Химический состав почв и почвообразующих пород
Гранулометрический состав почвы (мехсостав) и его значение
Твёрдая фаза почв и почвообразующих пород состоит из частиц различной величины, которые называются механическими элементами. Относительное (в %) содержание в почве минеральных частичек различной крупности называется гранулометрическим (механическим) составом. Свойства механических элементов изменяются в зависимости от размера. Близкие по размеру и свойствам частицы группируются во фракции (таблица 1). Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией механических элементов.
Таблица 1 – Классификация механических элементов и их состав по Н.А. Качинскому
Камни - размер > 3 мм | Камни представлены преимущественно обломками горных пород. |
Гравий, галька, щебень 3-1 | Гравий состоит из обломков первичных и вторичных минералов. |
Песок: крупный – 1.0-0.5 cредний – 0.5-0.25 мелкий – 0.25-0.05 | Песчаная фракция состоит из обломков первичных минералов (кварца, полевой шпат) – высокая водопроницаемость, не набухает, обладает некоторой капиллярностью и влагоёмкостью |
Пыль: крупная – 0.05-0.01 средняя – 0.01-0.005 мелкая – 0.005-0.001 | Фракция крупной пыли по минералогическому составу мало отличается от песчаной. Для средней пыли характерно повышенное содержание слюд неспособна к коагуляции, не участвует в структурообразовании и физико-химических процессах, протекающих в почвах. Почвы, обогащённые фракцией крупной и средней пыли легко распыляются, склонны к заплыванию и уплотнению. Пыль тонкая состоит из первичных и вторичных минералов, способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. |
Ил – < 0.001 Физическая глина - <0,01 мм Физический песок - >0,01 мм | Ил состоит преимущественно из вторичных минералов – имеет большое значение в создании почвенного плодородия. |
По классификации Н.А. Качинского основное название почв по гранулометрическому составу проводится по содержанию физической глины и дополнительное – с учётом сопутствующей и преобладающей фракцией, причем преобладающая фракция ставится на последнее место, чем подчеркивается ее ведущее значение. Например: в почве содержится физической глины – 28.1%, песка – 37.0, крупной пыли – 34.9, средней и мелкой – 16 и ила – 12.1%. Основное наименование почвы по гранулометрическому составу – почва легкоглинистая, дополнительное – крупнопылевато-песчаная.
Значение гранулометрического состава в почвообразовании. Гранулометрический состав почв оказывает большое влияние на почвообразование и сельскохозяйственное использование почв. От гранулометрического состава почв и почвообразующих пород в значительной степени зависит интенсивность многих почвообразовательных процессов, связанных с превращением, перемещением и накоплением органических и минеральных соединений в почве. От него зависят все свойства и режимы: водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительная способность, накопление в почве гумуса и элементов питания. В зависимости от гранулометрического состава почв меняются условия обработки, сроки полевых работ, размещение сельскохозяйственных и лесных культур, способы и нормы полива, дозы удобрений, расстояния между временными оросителями, выводными бороздами и т.д.
Почвы песчаные и супесчаные легко поддаются обработке, поэтому издавна их называют лёгкими – быстро прогреваются. Тяжелосуглинистые и глинистые почвы требуют больше энергетических затрат при обработке, их называют тяжёлыми почвами.
Гранулометрический состав почвы довольно устойчивый признак, унаследованный от почвообразующей породы.
Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. По химическому составу она существенно отличается от исходных почвообразующих пород. Главные особенности химического состава почвы – присутствие органических веществ и в их составе специфической группыгумусовых веществ, разнообразие форм соединений отдельных элементов и непосредственно состава во времени
Источник минеральных соединений почвы – горные породы, из которых слагается твёрдая оболочка земной коры – литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов, населяющих почву. Взаимодействие минеральных и органических веществ создаёт сложный комплекс органо-минеральных соединений почв.
В составе почв обнаружены все известные химические элементы. Содержание отдельных химических элементов в литосфере и почве колеблется в широких пределах (таблица 1).
Таблица 1 - Содержание (в весовых процентах) химических элементов в литосфере и почвах (А. П. Виноградов)
Элемент | Литосфера | Почва | Элемент | Литосфера | Почва |
O | 47.2 | 49.0 | Mg | 2.10 | 0.63 |
Si | 27.6 | 33.0 | C | 0.10 | 2.00 |
Al | 8.8 | 7.13 | S | 0.09 | 0.085 |
Fe | 5.1 | 3.80 | P | 0.08 | 0.08 |
Ca | 3.6 | 1.37 | Cl | 0.045 | 0.01 |
Na | 2.64 | 0.63 | Mn | 0.09 | 0.085 |
K | 2.60 | 1.36 | N | 0.01 | 0.10 |
Литосфера состоит почти наполовину из кислорода (47.2%), более чем на четверть из кремния (27.6%), далее идут Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Восемь названных элементов составляют более 99% общей массы литосферы. Такие важнейшие для питания растений элементы, как C, N, S, P занимают десятые и сотые доли процента. Поскольку минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом горных пород литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве на первом месте стоит кислород, на втором – кремний, затем алюминий, железо и т.д.
Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода и в 10 раз больше азота. Накопление этих элементов в почве связано с жизнедеятельностью организмов. В почве больше, чем в литосфере, кислорода, водорода (как элементов воды), кремния и меньше алюминия, железа, кальция, магния, натрия и др. элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования.
Процессы выветривания горных пород, переотложения их продуктов приводят к образованию рыхлых пород различного химического состава, покрывающих большую часть суши и являющихся главными почвообразующими породами. По содержанию щелочноземельных и щелочных оснований почвообразующие породы делятся на засоленные, карбонатные и выщелоченные.
Химический состав почвообразующей породы отражает, в известной мере, её гранулометрический и минералогический состав. Песчаные породы, богатые кварцем, состоят преимущественно из кремнезема. Чем тяжелее гранулометрический состав породы, тем больше в ней вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше полутораокисей алюминия, железа. Почвы наследуют геохимические черты исходного материала почвообразующих пород. На песчаных породах, богатых кварцем, почвы обогащены кремнеземом, на лессе - кальцием, на засоленных породах – солями и т. д.
Итак, в почве преобладают окись кремния (SiO2) и органогенные элементы C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg. Последние являются источником питания растений и от их содержания зависит плодородие почвы. Особую роль в питании растений играет N, P и K. Азот в почве представлен нитратами, аммонийными солями, входит в состав почвенного воздуха и гумуса. Многие соединения азота подвижны, легко вымываются. Недостаток азота, а также фосфора и калия в почве компенсируют органическими и минеральными удобрениями.
Для нормального роста и развития растениям необходимы свет, тепло, вода, воздух и питательные вещества. Все эти условия жизни для растений равноценны и незаменимы. В почвах элементы питания растений находятся в составе минералов, органических и органо-минеральных соединений твердой фазы почв, в почвенных растворах (в основном в ионной форме) и в газовой фазе почв. В результате поглощения питательных элементов растения формируют корневые и надземные массы, которые используются людьми как продукты питания, корм для животных или как сырье для промышленности (клубни картофеля, зерно, лен и т. д.).
В почвах содержатся практически все элементы периодической системы д. И. Менделеева, но для питания растениям наиболее необходимы 19 элементов: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Мg, Fе, Мn, Сu, Zn, Мо, В, С1, Nа, Si, Со. Из них 16 элементов, кроме С, Н, О, относятся к минеральным. Углерод, водород и кислород поступают в растения преимущественно в виде СО2, О2 и Н2О. Необходимость натрия, кремния и кобальта не для всех растений установлена.
Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Углерода содержится в среднем 45 % от сухой массы тканей растений, кислорода —42, водорода — 6,5, азота — 1,5 %. Их сумма составляет 95 %. Оставшиеся 5 % приходятся на зольные элементы: Р, S, К, Са, Мg, Fе, Si, Na и др. Они называются так потому, что преобладают в золе растений.
Химический состав золы является показателем валового количества усвоенных растениями из почвы зольных элементов питания. Их выражают в оксидах или в элементах по отношению к массе сухого вещества, или к массе золы в процентах.
Валовой химический состав растений значительно отличается от валового состава почвы вследствие избирательности растений к поглощению отдельных элементов для формирования урожая. В растениях всегда больше азота, фосфора и калия. В естественных биоценозах питательные элементы, усвоенные растениями и другими живыми организмами, снова возвращаются в почву после их отмирания и перегнивания, поэтому, как правило, обеднения почвы питательными элементами не происходит. Устанавливается их относительное природное равновесие, характерное для разных типов почв. На пахотных же землях после уборки урожая в почву возвращается только часть поглощенных растениями минеральных элементов. Кроме азота и зольных элементов, называемых в агрономической практике макроэлементами, в составе растений присутствуют микроэлементы, содержание которых составляет приблизительно 0,001 % сухой массы тканей (В, Сu, Со, Zn, Мо и др.). Они играют очень важную роль в обмене веществ растительного организма.
В агрономических целях для характеристики условий питания растений определяют валовое содержание элементов в почве, ближайший для растений резерв доступных элементов и количество непосредственно усвояемых элементов из почвы. Обеспеченность почв усвояемыми питательными элементами может быть выражена по отношению к разным сельскохозяйственным культурам в связи с тем, что они поглощают неодинаковое их количество. По этому признаку сельскохозяйственные культуры делят на три группы.
1. Культуры невысокого выноса питательных элементов (зерновые).
II. Культуры повышенного выноса (кормовые культуры, картофель).
III. Культуры большого выноса (овощные, некоторые технические культуры, чайный куст, цитрусовые, виноград).
Азот и зольные элементы растения поглощают преимущественно в виде ионов из почвенного раствора и твердой фазы почв (Са, К, А1, Fe, НРО4, С1, SО4 и др.). Питательные вещества растения извлекают избирательно из почвенного раствора физико-химической адсорбцией их на внешней поверхности корней или в результате контактного ионного обмена с твердой фазой почв.
Валовое количество азота в почвах составляет 0,1—0,5 % (от 2 до 10 т/га в пахотном слое 0—20 см). В почвообразующих породах азота почти нет. Почвенный азот находится в основном в составе органического вещества — гумуса (часть его процентного содержания). Этот азот растениям недоступен. Однако в течение теплого времени года часть гумуса (1—2 % его содержания) разлагается микроорганизмами и азот высвобождается в доступной для растений форме.
Основную роль в азотном питании растений играют минеральные формы азота: окисленная (NO3 и восстановленная (NH4). Минерального азота содержится в среднем от 50 кг/га в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв, до 100 кг/га и более — в черноземах, что составляет 0,5—1 % валового количества азота в почвах. За вегетационный период растениями усваивается около 40 % минерального азота.
Аммонийный азот образуется в почвах в результате жизнедеятельности аммонифицирующих гетеротрофных микроорганизмов, превращающих органический азот растительных и животных остатков, а также азот гумуса в NH4.
Образование нитратного азота в почвах обязано биологическому окислению NH3 (NН4) до NO3 в результате микробиологического процесса нитрификации, осуществляемого двумя группами автотрофных бактерий. Бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты, а — азотистую кислоту до азотной.
В лесных почвах процесс нитрификации подавлен; в них преобладает аммонийный азот. При распашке лесных почв процесс нитрификации активизируется, количество нитратного азота в пахотных почвах, как правило, преобладает над аммонийным. Содержание нитратного азота в пахотных почвах зависит от типа почв, степени их окультуренности и состава глинных минералов. Наиболее полное представление о содержании минерального азота в почвах перед посевом дает сумма всех трех групп азота нитратного и аммонийного в слое 0—100 см в западных районах России, 0—60 см — в восточных районах европейской части России и 0—40 см — в Средней Сибири, так как в слоях этой мощности наблюдается большей частью миграция нитратов в суглинистых почвах. Из этих слоев наиболее вероятно также усвоение минерального азота корнями растений.
Фосфор является «дефицитным» элементом, так как в мире запасы фосфатного сырья (апатитов и фосфоритов) для производства фосфорных удобрений невелики. Наряду с этим содержание валового фосфора (Р2О5) в почвах низкое — 0,05—0,25 % (от 1 до 5 т/га в пахотном слое 0—20 см). Основное его количество растениям труднодоступно, а фосфор удобрений сильнее, чем азот и калий, закрепляется почвами в неподвижные формы. Естественных путей возобновления запасов фосфора в отличие от азота в почвах нет.
Содержание разных форм соединений фосфора в почвах, их количество зависит от типа почв, минералогического и гранулометрического составов, содержания гумуса, изменяется по генетическим горизонтам и в динамике. Часть фосфора содержится в твердой фазе почв в адсорбированном состоянии, в почвенных растворах (0,1—0,3 мг/л) в виде фосфат-ионов (в основном Н2PO4) и которые входят в состав групп фосфатов, наиболее доступных растениям.
Валового калия (К в почвах больше, чем азота и фосфора, вместе взятых, — 1,5—2,5 % (30—50 т/га в пахотном слое), что зависит от минералогического, гранулометрического составов и содержания гумуса. Основное количество калия находится в трудно доступных для питания растения формах. Главным источником усвояемого калия служат обменно-поглощенные и водорастворимосолевые его формы. Обменный калий составляет 0,5—1,5 % валового. В почвенных растворах Нечерноземной зоны России содержится 30—40 мг/л калия (К2О). Количество обменного калия изменяется по генетическим горизонтам почв. Растения усваивают 10—20 % калия от его обменных форм.
Микроэлементы (бор, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, йод и др.) играют важную биохимическую и физиологическую роль в жизни растений, а также животных и человека. Неблагоприятным является как недостаток микроэлементов в питании, так и их избыток.
Недостаток в кормах кобальта вызывает беломышечную болезнь у овец, недостаток йода в пище человека — заболевание щитовидной железы, цинка — кожные заболевания. Недостаток в почве подвижного бора приводит к сердцевинной гнили корнеплода сахарной свеклы, а у капусты — к рыхлости кочана, недостаток меди — к недоразвитию метелки у овса и пустозерности. Высокая концентрация в почве меди и низкая — цинка способствует заболеванию яблони розеточностью. Избыток в пище человека молибдена приводит к развитию подагры, бора в кормах — к пневмонии и нервным расстройствам овец, бора в почвах — к побурению листьев люцерны.
Известна приуроченность микроэлементов к первичным минералам: Со, Zn — к авгиту, биотиту, ильмениту, роговой обманке; Сu — к биотиту, апатиту, гранату, авгиту, полевым шпатам; В — к турмалину и т. д.
В географическом плане содержание микроэлементов в почвах и материнских породах европейской территории России в целом повышается в южном направлении от зоны подзолистых почв к каштановым. В Нечерноземной зоне отмечается повышение количеств меди, кобальта и марганца от центральных областей к Уралу.
В почве содержатся также токсичные для растений элементы: хлор, натрий, марганец, алюминий. Повышенное их содержание делает почву засоленной. В небольших количествах в почве представлены радиоактивные элементы, обуславливающие её природную и искусственную радиоактивность. Природная радиоактивность почвы зависит от содержания в ней урана, тория, радия и др. Искусственная радиоактивность вызвана использованием человеком атомной энергии, средств химической защиты и пр.
Контрольные вопросы:
1. Какие первичные минералы широко распространены в почвах?
2. Какие минералы называются вторичными и какова их роль в почвообразовании?
3. Что называется гранулометрическим составом?
4. Какое влияние оказывает гранулометрический состав на почвообразование?
5. Назовите принципы классификации почв по гранулометрическому составу.
6. В чём обнаруживается сходство и различие почв и пород по химическому составу?
7. Какие элементы преобладают в почвах?
8. Как влияет химический состав почв и пород на почвообразование?
9. Чем вызывается естественная и искусственная радиоактивность почв?
10. Назовите токсичные для растений элементы, содержащиеся в почве.