Лекция № 2

почвы. Физико-химические свойства почв. Почвенный раствор.

пород.
Органическое вещество почв.
Виды поглотительной способности почв.
Характеристика основных физико-химических свойств почв.
Почвенный

раствор и ого свойства.

редакцией И.С. Кауричева. – М.: Агропромиздат, 1989.
3. Мамонтов В.Г., Панов

Н.П., Кауричев И., С., Игнатьев Н.Н. Общее почвоведение.– КолосС, 2006. – 456 с.
4. Кирюшин В.И. Агрономическое почвоведение. – М.: КолосС, 2010. – 687 с.:

состоит из частиц различного размера, которые называются механическими элементами.

мм – мелкоземом.
Отдельные фракции механических элементов заметно различаются по химическому

и минералогическому составу, физико-химическим и водно-физическим свойством.
Общая закономерность заключается в том, что по мере уменьшения размера фракции в них снижается содержание кварца, увеличивается количество слюд и вторичных минералов, в первую очередь глинистых (табл.2).

камней в почве затрудняет ее эффективное использование, поскольку мешает работе

сельскохозяйственных машин и орудий, ухудшает заделку семян и развитие растений. Каменистость почв оценивают в зависимости от содержания каменистого материала (табл. 4).

минералов. Высокое содержание гравия в почвах не препятствует обработке, но

придает им малоблагоприятные свойства – провальную водопроницаемость, отсутствие водоподъемной способности, низкую влагоемкость, что оказывает отрицательное влияние на развитие сельскохозяйственных культур.

минералов, прежде всего кварца и полевых шпатов. Обладает высокой водопроницаемостью,

некоторой капиллярностью и влагоемкостью, не набухает, не пластична. Характеризуется крайне низкой поглотительной способностью. Для полевых культур пригодны пески с влагоемкостью не менее 10 %, для лесных культур не менее 3 – 5 %.

приближается к песчаной, обладает невысокой влагоемкостью, не пластична, слабо набухает,

имеет низкую величину удельной поверхности – 1-2 м2/г.

удельной поверхности – 2-10 м2/г, не способна к коагуляции и

структурообразованию, не набухает. Вследствие повышенного содержания слюд обладает связностью и пластичностью, удерживает влагу, имеет пло-хую водопроницаемость.
Почвы, обогащенные крупной и средней пылью, легко распыляются, склонны к заплыванию и уплотнению, отличаются слабой водопроницаемостью.

из первичных, но и вторичных минералов. В связи с этим

обладает рядом свойств, не присущих более крупным фракциям: способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит повышенное количество гумусовых веществ. Удельная поверхность ее превышает 50 м2/г. Однако высокое содержание мелкой пыли в почвах в свободном, не агрегированном состоянии придает им ряд неблагоприятных свойств: плотное сложение, плохую водопроницаемость, чрезмерное набухание и усадку, липкость, трещиноватость, возрастает количество недоступной для растений влаги.

Их первичных минералов встречается кварц, ортоклаз, мусковит.

Илистая фракция имеет большое значение в создании почвенного плодородия. Благодаря высокой удельной поверхности, достигающей 200 – 250 м2/г, она играет главную роль в физико-химических процессах, протекающих в почве. Ил обладает высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса, элементов зольного и азотного питания растений. Коллоидной части этой фракции принадлежит особо важная роль в структурообразовании и формировании почвенного поглощающего комплекса.
Водно-физические и физико-механические свойства почв, обогащенных илистой фракцией, в значительной мере определяются ее способностью к коагуляции и склеиванию механических элементов в агрегаты. Эта способность зависит от минералогического и химического состава почвы, обогащенности ее гумусом, соединениями кальция и железа, от состава поглощенных катионов. Необратимая коагуляция илистой фракции способствует структурообразованию. Структурная почва даже при высоком содержании ила характеризуется благоприятными физическими свойствами.
В ряде случаев высокое содержание ила негативно влияет на свойства почв. При развитии восстановительных процессов в результате переувлажнения, высоком содержании в ППК обменных ионов натрия или водорода, большом количестве минералов группы монтмориллонита в малогумусных почвах, значительная часть ила находятся в свободном состоянии и легко пептизируется водой. Почвы, содержащие много водопептизируемого ила при увлажнении заплывают, содержат мало воздухоносных пор, характеризуются повышенной плотностью, набухаемостью и липкостью, низкой водопроницаемостью, склонны к коркообразованию.

веществом почвы.

разделить на три части.
1. Источники гумуса – 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.).
2. Детрит — промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы. Содержат много неспецифических веществ.
3. Гумусовые вещества специфической природы: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы.

группу объединяют две первые части — источники гумуса и детрит

— под общим названием легкоразлагаемое (лабильное) органическое вещество. В эту же группу входят и практически все виды внесенных в почву органических удобрений (различные виды навоза, компосты и др.).


Гумусовые вещества, как наиболее устойчивые к разложению, следует относить к стабильной (трудноразлагаемой) части органического вещества.

и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов.
В

составе гумуса различают промежуточные продукты распада и гумификации, неспецифические органические соединения и специфические гумусовые вещества.

относятся все компоненты биоценоза, которые поступают на поверхность почв или

в толщу почвенного профиля после завершения жизненного цикла.
Главный источник органического вещества почвы в естественных ценозах - растительные остатки в виде наземного и корневого опада.

органических соединений кислотной природы.
В их составе выделяют три группы:

гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин, или негидролизуемый остаток.
Качественное соотношение этих групп характеризует групповой состав гумуса.

следующих важнейших признаков:
Содержание углерода в пределах 36-62 %, при обязательном

содержании азота от 2 до 6 %.
Наличие циклических фрагментов, содержащих 3-6 % гетероциклического азота.
Наличие негидролизуемого азота в количестве 25-55 % от общего.
Характер электронных спектров поглощения( при значениях длины волны 465 нм) порядка 0,01-0,1.

и
гиматомелановые кислоты (Гмк)

и гетероциклических соединений
типа бензола, фурана, пиридина, нафталина и др.
Периферическую

часть формируют цепочки боковых радикалов, состоящие из углеводных, аминокислотных и углеводородных фрагментов, соединенных между собой углеродными, аминокислотными и другими цепочками и мостиками (-О-, -N-, -СН2-, -С-С-) и образуют рыхлое сетчатое строение.
Функциональные группы:
карбоксильные (СООН),
метоксильные (ОСН3),
карбонильные (СО),
аминогруппы (NH2),
спиртовые и фенольные гидроксилы (ОН)
и некоторые другие.

для растений форме.
Кроме того, в составе препаратов всегда содержится

1-5% зольных элементов (Si, Al, Fe, P и др.), даже после тщательной их очистки.
Наличие функциональных групп обусловливает очень высокую емкость поглощения катионов (300-700 мг-экв на 100 г до 800-1000 мг-экв).
По современным представлениям молекула Гк представляет собой подобие “рыхлой сетки” такое своеобразное строение, наличие пор в ассоциатах, обусловливает способность Гк к адсорбции воды и набуханию, которое может достигать 300–400 %.

соли гуминовых кислот — гуматы.

Условно принимается, что
ядро молекул

обладает гидрофобными свойствами,
а периферическая часть - гидрофильными.

апокреновые), сходных по составу и строению с гуминовыми кислотами.
обладают

большей подвижностью в почвенном профиле и агрессивностью по отношению к минеральной части почв.
При взаимодействии фульвокислот с катионами образуются соли — фульваты.
Водные растворы фульвокислот обладают очень кислой реакцией (рН 2,6–2,8).

прочно связанных с минеральной частью почв.

трансформации органических веществ в почвах составляет процесс гумусообразования, который определяет

формирование и эволюцию гумусового профиля (органопрофиля) почв.
В число процессов входят: поступление в почву органических остатков, их разложение, минерализация и гумификация, минерализация гумусовых веществ, взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы, миграция и аккумуляция органических и органно-минеральных соединений.

углекислого газа и простых солей. В результате минерализации происходит сравнительно

быстрый переход закрепленных в органических остатках различных элементов ( N P, S, Ca, Mg, K, Fe и др. ) в минеральные формы и потребление их новыми поколениями живых организмов.

Гумификация – совокупность биохимических и физико-химических процессов трансформации продуктов разложения органических остатков в особый класс органических соединений - гумусовые кислоты почвы.
Итог гумификации – закрепление органического вещества в почве в форме новых, устойчивых к микробиологическому разложению продуктов, служащих аккумуляторами огромных запасов элементов питания и энергии.

фульвокислот устанавливается тип гумуса почвы:
гуматный – Сгк : Сфк >2
фульватно–гуматный

– Сгк : Сфк =1–2
гуматно–фульватный – Сгк : Сфк = 0,5–0,99
фульватный – Сгк : Сфк < 0,5

генезисом почвы, формированием ее морфологических признаков, вещественного состава и свойств.

