Минеральная и органическая часть почв

Н.А. Качинский1 – (1894-1976), профессор, создатель первой в СССР кафедры физики

и мелиорации почв, заслуженный деятель науки и техники РСФСР.

 

 

Физические свойства гранулометрических фракций также существенно различаются между собой. С уменьшением величины частиц возрастают гигроскопичность, высота капиллярного водоподъема, емкость поглощения. Такие свойства, как пластичность, липкость и набухание, в частицах крупнее 0,005 мм практически отсутствуют (Практикум..., 2001).

В природных условиях почвенные частицы находятся не в разъединенном состоянии, а собраны в агрегаты. Поэтому различают агрегатный анализ, в результате которого выявляют процентное содержание в почве агрегатов различной величины, и гранулометрический анализ, проводимый с полным разрушением агрегатов для установления процентного содержания почвенных частиц.

Существует много методов определения гранулометрического состава почв - от предельно простых полевых приемов на ощупь для отнесения почвы к глинистой, суглинистой, супесчаной или песчаной до сложных методов с использованием специальной аппаратуры.

Для разделения песчаных и более крупных частиц используются сита с различной величиной отверстий. Для разделения пылеватых и илистых

(глинистых) частиц применяются  различные варианты седиментационного анализа. Седиментационный анализ основан на обособлении частиц вследствие неодинаковой скорости осаждения (седиментации) их в воде в зависимости от величины и массы. [2, 3].

 

1. Классификация почв по гранулометрическому составу

 

В основе классификации почв по гранулометрическому составу лежит соотношение фракций физической глины и физического песка. В классификации, предложенной Н. А. Качинским, учитываются генетические особенности почв (табл. 6, Прил.№6).

В указанных в таблице трех типах почвообразования элементарные глинистые частицы обладают различной способностью склеиваться в микроагрегаты — комочки размером менее 0,25 мм. Способность к агрегированию зависит от содержания в почве ила, гумуса, СаСO3 и др. При одном и том же содержании физической глины в почвах с лучшей агрегированностью и структурностью создаются более благоприятные водные и воздушные свойства, чем в неагрегированных почвах. В суглинистых и глинистых степных почвах содержится больше физической глины, чем в подзолистых почвах и солонцах, поэтому в степных почвах способность к агрегированию выражена лучше.

 

 

Согласно приведенной выше классификации, сначала различают почвы по соотношению физической глины и песка, а затем учитывают преобладающие фракции. Полное название почвы по гранулометрическому составу дают с учетом трех фракций: глины, песка и преобладающей фракции. Причем фракцию, имеющую более высокий показатель, ставят в конце названия почвы. Например, если в подзолистой почве содержится 10 % песка, 52 % крупной пыли, 15 % средней и мелкой пыли, 23 % ила, то по гранулометрическому составу она относится к среднесуглинистой иловато-крупнопылеватой. В состав этой почвы входит 35 % физической глины и 65 % физического песка, а преобладающими фракциями являются крупная пыль — 52 % и ил — 23 %.

 

2. Влияние механического состава на свойства почв

 

Механический состав играет чрезвычайно важную роль в почвенной систематике, так как обусловливает многие физические и химические свойства почвы (плотность, гигроскопичность, водопроницаемость, степень выветрелости и т. п.). Почвы, в которых преобладают частицы крупного зерна, называются скелетными, или песчаными; тонкозернистые — мелкоземистыми, или глинистыми. У нас приняты две группировки почвенных частиц. Одна, более простая (Лоренца, Яковлева и Баранова), различает следующие части почвы: скелет, включающий хрящ (крупный, средний и мелкий) и песок (крупный, средний и мелкий).(Табл. 7, Прил.№7)

По более дробной классификации механических элементов (Фадеева-Вильямса) мелкозём делится на пылеватую часть (крупную, среднюю и мелкую) и иловатую (чешуйчатую). (Табл. 8, Прил.№8)

От механического состава почвы зависит и большая часть ее основных и функциональных физических свойств. Чем мелкоземистее почва, тем, в общем, значительнее ее объёмный вес, твёрдость, связность, влагоёмкость, капиллярность, испаряемость, теплопроводность и поглотительная способность, и тем меньше — скважность, газопроницаемость и водопроводимость. (См. табл. 9. Удельные массы различных почв, Прил.№9)

Далее в работе мы рассмотрим влияние механического состава на основные свойства почв.

• Удельная масса почв колеблется обычно между 2000 и 3000 кг/м3.
• Объёмная масса почв составляет около половины удельной; например, литр чернозёма (с удельной массой 2512) весит 1060 г, т. е. 49,19%

 

 

удельной (Ильенков), масса литра песчаной почвы (удельная масса 2690) — 1536,5 г, т. е. 57,12% удельной массы и т. п.

• Скважность, или пористость почв определяется объёмом промежутков между твердыми частицами и обуславливается не столько диаметром последних, сколько их формой; в общем, объем промежутков колеблется между 30% и 60% всего объёма почвы (Вольф, Шюблер и др.).
• Связность и твёрдость почв определяются сопротивлением их раздавливанию и разрыву. Величина эта сильно варьируется в разных почвах, в зависимости не только от их механического состава, но и от химического состава, от количества циркулирующих в почве растворов (Шлезинг, Майер, Гильгард и др.). её влажности и температуры (при замерзании и увеличении влажности твёрдость почв может увеличиться вдвое).
• Влагоёмкостью почв (то же — водоёмкость) называется способность её удерживать в порах определенное количество воды. Различают полную влагоемкость (полное насыщение водой) и неполную, когда вода насыщает лишь капилляры и удерживается лишь силой поверхностного натяжения. Наибольшей влагоёмкостью обладают почвы, богатые гумусом (чернозём поглощает до 50% воды), наименьшей — пески (около 10%). В природе наблюдается даже пересыщение почвы, т. е. увеличение их объёма — набухание, особенно почв мелкоземистых.
• Влажность почвы есть весовое содержание в ней гигроскопической воды в данный момент. Величина крайне изменчивая: влияют на влажность природа самой почвы, климат, рельеф, характер одевающей растительности и т. п. (Измаильский). Растительный покров уменьшает влажность почвы (Эбермайе, Вольни, Измаильский и др.), близость грунтовых вод — увеличивает и т. д. Амплитуда колебания влажности одной и той же почве может достигать 50%.
• Водопроницаемость, или водопроводимость почв обуславливается, главным образом, их структурой и механическим составом. Немалое влияние оказывает также и растительный покров, уменьшающий просачивание воды сквозь почву иногда на 33% (Вольни, Бюлер); далее влияют влагоёмкость почв, содержание гумуса и др. физико-химические свойства. В последнее время водопроводимость естественных почв на сколько-нибудь значительную глубину (глубже 1-1,5 м) многими оспаривается (Фольгер, Зонтаг, Ярц, Близнин, Головкинский).

 

• Капиллярность почв определяется высотой и скоростью поднятия воды снизу, причем оба явления находятся в обратном отношении. Капиллярность зависит, главным образом, от механического состава и строения почвы, а также, в известной степени, от её влажности. В крупнопесчаных почв капиллярность не наблюдается. В мелкоземистых — высота поднятия воды может достигать 2 м (Вольни).
• Величина испарения воды из почвы обусловливается натурой почвы и физико-географическими условиями. При благоприятных условиях, поверхность почвы испаряет больше влаги, чем равная ей водная поверхность (Вольни и др.). Испарение происходит либо непосредственно, либо через растения. В последнем случае иссушение почвы совершается быстрее и значительнее (Вольни, Рислер, Вермишев, Близнин и др.). Мелкоземистые почвы испаряют меньше влаги, чем песчаные (Вольни).
• Электропроводность также сильно зависит от механического, химического состава и влажности. Так как природа проводимости в значительной степени ионная (растворы электролитов), то она повышается при увеличении её солёности и влажности. (уменьшается удельное сопротивление) (См. табл. 10. Электропроводность различных видов почв, Прил.№10)

 

Между почвой и атмосферой совершается постоянный обмен газов, причем первая отдает избыток углекислого газа, а вторая снабжает почву кислородом. Скорость обмена зависит от атмосферного давления, циркуляции воды в почве и ветра. Объем почвенного воздуха обыкновенно превосходит объем свободных пор, так как часть его сгущается: песок конденсирует около 23 объёмов воздуха, глина — до 48.

