Химический состав минеральной части почвы и органические вещества

1.

Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина
Биологический факультет
Кафедра микологии и фитоиммунологии
Химический состав минеральной
части почвы и органические
вещества
Комплекс презентаций к
курсу «Почвоведение»
Часть 5.

2.

ТВЕРДАЯ ФАЗА ПОЧВЫ
Минеральные в-ва
80-90%
Органические в-ва
10-15%
Элементы
99%
О
Si
Al
Fe
Ca
K,
Na
Mg
до 1%
Элементы
P
Mn
S
Cl
H
C
Ti
C, N, H, S, P
Сu,
Zn,
Мо,
В,
Рb

3.

В результате выветривания и почвообразования Al, Fe, Ca, Mg,
Na, K и другие металлы выносятся за пределы почвенного
профиля
Относительное накопление кремния в составе устойчивых к
выветриванию минералов (кварца)

4.

R
m
оксидов
м.ч.
mсух.навески
*100%
Валовый состав минеральной части почвы принято
выражать в виде процентного содержания оксидов на
сухую навеску (прокаленная почва). Пересчеты на
безгумусную, бескарбонатную и прокаленную почву
необходимы для понимания перераспределения
элементов в почвенном профиле в процессе
почвообразования

5.

ФОРМЫ СОЕДИНЕНИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ
Первичные и вторичные минералы (преобладающая часть
химических элементов)
Органическое вещество (гумус и органические остатки
состоят в основном из углерода (25-65%), кислорода (3050%), азота (1-5%), водорода (2-5%)
Органо-минеральные
соединения
(простые
гетерополярные, комплексно-гетераполярные соли гумусовых
кислот с ионами металлов и глинагумусовыми сорбционными
комплексами)
Обменные ионы в составе почвенного поглощающего
комплекса (ППК). Поскольку в почвах преобладают
отрицательно заряженные коллоиды, то в поглощенном
(обменном) состоянии преобладают катионы. (Са2+, Mg2+, Н+,
Аl3+, Na+, К+, NH4+ и др). В поглощенном состоянии могут
находиться и анионы (SO42-, РО43-, NO3- и др.) на
положительно заряженных участках коллоидной мицеллы

6.

«Живое вещество». Основную массу живых организмов
составляют: кислород (70%), водород (10%), углерод, азот,
кальций (1-10%); сера, фосфор, калий, кремний (0,1-1%);
железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01-0,1%)
Почвенный раствор. В почвенном растворе содержатся
минеральные,
органические
и
органаминеральные
вещества в виде ионных, молекулярных и коллоидных
форм. В них также присутствуют растворенные газы: СO2,
O2 и др. Концентрация почвенного раствора обычно
находится в пределах 1 или нескольких граммов на литр
Почвенный воздух. Состав почвенного воздуха аналогичен
атмосферному. В нем содержатся О2, N2, СО2 , а также в
небольших количествах метан, сероводород, аммиак,
водород и др. В отличие от атмосферного, состав почвенного
воздуха более динамичен как во времени, так и в
пространстве

7.

КРЕМНИЙ
В большинстве типов
почв преобладают
оксиды кремния
Содержание SiO2 в
среднем составляет 6070%

8.

Обогащенные окислами железа и
алюминия ферраллитные почвы
тропиков содержат всего 30% SiO2.
При
этом
содержание
полутораоксидов (R2О3) составляет
около 50% (распад первичных
минералов
и
накопление
каолинита, гетита, гиббсита)
В песчаных почвах умеренной
зоны до 95% SiO2, а доля
полуторакосидов не превышает 12%.

9.

АЛЮМИНИЙ
Содержание алюминия в почвах в основном обусловлено
присутствием полевых шпатов, глинистых минералов и отчасти
других, богатых алюминием первичных минералов (слюда, эпидот,
гранат, корунд)
Слюда
Эпидот на аметисте
Корунд

10.

Может присутствовать и в свободном глиноземе, в виде
разнообразных гидроксидов алюминия (диаспор, бемит,
гидраргаллит) в аморфной или кристаллической форме
Боксит
Диаспор
Гидраргаллит
Валовое содержание Al2O3 в почвах обычно колеблется
от 1-2 до 15-20%, а в ферраллитных почвах тропиков и
бокситах может превышать 40%

11.

Глинозем – оксид алюминия, выделяемый из
бокситов (алюминиесодержащих руд). Чтобы
выделить из них чистый глинозем, используют
процесс Байера. Сначала руду нагревают в
автоклаве с едким натром, затем охлаждают и
отделяют от жидкости твердый осадок — «красный
шлам». После этого из полученного раствора
осаждают гидроокись алюминия
Авария на глиноземном комбинате в г. Айка (Венгрия), 2010 г.

12.

ЖЕЛЕЗО
Минералы (магнетит, гематит, глауконит, роговые
обманки). Общее содержание Fe2O3 в почве колеблется
в очень широких пределах…
Кварцево-песчаные почвы (0,5-1,0%)
Почвы на лёссах (3-5%)

13.

Почвы на элювии
ферромагнезиальных пород (8-10%)
Ферраллитные почвы тропиков (2050%)

14.

КАЛЬЦИЙ
Содержание в бескарбонатных суглинистых почвах
составляет 1-3% и определяется в основном
присутствием глинистых минералов тонкодисперсных
фракций, а также гумусом и органическими остатками
(биогенное обогащение кальцием верхней органоаккумулятивной части профиля

15.

КАЛИЙ
Содержание К2О составляет в почвах 2-3%.
Присутствует калий чаще в глинистых минералах
тонкодисперсных фракций, особенно в гидрослюдах, а
также в составе ряда первичных минералов крупной
фракции
биотит
мусковит
калиевые
полевые шпаты

16.

НАТРИЙ
Валовое содержание в почве Na2O обычно около 1-3%.
В почве натрий главным образом присутствует в
составе первичных минералов, преимущественно в
натрийсодержащих полевых шпатах
В аридных сухостепных зонах в виде
хлоридов,
что
обуславливает
засоление почвы
Альбит (NaAlSi3O8)

17.

Валовое содержание оксидов кальция, магния, калия и
натрия в сумме составляет 5-6%
Каракумы
В песчаных почвах 1-2%
В засоленных почвах до 20%
Содержание остальных оксидов (Р2О5, SO3 и др.) в
сумме составляет около 1%

18.

СЕРА
Содержание соединений серы с в почве обычно 0,10,9% Присутствует сера в почве главным образом в
составе различных органических соединений, а
также в виде в виде подвижных соединений в
результате промышленного загрязнения

19.

Углерод, азот, фосфор. Эти элементы принадлежат к
числу важнейших органогенов. Присутствие их в
почве (первых двух практически целиком) обязано
взаимодействию
эдафона
и
процессов
почвообразования
Углерод в виде орг. в-ва
NO3- и NH4+
H2PO4- -> (PO42-)

20.

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Содержание в почве, %
Cu, Ni, Co, Zn
авгит
B
турмалин

21.

Дифференцированность почвенного
профиля по химическому составу:
1) Переход химических элементов из одних соединений в
другие в связи с преобразованиями минералов
2) Поступление элементов из атмосферы с осадками и
импульверизацией (принос орг. и мин. веществ
ветром)
3) Вынос элементов нисходящим движением воды в
грунтовые воды и далее в гидрографическую сеть
4) Принос элементов с грунтовыми водами
5) Циклическое вовлечение элементов в биологический
круговорот веществ

22.

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВ
Органическое вещество почв — это совокупность
живой биомассы и органических остатков растений,
животных, микроорганизмов, продуктов их метаболизма
и специфических новообразованных органических
веществ почвы — гумуса

23.

В органическом веществе почв всегда присутствует
какое-то количество остатков отмерших организмов,
находящихся на разных стадиях разложения, живые
клетки микроорганизмов, почвенная фауна

24.

Запасы фитомассы в различных природных
зонах
Тундровая зона
(150-2500 г/м2)
Таежно-лесная зона
(25-40 тыс. г/м2)
Степная зона
(1200-2500 тыс. г/м2)
В пустынной зоне запасы фитомассы резко уменьшаются, причем
доля корней в ее составе возрастает и соотношение надземной и
подземной массы становится 1:8—1:9

25.

