Изменение физико химических свойств почв

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

Реферат: Почвы, их происхождение, свойства и их роль в жизни

· Климат и почвообразование………………………. ………. .10

· Значение рельефа в почвообразовании……………………… 11

· Роль организмов в почвообразовании ………….…………….. 12

3. Химические и физические свойства почв……….…………..14

· Поглотительная способность почв …….………………. 14

· Водный режим и водный баланс почвы. …………………. 21

5. Тепловые свойства и тепловой режим почв….…………….24

9. Список использованной литературы……………………. 35

Выдающийся русский ученый В.В.Докучаев впервые дал следующее определение почвы: “Почвой следует называть ”дневные”, или наружные, горизонты горных пород (все равно каких ), естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых.”

Почва – элемент географического ландшафта. Первопричиной образования почв явились живые организмы (главным образом растения и микробы ), поселяющиеся в разрушенной выветриванием горной породе.

Происхождение почвы и ее свойства неразрывно связаны с условиями окружающей среды. Она отражает в своих свойствах исторический ход влияющих на нее природных условий, производительных сил и производственных отношений.

Почва таит в себе огромные резервы плодородия. Задача заключается в умелом использовании их, что возможно на основе углубленного познания процессов почвообразования и мелиоративного воздействия на почву.

Плодородие любой почвы может быть повышено при правильном ее использовании. Почвы разных участков могут обладать одинаковым химическим составом, но различным эффективным плодородием на данном отрезке времени из-за различия в водно-физических свойствах, биологических и производственных особенностях.

Различия в естественном, или природном, плодородие обуславливаются всем ходом почвообразования, а также составом (химический состав, органическое вещество, коллоиды, газы ), свойствами (физико-химические, биологические ) и строением почвы.

Современное почвоведение достигло такого уровня, при котором можно приступить не только к коренному улучшению почв, но и созданию новых вариантов почв с максимально высоким плодородием.

До начала Х1Х века почву изучали крайне недостаточно и науки о ней не было. Только в конце Х1Х учение о почве стало четкой, ясно очертанной дисциплиной, имеющей свои методику, теорию, задачи и перспективы. Почвоведение было впервые основано в нашей стране. Приоритет русской науки о почве признается во всех странах мира. Он обусловлен следующими причинами:

a) огромными пространствами нашей страны с разнообразными природными условиями почвообразования от полярных областей до субтропиков и возможностями улучшения природных почв от тундровых до красноземов включительно;

б) элементами диалективно- материалистической методологии, на базе которой

стихийно развивалось русское почвоведение с первых моментов его формирования.

Освоение ныне не используемых земель пустынь, болот и улучшение качества почв мало продуктивных сенокосов значительно увеличит площадь сельскохозяйственных угодий и пахотных земель.

Факторы и условия почвообразования.

“Почвообразующей (материнской ) породой называется всякая горная порода, на минеральной основе которой возникает и развивается почва. Между почвой и почвообразующей породой происходит постоянный обмен энергией (особенно тепловой ), газами парами воды и растворами.

Почвообразующими породами могут быть продукты выветривания массивнокристаллических и осадочных пород. Этими породами чаще всего являются продукты выветривания осадочных пород. Однако наиболее древние осадочные горные породы обычно прикрыты новейшими четвертичными отложениями. Залегая непосредственно на поверхности земли, они служат основными материнскими породами.

Наиболее распространенными материнскими породами являются континентальные четвертичные отложения: древние и современные ледниковые образования (морена ), лесс и лессовидные породы, аллювий, делювий, элювий и др. (см. рисунок «Схематическая карта распространения ледниковых отложений четвертичного периода »). Древняя морена представляет несортированные неоднородные, преимущественно глинистые валунные отложения мощностью иногда до 50-60 м и более. Различают основную, донную, боковую и конечную морену.

В древних озерных котловинах и впадинах распространены ледниково-озерные отложения, образовавшиеся на дне ледниковых озер из взмученного материала ледниковых вод. Эти отложения представляют супеси и ленточные глины с выраженной слоистостью, обусловленной чередованием тонких темных глинистых прослоек с более светлыми песчаными слоями.

Все названные древние четвертичные отложения не везде являются непосредственными материнскими породами, так как они чаще лежат под современными генетическими типами геологических отложений, как элювий, делювий и аллювий.

Элювий (от латинского eluo- вымываю ). Элювием называют континентальные геологические образования, возникшие в результате сильного изменения и разрушения горных пород на месте их первичного залегания. К элювию относят продукты выветривания горных пород, сохраняющие реликтовые структурные и петрографические признаки, генетическую связь и непрерывность последовательности перехода к исходным породам.

На поверхности Земли нет горных пород, так или иначе не измененных и не затронутых элювиальным процессом – совокупностью многообразных явлений денудации, выветривания и почвообразования. Однако малозаметные изменения горной породы не делают ее элювием. Элювиальный процесс протекает, и элювий в основном формируется непосредственно в поверхностных горизонтах Земли. Наибольшее значение в распространении имеет наземный элювий, в формировании которого участвует почвообразование.

При резкой смене физико-географических условий элювий часто перекрывается сверху позднейшими наносами, т.е. оказывается погребенным (ископаемым ), сохраняя свои генетические признаки. Погребенный элювий наземного происхождения легко распознается по ископаемым почвам или по сохранившимся прямым и косвенным признакам почвообразования (генетические горизонты почвы, включения, новообразования и т.д. ). Однако в элювии древнейших эпох признаки почвообразования сглаживаются и даже исчезают.

Характер элювия сильно зависит от той природы, на которой он возникает. Так элювий равнин, образовавшийся на плотных массивно-кристаллических породах, резко отличается от элювия, сформированного на рыхлых осадочных породах. Верхний слой элювия на плотных породах состоит из рыхлых продуктов разрушения плотной породы, часто измененной выветриванием и почвообразованием до неузнаваемости, представляет собой землистую массу без малейших признаков массивно-кристаллических пород. На глубине нескольких метров эта массивно-кристаллическая масса залегает в мало измененном, а еще ниже практически в неизменном виде.

Иной характер имеет элювий, возникший на рыхлой, осадочной породе. Вследствие большой воздухо- и водопроницаемости эта порода разрушается значительно быстрее и на большую глубину. Водные растворы проникают в нее вплоть до первого водоносного горизонта, залегающего иногда на глубине десятков метров. В связи с этим формируется наиболее мощный элювий, притом чем рыхлее осадочная горная порода, тем большей мощности он достигает. Наиболее интенсивное образование элювия приурочено к корнеобитаемой зоне.

Элювий так многообразен, как разнообразны горные породы, на которых он образован.

Элювий имеет ясно выраженные черты зональности. В засушливых условиях он щелочной, а в относительно влажных кислый. В кислой среде протекает глееобразование или _же латеритообразование. В щелочной среде возникает карбонатный элювий типа мергелей, лесса, лессовидных пород, засоленных грунтов и т. д. Нередко в верхних горизонтах элювий кислый, так как вода здесь обогащена углекислым газом, а книзу происходит нейтрализация углекислоты и нарастает щелочная реакция. В холодном климате наблюдается выраженное оглеение и ожелезнение – формирование мощных сизо-серых, вязких, глиноподобных масс и болотных охристо-желтых образований. В умеренном климате накапливаются красно- и желто-бурые глины и суглинки, а в условиях континентально-умеренного пояса при некоторой засушливости образуется карбонатный палево-желтый лессовидный элювий, иногда гипсоносный и обогащенный легкорастворимыми солями. Соли местами имеют тенденцию к накоплению в поверхностных горизонтах элювиальных толщ. Во влажном климате, наоборот, растворимые соли выщелачиваются и накапливается кремнезем.

В субтропиках с теплым и влажным климатом наблюдается сильное выщелачивание элювиальных толщ. Возникший в подобных условиях , близких к современным, элювий содержит очень много полуторных окислов. Окиси железа в таком элювии в несколько раз больше, чем в исходной породе. Во влажных тропиках элювий лишается щелочных и щелочноземельных оснований, а также SiO₂ . Здесь накапливается Al₂ O₃ c Fe₂ O₃ и формируются красноцветные латерито- и бокситоподобные породы.

Элювиальный процесс протекает на всех элементах рельефа и захватывает все геологические отложения, не исключая новейших делювиальных, аллювиальных, эоловых, ледниковых и морских. В последних случаях образование элювия сводится к минимуму, так как оно подавляется другими преобладающими геологическими процессами и маскируется, исчезая подобно постоянно и повсеместно оседающей эоловой пыли, тонущей, как правило, в массе других отложений.

Делювий (от латинского deluo – смываю ) – генетический тип континентальных отложений, образующихся на склонах в результате смыва и отложения разрушенных выветриванием горных пород.

Делювиальные отложения – это разнообразные по цвету и механическому составу, обычно пористые, образования, обязанные происхождением деятельности переменных по силе, мощности времени действия струйчатых водных потоков, которые не имеют определенных русл, а развиваются на склонах и производят смыв и отложение осадков на склонной поверхности.

Делювий надо рассматривать как производное от ряда факторов: а) климатических (зональных ) условий; б) горных пород; в) формы и величины склона; г) водосборной площадки склона; д) почвообразования и развития растительности.

Вниз по склону механический состав делювия последовательно меняется от более крупнозернистого к мелкозернистому; то же наблюдается и в вертикальном направлении – внизу делювиального чехла залегают более крупные осадки, вверху – более тонкие. Последнее связано с выравниванием ( выполаживанием ) склона и затуханием потоков.

Часто в разрезе делювиальной толщи наблюдаются ископаемые почвы, в большинстве случаев к перерывам в интенсивности отложения делювия. Ископаемые почвы делят всю толщу делювия на горизонты различного возраста. При этом делювий таких горизонтов часто различен по механическому и литологическому составу в зависимости от изменения факторов делювиообразования.

Делювий выпуклых склонов в отличии от вогнутых и прямых характеризуется несколько более легким механическим составом. Делювий длинных пологих склонов имеет более тяжелый механический состав, нежели делювий крутых коротких склонов. Различия в экспозиции склонов сказываются на химическом составе делювия: делювий южных склонов относительно менее промыт, более богат солями, особенно карбонатами. По разрезам делювиальной толщи восстанавливаются древний ископаемый рельеф и бывшее положение базисов эрозии и денудации.

В связи с выполаживанием склона и по мере приближения наклонной поверхности его горизонтальной постепенно затухает делювиальный процесс и преобладает элювиальный.

По механическому составу делювий в основной массе представлен в большинстве случаев средними суглинками. Мощный песчаный делювий на широких склонах при относительно малом стоке воды не возникает, так как выпадающие осадки успевают фильтроваться в песчаные породы, не стекая по поверхности склона. Там, где идет разрушение твердых пород, в делювий поступает крупнообмолочный материал в виде брекчии и щебня, часто слагающего целые горизонты в основании делювиальных толщ.

Исследование делювиальных отложений склонов показало, что главная масса делювия возникла со времени образования глубоких долин древней гидрографической сети. Верхние горизонты делювиальных толщ местами завершаются новейшим делювием, достигающим иногда мощности в несколько метров, сильно окрашенным перегноем. Возникновение окрашенных перегноем толщ новейшего делювия, как и образование аллювиально – делювиальных темно – серых осадков молодых речных террас, по времени необходимо связывать с началом земледельческой культуры.

Таблица: «Классификация почвообразующих рыхлых осадочных пород »

Источник