Уровни структурной организации почв

Иерархические уровни структурной организации почвы

Концептуальные подходы в почвоведении

Конкретизацией диалектико-материалистической методологии явилась разработка системного подхода и его применения в почвоведении. Современное генетическое почвоведение исходит из понятия о почве как об очень сложной системе, т. е. о системе с бесконечно большим разнообразием внутренних и внешних функциональных связей, имеющих очень сложную многоуровневую структурную организацию.

Долгое время в науке о почве и особенно в практике земледелия господствовало представление о том, что, воздействуя на какой-то единичный фактор, можно управлять процессами почвенного плодородия. Сейчас такой подход признается принципиально недопустимым, так как он не применим к очень сложным системам, «которые не допускают изменения только одного фактора за один раз, ибо эти системы столь динамичны и внутренне связаны, что изменение одного фактора служит непосредственной причиной изменения других, иногда очень многих факторов» (У. Р. Эшби, 1959).

На базе нового системного подхода было сформулировано представление об иерархических уровнях структурной организации почвы, имеющее важное методологическое и методическое значение. Было показано, что при исследовании почвы как природного тела необходимо различать, иерархическую серию последовательных уровней ее структурной организации, каждый из которых требует специфических методов и подходов исследования, контроля и управления

Наиболее низким, имеющим значение для почвы как целого, структурно-организационным уровнем является атомарный, с которым имеет дело исследователь при изучении естественной и искусственной радиоактивности почв. Материальными элементами этого уровня служат радиоактивные изотопы, присутствующие в почве или внесенные в нее.

В качестве следующего уровня структурной организации почвы выделяется кристалломолскулярный, или молекулярно-ионный, в качестве элементов которого выступают молекулы и ионы в почвенном растворе и воздухе, а также на поверхности твердых почвенных частиц

Третий уровень структурной организации почвы — уровень элементарных почвенных частиц. Элементами этого уровня служат так называемые «элементарные почвенные частицы», выделяемые из почвы при гранулометрическом анализе в виде фракций разного размера. Группа этих частиц весьма неоднородна и включает как чистые мономинеральные зерна, так и полиминеральные образования, органоминеральные комплексы, органические глобулы разного состава и происхождения.

Агрегатное состояние почв, почвенные агрегаты — четвертый структурный уровень организации почвы, включающий микро- и макроагрегаты, ее структурные отдельности. В понятие почвенных агрегатов включаются и специфические почвенные новообразования: конкреции, стяжения, натеки, пленки, ортштейны, новообразования солей, гипса, извести, не образующие сплошных горизонтов, плит, панцирей, а встречающиеся изолированно в почвенной массе.

Следующий, пятый структурный уровень в почве обнаруживается при переходе от почвенного агрегата к горизонту Благодаря трудам В. В. Докучаева понятие о почвенном горизонте прочно вошло в науку и является фундаментальным в почвоведении, поскольку все свойства и параметры почвы приурочены в своих различных количественных проявлениях именно к определенным генетическим горизонтам в пределах почвенного профиля.

Закономерные сочетания отдельных почвенных горизонтов дают почвенный профиль (почвенный индивидуум) или собственно почву как особое природное тело. Но поскольку это именно сочетание, живое и неразрывное, только в таком сочетании и проявляющее свою специфику единого целого, а не просто арифметическая сумма горизонтов, это и составляет новый структурный уровень почвенной организации

Дальнейший анализ показывает, что разные почвы в природе постепенно сменяют друг друга, образуя различные комбинации и взаимодействуя друг с другом посредством агентов горизонтального переноса веществ (водные и воздушные потоки, сила тяжести на склонах, животные). Прихотливая мозаика почв составляет следующий, седьмой структурный уровень почвенной организации — уровень почвенного покрова.

Источник

Фазы (части) почвы

Факторы почвообразования. Климат. Рельеф.

Фазы (части) почвы

Лекция 2.

Почва состоит из четырех (фаз или частей): твердой, жидкой, газообразной и живой.

Твердая фаза почвы. В состав твердой фазы почвы входят минералы и химические соединения, унаследованные от исходной горной породы и неизмененные при последующем выветривании и почвообразовании – их называют первичными. Твердую фазу почвы формируют разнообразные компоненты вторичного происхождения. Они образуются при выветривании исходной горной породы и почвообразовании. Это: вторичные глинистые минералы, простые соли, оксиды и гидроксиды, растительные остатки и продукты их трансформации типа детрита, гумусовые вещества и их органо-минеральные производные. Эти продукты образуются на месте или же приносятся агентами геохимической миграции — поверхностными, внутрипочвенными и грунтовыми водами, а также аэральным путем.

Твердая фаза почвы характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, сложением, структурой и пористостью.

Жидкая фаза почвы. Это влага, циркулирующая в пределах почвенного профиля вместе с растворенными в ней разнообразными минеральными, органическими и органо-минеральными соединениями. Она называется почвенным раствором. Почвенный раствор представ ляет собой исключительно динамичную фазу почвы, он играет важную роль в жизни живых организмов, а также в процессах миграции веществ в почвенном профиле. Динамика почвенного раствора тесно связана с характером атмосферного и грунтового увлажнения почвы, температурным и окислительно-восстановительным режимами, деятельностью живых организмов.

Газовая фаза почвы. Представляет собой почвенный воздух, который заполняет разнообразные пустоты (поры, трещины и т. п.), имеющиеся в почве и не занятые водой. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного и динамичен во времени.

Живая фаза почвы. Эта фаза представлена живыми организмами, населяющими почву, которые помимо всего прочего служат важнейшим фактором почвообразования. В состав живой фазы почвы входят разнообразные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли), почвенная микро- и мезофауна (простейшие, насекомые, черви и т. д.), корневые системы зеленых растений.

Все фазы почвы взаимосвязаны, оказывают взаимное влияние друг на друга и существуют как единое целое, между почвой и окружающей средой происходит постоянный обмен веществом и энергией, т. е. почва — открытая система.

Взаимодействие почвы с другими природными телами осуществляется через следующие процессы:

• многосторонний обмен газами (О2, СО2, 2 и др.) и влагой (жидкой и парообразной)

в системе атмосфера—почва—растения—порода;

• обмен коротко- и длинноволновой радиацией в системе Солнце_почва_атмосфера;
• многосторонний обмен тепловой энергией в системе атмосфера—почва—порода;
• обмен биофильными элементами в системе почва—растения;
• одностороннее поступление в почву органического вещества, синтезированного зелеными растениями и несущего в себе химическую энергию (трансформированную лучистую энергию Солнца).

Почва — сложная структурная система .

По Б.Г.Розанову (1975), под структурным уровнем организации того или иного объекта понимается такая группа материальных объектов, все индивидуальные представители которой характеризуются принципиально однотипным характером превращений вещества и энергии и однотипными как по направлению, так и по интенсивности взаимодействиями. Каждый структурный уровень характеризуется своим особым комплексом природных законов поведения и взаимодействия (внутри себя и с окружающей средой) составляющих его объектов и явлений.

Каждый последующий более высокий структурный уровень организации включает в себя все объекты, явления и взаимодействия более низких уровней и, кроме того, имеет дополнительно некоторые иные явления и взаимодействия, что делает его принципиально иным природным образованием. Переход от одного структурного уровня к последующему определяется прежде всего изменением характера взаимодействия.

Выделяют следующие уровни структурной организации почвы.

Атомарный уровень. Взаимодействия, происходящие на этом уровне, преимущественно связаны с радиоактивностью почв, возникающей при распаде естественных радионуклидов семейства урана, радия, тория и некоторых искусственных нуклидов. Распад радиоактивных элементов сопровождается выделением энергии. Процесс распада и превращения радиоактивных элементов, вероятно, представлен во всех почвах. Хотя радиоактивные элементы обычно присутствуют в почвах в ультрамикроконцентрациях, процесс их распада, растянутый во времени, может вносить заметный вклад в энергетический баланс почв и оказывать определенное воздействие на биологические процессы и выветривание минералов. Реально в почве мигрируют и трансформируются не атомы, а ионы, молекулы и более сложные образования.

Ионно-молекулярный уровень. В качестве элементов на этом уровне структурной организации почвы выступают активные центры молекулярно-ионной природы, находящиеся на поверхности раздела твердой фазы почвы, а также молекулы и ионы жидкой и газообразной фаз, взаимодействующие с активными центрами и между собой.

Ионы — главный компонент почвенных растворов, они играют исключительно важную роль в таких процессах и явлениях, как кислотность и щелочность почв, питание растений, окислительно-восстановительное состояние, засоление и рассоление, обменные реакции, формирование разнообразных органо-минеральных производных и др.

Молекулярный (вещественный) состав почвы чрезвычайно разнообразен. Это тысячи различных соединений, многие из которых до настоящего времени не идентифицированы. Исключительная сложность вещественного состава — одна из характерных особенностей почвы, отличающих ее от других природных объектов. Например, относительно полно изучен состав кристаллических минеральных соединений (почвенных минералов) некоторых типов почв, идентифицированы многие органические соединения индивидуальной природы (сахара, аминокислоты, фенолы, кислоты жирного ряда, ферменты и др.), получены сведения о составе и свойствах комплексных органо-минеральных соединений. Почвенные соединения в молекулярной и ионной формах присутствуют преимущественно в почвенном растворе. Основная часть соединений твердой фазы почвы находится в агрегированном состоянии и формирует следующие уровни структурной организации почвы.

Уровень элементарных почвенных частиц. Элементарные почвенные частицы — это частицы различных размеров и различной природы (минеральные — кристаллические и аморфные, органические и органо-минеральные), унаследованные от материнской породы, измененные и новообразованные в процессе почвообразования. На этом уровне происходят основные превращения веществ в почве. Особую роль здесь играют почвенные коллоиды, которые определяют многие важнейшие свойства почвы — воднофизические, сорбционные, буферную способность и др.

Агрегатный уровень. Элементарные частицы в почвах обычно существуют не изолированно, а объединяются между собой под действием различных факторов в характерные для каждого типа почвообразования агрегаты и новообразования (за исключением песчаной). На агрегатном уровне происходит и локализация почвенных процессов, например передвижение влаги и растворенных в ней веществ по межагрегатным полостям и трещинам и т. д. Многие биохимические и химические явления, связанные с превращением веществ и составляющие важную часть почвообразования, протекают не на поверхности, а внутри агрегатов.

Горизонтньый уровень. Почвенный горизонт — относительно однородный слой почвы, обособившийся в процессе почвообразования. Формирование горизонта связано с преобразованием, аккумуляцией, привносом или выносом веществ, что отражается на взаимодействии и способе организации агрегатов и почвенных новообразований. В пределах почвенного горизонта протекают не только вертикальные, но и боковые процессы перемещения вещества и энергии, приводящие к формированию тех или иных особенностей горизонтов. Каждый тип почвы всегда характеризуется наличием горизонтов, наиболее ярко отражающих специфику почвообразования.

Профильный уровень. Закономерные сочетания отдельных почвенных горизонтов, взаимодействующих между собой, образуют почвенный профиль или собственно почву как особое природное тело. Это не просто арифметическая сумма горизонтов, а структурный уровень почвенной организации . Почвенные горизонты связаны между собой непрерывным обменом веществ и энергии, что составляет главную черту профильного уровня организации почвы. Именно на этом уровне наиболее полно проявляется специфика почвы как единого целого. Профильный метод изучения почв, введенный еще В.В.Докучаевым, лежит в основе всех почвенных исследований.

Уровень почвенного покрова. Этот уровень структурной организации представляет собой почвенный покров определенной территории, на которой в зависимости от особенностей рельефа, почвообразующих пород и других местных условий формируются почвенные комбинации, представленные разными почвами.

Для получения исчерпывающей информации о почве как природном объекте необходимо проведение исследований на всех уровнях ее организации.

Источник

Иерархические уровни структурной организации почвы

1. Атомарный – наиболее низкий уровень, рассматриваемый при изучении естественной и искусственной радиоактивности почв – радиоактивные изотопы, присутствующие в почве или внесенные в нее.

2. Кристалломолекулярный (молекулярно- ионный) – молекулы и ионы в почвенном растворе, воздухе, на поверхности твердых почвенных частиц.

3. Элементарные почвенные частицы, выделяемые из почвы при гранулометрическом анализе в виде фракций разного размера. Неоднородны по составу (чистые мономинеральные зерна, полиминеральные образования, органоминеральные комплексы, органические глобулы разного состава и происхождения).

4. Почвенные агрегаты (агрегатное состояние почв) – микро- и макро- агрегаты, структурные отдельности, специфические почвенные новообразования: конкреции, стяжения, натеки, пленки, новообразования солей, гипса, извести, не образующие сплошных горизонтов, и плит, а встречающиеся изолированно в почве.

5. Почва состоит из последовательно сменяющих друг друга вниз от поверхности слоев – генетических горизонтов, образовавшихся в результате изменения исходной горной породы в процессе почвообразования.

6. Закономерные сочетания отдельных почвенных горизонтов дают почвенный профиль (почвенный индивидуум, почву) – особое природное тело.

7. Комбинации и сочетания различных почв составляют почвенный покров.

Гранулометрический состав почв — это относительное (в %) содержание твердых частиц (механических элементов) различного размера.

Количественное определение механических элементов – гранулометрический (механический) анализ. Соотношение частиц разного размера меняется в зависимости от характера исходной породы, типа, интенсивности, длительности выветривания и определяет гранулометрический состав отложений и формирующихся на них почв.

Свойства механических элементов изменяются в зависимости от размера. Близкие по размеру и свойствам частицы группируются в гранулометрические фракции. Группировка частиц по размерам во фракции – классификация механических элементов (Н. А. Качинский, 1965)

Частицы, включающие камни и гравий (> 1 мм) называют скелетом почвы. В пределах фракции мелкозема (S частиц 0,01 мм). Фракцию крупной пыли (0,05 – 0,01 мм) иногда называют лессовидной, т. к. она составляет основную массу в лессах. S частиц 3 мм) представлены в основном обломками горных пород. Каменистость – отрицательное свойство почв. Наличие камней в почвах затрудняет использование сельскохозяйственных машин и орудий, мешает появлению всходов и росту растений. На слабокаменистых почвах ускоряется износ рабочих поверхностей орудий обработки. Средне- и сильнокаменистые почвы нуждаются в мелиоративных работах по удалению камней. Разделение почв по степени каменистости проводят по содержанию (в % от массы почвы) частиц больше 3 мм: некаменистые – 0,5 %, слабокаменистые – до 5 %, среднекаменистые – 5-10 % и сильно-каменистые – >10 %.

По типу каменистости почвы могут быть валунные, галечниковые, щебенчатые. Валунные часто встречаются в северо-западных районах Нечерноземной зоны, щебенчатые – в горных и предгорных районах.

· Гравий (3 – 1 мм) состоит из обломков первичных минералов. Высокое содержание гравия в почвах не препятствует обработке, но придает им неблагоприятные свойства – провальную водопроницаемость, отсутствие водоподъемной способности, низкую влагоемкость, неудовлетворительную для произрастания сельскохозяйственных культур.

· Песчаная фракция (1 – 0,05 мм) целиком состоит из обломков пород и минералов – кварца и полевых шпатов, совершенно лишена поглотительной способности, обладает высокой воздухо- и водопроницаемостью, не набухает, не пластична, но в отличие от гравия обладает некоторой капиллярностью и влагоемкостью. Поэтому природные пески, особенно мелкозернистые, пригодны для выращивания сельскохозяйственных культур. Для полевых культур пригодны пески с влагоемкостью ³10 %, для лесных – 3-5%.

· Пыль крупная и средняя (0,05 – 0,005 мм). Фракция крупной пыли (0,05 – 0,01 мм) по минералогическому составу мало отличается от песчаной, поэтому обладает некоторыми физическими свойствами песка: не пластична, слабо набухает, обладает низкой влагоемкостью. Для средней пыли (0,01 – 0,005 мм) характерно повышенное содержание слюд, придающих фракции пластичность, связность. Средняя пыль, лучше удерживает влагу, но обладает слабой водопроницаемостью, не способна к коагуляции, не участвует в образовании структуры ® почвы, обогащенные фракцией крупной и средней пыли, в сухом состоянии легко распыляются, во влажном – склонны к заплыванию и уплотнению; имеют при значительном содержании пыли вне агрегатов неблагоприятные водно- и воздушно-физические свойства.

· Пыль мелкая (0,005-0,001 мм) имеет довольно высокую дисперсность, состоит из первичных и вторичных минералов ® обладает рядом свойств, не присущих более крупным фракциям: способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. Однако обилие тонкой пыли в почвах в свободном, не агрегированном состоянии придает почвам неблагоприятные свойства: низкая водопроницаемость, большое количество недоступной воды, высокая способность к набуханию и усадке, липкость, трещиноватость, плотное сложение.

Т. о., различные фракции механических элементов имеют неодинаковые свойства ® почвы и породы также будут обладать неодинаковыми свойствами в зависимости от разного содержания в них тех или иных фракций механических элементов. Все многообразие почв и пород по механическому составу можно объединить в несколько групп с характерными для них физическими, физико-химическими и химическими свойствами.

Классификация почв по гранулометрическому составу (Н. А. Качинский, 1965)

* Классификация составлена с учетом генетической природы почв, способности их глинистой фракции к агрегированию, что зависит от содержания гумуса, состава обменных катионов, минералогического состава. Чем выше эта способность, тем слабее проявляются глинистые свойства при равном содержании физической глины.

Минералогический состав почв — основную долю вещественного состава рыхлых почвообразующих пород и почв (за исключением торфяных) образуют минеральные частицы. В зависимости от происхождения и размеров они делятся на две основные группы:

· зерна первичных минералов, перешедших в мелкозем из разрушенных плотных магматических, метаморфических или осадочных пород;

· тонкодисперсные частицы вторичных, главным образом глинистых минералов, которые возникли из первичных минералов или новообразованы в ходе выветривания и почвообразования.

Первичные минералы представлены преимущественно частицами больше 0,001 мм, вторичные – меньше 0,001 мм.

В большинстве почв первичные минералы преобладают по массе над вторичными, за исключением ферраллитных почв, в которых первичных минералов часто меньше, чем вторичных.

Самые распространенные первичные минералы –кварц, полевые шпаты, амфиболы и пироксены, слюды

Основную массу горных пород составляют кислородные соединения кремния – силикаты. Главным элементом структуры силикатов является т. н. кремнекислородный тетраэдр.Тетраэдры, соединяясь через кислородные ионы, образуют различные сочетания (типы структур): островные, кольцевые, цепочечные (цепные), ленточные, листовые (листоватые, слоистые), каркасные.

■ Островные силикаты– ККТ не связаны друг с другом. Самый распространенный минерал этой группы – оливин –состоит из изолированных кремнекислородных тетраэдров, которые соединяются ионами двухвалентного железа и магния: (Mg,Fe)₂[SiO₄]. Минералы группы оливина в зоне гипергенеза чрезвычайно неустойчивы и быстро разрушаются. Более редкие островные силикаты – топаз (Al₂SiO₄(F,OH)₂) и циркон(ZrSiO₄), отличающийся крайне высокой устойчивостью к выветриванию (он в почти неизменном виде сохраняется в течение миллиардов лет). К островным силикатам относятся также гранаты.

■ Кольцевые силикаты– в основе строения – 6 (реже 3 или 4) ККТ, соединенных в кольцо Si₆О₁₈ 12- :

В цепных, ленточных, листовых, каркасных структурах ККТ образуют бесконечные радикалы, сочленяясь в цепочки, ленты, листы, каркасы. Формула таких радикалов показывает не количество атомов в кремнекислородных группах, а только отношение атомов в бесконечной группе, число атомов в элементарном повторяющимся звене.

■ Цепочечные и ленточные силикаты.Одинарные цепочки ККТ характерны для пироксенов с формулой радикала (Si₂O₆) 4- ¥, сдвоенные цепочки или ленты – для амфиболов с формулой радикала (Si₄O₁₁) 6- ¥. Цепочки соединяются различными катионами (Fe, Al, Mg, Ca, Na и K). Пироксены и амфиболы весьма распространены в изверженных и метаморфических породах и составляют около 16% литосферы. Широко известные представители пироксенов – авгит и диопсид, амфиболов – роговая обманка. В целом пироксены менее устойчивы, чем амфиболы.

■ Листовые (слоистые) силикаты обычно имеют пластинчатое или чешуйчатое строение.Слюдысостав-ляют около 4% литосферы и содержатся во многих изверженных и метаморфических горных породах. Плоские слои ККТ, обращенные вершинами друг к другу, связаны со слоями октаэдров, в центре которых – ионы алюминия (Mg,Fe), а в вершинах – ОН — — группы ® образуются трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами К +

Представитель светлых слюд – мусковитKAl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₀] (в квадратных скобках выделены элементы, образующие кислородные тетраэдры).

Часто также встречаются темные железо-магнезиальные слюды – биотит K(Mg,Fe)₃(OH)₂[AlSi₃O₁₀].

Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей, которые соединяют трехслойные листы ® железомагнезиальные слюды менее устойчивы, чем светлые.

■ Каркасные силикаты.Минералы этого подкласса являются самыми распространёнными, составляя 65% от массы земной коры. В их кристаллической решетке ККТ соединены в трехмерные решетки, каркасы, не имеющие активных ионов кислорода ® создается бесконечный нейтральный радикал (SiO₂) 0 ¥. Такую структуру имеет кварц – наиболее распространенный минерал земной коры, отличающийся большой прочностью, содержащийся в изверженных, метаморфических и осадочных породах. Кристаллохимическая структура кварца обеспечивает ему высокую устойчивость к процессам выветривания. Как правило, в коре выветривания зерна кварца остаются целыми или только корродированными по периферии.

Полевые шпаты – весьма распространенные породообразующие минералы, составляющие около половины массы всей земной коры. Выделяются два изоморфных ряда:

Первый ряд образуют калинатровые полевые шпаты,представителями которых являются ортоклаз и микроклин с формулой K[AlSi₃О₈].

Второй ряд – плагиоклазы – представляет собой непрерывную изоморфную смесь двух конечных членов: альбита Na[AlSi₃O₈] и анортита Ca [Al₂Si₂O₈].

Значение первичных минералов разносторонне: от их количества (особенно крупнозернистых фракций) зависят агрофизические свойства почв, они являются резервным источником зольных элементов питания растений, а также образования вторичных минералов.

Вторичные минералы практически целиком сосредоточены в тонкодисперсных гранулометрических фракциях

Источник