Какие минеральные вещества содержаться в почве
Минеральная часть почвы — основная составляющая почв, включающая
Минеральная часть почвы возникла в ходе процессов выветривания горных пород и минералов верхних слоев литосферы и их превращений. Это подтверждается схожим химическим составом литосферы и почв. Почвенный покров образовался под совокупным влиянием на минеральную природу физических и химических факторов, а также живых организмов, прежде всего растений и микроорганизмов.
Геохимический состав почвы наследуется от почвообразующих пород. Так, высокое содержание оксида кремния определяет высокое содержание его в почве. На карбонатных породах образуются почвы, обогащенные щелочноземельными элементами.
Биологических фактор почвообразования
Благодаря деятельности живых организмов в почве по сравнению с земной корой содержание углерода увеличилось в 20 раз, азота — в 10 раз.
Почвообразование в естественных условиях протекает очень медленно. Применение удобрений и агротехнических приемов позволяет ускорить этот процесс. Так, внесение удобрений усиливает жизнедеятельность растений и почвенной микрофлоры, что приводит к накоплению органических веществ и биологически важных элементов.
По химическому строению минералы делятся на силикаты и алюмосиликаты. Из силикатов для всех типов почв во фракциях песка и пыли преобладает кварц — SiO2, характеризующийся низкой поглотительной способностью и высокой водопроницаемостью. В почвах его содержание, как правило более 60%, в песчаных — более 90%. Кварц химически инертен, отличается высокой прочностью.
Основой минеральной части почв составляют кремнекислородные соединения. Самый распространенный почвенный минерал — кварц, или оксид кремния. Алюминий и железо преимущественно входят в состав алюмосиликатных и ферросиликатных минералов. Атомы кремния и кислорода образуют прочносвязанные группы SiO4, имеющие тетраэдрическую структуру. В связи с четырехвалентностью кремния, группы SiO4 могут образовывать между собой различные сложные комбинации соединения.
Группы соединений тетраэдров SiO4
В структурах минералов тонкодисперсных фракций почв кремнекислородные тетраэдры могут соединяться в слои, цепочки или отдельные группы тетраэдров SiO4. Суммарная степень окисления этих групп отрицательна. В сложных сочетаниях кремнекислородных тетраэдров часть атомов кремния может замещаться атомами алюминия.
В кристаллической решетке кварца тетраэдры SiO4 соединены между собой посредством атомов кислорода с четырьмя другими тетраэдрами SiO4. Общая формула кварца (SiO2)n. В кристаллической структуре полевых шпатов часть атомов кремния замещена на алюминий. Для компенсации возникающего отрицательного заряда кремнеалюмокислородного каркаса в их состав включаются атомы натрия, кальция и других, встраивающиеся в «полостях» решетки. Так, полевой шпат альбит имеет формулу Na[SiAlO8].
Кристаллическая структура кварца
Алюминий в тетраэдрической координации с ионами кислорода или гидроксильной группы ОН образует октаэдрические группы, где атом алюминия окружен шестью атомами кислорода или гидроксильной группами. Формула такого соединения (слоя) [Аl(ОН)3]•n соответствует минералу гиббситу (гидраргиллиту).
Структуру таких минералов можно представить следующим образом:
…[(ОН)ЗАl2(ОН)З]•n…[(ОН)3Al2(ОН)3]•n…[(OH)3Al2(OH)3]•n.
Формуле отражает химический состав слоя (пакета), а точки — межпакетные промежутки.
Минеральная часть почв состоит из первичных и вторичных минералов. В песчаных и супесчаных почвах в основном преобладают первичные минералы, суглинистые почвы состоят из первичных и вторичных минералов, а глинистые — преимущественно из вторичных с примесью кварца. Разделение минералов на первичные, то есть с размером частиц более 0,001 мм и вторичные менее 0,001 мм условно, так как последние являются продуктами физико-химического выветривания первичных и образования при этом гидратов полуторных оксидов кремнезема и иных соединений.
