеся в незначительных количествах. Очень низкая зольность характерна для древесины. Большое количество зольных элементов содержат остатки травянистой растительности.

Знание минерального и органического состава почвы и ее фаз помогает лучше разобраться в свойствах материала, его применении. Отсюда также становится понятно, какими способами можно улучшить плодородие почвенного покрова. Об этом мы у же писали в нашей статье Плодородность почвы: как ее сохранить и повысить. Возможно вам также будет полезна наша статья о кислотности почв. В ней подробно рассказано, как можно регулировать такой показатель как кислотность почвенного покрова, делать почву более кислой или щелочной.

Источник

Физико-химические свойства почв

1. Поглотительная способность почв

Способность почвы поглощать ионы и молекулы различных веществ из раствора, а также коллоидно-распыленные частички минерального и органического вещества, живые микроорганизмы и грубые суспензии и удерживать их называется поглотительной способностью почв.

Различают пять видов поглотительной способности: биологическую, механическую, физическую, химическую, физико-химическую или обменную.

Биологическая поглотительная способность связана с наличием в почве живых корней растений и микроорганизмов, которые избирательно поглощают из почвенного раствора азот и зольные элементы и переводят их в различные органические соединения своих тел. Вследствие этого питательные вещества предохраняются от выщелачивания из почвы. В результате биологической деятельности в почве накапливается органическое вещество, азот и зольные элементы.

Используя в качестве пищи и энергетического материала органические вещества, микроорганизмы разлагают их, переводят содержащиеся в них элементы питания в минеральную, доступную для растений форму. В то же время они сами потребляют некоторое количество питательных веществ для построения своих тел, переводят их в органическую форму и в этом смысле являются конкурентами растений.

При внесении в почву удобрений некоторая часть содержащихся в них питательных веществ также потребляются почвенными микроорганизмами. Считается, что биологическое поглощение азота и других элементов питания явление временное, так как после отмирания микроорганизмов их плазма быстро минерализуется, содержащиеся в ней элементы питания освобождаются в минеральной форме и могут использоваться растениями.

Однако если в почве находится достаточное количество легкодоступных органических веществ, служащих источником энергии для микроорганизмов, то происходит усиленное их размножение – часть поглощенного микроорганизмами азота передается из поколения в поколение и длительное время не освобождается в минеральной форме. Если процесс биологического поглощения питательных веществ микроорганизмами выражен слишком сильно, то это может неблагоприятно отразиться на питании культурных растений. Таким образом, в зависимости от конкретных условий биологическое поглощение питательных веществ микроорганизмами может иметь положительное значение или же играть отрицательную роль в питании растений.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать из раствора взмученные частицы твердого вещества. При фильтрации суспензии через почву частицы взвесей задерживаются в тонких и извилистых порах почвы.

Механическое поглощение – важное свойство почвы. Потоки весенних талых вод обычно несут большое количество взмученных почвенных частиц; но фильтруясь через почвы, они очищаются, и мелкозем, задержанный почвой, предохраняется от выноса в реки и моря. Вносимые в почву тонко размолотые удобрения (например, фосфоритная мука) не вымываются из её верхнего слоя вследствие механического поглощения.

Физическая поглотительная способность – это положительная или отрицательная адсорбция частицами почвы целых молекул различных веществ. Физическое поглощение главным образом зависит от суммарной поверхности твердых частиц почвы.

Энергетическим фактором, обусловливающим, явление адсорбции, служит свободная энергия молекул и ионов, находящихся на поверхности твердой фазы почвы. Почва стремится уменьшить величину свободной поверхностной энергии.

Уменьшение величины свободной поверхностной энергии происходит в основном за счет уменьшения поверхностного натяжения (ПН).

Благодаря этой поверхностной энергии почва способна адсорбировать газы, жидкости, твердые вещества.

Поглощение паров и газов может осуществляться только сухими почвами.

Кроме воды и газов на поверхности частиц могут сорбироваться растворимые в ней соли и органические вещества.

Если молекулы растворимого вещества притягиваются частицами почвы сильнее, чем молекулы воды, то у самой поверхности частиц, в пленке окружающего его раствора, создается повышенная концентрация этого вещества, а на некотором расстоянии от поверхности частиц концентрация будет ниже. В этом случае отмечается положительное физическое поглощение. Положительно поглощаются спирты, органические кислоты и пестициды, высокомолекулярные органические вещества. Из минеральных соединений почва положительно поглощает только щелочи. Для растворимых минеральных солей и неорганических кислот характерна, наоборот, отрицательная молекулярное физическое поглощение.

Отрицательное физическое поглощение наблюдается при взаимодействии почвы с растворами хлоридов и нитратов.

