Минеральная часть почвы значение ее для питания растений и применения удобрений
Обновлено: 18.09.2024
Почва состоит из двух частей; органической и минеральной.
Минеральная часть почвы — это разного размера частицы разрушившихся каменных горных пород (разрыхленная горная порода, на которой образуется почва, называется материнской породой).
Органическая часть почвы образуется при разложении отмерших корней, стеблей, листьев, навоза, трупов насекомых, червей и животных. К органической части почвы принадлежит и вещество многочисленных, населяющих почву мельчайших организмов — бактерий.
Органическая часть почвы представляет важнейшую для сельского хозяйства часть почвы, так как:
1) в органическом веществе имеется все необходимое для питания растений;
2) органическое вещество улучшает все свойства почвы (почва делается более рыхлой, проницаемой, лучше удерживает в себе влагу, скорее прогревается).
Органическое вещество почвы не остается постоянным, но все время изменяется (превращается в разнообразные продукты).
Различные превращения органического вещества происходят вследствие жизнедеятельности бактерий. Одни бактерии, питаясь неразложившимися растительными и животными остатками, превращают их сначала в почвенный перегной (или перегнойные кислоты); почвенный перегной и есть органическое вещество почвы. Другие бактерии, питаясь почвенным перегноем, разрушают органическое вещество почвы, превращая его в легко растворимые неорганические вещества. Полное разрушение органического вещества происходит при хорошем доступе воздуха (кислорода) в почву.
Растворенные в воде неорганические вещества и дают почвенную пищу для растений. Самими же органическими веществами, почвенным перегноем, зеленые растения питаться не могут.
Типы почв
Для определения типа почвы и вообще для ее изучения необходимо ознакомиться с почвенным разрезом.
На почвенном разрезе видно, какие слои почвы (и подпочвы) залегают под поверхностным пахотным слоем. Готовый почвенный разрез представляют стенки свежих оврагов, оползней или вырытых канав, силосных ям. Если готового разреза нет, то надо вырыть прямоугольную яму размером 150 сантиметров (длина) на 75 сантиметров (ширина) и глубиной в 150 сантиметров (см. рисунок).
Отвесная стенка ямы и даст почвенный разрез.
Осматривая разрез, записывают следующие данные:
1) месторасположение разреза (склон, водораздел, низина, западина, бугор, пойма и пр.);
2) угодье, на котором сделан разрез (пашня, луг, лес, выгон, залежь и пр.);
3) поле севооборота и культура;
4) цвет и мощность (толщина в сантиметрах) почвенных слоев (горизонтов почвы).
Типы почв, их признаки и районы распространения
Почвы, условия их образования
Краткое описание почвы
Количество перегноя (в процентах от веса почвы)
Районы распространения
Подзолистые почвы. Образуются под лесной растительностью в районах с большим количеством осадков (более 500 миллиметров в год), при малой испаряемости. Материнские почвы — преимущественно наносные глины, пески с валунами, суглинки, бедные углекислыми солями
Верхний перегнойный горизонт имеет незначительную толщину (10— 20 сантиметров); цвет его темносерый. Под перегнойным слоем — белесый слой подзола, почти лишенного перегноя; толщина 10—25 сантиметров и более. Под подзолом—обычно плотный слой (иногда песок), часто не сплошной, но с прослойками
От 1,0 до 4,0; с глубиной содержание перегноя резко падает
Север СССР (около половины всей площади СССР): Карело-Финская ССР, Ленинградская область, Белорусская ССР, Западная, Московская, Горьковская области и др.
Иловато-болотные, торфяно-болотные почвы Образуются под лугово-осоковой (более богатые почвы) и моховой растительностью (более бедные почвы)
Верхний горизонт черного или почти черного цвета содержит неразложившиеся части растений (торф), толщина 40—60 сантиметров и более. Под ним слой подзола разной толщины
От 5 до 30 (и выше)
Те же, что и районы подзолистых почв, особенно же на крайнем севере СССР (в тундровой зоне)
Черноземные почвы. Образуются под степной растительностью в районах со средним количеством осадков (400 — 500 миллиметров в год), при повышенной испаряемости. Материнские породы — главным образом лёссовидные глины и суглинки, богатые углекислыми солями
Верхний перегнойный горизонт черной окраски, имеет значительную толщину (60 сантиметров и выше). Под ним ореховато-зернистый, трудно отличимый (от верхнего) темный горизонт; толщина 50—70 сантиметров. Затем идет незернистый палево-серый горизонт с глазками извести (белоглазка, журавчики); толщина 40—60 сантиметров. Далее идет материнская порода.
С глубиной содержание перегноя падает медленно
Украинская ССР (кроме севера), часть Крыма и Северного Кавказа, области Средней Волги, ббльшая часть Тамбовской, Воронежской, Курской областей; Татарская АССР, значительная часть Башкирской АССР, части Западной Сибири и др. В Западной Сибири, особенно в Барабинской степи, имеются близкие к черноземным так называемые черноземовидные (лугово-солончаковые) почвы.
Часть Тульской, Ивановской областей, Чувашской АССР, Горьковской и других центральных областей СССР
Выщелоченные черноземы Серые лесные земли. Почвы, переходные от черноземов к подзолам
Каштановые и бурые почвы (пустынно-степные почвы)
Образуются в сухих степях, где выпадает 200 — 350 миллиметров осадков в год. Материнские породы — морские глины и пески, лёссовидные суглинки, красно-бурые глины и др.
Верхний (слоистый или чешуйчатый) перегнойный горизонт у каштановых почв имеет толщину 18—22 сантиметра, у бурых 10—15 сантиметров. Далее идет уплотненный столбчатый горизонт, толщиной в 30—50 сантиметров. За ним следует богатый известью горизонт, пористый, трещиноватый, толщиной 30—40 сантиметров. Далее залегает материнская порода
У каштановых почв 3-5, у бурых 1—3
Южная и юго-восточная части СССР, Сталинградская, Саратовская области, Республика Немцев Поволжья, Казахская ССР, Крымская АССР (40% всей площади), часть Бурят-Монголии
Сероземы
Образуются в районах пустынь и полупустынь, где выпадает осадков от 80 до 250 миллиметров (редко больше) в год. Материнские породы — преимущественно лёссы с очень большим содержанием углекислых солей
Верхний серо-бурого цвета горизонт, слоеватый, имеет небольшую толщину в 8—10 миллиметров. Он постепенно переходит в следующий, более бурой окраски горизонт, дырчатый от обильных ходов червей и насекомых; имеет толщину 15—20 сантиметров. Далее следует богатый известью горизонт, ореховатый; имеет толщину 40— 50 сантиметров. Под ним залегает лёсс
Туркменская ССР, Узбекская ССР, часть Киргизской ССР, часть Казахской ССР, часть Азербайджана и Дагестана
Солонцы и солончаки
Встречаются особенно часто в районах каштановых бурых почв и сероземов
Почвенные разрезы весьма разнообразны. Солонец часто происходит после рассоления (уменьшения солей) солончака. Отличительное свойство солончака — содержание так называемого поглощенного натрия
Район распространения каштановых, бурых почв и сероземов
Механический состав почвы
Каждый слой почвы состоит из частиц разной крупности. Механический состав почвы как раз и указывает величину почвенных частиц.
Различают частицы таких размеров:
Камни
имеют диаметр
(поперечник)
крупнее
10
мм
Частицы мельче 0,01 мм называют физической глиной.
Особо большое призводственное значение имеют глинистые частицы, так как они составляют наиболее богатую легко доступными для растений питательными веществами часть почвы, и именно из этих частиц в основном образуются структурные комочки почвы. По содержанию этих мелких частиц, почвы бывают:
Почвы
Содержание частиц мельче 0,01 мм (в процентах)
Почвы
Содержание частиц мельче 0,01 мм (в процентах)
Тяжелые глинистые почвы
Знание механического состава почвы необходимо потому, что от механического состава зависят многие свойства почвы, как это видно из следующей таблицы.