В процессе выветривания гидролиз полевого шпата и слюды приводит к замещению катионов металлов в кристаллических решетках минералов на ионы водорода:
Физико-химическое выветривание нераздельно от биологического преобразования пород и минералов под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Первичные минералы почвы — минералы, перешедшие из земной коры в почву без изменения своей структуры. К ним относятся минералы почвенного скелета:
- кварц и его разновидности,
- полевые шпаты: ортоклазы, плагиоклазы, слюды, роговые обманки, авгит, турмалин, магнетит, кальцит, доломит и др.
Первичные минералы почвы входят в состав материнских почвообразующих пород, образовавшихся в результате выветривания и разрушения горных пород. В почвах они присутствуют в виде песчаных частиц размером от 0,05 до 1,0 мм и пылеватых частиц размером от 0,001 до 0,05 мм. В небольшом количестве присутствуют в виде илистых размером менее 1 мкм и коллоидных размером менее 0,25 мкм частиц.
Из первичных минералов под влиянием физико-химических процессов, таких как гидратация, гидролиз, окисление и жизнедеятельности почвенных организмов образуются гидраты полуторных оксидов и кремнеземы, минеральные соли, а также вторичные минералы.
При разрушении полевых шпатов и слюд высвобождается калий, кальций, магний, железо и некоторые другие питательные элементы для растений.
Вторичные минералы, или минералы глин, — каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др. В основном представлены в виде илистых и коллоидных частиц, реже в виде пылеватых частиц.
В кристаллических решетках алюмосиликатных минералов мелкодисперсной фракции почв лежат комбинации кремнекислородных тетраэдрических и алюмогидроксильных октаэдрических слоёв.
Кристаллическая решетка каолинита образована пакетами из двух слоев, связанных между собой атомами кислорода: тетраэдрического кремнекислородного и октаэдрического алюмогидроксильного:
…[O3Si2O2(OH)Al2(OH)3]•n…[O3Si2O2(OH)Al2(OH)3]•n.
Кристаллические решетки монтмориллонита и гидрослюд образованы одним алюмогидроксильным слоем и двумя присоединёнными к нему кремнекислородными:
[O3Si2O2(OH)Al2OHO2Si2O3]•n…[O3Si2O2(OH)Al2OHO2Si2O3]•n.
Связь между пакетами у минералов каолинитовой группы сильнее, а межпакетные пространства небольшие. Поэтому взаимодействие микрокристаллических частиц с водой протекает только на внешней поверхности.
У минералов монтмориллонитовой группы межпакетные пространства больше, а связь между пакетами слабее, поэтому молекулы воды могут проникать в межпакетные пространства. В катионном обмене с почвенным раствором минералов этой группы принимают участие катионы, расположенные на поверхности частиц и находящиеся в межпакетных промежутках. Этим объясняется высокая обменная поглотительная способность минералов монтмориллонитовой группы и наличие необменного поглощения катионов. Эта группа характеризуется высокой дисперсностью, набухаемостью, липкостью и вязкостью.
Почвенные глинистые минералы разделяются на:
- монтмориллонитовые (монтмориллонит — Al2Si4O10(OH)2·nН2O, бейделлит — Al3Si3O9(OH)3·nH2O, нонтронит, сапонит, соконит и др.).
- каолинитовые (каолинит — Al2Si2O5(OH)4 и галлуазит Al2Si2O5(OH)4·2Н2O),
- гидрослюды (гидромусковит (иллит) (К,Н3O)Аl2(OН)2[Аl,Si]4·nН2O, гидробиотит, вермикулит),
- минералы полуторных оксидов (гематит, бемит, гидраргиллит, гётит и др.).
Наибольшей поглотительной способностью обладают монтмориллонитовые минералы, наименьшей — каолинит. Так, емкость поглощения каолинита в 8-15 раз меньше емкости поглощения монтмориллонита. Эта особенность имеет значение в поглощении удобрений.
Монтмориллонит — Мg3(OН)4[Si4O8(OН)2]·Н2O — характеризуется высокой дисперсностью: 40-50% коллоидных (размер менее 0,0001 мм) и 60-80% илистых (размер менее 0,001 мм) частиц. Преобладает в черноземах. Из-за высокой дисперсности емкость поглощения достигает 120 мг-экв/100 г, при увлажнении набухает. В межплоскостное пространство кристаллической структуры могут проникать катионы (К+, NH4+, Na+, Са2+ и др.), которые при дегидрации (подсушивании) почвы фиксируются и становятся недоступными для растений до следующего насыщения влагой.
Вторичные алюмосиликатные минералы находятся в почве в виде мелкодисперсных кристаллов и характеризуются высокой поглотительной способностью.
Группа каолинитов менее дисперсна, обладает небольшой набухаемостью и липкостью, емкость поглощения — не более 25 мг-экв/100 г почвы, размер частиц менее 0,001 мм, водопроницаемость хорошая.
В дерново-подзолистых и черноземных почвах, сформированных на покровных суглинках, в составе высокодисперсных фракций преобладают монтмориллонит и гидрослюды. В красноземах, желтоземах и дерново-подзолистых почвах, сформировавшихся на продуктах древнего гумидного выветривания гранита, содержание минералов каолинитовой группы значительно выше.
Гидрослюды образуются из слюд, имеют непостоянный химический состав, по физическим свойствам занимают промежуточное положение между монтмориллонитом и каолинитом. Гидрослюды присутствуют во всех почвах в илистой и коллоидной фракциях. Из-за высокой дисперсности обладают большой поверхностью и поглотительной способностью.
Слюды определяют агрохимические и агрофизические свойства почвы. Являются источником калийного питания растений, в их состав входит до 5-7% калия. Энергия коллоидного поглощения калия большая, вследствие чего в поглощающем комплексе его содержится 0,510 ммоль/100 г почвы. Красноземы и латериты вследствие небольшого содержания слюд и гидрослюд и избытком минералов каолинитов группы с низким содержанием калия, отличаются дефицитом калия.
К слабо окристаллизованным минералам, существенно влияющих на поглотительную способность почв, относятся аллофан, свободная кремнекислота, различные кислоты и их соли. В состав минеральной части почвы входят аморфные вещества: гидраты оксидов алюминия Al2O3 • nН2O, железа Fe2O3 • nН2O и кремния SiO2 • nН2O. Наибольшее их содержание отмечается в красноземах и желтоземах. В изоэлектрических точках этим вещества образуют аморфные осадки, которые по мере старения образуя новые минералы:
В почве содержатся минеральные соли: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия, марганца. Все нитраты и хлориды, а также соли калия и натрия хорошо растворимы в воде, но их содержание в почвах (за исключением засоленных) относительно небольшое. Малорастворимые соли (карбонаты кальция, магния и сульфат кальция) встречаются в составе твердой фазы в некоторых почвах в значительных количествах, а нерастворимые — фосфаты кальция, магния, железа и алюминия — во всех почвах.
В почве кроме макроэлементов присутствуют микроэлементы. Основным их источником в почве служат почвообразующие горные породы. Так, почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, то есть гранитах, липаритах, гранито-порфирах, бедны никелем, кобальтом, медью. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания основных пород (базальтах, габбро), напротив, обогащены этими элементами.
Некоторые микроэлементы, например, йод, бор, фтор, селен, мышьяк могут поступать в почву из атмосферного воздуха, вулканических извержений и осадками. Для йода и фтора эти источники являются основными.
Таблица. Содержание микроэлементов в почве и литосфере, масс. %[1]
| Элемент | Содержание | Элемент | Содержание | ||
|---|---|---|---|---|---|
| в почве | в литосфере | в почве | в литосфере | ||
| Марганец | 0,085 | 0,09 | Медь | 0,002 | 0,01 |
| Фтор | 0,02 | 0,027 | Цинк | 0,005 | 0,005 |
| Вольфрам | 0,01 | 0,015 | Кобальт | 8·10-4 | 0,003 |
| Бор | 0,001 | 3·10-4 | Молибден | 3·10-4 | 3·10-4 |
| Никель | 0,004 | 0,008 | Йод | 5·10-4 | 3·10-5 |
[INSERT_ELEMENTOR id=”4128″]
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
Источник
Почва. Минеральное вещество почвы. Органическое вещество почвы.Почва — это сложная система, состоящая из минерального и органического компонентов. Она служит субстратом для развития растений. Для успешного земледелия необходимо знать особенности и пути формирования почвы — это помогает повысить ее плодородие, т. е. имеет большое экономическое значение. В состав почвы входят четыре основных компонента:
Минеральное вещество почвыПочва состоит из минеральных компонентов разного размера: камней, щебня и «мелкозема». Последний принято подразделять в порядке укрупнения частиц на глину, ил и песок. Механический состав почвы определяется относительным содержанием в ней песка, ила и глины. Механический состав почвы сильно влияет на дренаж, содержание питательных веществ и температурный режим почвы, иными словами, структуру почвы с агрономической точки зрения. Средне- и мелкоструктурные почвы, такие как глины, суглинки и алевриты, обычно более пригодны для роста растений, так как содержат достаточно питательных веществ и способны лучше удерживать воду с растворенными в ней солями. Песчанистые почвы быстрее дренируются и теряют питательные вещества в результате выщелачивания, но их выгодно использовать для получения ранних урожаев; весной они быстрее, чем глинистые, просыхают и прогреваются. Присутствие камней, т. е. частиц диаметром более 2 мм, важно с точки зрения износа сельскохозяйственных орудий и влияния на дренаж. Обычно с увеличением содержания камней в почве уменьшается ее способность удерживать воду. Органическое вещество почвыОрганическое вещество, как правило, составляет лишь небольшую объемную долю почвы, однако оно очень важно, поскольку определяет многие ее свойства. Это главный источник таких элементов питания растений, как фосфор, азот и сера; оно способствует формированию почвенных агрегатов, т. е. мелкокомковатой структуры, особенно важной для тяжелых почв, поскольку в результате повышаются водопроницаемость и аэрация; оно служит пищей для микроорганизмов. Органическое вещество почвы подразделяют на детрит, или мертвое органическое вещество (MOB) и биоту. Гумус (перегной) — это органический материал, образующийся при неполном разложении MOB. Значительная часть его существует не в свободном виде, а связана с неорганическими молекулами, прежде всего с глинистыми частицами почвы. Вместе с ними гумус составляет так называемый поглощающий комплекс почвы, крайне важный почти для всех протекающих в ней физических, химических и биологических процессов, в частности для удерживания воды и питательных веществ. Среди почвенных организмов особое место занимают дождевые черви. Эти детритофаги вместе с MOB заглатывают большое количество минеральных частиц. Перемещаясь между разными слоями почвы, черви постоянно ее перемешивают. Кроме того, они оставляют ходы, облегчающие ее аэрацию и дренаж, улучшая тем самым ее структуру и связанные с ней свойства. Лучше всего дождевые черви чувствуют себя в нейтральной и слабокислой среде, редко встречаясь при рН ниже 4,5. – Также рекомендуем “Почвенный воздух. Биотические факторы. Экология сообществ – синэкология.” Оглавление темы “Почва. Популяционная экология.”: |
Источник
Знать, из чего состоит почва, может быть полезным. Имея представление о том, что входит в состав грунта на садовом участке, любой дачник легко разберется, что будет хорошо расти на этой земле и как сделать ее более плодородной и питательной.
Из каких твердых фаз состоит?
В любом грунте можно выделить 4 фазы: твердую, жидкую, газовую и живую. Эта схема типична для каждого вида грунта. В твердой фазе содержится различное количество первичных и вторичных минералов, а также растительных и животных органических веществ и продуктов, возникающих по причине их взаимного действия. Твердая фаза является малодинамичной, образуя своего рода каркас, на котором размещаются остальные фазы.
Для этой фазы характерно наличие своего минералогического и химического состава, морфологических признаков.
Минеральная основа
Рыхлая порода имеет свойства, наличие или отсутствие которых связано с размером и соотношением частиц, ее составляющих. Механический состав породы – это процентное соотношение неорганических механических элементов, под которыми, в свою очередь, принято понимать частицы примерно равного размера. То, каким является механический состав грунта, оказывает значительное влияние на присущие почве свойства – с точки зрения механики, химии, биологии.
Кроме того, от механического зависит состав минеральный. У камней, гальки, хряща отличная водопропускная способность, образование же их происходит в результате распада горной породы на обломки. Первичные минералы образуют не только камни, но и песок, но он, хотя и имеет отличную водопропускную способность, удержать ее может слабо. Из-за этого песчаные виды земель обеспечены хорошей аэрацией.
Чем меньше частицы песка, тем слабее впитывается жидкость, а показатель влагоемкости, наоборот, растет.
В пыли содержатся вторичные минералы в большом количестве. От воды они разбухают, тогда почва становится пластичной и липкой. Илистый грунт также «наполнен» вторичными минералами, но уже глинистыми. При попадании в них жидкости они разбухают, и вода, и воздух сквозь такую почву не проходят. У илистых частиц есть особенные свойства, называемые коллоидными: они положительно или отрицательно заряжены, могут проводить обменные реакции, сворачиваться под воздействием соли. Чем меньше такие частицы, тем скорее из них выветриваются вторичные минералы – алюмосиликаты, гидроокиси железа и алюминия, углекислые соли.
Чтобы узнать, какие механические фракции входят в состав почвы, используют ряд следующих способов. Например, анализ с помощью сита подойдет, чтобы отделить частицы размером больше 1 мм от остальных. Первые участвуют в почвообразовательном процессе, образуя «скелет» почвы. Частицы мельче 1 мм называются «мелкозем». Чтобы их отделить, применяют метод Н. А. Качинского, называемый «метод пипетки». Принцип этого метода – различная скорость, с которой в воде падают частички, имеющий разный размер. Частицы покрупнее падают более быстро, помельче – медленно.
Механический состав необыкновенно важен, ведь, по сути, от него и зависит, насколько плодородной будет почва. «Механика» почвы делится на ряд главных компонентов – фракций:
- каменную, куда входят частицы размером более 3 мм;
- гравийную – это частицы от 1 до 3 мм;
- песочную – от 0,05 мм до 1 мм;
- пылевую – от 0,001 до 0,05 мм;
- еще более мелкие – илистая и коллоидная.
Совокупность механических элементов, размер которых больше 0,01 мм, называется физический песок, а меньше – физическая глина. Определение механического состава грунта происходит через соотношение этих двух понятий.
В соответствии с механическим составом почва бывает легкой или тяжелой. В первой больше крупных механических частиц, а глины, наоборот, немного. Водопропускная способность у них высокая, а вот задерживается вода в таких почвах плохо. Легкая почва является малоплодородной, гумуса в ней мало. Обработка такой земли происходит легко, с наступлением теплого времени года она быстро прогревается, по осени быстро остывает. Тяжелая почва значительно плодороднее, но при этом она вязкая, плотная, обрабатывать ее непросто. Если в грунте примерно поровну глины и песка (физических), то его называют суглинистым или средним. Большинство растений, овощей и фруктов хорошо произрастают именно на такой земле.
Механический состав почвы – не неизменная величина, его можно улучшить посредством внесения органических удобрений (перегноя, навоза, мочевины) или высаживания сидератов – растений, называемых еще «зеленым удобрением». В большинстве случаев это виды бобовых культур – фасоль, горох, а также клевер, люпин. Если почва тяжелая, она требует более частого разрыхления.
Органическая
К этой части почвы относят всю органику, присутствующую в профиле. Неважно, свободное у нее состояние или она является частью органо-минерального соединения. Исключение – вещества в составе живого организма, они являются частью почвенной биоты. Вещества в составе органической части можно разделить на 2 типа:
- органические остатки;
- гумус.
Первая группа – это частицы тканей живых организмов – деревьев, опавших листьев, насекомых, животных. Они могут как сохранить первоначальный вид, так и частично его утратить. Разумеется, все они с разным химическим составом. Что касается гумуса, то в него обязательно входят почвенно-органические вещества, кроме живых организмов в любом из видов, если строение их тканей не утрачено. Существует научное разделение гумусовых веществ на два вида – неспецифические и непосредственно гумусовые. Основная часть органики в почве – это так называемые гумифицированные оргвещества.
