Задание №7 Физико-химические процессы в почве (стр. 1 )

Задание №7

Физико-химические процессы в почве

Почва – особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе; состоит из генетически связанных горизонтов (образует почвенный профиль), возникающих в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха, живых организмов.

Поскольку почва содержит живые и неживые компоненты и поэтому обладает рядом свойств, присущих живой и неживой природе, ее называют биокосным телом.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т. е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений.

Почва крайне неоднородна. Ее можно представить как некоторое микроотражение глобальной экосистемы. Поскольку она тоже делится на твердую (минеральные и органические вещества), жидкую (почвенный раствор) и газообразную (почвенный воздух) составляющие. Между ними происходит обмен веществ. Этот обмен происходит, в основном, через почвенный раствор, который перемещается по тонким капиллярам. Перемещение почвенного раствора по капиллярам происходит медленно, поэтому состав почвы крайне неоднороден.

1 ГИПЕРГЕНЕЗ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. в 1922 г. предложил другое название этого процесса – гипергенез.

В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании новых, устойчивых к условиям земной поверхности соединений.

Различают два типа выветривания: физическое и механическое.

Физическое выветривание приводит к чисто механическому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание – разрыхление коренных пород под действием кислорода воздуха, СО2, Н2О, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава.

Часто выделяют еще третий тип выветривания – биологическое (органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим воздействием (например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием (например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).

В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью.

Процессы выветривания горных пород происходили на Земле и до появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при непосредственном участии живых организмов.

Почвообразованием называется сложный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит при прямом и косвенном влиянии других факторов внешней среды.

Растительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород питательные элементы, синтезируют сложные органические соединения – биомассу – и возвращают эти соединения в почву в виде отмирающих и опавшей на землю растительной массы корней и листьев. Одним из главных факторов, играющих важную роль в преобразовании этих органических остатков, являются дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее, перемешивая органические и минеральные вещества. Находясь в тесном взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв, живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих породах и почвах накапливаются биогенные элементы (N, C, P, S и др.), происходит образование и дальнейшее развитие почв.

2 ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПОЧВ

Элементный состав почв – одна из основных химических характеристик почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические исследования невозможны.

Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение химических элементов в почвенной массе.

Элементный состав отражает многие наиболее важные итоги почвообразовательного процесса. По элементному составу различают генетические горизонты почв: в частности перегнойно-аккумулятивные горизонты отличаются повышенным содержанием углерода, фосфора, азота; в элювиальных горизонтах повышено содержание кремния и понижено содержание многих других элементов; в иллювиальных горизонтах накапливаются железо, алюминий и ряд других элементов.

Элементный состав дает представление о потенциальном плодородии почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора – показатель неблагоприятных для растений условий. Конечно, растениям доступна только часть находящихся в почве элементов питания. Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав трудно растворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ, становятся доступными растениям после их полной мобилизации, т. е. после полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в форму растворимого соединения. Тем не менее валовое содержание, или запасы элемента, показывают, как долго та или иная почва потенциально может обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.

Элементный состав – один из важнейших факторов, который обусловливает выбор методов химического и физико-химического анализа почв.

Почвы содержат практически все природные элементы периодической системы . По набору элементов и их количественному содержанию почвы существенно отличаются от живых организмов, минералов и горных пород. Живые организмы состоят главным образом из элементов-органогенов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы; так называемые минеральные компоненты входят в их состав в сравнительно небольших количествах. Индивидуальные минералы содержат, как правило, небольшой набор элементов.

В почвах практически все входящие в их состав элементы являются обязательными и необходимыми. Большой набор элементов – первая отличительная особенность почв. Вторая особенность заключается в сочетании высокого содержания углерода и кремни, что отражает взаимное влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира, с оной стороны, и почвообразующих пород – с другой. Третья особенность - большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 порядков и даже достигающий 9-10 порядков.

3 ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВ

Почва представляет собой многофазную систему. Она состоит из твердых частиц, воды (почвенного раствора) и почвенного воздуха. Если почвенный раствор и почвенный воздух можно считать отдельными фазами почвы, то твердые частицы нельзя считать отдельной фазой. Общее число твердых фаз в почве может быть очень велико. Отдельные фазы составляют совокупности частиц кварца, слюд, обломков полевых шпатов или обломков кристаллов каолинита и т. д. Особыми фазами представлены скопления трудно растворимых или растворимых солей, оксидов, гидроксидов. Одинаковые по составу, но различные по кристаллическому строению вещества образуют отдельные фазы. Так, карбонат кальция CaCO3 может быть представлен кристаллами кальцита или арагонита.

Фазовый состав почвы не тождествен вещественному составу почвы. Число фаз может быть больше числа веществ, составляющих почву (явление полиморфизма), и наоборот – число фаз может быть меньше числа составляющих веществ, например в почвенном растворе.

На долю твердых частиц приходится 40-65% объема почвы. Объем почвенного раствора может изменяться в широком диапазоне. До 35% объема почвы обычно занимает почвенный воздух. Для типичных почв характерно следующее соотношение объемов твердых частиц, жидкой и газообразной фаз:

Т : Ж : Г = 2 : 1 : 1.

95% твердых частиц типичной плодородной почвы состоят из неорганических соединений и 5% − из неорганических. Некоторые виды почв, например торфяные, содержат иногда более 95% органических соединений, тогда как в так называемых «бедных» почвах содержание органических веществ может быть менее 1%.

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных условиях. Состав почвенного раствора меняется в очень широких пределах. В незасоленных почвах в почвенном растворе содержится от десятых долей до нескольких г/л, или примерно от 5-7 до 100-150 ммоль/л катионов и анионов. Наиболее типичными компонентами почвенных растворов, концентрации которых значительно превосходят концентрации других катионов и анионов являются катионы Ca2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+ и анионы HCO3-, SO2-, NO3- и Cl-. При изменении влажности почвы концентрация отдельных ионов меняется по различным законам. Так, концентрации ионов Na+, Cl-, NO3- возрастают пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат-иона, обусловленная произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется.

Почвенный воздух отличается от атмосферного более высоким содержанием CO2 (обычно от 0,1 до 2-3%), а в торфяных почвах на глубине 20-30 см концентрация CO2 достигает 10-12% об. Содержание кислорода в воздухе верхнего слоя почвы (толщиной 20 см) на 0,5-1,5% ниже его концентрации в атмосферном воздухе. В почвенном воздухе могут содержаться H2S, CH4, N2O и органические летучие соединения (углеводороды, спирты, эфиры, альдегиды).

4 ОГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