Процессы почвообразования. Химический состав почв

Лекция 18. Физико-химические процессы в почве и почвообразующие факторы.

Почвообразование. Докучаев определил главные почвообразующие факторы: климат, геологические условия (материнская порода), топография (рельеф), живые организмы и время.

Физическое и химическое разрушение материнской породы идет под влиянием климата ((выветривание) и в меньшей степени под воздействием живых организмов. Основной фактор выветривания – вода и температурные колебания.

Влияние топографии связано с тем, что на различной высоте, при различной крутизне и экспозиции склона условия различны. Дренаж на склонах лучше, к низине он ухудшается. Со склонов часть воды стекает, смывая часть продуктов выветривания и почву. Почва сползает со склонов под действием силы тяжести.

Живые организмы образуют органические компоненты почвы – подстилку и гумус. При прохождении через пищеварительный тракт дождевого червя, минеральные и органические компоненты измельчаются и перемешиваются, что улучшает структуру почвы. Ходы почвенных животных улучшают аэрацию и облегчают рост корней.

Время. Скорость процесса образования почвы в умеренном климате может быть различной – от нескольких десятилетий при формировании почвы на вулканическом пепле до нескольких тысяч лет при ее формировании на обнаженной поверхности скальных пород.

Выделяют по различным признакам несколько типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующихся в однородных условиях и характеризующихся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования. Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то в значительной мере генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые, подзолистые почвы, черноземы, каштановые, серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы.

В почве постоянно и одновременно протекают химические, физические и биологические процессы. Немаловажную роль здесь играют процессы ферментативного и каталитического окисления, восстановления и гидролиза. В результате почва обогащается необходимыми неорганическими и органическими веществами, происходит химический круговорот веществ — сущность развития почвы, ее плодородия.

Под плодородием понимают свойство почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания и воде, снабжать корневые системы необходимым количеством воздуха и теплоты, обеспечивая тем самым нормальную жизнедеятельность растений. Важное значение для осуществления почвенных процессов имеет структура почвы.

Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. При воздействии организмов на почву в процессе их жизнедеятельности осуществляются важнейшие звенья почвообразования — синтез и разрушение органического вещества, избирательное концентрирование биологически важных микроэлементов, разрушение и новообразование минералов и аккумуляция веществ.

Основная почвообразующая роль принадлежит лесной растительности. Ее биомасса на поверхности суши составляет 1011—1012 т. Остатки растительности поступают на поверхность почвы в основном в виде опада. На втором месте по биомассе почвообразующих зеленых растений — травянистая растительность (1010—1011 т). При этом биомасса корней обычно превышает биомассу наземной части травянистой растительности. В формировании плодородия почв важнейшая роль принадлежит почвенным микроорганизмам. Здесь обитают в большом количестве бактерии, микроскопические грибы и водоросли. Общее число микроорганизмов в почве исчисляется миллиардами в 1 г. Микрофлора почвы по объему составляет около 0,1% ее объема, 7—10 т на 1 га или в сухом весе примерно 2 т живого вещества на гектар.

Особенно важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии.. (Кирьянов, Левчин – Почва 4 т)Гетеротрофные бактерии разлагают органические остатки до простых минеральных соединений. Они могут быть как аэробными, так и анаэробными. Одни осуществляют процесс аммонификации, другие восстанавливают NO3- до N2 в процессе денитрификации. Бактерии-денитрификаторы (Pseudomonas) используют КNO3 в качестве акцептора электрона от глюкозы. В качестве акцептора электрона может выступать и сульфат. При этом бактерии участвуют в процессе десульфофикации:

Н2SО4 + 4{2Н} Н2S + 4Н2О

Автотрофние бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений - продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например, аэробные бактерии играют роль в процессах нитрофикации:

2NH3 + ЗО2 2НNО2 + 2Н2О (нитрозомонос)

2НNO2 + O2 2HNО3 (нитробактер)

Широко распространенные в почвах серобактерии окисляют SН2, S и тиосоединения до Н2SО4 (процесс сульфофикации):

2Н2S + О2 2Н2O + S

S + 3О2 + 2Н2О 2H2SO4

При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fе(II):

4FеСО3 + О2 + 6Н2О 4Fe(ОН)3 + 4СО2

Эти же бактерии могут окислять и соли Мn(II).