Органические вещества почвы неспецифической
природы
В процессе трансформации остатков растений,
животных и микроорганизмов, а также при поступлении
в почву продуктов их метаболизма органическое
вещество
почвы
обогащается
веществами
неспецифической природы. Доля в органическом
веществе почвы 10-15%.
Азотсодержащие вещества (белки, аминокислоты)
Углеводы
Липиды
Ароматические соединения (лигнин)

26.

Наряду с процессами распада органических
остатков и редукции сложных органических молекул
в почве протекает процесс синтеза гумусовых
веществ
«обломки» биологических
макромолекул или их мономеры
Эдафон
Гуминовые кислоты
Фульвокислоты
Гумусовые кислоты

27.

Гипотетический структурный фрагмент
гумусовых кислот (Кляйнхемпель, 1970)
История изучения гуминовых веществ насчитывает
более двухсот лет. Впервые их выделил из торфа и
описал немецкий химик Ф. Ахард в 1786 году. Немецкие
исследователи разработали первые схемы выделения и
классификации, а также ввели и сам термин —
«гуминовые вещества» (производное от латинского
humus — «земля» или «почва»)

28.

В ХХ веке было достоверно установлено, что гумус
не индивидуальное соединение, а сложная смесь
макромолекул переменного состава и нерегулярного
строения, к которой неприменимы законы классической
термодинамики и теории строения вещества
Ароматический углеродный скелет
с замещением функциональными
группами
Периферический углеродный «хвост»,
обогащенный полисахаридными и
полипептидными фрагментами

29.

30.

ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА
Гуминовые кислоты
(фракция, растворимая в
щелочах и нерастворимая в
кислотах (при рН < 2)
Фульвокислоты — фракция,
растворимая в щелочах и
кислотах
Гумин
(неизвлекаемый остаток,
не растворимый в щелочах и
кислотах)

31.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ
Благодаря карбоксильным, гидроксильным, карбонильным группам и
ароматическим фрагментам гумусовые кислоты вступают в ионные,
донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия

32.

Древесная растительность и
связанные с ней грибы,
актиномицеты и анаэробные
бактерии способствуют
синтезу креповых кислот
(фульвокислот)
ПОДЗОЛООБРАЗОВАНИЕ
Трансформация материнской породы под влиянием кислотного
гидролиза, выноса ила, двух и трёхвалентных металлов из
верхних элювиальных горизонтов

33.

Луговая
травянистая
растительность
и
ассоциирующиеся с ней аэробные и анаэробные
микроорганизмы обусловливают синтез ульминовых
кислот (бурых гуминовых)

34.

Степная травянистая растительность в комплексе с
аэробными микроорганизмами обеспечивают
формирование гуминовых кислот

35.

Л. Н. Александрова, 1980….
Гумификация
—
сложный
биофизико-химический
процесс
трансформации
промежуточных
высокомолекулярных
продуктов
разложения
органических остатков в особый класс органических
соединений — гумусовых кислот

36.

37.

ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Первую группу составляют соли органических кислот
(щавелевая, муравьиная, лимонная, уксусная и др.) и
гумусовых кислот с катионами щелочных и щелочноземельных металлов
Вторую группу образуют комплексные соли,
которые
синтезируются
при
взаимодействии
органических кислот и гумусовых кислот с
поливалентными металлами (железом, алюминием,
медью, цинком, никелем).
Третью
группу
составляют
адсорбционные
органоминеральные
соединения:
алюмои
железогумусовые комплексы, глинисто-гумусовые
комплексы

38.

Гумусное
состояние
почв
—
совокупность
морфологических признаков, общих запасов, свойств
органического вещества и процессов его создания,
трансформации и миграции в почвенном профиле
1. Уровень содержания и запасов органического
вещества (ОВ)
2. Профильное распределение ОВ
3. Обогащенность азотом
4. Степень гумификации
5. Типы гумусовых кислот в составе ОВ

39.

40.

Поскольку одним из основных показателей гумусного
состояния почв служит содержание органического
вещества в их поверхностном горизонте, этот
параметр особенно часто используется при оценке
почвенного плодородия. По содержанию гумуса
(общее содержание органического вещества в почве,
%) все почвы условно делятся на: