Материальная основа почв
Лекция 3
Почва является полидисперсной системой, которая имеет в своем составе:
1) твердую фазу, состоящую из минеральных и органических частиц,
2) жидкую фазу, представленную почвенным раствором,
3) газовую фазу, состоящую из почвенного воздуха,
4) живую фазу, представленную живыми организмами.
Твердая фазасоставляет основу почв, ее матрицу. Это – полидисперсная и поликомпонентная органо-минеральная система. Частички почвы различной степени дисперсности составляют своеобразный скелет почвы, промежутки между которыми заняты воздухом и (или) водой.
Жидкая фазапочвы – вода в почве, почвенный раствор, исключительно динамичная по объему и составу часть почвы, заполняющая ее поровое пространство. Содержание и свойства этой фазы зависят от водно-физических характеристик почвы и состояния в данный момент в соответствии с условиями увлажнения и погоды. В холодный сезон влага может переходить в твердое состояние, превращаясь в лед, при повышении температуры часть воды может перейти в газообразное состояние. Жидкая фаза – «кровь почвенного тела», служащая основным фактором дифференциации почвенного профиля, так как вертикальное либо латеральное перемещение веществ происходит в виде суспензий или растворов.
Газовая фаза– воздух, заполняющий поры, свободные от воды. Его состав динамичен во времени и существенно отличается от атмосферного. Воздуха больше в сухой почве, вода и воздух – антагонисты в почве.
Живая фаза– населяющие почву организмы, непосредственно участвующие в процессе почвообразования. К ним относятся микроорганизмы, представители микро- и мезофауны, корневые системы растений.
Соотношение этих четырех фаз имеет решающее значение в создании плодородия почв и условий жизни живых организмов. Отсутствие или уменьшение ниже определенных пределов жидкой или газообразной фаз исключает возможность использования почв для обычных биологических процессов.
Твердая фаза образуется из горной породы под влиянием сложных процессов – выветривания и характеризуется минералогическим, химическим и гранулометрическим составом.
Минералогический состав почвы.Почвообразующие породы представляют собой смесь продуктов химического и физического выветривания, т.е. смесь первичных и вторичных минералов. Минерал – это однородное в химическом отношении тело, обладающее постоянством химического состава и определенными физическими свойствами. По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. В горных породах минералы встречаются в определенных сочетаниях различными группами, образовавшимися в однородных условиях. Содержание того или иного минерала в рыхлой породе зависит от их физических и химических свойств. Первичные минералы образуются вследствие выветривания магматических и метаморфических пород, вторичные – из первичных.
Из первичных минералов наиболее распространенными являются минералы, включающие кислородные соединения кремния (кварц, полевые шпаты, пироксены и слюды).
Кварц – считается минералом, вполне устойчивым к химическому выветриванию. Сравнительно медленно подвергаются химическому выветриванию полевые шпаты. Средние и основные полевые шпаты отличаются меньшей устойчивостью, чем кислые.
Слюды – (мусковит и биотит) легче, чем предыдущие подвергаются химическому выветриванию.
Роговые обманки и пироксены представляют собой минералы, которые легко изменяются вследствие воздействия на них химических агентов.
Строение кристаллической решетки минералов в значительной степени зависит от объема составляющих ее ионов, или если считать, что форма ионов шарообразная, то от величины их радиусов. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы, объем катионов и анионов определяет их взаимное расположение. Образование устойчивой структуры происходит при условии, что каждый катион соприкасается с окружающими его анионами.
Отношение радиуса катиона к радиусу аниона определяет не только его координационное число, а также форму кристаллической решетки и характер элементарной ячейки.
Так элементарной ячейкой кремнекислородного соединения является тетраэдр, четыре вершины которого заняты крупными анионами О2 + , а в центре находится катион с небольшим радиусом Si 4+ . Данный тетраэдр является основной структурной ячейкой всех существующих соединений кремния с кислородом. Соединение тетраэдров между собой происходит через вершины, при этом определенные ионы кислорода одновременно связаны с двумя ионами кремния. Оставшиеся свободные валентности кислородных анионов нейтрализуются катионами. Кремнекислородные тетраэдры могут образовывать непрерывные структуры в виде одинарных цепочек, что характерно для пироксенов – энтатита и гиперстона. Двойные цепочки образует группа амфиболов – антофиллит. Листы, как у слюды, образуются в том случае, когда тетраэдры соединяются друг с другом тремя вершинами и образуют сетку гексагональной (шестиугольной) формы в виде плоского слоя. В случае, когда кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой таким образом, что каждый из четырех кислородных ионов принадлежит двум тетраэдрам, получается структура, не имеющая свободных ионов кислорода. Подобную структуру имеет кварц, который отличается большой прочностью.
Такая же форма трехмерных каркасов характерна и для полевых шпатов (анортит, альбит), однако в некоторых из тетраэдров Si заменен Al 3+ .
Минералы, в которых ион Si 4+ замещается ионом Fe 3+ , называются феррисиликатами.
Вторичные минералы (лимонит, гетит, гематит, гиббсит, бемит). В результате химического выветривания первичные минералы изменяют свой состав и внутреннюю структуру. Выветривание в первую очередь затрагивает поверхность минералов, поэтому с их измельчением возрастает суммарная поверхность, и процессы разрушения ускоряются. Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве, являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.
Гидратация – это притяжение молекул воды к поверхности минералов. При измельчении минералов часть зарядов ионов кристаллической решетки высвобождаются, к ним притягиваются диполи воды, которые стремятся выдернуть ионы из кристаллической решетки минерала, вследствие чего происходит ее расшатывание и разрыхление.
Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н + ионы воды.
Помимо простых вторичных минералов, при выветривании могут образовываться вторичные алюмосиликаты и феррисиликаты. Эти минералы входят в состав различных глин и поэтому носят название глинных. Являясь частью почв, они определяют очень важные для развития растений почвенные свойства (поглотительная и обменная способность, кислотность, буферность, водоудерживающая способность и др.). Из большого числа глинных минералов, для почв наибольшее значение имеют группы: каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.
Глинистые минералы в природе образуются двумя путями. Первый путь представляет собой постепенное изменение первичных минералов, что приводит к образованию новых форм кристаллических решеток. Вторичные минералы могут возникать также путем синтеза из простых продуктов распада первичных минералов: полевых шпатов, амфиболов, вулканических стекол и т.д. Образующиеся при распаде вещества вступают между собой в реакции взаимодействия, продукты которых выпадают в осадок.
Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов:
1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.),
2) сочетание первичных минералов,
5) реакции среды,
6) условий выноса продуктов выветривания,
7) жизнедеятельности организмов.
Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Поэтому более древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования, содержат относительно много минералов группы каолинита, гибсита и гетита, которые являются конечными продуктами выветривания.
Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, а теплый и влажный – ускоряет. Растения, которые в про цессе жизни взаимодействуют с почвой (поглощение воды, элементов питания, кислорода, а также выделение продуктов жизнедеятельности), вносят существенные изменения в состав и свойства почвенного раствора, реакцию среды, значение окислительно-восстановительного потенциала, что в значительной мере оказывает влияние на условия разрушения и синтеза минералов.
Как отмечалось выше, число первичных минералов в природе невелико, поэтому и количество вторичных минералов не отличается большим разнообразием.
Жидкая фаза почвы (почвенный раствор) – наиболее подвижная и активная часть почвы. Из него растения непосредственно усваивают питательные вещества. В почвенном растворе содержатся минеральные и органические вещества, органоминеральные соединения, а также растворимые газы (СО2, NH3, О2 и др.). Из минеральных соединений в составе почвенного раствора находятся анионы (НСО2 — , Cl — , NO3 — , SO4 2- , H2PO4 — ) и катионы (Са 2+ , Mg 2+ , NH4 + , К + ). Оптимальная концентрация солей в почвенном растворе 0,2%.
Наиболее важное значение для питания растений имеет присутствие в почвенном растворе ионов Са 2+ , Mg 2+ , NH4 + , К + , NO3 — , H2PO4 и постоянное их пополнение. Содержание в почвенном растворе катионов Н + и Nа + определяет его реакцию, от которой в сильной степени зависит рост и развитие растений.
Поступление солей в почвенный раствор зависит от хода процессов выветривания и разрушения минералов, разложения органического вещества, внесения органических и минеральных удобрений.
Избыточная концентрация солей в почвенном растворе оказывает вредное воздействие на растения, а при их концентрации 0,3-0,5% – их гибель. Из минеральных соединений в почвенном растворе засоленных почв преобладают: хлориды – NaCl, MgCl2, СаСl2 и КCl; сульфаты – Na2SO4, MgSO4, K2SO4, CaSO4; карбонаты – Na2CO3 и MgCO3; гидрокарбонаты – NaHCO3, Mg(HCO3)2 и Ca(HСО3)2.
Почвенный раствор находится в постоянном и тесном взаимодействии с твердой, газовой и живой фазами почвы, и как следствие, состав и концентрация его является результатом биологических, физико-химических и физических процессов, лежащих в основе этого взаимодействия.
Значение почвенного раствора в жизни почвы, растительности и микроорганизмов велико. Все процессы мобилизации питательных веществ в почве в т.ч. и за счет вносимых удобрений, происходят через почвенный раствор. Вот почему состав и концентрацию почвенного раствора следует целенаправленно регулировать с помощью специальных агротехнических приемов.
Концентрацию почвенного раствора уменьшают промыванием почвы пресными водами. Состав его изменяют внесением удобрений, а реакцию – известкованием или гипсованием почвы.
Состав и концентрация солей в почвенном растворе зависит от влажности почвы, интенсивности минерализации органического вещества, внесения удобрений, от взаимодействия раствора с твердой фазой почвы. Качественный и количественный состав раствора в разных почвах неодинаков. Даже в одной и той же почве его состав изменяется по генетическим горизонтам. Наиболее богат органическими соединениями почвенный раствор болотных и целинных дерново-подзолистых, а в пределах одной почвы – органогенный и гумусовый горизонты. Вниз по профилю почв количество органических соединений в почвенном растворе резко снижается в результате их закрепления и минерализации в верхних горизонтах. В каштановых почвах, черноземах, сероземах и солонцах в составе почвенных растворов нижних горизонтов увеличивается содержание минеральных соединений — карбонатов, гипса и легкорастворимых солей.
Газовая фаза (почвенный воздух) – это атмосферный воздух, который проникает в поры почвы, отличается от атмосферного повышенным содержанием СО2 (до 1% – 2-3%) и меньшим О2. В атмосферном воздухе содержание СО2 – 0,03%. Состав почв воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Обогащение его СО2 происходит главным образом в результате разложения почвенного органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. При избыточном увлажнении и плохой аэрации в почвенном воздухе содержание СО2 повышается (до 2-3%), а О2 – снижается, что отрицательно сказывается на развитии растений. При содержании О2
Источник
Фазовый состав почв (Материальная часть почвы)
Фазовый состав почв (Материальная часть почвы)
Почва – многофазное тело, состоящее из твердой (минеральной и органической), жидкой, газообразной и живой фаз. В состав твердой фазы почвы входят почти все элементы, но они отличаются по количеству и содержанию в минеральной и органической части почв.
В твердой части почвы содержатся основные запасы питательных элементов. Она состоит из минеральной (90–99 % массы) и органической частей (1–10 %). Минеральная часть почвы в свою очередь на 90 % состоит из трех элементов: кислорода, кремния и алюминия. Углерод, водород, кислород, фосфор и сера содержатся в почве как в минеральной, так и органической части. Азот почти целиком содержится в органической части, калий – только в минеральной части почвы.
Химический состав твердой фазы почвы в % (кларк): 49О, 33 Si, 7,1Al, 3,8 Fe, 1,4 Ca, 1,4 K, 1,0Н, 0,6Mg, 0,6 Na, 0,46 Ti, 2,0 C, 0,09 S, Mn, 0,08 P, 0,1 N… Почвы содержат также значительное количество микроэлементов и ультрамикроэлементов, также важных для почвенных процессов и жизни растений.
С, О, Н, N используются для построения клеток растений, многие другие нужны для выполнения различных частных функций.
Химический состав почвы в значительной степени наследуется от почвообразующих пород. Химические показатели могут отражать свойства почв (химический состав, содержание подвижных форм элементов, реакция среды, ОВП) и проявление почвообразовательных процессов (соотношение SiO2/R2O3, C/N). Для характеристики условий развития растений используют и показатели запасов тех или иных веществ или элементов в определенном слое почв (в т/га или кг/га).
По минеральному составу в сформировавшейся почве наряду с первичными (унаследованными от коренной породы) мы находим и вторичные минералы – результат химического выветривания, а также органо-минеральные соединения – результат деятельности живых организмов.
Породы, из которых состоит литосфера, по своему происхождению распределяются на три группы: 1) магматические, или изверженные, 2) осадочные, 3) метаморфические.
Магматические (или массивно-кристаллические) породы составляют 95% литосферы. Они образуются при остывании расплавленной жидкой магмы, составляющую следующую за литосферой внутреннюю оболочку Земли. В зависимости от условий остывания магмы магматические породы имеют более или менее выраженное кристаллическое строение. При медленном остывании на глубине образуются интрузивные (или глубинные породы), которые состоят из крупных, хорошо различимых кристаллов (например, гранит). Когда при вулканических извержениях магма достигает дневной поверхности и быстро и неравномерно остывает, образуются эффузивные горные породы. Они имеют вид плотной массы, включающие иногда отдельные и крупные кристаллы (например, порфиры).
В зависимости от состава магмы и условий ее остывания магматические породы различаются между собой по химическому и минералогическому составу. По содержанию кремнезема различают кислые (SiO2 более 75 %), средние, основные и ультраосновные породы.
Метаморфические породы — образуются из осадочных и магматических пород вследствие воздействия на них высокой температуры и давления, в результате чего минералогический состав и структура породы значительно изменяются, однако химический состав их остается неизменным. Например, рыхлый известняк в процессе метаморфических процессов превращется в плотный кристаллический мрамор. Большинство метаморфических пород относятся к древним геологическим образованиям и под воздействием сложных денудационных процессов покрыты мощным осадочным чехлом. Поэтому метаморфические породы редко служат материнскими породами для почв и встречаются в основном в горных областях. К метаморфическим породам относятся разнообразные сланцы.
Осадочные породы. Первичные магматические породы, попав на дневную поверхность, подвергаются разрушению, разрыхлению, разной степени измельчения и последующего переноса и переотложения. В результате этого образуются осадочные породы. Они залегают непосредственно на поверхности Земли и занимает приблизительно 75% ее площади. Осадочные породы делятся на: обломочные, химические, органогенные.
Часть осадочных пород представляет собой результат механического дробления магматических пород или нерастворимые продукты их химических превращений. К ним относятся брекчии, конгломераты, щебень, пески, песчаники, глины, илы и т.д., объединяемые под названием обломочных пород. В некоторых случаях они бывают сцементированными растворимыми солями и образуют плотные породы (кремнистые, известковые песчаники).
Растворимые продукты выветривания в виде хлоридов, сульфатов, карбонатов, фосфатов и других простых солей образуют такие породы как каменная соль, гипс, известняк, доломит, железистые туфы, фосфориты. Их возникновение связано с осаждением из растворов морских и континентальных вод. К осадочным породам химического происхождения относятся также карбонатные породы и кремнистые сланцы.
Некоторые осадочные породы имеют органическое происхождение. Они образуются на дне морей и других водоемов из скелетов отмерших организмов и состоят из кремнекислоты, углекислоты, фосфорнокислой извести. К ним относятся известняки, мел, трепел, торф, сапропели.
По данным ряда авторов соотношение пород следующее: глины — 65-80%, более грубые обломочные породы — 15-30%, химические и органогенные — 5% осадочных пород.
Всего известно более 2000 минералов, 230 – породообразующие. 60 % — полевые шпаты, 17 – силикаты, 12 – кварц, примерно по 4 % — слюды, рудные и иные минералы.
Минеральный состав почв существенно различается по размерам механических элементов. Решающую роль в хозяйственной деятельности человека играют почвы, состоящие в значительной мере из высокодисперсных частиц. В почвенных частицах более 0,001 мм преобладают первичные минералы, особенно алюмосиликаты и силикаты, содержание которых в земной коре составляет около 85%. Главными составными их частями являются кислород, кремний, алюминий. Преимущественно это – полевые шпаты. К первичным относятся также мусковит, флогопит, серицит, кварц, слюды, карбонаты. Среди илистых частиц преобладают вторичные минералы, важнейшими признаками которых является их дисперсность, кристаллохимическая природа, что имеет следствием высокую адсорбционную способность и пластичность.
Глинистые минералы, особенно монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, галлузит хорошо набухают, то есть происходит расширение кристаллической решетки перпендикулярно силикатным слоям. Глинистые минералы подразделяют на 4 основные группы:
• каолинита – диоктаэдрические слоистые алюмосиликаты жесткой кристаллической решетки, не набухающие, имеющие ЕКО до 25 смоль/кг; минералов этой группы много в тропиках и субтропиках;
• гидрослюд (иллита) – трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся решеткой, содержащие 6-8% К2О, имеющие ЕКО 45-50 смоль/кг; к ним близок вермикулит, имеющий ЕКО до 100 смоль/кг;
• монтмориллонит (смектита) – трехслойные алюмосиликаты с сильно расширяющейся решеткой, отличающиеся очень высокой дисперсностью, имеющие ЕКО 80-120 смоль/кг; для них характерно много изоморфных замещений, их много в почвах с нейтральной реакцией почвенной среды (черноземы, каштановые, солонцы);
•смешаннослойные – минералы с неоднородным составом; они составляют 30-80% всех глинистых минералов в почвах умеренного пояса, особенно часто встречается сочетание хлорита с вермикулитом.
Под влиянием процессов почвообразования формируется специфическая кора выветривания: в тундре, тайге, широколиственных лесах – сиаллитная, в степях – сиаллитная карбонатная, в пустынях – сиаллитная засоленная, в субтропических и тропических лесах – ферралитная.
Дисперсность почвы обычно характеризуется гранулометрическим составом. Этот важный показатель подробно описан в предыдущем разделе.
Фракции состоят из минеральных зерен, и сам гранулометрический состав во многом определяется минеральным составом породы, так как разные минералы не одинаково поддаются выветриванию. Так, кварц наиболее устойчивый мине¬рал, поэтому обычно он накапливается в крупных фракциях, полевые шпаты преобладают в среднем песке.
Минеральный состав почв, особенно их глинистой фракции, может меняться в зависимости от типа почв (на зональном уровне). Особенно четко зональны водорастворимые минералы: карбонаты, гипс, соли натрия и т.п. Они отсутствуют в гумидных и присутствуют, часто в больших ко¬личествах, в аридных почвах.
Существуют также классификации почв по гранулометрическому составу, учитывающие содержание трех фракций: песка (1(2)—0,05 мм), пыли (0,05-0,001 мм) и глины (ила). В классификации, принятой в Беларуси, построенной на основании содержания физической глины, выделяют две фракции. На последнее место ставят преобладающую фракцию. Наименьшую по содержанию фракцию в название не включают. Почва, содержащая 32 % физической глины, 20 % ила, 25 % пыли и 55 % песчаной фракции называется пылевато-песчанистый средний суглинок. В зарубежной литературе используют несколько другую, более подробную, классификацию почв по гранулометрическому составу, построенную на содержании пыли, песка и ила.
Источник