Химический состав глинистых почв

Глава 3. МИНЕРАЛЬНАЯ ФАЗА ПОЧВЫ И ЕЁ СОСТАВ

§1. Химический и минералогический состав почвы

Почва состоит из четырех фаз: твердой, жидкой, газообразной и живой (рис. 3). Твердая часть в свою очередь подразделяется на минеральную и органическую часть и составляет 50 % от общего объема почвы. В гумусовых горизонтах на долю минеральной части приходится 87 – 98 %, органической – только 2 – 13 %, в более глубоких доля минеральной части возрастает до 99 –100 %.

Поскольку почва есть продукт изменения горной породы, то она наследует в общих чертах химический и минералогический состав этой породы. В состав почвы входят все химические элементы периодической таблицы. Основу твердой части составляют: О (47,0 %), Si (33,0 %), Al (7,13 %), Fe (3,8 %), Ca (1,37 %), K (1,36 %), Н (1 %), Na и Mg (по 0,63 %), на остальные элементы приходится около 4 %, из них на С приходится 0,023 %, на N₂ – 0,002 %, на Р – 0,081 %, на S – 0,085 %.

Химические элементы и их соединения образуют минералы, а они в свою очередь объединяются в горные породы. Минералы – однородные по химическим свойствам природные тела с определенными физическими свойствами, образовавшиеся в земной коре при различных физико-химических процессах. Известно около 4000 минералов, но из них в состав горных пород входит около 50.

Минералы горных пород по химическому составу делятся на следующие классы:

1. Самородные элементы: минералы, находящиеся в свободном состоянии: золото, платина, серебро, из металлоидов – сера, графит, алмаз, составляющие менее0,1% массы земной коры, преимущественно редкие.

2. Сульфиды – соли сероводородной кислоты, составляющие 0,25% массы земной коры, в основном руды (пирит FeS₂ или железный или серный колчедан, халькопирит CuFeS_2, или медный колчедан, галенит PbS, или свинцовый блеск, киноварь HgS).

3. Галогениды – соли галоидноводородных кислот (HCl, HF), относятся к вторичным минералам, образующимся при осаждении из растворов (галит NaCl или каменная соль, сильвин KCl, флюорит CaF₂, или плавиковыйшпат).

4. Оксиды и гидроксиды – широко распространенные породообразующие минералы, играющие важную роль в геологических процессах (кварц SiO₂ – самый распространенный породообразующий минерал 65 % в земной коре, халцедон SiO₂, опал SiO₂•nH₂O, илигидроксид кремния, магнетит F₃O₄, или магнитный железняк, гематит Fe₂O₃ – красный железняк, лимонит 2Fe₂O₃•3H₂O, или бурый железняк, корунд Al₂O₃, боксит Al₂O₃•2H₂O, пиролюзит MnO₂, или марганцевая руда).

5. Карбонаты – соли угольной кислоты (кальцит CaCO₃, или известковый шпат, магнезит MgCO₃, доломит CaMg(CO₃)₂, сидерит FeCO₃, или железный шпат).

6. Сульфаты – соли серной кислоты (гипс CaSO₄•2H₂O, мирабилит Na₂SO₄•10H₂O, или глауберова соль).

8. Нитраты – соли азотной кислоты (натриевая селитра NaNO₃, калиевая селитра KNO₃).

9. Силикаты и алюмосиликаты – самые распространенные в природе минералы, они составляют 95 % массы земной коры (полевые шпаты – ортоклаз K(AlSi₃O₈), слюды – мусковит KАl₂[AlSi₃О₁₀], или бесцветная слюда, биотитK(Mg,Fe)₃[Si₃Al₁₀](OH)₂),или черная слюда).

10. Органические соединения – это углеводородные соединения, образовавшиеся из отмерших остатков биоты (нефть, ископаемые угли, янтарь).

По происхождению минералы делятся на первичные, или магматические, образовавшиеся в недрах Земли при затвердевании магмы в определенных температурах и давлении, и вторичные, или экзогенные, претерпевшие химические изменения, из которых формируются рыхлые осадочные породы. Наиболее распространенными первичными минералами являются кварц, полевые шпаты, слюды, преобладающие в крупных фракциях почвы. От количества первичных минералов зависят физические свойства почв, и они являются резервным источником зольных элементов питания растений, в результате их видоизменения образуются вторичные минералы. Вторичными минералами являются минералы простых солей, минералы оксидов и гидроксидов, глинистые минералы. Минералы простых солей (кальцит, магнезит, доломит, гипс и др.) определяют качественный и количественный состав засоления почв. Минералы оксидов и гидроксидов благодаря своей огромной поверхности поглощают много фосфора, делают его малодоступным растениям. Глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит, гидрослюды и др.) преобладают в тонкодисперсных фракциях, в сочетании с гумусовыми кислотами способствуют улучшению водно-физических свойств почв, являются источниками элементов минерального питания для растений, обусловливают поглотительную способность почв.

§2. Гранулометрический состав почвы

Твердая фаза почвы состоит из частиц различной величины, которые называются механическими элементами и могут быть органическими, минеральными и органо-минеральными. Соотношение частиц разного диаметра, выраженное в процентах, называется гранулометрическим (механическим) составом почвы. В почве соотношение частиц разного диаметра зависит в значительной мере от того, на какой материнской породе она формируется и очень мало меняется в процессе почвообразования. Так, кислые, богатые кварцем породы дают много крупного песчаного материала, элювий основных, богатых легко выветривающимися минералами пород (известняк) дает много тонкодисперсных частиц.

Свойства механических элементов зависят от их размеров. Близкие по размерам элементарные частицы объединяются во фракции. Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией гранулометрических элементов. Наиболее широко применяется классификация, разработанная Н.А.Качинским (табл.1).

Несмотря на некоторую условность границ фракций, в целом данная классификация отражает реально существующие различия в свойствах частиц разного диаметра, что в свою очередь определяет свойства почвы в зависимости от преобладания той или иной фракции в составе почвы.

Камни и гравий представлены обломками горных пород и минералов, большое содержание этих фракций придает почвам неблагоприятные физические свойства – провальную водопроницаемость, отсутствие водоподъемной способности и низкую влагоёмкость, затрудняет использование сельскохозяйственных машин и орудий, является механическим препятствием для роста и развития растений. В малом количестве рыхлят почву.

Песчаные фракции состоят из обломков первичных минералов с преобладанием кварца, имеют высокую водопроницаемость, слабое набухание, непластичны. Однако в отличие от гравия обладают некоторой влагоемкостью и капиллярностью, поэтому на природных песках возможно выращивание сельскохозяйственных растений.

Пыль крупная по минералогическому составу и некоторым физическим свойствам мало отличается от песка, непластична, слабо набухает и обладает невысокой влагоемкостью.

Пыль средняя и мелкая состоит из первичных и вторичных минералов. В связи с этим она способна к коагуляции и структурообразоваиию, обладает поглотительной способностью, обогащена гумусовыми веществами, имеет повышенную пластичность, связность и водоудерживающую способность. Однако почвы с высоким содержанием этих фракций имеют такие неблагоприятные свойства, как низкая водопроницаемость, липкость, высокая набухаемость. Такие почвы содержат много недоступной для растений воды.

Илистая фракция состоит преимущественно из высокодисперсных вторичных минералов, имеет большое значение в плодородии почв, обладает высокой поглотительной способностью, содержит много гумусовых веществ, элементов минерального питания, активно участвует в структурообразовании.

На практике часто упрощают классификацию Н.А.Качинского и подразделяют все элементы на крупнозем (скелет или каменистая часть почвы > 1 мм) и мелкозем ( 80 %.

В Республике Беларусь, где преобладают песчаные и супесчаные почвы (рис.4), учитывают каждый процент глины, классификация почв по механическому составу несколько иная (табл. 2).

Различные по гранулометрическому составу почвы значительно отличаются по содержанию элементов питания, водным, воздушным и тепловым свойствам и по сопротивляемости обработке делятся на легкие и тяжелые.

Легкие почвы – песчаные и супесчаные – легко обрабатываются, весной быстрее прогреваются, полевые работы на них можно проводить раньше. К отрицательным свойствам песчаных и супесчаных почв относятся невысокое содержание гумуса и элементов питания, низкая влагоемкость и поглотительная способность. Эти почвы считают бедными и сухими.

Классификация почв Беларуси по гранулометрическому составу

Содержание физической глины (в % от веса почвы)

Для повышения плодородия легких почв необходимо применять органические и минеральные удобрения, возделывание бобовых для запахивания в качестве удобрений – эффективная мера повышения их плодородия. Иногда применяют глинование. Тяжелые почвы – глинистые и тяжелосуглинистые – содержат много элементов питания, но отдают их с трудом, имеют плохие водно-физические свойства. Во влажном состоянии они вязкие, липкие, при высыхании становятся твердыми, тяжело обрабатываются. Для повышения плодородия тяжелых почв необходимо улучшать их структуру путем систематического внесения органических удобрений. Среднесуглинистые и легкосуглинистые почвы сочетают достоинства легких и тяжелых почв и обладают наиболее благоприятными водно-воздушными, питательными, тепловыми свойствами.

Вместе с тем следует учитывать, что в различных климатических условиях значение одного и того же гранулометрического состава проявляется по-разному. В северных областях, где короткое лето и недостаток тепла, легкие почвы ценятся за способность быстро прогреваться, что позволяет раньше провести посев и увеличить продолжительность вегетационного периода. В районах засушливого климата предпочтительнее почвы тяжелые при условии их оструктуривания. Различные сельскохозяйственные культуры также неодинаково относятся к гранулометрическому составу почв. Так, люпин, сераделла, сорго, картофель, кукуруза, гречиха, просо – предпочитают легкие почвы. Пшеница, ячмень, свекла капуста дают устойчивые урожаи на среднесуглинистых почвах, а овес – даже на тяжелосуглинистых и глинистых.

Механический состав почв можно определить и непосредственно в поле. Перед собственно определением механического состава небольшой образец почвы смачивается водой и размешивается до консистенции густого теста – вода из почвы не отжимается, но почва блестит и мажется. Раскатывается на ладони в шнур и сворачивается в колечко. Толщина шнура около 3 мм, а диаметр кольца около 3 см. По признакам, приведенным на рис. 5, определяется гранулометрический состав.

Рис. 5. Мокрый способ определения механического состава почв в поле

Гранулометрический состав имеет большое значение для почвообразовательного процесса и влияет на следующие свойства почв: 1) водопроницаемость и скорость фильтрации воды; 2) водоподъемную силу; 3) влагоёмкость; 4) аэрацию (воздухообеспеченность); 5) набухание и усадку; 6) тепловые свойства; 7) структурность; 8) способность накопления гумуса; 9) запасы питательных элементов и их доступность растениям; 10) затраты энергии на обработку.

Знание гранулометрического состава почв позволяет определить оптимальные сроки сельскохозяйственных работ, дозы и сроки внесения удобрений и весь комплекс мероприятий по рациональному использованию и охране почв.

Источник

Химический состав почвы

Запасы питательных веществ в почвах во много раз превышают потребность в них растений. Однако большая часть из них представлена недоступными для растений соединениями. Валовое содержание питательных веществ в пахотном слое различных почв неодинаково. Ниже рассмотрены химические элементы, входящие в состав почвы из числа необходимых для питания растений и их поведение в почве.

Азот. Содержание азота колеблется от 0,07% до 0,5%. Почвенный азот находится в основном в недоступной для растений органической форме. На долю минерального азота приходится только 1…2 % его общего количества. Под влиянием микробиологических процессов органические формы азота переводятся в доступные для растений минеральные формы.

Фосфор. Содержание фосфора во многих почвах составляет 0,03…0,25%. Около половины его находится в минеральной форме, а половина — в форме органических соединений. В слабоокультуренных торфяных почвах на фосфор в органической форме приходится до 70%. Некоторое количество его содержится в поглощённом почвенными коллоидами состоянии. Значительная часть минеральных форм фосфора в кислых подзолистых почвах и краснозёмах находится в труднодоступных для растений фосфатах железа и алюминия. В нейтральных почвах, например в чернозёмах, минеральный фосфор представлен более доступными для растений фосфатами кальция и магния.

Калий. На долю калия в почве приходится 0,6…3% массы почвы. Больше калия содержится в глинистых и суглинистых почвах, а в почвах лёгкого механического состава (песчаных и супесчаных) его значительно меньше. Количество обменного калия в пахотном слое составляет: в подзолистых почвах – 150…300 килограммов на гектар, чернозёмах – 400…900 килограммов на гектар, серозёмах – 600…1500 килограммов на гектар. В отличие от азота и фосфора, калий не образует в растениях прочные органические комплексы. Поэтому количество его в органическом веществе почвы незначительно.

Кальций. Кальция в почвах около 0,2…2 % и более от их массы. Он представлен силикатами, карбонатами, гипсом, фосфатами и другими соединениями. Часть кальция находится в поглощённом состоянии. Наиболее богаты обменным кальцием чернозёмы. Наименьшее количество его встречается в подзолистых почвах, что связано с их кислотностью. Известкованием не только смещается реакция почвы, но и улучшается питание растений кальцием.

Хлор. Большая часть хлора в почве содержится в виде простой растворимой соли хлорида калия. Ионы хлора движутся с водой по почвенному профилю как вниз, так и вверх, поднимаясь на поверхность по капиллярам. Во влажных районах следует ожидать, что в почве останется немного хлора из-за его вымывания. Более высокие концентрации хлора, даже приближающиеся к токсичным, возможны в плохо дренированных засолённых почвах в засушливых районах. Однако в хорошо дренированных почвах засушливых районов содержание хлора на поверхности невелико.

Углерод. Углерод в природе находится в непрерывном кругообороте. Цепь превращений углерода начинается в атмосфере, и он возвращается в неё, когда цикл завершается. Цикл углерода начинается с углекислого газа, и в таком виде он используется растениями. Когда жизненный цикл растений заканчивается, и разложение становится последней точкой их существования, углекислый газ освобождается и снова улетает в атмосферу. Так замыкается цикл. Углерод – важная химическая составляющая органического вещества почвы. Следовательно, все, что происходит с тканями растения во время бактериального их разложения, оказывается чрезвычайно важным.

Магний. Содержание магния составляет 0,4…4% и более от массы почвы и зависит от состава материнской породы. В почвах, образовавшихся на суглинках и глинах, больше магния, чем в почвах, возникших на песках. Около 90…95 % магния в почве входит в состав различных минералов, главным образом силикатов и алюмосиликатов, которые трудно растворяются в воде, поэтому содержащийся в них магний не может быть непосредственно использован растениями. Около 5…10 % магния находится в поглощённом (обменном) состоянии.

Обменный магний, как и обменный калий, играет важнейшую роль в питании растений, пополняя количество магния в почвенном растворе по мере потребления его растениями. Незначительная часть магния в почве встречается в форме органических веществ, после разложения, которых он становится доступным для растений. Наиболее богаты магнием черноземы, каштановые почвы и сероземы. Меньше магния в песчаных, супесчаных и некоторых торфяных почвах.

Сера. Содержание серы колеблется от 0,1 до 0,5% массы почвы. Сера в почве представлена органическими соединениями (80. 90%), где она находится в восстановленной форме, и минеральными соединениями с кальцием, железом, калием, натрием, являющимися источником питания растений. Процесс окисления серы, входящей в состав гумуса и органических остатков, происходит под влиянием аэробных бактерий (сульфофикация). В большинстве почв количество серы достаточно для растений, однако в малогумусных подзолистых песчаных почвах её немного, поэтому сульфатные формы удобрений здесь более эффективны, чем хлоридные. Серу в почву вносят также с органическими удобрениями, с простым суперфосфатом.

Железо. Содержание железа в почвах колеблется от 1…11%. В лёгких по механическому составу почвах его меньше, чем в тяжёлых. Железо в почве находится в форме ферроалюмосиликатов, окиси и закиси железа и их гидратов. Недостаток железа для растений чаще всего проявляется на карбонатных или сильно известкованных почвах, где оно находится в труднодоступном состоянии.

Марганец. Марганец, как и железо, широко распространён в почвах, но находится там, в меньших количествах. В почве марганец находится в нескольких формах. Единственные формы, доступные для растений, — это обменные и водорастворимые формы марганца. Доступность почвенного марганца снижается с ростом pH (при уменьшении кислотности почвы). Однако редко встречаются почвы, истощённые выщелачиванием до такой степени, что доступного марганца не хватает для питания растений.

Медь. Согласно существующим данным, природный запас меди в почве меняется в широких пределах. Природный запас меди в большинстве глинистых почв и почв с низким содержанием минеральных веществ обычно составляет 55. 130 килограммов на гектар. Медь не перемещается с почвенным раствором. Следовательно, она вымывается из почвы с большим трудом. Реакция почвенной среды (pH) сильно влияет на снабжение медью. Наиболее прочно медь удерживается почвой (является недоступной) при pH 7,0…8,0. Менее прочно медь удерживается при pH 6,0. Выветрившиеся и песчаные почвы с высоким содержанием органического вещества нередко характеризуются дефицитом меди.

Цинк. Запас цинка в природе в разных почвах неодинаков и очень невелик от 22 до 670 килограммов на гектар. Как правило, концентрация цинка намного выше на поверхности почвы, чем в подпочве. Основным фактором, влияющим на развитие цинковой недостаточности у растений является pH почвы. Результаты экспериментов показывают, что количество цинка, которое растения извлекают из почвы, после известкования кислых почв снижается. Фиксацию цинка в почве при увеличении pH обычно связывают с образованием нерастворимой гидроокиси цинка. При pH выше 7,0 проблемы, связанные с доступностью цинка, становятся весьма сложными.

Бор. Естественный запас бора в почвах варьирует от 22 до 225 килограммов на гектар в верхнем 15. 20 сантиметровом слое почвы. Из этого количества значительная часть находится в виде нерастворимого сложного минерала, называемого турмалином. Важно знать, что природный запас бора не является надёжным показателем доли бора, доступного для растений. Менее 5 % всего имеющегося бора может быть доступно для использования растениями. Почвы влажных районов, как правило, скудны по содержанию бора, потому что водорастворимые формы бора выносились с дренажной водой на протяжении многих лет. Бор, который остаётся, находится в форме нерастворимых минералов.

Концентрация бора выше в поверхностном пахотном слое почвы, чем в подпочве. Этот факт помогает понять, почему нехватка бора больше всего выражена в периоды сухой погоды. Ясно, что в периоды засухи корни растений вынуждены эксплуатировать нижние горизонты почвы, где содержание бора очень низкое.

Молибден. Природные запасы молибдена в почве очень невелики. Обычно они составляют меньше 7 килограммов на гектар в верхних 20 сантиметрах почвы. Доступность молибдена для растений максимальна при значении pH почвы, близком к нейтральному. В этом смысле молибден отличается от большинства других необходимых микроэлементов, которые более доступны для растений в кислых почвах.

Внесение извести в кислые почвы, как правило, увеличивает доступность молибдена. В природе общий запас молибдена в минеральных почвах очень незначителен. Подобно фосфору, молибден находится в связанном (недоступном) состоянии.

Крайне редко можно найти почву, в которой все эти элементы присутствуют в нужном количестве и в доступном состоянии. Например, в кислых минеральных почвах обычно имеется избыток доступного железа; в дерново-подзолистых почвах много марганца; солонцы, солонцеватые и засолённые часто имеют повышенное содержание бора; в почвах не слишком удалённых от морских побережий, много хлора.

Однако в подавляющем большинстве почв элементов питания не хватает для формирования хорошего урожая. Чтобы низкое плодородие почвы не лимитировало урожай, в большинство почв требуется регулярно вносить от 6 до 8 макроэлементов. Из микроэлементов почти повсеместно требуется внесение бора, а на кислых почвах – также молибдена. Сера чаще всего вносится в виде сопутствующего элемента с магнием и кальцием, если они даются в виде сульфатов, или в составе простого суперфосфата, в котором много сульфата кальция.

Источник