Минеральная и органическая часть почв

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Почва - особое природное образование, обладающие рядом свойств, присущих живой и неживой природе, сформировавшееся в результате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным взаимообусловленным взаимодействием гидросферы, атмосферы, живых и мертвых организмов. Почвенный покров - важнейшее природное образование. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой источник продовольствия, обеспечивающий 95-97 % продовольственных ресурсов для населения планеты.

Особое свойство почвенного покрова - его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур. Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтезирующей деятельности.

Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито- и зоомассы. Продуктивность наземных экосистем зависит от теплового и водного балансов земной поверхности, которые определяют многообразие форм обмена энергией и веществом в пределах географической оболочки планеты.

В данной работе предметом изучения является твердая фаза почвы. Объект изучения - минеральная и органическая части почвы.

Целью данной работы является глубокое изучение состава почвы. Для достижения поставленной цели в данной работе были поставлены следующие задачи:

· Раскрыть и изучить минералогический и гранулометрический составы почвы;

· Уточнить какое влияние оказывает механический состав на свойства почвы;

· Изучить природу органического вещества почвы;

· Выявить источники органического состава почвы и их состав;

· Рассмотреть процессы превращения органических остатков в почве;

· Выяснить роль органического вещества в образовании почвы и создании ее плодородия.

1. Минеральная часть почв

Минеральная часть почвы -- это разного размера частицы разрушившихся каменных горных пород (разрыхленная горная порода, на которой образуется почва, называется материнской породой).

1.1 Минералогический состав почвы

Почвообразующие породы представляют собой смесь продуктов химического и физического выветривания, т.е. смесь первичных и вторичных минералов.

Минерал - это однородное в химическом отношении тело, обладающее постоянством химического состава и определенными физическими свойствами.

По физическому состоянию минералы бывают твердые, жидкие и газообразные. Многие минералы имеют определенную форму и являются кристаллическими. Большинство минералов аморфны. Кристаллы ряда минералов анизотропны, т.е. различаются по своим свойствам в различных направлениях (твердость, теплопроводность и электропроводность и др.). В горных породах минералы встречаются в определенных сочетаниях различными группами, образовавшимися в однородных условиях. Количество первичных минералов, встречающихся в изверженных породах, достигает более 3000. Содержание того или иного минерала в рыхлой породе зависит от их физических и химических свойств.

Таким образом, 92 % общей массы изверженных пород состоит из 4-х групп минералов: полевых шпатов, роговых обманок и пироксенов, кварца и слюды. Из них наибольшей механической прочностью обладает кварц, затем следуют полевые шпаты, роговые обманки и пироксены, слюды. В связи с этим при физическом выветривании они дробятся с различной скоростью. Более прочные будут разрушаться медленнее, и сохраняться в виде более крупных частиц. Менее прочные минералы будут дробиться сильнее и быстрее переходить в более мелкие гранулометрические фракции.

По мере перехода к более мелким фракциям содержание кварца и полевых шпатов уменьшается, и увеличивается содержание менее прочных минералов.

Кварц - считается минералом, вполне устойчивым к химическому выветриванию. Сравнительно медленно подвергаются химическому выветриванию полевые шпаты. Средние и основные полевые шпаты отличаются меньшей устойчивостью, чем кислые.

Слюды - (мусковит и биотит) легче, чем предыдущие подвергаются химическому выветриванию.

Роговые обманки и пироксены представляют собой минералы, которые легко изменяются вследствие воздействия на них химических агентов.

Первичные минералы.

Минералы, входящие в состав почв, делятся на две группы: 1) первичные и 2) вторичные. Первичные минералы образуются вследствие выветривания магматических и метаморфических пород, вторичные - из первичных.

Из первичных минералов наиболее распространенными являются минералы, включающие кислородные соединения кремния (кварц, полевые шпаты, пироксены и слюды).

Первичные минералы различаются между собой химическим составом и строением кристаллической решетки, что и предопределяет их неодинаковую устойчивость против выветривания.

Строение кристаллической решетки минералов в значительной степени зависит от объема составляющих ее ионов, или если считать, что форма ионов шарообразная, то от величины их радиусов. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы, объем катионов и анионов определяет их взаимное расположение. Образование устойчивой структуры происходит при условии, что каждый катион соприкасается с окружающими его анионами. Число ионов противоположного знака, окружающих данный ион называется координационным числом. Величина координационного числа зависит от соотношения радиуса ионов.

Минералы, в которых ион Si4+ замещается ионом Fe3+ , называются феррисиликатами. Изоморфные замещения происходят в кристаллической решетке в период ее образования, качество и количество замещающих ионов зависит от состава и концентрации окружающего раствора.

Вторичные минералы.

Как отмечалось раньше, в результате химического выветривания первичные минералы изменяют свой состав и внутреннюю структуру. Выветривание в первую очередь затрагивает поверхность минералов, поэтому с их измельчением возрастает суммарная поверхность, и процессы разрушения ускоряются.

Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве, являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.

Гидратация - это притяжение молекул воды к поверхности минералов. Вследствие полярности молекул воды она представляет собой диполь. При измельчении минералов часть зарядов ионов кристаллической решетки высвобождаются, к ним притягиваются молекулы воды тем конусом, который имеет противоположный заряд. Диполи воды стремятся “выдернуть” ионы из кристаллической решетки минерала, вследствие чего происходит ее расшатывание и разрыхление.

Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н+ - ионы воды. Схематически данная химическая реакция для полевого шпата описывается следующим образом:

.

Присутствие в минералах Fe2+ также способствует выветриванию, так как окисление Fe2+ до Fe3+приводит к изменению объемов, занимаемых ионами в кристаллической решетке, что вызывает в конечном итоге ее разрушение.

Наибольшей устойчивостью обладает кварц, на состояние которого большинство описанных реакций заметного влияния не оказывают, однако и он в некоторой степени подвергается гидратации.