Производственные свойства песчаных и глинистых почв
Песчаные (легкие) почвы
Глинистые (тяжелые) почвы
Обрабатывать можно и во влажном и сухом состоянии, так как почва в комья не слипается и при обработке не разбивается в пыль
Обрабатывать нужно только при определенной влажности почвы (спелая почва); пересохшая почва образует крупные комья (глыбы), которые при сильном бороновании разбиваются в пыль; излишне влажная почва липнет к частям сельскохозяйственных машин и орудий и совершенно не крошится
После дождей почва остается рыхлой
После дождей почва легко заплывает плотной, не пропускающей воздуха коркой
Бедны питательными веществами для растений
Богаты питательными веществами
Легко теряют питательные вещества от вымывания осадками
Хорошо удерживают в себе питательные вещества
Труднорастворимые питательные вещества быстро превращаются в легкорастворимые
Труднорастворимые питательные вещества очень медленно превращаются в легкорастворимые
Для воды легко проницаемы, хорошо впитывают воду, но мало удерживают ее в себе. Вода из нижних слоев в верхние (при вы сыхании последних) не поднимается
Для воды трудно проницаемы (плохо впитывают воду), но много удерживают ее в себе. При высыхании верхних слоев вода поднимается к ним из нижних слоев
Легко и быстро прогреваются (теплые почвы)
Медленно прогреваются (холодные почвы)
В каждой почве обычно имеются частицы и глины и песка, поэтому и свойства каждой почвы изменяются, по сравнению с этими крайними (по механическому составу) почвами.
Кроме того, содержащийся в каждой почве перегной (органические вещества) сильно исправляет все отрицательные качества и песчаных и глинистых почв.
Для приблизительного определения количества мелких глинистых частиц в почве поступают так. Берут образец почвы (см. ниже) и высушивают в течение нескольких часов в несильно жаркой печи (после того как испечен хлеб). Надо сушить 5—6 часов при температуре 100—105° по Цельсию. Высушенный образец хорошо растирают на фарфоровом блюдце так, чтобы размять все почвенные частицы. От подготовленного образца отвешивают 100 граммов и кладут в стеклянную банку, куда затем вливают чистой воды. Взмутив стеклянной палочкой воду, дают банке постоять 20— 30 секунд, а затем сливают муть. Вновь долив банку водой, повторяют все сызнова. Сливание мути производят до тех пор, пока вода, после 20—30 секунд отстоя, будет оставаться прозрачной, чистой. В банке останется различный по крупности песок. Просушив его в печи и взвесив, по убыли в весе определяют, сколько мелких (глинистых) частиц имеет почва. Если, например, из 100 граммов почвы после отмучивания осталось 76 граммов песка, то это покажет, что в почве имеется 24% глины. По приведенной выше таблице найдем, что такая почва является супесчаной.
По другому способу, менее точному, поступают так. Из образца почвы, добавив воды до густоты теста, скатывают шарик, а затем раскатывают в тонкий жгут, который сгибают в кольцо.
1) Шарик легко скатывается, а жгут сгибается в кольцо, не ломаясь. глинистая почва
2) Шарик и жгут скатываются, но жгут при сгибании в кольцо ломается. суглинистая почва
3) Шарик скатывается с трудом, в жгут его раскатать нельзя. супесчаная почва
4) Шарик при скатывании легко распадается . . . песчаная почва
Водные и воздушные свойства почвы. Структура почвы
Для создания 1 килограмма зерна, или 1 килограмма соломы, или вообще 1 килограмма сухого вещества урожая разные растения берут из почвы, примерно, от 200 до 800 литров воды.
За время от посева до созревания с одного гектара растения расходуют при хорошем урожае, примерно, 1 000 и больше кубических метров .воды (свыше 2 000 сорокаведерных бочек).
Для того чтобы в почве могли быть заготовлены такие большие запасы воды, необходимо, чтобы почва обладала следующими свойствами:
1. Почва должна хорошо пропускать в себя воду от таяния снега и дождей.
2. Почва должна удерживать в себе много воды, не допуская отекания.
3. Бесполезные потери влаги от испарения должны быть возможно меньшими.
Свойство почвы пропускать в себя воду называется проницаемостью почвы.
Проницаемость в значительной мере зависит от механического состава почвы. Легкие песчаные почвы хорошо проницаемы, хорошо впитывают в себя воду, а тяжелые глинистые почвы трудно проницаемы, плохо впитывают в себя воду.
Свойство почвы удерживать в себе воду называется влагоемкостью. Легкие песчаные почвы обладают небольшой влагоемкостью, а тяжелые почвы повышенной влагоемкостью.
Помимо воды, в почве должен быть воздух, который необходим для жизни бактерий, превращающих труднорастворимые, недоступные для растений вещества почвы в легкорастворимые, доступные.
Почвы песчаные легче, чем глинистые, проницаемы для воздуха, но жизнедеятельность бактерий в этих почвах сильно ослабляется из-за малого количества влаги.
Таким образом, ни глинистая, ни песчаная почва, не имеют благоприятных условий для развития растений. В глинистой почве обычно много воды, но мало воздуха, в песчаной, наоборот, мало воды, но много воздуха.
Только в структурной почве может находиться одновременно и большое количество влаги и достаточно воздуха.
Структурной называется такая почва, которая состоит из небольших прочных, неразмываемых водой комочков, величиной от просяного зерна до горошины. Каждый такой комочек состоит из мелких почвенных частичек (главным образом глинистых), склеенных свежим перегноем.
Вода легко поступает в структурную почву, проходя между комочками. Каждый комочек впитывает воду и хорошо удерлш-вает ее в себе и вокруг себя. Для воздуха также остается свободное пространство между комочками.
Таким образом, структурная почва хорошо проницаема для воды, обладает большой влагоемкостью и одновременно богата воздухом.
Кроме того, в структурной почве значительно снижено бесполезное испарение влаги. Как известно, вода снизу вверх может подниматься только между мелкими почвенными частицами (по тонким, волосным, или капиллярным, промежуткам). Между комочками поднятие воды затрудняется, так как каждый комочек соприкасается с другим только небольшой частью своей поверхности.
Структурность почвы является одним из важнейших условий ее плодородия.
Структурные комочки, несмотря на свою неразмываемость, все же постепенно разрушаются, между тем старый перегной уже не обладает способностью вновь склеивать мелкие почвенные частицы в новые структурные комочки. Поэтому для восстановления и улучшения почвенной структуры необходимо вновь обогащать почву свежим перегноем.
Это лучше всего достигается посевом смеси многолетних трав (злаковых с бобовыми, например, клевера с тимофеевкой или люцерны с житняком). Разросшиеся густые корни многолетних трав хорошо разделяют землю на комочки. Когда же корни трав отомрут и перегниют, получается свежий перегной, склеивающий мелкие частицы в комочки. Посев многолетних трав является одним из важнейших приемов повышения плодородия почвы. Кроме посева многолетних трав, обогащение почвы свежим перегноем достигается внесением навоза (и других органических удобрений), а также запашкой специально выращенных на удобрение зеленых растений, например, люпина (зеленое удобрение).
Определение влажности почвы. Влажность почвы можно определить так. Взвешивают небольшое количество почвы на фарфоровом блюдце (также заранее взвешенном). Затем почву на блюдце высушивают 5—6 часов в несильно жаркой печи (при температуре 100—105°). По убыли в весе находят весовой процент содержания влаги в почве. Пример. Образец до высушивания весил (без блюдца) 102 грамма, после высушивания —80 граммов. Разность в весе 22 грамма показывает, что в почве содержалось столько влаги.
Определив количество влаги, можно подсчитать процентное ее содержание в почве.
Не вся определяемая высушиванием почвенная влага доступна для растений. Часть почвенной влаги составляет так называемый мертвый запас, который настолько прочно удерживается почвой, что растения не могут его взять. Величина мертвого запаса влаги у разных почв различна; например, в песчаных почвах она равна 2—3%, в тяжелых глинистых 10—12%, а в торфянистых иногда и выше 30%.
Химический состав почвы
Растениям необходимы следующие находящиеся в почве вещества: азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо, сера. Первых трех (азота, фосфора, калия) очень часто не хватает для высоких урожаев и необходимо бывает удобрять почвы, чтобы удовлетворить потребность растений.
Содержание азота, фосфора (фосфорной кислоты) и калия (окиси калия) в десятисантиметровом слое разных почв (в процентах от веса почвы и в килограммах)
Для правильного применения удобрений необходимо прежде всего учитывать биологические, физико-химические и химические свойства почвы. Важнейшее свойство почвы – плодородие, позволяющее ей участвовать получении урожая сельскохозяйственных культур. Различают потенциальное (естественное) и эффективное (актуальное, экономическое) плодородие. Естественное плодородие присуще каждой почве и обусловлено природными процессами почвообразования. Оценивается потенциальное плодородие по валовым запасам питательных веществ в почве и зависит от мощности гумусового слоя, содержания гумуса, общих запасов элементов питания, физико-химических и агрофизических свойств почвы, интенсивности микробиологических процессов, от способа использования почв.
Под влиянием различных факторов, в частности, под действием почвенных микроорганизмов, потенциальное плодородие переходит в эффективное (органическое вещество почвы минерализуется и становится доступным для растений). Если общие запасы элементов питания (потенциальное плодородие) принять за 100%, то доступные для растений элементы питания (эффективное плодородие) составляют лишь 1-2%.
Почва состоит из твердой, жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фаз.
Твердая фаза почвы включает в себя минеральную и органическую части. Минеральная часть составляет 90 – 99% массы почвы и имеет сложный минералогический и химический состав. В состав минеральной части входят С, О, Н, Si, Fе, Аl, Са, Мg, К, Nа, Р и др. Содержанием этих элементов определяется механический состав почвы. Органическая часть – важнейшая часть почвы, имеющая большое значение для ее плодородия и питания растений. По массе она составляет небольшую часть твердой фазы – от 0,5 – 3% в дерново – подзолистых почвах до 10 – 12% в черноземах. Органическое вещество почвы представлено в основном гумусовыми веществами (85 – 90%). В нем содержится почти весь азот и сера, значительная часть фосфора, в то время как калия, кальция и магния – мало. Содержание гумуса сильно зависит от типа почв и степени их окультуривания; мощность гумусового горизонта – важный агрохимический признак почв. Органическое вещество почвы служит источником пищи и энергетическим материалом для почвенных микроорганизмов. В свою очередь, минерализация органического вещества идет под влиянием почвенных микроорганизмов.
Гумус отличается сравнительно высокой устойчивостью к разложению микроорганизмами, однако разложение его происходит и проблема снижения содержания гумуса в почве стоит достаточно остро. Длительное возделывание сельскохозяйственных культур без внесения удобрений сопровождается значительным уменьшением общего запаса гумуса и азота в почвах.
Жидкая фаза почвы или почвенный раствор — наиболее подвижная и активная часть почвы. В почвенном растворе находятся катионы и анионы различных солей, водорастворимые органические вещества, растворенные газы (СО2, О2, NH3 и др.). Наиболее важное значение для питания растений имеет присутствие в почвенном растворе ионов Са 2+ , Мg 2+ , NH4 + , К + , NО3 — и Н2РО4 — и постоянное их пополнение. Содержание в почвенном растворе катионов Н + и Nа + определяет его реакцию, от которой зависят рост и развитие растений. Концентрация почвенного раствора колеблется от сотых долей до нескольких процентов. Повышенная концентрация почвенного раствора (на засоленных почвах) вредна для растений. Состав почвенного раствора зависит от внесения органических и минеральных удобрений; и, наоборот, почвенный раствор влияет на состав внесенных удобрений. Состав и концентрация солей в почвенном растворе зависят от влажности почвы, интенсивности минерализации органического вещества, внесения удобрений. С передвижением воды в почве передвигаются и питательные вещества. Растения могут испытывать голод при значительном содержании питательных элементов в почве, если в ней отмечается недостаток воды.
Почвенный воздух (газовая фаза) заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, О2, СО2, летучие органические соединения и т.д. не постоянны и определяются характером множеств химических, биологических и биохимических процессов. Почвенный воздухотличается от атмосферного повышенным содержанием углекислого газа (0,3 – 1% против 0,03%). Углекислота образуется при дыхании корней и минерализации органического вещества почвы. Определенное содержание СО2 в почве носит положительный характер. При растворении в почвенной воде образуется угольная кислота. Она подкисляет почвенный раствор и усиливает растворение минеральных веществ почвы. Однако при ее избытке ухудшается поглощение нитратов и фосфатов корнями. В почве для нормальной жизнедеятельности почвенных аэробных микроорганизмов должно быть достаточное количество кислорода, при его недостатке в почве начинают преобладать анаэробные, восстановительные процессы, губительные для растений.
1. Первичные минералы – минералы, образованные выделением из раствора, расплавленной массы или парообразного состояния, образующиеся при испарении морской воды (гипс, галлит, сильвин), при остывании лав (оливин, санидин, апортит), при возгонке по трещинам и в кратерах вулканов (сера, хлорид натрия), а также входящие в состав магматических пород. Первичные минералы составляют 90–98 % массы мелкозема песков, 50–80 - суглинков и 1–12 - глин (Вальков и др., 2006).
