Почвоведение Уч пос_Николаева Т.Н. 2005

способность – отдельные их группы за счет различия строения и свойств при высоком содержании могут существенно влиять на свойства почв.

Минералы группы каолинита (в группу также входят галлуазит, диккит, накрит) относятся к диоктаэдрическим слоистым алюмосиликатам, имеющим жесткую кристаллическую решетку. Емкость поглощения каолинита не превышает 25 мг-экв/100 г; минерал не впитывает воду в межпакетное пространство и соответственно не обладает способностью к набуханию. Поэтому почвы, содержащие в значительном количестве каолинит, характеризуются общей низкой емкостью поглощения, но в связи с низкой набухаемостью имеют хорошую водопроницаемость и небольшую липкость. Содержание каолинита в почве обычно незначительно, за исключением почв субтропической и тропической зон, а также почв на древних корах выветривания. К группе каолинита относится минерал галлуазит, отличающийся от него значительным содержанием межслоевой воды, а также большей емкостью поглощения (40-60 мг-экв/100 г).

Минералы группы гидрослюд (гидромусковит, гидробио-

тит, иллит и др.) представляют собой трехслойные алюмосиликаты с нерасширяющейся решеткой. Емкость поглощения гидрослюд 45-50 мг-экв/100 г. Гидрослюды содержат до 6-8 % калия, частично усваемого растениями. Минералы этой группы широко распространены в осадочных породах; присутствуют почти во всех почвах, особенно часто в подзолистых и сероземах.

Минералы монтмориллонитовой группы (монтморилло-

нит, нонтронит, бейделлит, сапонит и др.) также имеют трехслойное строение с сильно расширяющейся при увлажнении кристаллической решеткой и способны к поглощению воды и значительному набуханию. Гидрофильность минералов этой группы обусловлена не только особенностями строения подвижной кристаллической решетки, но и их высокой дисперсностью (содержание фракций менее 0,2-0,3 мкм достигает 40-50 % от общего количества частиц менее 0,001 мм). В связи с особенностями структуры и дисперсностью емкость поглощения монтмориллонита составляет 80-120 мг-экв/100 г. Для минералов этой группы характерны разнообразные изоморфные замещения (кремния на алюминий или алюминия на железо). Мине-

22

ралы группы монтмориллонита чаще встречаются в почвах, имеющих нейтральную и слабощелочную реакцию: черноземных, каштановых, солонцах. К монтмориллониту по свойствам близок минерал вермикулит с расширяющейся кристаллической решеткой и большой емкостью поглощения (до 100 мг-экв/100 г и более).

Группа смешанослойных минералов является одной из наи-

более распространенных в почвах умеренного и холодного гумидного климата, а также арктического пояса, где глинистые минералы на 30-80 % представлены этой группой (Б.П. Градусов, 1976). Смешанослойные минералы состоят из слоев различных глинистых минералов. В зависимости от характера переслаивания и доли участия индивидуальных минералов смешанослойные образования могут иметь довольно различные химические и физические свойства, а также емкость поглощения.

Группа хлоритов включает четырехслойные алюмосиликаты, содержащие Fe, Mg, реже Cr, Ni. По условиям образования они могут быть и первичными.

Образование глинистых минералов связано с гипергенным изменением первичных минералов (слюд, хлоритов, полевых шпатов, вулканических стекол и др.). Характер и скорость разрушения первичных и синтеза вторичных глинистых минералов в большей мере зависят от увлажнения и температурных условий.

Минералы гидроксидов железа и алюминия. Наибольшее значение имеют гематит (Fe2O3) и гетит (Fe2O3 H2O) из минералов группы железа и гиббсит (Al2O3 3H2O) из минералов группы алюминия. Минералы этих групп встречаются в иллювиальных горизонтах подзолистых почв, желтоземах и красноземах; в значительных количествах гетит и гиббсит присутствуют в ферраллитных и железистых почвах.

Аллофаны. Формирование минералов (nSiO2m(Al,Fe)2O3pH2O) в почвах может быть обусловлено взаимодействием кремнекислоты и гидроксидов алюминия, высвободившихся при разрушении первичных и вторичных минералов, а также из золы растительных остатков. Присутствие в почве аллофанов повышает емкость ее поглощения, но увеличивает гидрофильность, липкость, набухаемость почв.

23

Минералы-соли. В эту группу входят кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, галит NaCl, гипс CaSO4 ·2H2O и др. Они встречаются в виде примесей к глинистым минералам главным образом в почвах аридных и семиаридных зон. Значительная часть минералов-солей при высокой влажности почвы растворяется, насыщая почвенный раствор, а при высыхании выпадает в осадок, формируя твердую фазу почв. Минералы-соли по своему происхождению могут быть первичными.

2.3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЧВ

Почва является самой верхней частью коры выветривания литосферы и поэтому в общих чертах наследует ее химический состав. Однако почва, представляя собой одновременно продукт воздействия на литосферу живого вещества, существенно отличается от литосферы по содержанию ряда элементов (табл.3). В литосфере и почве преобладает кислород (около половины), второе место занимает кремний (почти четверть), третье – алюминий и железо (десятая

Таблица 3

Среднее содержание химическихэлементов в литосфере и почвах,% помассе (А.П. Виноградов, 1950)

24

часть). Еще меньше в почве и литосфере (всего лишь несколько процентов) содержится кальция, магния, натрия, калия. На все остальные элементы, исключая углерод, приходится менее 1 %. В природной «живой» почве, кроме того, представлены всегда органическое вещество, вода, газы. К числу наиболее ярких отличительных особенностей химического состава почвы относится резкое увеличение содержания в ней, по сравнению с литосферой, углерода (в 20 раз) и азота (в 10 раз), обусловленное влиянием биогенных факторов. Кроме того, при сохранении общего порядка содержания элементов в почве заметно выше количество кислорода и водорода, как элементов воды, на фоне снижения содержания алюминия, железа, калия, кальция, магния.

Поскольку основная часть почвенной массы (за исключением гумуса и органических остатков) представлена минеральными частицами, валовой химический состав почвы определяется составом и количественным соотношением формирующих ее минералов. Основную долю крупных фракций, как известно, составляет кварц и полевые шпаты, а долю тонкодисперсных фракций – глинистые алюмосиликаты при значительно меньшем содержании остальных минералов. В соответствии с этим в валовом химическом составе почв преобладают кислород и кремний, в меньшей мере алюминий, и в очень небольшом количестве присутствуют железо, титан, кальций, магний, калий, натрий; другие элементы присутствуют в микроколичествах.

Распределение химических элементов по отдельным гранулометрическим фракциям неравномерно и соответствует их минералогическому составу. Наиболее высоко содержание кремния в обогащенных обломочным кварцем фракциях размером более 0,25 мм; в более тонких фракциях увеличивается доля полевых шпатов и других первичных, в особенности железосодержащих минералов, и в связи с этим растет содержание алюминия, железа и других элементов.

Резкая смена минералогического состава в илистой и отчасти тонкопылеватой фракциях, где преобладают относительно богатые алюминием и железом глинистые минералы, соответственно отражается и на валовом химическом составе этих фракций (табл.4).

25

Как видно из приведенных данных, содержание SiО2 закономерно падает по мере уменьшения размеров фракции при соответственном увеличении содержания Аl2О3 и Fe2О3. Очевидно, что в зависимости от гранулометрического состава почвообразующих пород и почв будет соответственно меняться и их валовой химический состав. Последний, таким образом, в значительной мере является функцией гранулометрического, а в итоге минералогического состава, что отчетливо видно из данных по валовому химическому составу различных почвообразующих пород. Например, содержание основных химических компонентов в разных литологических типах морен Белорусского Полесья следующее, % (В.И. Лукашев, 1966):

26

Таким образом, между минеральным, гранулометрическим и химическим составом в рыхлых породах и почвах существует определенная связь: чем тяжелее почва по составу, тем меньше в ней первичных и больше вторичных минералов (особенно алюмосиликатов и гидроокисей), тем ниже содержание кремнезема и выше содержание химически связанной воды и оксидов алюминия и железа.

3.ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ

3.1.ИСТОЧНИКИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

Любая целинная или культурная почва заселена громадным количеством высших и низших организмов, ткани которых представляют собой разнообразные по объему, форме и химическому составу органические вещества. Необходимо различать при этом органическое вещество живущих растений (корни, корневища, стебли), животных, насекомых, грибов, микроорганизмов, органические остатки отмерших растений и животных, прижизненные продукты, выделяемые животными и растительными организмами, а также микроорганизмами. Вся эта масса органического вещества является по существу первоисточником для последующего гумусообразования.

Большая часть растительного органического вещества сосредоточена на поверхности почв. В то же время значительные количества свежего органического вещества ежегодно образуются в форме корневых систем, 60-70 % которых обычно сосредоточено в верхнем 30-50-сантиметровом слое почвы. Органическое вещество корней составляет от 20-30 до 90 % по отношению к общей фитомассе. Органические остатки почвенной фауны играют менее существенную роль.

27

Масштабы поступающих в почву органических остатков растений, их состав, соотношение надземной и корневой масс зависят от состава зональной растительности и местных условий, определяющих ее продуктивность.

Химический состав сухих органических остатков представлен углеводами, белками, лигнином, восками, смолами и другими веществами.

В почвы тундры поступает небольшое количество органических остатков (примерно 1 т/га); затем оно нарастает от северной тайги к южной и далее к лесам лесостепи и травянистой растительности луговых степей. При переходе к степным зонам величина опада снижается из-за сухости климата; в нем возрастает доля корнеопада. В пустынной зоне опад минимальный (1-2 т/га); в лесах влажных субтропиков и тропиков он достигает 20 т/га и более.

Характер поступления органических остатков в почвенный профиль неодинаков. В лесах основное их количество оказывается на поверхности почвы, причем вес сухой массы лесной подстилки составляет 200-400 ц/га, а иногда увеличивается до 500-1000 ц/га, В травянистых же сообществах значительная часть остатков (от 2530 до 80-90 %) поступает непосредственно в почву в виде отмерших корней, и в целинной черноземной степи вес сухого войлока достигает 100-150 ц/га. Эти массы органического вещества при зольности подстилки 5-10 % содержат соответственно до 100010000 кг/га минеральных веществ. Различный характер поступления опада имеет важное значение для дальнейших процессов его превращения.

3.2. СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ

Органическое вещество почвы представлено двумя группами веществ:

органическими остатками отмерших организмов (главным образом растений), в разной степени затронутых разложением – неспецифической частью гумуса;

28

продуктами их гумификации – специфическими гумусовыми веществами (гумусом).

Неспецифическая часть гумуса. Помимо органических ос-

татков в группу входят вещества различных классов органических соединений (10-15 % по массе): белки, углеводы, аминокислоты, жиры, лигнин, воски, смолы, дубильные вещества, ферменты и др.

Белковые вещества (протеины) присутствуют в растительных остатках в количестве от 0,6 до 15 %. В тканях грибов и бактерий содержание белков возрастает до 50-80 %. В элементарном составе белков, кроме углерода, водорода и кислорода, содержится азот (около 16 %), сера (0,3-2,4 %), фосфор (до 0,8 %). При гидролизе белковых веществ образуются так называемые аминокислоты, т.е. азотистые органические соединения, содержащие амидную группу NH2 и карбоксильную группу СООН. Аминокислоты являются непременным компонентом гумусообразования.

Углеводы и близкие к ним вещества преобладают в тканях всех растений. Углеводы составляют в тканях различных растений от 10 до 50 %. Большая часть углеводов представлена клетчаткой (С6Н10О5), а также крахмалом (С6Н10О5) и различными сахарами: моносахаридами (С6Н12О6) и полисахаридами (С12Н22О11). Углеводы сравнительно легко и быстро разлагаются микроорганизмами, являясь для них одним из важнейших источников энергии.

Жиры и подобные им вещества обладают большим запасом энергии, чем углеводы. Их содержание в тканях растений колеблется от 1-3 до 20-30 %. Больше всего этих веществ аккумулируется в семенах и плодах растений.

Лигнин представляет собой особо прочное органическое вещество, участвующее в формировании одревесневших клеток растений. Содержание лигнина в тканях растений колеблется от 10 до 30 %. Исключительно высокая стойкость лигнина против разложения и его ароматическое строение дали основание ряду исследователей считать лигнин основным компонентом почвенного гумуса, наследуемым при разложении растительного органического вещества без существенных изменений.

Воски – это эфиры ненасыщенных карбоновых кислот с высшими одноатомными спиртами в смеси со свободными кислота-

29

ми и часто углеводами. Смолы – смесь более ста различных соединений ароматического характера. Воски и смолы являются непременными компонентами органического вещества почв и в различных типах почв составляют от 2 до 14 % органического вещества.

Органические кислоты, образующиеся и накапливающиеся в почве разнообразны. Низкомолекулярные органические кислоты: щавелевая (COOH2), янтарная [(COOHCH2)2], муравьиная (HCOOH), уксусная (CH3COOH), лимонная (C6H8O7), бензойная (C6H5COOH) и др. – являются продуктами жизнедеятельности растений и низших организмов.

Дубильные вещества, являющиеся производными многоатомных фенолов, образуют с белками и аминокислотами прочные соединения. Содержание дубильных веществ в растениях колеблется от 5 до 25 %, особенно много их в коре древесных растений. Дубильным веществам приписывается существенная роль в гумусообразовании.

В составе сухого вещества органических остатков содержатся также зольные элементы (от 0,1-3,0 до 5-10 %): калий, кальций, магний, кремний, фосфор, сера, железо и многие другие, в том числе микроэлементы, всего не менее 60 элементов.

Специфические гумусовые вещества. Они составляют ос-

новную часть органического вещества почв автоморфного ряда. Это смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, имеющих общие части строения и общность некоторых свойств. Для гумусовых веществ характерны кислотная природа, способность к обменному поглощению катионов, к соле- и комплексообразованию. По отношению к различным растворителям выделяют следующие компоненты гумусовых веществ специфической природы: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин.

Гуминовые кислоты – нерастворимая в воде, минеральных и органических кислотах группа гумусовых веществ. Они хорошо растворяются в щелочных растворах, образуя растворимые соли гуматы. Гуминовые кислоты имеют более сложное строение, более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода. Препараты гуминовых кислот, выделенных из почвы, окра-

30