При полном разрушении силикатов образуются простые продукты выветривания: гидрата окислов Fe, Al, одно- и двухвалентных оснований, гидрат окиси кремния (кремниевая кислота) и некоторые другие кислоты - угольная, серная, соляная, фосфорная и другие, образующиеся при окислении элементов, содержащихся в горных породах.

Высвободившаяся при выветривании кремниевая кислота при слабокислой реакции частично переходит в состояние геля (SiO2nH2O), при слабощелочной - золя. В дальнейшем аморфный кремнегель может терять воду и закристаллизоваться, образуя вторичный кварц. Кроме этого, часть кремниевой кислоты может образовывать с основаниями растворимые в воде соли, которые впоследствии могут быть вымыты. В коллоидном и растворенном состоянии кремниевая кислота может вступать в реакцию с полуторными окислами, образуя при этом сложные соединения. Аморфные соединения, содержащие SiO2 и R2O3 в разных соотношениях называются аллофонами.Теряя воду, гидраты полуторных окислов могут постепенно кристаллизоваться, образуя вторичные минералы: лимонит - 2Fe2O3 · 3H2O, гетит - Fe2O3 · H2O, гематит - Fe2O3, гиббсит - Al2O3 · 3H2O, бемит - Al2O3 · H2O.

Освобождающиеся при выветривании основания, реагируя с кислотами, образуют простые соли. Являющиеся вторичными минералами: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты, силикаты. В разной степени растворяясь в воде, они могут накапливаться в условиях засушливого климата.

Помимо простых вторичных минералов, при выветривании могут образовываться вторичные алюмосиликаты и феррисиликаты. Эти минералы входят в состав различных глин и поэтому носят название глинных. Являясь частью почв, они определяют очень важные для развития растений почвенные свойства (поглотительная и обменная способность, кислотность, буферность, водоудерживающая способность и др.). Из большого числа глинных минералов, для почв наибольшее значение имеют группы: каолинита, мантмориллонита и гидрослюд.

Минералы группы каолинита имеют двухслойную кристаллическую решетку, которая состоит из двух слоев: слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров.

В кремнекислородном слое вершины тетраэдров повернуты в одну сторону и являются “кислородными мостиками”, связывающими тетраэдрический и октаэдрический слои: О2Ї одновременно связан с атомами Si4+ и Al3+.

В целом, элементарная ячейка каолинита электронейтральна и соответствует формуле Al4Si4O10(OH)8 или Al2Si2O5(OH)4. При разламывании пакетов боковые поверхности кристаллов имеют ненасыщенные валентности, что может вызывать адсорбцию ионов из окружающего раствора. Расстояние между пакетами каолинита равна 7,2 А0 и не изменяется. Он не впитывает воду в межпакетные пространства и поэтому не набухает. К этой группе минералов относятся, кроме каолита, галлузит (структурная формула Al2Si2O5(OH4) · 2Н2О), метагаллузит (Al2Si2O5(OH)4 · 4Н2О), диккит и накрит.

Монтмориллонит состоит из трехслойных пакетов: октаэдрический слой заключен между двумя тетраэдрическими. Межпакетные расстояния монтмориллонита изменяются от 9,4 до 21,4 А0 и варьируют в зависимости от количества поглощенной воды. Способность монтмориллонита к набуханию значительна. Структура монтмориллонита отвечает химической формуле Al4Si8O20(OH)4 ·nН2О. В этой формуле nН2О - вода, разделяющая пакеты. Кристаллическая решетка электрически нейтральна и содержит по 44 положительных и отрицательных заряда. Минералам группы монтмориллонита характерны разнообразные изоморфные замещения: Si в тетраэдрических слоях может быть частично замещен на Al3+, а аллюминий в октаэдрическом слое замещается Fe2+ и Fe3+, Mg2+ и другими металлами. Например, у минерала бейделлита в отличие от монтмориллонита один из четырех ионов Si4+ тетраэдрического слоя замещен Al3+, появившийся избыточный отрицательный заряд компенсируется ионом гидроксила (Al3Si3O9(OH)3 · nH2O. К этой же группе принадлежит минерал нонтронит с формулой Fe2Si4O10(OH)3 · nH2O, где в октаэдрах ион Al3+замещен на Fe3+.

Из глинных минералов в почвах большое место принадлежит группе гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие гидротизированные слюды. Кристаллическая решетка иллита построена так же, как и у монтмориллонита. Разница состоит в том, что в тетраэдрах часть Si4+ (до 1/4) защищена Al3+. При этом образовавшийся отрицательный электрический заряд компенсируется ионом К+, который прочно связывает пакеты между собой. Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует. Гидробиотит образуется из биотита - слюды темного цвета, в которой все октаэдрические места заняты Mg2+ и Fe2+.

Кроме распространенных индивидуальных глинистых минералов, в природе существуют так называемые смешанно-слоистые минералы, пластинки которых состоят из чередующихся пакетов различных минералов, например, иллита, монтмориллонита и т.д.

Существует так же еще группа вторичных минералов: аллофоны. Они состоят из тетраэдров и октаэдров, но расположены беспорядочно, поэтому вследствие отсутствия кристаллического строения они обладают аморфными свойствами.

Глинистые минералы в природе образуются двумя путями. Первый путь представляет собой постепенное изменение первичных минералов, что приводит к образованию новых форм кристаллических решеток.

Вторичные минералы могут возникать также путем синтеза из простых продуктов распада первичных минералов: полевых шпатов, амфиболов, вулканических стекол и т.д. Образующиеся при распаде вещества вступают между собой в реакции взаимодействия, продукты которых выпадают в осадок.

Известно, что химическое выветривание выражается следующими стадиями:

1) гидратации силиката;

2) окисление закиси железа;

3) постепенного гидролиза - уменьшения содержания щелочей и замене Н+;

4) переход Al из четверной комбинации в шестерную;

5) частичный вынос кремнезема.

Образование слюдоподобных минералов из полевых шпатов происходит вследствие выноса части SiO2, K2O, CaO. Гидратация способствует замещению некоторого количества ионов К+ ионами Н+, что приводит к образованию слюд. Этот процесс можно проиллюстрировать на примере превращения монтмориллонита в гиббсит.

Рис. 1

При отслоении одного тетраэдрического слоя у монтмориллонита приводит к образованию каолинита, при этом ионы кислорода “кислородных мостиков” замещаются гидроксилами. В дальнейшем при присоединении воды каолинитом из него образуется гиббcит и SiO2.

Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов:

1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.),

2) сочетание первичных минералов,

3) температуры,

4) влажности,

5) реакции среды,

6) условий выноса продуктов выветривания,

7) жизнедеятельности организмов.

Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Поэтому более древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования, содержат относительно много минералов группы каолинита, гибсита и гетита, которые являются конечными продуктами выветривания.

Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, а теплый и влажный - ускоряет. В условиях промывного режима происходит вымывание щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема, и, как следствие, из гидрослюд и монтмориллонита образовывается каолинит и галлузит.

Растения, которые в процессе жизни взаимодействуют с почвой (поглощение воды, элементов питания, кислорода, а так же выделение продуктов жизнедеятельности), вносят существенные изменения в состав и свойства почвенного раствора, реакцию среды, значение окислительно-восстановительного потенциала, что в значительной мере оказывает влияние на условия разрушения и синтеза минералов.

Как отмечалось выше, число первичных минералов в природе невелико, поэтому и количество вторичных минералов не отличается большим разнообразием. Наиболее часто встречающимися минералами являются группы гидрослюд (гидробиотит) и монтмориллонита (монтмориллонит, белделлит, нотронит), далее следуют каолинит, галлузит, вермикулит, гиббсит.

Основная масса рыхлых пород состоит из относительно небольшого числа минералов. Из группы первичных минералов в их состав входят кварц, полевые шпаты, слюды и роговые обманки. Из вторичных - слоистые алюмосиликаты, окиси и гидроокиси железа и алюминия.

Так как в различных гранулометрических фракциях преобладают различные минералы, поэтому рыхлые породы, подвергаясь сортировке по фракциям, сортируются также по минералогическому составу. Например, в песках содержатся в основном, первичные минералы (кварц, полевые шпаты), в глинах - вторичные, в суглинках - смесь первичных и вторичных.

Минералогический состав илистой фракций (< 0,001мм) резко отличается от состава более крупных фракций. Из первичных минералов в этой фракции встречается главным образом кварц, который из-за химической устойчивости может сохраниться в виде очень мелких частиц, другие минералы этой группы присутствуют в очень малых количествах. В данной фракции сосредотачивается основная масса вторичных алюмосиликатов - монтмориллонит, каолинит, иллитовые минералы, вермикулит. Сохранность полевых шпатов обуславливается главным образом их механической прочностью, которая позволяет им сохраняться в виде относительно крупных частиц. Этим объясняется небольшое содержание полевых шпатов в составе мелких фракций.

Химические элементы, входящие в состав литосферы, содержатся в ней в неодинаковых количествах. При этом состав литосферы значительно отличается от состава почвы.

Литосфера почти на половину состоит из кислорода - 47,2 %, второе место занимает Si - 27,6 %, потом Al - 8,8 % и Fe - 5,1%. Калий, кальций, магний составляют по 2-3 %, остальные химические элементы составляют менее 1 %. Почвы, по химическому составу, значительно отличаются от литосферы. В них более высокое среднее содержание О и Н, в 20 раз больше С, в 10 - N, меньше, чем в литосфере -Al, Fe, Ca, Na, K и Mg. Состав почв относительно почвообразующих пород более динамичен.

1.2 Гранулометрический состав

Гранулометрическим составов почв и грунтов называется относительное содержание в них частиц различной величины, в весовых процентах, при высушенной при температуре 105 градусов Цельсия почвы.

Механический (гранулометрический) состав оказывает влияние на ряд важных свойств почвы: пористость, водопроницаемость, высоту капиллярного поднятия, величину поглотительной способности, водный, воздушный и тепловой режим почвы, усадку и набухание.

В производственном отношении лучшими являются суглинистые почвы (легко и средне суглинистые).

Песчаные почвы бесструктурны, бедны органическим веществом и зольными элементами питания растений, но хорошо водопроницаемы и легко обрабатываются. Глинистые почвы, наоборот, плохо водопроницаемы, слабо аэрируются, с трудом обрабатываются, образуя глинистую корку, однако богаты зольными элементами.

Содержание почвенных частиц разной величины определяется различными методами гранулометрического анализа. В результате этого выделяются группы частиц определенного размера, так называемые гранулометрические фракции. При этом гранулометрические фракции отличаются минеральным составом и некоторыми свойствами. Согласно Н.А. Качинскому 1 (1957), выделяются следующие группы частиц:

· камни - более 3 мм;

· гравий - от 1 до 3 мм;

· песок - от 0,25 до 1 мм;

· пыль - от 0,001 до 0,25 мм;

· ил (глина) - менее 0,001 мм.

Почвы и грунты большей частью по гранулометрическому составу представляют собой смеси различных частиц. По соотношению содержания частиц различной величины почвы и грунты классифицируются на ряд разновидностей. Наиболее крупные группы этих разновидностей - пески, супеси, суглинки и глины.

Фракции частиц различной величины имеют различный минеральный состав. В европейской части России частицы крупнее 10 мм состоят почти исключительно из обломков пород. Частицы величиной от 10 до 3 мм - обломки пород и отдельные породообразующие минералы. Частицы величиной от 3 до 0,25 мм - исключительно породообразующие минералы, причем с уменьшением размера частиц возрастает процентное содержание кварца. Частицы от 0,25 до 0,01 мм состоят почти полностью из чистого кварца. Частицы мельче 0,001 мм представляют преимущественно смесь глинистых минералов с незначительным количеством гидроксидов железа и некоторых других минеральных образований.

В почвоведении иногда используют термин "физическая глина", под которым понимается сумма частиц менее 0,01 мм. Изучение минерального состава различных гранулометрических фракций почв и почвообразующих пород показывает, что объединение частиц величиной менее 0,01 мм в единую фракцию мало обосновано. Понятие "глина" должно отвечать фракции частиц величиной менее 0,001 мм. Некоторые исследователи относят к глине частицы менее 0,005 мм, что так же не совсем правильно.

Физические свойства гранулометрических фракций также существенно различаются между собой. С уменьшением величины частиц возрастают гигроскопичность, высота капиллярного водоподъема, емкость поглощения. Такие свойства, как пластичность, липкость и набухание, в частицах крупнее 0,005 мм практически отсутствуют.

В природных условиях почвенные частицы находятся не в разъединенном состоянии, а собраны в агрегаты. Поэтому различают агрегатный анализ, в результате которого выявляют процентное содержание в почве агрегатов различной величины, и гранулометрический анализ, проводимый с полным разрушением агрегатов для установления процентного содержания почвенных частиц.

Существует много методов определения гранулометрического состава почв - от предельно простых полевых приемов на ощупь для отнесения почвы к глинистой, суглинистой, супесчаной или песчаной до сложных методов с использованием специальной аппаратуры.

Для разделения песчаных и более крупных частиц используются сита с различной величиной отверстий. Для разделения пылеватых и илистых (глинистых) частиц применяются различные варианты седиментационного анализа. Седиментационный анализ основан на обособлении частиц вследствие неодинаковой скорости осаждения (седиментации) их в воде в зависимости от величины и массы.

Классификация почв по гранулометрическому составу.

В основе классификации почв по гранулометрическому составу лежит соотношение фракций физической глины и физического песка. В классификации, предложенной Н.А. Качинским, учитываются генетические особенности почв.

В указанных в таблице трех типах почвообразования элементарные глинистые частицы обладают различной способностью склеиваться в микроагрегаты -- комочки размером менее 0,25 мм. Способность к агрегированию зависит от содержания в почве ила, гумуса, СаСO3 и др. При одном и том же содержании физической глины в почвах с лучшей агрегированностью и структурностью создаются более благоприятные водные и воздушные свойства, чем в неагрегированных почвах. В суглинистых и глинистых степных почвах содержится больше физической глины, чем в подзолистых почвах и солонцах, поэтому в степных почвах способность к агрегированию выражена лучше.

Согласно приведенной выше классификации, сначала различают почвы по соотношению физической глины и песка, а затем учитывают преобладающие фракции. Полное название почвы по гранулометрическому составу дают с учетом трех фракций: глины, песка и преобладающей фракции. Причем фракцию, имеющую более высокий показатель, ставят в конце названия почвы. Например, если в подзолистой почве содержится 10 % песка, 52 % крупной пыли, 15 % средней и мелкой пыли, 23 % ила, то по гранулометрическому составу она относится к среднесуглинистой иловато-крупнопылеватой. В состав этой почвы входит 35 % физической глины и 65 % физического песка, а преобладающими фракциями являются крупная пыль -- 52 % и ил -- 23 %.

Влияние механического состава на свойства почв.

Механический состав играет чрезвычайно важную роль в почвенной систематике, так как обусловливает многие физические и химические свойства почвы (плотность, гигроскопичность, водопроницаемость, степень выветрелости и т.п.). Почвы, в которых преобладают частицы крупного зерна, называются скелетными, или песчаными; тонкозернистые -- мелкоземистыми, или глинистыми. У нас приняты две группировки почвенных частиц. Одна, более простая (Лоренца, Яковлева и Баранова), различает следующие части почвы: скелет, включающий хрящ (крупный, средний и мелкий) и песок (крупный, средний и мелкий).

По более дробной классификации механических элементов (Фадеева-Вильямса) мелкозём делится на пылеватую часть (крупную, среднюю и мелкую) и иловатую (чешуйчатую).

От механического состава почвы зависит и большая часть ее основных и функциональных физических свойств. Чем мелкоземистее почва, тем, в общем, значительнее ее объёмный вес, твёрдость, связность, влагоёмкость, капиллярность, испаряемость, теплопроводность и поглотительная способность, и тем меньше -- скважность, газопроницаемость и водопроводимость.

Далее в работе мы рассмотрим влияние механического состава на основные свойства почв.

§ Удельная масса почв колеблется обычно между 2000 и 3000 кг/м3.

§ Объёмная масса почв составляет около половины удельной; например, литр чернозёма (с удельной массой 2512) весит 1060 г, т. е. 49,19 % удельной (Ильенков), масса литра песчаной почвы (удельная масса 2690) -- 1536,5 г, т. е. 57,12 % удельной массы и т. п.

§ Скважность, или пористость почв определяется объёмом промежутков между твердыми частицами и обуславливается не столько диаметром последних, сколько их формой; в общем, объем промежутков колеблется между 30% и 60% всего объёма почвы (Вольф, Шюблер и др.).

§ Связность и твёрдость почв определяются сопротивлением их раздавливанию и разрыву. Величина эта сильно варьируется в разных почвах, в зависимости не только от их механического состава, но и от химического состава, от количества циркулирующих в почве растворов (Шлезинг, Майер, Гильгард и др.). её влажности и температуры (при замерзании и увеличении влажности твёрдость почв может увеличиться вдвое).

§ Влагоёмкостью почв (то же -- водоёмкость) называется способность её удерживать в порах определенное количество воды. Различают полную влагоемкость (полное насыщение водой) и неполную, когда вода насыщает лишь капилляры и удерживается лишь силой поверхностного натяжения. Наибольшей влагоёмкостью обладают почвы, богатые гумусом (чернозём поглощает до 50% воды), наименьшей -- пески (около 10 %). В природе наблюдается даже пересыщение почвы, т.е. увеличение их объёма -- набухание, особенно почв мелкоземистых.

§ Влажность почвы есть весовое содержание в ней гигроскопической воды в данный момент. Величина крайне изменчивая: влияют на влажность природа самой почвы, климат, рельеф, характер одевающей растительности и т.п. (Измаильский). Растительный покров уменьшает влажность почвы (Эбермайе, Вольни, Измаильский и др.), близость грунтовых вод -- увеличивает и т.д. Амплитуда колебания влажности одной и той же почве может достигать 50 %.

§ Водопроницаемость, или водопроводимость почв обуславливается, главным образом, их структурой и механическим составом. Немалое влияние оказывает также и растительный покров, уменьшающий просачивание воды сквозь почву иногда на 33% (Вольни, Бюлер); далее влияют влагоёмкость почв, содержание гумуса и др. физико-химические свойства. В последнее время водопроводимость естественных почв на сколько-нибудь значительную глубину (глубже 1-1,5 м) многими оспаривается (Фольгер, Зонтаг, Ярц, Близнин, Головкинский).

§ Капиллярность почв определяется высотой и скоростью поднятия воды снизу, причем оба явления находятся в обратном отношении. Капиллярность зависит, главным образом, от механического состава и строения почвы, а также, в известной степени, от её влажности. В крупнопесчаных почв капиллярность не наблюдается. В мелкоземистых -- высота поднятия воды может достигать 2 м (Вольни).

§ Величина испарения воды из почвы обусловливается натурой почвы и физико-географическими условиями. При благоприятных условиях, поверхность почвы испаряет больше влаги, чем равная ей водная поверхность (Вольни и др.). Испарение происходит либо непосредственно, либо через растения. В последнем случае иссушение почвы совершается быстрее и значительнее (Вольни, Рислер, Вермишев, Близнин и др.). Мелкоземистые почвы испаряют меньше влаги, чем песчаные (Вольни).

§ Электропроводность также сильно зависит от механического, химического состава и влажности. Так как природа проводимости в значительной степени ионная (растворы электролитов), то она повышается при увеличении её солёности и влажности. (уменьшается удельное сопротивление).

Между почвой и атмосферой совершается постоянный обмен газов, причем первая отдает избыток углекислого газа, а вторая снабжает почву кислородом. Скорость обмена зависит от атмосферного давления, циркуляции воды в почве и ветра. Объем почвенного воздуха обыкновенно превосходит объем свободных пор, так как часть его сгущается: песок конденсирует около 23 объёмов воздуха, глина -- до 48.

Тепловые явления в почве связаны с их цветом, механическим составом, влажностью и одевающим растительным покровом. Теплопроводность песчаных почв наивысшая, перегнойных -- наименьшая. Амплитуда колебаний температуры достигает максимума на поверхности, постепенно убывая книзу: суточные колебания близки к нулю на глубине 1-1,5 м, годовые -- на глубине 25-30 м. (Вюлер, Лейст, Близнин, Вильд, Любославский и др.). Глубина промерзания вполне зависит от климатических условий. Иногда промерзание глинистых почв, по-видимому, вызывает образование зернистой структуры (Фадеев).

Среднее место между явлениями химического порядка и чисто физическими занимает поглотительная способность почв, т. е. способность твёрдых их частей удерживать из растворов некоторые основания и кислоты. Особенно энергично поглощаются калий, аммоний и фосфорная кислота, слабее -- кальций, магний, натрий и кислоты: угольная, кремниевая и апокреновая. При этом большую роль играет количество и состав почвенных растворов, составе цеолитной части почвы, механический состав и пр. Большинство исследователей (Уэ, Раутенберг, Петерс, Эйхгорн, Кноп и др.) склонно отнести поглощение к явлениям чисто химическим (реакциям обмена). Однако, еще Либих считал поглощение явлением физическим. Это воззрение в последнее время сильно подкреплено опытами Земятченского над поглотительной способностью измельченного каолина и кварца, а также тем фактом, что почва поглощает и вещества совершенно химически индифферентные, каковы, например, многие красящие вещества (анилин) и т.п.

Как бы то ни было, указанная способность почв играет чрезвычайно важную роль в круговороте питательных веществ: она обогащает глинистую и цеолитную часть почвы питательными веществами в удобоусвояемой для растений форме; разнообразит и регулирует состав почвенных растворов. Коэффициент поглощения выражается обыкновенно или в объемах азота (Кноп), или в процентах аммиака (Вольф), поглощенных почвой из раствора нашатыря.

2. Органическая часть почвы

2.1 Природа органического вещества почвы

Органическая часть почвы представляет собой сложную систему разнообразных веществ, все разнообразие которых можно систематизировать в две основные группы:

1) Органические вещества почвы индивидуальной природы: свежие, неразложившиеся вещества растительного и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву в виде наземного и корневого опада растений. Остатков животного происхождения, в том числе микроорганизмов, состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.); детрит - промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы.

В сумме органические соединения индивидуальной природы составляют в минеральных почвах примерно 10-15 % от общего запаса органических веществ.

2) Гумусовые вещества специфической природы: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы. Эта группа веществ составляет в минеральных почвах до 85-90 % от общего запаса гумуса.

Главная доля в органической части почвы представлена собственно гумусовыми веществами, образование которых осуществляется в процессах сложных превращений исходных растительных и животных остатков.

Органические вещества почвы индивидуальной природы.

Из почвы было выделено и идентифицировано несколько десятков органических соединений. Они представлены различными группами углеводородов, жиров, органических кислот, углеводов, фосфоро- и азотсодержащих производных. Список органических веществ почвы индивидуальной природы включает следующие соединения:

1. Углеводы: пентозы, пентозаны, гексозы, целлюлоза и начальные продукты ее расщепления;

2. Углеводороды: парафин;

3. Органические кислоты жирного ряда и их эфиры: щавелевая, янтарная, сахарная, кротоновая. Лигноцериновая, монооксистеариновая, диоксистеариновая, акриловая, бензойная кислоты;

4. Спирты: маннит;

5. Эфиры: глицериды капроновой и олеиновой кислот;

6. Альдегиды: салициловый альдегид, ванилин;

7. Смолы: смоляне кислоты и их производные;

8. Азотсодержащие соединения: триметиламин, холин, гистидин, аргинин, лизин, цитозин, гипоксантин, ксантин, креатинин. Производные пиридина, ряд моноаминокислот (лейцин и изолейцин, валин, аланин, аспарагиновая).

Разнообразие представителей группы органических соединений индивидуальной природы подкрепляло распространенное в начале XX в. взгляды многих исследователей, рассматривавших гумус почвы как смесь этих соединений. В дальнейшем исследователи переключились на изучение собственно гумусовых веществ; интерес к группе органических соединений индивидуальной природы упал, чему способствовали также далеко не полные представления о роли их в почве - вещества этой группы рассматривались лишь как источник элементов питания растений (азота, фосфора, серы и др.) и как источник углекислоты почвенного воздуха.

Существенным затруднением в изучении органических соединений индивидуальной природы являлось то, что они присутствуют в почве в малых количествах.

Однако в настоящее время вновь отмечается интерес к изучению органических веществ почвы индивидуальной природы; этому способствует применение новых методов исследования, позволяющих обнаруживать и идентифицировать вещества в малых количествах, а также новые факты, говорящие о разнообразных функциях представителей этой группы.

Гумусовые вещества почвы.

Комплекс органических соединений коричневого, бурого и желтого цвета, выделяемых из почвы растворами щелочей, нейтральных солей или органическими растворителями, носит название гумусовых веществ.

Гумусовые вещества - система высокомолекулярных азотсодержащих соединений циклического строения и кислотной природы. Это предопределяет их взаимодействие с минеральной частью почвы и возможность прочного закрепления в ней. Гумусовые вещества гетерогенны по составу, т.е. содержат различные по стадии гумификации компоненты, поэтому их можно разделить на фракции с однородным типом строения. Но с различающейся по составу, размеру частиц, степени подвижности и роли в почвообразовании. В основу классификации гумусовых веществ положены отношение к растворителям и экстрагируемость. Среди гумусовых веществ выделяют три главные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины (негидролизуемый остаток).

Гуминовые кислоты.

Они имеют темно-коричневый или черный цвет. Слаборастворимы в воде, нерастворимы в минеральных и органических кислотах, хорошо растворяются в щелочах. Из щелочных растворов хорошо осаждаются водородом минеральных кислот, а также двух- и трехвалентными катионами.

Содержание углерода в гуминовых кислотах 52-58 %, водорода 3,3-4,8 %, азота 3,6-4,1 и кислорода 34-39 %. Молекулярная масса может достигать десятков и сотен тысяч единиц. Основными компонентами молекулы являются ядро, периферические боковые цепи и функциональные группы.

В группе гуминовых кислот выделяют бурые (ульминовые) гуминовые кислоты, находящиеся в почве преимущественно в свободном состоянии, и черные, которые образуют соли с кальцием и магнием.

Гуминовые кислоты в свободном виде представляют собой черный блестящий порошок игольчатого или зернистого строения. При обработке водой они дают слабые коллоидные растворы буроватого цвета. Со щелочными катионами - натрием, калием, аммонием, литием гуминовые кислот дают соли. Малорастворимые в воде с образованием молекулярных растворов - в тонком слое прозрачны, бурого цвета, в тостом непрозрачны и черного цвета. С двухвалентными катионами кальция, бария, магния и другими, а также с трехвалентными катионами железа и алюминия гуминовые кислот дают соли, нерастворимые в воде.

Фульвокислоты.

Хорошо растворимы в воде, минеральных кислотах и щелочах с образованием растворов соломенно-желтого и оранжевого цвета.

Относятся к группе оксикарбоновых кислот, содержат азот 2,4 %, углерод 45,3 % , водород 5 %, кислород 47,3 %. Содержание углерода и азота в фульвокислотах значительно ниже, а кислорода значительно выше, чем в гуминовых кислотах. Имеют более низкую молекулярную массу.

Водные растворы фульвокислот обладают очень кислой реакцией (pH 2,6-2,8). Обладают большой подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части почвы - способны разрушать минералы, образовывать комплексные и внутрикомплексные соединения с гидроксидами. Играют существенную роль в подзолообразовании. Свободные фульвокислоты имеют коллоидный характер. Соли фульвокислот со щелочными и щелочноземельными металлами растворимы в воде. С алюминием и железом фульвокислоты дают соединения, нерастворимые в воде при нейтральной реакции, но растворяющиеся при кислой или щелочной реакции раствора.

Гумины (негидролизуемый остаток).

Самая инертная часть почвенного гумуса, не переходит в раствор при обычных методах воздействия (слабые растворы углекислых или едких щелочей). Нерастворимый остаток, представляющий собой совокупность гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, а также полугумифицированные остатки лигнина, целлюлозы, смол, восков и других соединений.

2.2 Источники органической части почвы

Источники органической части почвы - органические остатки, поступающие в нее. В целинных почвах это растительные остатки, отмирающие микроорганизмы и почвенная фауна, являющаяся как исходным материалом для образования гумуса, так и возбудителем самого процесса гумусообразования. В пахотных почвах существенное значение в качестве источника гумуса имеют органические удобрения.

Биомасса растительного, микробного и животного происхождения, поступающая в почву.

Как показывают данные Александровой Л.Н., наибольшую биомассу и годичный прирост в наземных биоценозах имеют зеленые растения (автотрофы), способные синтезировать органические вещества из минеральных соединений. Биомасса почвенных микроорганизмов и представителей животного мира в несколько десятков, сотен и даже тысяч раз уступает биомассе зеленых растений. Новых запасов органического вещества они не вносят, а перерабатывают растительные остатки, образуя вторичные формы органических веществ почвы.

Максимальная общая биомасса характерна для лесной растительности; под хвойными и лиственными лесами умеренных широт она колеблется от 100 до 400 т сухого вещества на 1 га, но основная часть этой биомассы многолетняя, и в почву ежегодно поступает 3,5 - 9,0 т сухого вещества в виде наземного опада, образующего подстилку, которая является основным источником гумуса в лесных почвах. Общий запас подстилки колеблется в широком диапазоне в зависимости от состава, возраста и густоты насаждений, а также от условий минерализации ежегодного опада. В среднем общий запас подстилки колеблется от 15 до 45 т сухого вещества на 1 га. Он минимален в широколиственных лесах, ибо условия минерализации подстилки наиболее благоприятны.

Общая масса корней в лесах таежно-лесной зоны в среднем составляет 25 % наземной биомассы, корни в основном многолетние и обычно не рассматриваются как главный источник гумуса в лесных почвах. Некоторая часть корней представлена тонкими, ежегодно отмирающими волосками, равная приблизительно 30% общей массы корней, и исчисляется величинами порядка 3-5 т сухого вещества на 1 га, приближаясь к количеству корней под многими культурными растениями. В лесах влажных субтропиков и тропиков общая биомасса резко возрастает, достигая 400-500 т и более на га., а количество подстилки уменьшается, составляя 2-10 т., вследствие интенсивной минерализации опада.

Природная травянистая растительность образует значительно меньшую общую биомассу, но она всегда однолетняя, и вся неотчуждаемая человеком часть ее полностью участвует в ежегодном цикле почвообразовательного процесса, в том числе и в гумусообразовании. Общая биомасса степной травянистой растительности колеблется от 10 т до 25 т сухого вещества на 1 га, а луговая травянистая растительность суходольных лугов, хвойных и смешанных лесов таежной зоны не превышает 10-13 т.

Характерная особенность травянистой растительности - ежегодное отмирание не только надземной, но и корневой системы, оставляющей обычно в этих зонах не менее половины всей биомассы. Их количество и глубина проникновения очень разные. Общая биомасса корней под природной луговой и степной растительностью составляет в среднем от 8,5 до 20,5 т сухого вещества на 1 га. Масса корней в метровой толщине черноземов и темно-каштановых почв достигает 30 т сухого вещества, а 1 га. В толще почвы она образует очень густую сетку, пронизывая весь почвенный профиль. Ежегодно отмирая, корни доставляют материал для гумусообразования практически во все участки почвенной толщи, в результате чего образуется однородный по степени гумусированности гумусово-аккумулятивный горизонт. В области пустынь общая биомасса растений снижается до 4-6 т сухого вещества на га. и лишь в эфемерно-кустарниковых полупустынях равна в среднем 12,5 т. Корни здесь, глубоко проникая в почву, образуют биомассу, почти равную наземной части растений. Специфична болотная растительность, которая при общей средней биомассе живых растений, составляющей лишь десятки тонн сухого вещества на 1 га, и относительно невысоком ежегодном приросте ее образует огромные запасы органических остатков («очес») вследствие длительной консервации значительной части ежегодного прироста.

Наименьшую биомассу для гумусообразования дают культурные растения, наземная часть которых почти полностью отчуждается человеком. Несмотря на колеблющиеся урожаи культур в зависимости от их вида, условий агротехники и природных условий, пожнивные и корневые остатки для зерновых, картофеля и овощей дают не более 50 % наземной массы, что при средних урожаях составляет от 2 до 5-7 т сухого вещества на 1 га. Исключением являются многолетние травы, под которыми в почве образуется значительное количество исходного для гумусообразования материала в виде поукосных и особенно корневых остатков. В зависимости от урожая он колеблется от 7-10 до 15-25 т сухого вещества на 1 га.

Значительно сложнее решить вопрос о биомассе микроорганизмов как гумусообразователей. Численность микроорганизмов чрезвычайно изменчива и зависит от многих факторов: типа почвы, характера растительности, гидротермического режима; поэтому в годичном цикле почвообразования наблюдается резко выраженная пульсация их количества. Эти колебания максимальны в северных районах и минимальны в средних широтах. По мнению И.В. Тюрина масса сухого вещества микроорганизмов в годичном цикле почвообразования не превышает 1 т/га; в почвах, бедных гумусом, биомасса сухого вещества микроорганизмов колеблется около 1-2 % от общего запаса гумуса; в почвах, содержащих значительное количество гумуса, она составляет лишь десятые доли процента. Ученые отмечают трудность подсчета количества микроорганизмов в почве и в качестве ориентировочных данных называют величины порядка 7-10 т на 1 га бактериальной массы, что при среднем содержании воды около 70-80 % также составит не более 2 т сухого вещества на 1 га.

Количество органических остатков почвенной фауны (фитофаги, сапрофаги, некрофаги, крупные животные-хищники), по данным В. А. Ковды, может достигать 1,0-1,5 т сухого вещества на 1 га. Все подсчеты биомассы почвенной фауны и оценка ее значения как материала для гумусообразования очень условны вследствие не только неточности методов подсчета в определении массы, но и сложности взаимоотношений между микроорганизмами и почвенной фауной. Как указывает Т. В. Аристовская, значительная часть биомассы микроорганизмов и представители мезофауны уничтожается почвенной фауной.

Основным источником гумуса в почвах являются, конечно, растительные остатки, масса которых во много раз превышает массу всех вторичных форм организмов в почве.

Химический состав органических остатков.

Химический состав органических остатков очень разнообразен. Большую часть их массы составляет вода, содержание которой минимально в древесине, грубых одревесневших корнях и отмирающих стеблях. Основная масса сухого органического вещества состоит из белков, углеводов, лигнина, липидов и липопротеидов, дубильных веществ, смол, восков. А также многих других органических соединений (органические кислоты, глюкозы, алкалоиды, витамины, стимуляторы роста и др.).

Соотношение между различными группами органических соединений, образующих биомассу растительных, микробных и животных остатков варьирует, что предопределяет различную скорость их трансформации в почве. Основная масса сухого вещества растительных остатков состоит из углеводов и лигнина, которые образуют клеточные стенки растения. Особенно богаты ими остатки древесины и корни, относительно медленно поэтому разлагающиеся в почве. Листья древесной растительности богаты дубильными веществами, в хвое много восков и смол, также тормозящих процессы разложения. Очень специфичен вещественный состав мхов, масса которых состоит в основном из углеводов, среди которых преобладают камеди, пектиновые вещества и полиурониды. Азотсодержащие компоненты представлены белками, количество которых максимально в остатках бобовых трав, а также сложной системой нуклеидов и полинуклеидов (в том числе РНК и ДНК). Их масса в составе поступающих растительных остатков невелика.

Остатки микроорганизмов резко отличаются по составу органических веществ от остатков растительного происхождения. В составе сухого вещества резко доминируют белки и нуклеиновые кислоты, отсутствует лигнин, что обуславливает наиболее интенсивную трансформацию этих остатков в почве. Не менее специфичен и состав почвенной фауны. Наряду с беками и углеводами в них содержатся хитин, липиды, а также нуклеиновые кислоты и нуклеотиды.

Помимо органических соединений растительные остатки всегда содержат некоторое количество зольных элементов, колеблющееся в зависимости от видовой принадлежности и условий обитания в широких пределах (1-10 %). В составе золы доминируют калий, кальций, кремний; в меньших относительных количествах содержатся фосфор, сера, хлор. Минимальная зольность характерна для древесины, максимально богаты зольными элементами травы и водоросли.

Таким образом, в почву попадает сложная смесь органических соединений различной природы. Рассмотрим кратко современные представления о природе основных компонентов, слагающих массу сухого вещества организмов.

Углеводы. Подразделяются на три группы: моно-, ди- и полисахариды. Из них в растительных остатках в большом количестве содержатся лишь полисахариды, из которых наиболее распространена клетчатка, или целлюлоза. Клетчатка входит в состав клеточных стенок и содержится в растительных остатках в большом количестве. К подгруппе полисахаридов относятся гемицеллюлозы - вещества, сопутствующие клетчатке.

К группе полисахаридов относятся также хитин, который представляет собой аналог клетчатки, но содержит азот. Он входит в состав клеточных оболочек грибов, а также насекомых. Скорость трансформации углеводов различна. Моносахариды разлагаются наиболее интенсивно.

Лигнин. Обязательный компонент растительных остатков. Относится к классу ароматических соединений. По элементному составу лигнин по сравнению с клетчаткой имеет более высокое содержание углерода и более низкое - кислорода. Лигнин входит в состав клеточных стенок в виде пропитывающего вещества. Содержание его в растительных остатках может достигать 4 0%. Лигнин - один из наиболее устойчивых против разложения компонентов растительных тканей, но он хорошо гумифицируется, вследствие чего многие исследователи читают его основным гумусообразователем.

Азотистые вещества. Большая часть их в растениях представлена белками. Белки составляют главную часть протоплазмы клеток и их ядер. Их содержание в растениях колеблется от 0,6 до 14,8 %, в грибах 10-50 %, в бактериях 40-80 %. Полинуклеотиды представлены в основном ДНК и РНК, содержание которых в живых организмах колеблется в очень широких пределах, достигая 50 % в рибосомах и снижаясь до 0,1-1,0 % в листьях и стеблях растений. К классу белков принадлежат ферменты, осуществляющие все процессы превращения органических веществ в природе как в живой клетке, так и вне ее. К числу азотистых соединений (небелковой природы) относятся хлорофилл и алкалоиды. Белковые вещества при отмирании организмов быстро подвергаются биохимическим превращениям. Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов они расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются.

Липиды. Обширная группа жиров и жироподобных веществ, обладающих гидрофобностью и нерастворимостью в воде. Содержание жиров в растительных остатках невелико. Они образуют запасные вещества главным образом в семенах и плодах. Более высокое содержание жиров в низших организмах: водорослях, грибах, бактериях. Близки к жирам различные воски, выполняющие функции защитных веществ. Они представляют собой сложные эфиры жирных кислот и одноатомных высокомолекулярных спиртов. Содержание их в растительных остатках незначительно.

Пигменты. Вещества, принадлежащие к этой группе хорошо растворимы в органических растворителях и обуславливают окраску многих частей растений, а также микроорганизмов. Главнейшими растительными пигментами являются каротин и ксантофилл, относящиеся к группе каротиноидов, и хлорофиллы, окрашивающие клетки в зеленый цвет. В зеленых растениях хлорофиллы составляют около 1 % сухого вещества и образуют комплекс с липидами и белками. Очень разнообразны и многочисленны пигменты микроорганизмов, в частности черные пигмент грибов.

Растительные вещества вторичного происхождения. Наряду с белками, углеводами, липидами и лигнином в растениях присутствует большая группа веществ, называемых обычно веществами вторичного происхождения. Все эти вещества можно поделить на восемь групп: органические кислоты алифатического ряда; ароматические и гидроароматические соединения; глюкозиды; дубильне вещества, эфирные масла и смолы; каучук и гуттаперча; алкалоиды; регулятор роста растений и микроорганизмов; антибиотики.

Смолистые вещества. Могут иметь различное химическое строение и являются полимеризированными кислородными производными терпенов типа кислот, спиртов и т.д.

Дубильные вещества. Представляют собой довольно многочисленную группу соединений, которые являются в основном производными многоатомных фенолов. Дубильне вещества содержатся почти во всех растениях. Однако в низших и однодольных травянистых растениях их мало. Значительное количество дубильных веществ находится в древесине и коре некоторых деревьев, а также в полукустарниках семейства вересковых. При отмирании клеток дубильные вещества окисляются и приобретают бурую окраску.