4 Физи-хим свойств почв (1)

1. Тема: Органическое вещество и физико-химические свойства почв

• Вопросы:
• 1. Органическое и гумусовое вещество
• 2. Поглотительная способность почв
• 3. Виды почвенной кислотности и
щелочности. Буферность почв

2.

3.

4.

•Органическое вещество (ОВ) – это
совокупность разложившихся и
неразложившихся остатков флоры и фауны,
сконцентрированных в верхних горизонтах
почвы.
•Источники поступления ОВ: наземный
опад, отмершие растения (их растительные
остатки и корешки), не потерявшие
анатомического строения, остатки животных
и мертвой микробной массы, а также
продукты их жизнедеятельности.
•В элементарном составе органических
остатков главную роль играют: углерод,
кислород, водород и азот.
•Из этих элементов построены тела растений
и животных.

5. Состав органического вещества верхнего слоя почвы

6.

•Важнейшими органическими соединениями,
встречающимися в растениях и животных, являются
углеводы, лигнин, азотистые вещества, жиры,
воск, смолы, дубильные вещества.
• Содержание органического вещества в гумусовом
горизонте различных природных зон варьирует.
•в пустынных и полупустынных почвах от 0,5-1,0%
•в черноземах лесостепной зоны от 4-15%.
•В пахотном слое почв, используемых в земледелии,
содержание ОВ изменяется в пределах 2-5%.
•Кононовой установлено, что ежегодно в различных
растительных ассоциациях в почву поступает от 1,2 до
21 т/га растительных остатков, способствуя
образованию гумуса

7.

Типы и виды растительных остатков определяют
количественную и качественную сторону в накоплении
перегноя.
• Вклад различных биоценозов в образовании
перегноя неодинаков. В экосистемах тундры и пустыни
количество ежегодного опада не превышает 1 т/га
сухого вещества.
•В экосистемах лесостепной зоны – его объём
увеличивается до 10-15 т/га, а в тропических лесах
– до 25 и более т/га.
• В агроценозах учитываются послеуборочные
остатки: после пропашных культур – 1-2, зерновых –
2-3, многолетних трав 5-8 т/га.
•Больше остатков –больше перегноя.

8.

Гумусообразование – процесс
разложения растительных остатков на месте
их отмирания и последующего
новообразования гумуса.
• Морфологически выражается в образовании
поверхностного [темного] гумусового
горизонта комковатой или зернистой
структуры, содержащего значительное
количество живых и мертвых корней.
• Гумусонакопление - процесс
аккумуляции гумуса в профиле почв в
результате разложения ОВ и
гумусообразования.

9.

10.

Гумусом, или гумусовыми веществами,
называются специфические органические
соединения (гумусовые кислоты, гумин),
образующиеся в результате множественных
химических превращений и способные к
полимеризации (уплотнению молекул).
• Характерная черта гумуса –
устойчивость против микроорганизмов и
как следствие накопление и длительное
сохранение в почве.

11.

Гумусовые вещества (ГВ) составляют 80-90%
общего количества органического вещества в
почве.
• Г. В. – это высокомолекулярные соединения
циклического строения, содержащие азот.
• Г. В. включают 3 группы соединений:
• гуминовые кислоты (ГК),
• Фульвокислоты (ФК),
• гумусовые угли – гумин, ульмин (ГУ).

12.

Состав и строение почвенного гумуса.
• Гуминовые кислоты состоят из:
• углерода – 52-58%; водорода - 3,3-4,8%;
• азота – 3,6-4,1%; кислорода 34-39%.
• Фульвокислоты:
• углерода – 45,3%; водорода – 5,0%;
• азота – 2,4%; кислорода - 47,3%.
• Отличие ФК от ГК – менее конденсированы,
более просты по своему строению. В гумусовоиллювиальных горизонтах ряда подзолистых
почв ФК закреплены в форме соединений с
железом и особенно алюминием.

13.

Гумин и ульмин (гумусовые угли) – инертная
(труднорастворимая) часть почвенного гумуса.
• По данным акад. И.В. Тюрина, гумин представляет собой
сложный комплекс, в состав которого входят гуминовые и
фульвокислоты, соединённые по типу сложных эфиров.
• Инертность ГУ объясняется их прочной связью с
минеральной частью почвы, особенно с частицами
глинистых минералов.
• Кроме того, в состав почвенного гумуса могут входить
битумы, растворимые в органических растворителях
(спирт, бензол и др.). Их химический состав – совокупность
жиров, высокомолекулярных жирных кислот, восков и
смол. Их содержание в автоморфных почвах – 2-4% от
общего содержания гумуса, в заболоченных повышается до
10-20%.

14.

Состав гумуса в разных типах почв – неодинаков.
• Показателем их различия принято считать
соотношение между гуминовыми кислотами и
фульвокислотами.
Исследованиями (М.М. Кононова и др.)
установлено, что в лесной сильноподзолистой
почве в гор. А2 это соотношение равно
0,56%;
•В гор. А1 дерново-подзолистой почвы под
лесом –0,79%; в тёмно-серой лесной – 1,11;
•в целинном обыкновенном чернозёме – 1,6; в
залежной тёмно-каштановой почве – 1,7; в
светлом серозёме на пашне – 0,7; краснозёме
под лесом -0,8 %

15.

Итак, образование гумуса представляет
собой совокупность ряда биологических
процессов, объединённых в 2 группы:
распада исходных органических
соединений;
синтеза новых, высокомолекулярных
гумусовых соединений.
Эти процессы идут непрерывно, в тесном
взаимодействии друг с другом и в тесной
зависимости от окружающих условий.
Условия разложения органического вещества
определили типы гумуса: мор, модер,
мюлль, анмоор, а также олиготрофный и
аутрофный торф.

16.

Содержание гумуса в основных типах пахотных почв
(по В.И.Тюрину)
Содержание
гумуса в
пахотном слое,%
Запасы гумуса в
слое 0-20 см, т/га
Дерново-подзолистая
2-4
53
Серая лесная оподзоленная
4-6
109
выщелоченный
7-8
192
типичные
10-12
224
обыкновенный
6-8
137
южный
4-5
Темно-каштановая
3-4
Каштановая и светло-каштановая
1,5-3
Серозем
1-2
37
Краснозем
5-7
153
Почва
Черноземы:
99

17. Причины потерь гумуса пахотными почвами

• Уменьшение количества растительных остатков, поступающих в
почву, при смене естественного агроценоза агроценозом.
• Усиление минерализации органического вещества в результате
интенсивной обработки и повышения степени аэрации почв.
• Деградация гумуса из-за применения физиологически кислых
удобрений и активации микрофлоры из-за вносимых удобрений.
• Усиление минерализации из-за осушительных мероприятий и
орошения.
• Водная и ветровая эрозия почв.
Определение расходов гумуса пахотного горизонта почвы
сводится к определению азота, израсходованного культурой. Если
принять среднее содержание азота в гумусе за 5%, то при выносе
100 кг этого элемента с урожаем растений почва потеряет 2000
кг/га гумуса.

18. Роль гумуса в питании растений и баланс гумуса

1. Гумус – источник элементов питания для растений. В нем содержится
98-99% азота, 30-40% фосфора, 90% серы от общего содержания их в
почве.
2. Гумусовые кислоты совместно с неспецифическими органическими и
минеральными кислотами разрушают почвенные силикаты и
алюмосиликаты, растворяют карбонаты кальция и магния, фосфаты,
делая их доступными для растений.
3. Гумусовые кислоты в высокодисперсном состоянии могут выступать в
микроколичествах как стимуляторы роста растений.
4. Органическое вещество почвы – источник пищи микроорганизмов.
При отмирании микроорганизмов происходит высвобождение доступных
для растений форм питательных элементов.
5. Органическое вещество почвы участвует в адсорбционных процессах в
почве, повышая ее поглотительную способность и буферность, улучшает
физические свойства почв (влагоемкость, водо- и воздухопроницаемость,
тепловой режим.

19. По содержанию гумуса (общее содержание органического вещества в почве, %) все почвы условно делятся на:

• безгумусные < 1
• очень низкогумусные I—2
▫ низкогумусмые 2—4
• среднегумусные 4—6
▫ высокогумусные 6—10
• очень высокогумусные (тучные) .... 10—
15
▫ перегнойные 15—30
• торфяные 30

20. Вопрос 2. Поглотительная способность почв (ПСП)

• – это явление поглощения и удерживания
веществ из почвенного раствора, а также
коллоидных ЭПЧ, паров, газов и живых
микроорганизмов.
• С поглотительной способностью связаны
важнейшие особенности почвообразовательных
процессов и многие свойства, определяющие
плодородие почв.
• Поглотительные свойства почв могут существенно
изменяться под влиянием растений.
• К.К. Гедройц выделил 5 видов поглотительной
способности почв:
механическую, физическую, химическую,
биологическую и физико-химическую.

21.

Механическая ПСП – это свойство почвы поглощать
твёрдые частицы, поступающие с водой или воздухом,
размеры которых превышают размеры почвенных пор.
В этом случае почву можно представить как набор сит с
отверстиями разного диаметра.
• Физическая ПСП (молекулярная адсорбция)- это
свойство почвы изменяющее концентрацию молекул
различных веществ на поверхности твёрдых частиц за
счёт физического взаимодействия молекул.
• Каждая почвенная частичка оказывается окружённой
молекулярным слоем воды (плёнкой). Поэтому чем
больше в почве мелких частиц, тем больше общая
поверхность водной плёнки, а следовательно и энергия
сил поверхностного натяжения, т.е. с изменением
величины поверхности меняется и поверхностная
энергия.

22.

•Химическая ПСП (хемосорбция)- способность
почвы удерживать катионы и анионы в форме
нерастворимых или труднорастворимых соединений,
выпадающих в осадок из почвенного раствора.
Например, новообразования в форме белоглазки,
псевдомицелия, охристых пятен, рудяковых
зёрен. Благодаря химической ПС в почвах
накапливаются такие элементы питания растений, как
фосфор и сера.
• Биологическая ПСП - способность почвы
обеспечивать закрепление азота и основных
элементов питания в соотношениях наиболее выгодных
для растений. Она обусловлена избирательным
поглощением элементов питания корнями растений и
микроорганизмами. В определённых случаях возможна
конкуренция между растениями и микроорганизмами.

23.

Физико-химическая ПСП (обменная) – это
способность коллоидных (илистых) частичек почвы
удерживать и обменивать ионы с почвенным
раствором. Водный раствор, окружающий почвенные
частицы, содержит значительное количество веществ,
диссоциированных на ионы – катионы (заряжены
положительно, такие как Na+, K+, Mg2+, Ca2+, H+,
F3+) и анионы (заряжены отрицательно – Cl-, SO4
2-, PO4 3-, NO3 2-).
• Она определяет физико-химические свойства
почв, такие как кислотность, щелочность, буферная
способность, которые в свою очередь определяют
агрономические свойства почв и почвенное
плодородие.

24.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – это
совокупность минеральных, органических и органоминеральных частиц твёрдой фазы почв,
преимущественно <0,001 мм, обладающих физикохимической поглотительной способностью (Толковый
словарь).
• В значительной мере часть катионов взаимодействует с
коллоидами почвы и переходит в связанное, поглощенное
состояние.
• Ёмкость катионного обмена (ЕКО) – это сумма
поглощенных (обменных) катионов.
• В то же время большая часть анионов, за исключением
фосфатов, частично сульфатов и ряда анионов
органических кислот, остается в растворе, не поглощаясь
коллоидами, которые заряжены, как и анионы,
отрицательно.

25.

26. Почвенные коллоиды

• - это частицы с размером меньше 0,0001 мм.
• Коллоиды образуют пленки на поверхности почвенных
первичных минералов. Коллоиды составляют почвенную
плазму, часто образующую оптически ориентированную массу
в порах почв, а также по граням структурных агрегатов почв,
входя в состав кутан.
• -Коллоиды благодаря своему малому размеру обладают очень
большой удельной поверхностью (от 10 до 800 м2/г массы). В
слое 0–15 см на гектаре общая суммарная площадь коллоидов
в суглинистых и глинистых почвах может достигать 700 000
км2.
• -Поверхность коллоидов несет заряд как отрицательный, так и
положительный, но обычно в почвенных коллоидах резко
преобладает отрицательный заряд. Поэтому эти заряды
притягивают (адсорбируют) катионы, чаще всего ионы Ca, Mg,
Na, H, Al. Анионы (РО4 , реже SO4) могут поглощаться
железоколлоидами, имеющими положительный заряд.

27.

28.

• Минеральные коллоидные частицы состоят из
вторичных глинистых минералов (гидрослюды,
монтмориллонит, каолинит, гетит, гидраты окиси
железа), а также мелкие частицы первичных
минералов (в основном кварц и слюды).
• Органические - представлены гумусовыми
кислотами и их солями (гуминовые и фульвокислоты,
белки, полисахариды).
• Органо-минеральные – это соединения
гумусовых веществ с глинистыми (вторичными)
минералами (глинисто-гумусовые, алюмо- и
железогумусовые сорбционные комплексы).
-Каждая коллоидная частица состоит из однородного
вещества кристаллического или аморфного строения.

29. Обмен катионов в почве

• Катионы могут быть обменными и необменными.
Обменные катионы легко, но эквивалентно обмениваются
на другие катионы, при этом свойства почв,
характерные при данном обменом катионе,
восстанавливаются после его вторичного замещения в
составе активных центров на почвенной матрице.
Необменные обычно фиксируются в почве (в решетке
почвенных минералов), и заметно меняют основные
свойства почв (их поглотительную способность,
основную гидрофизическую характеристику).
• Сорбция анионов в почвах определяется их
свойствами, зарядом и свойствами ППК.
• По способности к поглощению анионы располагаются в
следующий ряд: Cl- < NO3 - < SO4 - < PO4 - <SiO4 <OH-.
• Анионы Cl- и NO3 - практически не поглощаются
почвами, их соли характеризуются отрицательной
физической адсорбцией, что способствует их быстрому
вымыванию из почвы

30.

Коллоидные частицы с водой образуют коллоидные
растворы двух типов—золь и гель.
• Золь - коллоидный раствор, в котором частицы
находятся во взвешенном состоянии, так как они
почти не оседают.
Например, коллоидные растворы (гидрозоли)
солонцовых почв не оседают в течение 2—5 лет.
• Гель – дисперсная студнеобразная или твёрдая
система с жидкой или газообразной дисперсной
средой и пространственной структурой, образуемой
частицами дисперсной фазы. Гели образуются в
результате коагуляции (свёртывания) золей и
обладают пластичностью и тиксотропными
свойствами.

31.

• Процесс перехода золя в гель называется
коагуляцией, или свертыванием.
Концентрация электролита — соли, при
которой начинается процесс коагуляции,
называется порогом коагуляции, который
зависит от валентности и атомного веса
катионов, образующих лиотропный ряд по
увеличению коагулирующего влияния на
коллоиды: Li+, Na+, NH4 +, К+ ,Н+ Са2 +,
Мg2+, Fe3+, Al3+.
• • Самые сильные коагуляторы—железо и
алюминий, самые слабые — одновалентные
элементы, затем двухвалентные, наиболее
полно и быстро происходит коагуляция при
• воздействии трехвалентных элементов.
• При водонасыщении почвы часть
коллоидов из геля переходит в золь.

32.

Обычно при коагуляции происходит захват молекул
воды, причем количество воды, которое может
удерживать в себе гель, тем больше, чем меньше
валентность и атомный вес элемента. Гели,
насыщенные Na+, способны удерживать воды в 1000
раз больше своей массы.
• Используя это свойство, из солей натрия и коллоидов
силикатов изготавливают обычный канцелярский клей.
• Коллоиды, удерживающие большое количество воды,
называются гидрофильными (греч. hydor—вода,
phileo—люблю). К ним относятся коллоиды,
насыщенные Na+ ,К+ ,Са2+, Mg2+.
• Коллоиды, удерживающие малое количество воды,
называются гидрофобными (греч. phobos—страх).
Эти коллоиды образуют при коагуляции гели, почти не
содержащие воды, или порошки—седимент. Они не
обладают клеящей способностью.

