Минеральный слой лесной почвы
Лес и почва
Взаимодействие между лесом и почвой проявляется в изменении лесом свойств почвы и во влиянии почвы на рост леса. Древесные породы менее требовательны к минеральным веществам почвы, чем травянистая растительность. Так, сосновый лес извлекает в год 1 га 16 кг золы, 1 кг окиси калия и 0,5 кг фосфорной кислоты. Луговая же растительность извлекает в год с 1 га 328 кг золы, 82 кг окиси калия и 31 кг фосфорной кислоты. В первые годы роста древесные породы особенно нуждаются в зольных элементах, поэтому применение удобрений в лесных питомниках весьма полезно для ускорения роста посадочного материала.
По мере роста леса почва обогащается лесной подстилкой. Мелкие отмирающие части деревьев (листва, хвоя, ветви и пр.), из года в год увеличивающие слой лесной подстилки, содержат значительно больше зольных веществ, нежели стволовая древесина. Так, в хвое сосны содержится в 9 раз больше фосфорной кислоты и в 3 раза больше калия, чем в древесине. Если принять за единицу количество калия в годичном приросте древесины соснового леса, то пшеничное поле будет содержать в годичном приросте растений 4, луг 10, картофельное поле 15 единиц калия. При этом с сельскохозяйственных площадей весь калий уносится вместе с урожаем, между ем как зольные вещества и азот, потребляемые лесом из глубоких слоев почвы и грунта, откладываются в верхнем слое почвы в виде лесной подстилки, Разлагаясь, лесная подстилка увеличивает плодородие лесных почв.
Наименьшее количество золы содержат хвойные породы (1,3%) и наибольшее — лиственные породы, в особенности разводимые в степях.
Древесные породы по количеству отлагающейся в их древесине золы могут быть расположены в следующем убывающем ряду: белая акация, ильмовые, ясень, бук, дуб, чёрная ольха, ель, берёза, лиственница, сосна обыкновенная.
Количество золы в годичном приросте насаждения на одном гектаре выражает потребность древесных пород в зольных веществах. При этом некоторые породы с высокой усвояющей способностью корневой системы (например, белая акация) могут извлекать из почв с малым количеством зольных веществ необходимые для них большие количества зольных веществ. По этой требовательности к зольным веществам почвы древесные породы могут быть расположены в убывающий ряд: ильмовые, ясень, клён, бук, граб, дуб, чёрная ольха, осина, ель, лиственница, берёза, белая акация, сосна обыкновенная. Таким образом, белая акация, хотя она и обладает большою потребностью в зольных веществах, но вследствие значительной усвояющей способности своей корневой системы, малотребовательна к составу почвы. Обыкновенная сосна, находясь в конце обоих рядов, отличается одинаково малой потребностью в зольных веществах и малой требовательностью к зольным веществам почвы. Способность древесных пород извлекать необходимые дли них значительные количества зольных веществ из почв, бедных этими веществами, называется требовательностью к зольным веществам почвы.
Рис. 56. Искривление стволов в 60-летнем буковом насаждении под влиянием ветров. Берег Балтийского моря
Древесные растения производят в год в несколько раз больше органического вещества, нежели травянистые, причём они извлекают из почвы во много раз меньшее количество зольных веществ. В лесу органические вещества, задерживая взмученные части в подстилке и уменьшая забивание пор в почве, усиливают просачивание воды в почву и повышают влагоёмкость почв. Вместе с тем органические вещества смягчают в лесу температурные колебания в почвах, что особенно важно в засушливой полосе и на песчаных почвах. В лесных почвах органические вещества представлены в виде мёртвой подстилки, а также в виде перегноя, или гумуса. Перегной лесной почвы, или лесной гумус, является продуктом разложения микроорганизмами органических веществ. Лесной перегной встречается в виде кислого гумуса, называемого обычно грубым, и нейтрального гумуса, называемого мягким.
Кислый, или грубый, гумус характеризуется плотною слоистостью (пружинит под ногою) и наличием грибов с ясно выраженным мицелием, он содержит значительное количество углерода и имеет кислую реакцию. Кислый гумус распространён в густых хвойных лесах, где он обусловливает подзолообразовательный процесс и сравнительно малую водопроницаемость почв, вызывающую нередко их заболачивание. Кислый гумус может быть использован как ценное азотистое удобрение, для чего он перемешивается рыхлящими орудиями с минеральным слоем почвы сплошь или частично, полосами или площадками. Для устранения кислого, или грубого, гумуса желательно выращивание смешанных хвойно-лиственных насаждений с лиственным подлеском, осветление почвы прореживанием леса. В особо ценных насаждениях, если позволяют экономические условия, применимо известкование почвы, благодаря чему усиливается просачивание воды в почву и способность её сохранять теплоту. К богатым известью почвам приурочены лиственница, ясень, липа, а также бук.
Нейтральный, или мягкий, гумус характеризуется рыхлым, зернистым сложением (легко продавливается ногами), присутствием червей, энергично обрабатывающих гумус, обилием бактерий, значительным количеством азота. Нейтральный гумус распространён в лиственных и смешанных лиственно-хвойных лесах, где этот гумус обусловливает высокую продуктивность насаждений и значительную водопроницаемость, порозность и прогреваемость почв. Поэтому нейтральный, или мягкий, гумус весьма желателен в лесах сельскохозяйственного и водоохранного значения, где уход за лесом Должен быть направлен к увеличению количества гумуса. На бедных почвах накопление гумуса может быть достигнуто проведением несложных хозяйственных мероприятий: разбрасыванием хвороста, остающегося при рубках, культурой древесных и травянистых растений-азотособирателей (акация жёлтая и белая, ольха, ракитник, люпин и др.). В питомниках и очень ценных насаждениях для накопления гумуса вносят азотистые удобрения.
Влияние леса на почву проявляется в развитии процессов почвообразования, протекающих в связи с составом насаждений. В таёжной полосе, в еловых и сосновых лесах происходит оподзоливание почв. Лесная подстилка, образуемая чистыми ельниками, отличается значительной толщиной и плотностью, с трудом разлагается, образуя плотный гумус. Почвы под ельниками получают малое количество атмосферных осадков, плохо прогреваются и сильно уплотняются. Органические кислоты разлагают часть почвы, приобретающую характерный для подзола белесый цвет 1 . Такое оподзоливание почв под хвойными лесами имеет различное выражение в зависимости от условий климата и материнской породы.
1 ( Примером подзолообразующей роли ельников является специальный опыт акад. В. Р. Вильямса, который в 1904 г. заложил в Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева два лизиметра с одинаковой почвообразующей породой (валунный красный суглинок) глубиною в 1 м. Один лизиметр был засажен ёлочками, а другой зарос травой. Оба лизиметра были вскрыты в 1938 г. Оказалось, что под травянистым покровом минеральная порода окрасилась в темно-бурый цвет на глубину в 6 см, а гумуса накопилось 4%. Под ельником же образовался плотный войлок лесной подстилки до 6 см, минеральная порода приобрела белесый оттенок на 5 см, белесые же потёки подзола простирались на глубину до 15 см, а гумуса оказалось всего лишь 0,9%)
В полосе хвойных лесов и в полосе смешанных хвойно-лиственных лесов берёза улучшает почву, обогащая её основаниями и образуя нейтральный, или мягкий, гумус своей листвой, содержащей большое количество кальция. Теми же свойствами и даже ещё большими, благодаря клубенькам-азотособирателям на корнях, обладает белая акация. На юге почвоулучшающее значение имеют ильмовые породы, граб, бук и многие кустарники.
В лесостепной полосе дуб вызывает сильную деградацию чернозёма, заключающуюся в уменьшении количества гумуса в верхних частях почвенного слоя, в накоплении его в нижних частях почвенного слоя и придании почве характерной ореховатой структуры. В связи с этим в дубравах увеличивается проницаемость почв для воды, воздуха и тепла, что усиливает защитные свойства дубовых насаждений.
На песчаных почвах накопителем гумуса является сосна, что обусловливает широкое разведение её на бедных песчаных почвах и летучих песках, которые сосна делает пригодными для сельскохозяйственных культур. Ценной почвоувлажняющей породой является лиственница. Почва под лиственницей значительно рыхлее, нежели под сосною, благодаря глубоко идущей и хорошо разветвлённой корневой системе. В лиственничных насаждениях, теряющих на зиму хвою, зимние осадки почти полностью достигают почвы, что способствует переводу азота, окиси калия и фосфорной кислоты лесной подстилки в легко растворимые соединения.
Благоприятное влияние леса на почву в целом заключается в извлечении зольных веществ и азота из глубоких слоев почвы и в переносе этих веществ путём отложения лесной подстилки в верхнюю часть почвы, где эти питательные вещества могут быть использованы культурными травянистыми растениями. Поэтому при временном использовании свежих вырубок, например, из-под дуба, под сельскохозяйственные культуры получается больший урожай, чем на полевых землях. Временное сельскохозяйственное пользование на вырубках и в междурядьях лесных посадок ещё мало изучено, но оно имеет большое значение для расширения кормовой площади и поддержания лесной почвы в культурном состоянии.
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