2. Вторичные глинистые минералы и окислы – образованы в результате биохимической и геохимической трансформации, выветривания и почвообразования из первичных минералов и продуктов их разрушения.
3. Растворимые минералы – соли, которые могут быть в почвенном растворе и в сухих условиях переходить в твердую фазу почвы.
Первичные минералы почв – основная группа веществ почв и пород выветривания, исходный материал для образования тонкодисперсных вторичных минералов. Они встречаются во всех породах в виде обломков (зерен) и в отдельном разобщенном состоянии. Их обломки приурочены к крупным песчаным и гравелистым фракциям, а индивидуальные минералы входят в состав тонкого песка и пыли.
Вторичные минералы – глинистые минералы, минералы оксидов железа, алюминия, марганца, простых солей.
Наиболее распространенные группы первичных минералов
Полевые шпаты (алюмосиликаты) широко распространены, устойчивы к выветриванию, составляют 60 % массы земной коры, в почвах – 10–15 %. Типичные представители: ортоклаз КАlSi3О8, альбит NaАlSi3О8, анортит СаАlSi2О8, плагиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.
Силикатов в литосфере около 20 %: оливин (Mg, Fе) SiО4. авгит Са(Mg,Fе)Si2О5, роговая обманка MgSiО3.
Кварц (SiО2) – наиболее распространенный минерал среди магматических пород, осадочных отложений и почв. Его преобладание снижает плодородие почв.
Слюды – 3 % от общего объема пород – источники питания растений калием. Типичные представители: мусковит КН2Аl3(SiО4)3.и биотит КН2(Mg,Fе) 3Аl3(SiО4)3
Апатит – прочный минерал изверженных пород, основной первоисточник фосфора (Р), в его составе Р, Са, F, Сl – 3Са3Р2О8 и Са (F, Сl) 2.
Преобразование первичных минералов сопровождается образованием растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, формированием вторичных минералов, поступлением в почвенные растворы простых солей.
Основные группы вторичных минералов
Глинистые минералы – основная часть вторичных минералов, определяют минералогический состав почв, обладают поглотительной способностью. Также как и гумус, они – источник поступления минеральных элементов в растения. Это вторичные алюмосиликаты с общей формулой n SiО2 Аl2О3•mН2О и характерным молярным отношением SiО2 к Аl2О3 в пределах 2:5.
Наиболее распространены минералы группы монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешанослоистых минералов. Они имеют слоистое кристаллическое строение, высоко дисперсны, обладают поглотительной способностью, содержат химически связанную воду.
Монтмориллонит, бейделит, нонтронит – группа 3-хслойных минералов с набухающей решеткой. Их отличает высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и поллютантов. С гуминовыми кислотами (ГК) эти минералы образуют прочные темноокрашенные комплексы.
монтмориллонит (Аl, Mg)2 (ОН)2 [Si4О10]•mН2О;
бейделит (Ка, Na, Н3О) Аl2(ОН) 2 [АlSi3О10]•mН2О;
нонтронит Fе2 (ОН)2[Si8О10]•mН2О.
Для монтмориллонита характерно набухание с увеличением объема в 1,5–3 раза, с этим связаны такие свойства как жирность, липкость, вязкость, пластичность и гигроскопичность.
Вермикулиты (лат. Vermiciular – червеобразный) – магниевые алюмосиликаты, сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Вермикулит (Mg, Fе2+,Fе3+)3 (ОН) 2 [(Аl, Si) 4О10]•4Н2О. Цвет бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый, реже зеленоватый. Способны к набуханию, ЕКО около 100 мг-экв. Так его назвали, потому что при нагревании он увеличивается в объеме в 20–30 раз, его частички удлиняются, червеобразно изгибаются и скручиваются.
В группу каолинита входит сам каолинит (наиболее распространен), диккит, накрит: Аl2(ОН)4[Si2О5]. Их структура состоит из двухслойных пакетов, Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, сплошные массы белые. Он не набухает, доступ воды в межпактеное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Он не содержит щелочных и щелочноземельных оснований. Очень дисперсен, свободно мигрирует в суспензиях. Набухает слабо, у него невысокие плотность, липкость, связность и гидрофильность.