33. Емкость поглощения (Е) -

Емкость поглощения (Е) • это максимально возможное количество катионов,
которое может сорбировать почва. Для различных почв
емкость поглощения различна:
• • у песчаных почв она равна 1—5 мг-экв, супесчаных
7—8, суглинистых — от 7—8 до 15—18, глинистых — от
15 до 30 мг-экв и выше, у суглинистых подзолов
колеблется в пределах 12—18,
• • у дерново-подзолистых почв 16—25, серых лесных
18—30 и черноземов 30—50 мг-экв на 100 г почвы.
• • Емкость поглощения складывается из двух величин:
суммы поглощенных оснований S, куда входят главным
образом Na+, K+, Mg2+, Са2+, и поглощенного Н+,
содержание которого обозначается буквой Н. Как и
емкость поглощения, S и Н выражаются в мг-экв на 100
г почвы. Таким образом, E=S+H.

34.

В зависимости от соотношения суммы
поглощенных оснований и содержания
обменного водорода различают почвы
• насыщенные и не насыщенные основаниями.
• Почвы, не насыщенные основаниями,
содержат в поглощающем комплексе большое
количество обменного водорода и алюминия и
называются кислыми — это подзолы, дерновоподзолистые, серые лесные и другие почвы.
• Почвы, у которых сумма поглощенных
оснований Са2+, Mg2+ и Na+ равна емкости
поглощения, называются насыщенными
основаниями — черноземы, сероземы,
солонцы, каштановые почвы.

35. Вопрос 4. Виды почвенной кислотности и щелочности. Буферность почв

• Реакция среды в почвах обусловлена
наличием и соотношением в почвенном
растворе водородных (H+) и
гидроксильных (ОН-) ионов и
характеризуется рН — отрицательным
логарифмом активности водородных
ионов в растворе.

36.

37. Почвы могут иметь нейтральную (рН 7), кислую (рН<7)или щелочную (рН>7) реакцию

Почвы могут иметь нейтральную (рН 7), кислую
(рН<7)или щелочную (рН>7) реакцию
• Реакция среды зависимости от состава
растворенных веществ и характера их
взаимодействия с твердой фазой почв,
определяющих соотношение между
концентрациями водородных и гидроксильных
ионов в почвенном растворе.
• Важнейшим регулятором реакции почвы
являются находящиеся в ней соли.
Нейтральные, кислые, щелочные соли,
переходя из твердой фазы в раствор при
увлажнении и обратно при иссушении,
оказывают соответствующее влияние на
характер реакции почвенного раствора, что
отзывается и на плодородии почв.

38. Кислотность почв

• Это способность почвы подкислять воду,
а также растворы солей
• В зависимости от того, при каком
взаимодействии она проявляется и
измеряется различают два вида
почвенной кислотности:
▫ актуальную (активную);
▫ потенциальную кислотность почв в.

39. Значение рН для развития растений и микроорганизмов

Растения
Оптимум рН
Пределы
рН
Растения,
микроорганизмы
Оптимум,
рН
Пределы рН
Пшеница
6-7
5-8
Чайный куст
4,5-6,0
-
Ячмень
-
6-7,2
Лен
5-8
4-7
Рожь
5-6
4-7
Табак
4,5-6,5
-
Овес
5-6
4-8
Люпин
4-5
4-6
Картофель
5
4-8
Горох
6-7
5-8
Люцерна
7-8
6-8
Грибы
3,5-6,0
-
Клевер
6,0-6,5
5-8
Азотобактер
6-8
-
Хлопчатник
6,0-7,3
6-8
Нитрификаторы
6,8-8,0
-
Денитрификаторы
7,0-8,0
-

40. Актуальная кислотность почвы

• Характеризует активность свободных ионов
водорода в почвенном растворе и вызвана
наличием в нем свободных кислот,
гиролитически кислых солей и степенью их
диссоциации.
• Для большинства почв актуальная кислотность
обусловлена угольной кислотой и ее солями.
• Для большинства культур сильно кислая или
сильно щелочная реакция отрицательно
сказывается на развитии растений.
• Актуальная кислотность почвы измеряется при
взаимодействии почвы с дистиллированной
водой [водный рН, рНн2о, рН (Н2O)] при
разбавлении 1:2,5 либо в пасте.

41. Потенциальная кислотность —

• способность почвы при взаимодействии
с растворами солей проявлять себя как
слабая кислота. Определяется
количеством H и Al, находящегося в
ППК. Эта кислотность твердой фазы
почвы.
• Потенциальная кислотность
подразделяется на
▫ обменную
▫ гидролитическую

42. Обменная кислотность

• Определяется количеством
поглощенных Н и Al, вытесняемых из
почвы катионами нейтральных
солей.
• [ППК–] Н++КСl–>[ППК–]К++НСl,
• [ППК3–]Аl3++ 3КСl–>[ППК3–
]3К++АlС13

43. Гидролитическая кислотность

• Определяется количеством поглощенных
водорода и алюминия, вытесняемых
гидролитически щелочной солью.
• Гидролитическую кислотность рассматривают
как суммарную кислотность почв, состоящую
из актуальной и потенциальной кислотности.
Ее величина обуславливает насыщенность
почв основаниями.
• Гидролитическая кислотность может быть
выражена T=S+Hr тогда V=S/(S+Hr)100%
• [ППК–]Н++CH3COONa –>[ППК–
]Na++СН3СООН

44. Щелочность почв

• создание щелочной реакции в почве обусловленной
гидролитически щелочными солями слабых кислот и
оснований:
▫ карбонатами и гидрокарбонатами щелочных и щелочноземельных элементов,
▫ силикатами,
▫ алюминатами,
▫ гуматами натрия.
• Щелочная реакция, согласно теории кислот и оснований
Бренсте-да — Лоури, может быть обусловлена анионами
слабых кислот, которые переходят из твердой фазы
почв в почвенные растворы и водные вытяжки и могут
проявлять основные свойства.

45. Актуальная и потенциальная щелочность

• Актуальная щелочность обусловлена наличием
в почве гидролитически щелочных солей,
которые при диссоциации определяют
повышенную концентрацию гидроксилионов.
• Аl(Н2O)2(ОН)–4+Н2O<–>Al(H2O)3(OH)–3+ОН–
• Потенциальная щелочность обусловлена
содержанием обменно-поглощенного натрия,
который может переходить в раствор и
подщелачивать его.
• [ППК2–]2Na++CaSO4=[ППК2–]Ca2++Na2SO4
• Na2CO3+CaSO4=CaCO3+Na2SO4
• Na2CO3+H2SO4=Na2SO4+H2O+CO2

46. Буферностью называется

• способность почвы противостоять изменению ее актуальной
реакции под воздействием различных факторов.
• Различают буферность почв против кислотных и буферность
против щелочных агентов.
• Буферность почвы определяется свойствами ее твердой фазы,
главным образом почвенных коллоидов. Кислота или щелочь,
появляющиеся в почвенном растворе, вступают во
взаимодействие с почвенными коллоидами, что ослабляет
сдвиг реакции.
• При взаимодействии почвы с кислотой происходит реакция
обмена между обменными катионами и водородным ионом
кислоты, в результате чего водородный ион оказывается
связанным с твердой фазой почвы, а в растворе появляются
катионы:
• [ППК2–]Са2++НСl=[ППК2–]2Н++СаС12
• Если в почве появляется щелочь, водород или алюминий
поглощающего комплекса обмениваются с катионами щелочи,
которая нейтрализуется:
• [ППК2–]2Н++Са(ОН)2=[ППК2–]Са2++2Н2O