Органическое вещество почвы

Твердая фаза почвы

Состоит из минеральной и органической частей.

Минеральная часть составляет 90 -99% массы твердой фазы почв и имеет сложный химический состав. Она представлена кристаллическими кремнекислородными и алюмокремнекислородными (силикатными и алюмосиликатными) минералами, аморфными и кристаллическими гидроксидами (чаще железа и алюминия) и минеральными солями.

Наиболее распространен в почве первичный силикатный минерал кварц (SiO2). Присутствует достаточно большое количество труднорастворимых фосфатов и в некоторых почвах – карбонатов Ca , Mg.

В почве постоянно протекают процессы превращения труднорастворимых веществ в легкорастворимые и, следовательно, более доступные растениям. Одновременно происходят и обратные процессы.

Различные механические фракции почвы имеют неодинаковый минералогический и химический состав, отличаются по содержанию питательных элементов:

· Более крупные частицы почвы (песчаные и пылеватые) состоят в основном из кварца (характеризуются высоким содержанием кремния, но низким содержанием алюминия, железа, кальция, магния, калия, фосфора)

· В состав мелкодисперсной коллоидной и илистой фракции преимущественно входят I и II алюмосиликатные минералы, т.е. в ней больше Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, P.

Следовательно более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче питательными элементами, чем легкие песчаные и супесчаные.

 

Составляет небольшую часть твердой фазы, но имеет очень важное значение для плодородия почвы и питания растений. Содержание органического вещества в почвах колеблется от 1 -3 до 8 – 10% .

Органическая часть почвы представлена в основном гуминовыми веществами (ГК и ФК) и небольшой частью негумифицированных остатков растительного, микробного и животного происхождения.

ГК отличаются от ФК большим содержанием углерода и меньшим содержанием кислорода

Строение ГК представляют в виде ядра и периферической части. В состав ядра входят ароматические 6 – тичленные циклы, кислород – и азотсодержащие гетероциклы. Ядро окружено периферическими алифатическими цепями, в т.ч. углеводного и полипептидного характера. Периферические цепи участвуют в связывании различных металлов (комплексообразование).

Органические вещества почвы обладают высокой реакционной способностью и активно взаимодействуют с минеральными веществами почвы.

 

Значение реакций между органическими и минеральными компонентами почвы:

1. Под влиянием органических веществ преобразуются минералы почвообразующей породы.

2. Органические вещества способствуют растворению многих минеральных соединений, переводя химические элементы в миграционноспособные и доступные растениям формы.

3. Органические вещества образуют на поверхности почвенных частиц покрытия или труднорастворимые соединения с рядом элементов, предотвращая этим процессы выветривания.

4. следствием органоминеральных взаимодействий является формирование почвенных агрегатов.

 

С глубиной как правило снижается содержание ГК и увеличивается содержание ФК. Тип гумуса оценивается по этому соотношению Сгк : Сфк – гуматно-фульватное соотношение.

Для гуматного и фульватно-гуматного типов гумуса характерно соосношение > 1, для фульватного и гуматно- фульватного < 1.

 

 

ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ

 

Поглотительная способность почв – это способность поглощать пары, газы, задерживать растворенные и взмученные в почвенном растворе вещества, живые организмы.

На поглотительную способность почв люди обращали внимание уже давно (II век до н.э., Лукреций) и использовали для опреснения воды.

Теоретическое обоснование этого явления дал русский ученый К.К.Гедройц в начале 20 века. Он установил, что основная роль в поглотительной способности почвы принадлежит илистым и пылеватым частицам, где и сосредоточены коллоиды. Эту часть почвы Гедройц назвал почвенным поглощающим комплексом (ППК).

ППК содержит в себе как положительно заряженные минеральные и органические коллоиды, так и отрицательно заряженные. Однако суммарный заряд ППК всех почв отрицательный, и поэтому он задерживает на своей поверхности в основном положительно заряженные катионы.

 

[ ПРИМЕРЫ ППК для кислых почв, черноземов, засоленных.]

 

Гедройц выделил 5 типов поглотительной способности почв:

1. механическая,

2. биологическая,

3. физическая,

4. химическая, физико-химическая.

 

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы как всякого твердого тела задерживать в своей толще твердые частицы крупнее, чем система пор почвы, т.е свойство почвы задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензий. В первую очередь оно зависит от механического состава почвы, структурности, рыхлости почвы. Используется для очистки сточных и питьевых вод путем их фильтрации через почву

Биологическая поглотительная способность – проявляется в способности живых организмов (корни растений, микроорганизмы) поглощать из почвы различные вещества – анионы и катионы, усваивать их и закреплять в своих тканях.

Особенности этой поглотительной способности почв:

· растения обладают избирательной поглотительной способностью. Они усваивают вещества, наиболее потребные им для жизнедеятельности. Причем разные растения усваивают вещества в разном количестве и соотношении.

· Поглощенные вещества прочно закрепляются в тканях растений, прочнее, чем при других типах поглощения, т.к. идет перевод веществ в органическую форму

· Производится перекачка питательных веществ из нижних слоев почвы в верхние: корни потребляют питательные вещества из нижних слоев почвы, закрепляют в надземной части, а затем с опадом вещества вновь попадают в верхнюю часть почвенного профиля.

· Именно эта поглотительная способность почв лежит в основе малого биологического круговорота веществ в природе.

 

Биологическое поглощение играет важную агрономическую роль в повышении плодородия почвы:

· В почве удерживаются от вымывания весьма важные элементы питания – кальций, калий, фосфор, азот.

· Растения возвращают в почву сотни кг веществ химических элементов. Наиболее активными сорбентами являются бобовые, которые поглощают азот из воздуха.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности, количества и состава органического вещества.

 

Физическая поглотительная способность, или молекулярная адсорбционная – способность почв поглощать из почвенного раствора молекулы разных веществ. Могут поглощаться также газы, целые бактерии. Обусловлена эта поглотительная способность наличием у тонкодисперсных частиц поверхностных сил, которые и притягивают молекулы веществ. Пример этого типа поглотительной способности – гигроскопическая влага.

В основе этого явления лежит чисто физический процесс – сорбция, притяжение. Молекулы не взаимодействуют с почвенной частицей, химический состав не изменяется.

Различают положительную и отрицательную физическую сорбцию:

· Положительная сорбция наблюдается, когда молекулы притягиваются к поверхности частицы и их концентрация здесь увеличивается. Этой сорбции подвержены органические соединения.

· Отрицательная сорбция – молекулы не увеличивают свою концентрацию на поверхности частиц, они отталкиваются от них, переходя в свободную влагу. Это соли, основания, неорганические кислоты и др. То есть они слабо удерживаются почвой и могут вымываться из ее толщи.

 

Направление сорбции важно знать и учитывать при разработке агротехнических приемов. Например:

· в случае внесения в почву такого минерального удобрения, как KCl. Для большинства растений хлор ядовит. Но хлориды не притягиваются к почвенной частице (отрицательная сорбция), а калий – притягивается (положительная сорбция). То есть, внеся хлорид калия заранее, мы можем ожидать, что хлор улетучится.

· при внесении в почву нитратных удобрений, нитраты (NO3-) будут быстро вымыты из почвы и недоступны для растений, то есть потеря удобрений.

 

При физической сорбции идет также поглощение микроорганизмов, хотя здесь более удачным термином был бы «прилипание». Прилипая к почве, бактерии снижают свою активность, в результате улучшаются санитарные условия местности, очищаются поды колодцев.

 

Химическая поглотительная способность, или хемосорбция - способность растворимых веществ в почвенном растворе при взаимодействии друг с другом давать нерастворимые (труднорастворимые вещества), выпадающие в осадок. При этом изменяется химический состав почвенного раствора.

Хорошо химически поглощаются почвой анионы фосфатов, силикатов, плохо – хлориды, нитраты, нитриты. Последние не способны образовывать в почве труднорастворимые соли.

Особое значение имеет для закрепления в почве фосфорных удобрений. Фосфаты накапливаются в почве, но становятся труднодоступны для растений. Поэтому применяют гранулированные их формы, медленно растворяющиеся и отдающие фосфор постепенно.

 

Физико-химическая поглотительная способность, или обменная – способность почвенных коллоидов притягивать к себе катионы из почвенного раствора и вступать в обмен с этими катионами, на катионы, которые находятся в поглощенном состоянии на поверхности почвенных частиц.

Если потенциалопределяющий слой частицы заряжен отрицательно, то обмениваются катионы, а если положительно – то анионы. Чаще идет обмен катионов, так как почва заряжена отрицательно.

В поглощенном состоянии могут находится различные катионы: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, H+, Fe2+ и др.

Вся совокупность органических и минеральных коллоидных частиц почвы (представленных гумусовыми веществами, глинистыми минералами и гидроксидами Fe и Al), участвующих в обменном поглощении катионов, была названа Гедройцем ПОЧВЕННЫМ ПОГЛОЩАЮЩИМ КОМПЛЕКСОМ (ППК).

Реакция обмена протекает быстро, при внесении в почву легко растворимых удобрений (KCl, NH4Cl, NH4NO3), они сразу же вступают во взаимодействие с ППК, реакция обратима, т.к. поглощенный почвой катион может быть снова вытеснен в раствор:

(ППК)Са + 2KCl ⇄ (ППК)К2 + CaCl2

(ППК)Са + 2NH4NO3 ⇄ (ППК)(NH4)2 + Ca(NO3)2

 

В зависимости от концентрации раствора, его объема и природы обменивающихся катионов между катионами раствора и катионами ППК устанавливается некоторое подвижное равновесие. При изменении состава почвенного раствора это равновесие смещается, например, при усвоении какого-либо катиона растениями концентрация его в растворе уменьшается, он переходит из поглощенного состояния в раствор в обмен на другие катионы, содержащиеся в почвенном растворе. Чем выше степень насыщенности ППК данным катионом, тем легче он переходит в раствор.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из почвенного комплекса другими катионами.

 

Физико-химическое поглощение характеризуется 3 показателями:

 

1. Сумма обменных оснований (поглощенных катионов) – S - показывает суммарное количество поглощенных катионов, кроме водорода и алюминия. Выражается в мг-экв на 100 г почвы.

2. Емкость поглощения (емкость катионного обмена) – Е (ЕКО) – количество катионов, способных к обмену. Выражается в мг-экв на 100 г почвы.

Е = S + Н+, где Н+ - гидролитическая кислотность.

 

По емкости поглощения все почвы делят на 3 группы:

 

· Почвы малой емкости – Е менее 15 мг-экв на 100 г почвы. Это подзолистые почвы, сероземы, красноземы. Так у песчаных почв Е может достигать 5 – 6 мг-экв на 100 г. почвы.

· Почвы средней емкости – Е = 15 – 30 мг-экв на 100 г почвы. Это серые лесные, хорошо окультуренные дерново-подзолистые, каштановые.

· Почвы высокой емкости – Е более 30 мг-экв на 100 г почвы.

 

Емкость поглощения и состав поглощенных ионов могут быть повышены путем известкования, внесения органических удобрений, торфа, зеленых удобрений и т.д.

Следует помнить, что на почвах низкой емкости нельзя вносить минеральные удобрения большими дозами, они их не поглотят. Все химически е вещества будут находиться в почвенном растворе, повышая его концентрацию.

ЕКО зависит от:

· рН

· механического состава почвы

· преобладания глинистых минералов

· содержания гумуса

Емкость органической части почвы в 10 – 30 раз превышает ЕКО минеральной части.

Катионный обмен происходит достаточно быстро и это обусловлено:

· поверхностным расположением обменивающихся катионов на частицах ППК

· участием в обмене катионов, удерживаемых функциональными группами

· высокой влажностью

 

Состав поглощенных катионов

В большинстве случаев в составе поглощенных катионов преобладают Ca2+, Mg2+ , в меньших количествах К+ и NH4+.

В кислых почвах (подзолистых) среди поглощенных катионов значительную часть занимают Al3+ и Н+.

От состава поглощенных катионов в значительной степени зависят свойства почвы и условия роста растений.

Например: Са2+ коагулирует органические и минеральные коллоиды, что способствует поддержанию прочной структуры и обуславливает хорошие физические свойства почвы.

При наличии Na в ППК происходит вытеснение этого элемента в раствор в обмен на другие катионы с образованием NaHCO3, что вызывает щелочную реакцию среды раствора, неблагоприятную для развития растений.

При большом количестве в ППК ионов Н+ и Al3+ они могут переходить в раствор и подкислять его.

 

3. Степень насыщенности почвы основаниями – ν , % - количество поглощенных катионов, выраженное в % от емкости поглощения. Она показывает, какая часть емкости поглощения приходится на основания.

ν = S х 100

Е

 

Чем больше степень насыщенности почвы основаниями, тем меньше свободных ионов водорода (и алюминия) в почве, то есть тем меньше кислотность. Именно по этому показателю судят о потребности почвы в известковании. Так,

При ν менее 50 % ( то есть более 50% Н+) – острая необходимость в известковании;

При ν =50 – 60 % - средняя;

При ν =60 – 70 % - слабая;

При νболее 70 % - не требует известкования.

 

В черноземных почвах, где нет Н+ , степень насыщенности почвы основаниями достигает 100 %.

В кислых почвах – подзолистых – ν = 30 – 70 %, то есть много Н+ и Аl.

В зависимости от содержания катионов в почве все почвы делят на 2 группы:

· Почвы насыщенные основаниями (то есть преобладают ионы кальция, магния и др.), ν более 80 %. Это черноземы, каштановые, бурые и др.

· Почвы не насыщенные основаниями, то есть много водорода и алюминия, ν менее 80 %.Это подзолистые почвы, болотные и др.

 

 

КИСЛОТНОСТЬ и щелочность почвы

 

Кислотность – это способность почвы подкислять воду и растворы солей, щелочность – подщелачивать.

Кислую реакцию почвенному раствору придают угольная кислота, органические кислоты, образующиеся при разложении органических остатков (янтарная, щавелевая, лимонная и др.), а также растворимые формы гумусовых веществ, особенно фульвокислоты.

Щелочную реакцию почвенному раствору придают минеральные соли калия, кальция, магния и др., которые с водой образуют щелочи. (соли, гидролизующиеся по катиону)

 

Растения проявляют разную требовательность к кислотности почвы:

 

Люпин, картофель – 4 – 5 рН,

Овес, рожь, лен – 5 – 6 рН,

Клевер, горох, пшеница – 6 – 7 рН.

Наиболее благоприятна для растений слабокислая и слабощелочная среда. Сильно кислая и сильно щелочная среда неблагоприятны для роста растений.

С реакцией почвенного раствора связаны:

· Жизнедеятельность микроорганизмов: в кислой – грибы, в нейтральной и слабо щелочной – бактерии.

· Растворение веществ,

· Превращение органического вещества,

· Усвоение питательных веществ из почвы растениями.

 

По уровню кислотности все почвы разбиты на несколько групп:

· рН менее 4,5 – сильнокислые – болотные, болотно-подзолистые, подзолистые, тропические, красноземы,

· рН 4,6 – 5,0 – кислые – подзолистые. Дерново-подзолистые, красноземы, тропические,

· рН 5,1 – 5,5 – слабокислые – те же,

· рН 5,6 – 6,0 – близкие к нейтральной – окультуренные дерново-подзолистые и красноземы, серые лесные,

· рН 6,1 – 7,1 – нейтральные серые лесные, черноземы,

· рН 7,2 – 7,5 – слабощелочные – черноземы южные, каштановые, сероземы,

· рН 7,6 – 8,5 – щелочные – солонцы, солончаки,

· рН более 8,5 – содовые солонцы, солончаки.

 

Различают кислотность актуальную и потенциальную.

 

Актуальная, или активная, кислотность – кислотность почвенного раствора, то есть жидкой фазы почвы. Она не зависит от содержания в почве конкретной кислоты или щелочи, а зависит от соотношения концентраций свободных ионов водорода и гидроксильной группы.

Н+ = ОН- - нейтральная почва,

Н+ > ОН- - кислая почва

Н+ < ОН- - щелочная почва

 

Характеризуется показатель величиной рН. Величина рН = - lg[H+] и характеризует концентрацию свободных ионов водорода.

Теоретически рН колеблется от 1 до 14, а практически в почвах от 3 до 9.

Если рН = 7 почва нейтральная, рН > 7 – почва щелочная, рН < 7 – кислая.

 

Определяется актуальная кислотность в водной вытяжке, которые готовят в соотношении почва : вода = 1 : 2,5.

 

Потенциальная, или скрытая, кислотность – это кислотность твердой фазы почвы. Она обусловлена наличием в почве поглощенных ионов водорода и алюминия.

Для их определения почву обрабатывают солями, вытесняя ионы водорода и алюминия из твердой фазы почвы в почвенный раствор. По количеству вытесненных ионов, учтенных в почвенном растворе, и определяют кислотность почвенного раствора.

В зависимости от того, какой солью вытесняют ионы водорода и алюминия, различают две формы потенциальной кислотности:

· Обменную,

· Гидролитическую.

 

Для определения обменной кислотности почву обрабатывают 1N расвором КСl (при рН = 5,6). Обменный калий вытесняет неустойчивые ионы водорода из почвы. Калий поглощается почвой, а водород выходит в почвенный раствор и взаимодействуя с ионом хлора образует соляную кислоту. По ее количеству и судят об обменной кислотности почвы. Для количественной оценки применяют кислотно – основное титрование.

ППКН+ + KCl ⇄ ППКК+ + HCl

ППКAl3+ + 3KCl ⇄ ППКК3 + AlCl3

Выражают эту кислотность

а). Показателем рН,

б). В мг-экв на 100 г почвы.

 

Для определения гидролитической кислотности почву обрабатывают гидролитически щелочной солью, то есть солью сильного основания и слабой кислоты: 1N раствор СН3СООNa (K) – ацетат натрия или калия (уксуснокислый натрий или калий).

Натрий (или калий) меняется с водородом, который в почвенном растворе образует уксусную кислоту, по количеству которой и судят о гидролитической кислотности почвы. Выражают эту кислотность в мг-экв на 100 г. почв.

 

ППКН+ + СН3СООNa → ППКNa+ + CH3COOH

При действии ацетата натрия величина рН обычно бывает выше, чем при действии 1н КCl. Т.к. в данном случае продуктом является слабая кислота СН3СООН, следовательно, реакция протекает значительно более полно, чем в первом случае.

Так же, как и кислотность, различают актуальную и потенциальную щелочности. Актуальная щелочность определяется количеством ионов ОН группы, а потенциальная – ионами Na, находящимися в поглощенном состоянии.

 

Снижение кислотности и щелочности почвы

 

Кислые и щелочные почвы неблагоприятны для роста растений, поэтому кислотность и щелочность снижают, начиная с определенного предела.

Суть снижения кислотности и щелочности почвы – заменить ионы водорода, алюминия, натрия на катионы кальция. Роль кальция в почве:

· Снизит кислотность и щелочность,0

· Закрепит гумусовые вещества (в виде гуматов кальция),

· Сформирует агрономически ценную структуру,

· Улучшит агрофизические свойства почвы,

· Повысит биологическую активность почвы,

· Улучшит режим питания растений.

 

Кислотность снижают известкованием. В почву вносят известь, доломитовую муку и др. материалы.

В почве нерастворимый в воде СаСО3 взаимодействует с угольной кислотой, находящейся в почвенном растворе:

СаСО3 + Н2О + СО2 → Са(НСО3)2,

Далее происходит диссоциация его на ионы и гидролиз:

Са(НСО3)2 + 2Н2О → Са(ОН)2 + Н2О + 2СО2

Са(ОН)2 → Са2+ + 2ОН-

В почвенном растворе возрастает концентрация ионов Са2+, которые вытесняют Н+ из почвенного комплекса:

ППКН2 + Са2+ + 2НСО3- ⇄ ППКСа + 2Н2О + 2СО2

ППКН2 + Са2+ + 2ОН- ⇄ ППКСа + 2Н2О

Подобным образом действует MgCO3, а так же оксиды и гидроксиды кальция и магния.

Известкование :

· снижает кислотность

· снижают подвижность алюминия и марганца, они переходят в неактивное состояние, поэтому снижается их вредное влияние на растения

· замена поглощенного Н+ на Са2+ сопровождается коагуляцией почвенных коллоидов, в результате чего уменьшается их разрушение и вымывание, улучшаются физические свойства почвы, структурность, водопроницаемость, аэрация.

· В результате снижения кислотности и улучшения физических свойств почвы усиливается жизнедеятельность микроорганизмов и мобилизация ими азота, фосфора и др. питательных элементов.

· Интенсивнее протекают процессы минерализации органического вещества, лучше развиваются азотфиксирующие бактерии

· К+ из труднорастворимых минералов переходит в почвенный раствор.

· Растения развивают более мощную корневую систему.

· повышает эффективность удобрений,

· помогает бороться с сорняками, болезнями и вредителями.

Расчет доз извести проводят:

· По гидролитической кислотности (при этом доза извести позволяет снизить кислотность до полной нейтрализации почвы, до рН = 7).

Расчет проводят по формуле:

Д = Нг · h ∙ ОМ · 50 / 1000 т/га, где

Нг – гидролитическая кислотность, т/га,

h – толщина слоя почвы, см,

ОМ – объемная масса почвы, г/см3.

 

· По обменной кислотности (в производственных целях для снижения кислотности до близкой к нейтральной, приблизительно). Пользуются таблицами, по которым определяют дозу извести в зависимости от механического состава и рН.

 

Щелочность снижают гипсованием.

 

Снизить кислотность можно также внесением в почву подщелачивающих удобрений, а щелочность – подкисляющих. Подкисляют щелочные почвы также внесением кислот (кислование).

 

 

Буферность почвы

 

При внесении извести и гипса необходимо учитывать буферные свойства почвы.

Буферность – это свойство почвы сопротивляться изменению реакции ее почвенного раствора. Оно зависит от химического состава почвы, ЕКО, свойств почвенного раствора.

Поглощенные основания (Са2+, Mg2+) оказывают буферное действие против подкисления, а поглощенный Н+ - против подщелачивания почвенного раствора.

ППКСа + 2HNO3 ⇄ ППКН2 + Са(NO3)2

ППКН2 + Са(ОН)2 ⇄ ППКСа + 2Н2О

Чем выше буферность почв, тем более высокими дозами можно вносить удобрения и известь, не боясь резко изменить реакцию среды почвы. При резком изменении реакции среды может погибнуть микрофлора, обеспечивающая жизнедеятельность почвы и ее плодородие.

Малая буферность – у песчаных почв. Удобрения и известь надо вносить малыми дозами, но часто.

Высокая буферность – у глинистых почв – удобрения можно вносить большими дозами.

Величина буферности зависит от количества почвенных коллоидов, их качества (лучше гумусовые и глинные минералы).