Минеральная часть почвы как источник элементов питания растений

Особенности почвы как субстрата, питающего растение

В естественных условиях минеральное питание осуществляется значительно сложнее, чем в искусственных. В почве встречается большое разнообразие соединений различных элементов, вступающих во взаимодействие друг с другом. В почвенном растворе содержится мизерная часть элементов минерального питания растений. Большая часть их адсорбирована коллоидными составными частями почвы. Много питательных веществ содержится в почве в виде минералов или органических веществ, растворимых в воде.

Растения, выращиваемые в водной вытяжке из почвы, плохо растут и развиваются. Это свидетельствует о бедности, почвенного раствора элементами минерального питания. Следовательно, растение должно обладать способностью использовать адсорбированные и даже нерастворимые минеральные вещества.

Почва состоит из твердой фазы (неорганические и органические вещества), почвенного раствора и газовой фазы (О₂, СО₂, N). Питательные вещества для растений содержатся в почве в четырех формах: растворенные в воде (почвенный раствор), доступные растениям, но легко вымываемые; адсорбированные на поверхности коллоидов, невымываемые, но доступные для растений при ионном обмене; выделяемые растением ионы (например, Н + ); труднодоступные для растений неорганические соли (сульфаты, фосфаты, карбонаты).

Адсорбирование и прочное удерживание растворимых веществ почвой называется ее поглощающей способностью, а коллоидная часть почвы, которая обусловливает эту способность, — почвенным поглощающим комплексом. Поглощение почвой различных веществ (особенно катионов) изучал советский ученый К. К. Гедройц. Он установил, что почвенные коллоиды всегда насыщены теми или иными катионами, которые способны обмениваться в эквивалентных отношениях на другие катионы, содержащиеся в растворе. Эти катионы были названы поглощенными, или обменными, а общее их количество, выраженное в миллиграмм-эквивалентных на 100 г почвы, — емкостью поглощения, или емкостью обмена. От состава обменных катионов зависят многие важные в производственном отношении физические и химические свойства почвы. Различают пять видов поглощения веществ почвой (К. К. Гедройц).

• Механическая поглощающая способность. Почва, как пористое тело, задерживает мелкие частицы, через нее профильтровываются грубые суспензии.
• Физическая поглощающая способность. На поверхности твердой фазы почвы и почвенного раствора создается поверхностное натяжение, которое вызывает повышение концентрации возле самой поверхности твердых частиц — адсорбцию (положительную). Наблюдается и отрицательная адсорбция (например, Cl — , NO₃ — ); такие ионы профильтровываются.
• Физико-химическая поглощающая способность. Часть элементов адсорбируется на поверхности почвенных частиц или раствора, а остальные вступают в обменные химические реакции с почвенными частицами. Она имеет существенное значение в создании плодородия почвы, а также в питании растений.
• Химическая поглощающая способность. Вещество, которое вносят в почву, образует нерастворимые соединения. Происходят их глубокие химические превращения. Например, при внесении фосфорных солей в почву, содержащую большое количество кальция, образуется труднорастворимое в воде соединение — Са₃(РО₄)₂.
• Биологическая поглощающая способность. В результате жизнедеятельности бактерий, грибов и других микроорганизмов происходит поглощение элементов минерального питания.

На основании учения о почвенном поглощающем комплексе К. К. Гедройц сводил процессы почвообразования главным образом к химическим явлениям, недостаточно учитывая роль растительности в этих процессах.

Рис. 51. Корешки проростков горчицы: 1 — выращенные во влажном воздухе; 2 — выращенные в почве (на них образовался «футляр» вследствие контакта c почвой).

Поглощающая способность почв, особенно физико-химическая и физическая, имеет большое значение для минерального питания растений. В почве происходит закрепление вносимых удобрений — калийных, фосфорных, аммиачных. Они не вымываются, легкодоступны для растений, препятствуют повышению концентрации почвенного раствора. Весь процесс поглощения солей из почвы корнями растений в значительной мере сводится к обменным реакциям между корневыми клетками и почвенным поглощающим комплексом с помощью почвенного раствора. При контакте с почвой корни растений способны растворять почти нерастворимые минералы (рис.51).

Если в сосуд с почвой поместить мраморную отполированную пластинку под углом 45&deg и посеять семена растений, то на пластинке остаются следы корневой системы, которые хорошо видны невооруженным глазом. Труднорастворимые фосфаты — фосфориты при контакте с корневой системой растворяются.

В растворении различных соединений большую роль играют углекислый газ, выделяемый корневой системой растений в процессе дыхания, яблочная кислота, сахар и т. д. При питании растений растворению труднорастворимых соединений способствуют физиологически кислые соли, например (NH₄)₂SO₄. При внесении в почву физиологически кислых солей (сернокислого аммония) одновременно с нерастворимыми в воде фосфоритами фосфорная кислота из них освобождается и усваивается злаками; при использовании физиологически щелочной соли NaNO₃ фосфорит малодоступен для растений (Д. Н. Прянишников).

Большое значение в питании растений принадлежит гумусовым веществам почвы. Установлено, что в гумусе концентрируется в сотни и тысячи раз большее количество микроэлементов, чем в почве. В нем содержится много меди, цинка, стронция, селена, марганца, кобальта, никеля. Эти элементы, поступая в растение, повышают активность ферментов, катализируют биохимические процессы превращения органических веществ, биосинтез белков, витаминов, органических кислот и участвуют в процессе фотосинтеза растений. В гумусе также содержатся соединения из группы цикло парафинов и нафтеновые кислоты, стимулирующие рост и развитие растений.

В составе органической части почвы, кроме гумусовых соединений и микроэлементов, содержится еще и ряд биологически активных веществ: витамины В₆ и B₁₂) тиамин, рибофлавин, биотин, гетероауксин, гиббереллины, ферменты — продуценты почвенных микроорганизмов.

Гуминовые кислоты, поглощаемые корневой системой растений, повышают проницаемость клеточных мембран, в результате усиливается поступление в растение питательных и физиологически активных веществ из почвы.

Дополнительные материалы по теме:

Источник

57. Почва как источник минеральных элементов для растений.

Растения получают углерод и кислород преимущественно из воздуха, а остальные элементы из почвы. Питательные элементы — это химические элементы, которые необходимы растению и не могут быть заменены никакими другими. Питательные вещества — это соединения, в которых имеются эти элементы. Питательные элементы содержатся в почве в 4 формах: 1) прочно фиксированные и недоступные для растения (например, ионы калия и аммония в некоторых глинистых минералах, 2) труднорастворимые неорганические соли (сульфаты, фосфаты, карбонаты) и в такой форме недоступные для растения, 3) адсорбированные на поверхности коллоидов, доступные для растений благодаря ионному обмену на выделяемые растением ионы, 4) растворенные в воде и поэтому легко доступные для растений.

Ионы поступают в клетки ризодермы из почвенного раствора и благодаря контактному обмену Н+, НСО-3 и анионов органических кислот на ионы минеральных веществ почвенных частиц. Контактный обмен ионов клеточной стенки ризодермы с частицами почвы осуществляется без перехода ионов в почвенный раствор. Тесный контакт обеспечивается благодаря выделению слизи корневыми волосками и отсутствию у ризодермы кутикулы и других защитных покровов. Так как адсорбированные ионы находятся в постоянном колебательном движении и занимают определенный объем — сферу колебаний, при тесном контакте поверхностей сферы колебаний двух ближайших адсорбированных ионов могут перекрываться, в результате чего осуществляется ионный обмен.

Выделяя различные вещества (углекислый газ, аминокислоты, сахара и другие), корень растения изменяет состояние питательных веществ в прикорневой зоне непосредственно, например, путем выделения СО2 (СО2 + Н2О ® Н+ + НСО-3: повышение растворимости фосфатов и карбонатов) и косвенно, создавая благоприятные условия для ризосферы, которая играет большую роль в превращении почвенных минералов.

58. Реакция растений на водный дефицит. Растения испытывают водный дефицит, когда скорость транспирации пре­восходит скорость поглощения воды корневой системой. Такая ситуация воз­никает не только при засухе, но и в условиях почвенного засоления, а также при низких температурах. В двух последних случаях дегидратация является ком­понентом стрессов «неводной» природы и развивается в растениях, когда ко­личество воды в почве чаще всего не ограничено, однако эта вода недоступна для растения. Например, при почвенном засолении вода не поглощается корневой системой из-за высокого осмотического давления (низкого водного по­тенциала) почвенного раствора.

Снижение содержания воды в клетках при водном дефиците и сопутствую­щее обезвоживанию увеличение концентрации ионов в цитоплазме вызывают различного рода нарушения в структуре и функциях биополимеров, в частно­сти происходит денатурация белков и подавляется их ферментативная актив­ность, изменяется структура липидного бислоя мембран и нарушается их це­лостность. Деструктивные изменения в мембранах в свою очередь приводят к нарушению внутриклеточной компартментации веществ и подавлению электрогенеза. На клеточном уровне водный дефицит выражается в потере тургора. На уровне целого растения водный дефицит часто проявляется в обращении градиента водного потенциала в системе почва —корень — побег и ингибировании роста. Способность растения адекватно отвечать на водный дефицит и выживать в условиях водного дефицита зависит от эффективности защитных механизмов растения. Некоторые ответные реакции растения на водный дефи­цит могут наблюдаться уже через несколько секунд после начала действия стрес­сора. К ним относятся, например, изменения в фосфорилировании белков. Другие ответы требуют более длительного времени — от нескольких минут до нескольких часов, как в случае изменений в экспрессии генов.

В результате индукции механизмов устойчивости к водному дефициту рас­тение становится способным пережить действие стрессора. Развитие устойчи­вости может быть результатом индукции как механизмов избежания, так и механизмов резистентности.

Источник

Научная электронная библиотека

9. Минеральная часть почвы

Минералы (от лат. «mina» – шахта) – внутренние однородные твердые компоненты земной коры. Минеральная часть почвы составляет от 55–60 до 90–97 % ее объема. Все минералы почв и пород делятся на три группы.

1. Первичные минералы – минералы, образованные выделением из раствора, расплавленной массы или парообразного состояния, образующиеся при испарении морской воды (гипс, галлит, сильвин), при остывании лав (оливин, санидин, апортит), при возгонке по трещинам и в кратерах вулканов (сера, хлорид натрия), а также входящие в состав магматических пород. Первичные минералы составляют 90–98 % массы мелкозема песков, 50–80 — суглинков и 1–12 — глин (Вальков и др., 2006).

2. Вторичные глинистые минералы и окислы – образованы в результате биохимической и геохимической трансформации, выветривания и почвообразования из первичных минералов и продуктов их разрушения.

3. Растворимые минералы – соли, которые могут быть в почвенном растворе и в сухих условиях переходить в твердую фазу почвы.

Первичные минералы почв – основная группа веществ почв и пород выветривания, исходный материал для образования тонкодисперсных вторичных минералов. Они встречаются во всех породах в виде обломков (зерен) и в отдельном разобщенном состоянии. Их обломки приурочены к крупным песчаным и гравелистым фракциям, а индивидуальные минералы входят в состав тонкого песка и пыли.

Вторичные минералы – глинистые минералы, минералы оксидов железа, алюминия, марганца, простых солей.

Наиболее распространенные группы первичных минералов

Полевые шпаты (алюмосиликаты) широко распространены, устойчивы к выветриванию, составляют 60 % массы земной коры, в почвах – 10–15 %. Типичные представители: ортоклаз КАlSi3О8, альбит NaАlSi3О8, анортит СаАlSi2О8, плагиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.

Силикатов в литосфере около 20 %: оливин (Mg, Fе) SiО4. авгит Са(Mg,Fе)Si2О5, роговая обманка MgSiО3.

Кварц (SiО2) – наиболее распространенный минерал среди магматических пород, осадочных отложений и почв. Его преобладание снижает плодородие почв.

Слюды – 3 % от общего объема пород – источники питания растений калием. Типичные представители: мусковит КН2Аl3(SiО4)3.и биотит КН2(Mg,Fе) 3Аl3(SiО4)3

Апатит – прочный минерал изверженных пород, основной первоисточник фосфора (Р), в его составе Р, Са, F, Сl – 3Са3Р2О8 и Са (F, Сl) 2.

Преобразование первичных минералов сопровождается образованием растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, формированием вторичных минералов, поступлением в почвенные растворы простых солей.

Основные группы вторичных минералов

Глинистые минералы – основная часть вторичных минералов, определяют минералогический состав почв, обладают поглотительной способностью. Также как и гумус, они – источник поступления минеральных элементов в растения. Это вторичные алюмосиликаты с общей формулой n SiО2 Аl2О3•mН2О и характерным молярным отношением SiО2 к Аl2О3 в пределах 2:5.

Наиболее распространены минералы группы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешанослоистых минералов. Они имеют слоистое кристаллическое строение, высоко дисперсны, обладают поглотительной способностью, содержат химически связанную воду.

Монтмориллонит, бейделит, нонтронит – группа 3-хслойных минералов с набухающей решеткой. Их отличает высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и поллютантов. С гуминовыми кислотами (ГК) эти минералы образуют прочные темноокрашенные комплексы.

монтмориллонит (Аl, Mg)2 (ОН)2 [Si4О10]•mН2О;

бейделит (Ка, Na, Н3О) Аl2(ОН) 2 [АlSi3О10]•mН2О;

нонтронит Fе2 (ОН)2[Si8О10]•mН2О.

Для монтмориллонита характерно набухание с увеличением объема в 1,5–3 раза, с этим связаны такие свойства как жирность, липкость, вязкость, пластичность и гигроскопичность.

Вермикулиты (лат. Vermiciular – червеобразный) – магниевые алюмосиликаты, сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Вермикулит (Mg, Fе2+,Fе3+)3 (ОН) 2 [(Аl, Si) 4О10]•4Н2О. Цвет бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый, реже зеленоватый. Способны к набуханию, ЕКО около 100 мг-экв. Так его назвали, потому что при нагревании он увеличивается в объеме в 20–30 раз, его частички удлиняются, червеобразно изгибаются и скручиваются.

В группу каолинита входит сам каолинит (наиболее распространен), диккит, накрит: Аl2(ОН)4[Si2О5]. Их структура состоит из двухслойных пакетов, Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, сплошные массы белые. Он не набухает, доступ воды в межпактеное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Он не содержит щелочных и щелочноземельных оснований. Очень дисперсен, свободно мигрирует в суспензиях. Набухает слабо, у него невысокие плотность, липкость, связность и гидрофильность.

Галлуазит встречается в виде гелеподобных масс, белый, по свойствам близок к каолиниту, но более гидратирован, имеет расширяющуюся кристаллическую решетку.

Гидрослюды (иллит) – гидратированные формы слоистых минералов с морфологическим чешуйчатым строением. Но в отличие от монтмориллонита, связь между пакетами прочная и вода в них не проникает. Гидрослюды – важный источник калия. Они гидрофильны, липки, связны, набухают меньше монтмориллонита.

Гидробиотит (К, Н3О) (Mg Fе)3(ОН) 2[(Аl,Si) 4О10]•mН2О.

Гидромусковит (К, НзО)Аl (ОН)2 [(Аl,Si) 4О10]•mН2О.

Глауконит К(Fе3+ Аl, Fе2+, Mg) 2(ОН) 2 [Аl, Si3О10]•mН2О.

Хлориты – минералы близкие к слюдам. Кристаллическая решетка – из четырех слоев. Это смешаннослойные минералы с правильным чередованием слоев. Решетка их не набухает, стабильна.

Минералы гидроокисей и окисей кремния, алюминия, железа, марганца образуются в аморфной форме при выветривании первичных минералов. Гидроокись кремния SiО2 •mН2О по мере старения переходит в твердый гель опал с той же формулой и с содержанием воды 2–30 %, затем, теряя воду, в кристаллические формы халцедона и кварца SiО2. Гидроокись Mn кристаллизуется в виде пиролюзита МnО2, псиломелана mМnО и МnО2•mН2О.

Гидраты полутораокисей Аl2О3•mН2О, Fе2О3•mН2О кристаллизуясь, образуют вторичные минералы: бемит Аl2О3•Н2О, гидраргилит (гиббсит) Аl2О3•3Н2О или Аl (ОН)3 гематит Fе2О3, гетит Fе2О3•mН2О, гидрогетит Fе2О3 •m 3Н2О. Эти минералы обволакивают пленками агрегатное скопление глинистых минералов, встречаются в виде конкреций. Они не обладают поглотительной способностью, липкостью, не набухают (Вальков и др., 2006).

Цеолиты – щелочные и щелочноземельные алюмосиликаты. Они образуются в пресноводных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверхность они остаются в почве как унаследованные от породы.

Минералы простых солей образуются при выветривании первичных минералов. Кальцит СаСО3, магнезит MgСО3 , доломит [Са, Mg](СО3)2, сода Na2СО3•10Н2О, гипс СаSО4•2Н2О, мирабилит Na2SО4•10Н2О, галит NaС1, фосфаты, нитраты. Их качество и количество определяет степень засоления почв.

Твердая фаза почвы состоит из механических элементов различного происхождения.

Растворимые минералы – компоненты почвенного раствора. Формы соединений – истинно молекулярные и ионные растворы, ассоциации ионов и коллоидные золи. Важнейшие катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4,+ H+, Al3+, Fe2+. Среди анионов преобладают: HCO3-, CO32-, NO3-, NO2-, Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO42-.

Механические элементы – разнообразные по величине обломки минералов и горных пород, органические и органо-минеральные соединения. К ним не относят кристаллы льда и биоту.

Их почвы наследуют от породы, в процессе почвообразования они изменяются, так как в почве постоянно происходят следующие явления: дробление, растворение, гидролиз, осаждение, гумификация, перемещение тонких механических элементов вниз по профилю. В России принята классификация механических элементов почв, разработанная Н. А. Качинским (табл. 8).

Классификация механических элементов почв по размеру

Диаметр элементов, мм

Скелет почвы, камни

Скелет почвы, гравий

Мелкозем почвы: песок

Генетическое и экологическое значение скелетности почв

Скелетные (каменистые и щебнистые) почвы – свидетельство «молодости» развития почвенного покрова на территории, результата экзогенных процессов (эрозия, дефляция, оползни). Сухой и холодный климат, горный и пересеченный рельеф благоприятствуют развитию покрова со скелетными почвами. Галечниковый скелет морского и речного происхождения может иметь любой геологический возраст.

Скелетные почвы представлены зональными неполноразвитыми подтипами черноземов, серых и бурых лесных, коричневых почв, желтоземов.

Скелет почвы может быть различного происхождения: известняковый, мергелистый, гранитный, сланцевый, кварцитовый, галечниковый. Это придает почвам особую экологическую специфику. Рост доли скелета приводит к снижению мелкозема в почве, запасов питательных веществ и продуктивной влаги, в итоге – к истончению мощности корнеобитаемого слоя и снижению плодородия.

Генетическое и экологическое значение структуры почв Структура почвы – взаимное расположение структурных отдельностей (агрегатов) определенной формы и размеров. В значительной степени экологическая оценка почв определяется структурным состоянием, в первую очередь, количеством и качеством зернистой и мелкокомковатой структуры. Наличие подобных агрегатов – залог оптимальных условий развития корневых систем растений и существования почвообитающих животных. Аэробные микроорганизмы успешно развиваются в межагрегатной среде, анаэробные – в массе самих агрегатов.

Почвенные горизонты состоят из агрегатов, структурных отдельностей определенной формы и размеров. Структурные агрегаты сформированы из механических элементов фракций пыли и ила. Они удерживаются в сцепленном виде в результате коагуляции коллоидов, склеивания, слипания, остаточных валентностей и водородных связей, адсорбционных и капиллярных явлений в жидкой фазе, а также с помощью корневых тяжей, грибов и слизи микроорганизмов. Одним из основных качественных признаков почв является размер агрегатов

По размерам выделяют три группы:

• макроагрегаты, размер части более 10 мм,

• микроагрегаты (меньше 0,25).

В агрономическом смысле почва считается структурной, если комковато-зернистые водопрочные агрегаты размером от 10 до 0,25 мм составляют более 55 %. Их называют агрономически ценными. Они обладают водопрочностью, противостоят размывающему действию воды, обеспечивают оптимальный водно-воздушный режим почв.

Структурные почвы отличаются хорошей аэрацией (газообмен с атмосферным воздухом), быстро впитывают осадки, медленно испаряют влагу. Им свойственна высокая микробиологическая активность, они легко поддаются обработке.

При бесструктурном состоянии механические элементы почвы существуют раздельно или залегают в виде сплошной массы. У таких почв низкая водопроницаемость, воздухопроницаемость. Разрушение структуры почвы происходит под влиянием механического воздействия (машинная деградация, пастбищная нагрузка), изменения физико-химической обстановки (осолонцевание, содовое засоление).

Экологическое значение гранулометрического состава почв

Гранулометрический состав – относительное содержание в мелкоземе почвы твердых частиц (механических элементов, фракций) разной величины. В основу классификации почв по гранулометрическому составу положено соотношение физического песка (частицы размером крупнее 0,01 мм) и физической глины (менее 0,01 мм). Более детальное разделение фракций: песок (1–0,25 мм), пыль (0,25–0,001 мм), ил (меньше 0,001 мм).

Гранулометрический состав – важнейшая характеристика почвы. От нее зависят многие ее свойства и плодородие. Он оказывает существенное влияние на воздушные и тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, элементов питания. Размеры частиц отражают различия в свойствах гранулометрических фракций.

Песчаные и супесчаные почвы легко поддаются обработке и их называют легкими и одновременно «теплыми». Они быстрее оттаивают и прогреваются, в них механические элементы находятся в раздельно-частичном состоянии. Тяжелосуглинистые и глинистые почвы – тяжелыми и «холодными».

Песчаная фракция (1–0,25 мм) состоит из обломков разных горных пород и минералов, в ней преобладают кварц и полевые шпаты. Пески имеют высокую водопроницаемость, свободно фильтруют воду, не набухают, не пластичны. Эти свойства используют при заполнении выемок, канав, траншей, где недопустима усадка грунта.

Фракция крупной пыли (0,25–0,001 мм) по минералогическому составу мало отличается от песчаной, не пластична, слабо набухает.

Средняя пыль (0,01–0,005мм) содержит много слюды, которая придает ей пластичность и связанность. Средняя пыль дисперсная, лучше удерживает влагу, чем предыдущие фракции, слабо водопроницаема. Для частиц этой фракции характерна неспособность к коагуляции и структурообразованию. Почвы, в которых эта фракция преобладает, легко распыляются, склонны к уплотнению и образованию сплошной корки.

Тонкая пыль (0,005–0,001 мм) отличается высокой дисперсностью. Кусочки горной породы отсутствуют, характерно наличие минералов. Заметно резкое уменьшение кварца. Появляются свойства, не присущие крупным фракциям: способность к коагуляции и структурообразованию. Фракция может содержать органические вещества.

Ил (менее 0,001 мм) состоит преимущественно из глинистых минералов, гумусовых и органо-минеральных веществ. В нем содержатся питательные элементы. Илистые частицы обладают огромной поверхностной энергией. Илистая фракция – основной участник всех процессов, происходящих в почве, ее называют плазмой почвы. В ней сосредоточены почти весь гумус, азот, фосфор.

Источник