Тема: Модуль 2. Свойства почв и их химическая мелиорация

Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образование углекислого газа в почве происходит в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. Образующийся СО₂ частично выделяется из почвы в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту Н₂О+СО₂ = Н₂СО₃, которая вызывает подкисление почвенного раствора, в результате чего усиливается переход в доступное для растений состояние нерастворимых соединений Р, К, Са, Мg и др.

При избыточном увлажнении почвы и плохой аэрации содержание СО2 в почвенном воздухе повышается, а количество кислорода снижается до 8-12% и ниже, что отрицательно сказывается на развитии растений и микроорганизмов.

Жидкая фаза почвы или почвенный раствор наиболее подвижная и активная часть почвы. Он является непосредственным источником воды и питательных элементов для растений. Состав и концентрация его изменяется в результате разнообразных биологически, химических и физико-химических процессов. Между жидкой, газообразной и твердой фазами почвы постоянно устанавливается подвижное равновесие. Поступление солей в почвенный раствор зависит от хода процессов выветривания и разрушения минералов, разложения органического вещества в почве, внесения органических и минеральных удобрений.

Обычно содержание воднорастворимых солей в почвах составляет 0,05%, их избыток (более 0,2) вредно действует на растения, а при содержании их 0,3-0,5% растения погибают.

В составе почвенного раствора могут находиться различные анионы и катионы, наиболее важными из которых для растений являются ионы К⁺, Са²⁺, Мg²⁺, NН₄⁺,NО₃^-, SО₄^2- и Н₂РО₄^- и постоянное их пополнение. Кроме того, в почвенном растворе могут быть воднорастворимые органические вещества и растворенные газы (кислород, аммиак, углекислый газ и др.).

Состав и концентрация почвенного раствора могут заметно изменяться под влиянием ряда факторов. Содержание солей в нем повышается при внесении удобрений, снижении влажности почвы, усилении минерализации органического вещества. А усвоение питательных веществ растениями, вымывание растворимых веществ в нижележащие горизонты или переход их в нерастворимую форму приводят к уменьшению концентрации почвенного раствора.

От концентрации и степени диссоциации растворенных веществ зависят осмотическое давление почвенного раствора и поглощение воды конями растений. Осмотическое давление почвенного раствора в незасоленных почвах значительно ниже, чем в клеточном соке, поэтому поглощение воды культурными растениями затруднено.

Твердая фаза почвы или почвенный поглощающий комплекс состоит из минеральной и органической частей, которые являются основными источниками питательных веществ для растений.

Таблица 1

Азот практически полностью содержится в органической части почвы, углерод, кислород, водород, фосфор и сера – как в минеральной, так и в органической, а все другие элементы – в минеральной части почвы.

Наибольшее распространение в почвах имеет первичный силикатный минерал кварц (SiО₂, двуокись кремния). Его содержание в почвах превышает 60%, а в легких почвах (песчаных и супесчаных) достигает 90% и более. Он характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к химическому выветриванию, поэтому не участвует в химических реакциях в почвах.

Из первичных алюмосиликатных минералов в почве широко распространены калиевые и натриевые полевые шпаты, в меньшей степени – калийная и железисто-магнезиальные слюды. Первичные минералы – кварц, полевые шпаты и слюды – обычно присутствуют в почве в виде частиц песка и пыли.

Вторичные (глинистые) минералы образуются при изменении полевых шпатов и слюд в процессе выветривания и почвообразования. Они находятся в почве главным образом в виде мелкодисперсионных илистых и коллоидных частиц и обладают большой суммарной поверхностью и поглотительной способностью.

Различные механические фракции почвы имеют неодинаковые минералогический и химический состав и различаются по содержанию элементов питания. Более крупные частицы почвы (песчаные и пылеватые) состоят в основном из кварца (силикатный минерал), поэтому характеризуется высоким содержанием кремния, но меньшим других элементов питания.

В состав же мелкодисперсной коллоидной и илистой фракции входят преимущественно первичный и вторичные алюмосиликатные минералы (полевые шпаты и слюды), поэтому в них больше содержится алюминия, железа, калия, натрия и других питательных элементов. В связи с этим более тяжелые почвы (глинистые и суглинистые) богаче питательными веществами.

Органическое вещество почвы, состоит в основном на 90% из гуминовых и фульвокислот и только небольшая часть представлена негумифицированными остатками растений, животных и микроорганизмов.

Общий запас гумуса в пахотном слое почв с относительно невысоким его содержанием – сероземах и дерново-подзолистых – составляет 30-50 т, в черноземах 100-200 т, а в метровом слое соответственно 20-120 и 300-800 т/га.

Основной запас азота почвы сосредоточено в органическом веществе, поэтому почвы, содержащие больше органического вещества, отличаются и более высоким содержанием азота. В состав органического вещства входят также фосфор и сера. Эти питательные элементы (N, Р, S) переходят в усвояемую растениями минеральную форму только при разложении (минерализации) гумуса.

Кроме того, гумусовые и фульвокислоты гумуса, а также углекислота, образующаяся при разложении гумуса, оказывают растворяющее действие на труднорастворимые соединения фосфора, калия, магния, кальция и др., в результате чего они переходят в доступные для растений формы.

Гумусовые вещества вместе с мелкодисперсными минеральными частицами почвы участвуют в адсорбционных процессах, определяют поглотительную способность почвы и ее буферность.

Органическое вещество почвы служит источником питания и энергетическим материалом для большинства почвенных микроорганизмов, поэтому в почве постоянно протекают два противоположных процесса – гумусообразование и разложение гумуса, соотношение между которыми определяет изменение его общего количества.

Гумусовые вещества почвы труднее подвергаются минерализации, чем органические соединения растительных остатков и негумифицированных веществ. Однако при длительном возделывании с.-х. культур без внесения удобрений может произойти значительное снижение общего количества гумуса и азота в почве. Размеры ежегодной минерализации органического вещества в пахотном слое дерново-подзолистых почв 0,6-0,7 т, а черноземов 1,0 т/га, с образованием соответственно 30-35 и 50 кг минерального азота.

При среднем содержании азота в гумусе около 5% каждую еденицу доступного растениям азота (NО₃^- + NН₄⁺) должно минерализоваться двадцатикратное количество гумуса.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений, обеспечивая повышение урожайности с.-х. культур, способствует сохранению и накоплению запасов гумуса и азота в почве, так как с ростом урожайности увеличивается количество поступающих в почву корневых и пожнивных остатков и усиливаются процессы гумусообразования.

Таблица 2

Общие запасы азота, фосфора и калия в большинстве почв значительны, в десятки и сотни раз превышающие вынос их с урожаем одной культуры. Однако основная масса питательных элементов находится в почве в недоступном для растений соединений. Поэтому валовые запасы питательных веществ в почве характеризуют ее потенциальное плодородие. Для оценки эффективного плодородия почвы важное значение имеет содержание питательных веществ в доступной для растений форме.

В разных почвах процессы минерализации протекают с неодинаковой интенсивностью в зависимости от характера соединений, которыми представлены питательные вещества, климатических условий, уровня агротехники и предшествующей удобренности. Поэтому эффективное плодородие может меняться как по типам почв, так и по хозяйствам и даже по полям севооборотов. В связи с этим важное значение имеет агрохимический анализ почв, дающий возможность определить все параметры эффективного плодородия, чтобы правильно рассчитать нормы улобрений под запланированнцю урожайность с.-х. культур.

Вопрос 3. Поглотительная способность почвы ее виды
Поглотительной способностью почвы называется ее способность поглощать различные вещества и удерживать их.

Академик К.К. Гедройц различал пять видов поглотительной способности.

Интенсивность биологического поглощения зависит от аэрации, влажности и других свойств почв, от количества и состава органического вещества, служащего источником пищи и энергетического материала для большинства почвенных микроорганизмов.

Нитратный азот может закрепиться в почве только биологическим путем, никаким другим путем он не удерживается и может вымываться в грунтовые воды или галечник, которые иногда залегают на небольшой глубине.

2. Механическая поглотительная способность обусловлена свойством почвы, как всякого пористого тела, задерживать мелкие частицы из фильтрующихся суспензии.

Механическим поглощением объясняется сохранение и характер распределения в почве илистых частиц и вносимых нерастворимых удобрений – фосфоритной муки, извести и других.

Для нитратов такое вымывание нежелательно, поэтому нитратные удобрения лучше вносить весной, незадолго до посева или в подкормку.

Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении воднорастворимых фосфорных удобрений, содержащих фосфор в виде монокальцифосфата (суперфосфаты – Са(Н₂ РО₄)₂, аммофоса – NН₄Н₂РО₄ и др.) в почве происходит интенсивное связывание фосфора. В кислых почвах, содержащих много полуторных окислов, химическое поглощение идет с образованием труднорастворимых фосфатов алюминия и железа. В почвах же, насыщенных основаниями и содержащих бикарбонат кальция в почвенном растворе (черноземы, сероземы) химическое связывание происходит в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция.

Химическое поглощение фосфора обуславливает слубую подвижность его в почве и снижает доступность этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы → дерново-подзолистые → сероземы → черноземы.

Физико-химическая, или обменная поглотительная способность – это способность мелкодисперсных коллоидных частиц (от 0,2 до 0,001 мкм) почвы поглощать из раствора различные катионы, причем, поглощение одних катионов сопровождается вытеснением в раствор эквивалентного количества других, ранее связанных твердой фазой почвы.

Способность органических и минеральных коллоидных частиц к обменному поглощению катионов обусловлена тем, что большая часть их имеет отрицательные заряды.

Разные катионы обладают неодинаковой способностью к поглощению. Чем больше заряд (валентность) катиона и его атомная масса, тем сильнее он поглощается и труднее вытесняется из поглощенного состояния. Исключение из этого правила составляют ионы Н+, которые имеют наименьшую атомную массу, но обладают высокой энергией поглощения и способностью вытеснять другие катионы из ППК.

Емкость поглощения – это содержание в почве обменно-поглощенных катионов. Она обозначается буквой Т и выражается в мг.-экв. на 100 г почвы. Величина емкости поглощения характеризует поглотительную способность почвы.

Например, если в 100 г почвы в поглощенном состоянии содержится 200 мг Са²⁺, 24 Мg²⁺ и 9 мг NН₄⁺, то емкость поглощения будет равна: мэкв. на 100 г (где 20 - эквивалентная масса Са, 12 - Мg и 18 - NН₄).

Разные почвы отличаются не только по общей емкости поглощения, но и по составу поглощенных катионов.

В большинстве почв в составе поглощенных катионов преобладает Са²⁺, второе место занимает Мg²⁺ и в значительно меньших количествах находятся К⁺ и NН₄⁺. Сумма Са²⁺, и Мg²⁺ обычно составляет 90% обменно-поглощенных катионов.

В кислых почвах (подзолистых и красноземах) среди поглощенных катионов значительную часть занимают Аl³⁺ и Н⁺, а в солонцеватых почвах N⁺.

Состав поглощенных катионов оказывает большое влияние на свойства почвы и условия роста растений. Кальций коагулирует органические и минеральные коллоиды, поэтому его преобладание в составе поглощенных катионов способствует поддержанию прочной структуры и обуславливает хорошие физические свойства почвы (черноземы).

Насыщение почвы натрием вызывает пептизацию коллоидов, что приводит к их вымыванию, разрушению структурных агрегатов и ухудшение физических свойств почвы. Кроме того, при наличии натрия в ППК происходит вытеснение его в раствор в обмен на другие катионы с образованием соды, что вызывает щелочную реакцию почвы, неблагоприятную для развития растений.

где V – степень насыщенности почв основаниями, в %

Т – емкость поглощения в м экв. на 100 г почвы

S – сумма поглощенных оснований в м экв. на 100 г почвы

При высоком содержании в ППК ионов водорода и алюминия они могут переходить в почвенный раствор и подкислять его, что оказывает вредное действие на растение.

Лекция 7

1. Проверка посещаемости

2. Вопросы по предыдущей лекции:

1. Из каких фаз состоит почва

2. Чем отличается почвенный воздух от атмосферного

3. Каковы зависимость минералогического состава почвы от механического

4. Виды поглотительной способности почв и их характеристики