Отрицательное физическое поглощение хлоридов и нитратов обуславливает их высокую подвижность в почве. Поэтому при внесении удобрений, содержащих хлор и азот в нитратной форме это надо учитывать, т.е. хлорсодержащие удобрения желательно вносить с осени под основную обработку почвы, а удобрения, содержащие нитратный азот, — весной перед посевом.

Химическая поглотительная способность – это закрепление в почве ионов почвенного раствора в виде труднорастворимых соединений.

Химическое поглощение анионов и катионов в почве зависит от их способности образовывать нерастворимые или труднорастворимые соли при их взаимодействии, это следует учитывать при внесении удобрений в почву.

При химическом поглощении, в результате образования нерастворимых соединений, изменяется состав, соотношение и общая концентрация ионов в почвенном растворе. Образование нерастворимых солей в почве приводит к значительному снижению их доступности сельскохозяйственным растениям.

Соли, состоящие из двухвалентных катионов и анионов, как правило, слаборастворимые. Для поливалентных металлов характерно образование труднорастворимых комплексных органических и минеральных соединений. Например, химическое поглощение анионов фосфорной кислоты в почве происходит в результате образования широкого спектра труднорастворимых солей практически со всеми двух- и трехвалентными катионами.

При внесении в почву растворимых фосфорсодержащих удобрений в присутствии карбонатов происходит ретроградация (переход в нерастворимую форму) фосфора.

В кислых дерново-подзолистых, серых лесных почвах, отличающихся высоким содержанием подвижных форм алюминия, железа и марганца, химическое поглощение фосфора преимущественно связано с образованием нерастворимых фосфатов железа, алюминия и марганца.

Таким образом, в результате химического поглощения растворимый фосфор минеральных и органических удобрений переходит в почвах в менее доступные для растений фосфаты.

В карбонатных почвах степной и сухостепной зоны с нейтральной, слабощелочной реакцией среды химическое поглощение тяжелых металлов происходит в результате образования труднорастворимых гидроксидов и карбонатов металлов, что значительно снижает их поступление в растения.

Физико-химическая или обменная поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц почвы, как минеральных, так и органических, несущих отрицательный заряд, поглощать различные катионы из раствора. При этом поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее поглощенных твердой фазой почвы.

Обменному поглощению подвержены как катионы, так и анионы. Но в силу того, что в почвах преобладают отрицательно заряженные коллоиды, имеющие в диффузном слое мицеллы катионы, катионный обмен в почвах имеет наибольшее проявление.

При этом виде поглощения концентрация почвенного раствора не изменяется, а меняется только его состав, в то время как при химическом поглощении изменяются и состав, и общая концентрация почвенного раствора.

Основные закономерности обмена.

1. Обмен катионов происходит строго эквивалентно. Эквивалентность обмена катионами означает, что ионы почвенного раствора обмениваются с ионами диффузного слоя коллоидной частицы в строгом соотношении: грамм-эквивалент одного на грамм-эквивалент другого. Если, например, к почве, содержащей в коллоидной части в поглощенном состоянии катион кальция, прилит раствор нейтральной соли (например, KNO₃), то реакция пойдет следующим образом:

Калий из раствора поглотится почвой, а в растворе в эквивалентном количестве появится кальций.

Эквивалентность обмена катионов имеет большое значение. Она позволяет точно рассчитывать дозы мелиорирующих веществ.

2. Реакция обмена обратима и протекает в почве с большой скоростью.

3. Разные катионы обладают неодинаковой энергией к обменному поглощению. Энергия обмена зависит от валентности катионов. Чем выше валентность, тем выше энергия обмена, тем активнее катион обменивается с почвой и прочнее ею удерживается. В соответствии с этим имеется следующий ряд поглощения:

7Li 23 Na 18 NH₄ + 39 K 89 Pb 24 Mg 40 Ca 27 Al 56 Fe

(NH₄ + – исключение: имея меньшую массу, он занимает третье место после натрия).

В ряду катионов однозначной валентности активность их возрастает с увеличением атомной массы и уменьшением степени гидратации иона.

Исключение представляет водород; как одновалентный катион, он по своей активности приближается к трехвалентным ионам. Его активность объясняется тем, что он способен связываться только с одной молекулой воды и вступает в реакции обмена как гидроксоний (Н₃О + ). Вследствие чего, он оказывается практически негидратированным и имеет очень малый размер.

Катионы с большой активностью быстрее поглощаются почвой и прочнее удерживаются ею.

4. Реакция обмена подчиняется закону действующих масс. Если в растворе имеются различные катионы, но одной валентности, то при установившемся равновесии по завершении реакции обмена отношение поглощенных катионов в почве будет пропорциональным отношению между ними в растворе.

В случае разновалентных катионов в почвенном растворе характер поглощения будет зависеть от концентрации раствора. При увеличении концентрации раствора относительно больше поглощается одновалентных катионов, а при уменьшении концентрации раствора активнее поглощаются двухвалентные катионы. Следовательно, если почва просыхает и теряет влагу, то концентрация раствора в ней повышается, а это повышает поглощение одновалентных катионов. При химической мелиорации солонцовых почв это обстоятельство необходимо учитывать и всеми возможными средствами поддерживать в почве высокую влажность, тем самым активизируя поглощения почвой двухвалентного катиона кальция.

На ход обменных реакций и характер поглощения существенное влияние оказывают и индивидуальные свойства коллоидов.

В обменном поглощении катионов принимают участие главным образом высокодисперсные частицы почвы, как минеральные, так и органические.

Всю совокупность высокодисперсных почвенных частиц, обладающих обменной поглотительной способностью, К.К. Гедройц назвал ППК.

Физико-химическое поглощение катионов играет существенную роль в почвенных процессах, определяет важные физические свойства, физико-химические свойства почвы, ее структурное состояние, реакцию, буферность, имеет большое значение при взаимодействии с удобрениями.

Поглощение катионов почвой может сопровождаться их закреплением и переходом в необменное состояние. Необменно поглощаться почвой могут все катионы, но наиболее сильно способность к закреплению в необменной форме характерна для катионов K + и NH₄ + .

Необменное поглощение – явление неблагоприятное, так как калий и аммоний исключаются из раствора и становятся малодоступными для растений.

Необменная реакция обусловлена проникновением катионов в межпакетные пространства кристаллической решетки глинистых минералов. При последующем ее сокращении они оказываются замкнутыми.

2. Емкость катионного обмена (ЕКО)

Это одна из интегральных агрономических и экологических характеристик почв.

Общее количество способных к обмену поглощенных катионов в почве называется емкостью катионного обмена. Ее выражают в милиграмм-эквивалентах на 100 г почвы.

Величина емкости катионного обмена характеризует обменную поглотительную способность почв.

Емкость катионного обмена зависит от минералогического и гранулометрического составов почвы, от содержания гумуса в почве, от реакции почвы и соотношения в ней отрицательнозаряженных коллоидов к положительнозаряженным.

ЕКО обусловливает буферность почв по отношению к различным электролитам. Буферная способность почвы определяется зависимостью между концентрацией ионов, адсорбированных на твердой фазе, и концентрацией ионов в растворе. Ее рассчитывают по данным изотермы адсорбции.

С емкостью катионного обмена связывается устойчивость почв к техногенным воздействиям, в частности, к химическому загрязнению. По возрастающей степени устойчивости к антропогенному воздействию почвы разделяются на пять групп: 1) с ЕКО менее 10 мгэкв/100 г почвы; 2) 10…20; 3) 21…30; 4) 31…40; 5) более 40 мгэкв/100 г почвы.

Емкость катионного обмена у разных почв различная. Наиболее высокую емкость катионного обмена имеют богатые гумусом мощные черноземы. В почвах, расположенных к северу и к югу от типичного чернозема, количество емкость катионного обмена уменьшается. Различные почвы отличаются не только емкостью катионного обмена, но и по составу обменных катионов. Все почвы содержат в поглощенном состоянии Са и Мg. В черноземах на долю этих катионов приходится до 90 % емкости катионного обмена, а ионов водорода, алюминия и натрия содержится небольшое количество. В солонцах и солончаках наряду с Са и Мg присутствует много Na. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах среди поглощенных катионов большое место занимают Н + и Al 3+ (до 50 %).

В оценке состава обменных катионов наибольшее значение имеют ионы Са 2+ , Mg 2+ , Na + , Н + , А1 3+ . Первые три относятся к обменным основаниям. Водород и алюминий обусловливают гидролитическую кислотность, поглощенный натрий и повышенное количество магния — солонцеватость почв. Состав обменных катионов во многом определяет физические свойства почв.

В зависимости от состава обменных катионов К.К. Гедройц разделил все почвы на две группы: почвы, насыщенные основаниями, в составе обменных катионов которых присутствуют Са 2+ , Мg 2+ и Na + , и почвы, ненасыщенные основаниями, содержащие наряду с Са 2+ и Мg 2+ катионы Н + и Al 3+ .

Состав поглощѐнных катионов в почвах зонального ряда (таблица 1) определяется условиями почвообразования и, прежде всего, водным режимом.

Для почв экстрагумидных и rумидных областей с коэффициентом увлажнения (Ку) > 1 в составе ППК основную роль играют катионы Са 2+ , Мg 2+ , Н + , Аl 3+ ; для семигумидных с Ку 2+ , Mg 2+ и для почв аридных областей с Ку 2+ , Мg 2+ , Na + , иногда с существенным участием К + .

Таблица 1 – Физико-химические свойства пахотного слоя почв

Источник