В почве содержится много бактерий-азотфиксаторов: свободноживущих (аэробный азотобактер и анаэробный клостридиум) и клубеньковых.

На отмирающих органических остатках живут сапрофитные гетеротрофные бактерии и грибы. Микроскопические грибы (плесневые, актиномицеты) в аэробных условиях могут разлагать клетчатку, лигнин и другие стойкие органические соединения, участвуют в минерализации гумуса. Их гифы достигают нескольких тысяч метров на 1 г почвы.

Наряду с бактериями и грибами в почве присутствует большое количество водорослей, в основном в поверхностном слое и на растениях. Так, в 1 г лесной подзолистой почвы встречаются десятки тысяч клеток 10—15 видов водорослей, а в 1 г лесного опада — до 5 млн. клеток.

Плодородие почвы определяется содержанием в ней гумусовых веществ. Эти вещества химически и микробиологически устойчивы. Они являются промежуточными продуктами в процессе образования угля. Получаемые из самых разных источников — угля, торфа, почвы — гумусовые вещества обнаруживают внешне удивительно сходные свойства. Между собой гумусовые вещества различаются по растворимости в водных и спиртовых растворах:

Элементный анализ гумусовых веществ разного происхождения показывает, что содержание С, Н, О примерно одинаково для каждой фракции.

Кислород в составе гумусовых веществ присутствует в основном в виде функциональных групп -ОН, -СООН, -С=О, ОСН3 и эфиров. Фракция фульвокислот характеризуется наиболее высоким содержанием кислорода (45%). В гуминовой кислоте кислорода содержится меньше (33%). В гумусовых веществах присутствует как алифатический, так и ароматический углерод.(Соотношение ароматического С к алифатическому в гуминовой кислоте гораздо выше, чем в фульвокислотах. Данные ИК- и ЯМР-сцектроскопни показывают, что водород в гумусовых веществах находится лишь при алифатическом С. Это свидетельствует о высокой степени замещения ароматических колец в почвенном гумусе. Помимо Н, С, О гумусовые вещества содержат серу (и 1%), а также азот (2—5%). Азот входит в основном в состав амидогрупп. (Скурлатов, 2004, Абросимов, 1994, Тарасевич, 2002, Тимонн, 1980)

Гумусовые вещества состоят из молекул различной молекулярной массы. Наименьшую среднюю молекулярную массу имеют фульвокислоты, наибольшую — гуминовые. В силу высокого содержания в составе гумусовых веществ лигандных функциональных групп они обладают высокой комплексообразующей способностью.

Помимо комплексообразующих свойств для гуминовых веществ характерны гидрофобные взаимодействия, в силу чего высокомолекулярные гуминовые вещества в воде нерастворимы и образуют основу органического вещества почв. Так называемые тучные почвы содержат более 10% гумуса, среднегумусовые почвы — 5—7%. Зрелые гумусовые почвенные горизонты формируются за сотни лет, а минеральные — за тысячи и миллионы лет.

Уменьшение содержания гумусовых веществ в почве приводит к их дегумификации. Этот процесс обусловлен резкой сменой баланса почв по органическому веществу при освоении целинных земель, или при длительной распашке почв без применения органических удобрений, ила без посева многолетних трав. Уменьшение количества либо изменение качественного состава поступающих в почву органических остатков приводит к тому, что комплекс почвенных микроорганизмов, приспособленный к естественному круговороту органических веществ, при нарушении баланса начинает использовать гумус почвы. Это продолжается либо до установления нового почвенного экологического равновесия, либо до полной деградации почвы. Уменьшение содержания органического вещества в почве сопровождается ухудшением ее физических свойств и прежде всего структуры и водопроницаемости, что способствует усилению процессов эрозии, особенно опасной для пахотных земель. Эрозия, в свою очередь, усиливает процесс дегумификации. В процессе дегумификации резко сокращается содержание в почве наиболее ценных зернистых агрегатов размером 1—5 мм.

Дата добавления: 2013-12-14