Галлуазит встречается в виде гелеподобных масс, белый, по свойствам близок к каолиниту, но более гидратирован, имеет расширяющуюся кристаллическую решетку.
Гидрослюды (иллит) – гидратированные формы слоистых минералов с морфологическим чешуйчатым строением. Но в отличие от монтмориллонита, связь между пакетами прочная и вода в них не проникает. Гидрослюды – важный источник калия. Они гидрофильны, липки, связны, набухают меньше монтмориллонита.
Гидробиотит (К, Н3О) (Mg Fе)3(ОН) 2[(Аl,Si) 4О10]•mН2О.
Гидромусковит (К, НзО)Аl (ОН)2 [(Аl,Si) 4О10]•mН2О.
Глауконит К(Fе3+ Аl, Fе2+, Mg) 2(ОН) 2 [Аl, Si3О10]•mН2О.
Хлориты – минералы близкие к слюдам. Кристаллическая решетка – из четырех слоев. Это смешаннослойные минералы с правильным чередованием слоев. Решетка их не набухает, стабильна.
Минералы гидроокисей и окисей кремния, алюминия, железа, марганца образуются в аморфной форме при выветривании первичных минералов. Гидроокись кремния SiО2 •mН2О по мере старения переходит в твердый гель опал с той же формулой и с содержанием воды 2–30 %, затем, теряя воду, в кристаллические формы халцедона и кварца SiО2. Гидроокись Mn кристаллизуется в виде пиролюзита МnО2, псиломелана mМnО и МnО2•mН2О.
Гидраты полутораокисей Аl2О3•mН2О, Fе2О3•mН2О кристаллизуясь, образуют вторичные минералы: бемит Аl2О3•Н2О, гидраргилит (гиббсит) Аl2О3•3Н2О или Аl (ОН)3 гематит Fе2О3, гетит Fе2О3•mН2О, гидрогетит Fе2О3 •m 3Н2О. Эти минералы обволакивают пленками агрегатное скопление глинистых минералов, встречаются в виде конкреций. Они не обладают поглотительной способностью, липкостью, не набухают (Вальков и др., 2006).
Цеолиты – щелочные и щелочноземельные алюмосиликаты. Они образуются в пресноводных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверхность они остаются в почве как унаследованные от породы.
Минералы простых солей образуются при выветривании первичных минералов. Кальцит СаСО3, магнезит MgСО3 , доломит [Са, Mg](СО3)2, сода Na2СО3•10Н2О, гипс СаSО4•2Н2О, мирабилит Na2SО4•10Н2О, галит NaС1, фосфаты, нитраты. Их качество и количество определяет степень засоления почв.
Твердая фаза почвы состоит из механических элементов различного происхождения.
Растворимые минералы – компоненты почвенного раствора. Формы соединений – истинно молекулярные и ионные растворы, ассоциации ионов и коллоидные золи. Важнейшие катионы: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4,+ H+, Al3+, Fe2+. Среди анионов преобладают: HCO3-, CO32-, NO3-, NO2-, Cl-, SO42-, H2PO4-, HPO42-.
Механические элементы – разнообразные по величине обломки минералов и горных пород, органические и органо-минеральные соединения. К ним не относят кристаллы льда и биоту.
Их почвы наследуют от породы, в процессе почвообразования они изменяются, так как в почве постоянно происходят следующие явления: дробление, растворение, гидролиз, осаждение, гумификация, перемещение тонких механических элементов вниз по профилю. В России принята классификация механических элементов почв, разработанная Н. А. Качинским (табл. 8).
Классификация механических элементов почв по размеру
Диаметр элементов, мм
Скелет почвы, камни
Скелет почвы, гравий
Мелкозем почвы: песок
Генетическое и экологическое значение скелетности почв
Скелетные почвы представлены зональными неполноразвитыми подтипами черноземов, серых и бурых лесных, коричневых почв, желтоземов.
Скелет почвы может быть различного происхождения: известняковый, мергелистый, гранитный, сланцевый, кварцитовый, галечниковый. Это придает почвам особую экологическую специфику. Рост доли скелета приводит к снижению мелкозема в почве, запасов питательных веществ и продуктивной влаги, в итоге – к истончению мощности корнеобитаемого слоя и снижению плодородия.
Генетическое и экологическое значение структуры почв Структура почвы – взаимное расположение структурных отдельностей (агрегатов) определенной формы и размеров. В значительной степени экологическая оценка почв определяется структурным состоянием, в первую очередь, количеством и качеством зернистой и мелкокомковатой структуры. Наличие подобных агрегатов – залог оптимальных условий развития корневых систем растений и существования почвообитающих животных. Аэробные микроорганизмы успешно развиваются в межагрегатной среде, анаэробные – в массе самих агрегатов.
Почвенные горизонты состоят из агрегатов, структурных отдельностей определенной формы и размеров. Структурные агрегаты сформированы из механических элементов фракций пыли и ила. Они удерживаются в сцепленном виде в результате коагуляции коллоидов, склеивания, слипания, остаточных валентностей и водородных связей, адсорбционных и капиллярных явлений в жидкой фазе, а также с помощью корневых тяжей, грибов и слизи микроорганизмов. Одним из основных качественных признаков почв является размер агрегатов
По размерам выделяют три группы:
• макроагрегаты, размер части более 10 мм,
• микроагрегаты (меньше 0,25).
В агрономическом смысле почва считается структурной, если комковато-зернистые водопрочные агрегаты размером от 10 до 0,25 мм составляют более 55 %. Их называют агрономически ценными. Они обладают водопрочностью, противостоят размывающему действию воды, обеспечивают оптимальный водно-воздушный режим почв.
Структурные почвы отличаются хорошей аэрацией (газообмен с атмосферным воздухом), быстро впитывают осадки, медленно испаряют влагу. Им свойственна высокая микробиологическая активность, они легко поддаются обработке.
При бесструктурном состоянии механические элементы почвы существуют раздельно или залегают в виде сплошной массы. У таких почв низкая водопроницаемость, воздухопроницаемость. Разрушение структуры почвы происходит под влиянием механического воздействия (машинная деградация, пастбищная нагрузка), изменения физико-химической обстановки (осолонцевание, содовое засоление).
Экологическое значение гранулометрического состава почв
Гранулометрический состав – относительное содержание в мелкоземе почвы твердых частиц (механических элементов, фракций) разной величины. В основу классификации почв по гранулометрическому составу положено соотношение физического песка (частицы размером крупнее 0,01 мм) и физической глины (менее 0,01 мм). Более детальное разделение фракций: песок (1–0,25 мм), пыль (0,25–0,001 мм), ил (меньше 0,001 мм).
Гранулометрический состав – важнейшая характеристика почвы. От нее зависят многие ее свойства и плодородие. Он оказывает существенное влияние на воздушные и тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, элементов питания. Размеры частиц отражают различия в свойствах гранулометрических фракций.
Песчаная фракция (1–0,25 мм) состоит из обломков разных горных пород и минералов, в ней преобладают кварц и полевые шпаты. Пески имеют высокую водопроницаемость, свободно фильтруют воду, не набухают, не пластичны. Эти свойства используют при заполнении выемок, канав, траншей, где недопустима усадка грунта.
Фракция крупной пыли (0,25–0,001 мм) по минералогическому составу мало отличается от песчаной, не пластична, слабо набухает.
Средняя пыль (0,01–0,005мм) содержит много слюды, которая придает ей пластичность и связанность. Средняя пыль дисперсная, лучше удерживает влагу, чем предыдущие фракции, слабо водопроницаема. Для частиц этой фракции характерна неспособность к коагуляции и структурообразованию. Почвы, в которых эта фракция преобладает, легко распыляются, склонны к уплотнению и образованию сплошной корки.
Тонкая пыль (0,005–0,001 мм) отличается высокой дисперсностью. Кусочки горной породы отсутствуют, характерно наличие минералов. Заметно резкое уменьшение кварца. Появляются свойства, не присущие крупным фракциям: способность к коагуляции и структурообразованию. Фракция может содержать органические вещества.
Строение кристаллической решетки минералов в почве. Вершины тетраэдров в кремнекислородном слое. Особенности схемы превращения монтмориллонита в гиббсит. Деятельность органических веществ в процессе выветривания и начальных стадиях почвообразования.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.04.2014 |
| Размер файла | 118,5 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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.
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.
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.
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,
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.
Читайте также: