Химический состав почв формы соединений

Mse-Online.Ru

Химический состав почв

Химический состав почвы является отражением элементарного состава всех геосфер, принимающих участие в формировании поч­вы. Поэтому в состав всякой почвы входят те элементы, которые распространены или встречаются как в литосфере, так и в гидро-, атмо- и биосфере.

В состав почв входят почти все элементы периодической систе­мы Менделеева. Однако подавляющее их большинство встречает­ся в почвах в очень малых количествах, поэтому в практике при­ходится иметь дело всего с 15 элементами. К ним при­надлежат прежде всего четыре элемента органогена, т. е. С, N, О и Н, как входящие в состав органических веществ, затем из неме­таллов S, Р, Si и С1, а из металлов Na, К, Са, Mg, AI, Fe и Мn.

Перечисленные 15 элементов, составляя основу химического со­става литосферы в целом, в то же время входят в зольную часть растительных и животных остатков, которая, в свою очередь, образуется за счет элементов, рассеянных в массе почвы. Количе­ственное содержание в почве этих элементов различно: на первое место надо поставить О и Si, на второе — А1 и Fe, на третье — Са и Mg, а затем — К и все остальные.

Нормальный рост растений обусловлен содержанием в почве доступных форм зольных элементов и азота. Обычно растения усваивают из почвы N, Р, К, S, Са, Mg, Fe, Na, Si в достаточно больших количествах и эти элементы называются макроэлемента­ми, а В, Mn, Mo, Сu, Zn, Со, F используются в ничтожных коли­чествах и называются микроэлементами. К важнейшим из них относятся элементы, без которых невозможно образование бел­ков,— N, Р, S, Fe, Mg; такие элементы, как К, Сu, Mg, Na, оказывают огромное влияние на регуляцию работы клеток и форми­рование различных тканей растений.

Элементы питания, содержащиеся в почвах, находятся в различных минеральных и органических соединениях, и запасы их обычно значительно превышают ежегодную потребность. Одна­ко большая часть их находится в форме, не доступной для расте­ний: азот — в органическом веществе, фосфор — в фосфатах, же­лезо, алюминий, кальций, калий — в поглощенном состоянии, кальций и магний — в форме карбонатов, т. е. в не растворимой в воде форме. Процесс усвоения растениями элементов питания происходит благодаря обменному поглощению. Формы соединений и биологическое значение химических элементов различны. Эле­менты входят в состав почв в форме различных химических со­единений, характеризующих тип почвы, и имеют разное биологи­ческое значение.

Кислород в свободном состоянии находится в почвенном воз­духе, а в связанном входит в состав воды, окислов, гидратов, кис­лородных кислот и их солей. Он имеет важное значение, как эле­мент, необходимый для дыхания растений и животных, и как эле­мент-органоген.

Кремний входит в состав силикатов, т. е. солей кремниевых, алюмокремниевых и феррокремниевых кислот, а также встречает­ся в виде кремнезема, как кристаллического (кварц), так и аморфного. Биологическое значение кремния не выяснено, но он всегда содержится в золе растений (в особенности камыша и тростника) и, по-видимому, необходим для образования клеток и тканей более твердых частей организмов.

Алюминий входит в состав алюмосиликатов, глинозема и ги­дратов глинозема. Биологического значения он не имеет.

Железо входит в состав ферросиликатов и других солей, как окисных, так и закисных, а также в состав гидратов железа. Био­логическое значение его велико: с ним связано образование хло­рофилла в зеленых растениях.

Кальций встречается преимущественно в виде солей разных кислот, чаще всего угольной. Он очень важен для растений, так как входит в состав стеблей, и обычно находится в раститель­ных клетках в виде кристаллов щавелевокислого кальция.

Магний, как и кальций, встречается в виде аналогичных со­единений. Он важен для растений, так как входит в состав хлоро­филла.

Натрий и калий входят в состав солей различных кислот, при­чем натрий биологического значения не имеет, тогда как калий является одним из основных элементов питания растений и, в частности, играет большую роль в крахмалообразовании.

Фосфор входит в состав почвы в виде фосфатов и в виде раз­личных органических соединений. Он содержится в ядре расти­тельных клеток. Известно, что недостаток в почве фосфора отра­жается на качестве зерна. Он является одним из основных пита­тельных элементов и необходим для развития растений так же, как и азот.

Азот — исключительно важный для питания растений, элемент- органоген, входящий в состав молекулы белков основы расти­тельной и животной клетки, Встречается в почве в форме различ­ных органических соединений, аммиачных солей и солей азотной и азотистой кислот.

Сера также входит в состав молекулы белков. В почвах встре­чается в форме сульфатов, сернистых солей, сероводорода и раз­личных органических соединений.

Водород важен для растений как органоген. Входит в состав воды, гидратов, разнообразных свободных кислот и их кислых солей.

Хлор биологического значения не имеет. В почве встречается в виде хлористых солей.

Углерод входит в состав растительных остатков и составляет в среднем 45 % их массы. Как основа всех органических соедине­ний он имеет исключительно большое значение. Встречается в поч­ве также и в форме минеральных соединений углекислого газа и солей угольной кислоты.

Марганец, как предполагают, играет роль катализатора. Опре­деленное биологическое значение имеют также и многие другие химические элементы, встречающиеся в почвах в очень малых ко­личествах (например, медь, цинк, фтор, бор и другие), так назы­ваемые микроэлементы. Некоторые из них используются в качест­ве минеральных удобрений. Однако наибольшее значение для пи­тания растений имеют соли калия, кальция, магния, железа и кислот — азотной, фосфорной, серной и угольной.

Для характеристики плодородия почвы наибольшее значение имеет содержание гумуса, азота, фосфора и калия. Определение содержания в почве тех или других химических элементов и форм их соединений является задачей химического анализа почв.

Содержание гумуса в верхнем горизонте почв разного типа колеблется в широких пределах, но для каждого типа и подтипа почвы оно является достаточно устойчивым и поэтому характер­ным показателем. Для остальных элементов, наряду с их валовым содержанием (которое свидетельствует о той или иной степени плодородия почвы), необходимо знать содержание их форм рас­тениями.

Валовое содержание в почвах азота и фосфора (в верхнем го­ризонте) обычно выражается в десятых долях процента, калия содержится до двух и более процентов. Содержание же их усвоя­емых форм не превышает тысячных долей процента и его принято выражать в миллиграммах на 100 г почвы.

Источник

2.2 Формы соединений химических веществ в почве

Химический состав почвы – важный фактор почвенного плодородия, поскольку многие элементы питания растений не входят в состав минеральных удобрений. В настоящее время к числу необходимых элементов питания растений относят 20 химических элементов (азот, фосфор, калий, углерод, сера, кальций, магний, натрий, железо, кислород, водород, хлор, медь, цинк, бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий). Еще 12 элементов считают условно необходимыми (кремний, алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан, стронций, кадмий, хром, селен). Каждый элемент выполняет определенные физиологические функции в растении. При недостатке или избытке какого-либо элемента растения хуже растут и развиваются.

Один и тот же элемент образует разные по растворимости и подвижности соединения, от которых зависят доступность их растениям, способность к миграции, реакция среды и др.

Химические элементы в почвах находятся в форме различных соединений, отличающихся строением, составом, степенью устойчивости к выветриванию, растворимостью и др. Выделяют следующие формы соединений химических элементов в почвах: первичные и вторичные минералы, органические вещества, органо-минеральные соединения, обменные (поглощенные) формы, почвенные растворы, газообразные формы в составе почвенного воздуха, живое вещество почв.

Первичные и вторичные минералы. В форме первичных и вторичных минералов находится преобладающая часть химических элементов в минеральных почвах, как по их числу, так и по массе: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калий, натрий, марганец, титан, хлор, частично фосфор и сера. Наблюдается приуроченность важнейших микроэлементов к минералам. Так, медь обнаруживается в составе авгита, апатита, биотита, полевых шпатов; цинк, кобальт и никель — в составе роговых обманок, биотита, магнетита; свинец — в авгите, апатите, мусковите, полевых шпатах. На основании данных по содержанию химических элементов можно получить приближенные сведения о минералогическом составе почв и почвообразующих пород.

Органическое вещество. Гумус и органические остатки состоят в основном из углерода (25-65 %), кислорода (30-50 %), азота (1-5 %), водорода (2-5 %). В составе молекул органических соедине­ний всегда присутствуют сера, фосфор, а также ряд металлов, в том числе и микроэлементов.

Органо-минеральные соединения. Эта форма представлена продуктами взаимодействия органических веществ с минеральной частью почв: простыми гетерополярными, комплексно-гетерополярными солями гумусовых кислот с ионами металлов и глиногумусовыми сорбционными комплексами.

Обменные ионы в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК). Обменные ионы составляют небольшую часть от общего содержания химических элементов в почвах. Их количество измеряется единицами и десятками мг-экв на 100 г почвы. Поскольку в почвах преобладают отрицательно заряженные коллоиды, то в поглощенном (обменном) состоянии преобладают катионы. Преобладающими в ППК и играющими большую роль в почвенных процессах и формировании физико-химических свойств почв являются катионы: Са 2+ , Мg 2+ , Н + , А1 3+ , Na + , К + , МН₄ + . Присутствуют также катионы Мn 2+ , Fе 2+ , Li + , Sr и др. В поглощенном состоянии могут находиться и анионы (SО₄ 2- , РО₄ 3- , N0 — ₃, и др.) на положительно заряженных участках коллоидной мицеллы.

Почвенный раствор. В почвенном растворе содержатся минеральные, органические и органоминеральные вещества в виде ионных, молекулярных и коллоидных форм. В них также присутствуют растворенные газы: СО₂, О₂ и др. Концентрация почвенного раствора обычно находится в пределах одного или нескольких граммов на литр.

Почвенный воздух. Состав почвенного воздуха аналогичен атмосферному. В нем содержатся О₂, N₂, СО₂, а также в небольших количествах метан, сероводород, аммиак, водород и др. В отличие от атмосферного, состав почвенного воздуха более динамичен как во времени, так и в пространстве.

Живое вещество. В состав живой фазы почв входят грибы, водоросли, бактерии, актиномицеты, мезо- и микрофауна. Основную массу живых организмов составляют: кислород (70 %), водород (10 %), азот, кальций (1-10 %); сера, фосфор, калий, кремний (0,1-1 %); железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01-0,1 %).

Для растений и микроорганизмов наиболее доступны те элементы. Которые находятся в почвенном растворе, в обменном состоянии и в составе легкоразлагаемого органического вещества. Водорастворимые вещества наиболее миграционноспособные.

Источник

Химический состав почв и почвообразующих пород

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. По химическому составу она существенно отличается от исходных почвообразующих пород. Главные особенности химического состава почвы – присутствие органических веществ и в их составе специфической группыгумусовых веществ, разнообразие форм соединений отдельных элементов и непосредственно состава во времени

Источник минеральных соединений почвы – горные породы, из которых слагается твёрдая оболочка земной коры – литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов, населяющих почву. Взаимодействие минеральных и органических веществ создаёт сложный комплекс органо-минеральных соединений почв.

В составе почв обнаружены все известные химические элементы. Содержание отдельных химических элементов в литосфере и почве колеблется в широких пределах (таблица 1).

Таблица 1 — Содержание (в весовых процентах) химических элементов в литосфере и почвах (А. П. Виноградов)

Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47.2%), более чем на четверть из кремния (27.6%), далее идут Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Восемь названных элементов составляют более 99% общей массы литосферы. Такие важнейшие для питания растений элементы, как C, N, S, P занимают десятые и сотые доли процента. Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором – кремний, затем алюминий, железо и т.д.

Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве связано с жизнедеятельностью организмов. В почве больше, чем в литосфере, кислорода, водорода (как элементов воды), кремния и меньше алюминия, железа, кальция, магния, натрия и др. элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования.

Процессы выветривания горных пород, переотложения их продуктов приводят к образованию рыхлых пород различного химического состава, покрывающих большую часть суши и являющихся главными почвообразующими породами. По содержанию щелочноземельных и щелочных оснований почвообразующие породы делятся на засоленные, карбонатные и выщелоченные.

Химический состав почвообразующей породы отражает, в известной мере, её гранулометрический и минералогический состав. Песчаные породы, богатые кварцем, состоят преимущественно из кремнезема. Чем тяжелее гранулометрический состав породы, тем больше в ней вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше полутораокисей алюминия, железа. Почвы наследуют геохимические черты исходного материала почвообразующих пород. На песчаных породах, богатых кварцем, почвы обогащены кремнеземом, на лессе — кальцием, на засоленных породах – солями и т. д.

Итак, в почве преобладают окись кремния (SiO₂) и органогенные элементы C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg. Последние являются источником питания растений и от их содержания зависит плодородие почвы. Особую роль в питании растений играет N, P и K. Азот в почве представлен нитратами, аммонийными солями, входит в состав почвенного воздуха и гумуса. Многие соединения азота подвижны, легко вымываются. Недостаток азота, а также фосфора и калия в почве компенсируют органическими и минеральными удобрениями.

Для нормального роста и развития растениям необходимы свет, тепло, вода, воздух и питательные вещества. Все эти условия жизни для растений равноценны и незаменимы. В почвах элементы питания растений находятся в составе минералов, органических и органо-минеральных соединений твердой фазы почв, в почвенных растворах (в основном в ионной форме) и в газовой фазе почв. В результате поглощения питательных элементов растения формируют корневые и надземные массы, которые используются людьми как продукты питания, корм для животных или как сырье для промышленности (клубни картофеля, зерно, лен и т. д.).

В почвах содержатся практически все элементы периодической системы д. И. Менделеева, но для питания растениям наиболее необходимы 19 элементов: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Мg, Fе, Мn, Сu, Zn, Мо, В, С1, Nа, Si, Со. Из них 16 элементов, кроме С, Н, О, относятся к минеральным. Углерод, водород и кислород поступают в растения преимущественно в виде СО₂, О₂ и Н₂О. Необходимость натрия, кремния и кобальта не для всех растений установлена.

Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Углерода содержится в среднем 45 % от сухой массы тканей растений, кислорода —42, водорода — 6,5, азота — 1,5 %. Их сумма составляет 95 %. Оставшиеся 5 % приходятся на зольные элементы: Р, S, К, Са, Мg, Fе, Si, Na и др. Они называются так потому, что преобладают в золе растений.

Химический состав золы является показателем валового количества усвоенных растениями из почвы зольных элементов питания. Их выражают в оксидах или в элементах по отношению к массе сухого вещества, или к массе золы в процентах.

Валовой химический состав растений значительно отличается от валового состава почвы вследствие избирательности растений к поглощению отдельных элементов для формирования урожая. В растениях всегда больше азота, фосфора и калия. В естественных биоценозах питательные элементы, усвоенные растениями и другими живыми организмами, снова возвращаются в почву после их отмирания и перегнивания, поэтому, как правило, обеднения почвы питательными элементами не происходит. Устанавливается их относительное природное равновесие, характерное для разных типов почв. На пахотных же землях после уборки урожая в почву возвращается только часть поглощенных растениями минеральных элементов. Кроме азота и зольных элементов, называемых в агрономической практике макроэлементами, в составе растений присутствуют микроэлементы, содержание которых составляет приблизительно 0,001 % сухой массы тканей (В, Сu, Со, Zn, Мо и др.). Они играют очень важную роль в обмене веществ растительного организма.

В агрономических целях для характеристики условий питания растений определяют валовое содержание элементов в почве, ближайший для растений резерв доступных элементов и количество непосредственно усвояемых элементов из почвы. Обеспеченность почв усвояемыми питательными элементами может быть выражена по отношению к разным сельскохозяйственным культурам в связи с тем, что они поглощают неодинаковое их количество. По этому признаку сельскохозяйственные культуры делят на три группы.

1. Культуры невысокого выноса питательных элементов (зерновые).

II. Культуры повышенного выноса (кормовые культуры, картофель).

III. Культуры большого выноса (овощные, некоторые технические культуры, чайный куст, цитрусовые, виноград).

Азот и зольные элементы растения поглощают преимущественно в виде ионов из почвенного раствора и твердой фазы почв (Са, К, А1, Fe, НРО₄, С1, SО₄ и др.). Питательные вещества растения извлекают избирательно из почвенного раствора физико-химической адсорбцией их на внешней поверхности корней или в результате контактного ионного обмена с твердой фазой почв.

Читайте также:  Выращивание дрожжей лабораторные стадии

Валовое количество азота в почвах составляет 0,1—0,5 % (от 2 до 10 т/га в пахотном слое 0—20 см). В почвообразующих породах азота почти нет. Почвенный азот находится в основном в составе органического вещества — гумуса (часть его процентного содержания). Этот азот растениям недоступен. Однако в течение теплого времени года часть гумуса (1—2 % его содержания) разлагается микроорганизмами и азот высвобождается в доступной для растений форме.

Основную роль в азотном питании растений играют минеральные формы азота: окисленная (NO₃ и восстановленная (NH₄). Минерального азота содержится в среднем от 50 кг/га в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв, до 100 кг/га и более — в черноземах, что составляет 0,5—1 % валового количества азота в почвах. За вегетационный период растениями усваивается около 40 % минерального азота.

Аммонийный азот образуется в почвах в результате жизнедеятельности аммонифицирующих гетеротрофных микроорганизмов, превращающих органический азот растительных и животных остатков, а также азот гумуса в NH_4.

Образование нитратного азота в почвах обязано биологическому окислению NH₃ (NН₄) до NO₃ в результате микробиологического процесса нитрификации, осуществляемого двумя группами автотрофных бактерий. Бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты, а — азотистую кислоту до азотной.

В лесных почвах процесс нитрификации подавлен; в них преобладает аммонийный азот. При распашке лесных почв процесс нитрификации активизируется, количество нитратного азота в пахотных почвах, как правило, преобладает над аммонийным. Содержание нитратного азота в пахотных почвах зависит от типа почв, степени их окультуренности и состава глинных минералов. Наиболее полное представление о содержании минерального азота в почвах перед посевом дает сумма всех трех групп азота нитратного и аммонийного в слое 0—100 см в западных районах России, 0—60 см — в восточных районах европейской части России и 0—40 см — в Средней Сибири, так как в слоях этой мощности наблюдается большей частью миграция нитратов в суглинистых почвах. Из этих слоев наиболее вероятно также усвоение минерального азота корнями растений.

Фосфор является «дефицитным» элементом, так как в мире запасы фосфатного сырья (апатитов и фосфоритов) для производства фосфорных удобрений невелики. Наряду с этим содержание валового фосфора (Р₂О₅) в почвах низкое — 0,05—0,25 % (от 1 до 5 т/га в пахотном слое 0—20 см). Основное его количество растениям труднодоступно, а фосфор удобрений сильнее, чем азот и калий, закрепляется почвами в неподвижные формы. Естественных путей возобновления запасов фосфора в отличие от азота в почвах нет.

Содержание разных форм соединений фосфора в почвах, их количество зависит от типа почв, минералогического и гранулометрического составов, содержания гумуса, изменяется по генетическим горизонтам и в динамике. Часть фосфора содержится в твердой фазе почв в адсорбированном состоянии, в почвенных растворах (0,1—0,3 мг/л) в виде фосфат-ионов (в основном Н₂PO₄) и которые входят в состав групп фосфатов, наиболее доступных растениям.

Валового калия (К в почвах больше, чем азота и фосфора, вместе взятых, — 1,5—2,5 % (30—50 т/га в пахотном слое), что зависит от минералогического, гранулометрического составов и содержания гумуса. Основное количество калия находится в трудно доступных для питания растения формах. Главным источником усвояемого калия служат обменно-поглощенные и водорастворимосолевые его формы. Обменный калий составляет 0,5—1,5 % валового. В почвенных растворах Нечерноземной зоны России содержится 30—40 мг/л калия (К₂О). Количество обменного калия изменяется по генетическим горизонтам почв. Растения усваивают 10—20 % калия от его обменных форм.

Микроэлементы (бор, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, йод и др.) играют важную биохимическую и физиологическую роль в жизни растений, а также животных и человека. Неблагоприятным является как недостаток микроэлементов в питании, так и их избыток.

Недостаток в кормах кобальта вызывает беломышечную болезнь у овец, недостаток йода в пище человека — заболевание щитовидной железы, цинка — кожные заболевания. Недостаток в почве подвижного бора приводит к сердцевинной гнили корнеплода сахарной свеклы, а у капусты — к рыхлости кочана, недостаток меди — к недоразвитию метелки у овса и пустозерности. Высокая концентрация в почве меди и низкая — цинка способствует заболеванию яблони розеточностью. Избыток в пище человека молибдена приводит к развитию подагры, бора в кормах — к пневмонии и нервным расстройствам овец, бора в почвах — к побурению листьев люцерны.

Известна приуроченность микроэлементов к первичным минералам: Со, Zn — к авгиту, биотиту, ильмениту, роговой обманке; Сu — к биотиту, апатиту, гранату, авгиту, полевым шпатам; В — к турмалину и т. д.

В географическом плане содержание микроэлементов в почвах и материнских породах европейской территории России в целом повышается в южном направлении от зоны подзолистых почв к каштановым. В Нечерноземной зоне отмечается повышение количеств меди, кобальта и марганца от центральных областей к Уралу.

В почве содержатся также токсичные для растений элементы: хлор, натрий, марганец, алюминий. Повышенное их содержание делает почву засоленной. В небольших количествах в почве представлены радиоактивные элементы, обуславливающие её природную и искусственную радиоактивность. Природная радиоактивность почвы зависит от содержания в ней урана, тория, радия и др. Искусственная радиоактивность вызвана использованием человеком атомной энергии, средств химической защиты и пр.

Контрольные вопросы:

1. Какие первичные минералы широко распространены в почвах?

2. Какие минералы называются вторичными и какова их роль в почвообразовании?

3. Что называется гранулометрическим составом?

4. Какое влияние оказывает гранулометрический состав на почвообразование?

5. Назовите принципы классификации почв по гранулометрическому составу.

6. В чём обнаруживается сходство и различие почв и пород по химическому составу?

7. Какие элементы преобладают в почвах?

8. Как влияет химический состав почв и пород на почвообразование?

9. Чем вызывается естественная и искусственная радиоактивность почв?

10. Назовите токсичные для растений элементы, содержащиеся в почве.

Источник