Естественная динамика химических свойств почв

Химические свойства почв включают: химический состав почв (твердой фазы и почвенного раствора), гумусированность, кислотно-основные свойства, обменную способность и окислительно-восстановительные условия. Химический или валовый состав почв является достаточно стабильным свойством, остальные более динамичны.

Химический состав почв

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. Источник минеральных веществ – литосфера, органические образуются в результате жизнедеятельности биоты, органо-минеральные синтезируются в ходе почвообразовательных процессов. Минеральная часть почвы составляет до 80–90 % от ее массы, и только в органогенных горизонтах она может составлять меньшую долю (до 10 % в торфяниках). Содержание основных элементов в литосфере и почве представлено в табл. 2.

Таблица 2

Содержание элементов в литосфере и почве, %

 

Элемент	Литосфера	Почва
Кислород	47,2	49,0
Кремний	27,6	33,0
Алюминий	8,8	7,1
Железо	5,1	3,8
Кальций	3,6	1,4
Натрий	2,6	0,6
Магний	2,1	0,6
Калий	2,6	1,4
Углерод	0,1	2,0
Азот	0,01	0,1
Фосфор	0,08	0,98
Сера	0,09	0,085

 

В почве обнаружены почти все известные химические элементы, минеральный состав почв сходен с литосферным. Кислород, кремний, алюминий и железо в почвах присутствуют в той же последовательности по процентному составу, что и в литосфере. Однако процессы почвообразования приводят к увеличению содержания кислорода и кремния, и, кроме того, в 20 раз по сравнению с литосферой возрастает содержание углерода и в 10 раз содержание азота. В то же время следствием почвообразования является уменьшение в почве по сравнению с литосферой алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Почва наследует геохимические черты исходного материала почвообразующих пород: богатые кремнеземом породы формируют почвы с высоким его содержанием; карбонаты и другие соли из материнских пород переходят в почву. Но одновременно идет и изменение материнской породы в ходе почвообразования: минералы перераспределяются по профилю, меняется исходный минеральный состав, в верхних горизонтах аккумулируются биогены – С, S, P, N и другие. Основной причиной накопления углерода в почве являются живые организмы, в первую очередь растения. Первичный источник азота – азотфиксирующие микроорганизмы, дальнейшая трансформация соединений азота связана с деятельностью всей биоты. Фосфор и сера накапливаются в почве также благодаря концентрационной функции «живого вещества».

Основные закономерности, отмеченные при формировании химического состава почв, следующие:

- валовый состав – стабильное свойство, которое меняется трендово, необратимо в течение длительного времени. Основные изменения валового состава связаны с привносом и выносом материала (аллювий, вулканическая деятельность, эрозия);

- часть химического состава почв, зависящая от жизнедеятельности биоты, изменяется циклично (в соответствии с поступлением и разложением органического вещества).

Разберем основные формы соединений химических элементов в почвах и их доступность для биоты.

Кислород входит в первичные и вторичные минералы почвы, основной элемент органических веществ и воды; потребляется только из растворов или в газообразном состоянии, необходим для жизнедеятельности всех видов живых организмов, за исключением анаэробов.

Кремний входит в состав кварца и силикатов. При их разрушении переходит в раствор в виде анионов орто- и метакремниевых кислот, силикатов натрия и калия. При кислой рН эти соединения осаждаются в почве в виде геля. Кремний используется растениями для формирования защитных структур, водорослями – для построения панциря и т. д.

Алюминий присутствует в почве в форме первичных и вторичных минералов, органо-минеральных комплексов, а также в поглощенном состоянии при кислых рН. В кислой среде его ионы подвижны, ионы Al(OH)₂⁺ и Al(OH)²⁺ угнетают рост растений, микроорганизмов и водорослей.

Железо присутствует в почве в составе первичных и вторичных силикатов, в виде гидроксидов и оксидов, простых солей и в поглощенном состоянии. Его ионы подвижны только при рН < 3; в восстановительных условиях в растворе появляются ионы Fe²⁺. В этой форме железо доступно растениям, но его высокие концентрации оказывают угнетающее действие. При нейтральной и щелочной рН подвижность железа низкая, и растения испытывают недостаток железа, приводящий к хлорозу.

Углерод находится в почве в составе органического вещества (от долей процента до 6–7 % и более в черноземах), в виде карбонатов и гидрокарбонатов (от долей процента до десятков процентов в карбонатных почвах) и в углекислом газе почвенного воздуха. Элемент очень важен для формирования структуры, поглотительной способности почв и их плодородия в целом.

Азот сосредоточен главным образом в гумусе (от 1/40 до 1/20 гумуса). Накапливается в почве благодаря биологической кумуляции. Доступен растениям в форме аммония, нитратов, в меньшей степени – в форме нитритов, все они образуются при разложении органических веществ. В почве присутствуют аммонийный (NH₄⁺) и нитратный азот (NO₃^-). Аммонийный азот находится в почве в необменном поглощенном состоянии, нитратный – в растворе. В силу активного поглощения биотой и вымывания почва постоянно нуждается в пополнении азота.

Фосфор содержится в органических и минеральных соединениях (апатит, фосфорит, вивианит) и в поглощенном состоянии. В кислых почвах фосфор содержится в виде фосфатов железа и алюминия и связан с полутораокислами. В слабокислых, нейтральных и слабощелочных почвах – в форме фосфатов кальция. Фосфаты являются основным источником фосфора для растений; из органических соединений этот элемент потребляется только после их минерализации. Наиболее благоприятная среда для усвоения фосфора лежит в интервале рН 6,0–6,5. Применение фосфорных удобрений целесообразно на всех почвах.

Сера находится в почве в виде сульфатов, сульфидов и в составе органических молекул. Сульфаты калия, натрия и магния хорошо растворимы в воде и в условиях гумидного климата выносятся за пределы почвенного профиля; в условиях аридного климата накапливаются, вызывая засоление. Потребность растений в сере небольшая, обычно удовлетворяется полностью.

Калий входит в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов в малодоступной форме. Слюды мусковит и биотит легко отдают калий и служат его источником в почве. Значительная часть калия может находиться в почве в поглощенном состоянии и служить резервом для питания растений. Калий нужен растениям в больших количествах, особенно в период вегетации. Более всего нуждаются в калии картофель, табак, корнеплоды, травы.

Кальций, магний присутствуют в составе кристаллических решеток минералов, в форме простых солей и в поглощенном состоянии. Среди поглощенных катионов занимают первое и второе места. Магний нужен растениям для построения хлорофилла, кальций – для создания благоприятных физических и физико-химических свойств почвы, а в клетке – для формирования структуры цитоплазмы. Недостаток кальция отмечается в кислых хорошо промываемых почвах легкого механического состава – песчаных и супесчаных, а также на солонцеватых почвах.

Помимо использования элементов для нужд метаболизма, растения могут осуществлять их аккумуляцию. Существует эмпирический биогеохимический показатель, характеризующий интенсивность биологического поглощения элементов, – коэффициент биологического поглощения (КБП). Его вычисляют по формуле А. И. Перельмана:

А_х = l_x / n_x,

где А_х– коэффициент биологического поглощения элемента Х; l_x – содержание элемента Х в золе растения; n_x – содержание элемента Х в горной породе.

Если необходимо охарактеризовать особенности отдельного растения к накоплению химического элемента, следует использовать КБП, рассчитанный на кларк литосферы. Если требуется оценить влияние растений на состав почвы, то рассчитывают этот коэффициент относительно содержания элемента в горной породе и почве. КБП – не константная величина, она меняется в зависимости от времени, фазы вегетации, возраста растения, свойств почвы. Перельман выделил 5 групп элементов по значению КБП:

- энергично накопляемые (B) – 10–100;

- сильно накопляемые (K, S, Zn, P, Mn, Ag, St) – 1–10;

- слабого накопления и среднего захвата (Mo, Mg, Ni, Co, U, Fe) – 0,1–1,0;

- слабого захвата (Na, Cl, Li, Si, Ti, Al) – 0,01–0,1;

- очень слабого захвата – 0,001–0,01.

На поглощение элементов влияют видовые особенности растений и место накопления (орган). А. Л. Ковалевский разделил растения и их органы по типу поглощения металлов на безбарьерные и барьерные. Содержание элементов в золе безбарьерных растений увеличивается пропорционально их содержанию в почве; у барьерных органов имеется порог концентрации, выше которого растения прекращают поглощать элемент, несмотря на дальнейшее его увеличение в субстрате. Корни большинства видов растений – безбарьерные органы, а генеративные органы – барьерные.

Кислотно-основные свойства

Любое почвообразование связано с изменением рН породы. Это положение впервые выдвинуто в 1910 г. В. В. Геммерлингом, который полагал, что преобразование породы в почву проходит сначала щелочную стадию, а затем уже почва подкисляется. Изменение рН почвы связывают с растворами, прошедшими сквозь полог растений и подстилку. Иногда дождевые воды, обмывающие растения (ель, березу), имеют рН 3, но в целом рН дождевых вод, прошедших сквозь кроны, колеблется в пределах 4,6–6,6 (если нет загрязнения).

Лесные подстилки также обладают относительно низкими значениями рН от 4,0 до 5,0. Подкисление почв связано и с обменными реакциями между почвой и корнем. Корень, поглощая катионы K⁺ и Са²⁺, выделяет Н⁺, а поглощая анионы NO₃^- и PO₄^3-, выделяет НСО₃^-. В почве рН является одним из наиболее динамичных показателей, колебания рН связаны: с видом растения, через крону которого проходят осадки; с расстоянием от ствола дерева; с суточными, сезонными и многолетними циклами, а также с влажностью почвы.

Содержание гумуса

Гумус – сложный динамический комплекс органических соединений, образующихся при разложении и гумификации органических остатков и продуктов жизнедеятельности живых организмов. В составе гумуса различают неспецифические органические соединения (лигнин, целлюлоза, белки, липиды, углеводы), промежуточные продукты распада и гумификации (высокомолекулярные и низкомолекулярные) и специфические гумусовые вещества (гумусовые кислоты, гумин и прогуминовые вещества).

В почвах постоянно наблюдается сложная динамика гумуса - его синтез, трансформация и разложение. Наиболее важными показателями гумусного состояния почв являются: содержание гумуса в верхних горизонтах (в % от массы почвы), соотношение гуминовых и фульвокислот в его составе (типы гумуса) и тип распределения гумуса по профилю почвы.

Многолетние наблюдения за динамикой гумуса выявили цикличность изменения гумусовых свойств почв под природными сообществами. Эти циклы имеют различную длительность – вековую, многолетнюю, сезонную. Причиной динамичности гумусовых свойств является динамичность экосистем суши: флуктуации в количестве биомассы, составе, структуре сообществ, наличие сукцессий. Так, в течение года количество гумуса в верхних горизонтах почв под молодыми биогеоценозами может увеличиваться в пределах 0,01–0,09 %, при этом в августе-сентябре (перед листопадом) этот рост наименьший. В сформированных БГЦ скорость накопления гумуса идет на порядок быстрее – 0,12 %. Но в обоих случаях существует предел накопления гумуса, связанный с зональными условиями, типом материнской породы и особенностями биогеоценоза [10]. Циклично меняется в течение года и отношение С_гк/С_фк.

Вмешательство человека приводит к трендовому изменению гумусовых свойств почвы, главным образом, к их деградации (см. раздел 4.4.2.)

Поглотительная способность почв

Поглотительная (обменная) способность почв обусловливает существование в почвах определенного фонда питательных веществ, за счет которых может существовать биогеоценоз и от которых зависит его продуктивность. Поглотительная способность определяется минеральным составом почвы, количеством гумуса в ней, рН и Еh.

Потребление растениями веществ из почвы связано с подвижностью элементов в ней. Растворяясь в воде, они активным или пассивным транспортом поступают в корень, часть веществ попадает туда в результате обменных реакций.

Содержанием подвижных веществ в почве управляют следующие факторы: растворимость этих соединений в воде; влажность и температура почвы; фаза развития растений и их масса; поступление элементов с дождевыми и талыми водами, опадом; диффузия веществ из других горизонтов.

Для таких важнейших биогенов, как азот, фосфор и калий, отмечается летний минимум в их содержании, приходящийся на период наибольшего прироста биомассы. В осенне-зимний период происходит восстановление исходного или близкого к нему количества питательных элементов. А это восстановление, в первую очередь, зависит от потенциального запаса веществ в почве, от возможности пополнения почвенного раствора и почвенно-поглощающего комплекса (ППК) подвижными, доступными веществами. Для пополнения запасов подвижных соединений должно существовать равновесие между твердой фазой, обменным комплексом и почвенным раствором. При сдвигании этого равновесия в какую-либо из сторон возникает дефицит питательных веществ, связанный либо с низкой растворимостью твердой фазы, либо со слишком интенсивным переходом веществ в раствор и их выносом (в гумидном климате) или выпадением в осадок (в аридном).

Очень тесно связано с питательным режимом почвы содержание гумуса. Гумус является как источником питательных веществ, образующихся при его минерализации, так и потенциальным их запасом.

Главным регулятором динамики питательных веществ в почве является фитоценоз. Потребление растениями питательных веществ определяет изменчивость их содержания в почве. Запасы питательных веществ в слое 0–20 см на 2–3 порядка превышают вынос их растениями, и теоретически почвенных запасов должно было бы хватить на 100–500 лет без дополнительного поступления питательных веществ. Но на практике большая часть питательных элементов недоступна растениям, поэтому внесение удобрений во многих случаях продуктивно и приносит заметную прибавку к урожаю.

Расход питательных элементов из почвы определяется биологическими особенностями растений, их химическим составом. Поэтому динамика питательных веществ, в первую очередь, связана с типом биогеоценоза или агроценоза, в котором функционирует почва. Естественные биогеоценозы по своему круговороту почти сбалансированы, и поэтому существуют бесконечно долго, и не снижают своей общей продуктивности. Агроценозы из-за ежегодного выноса биомассы довольно быстро вступают в период дефицита питательных веществ и не могут существовать без их дополнительного внесения. Внесение удобрений существенно влияет на циклы элементов в экосистемах, оно ведет к интенсификации круговорота, а не только пополняет фонд подвижных питательных веществ. Для почв разных типов существуют свои оптимальные значения содержания питательных веществ. Так, оптимальными показателями для агроценоза на дерново-подзолистой суглинистой почве будут следующие: гумус – 2,5 %; азот – 0,15 %; фосфаты – 20 мг/100 г почвы; обменный калий – 15 мг/100 г почвы.

У растений существуют фазы роста, в которых они потребляют наибольшее количество питательных веществ. Так, злаки имеют максимум потребления биогенов при выходе в трубку, при наливе зерна их потребление резко снижается.

Естественные ценозы отличаются от агроценозов смазанностью максимумов потребления питательных веществ. Это связано с тем, что в естественных ценозах растения имеют разную продолжительность жизни и несовпадающие сроки фаз развития. Обычно в них отмечается несколько максимумов и минимумов, связанных с интенсивностью потребления веществ разными растениями. Так, для дерново-подзолистых почв в лесных биогеоценозах отмечены следующие особенности поведения фосфора. Ранней весной при переходе температур воздуха через +5^оС подвижность фосфора возрастает (весенний максимум). В начале активной вегетации растений (май – начало июня) содержание фосфора в почве падает, дальнейшая смена фаз развития растений обусловливает июльский максимум этого элемента в почве. Общее возрастание количества фосфора в почве отмечается в сентябре – октябре в связи с поступлением опада. К январю содержание фосфора снижается и выравнивается. Аналогичная динамика отмечена для калия.

Весеннее возрастание содержания большинства питательных элементов связано с повышением их химической подвижности при повышении температуры (увеличивается их растворимость, скорость диффузии, концентрация). Распускание листвы резко снижает содержание подвижных питательных веществ в почве, затем в потреблении наступает небольшой перерыв – с ним связан июльский максимум содержания питательных элементов в почве. Общее увеличение питательных веществ происходит в связи с поступлением опада осенью. При этом до 20 % зольных веществ вымывается в горизонт А1 в течение месяца. В аридных почвах подвижность веществ зависит от количества влаги, поэтому в них часто в зимние месяцы наблюдаются максимумы.

Таким образом, динамика питательных веществ в почве является цикличной и бывает суточной, многодневной, сезонной и многолетней. Цикличность обусловлена климатическим фактором, который в значительной мере формирует ход кривой потребления питательных веществ (максимумы, минимумы, зимняя пауза). Роль растений в питательном режиме всех экосистем также велика и четко прослеживается.

Окислительно-восстановительные условия

Важным фактором, влияющим на химизм почв, следует признать окислительно-восстановительные условия.

В почве присутствует большое количество веществ минеральной и органической природы, способных вступать в реакции окисления и восстановления. Эти реакции оказывают существенное влияние на ход почвообразования. В целом почву можно рассматривать как сложную окислительно-восстановительную систему. К наиболее распространенным реакциям окисления относятся реакции, связанные с гумификацией растительных остатков; изменение степени окисления железа, марганца, серы, азота и других элементов – это реакции как окисления, так и восстановления. Часть протекающих в почве окислительно-восстановительных реакций имеет обратимый характер (для элементов с переменной валентностью), большинство же идет необратимо (окисление органических веществ).

Для количественной характеристики окислительно-восстановительных реакций, протекающих в почве, пользуются понятием окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). ОВП почвы называют разность потенциалов, возникающую между почвенным раствором и электродом из инертного металла (платины), помещенным в почву. ОВП выражается в мВ.

Напряженность окислительно-восстановительных процессов в почвах связана с условиями реакции среды (рН), реакция среды влияет на интенсивность и направленность микробиологических процессов, от нее зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем.

В почве сильными окислителями являются O₂, Cl₂, MnO₄^- (в кислой среде); сильными восстановителями Na⁺, Ca²⁺, SO₄^2-, Fe²⁺.

По величине ОВП можно судить о том, какие окислители и восстановители имеются в почве и каково примерно их соотношение. В разных типах почв и пахотных горизонтах значения ОВП обычно находится в пределах от 100 до 750 мВ, иногда опускается до отрицательных значений.

В плакорных степных почвах ОВП обычно держится на уровне 500–600 мВ. Дерново-подзолистые почвы характеризуются в летние месяцы ОВП 400–700 мВ, при летнем затоплении ОВП в горизонтах А1 и А2 падает до 300 мВ. В сероземах ОВП колеблется в пределах 350–600 мВ; в болотных почвах ОВП снижается до -200 мВ.

Снижение ОВП до 350–450 мВ служит показателем среды, в которой окислительные условия меняются на восстановительные. ОВП ниже 200 мВ свидетельствует о развитии интенсивных восстановительных процессов с глееобразованием.

Большая часть окислительно-восстановительных реакций имеет биохимическую природу и тесно связана с микробиологическими процессами. Каждый микроорганизм имеет свой оптимум ОВП. При высоких значениях ОВП (окислительные условия) в почве развиваются преимущественно аэробы, при низких значениях (восстановительные условия) – анаэробы. Однако для почвы отмечена такая общая закономерность: с увеличением количества аэробов возрастает количество анаэробов. По-видимому, это связано с наличием между ними метаболических взаимоотношений, кроме того, аэробы, потребляя кислород, создают условия для существования анаэробов. Такое сочетание разнонаправленных процессов становится возможным благодаря микрозональности почв.

Обычно в почвах даже нижние горизонты содержат достаточное количество кислорода и дополнительно аэрируются грунтовыми водами. Однако в отдельных локусах, не охватывающих всего горизонта в целом, довольно часто развиваются восстановительные процессы. Например, ризоплана растений содержит большое количество легкодоступного органического вещества, здесь интенсивно идут процессы азотфиксации, аммонификации и нитрификации. В связи с этими процессами в ризоплане создаются восстановительные условия и возникают анаэробные зоны. Микрозоны с разными окислительно-восстановительными условиями подвижны во времени, по мере исчерпания субстратов происходит довольно быстрая смена условий.

При преобладании низких окислительно-восстановительных условий в почвах отмечается консервация органического вещества (образование торфа), элементы с переменной валентностью переходят в состояние с низшей валентностью.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: