Содержание

Введение

1. Два случая разложения органических веществ в лесных экосистемах и лесных почвах (гумификация и минерализация)

2. Основные реакции и процессы, происходящие в почвах с участием химических элементов

3. Классификация почв по гранулометрическому (механическому составу). При каком соотношении глинистых и песчаных частиц почва считается тяжелой по гранулометрическому составу (9:1, 1:2, 2:3, 1:4)

Заключение

Список литературы

Введение

1. Два случая разложения органических веществ в лесных экосистемах и лесных почвах (гумификация и минерализация)

ГУМИФИКАЦИЯ (от лат. humus - земля, почва и фикация), биохимический процесс превращения продуктов разложения органических остатков в гумус при участии микроорганизмов, влаги и кислорода атмосферы. Касьяненко А.А. Почвоведение. - М.: Инфра-М, 2003.

Гумус (humus) - слово латинское, буквально оно переводится как земля, почва. В почвоведении этим термином обозначают специфическую группу высокомолекулярных темноокрашенных веществ, образующихся в процессе разложения органических остатков в почве. Эти соединения синтезируются из продуктов распада и гниения отмерших растительных и животных тканей.

Тот, кто хоть раз копал землю, знает, что верхний слой почвы более темный, чем нижние горизонты. В нем много мелких корешков и перегноя - размельченных полуразложившихся растительных остатков, перемешанных с минеральной почвой. Все эти остатки, перегнивающие в почве,- материал, из которого при участии почвообитающих микроорганизмов и животных формируются новые органические соединения, очень устойчивые, в которых сосредоточено большое количество элементов минерального питания растений. Это и есть гумус.

В разных природных областях гумусированный слой почвы имеет разную глубину и окраску. Например, в Подмосковье он темно-серого цвета, толщиной всего несколько сантиметров. А в тучных черноземах Украины гумусовый горизонт черный, его мощность более метра.

Плодородие почвы зависит от наличия в ней необходимых питательных веществ в доступной для растений форме. Так вот, гумусовые соединения - это резерв питательных элементов. Они очень медленно разлагаются, переходят в формы, доступные для растений и полностью поглощаются корнями. За счет гумуса почва способна давать стабильные урожаи в течение длительного времени. Постепенно этот резерв истощается, и если новообразование гумуса по каким-либо причинам идет медленнее, чем его трата, урожайность начинает снижаться, что мы и наблюдаем на землях, которые интенсивно эксплуатируются и при этом неправильно обрабатываются и удобряются. Один из наиболее крупных исследователей почвенного гумуса С. А. Ваксман писал: "Гумус - продукт живой материи...резерв и стабилизатор органической жизни на Земле".

Почвенный гумус, как мы уже говорили это комплекс разных химических соединений, в котором выделяют несколько групп, различающихся по химическому составу, свойствам, степени устойчивости в почве. Например, темную окраску ему придают гуминовые кислоты, наиболее устойчивые, и долго живущие в почве компоненты гумуса. В черноземных почвах их содержание очень высоко. А в подзолистых преобладают так называемые серые гуминовые кислоты и фульвокислоты - более подвижные, быстрее разлагающиеся в почве. Поэтому-то в Нечерноземной зоне гумусовый горизонт светлый и маломощный. Вронский В.А. Прикладная экология. - Ростов-на-Дону.: Феникс, 2004. - с. 275.

Процессы гумификации очень сложны, их скорость и характер определяются многими причинами: ландшафтно-климатическими условиями, составом растительности, микробным и животным населением почвы. Превращение остатков растений в перегной связано с измельчением растительных тканей и перемешиванием их с минеральными частицами. На этом этапе большую роль играют почвенные животные, питающиеся такими остатками и роющие подземные ходы и норы. Отмершие части растений сначала становятся добычей крупных беспозвоночных, которые отрывают, размельчают и растирают большие частицы. В мертвых растительных тканях много клетчатки и лигнина. Эти соединения очень медленно разлагаются в почве и плохо перевариваются в кишечнике животных, но после переработки в кишечном тракте беспозвоночных они сильно размельчаются и обогащаются выделениями. Затем в земле их быстро заселяет почвенная микрофлора, продолжая дальнейшее разрушение и разложение. Некоторые группы животного населения почвы способны к очень активному разложению клетчатки с помощью симбиотических микроорганизмов. К ним относятся, например, мокрицы, многоножки, слизни, улитки, личинки многих насекомых.

При отсутствии животных разрушение растительных тканей резко замедляется. Отмершие корни люцерны, например, длительное время сохраняют свою структуру, а если заселить их личинками мушек-сциарид, то всего за несколько дней превращаются в аморфную темную массу.

Существует тесная связь между обилием почвенных животных и активностью гумусообразования. Для формирования высококачественного гумуса важное условие - достаточная аэрация почвы. Животные же постоянно формируют систему ходов, которые постоянно прочищаются и поддерживаются их обитателями. Эта система ходов создает вентиляцию и обеспечивает проникновение кислорода в глубокие горизонты почвы, и благодаря этому там могут развиваться аэробные процессы.

Деятельность животных оказывает также известное влияние и на кислотность почвы. Например, дождевые черви в процессе обмена веществ выделяют большое количество углекислого кальция. При высокой численности червей этот кальций существенно изменяет кислотность почвы, приближая ее к нейтральной реакции. Некоторые многоножки и мокрицы имеют толстый хитиновый панцирь, пропитанный кальцием. Во время линек или после гибели животных их панцири разрушаются, и кальций включается в обменные почвенные процессы. В лесостепных дубравах, где многоножки-диплоподы очень многочисленны, поступление кальция из их панцирей составляет до 50 кг на га в год. Многие почвенные животные в ходе обмена веществ выделяют ряд активных соединений, которые непосредственно участвуют в реакциях, ведущих к формированию гумусовых веществ.

Среди микроорганизмов важнейшее значение в формировании гумуса имеют бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы. В клетках некоторых актиномицетов образуются специфические темноокрашенные соединения, молекулы которых при взаимодействии друг с другом формируют гумусовые вещества. Актиномицеты способны синтезировать фульвокислоты. Такие широко распространенные в почве грибки, как пенициллы и аспергиллы, участвуют в начальных стадиях гумификации растительных остатков.

Микроорганизмы осуществляют и разложение гумуса в почве. Это - плесневые грибки, актиномицеты, дрожжи, термофильные бактерии. Разложение и минерализация гумуса ускоряются при недостатке органического материала, богатого азотом.

Ученые-почвоведы различают разные типы гумуса, отличающиеся по своим свойствам и особенностям формирования. Наиболее низкокачественный гумус - так называемый сырой или грубый кислый гумус - "мор". Он образуется при низких температурах, избытке влаги или в бедных почвах. Мор содержит много полуразложившихся растительных остатков. Основные агенты его формирования - грибы. Нужно отметить, что грибы выделяют вещества, создающие кислую реакцию почвы. Тем самым они препятствуют поселению животных и замедляют темпы размельчения растительных тканей. В результате в гумифицированной массе остается много крупных частиц, богатых лигнином и клетчаткой, удерживающих большое количество элементов питания, что делает такой гумус малопродуктивным.

Тонкое размельчение растительных остатков животными, выделение ими слизистых и щелочных продуктов в массу разлагающейся органики приводят к образованию тонкозернистого высококачественного "сладкого гумуса", или "мулля". Myлль формируется в почвах при высоком обилии дождевых червей. Большое значение имеет выделение червями слизи, склеивающей органические и минеральные частицы. Из них формируются устойчивые водопрочные почвенные агрегаты, которые долгое время не распадаются и образуют зернистую структуру почвы.

Существуют и другие переходные типы гумуса. Их формирование во многом зависит от состава и активности почвенных организмов и запаса органического материала в почве.

На полях почва быстро истощается, содержание гумуса в ней снижается. А причина в том, что вместе с урожаем убирают и резерв органического материала, в котором аккумулированы продукты минерального питания растений. Уменьшается и количество животных, а вслед за этим снижается активность гумусообразования. В почве начинается минерализация имеющегося в ней запаса гумуса, а после его истощения происходит падение почвенной продуктивности (таяние гумуса). Внесение больших доз минеральных удобрений не может компенсировать снижения природного почвенного плодородия, поскольку растения усваивают лишь незначительную часть их. А избыточные концентрации удобрений в почвенном растворе и в сочных тканях растений снижают качество сельскохозяйственной продукции. Широкую печальную известность приобрели нитратные отравления овощами и фруктами, выращенными в условиях завышенных норм минеральных удобрений.

Для сохранения естественного почвенного плодородия и для повышения урожайности прежде всего необходимо внесение органических удобрений. Только они могут компенсировать потери органического материала, изымаемого при сборе урожая. Обогащение почвы органикой приводит и к активизации деятельности микроорганизмов и животных, участвующих в процессах гумификации, что также способствует формированию гумусового резерва и поддержанию его баланса.

В последние годы в нашей стране, как и во многих других странах, начато производство "биогумуса" - высококачественного органического удобрения, полученного при переработке дождевыми червями разных органических остатков (навоз, коммунальные отходы, отстойные илы и др.). Это - относительно дорогое удобрение, полученное в условиях промышленного культивирования червей. Однако для личных хозяйств закрытого грунта, где интенсивно эксплуатируется небольшая земельная площадь, это с лихвой окупится высокими урожаями экологически чистой продукции при сохранении биопотенциала почвы.

Разложение азотистых и безазотистых органических веществ в почве представляет собой процесс минерализации.

Разложение и минерализация органических веществ происходит при деятельном участии микроорганизмов почвы, причем этот процесс может протекать аэробно -- при обилии кислорода воздуха, необходимого для жизни аэробных бактерий, и анаэробно -- без кислорода, с помощью гнилостных бактерий. В первом случае органические вещества распадаются и окисляются без выделения дурнопахнущих газов. Минерализация конечных продуктов распада азотсодержащих белковых веществ осуществляется при участии нитрифицирующих бактерий, открытых С. Н. Вернадским; одна группа бактерий (Nitrosomnas) превращает аммиак в нитриты, а другая (Nitrobacter) переводит нитриты в нитраты, т. е. в селитру. Во втором случае (анаэробный процесс) распад органических веществ происходит под влиянием гнилостных бактерий и сопровождается выделением зловонных газов: аммиака, сероводорода, метана и др.

В гигиеническом отношении предпочтителен аэробный процесс разложения органических веществ, при котором не образуются дурнопахнущие газы, портящие воздух и воду. Для этого необходимо, чтобы почва не переполнялась нечистотами до границ, препятствующих достаточному доступу кислорода,- необходимого, как уже указывалось, для окислительных процессов и поддержания жизни аэробных бактерий.

2. Основные реакции и процессы, происходящие в почвах с участием химических элементов

Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах, но и в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних почвенных горизонтов к нижним и увеличение интенсивности преобразования компонентов материнской породы от нижних горизонтов к верхним.

В твердой части почвы преобладают минеральные вещества литогенного происхождения. Это различные по размеру обломки и частички первичных минералов (кварца, полевых шпатов, роговых обманок, слюды и др.), формирующихся в процессе выветривания вторичных минералов (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.) и горных пород. Размеры этих обломков и частичек разнообразны - от 0,0001 мм до нескольких десятков см. Этим разнообразием размеров обуславливается рыхлость сложения почвы. Основную массу почвы составляет обычно мелкозем - частицы с диаметром менее 1 мм. Новиков Ю.В. Природа и человек. - М.: Дело, 2004. - с. 157.

Минералогический состав твердой части почвы во многом определяет ее плодородие. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, К, Mg, Ca, С, N, Р, S, значительно меньше микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, Pb и др. Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно увлажняемых территорий, содержится значительное количество карбоната кальция CaCO3 (особенно если почва образовались на карбонатной породе), в почвах засушливых областей - CaSO4 и другие более легко растворимые соли (хлориты); почвы, влажных тропических областей обогащены Fe и Al. Однако реализация этих общих закономерностей зависит от состава почвообразующих пород, возраста почв, особенностей рельефа, климата и т.д.

В состав твердой части почвы входит и органическое вещество. В почве есть две группы органических веществ: попавшие в почву в виде растительных и животных остатков и новые, специфические гумусовые вещества, возникшие при преобразовании этих остатков. Между этими группами почвенного органического вещества - постепенные переходы, в соответствии с этим содержащиеся в почве органические соединения также разделяются на две группы.

К первой группе относятся соединения, содержащиеся в большом количестве в растительных и животных остатках, а также соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, смолы и др. Эти соединения в сумме составляют всего 10-15% от всей массы органического вещества почвы.

Вторая группа органических соединений почвы представлена сложным комплексом из гумусовых веществ, или гумуса, возникшего в результате сложных биохимических реакций из соединений первой группы. Гумусовые вещества составляет 85-90% органической части почвы, они представлены сложными высокомолекулярными соединениями кислотного характера. Главными группами гумусовых веществ являются гуминовые кислоты и фульвакислоты. В элементном составе гумусовых веществ важную роль играют углерод, кислород, водород, азот и фосфор. В гумусе содержатся основные элементы питания растений, которые под воздействием микроорганизмов становятся доступными для растений. Содержание гумуса в верхнем горизонте разных типов почв колеблется в широких пределах: от 1% в серо-бурых пустынных почвах до 12-15% в черноземах. Разные типы почв отличаются характером изменения количества гумуса с глубиной.

В почве есть и промежуточные продукты разложения органических соединений первой группы.

При разложении органических веществ в почве содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. В естественных условиях они являются основным источником азотного питания растительных организмов. Многие органические вещества участвуют в создании органо-минеральных структурных отдельностей (комочков). Возникающая таким образом структура почвы во многом определяет ее физические свойства, а также водный, воздушный и тепловой режимы.

Жидкая часть почвы или, как ее еще называют, почвенный раствор - это содержащаяся в почве вода с растворенными в ней газами, минеральными и органическими веществами, попавшими в нее при прохождении через атмосферу и просачивании через почвенную толщу. Состав почвенной влаги определяется процессами почвообразования, растительностью, общими особенностями климата, а также временем года, погодой, деятельностью человека (внесение удобрений и др.).

Почвенный раствор играет огромную роль в почвообразовании и питании растений. Основные химические и биологические процессы в почве могут идти только при наличии свободной воды. Почвенная вода является той средой, в которой происходит миграция химических элементов в процессе почвообразования, снабжение растений водой и растворенными элементами питания. Химические процессы в экосистемах: Проблемы и перспективы. - Новосибирск.: СибГУПК, 2004. - с. 139.

В незасоленных почвах концентрация веществ в почвенном растворе невелика (обычно не превышает 0,1%), а в засоленных почвах (солончаках и солонцах) - она резко увеличена (до целых и даже десятков процентов). Высокое содержание веществ в почвенной влаге вредно для растений, т.к. это затрудняет поступление в них воды и питательных веществ, вызывая физиологическую сухость.

Реакция почвенного раствора в почвах разных типов неодинакова: кислую реакцию (pH < 7) имеют подзолистые, серые лесные, торфяные почвы, красноземы, желтоземы, щелочную (pH>7) - содовые солонцы, нейтральную или слабощелочную (pH = 7) - обыкновенные черноземы, луговые и коричневые почвы. Слишком кислый и слишком щелочной почвенный раствор отрицательно влияет на рост и развитие растений.

Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры почвы, не занятые водой. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60% объема почвы. Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения, пары воды и пр. существенно отличается от атмосферного и определяется характером множества протекающих в почве химических, биохимических, биологических процессов. Состав почвенного воздуха не постоянен, в зависимости от внешних условий и времени года он может существенно меняться. Например, количество углекислого газа (CO2) в почвенном воздухе значительно меняется в годовом и суточном циклах вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями растений.

Между почвенным и атмосферным воздухом происходит постоянный газообмен. Корневые системы высших растений и аэробные микроорганизмы энергично поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Избыток CO2 из почвы выделяется в атмосферу, а атмосферный воздух, обогащенный кислородом, проникает в почву. Газообмен почвы с атмосферой может быть затруднен либо плотным сложением почвы, либо ее избыточной увлажненностью. В этом случае в почвенном воздухе резко уменьшается содержание кислорода, и начинают развиваться анаэробные микробиологические процессы, приводящие к образованию метана, сероводорода, аммиака и некоторых других газов. Реймерс Н.Ф. Почвоведение: теория, законы, правила, принципы и гипотезы. - М.6 Дрофа, 2004. - с. 289.

Кислород в почве необходим для дыхания корней растений, поэтому нормальное развитие растений возможно только в условиях достаточного доступа воздуха в почву. При недостаточном проникании кислорода в почву растения угнетаются, замедляют свой рост, а иногда и совсем погибают.

Огромное значение кислород в почве имеет и для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, большинство из которых относится к числу аэробов. При отсутствии доступа воздуха деятельность аэробных бактерий прекращается, а в связи с этим прекращается и образование в почве необходимых для растений питательных веществ. Кроме того, в анаэробных условиях возникают процессы, которые приводят к накоплению в почве вредных для растений соединений.

Иногда в составе почвенного воздуха могут присутствовать некоторые газы, проникающие через толщи горных пород из мест их скопления, на этом основаны специальные газовые геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов и почвенных животных. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет принадлежность ее к биокосным природным телам - важнейшим компонентам биосферы.

3. Классификация почв по гранулометрическому (механическому составу). При каком соотношении глинистых и песчаных частиц почва считается тяжелой по гранулометрическому составу (9:1, 1:2, 2:3, 1:4)

Минеральная часть почвы состоит из мельчайших обломков горных пород и минералов, которые называются механическими элементами. По величине они подразделяются на две основные фракции, каждая из которых состоит из частиц различной крупности - фракцию физического песка, диаметр частиц которой превышает 0,01 мм и фракцию физической глины с размером частиц менее 0,01 мм (табл. 1).

Соотношение содержания в почве фракции физической глины и физического песка определяет ее название по гранулометрическому составу (табл. 2). http://www.distedu.ru/edu7/p11 - Классификация почв по гранулометрическому составу

Таблица 1 Классификация механических элементов почвы по Н.А. Качинскому

Таблица 2 Классификация почв по гранулометрическому составу

В составе почвы иногда могут содержаться механические элементы диаметром крупнее 1 мм: гравий (1-3 мм) и камни (>3 мм). Наличие их в почве отмечается отдельно (табл. 3).

Отвечая на поставленный вопрос: при каком соотношении глинистых и песчаных частиц почва считается тяжелой по гранулометрическому составу (9:1, 1:2, 2:3, 1:4), необходимо сослаться на таблицу 2 - Классификация почв по гранулометрическому составу. Из таблицы видно, что тяжелосуглинистая почва соответствует следующему соотношению песчаных и глинистых частиц: песок - 60%, глина - 40%. Таким образом можно сделать вывод, что почва считается тяжелой по гранулометрическому составу при соотношении глинистых и песчаных частиц 2:3.

Заключение

1. Вронский В.А. Прикладная экология. - Ростов-на-Дону.: Феникс, 2004.

2. Касьяненко А.А. Почвоведение. - М.: Инфра-М, 2004.

3. Новиков Ю.В. Природа и человек. - М.: Дело, 2004.

4. Реймерс Н.Ф. Почвоведение: теория, законы, правила, принципы и гипотезы. - М.6 Дрофа, 2004.

5. Химические процессы в экосистемах: Проблемы и перспективы. - Новосибирск.: СиьГУПК, 2004.

6. http://www.distedu.ru/edu7/p11 - Классификация почв по гранулометрическому составу