Формирование специфического органопрофиля.
Агрегатообразование с участием гумусовых и глиногумусовых соединений. Взаимодействие гумуса с минералами и формирование микробиологически и термодинамически устойчивых структур.
Формирование сложения и влияние гумусовых веществ на водно-физические свойства почвы.
Формирование лабильных миграционнноспособных соединений и вовлечение минеральных компонентов почвы в биогеохимический круговорот.
Формирование сорбционных, кислотно-основных и буферных свойств почвы.

растений.
1.Источник элементов минерального питания высших растений (N, Р, К, Са,

микроэлементов).
2. Источник органического питания для гетеротрофных организмов и влияние на биологическую и биохимическую активность почв.
3. Источник СО2 в приземном слое воздуха и влияние на продуктивность фотосинтеза.
4. Источник биологически активных веществ в почве, оказывающих влияние на рост и развитие растений, мобилизацию питательных веществ и т. д. (природные ростовые вещества, ферменты, витамины и др.).

на скорость разложения пестицидов.
2. Закрепление загрязняющих веществ в почвах

(сорбция, комплексообразование и т. д.), снижение поступления токсикантов в растение.
3. Усиление миграционной способности токсикантов.

-систематическое внесение в почву достаточно высоких норм
органических удобрений в виде

навоза и торфяных компостов,
-применение зеленых удобрений (люпин, сераделла),
-травосеяние,
-известкование или гипсование регулирует реакцию почвы, что создает благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, тормозит процессы разрушения и вымывания органических, органо-минеральных и минеральных веществ из почвы.
-мелиорация почвы коренным образом улучшает ее водно-воздушный режим и, следовательно, создает хорошие условия как для образования, так и для активного функционирования гумуса.

вещества различной природы.
Величина поглотительной способности неодинакова у разных почв и

неодинакова по отношению к разным веществам.
Поглощение веществ может быть обменным и необменным.
Необменнное поглощение – прочное закрепление вещества в почве, при которым оно уже неспособно к возврату в почвенные раствор или воздух и замещаться другими веществами
Обменнное поглощение – закрепление вещества в почве с разной прочность, но с сохранением способности к возврату в почвенный раствор или воздух и замещению другими веществами.
Особая роль в процессах физико-химического поглощения принадлежит Почвенному поглощающему комплексу - совокупность компонентов почвы, участвующие в поглощении веществ

механическую,
физическую,
физико-химическую,
химическую и
биологическую.

поступающие с водой или воздухом, размеры которых превышают размеры почвенных

пор. В данном случае почву можно рассматривать как набор сит с отверстиями разного размера.

концентрацию молекул различных веществ на поверхности твёрдых частиц за счёт

физического взаимодействия молекул. При этом изменяется величина поверхности и поверхностная энергия.

осадок из почвенного раствора.
Например, сорбция фосфатов на поверхности гидроксидов

железа и алюминия в почвах с кислой реакцией среды.

воздуха корнями растений и микроорганизмами.

поглощающего комплекса (ППК), представленного почвенными коллоидами.
ППК обладает способностью поглощать

и обменивать катионы и анионы, находящиеся на поверхности коллоидных частиц, на эквивалентное количество ионов почвенного раствора.
Физико-химическая поглотительная способность обусловливает физико-химические свойства почв, такие как кислотность, щелочность, буферная способность, которые в значительной степени определяют агрономические свойства и почвенное плодородие.

алюминия, кремния и др.),
-органические (гуминовые и фульвокислоты, белки, полисахариды

-органо-минеральные глинисто-гумусовые комплексы, алюмо- и железогумусовые сорбционные комплексы).

Минеральные коллоиды подразделяются на кристаллические (глинистые минералы) и аморфные (гидраты оксидов железа, алюминия и кремния).

- относятся минералы монтмориллонитовой группы, гумусовые кислоты, гидроксид кремния;
-гидрофобные

— связывают небольшое количество воды — гидроксиды железа и алюминия, минералы группы каолинита и некоторые др.
Чем больше в почве гидрофильных коллоидов, тем в большей степени она набухает (увеличивает объем) при увлажнении.

состоянии) и в форме золя (в виде суспензии).
Под действием

различных факторов, влияющих на величину заряда, состояние коллоидов может изменяться — гель может переходить в золь и наоборот.

называется пептизацией.
Пептизация гелей происходит в результате следующих причин, связанных

с изменением электрического потенциала и степени гидратации:
увеличение щелочности среды;
уменьшение концентрации легкорастворимых солей;
замена двух- и трехвалентных катионов на одновалентные катионы калия, натрия, аммония.

(из суспензии в осадок) называется каогуляцией

определяющих распределение вещества между твердой, жилкой и газообразной фазами и

происходящими между ними процессами эквивалентного обмена.
К физико-химическим свойствам относятся
обменная поглотительная способность почв,
состав поглощенных ионов, ЕКО,V
реакция среды и буферные свойства почв.
Физико-химические свойства связанны с содержанием и составом в почве илистой фракции, коллоидов и органического вещества.

диффузионного слоя компенсирующих ионов.
Ионы диффузного слоя способны обмениваться с ионами

интермицеллярного (почвенного) раствора, обусловливая физико-химическую поглотительную способность.
Коллоидная мицелла электронейтральна/

удерживаемое почвой в обменном состоянии.
ЕКО измеряется в мг-эквивалентах поглощенных катионов

на 100 г почвы (мг-экв./100 г)
Пример реакции обмена катионов
ППК/ Са2+,Mg2+,H+ + 5KCl = ППК/5K+ + CaCl2 +MgCl2 + HCl

Na+, Al3+, H+.
Важное значение также имеют NH4+, К+, Fe2+,

Mn2+, Cu2+, Zn2+
Ионы с большим зарядом и меньшим радиусом поглощаются более прочно
Ряды ионов по склонности к поглощению
Al3+>H>Ca2+>=Mg2+>K+>= NH4+ >Na+
PO3-4>SO42- >NO-3=Cl-
Состав поглощенных катионов является важной генетической и производственной характеристикой почв.
В почвенно-поглощающем комплексе почв гумидных областей (тундровых, подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных) находятся Н, Аl, Ca, Mg.
Семигумидных (черноземы) - Ca, Mg
Семиаридных и аридных (каштановые, бурые полупустынные и серо-бурые пустынные) - Ca, Mg, Na

ионов водорода. Определяется измерением рН в водной вытяжке
Обменная кислотность –

обусловлена ионами водорода в растворе и вытесняемыми гидролитически нейтральными солями ионами водорода и алюминия.
Определяются в солевой вытяжке KCl , выражается в мг/экв 100 г почвы.
ППК/Н + КСl = ППК/К + НCl
Гидролитическая кислотность – обусловлена ионами водорода и алюминия, вытесняемыми в раствор сильными вытеснителями (гидролитически щелочными солями)
ППК/Н,AL + 4СН3СООNa+H2O = ППК/4Na + AL(ОН) 3 + 4СН3СООН

(поглощенных кальция и магния) к емкости катионного обмена.
Насыщенность

основаниями измеряется в %

Формула определения насыщенности основаниями

V = S*100/ЕКO
где S – сумма обменных оснований (кальция и магния)
Нг - гидролитическая кислотность

ЕКО = S + Нг

кислых почвах.
Нейтрализация почвенной кислотности происходит в результате замещение активного и

обменного водорода основаниями (кальцием и магнием) за счет протекания в почве следующих реакций:
ППК/2Н + СаСО3 = ППК/Са + Н2СО3
Н2СО3 = Н2О +СО2

Дозу извести определяют в т/га и рассчитывают исходя из величины гидролитической кислотности
Формула расчета дозы извести
Д т/га = Нг * 50 * dv * h / 10
где Нг – гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г почвы;
50 – масса одного эквивалента извести;
dv – плотность известкуемого слоя, т/га;
h - мощность (толщина) известкуемого слоя, м
10 – коэффициент перевода мг, г и см в тонны и метры

щелочность обусловлена наличием в почве растворимых солей щелочных металлов

Na2CO3 +

2HOH = 2NaOH +H2CO3
H2CO3 = H2O + CO2

Потенциальная щелочность обусловлена высоким содержанием обменного натрия в составе поглощенных катионов
ППК/2Na+ + CaCO3 = ППК/Са2+ + Na2CO3

почвенной щелочности
ППК/2Na+ + CaSO4*2Н2О = ППК/Ca2+ + Na2SO4 + 2Н2О
Доза

извести устанавливается исходя из содержания поглощенного натрия и определяется в т/га

Д (т/га) = (Na+ - 0,05ЕКО) * 86 * h * dv / 10
где Na+ - содержание поглощенного натрия, мг-экв./100 г почвы;
0,05ЕКО – нетоксичное для с/х культур количество обменного натрия, равное 5% емкости катионного обмена;
86 - масса одного эквивалента гипса;
dv – плотность известкуемого слоя, т/га;
h - мощность (толщина) известкуемого слоя, м
10 – уравнивающий коэффициент перевода мг, г и см в тонны и метры

и реакции среды
Природа буферности обусловлена обменным поглощением поступившего в

почву вещества.

Известь, т/га