По-другому их называют перегнойными. Многие почвоведы считают их самой ценной частью почвы, т. к. они аккумулируют солнечную энергию.
Жидкая часть почвы
К жидкой фазе почвы относится вода, размещающаяся в пространстве пор, а также попадающая в грунт как из атмосферы (дождь, снег), так и из грунтовых вод. Жидкую фазу не называют водой. Из-за того что в ней содержится большое количество растворенных органических и минеральных веществ, ей дано название «почвенный раствор». Именно благодаря этому раствору растения и питаются. Это динамичная среда, период обновления составляет одни сутки. У почвенного раствора основная роль в обмене процессов, происходящих в грунте, – как вертикальных, так и горизонтальных.
Воздух
Газообразную фазу составляет воздух, который заполняет ту часть пор, которая не занята водой. Составные части почвенного воздуха не отличаются от атмосферного – это смесь таких газов, как кислород и углекислый газ. Но одно отличие все же имеется – по сравнению с неизменным процентным соотношением кислорода и углекислого газа в атмосферном воздухе, пропорции этих веществ в почвенном могут меняться, они нестабильны, но в большинстве случаев преобладает углекислый газ. Это происходит из-за того, что в процессе разложения органических веществ в грунте, корни растений дышат, то есть, потребляют кислород, выделяя углекислый газ.
Это означает, что в почве происходит выделение пузырьков. Чем более илистая почва, чем больше в ней мельчайших частиц, физической глины, тем хуже она пропускает воздух. Период обновления газовой фазы примерно равен аналогичному периоду жидкой.
Живая фаза и ее роль
Наконец, живую фазу составляют организмы, обитающие в почве. Это огромный перечень видов – от микроорганизмов и бактерий до грибов, насекомых и дождевых червей. Все они образуют почвенную биоту. О том, должны ли корни растений быть отнесены к почвенной биоте или все-таки нет, у почвоведов нет единого мнения. С одной стороны, они участвуют в почвообразовательном процессе, с другой – не являются в полной мере живыми.
Применительно к живой фазе употребляется такой термин как «микробное число почвы». Это числовое значение общего количества микроорганизмов, которые содержатся в одном грамме исследуемого типа грунта. Для этого проводят микробиологические исследования, выращивая колонии микроорганизмов в чашке Петри.
Влияние состава на растения
Для одного и того же растения разные типы почв могут быть как губительны, так и комфортны. Это связано с концентрацией определенных веществ в грунте и их влиянием на развитие растения. Например, некоторые культуры хорошо растут в землях, насыщенных такими металлами, как цинк, медь, никель, кобальт или марганец, соответственно, и силы для роста они берут у этих веществ. Тогда по химическому составу растений можно сделать вывод о том, какой состав имеет почва, каковы ее свойства.
На развитие растения влияет не только состав почвы, но и грунтовые воды, то, насколько глубоко они залегают. Благодаря травам и кустарникам можно найти в земле то или иное полезное ископаемое – о его наличии скажет развитие растения, его рост, типичность или атипичность внешнего вида и т. д.
Бывает, что одно и то же вещество, по-разному концентрируясь в почве, является и стимулятором роста, и ядом для растения. Это, например, бор. Если его в грунте немного, то для всех культур характерен гигантизм, но избыток этого элемента вызывает карликовость, излишнюю ветвистость, изменение формы куста, отсутствие цветения и, как следствие, смерть. Для почв, перенасыщенных медью, также характерно наличие атипично карликовых растений, кроме того, цветы меняют розовую окраску на синюю.
Избыток марганца и перманганата калия в грунте делает листья обесцвеченными из-за разрушения хлорофилла. На земле, перенасыщенной железом, наоборот, растут культуры с ярко-зелеными листьями, которые по осени резко желтеют. Небольшое содержание нефтепродуктов в земле побуждает растения к нетипичному росту – гигантизму. Но чем нефти в грунте больше, тем хуже это для всего живого. Стебли вздуваются, ткани на них отмирают, после чего стебель скручивается.
