Химические элементы твердой фазы почвы

2.3. Химический состав твердой фазы почвы

Твердая фаза автоморфных почв является преобладающей по массе и преимущественно состоит из минеральных — 80-90 % и меньшей мере — 10-15 % — органических веществ. Минеральная часть сформировалась из минеральных геологических пород и содержит первичные и вторичные минералы, оксиды, соли, элементы и соединения, образовавшиеся в процессе выветривания и почвообразования.

Химический состав твердой фазы почвы является одной из основных ее характеристик.

Д.С. Орлов (1985) по абсолютному содержанию в почвах все элементы объединил в несколько групп:

1. Включает кремний и кислород, содержание которых составляет десятки процентов, а в сумме они могут составлять 80-90 % и более почвенной массы.

2. Включает AI, Fe, Ca, Mg, K, Na, C содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов.

Первые две группы – типичные макроэлементы.

Количество элементов выражается сотыми и десятыми долями. Это Ti, Mg, N, P, S, H, (по содержанию они составляют переходную группу к микроэлементам).

Микроэлементы и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количествах n∙10 -3 — n∙10 -10 , к ним относятся Ва, Sr, В, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Se и др. элементы.

Приведенная концентрационная группировка химических элементов, составляющих почву, наиболее простая и не единственно возможная. Она полезна при выявлении роли отдельных элементов в формировании почвенной массы и удобна при выборе методов химического анализа почв. Концентрационная группировка при решении многих почвенных задач оказывается довольно условной.

Так, макро- и микроэлементы формально различают по уровням их содержания в почвах или в живых организмах. При таком подходе микроэлементами называют такие элементы, которые нужны в малых (микро-) количествах, но при этом они выполняют важные физиологические функции. Например, железо и магний для почв – типичные макроэлементы, так как их содержание находится в пределах единиц процента, но в живых организмах – это типичные микроэлементы, входящие в состав гемоглобина или хлорофилла. Учитывая это, учеными предложено к микроэлементам относить те химические элементы, которые независимо от уровня их содержания выполняют в живых организмах функции инициаторов и активаторов биохимических процессов.

Итак, в почвах содержатся практически все элементы периодической системы Д.Н. Менделеева. Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Остальные элементы называют минеральными или зольными.

Макроэлементы – широко распространенные в природе химические элементы, необходимые растениям для питания в больших количествах.

Кремний входит в состав минералов (кварц, силикаты), определяет гранулометрический состав почв. Поглощается растениями из раствора. Обычно в почвах обнаруживается незначительное количество водорастворимого кремнезема (до 10-50 мг/л). С увеличением рН среды растворимость кремнезема возрастает. Так, в щелочных содовых растворах при рН 10-11, его содержание достигает 100-200 мг/л.

Углерод – основа специфических органических соединений в почве (гумуса). Входит в состав карбонатов. Содержание органического углерода колеблется от долей процента в песчаных почвах до 7 % и более в черноземах и некоторых дерновых почвах, а в торфяных достигает несколько десятков процентов.

Кислород входит в состав первичных и вторичных минералов, гумуса почвы, воды, содержится в почвенном воздухе. При дефиците свободного кислорода в почве создаются анаэробные условия.

Водород содержится в почвенной влаге, угольной кислоте, органических соединениях, в кислых солях и гидроксильных ионах. Определяет реакцию почвенного раствора. Часть водорода находится в почвенном растворе и в обменном состоянии, обуславливая актуальную и потенциальную кислотность почвы.

Азот входит в состав гумуса, органоминеральных соединений, является элементом питания растений. Накапливается в почве с органическим веществом. Азот доступен растениям в виде аммония, нитратов и нитритов.

Фосфор – составная часть органического вещества почвы, накапливается в форме кислых, средних, основных солей фосфорной кислоты с кальцием, железом, алюминием. Фосфор органических соединений переходит в доступную форму после минерализации их микрофлорой. Необходимый элемент питания растений (формирование корневой системы, качество зерна). Часть фосфора входит в кристаллическую решетку минералов (апатит, вивианит) и находится в обменом состоянии.

Сера накапливается в почве в виде сульфатов кальция, магния, входит в состав гумуса. В почвах сера представлена как органическими, так и неорганическими соединениями. Соотношение их зависит от типа почвы и от глубины залегания исследуемого генетического горизонта. Встречается в почвах и элементарная сера; она может быть продуктом трансформации серосодержащих соединений или унаследована от материнской породы.

В верхних горизонтах незасоленных почв содержание серы колеблется от 0,01-0,02 до 0,2-0,4 %. Наименьшее содержание и запасы серы свойственны малогумусным песчаным и супесчаным почвам. Наибольшее содержание и запасы характерны для торфянистых почв и торфяников. В верхних гумусовых горизонтах на долю органических соединений серы приходится до 70-80 % всех запасов серы. Доля минеральных соединений серы нарастает по мере уменьшения запасов гумуса, повышения минерализации почвенно-грунтовых вод и накопления в почвах карбонатов и гипса.

Железо и алюминий входят в состав первичных и вторичных минералов, накапливаются в форме гидроксидов и оксидов. Определяют реакцию почвенного раствора, участвуют в процессе структурообразования. Обменный и водорастворимый алюминий ухудшают минеральное питание растений, переводя фосфор в труднорастворимые фосфаты и препятствуя поглощению двухвалентных катионов. Под его влиянием ухудшается развитие корневой системы, нарушается углеводный и азотный обмен в растении.

Кальций входит в состав обменно-поглощенных катионов, накапливается в почве в форме солей – карбонатов и сульфатов. Стабилизирует реакцию почвенного раствора, закрепляет гумусовые вещества, участвует в структурообразовании, так как является эффективным коагулятором почвенных коллоидов. Содержание кальция в бескарбонатных почвах составляет 1-3 %. Растения, произрастающие на кислых и сильнокислых почвах, особенно легкого гранулометрического состава, испытывают недостаток кальция. Этот элемент имеет огромное значение как в питании растений, так и в почвообразовании.

Магний – входит в состав хлорофилла и других органических веществ. Магний способствует созданию нейтральной реакции среды. Большое количество обменно-поглощенного магния способствует осолонцеванию почв, что приводит к ухудшению агрофизических свойств. Как и кальций, магний находится в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в обменном состоянии и в форме солей – карбонатов, сульфатов, хлоридов. Дефицит магния испытывают растения, произрастающие на почвах особенно легкого гранулометрического состава.

Калий – необходимый элемент питания растений. Основная часть его находится в составе первичных и вторичных минералов и малодоступна для растений. Из биотита и мусковита растения сравнительно легко извлекают этот элемент. Калий в почвах так же содержится в почвенном растворе в виде простых солей, в обменном состоянии на поверхности почвенных коллоидов. В таких состояниях калий легко доступен растениям. Калиелюбивые культуры – картофель, корнеплоды, травы, табак, овощные культуры.

Натрий – сосредоточен главным образом в кристаллической решетке первичных минералов (натрийсодержащие полевые шпаты), присутствует в обменном состоянии и в почвенном растворе в составе водорастворимых солей Na₂СО₃, NaНСО₃, Na₂SО₄, NaCl, NaNО₃. В аридных регионах накапливается в почве в виде солей и вызывает осолонцевание и засоление почв. Почвенное плодородие снижается и при высоком содержании обменного натрия. При повышении его доли в составе обменных катионов более 10 % емкости обмена, существенно ухудшаются агрономические свойства почв, что вынуждает проводить их мелиорацию.

Микроэлементы – химические элементы, содержащиеся в почвах в микроколичествах и необходимые для полноценного развития растений. Количество микроэлементов в почве определяется их содержанием в породе. Микроэлементы входят в состав первичных и вторичных минералов, гумуса. К ним относятся медь, цинк, кобальт, бор, молибден, йод и др.

Радиоактивные элементы (калий, уран, радий, стронций, торий, цезий и др.) обуславливают естественную радиоактивность почв. Содержание радиоактивных элементов в почвах незначительно: U – 3,0∙10 -6 -5,1∙10 -4 %, Ra – 1,0∙10 -12 -1,7∙10 -10 %, 40 K – 3,9∙10 -6 -3,7∙10 -5 %. Естественная радиоактивность почв не приводит к каким-либо отклонениям в процессе развития растительных и животных организмов.

Искусственная радиоактивность почв вызывается радиоактивными изотопами, образующимися в результате атомных и термоядерных взрывов. Включаясь в биологический круговорот радиоактивные изотопы нарушают ход физиологических процессов в организмах. Наибольшую опасность представляют 90 Sr и 137 Cs, поскольку период их полураспада составляет соответственно 28 и 33 года. По своим свойствам 90 Sr близок к кальцию, а 137 Cs к калию, поэтому значительная их часть закрепляется в почвах.

Токсичные химические элементы (фтор, хлор, сера, мышьяк) — это элементы, содержание которых в значительных количествах в почвах отрицательно воздействуют на развитие растений.

Тяжелые металлы (свинец, ртуть, хром и др.), накапливаясь в почве, поглощаются растениями, что приводит к ухудшению качества продуктов питания, когда их содержание превышает санитарные нормы. Тяжелые металлы прочно удерживаются коллоидными комплексами почв, поэтому их концентрация в растворе невелика.

Содержание и свойства некоторых элементов представлены в таблице 11.

Среднее содержание элементов в почвах, мг/кг

Источник

Состав почвы

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 (табл. 1)

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).

Органическое вещество почвы
составляет небольшую часть твердой фазы, но имеет важное значение для ее плодородия и питания растений. Содержание органического вещества в почвах колеблется от 1—3% (в подзолистых почвах и сероземах) до 8—10% и более в мощных черноземах.

Органическое вещество почвы представлено в основном (на 85—90%) гуминовыми веществами (гуминовыми и фульвокислотами) и лишь небольшая часть — негумифицированными остатками растительного, микробного и животного происхождения.

Общий запас гумуса в пахотном слое почв с относительно невысоким его содержанием — сероземах и дерново-подзолистых — составляет 30—50 т, в черноземах — 100— 200 т, а в метровом слое — соответственно 50—120 и 300— 800 т на 1 га.

В органическом веществе находится основной запас азота, поэтому почвы, содержащие больше органического вещества, отличаются и большим количеством азота. В органическое вещество входят также сера и фосфор. При его минерализации азот, фосфор и сера переходят в усвояемую для растений минеральную форму. Гуминовые кислоты и фульвокислоты, а также образующаяся в почве при разложении органических веществ углекислота оказывают растворяющее действие на труднорастворимые минеральные соединения фосфора, кальция, калия, магния; в результате эти элементы переходят в доступную для растений форму.

Гумусовые вещества наряду с мелкодисперсными минеральными частицами почвы участвуют в адсорбционных процессах, определяют поглотительную способность почвы и ее буферность. Органическое вещество служит источником питания и энергетическим материалом для большинства почвенных микроорганизмов. Гумусовые вещества почвы труднее подвергаются минерализации, чем органические соединения растительных остатков и негумифицированных веществ. Однако при длительном возделывании сельскохозяйственных культур без внесения удобрений может происходить значительное уменьшение общего количества гумуса и азота в почве. Размеры ежегодной минерализации органического вещества в пахотном слое дерново-подзолистых почв 0,6—0,7 т, а черноземов — 1,0 т на 1 га, с образованием соответствующего количества (соответственно 30—35 и 50 кг/га) доступного растениям минерального азота. При среднем содержании азота в гумусе около 5% на каждую единицу доступного растениям азота (NO₃ — + NH₄ + ) должно минерализоваться двадцатикратное количество гумуса.

Наиболее интенсивно разлагается гумус в чистых парах, где в почве может накапливаться до 100—120 кг N—NO₃ на 1 га. Одновременно с минерализацией органического вещества в почве постоянно происходит за счет разлагающихся растительных остатков новообразование гумуса, и изменение общего его количества определяется соотношением между этими процессами.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений, обеспечивая повышение урожайности сельскохозяйственных культур, способствует сохранению и накоплению запасов гумуса и азота в почве, так как с ростом урожая увеличивается количество поступающих в почву корневых и пожнивных остатков и усиливаются процессы гумусообразования.

Содержание основных элементов питания в почвах и их доступность растениям. Разные типы почв отличаются по содержанию основных элементов питания (табл. 2). Общий запас азота, фосфора и калия в большинстве почв составляет значительные величины, в десятки и сотни раз превышающие вынос их урожаем одной культуры. Однако основная масса питательных веществ находится в почве в виде соединений, недоступных для непосредственного питания растений. Валовой запас питательных веществ в почве характеризует лишь ее потенциальное плодородие. Для оценки эффективного плодородия почвы, действительной способности ее обеспечивать высокую урожайность сельскохозяйственных культур важное значение имеет содержание питательных веществ в доступных для растений формах.

Для питания растений доступны только те питательные вещества, которые находятся в почве в форме соединений, растворимых в воде и слабых кислотах, а также в обменно-поглощенном состоянии. Мобилизация питательных веществ, переход труднорастворимых соединений в усвояемую форму постоянно происходят в почве под влиянием биологических, физико-химических и химических процессов.

В разных почвах процессы мобилизации протекают с неодинаковой интенсивностью в зависимости от характера соединений, которыми представлены питательные вещества, климатических условий, уровня агротехники и т. д. Обычно эти процессы протекают медленно, и тех количеств доступных для растений форм питательных веществ, которые образуются в почве за вегетационный период, бывает недостаточно для удовлетворения потребности растений. Поэтому почти на всех почвах внесение удобрений значительно повышает урожайность сельскохозяйственных культур.

Содержание усвояемых форм питательных веществ зависит от типа почвы, ее окультуренности и предшествующей удобренности. Оно может быть неодинаковым в разных хозяйствах и на отдельных полях хозяйства. Поэтому для правильного применения удобрений важное значение имеют агрохимические анализы почв для определения подвижных форм азота, фосфора и калия, которые проводятся зональными агрохимическими лабораториями.

В зависимости от типа почв и других условий используются разные методы анализа. Для прогноза эффективности азотных удобрений определяют: а) содержание нитратов или суммы минерального азота (NO₃ — + NH₄ + ) в слое почвы 0—20 или 0—40 см. весной перед посевом; б) подвижный азот (NO₃ — , NH₄ + ) в 1%-ной K_{2 — до и после компостирования.}

Методы определения подвижного фосфора и калия отличаются в основном реактивом, применяемым для их извлечения, а также соотношением и временем взаимодействия его с почвой.

Источник