Тепловые явления в почве связаны с их цветом, механическим составом, влажностью и одевающим растительным покровом. Теплопроводность песчаных почв наивысшая, перегнойных — наименьшая. Амплитуда колебаний температуры достигает максимума на поверхности, постепенно убывая книзу: суточные колебания близки к нулю на глубине 1-1,5 м, годовые — на глубине 25-30 м. (Вюлер, Лейст, Близнин, Вильд, Любославский и др.). Глубина промерзания вполне зависит от климатических условий. Иногда промерзание глинистых почв, по-видимому, вызывает образование зернистой структуры (Фадеев).

 

 

 

Среднее место между явлениями химического порядка и чисто физическими занимает поглотительная способность почв, т. е. способность твёрдых их частей удерживать из растворов некоторые основания и кислоты. Особенно энергично поглощаются калий, аммоний и фосфорная кислота, слабее — кальций, магний, натрий и кислоты:  угольная, кремниевая и апокреновая. При этом большую роль играет количество и состав почвенных растворов, составе цеолитной части почвы, механический состав и пр. Большинство исследователей (Уэ, Раутенберг, Петерс, Эйхгорн, Кноп и др.) склонно отнести поглощение к явлениям чисто химическим (реакциям обмена). Однако, еще Либих считал поглощение явлением физическим. Это воззрение в последнее время сильно подкреплено опытами Земятченского над поглотительной способностью измельченного каолина и кварца, а также тем фактом, что почва поглощает и вещества совершенно химически индифферентные, каковы, например, многие красящие вещества (анилин) и т. п. Как бы то ни было, указанная способность почв играет чрезвычайно важную роль в круговороте питательных веществ: она обогащает глинистую и цеолитную часть почвы питательными веществами в удобоусвояемой для растений форме; разнообразит и регулирует состав почвенных растворов. Коэффициент поглощения выражается обыкновенно или в объемах азота (Кноп), или в поцентнах аммиака (Вольф), поглощенных почвой из раствора нашатыря.[3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Органическая часть почвы

 

1. Природа органического вещества почвы

 

Органическая часть почвы представляет собой сложную систему разнообразных веществ, все разнообразие которых можно систематизировать в две основные группы:

1. Органические вещества почвы индивидуальной природы:

свежие, неразложившиеся вещества растительного и животного происхождения, ежегодно поступающие в почву в виде наземного и корневого опада растений, остатков животного происхождения, в том числе микроорганизмов, состоят из веществ неспецифической природы (белки, углеводы, лигнин и др.); детрит – промежуточные продукты разложения и гумификации источников гумуса, не связанные с минеральной частью почвы.

В сумме органические соединения индивидуальной природы составляют в минеральных почвах примерно 10-15 % от общего запаса органических веществ.

2. Гумусовые вещества специфической природы: гуминовые кислоты,

фульвокислоты, гумин, связанные в различной степени прочности с минеральной частью почвы. Эта группа веществ составляет в минеральных почвах до 85-90% от общего запаса гумуса.

Главная доля в органической части почвы представлена собственно гумусовыми веществами, образование которых осуществляется в процессах сложных превращений исходных растительных и животных остатков.

 Система органических  веществ почвы представлена на  рис.1 (Приложение №13)

 

1. Органические вещества почвы индивидуальной природы

 

Из почвы было выделено и идентифицировано несколько десятков органических соединений. Они представлены различными группами углеводородов, жиров, органических кислот, углеводов, фосфоро- и азотсодержащих производных. Список органических веществ почвы индивидуальной природы включает следующие соединения:

1. Углеводы: пентозы, пентозаны, гексозы, целлюлоза и начальные продукты ее расщепления;
2. Углеводороды: парафин;
3. Органические кислоты жирного ряда и их эфиры: щавелевая, янтарная, сахарная, кротоновая, лигноцериновая,

 

монооксистеариновая, диоксистеариновая, акриловая, бензойная кислоты;

4. Спирты: маннит;
5. Эфиры: глицериды капроновой и олеиновой кислот;
6. Альдегиды: салициловый альдегид, ванилин;
7. Смолы: смоляне кислоты и их производные;
8. Азотсодержащие соединения: триметиламин, холин, гистидин, аргинин, лизин, цитозин, гипоксантин, ксантин, креатинин, производные пиридина, ряд моноаминокислот (лейцин и изолейцин, валин, аланин, аспарагиновая).

Разнообразие представителей группы органических соединений индивидуальной природы подкрепляло распространенное в начале XX в. взгляды многих исследователей, рассматривавших гумус почвы как смесь этих соединений. В дальнейшем исследователи переключились на изучение собственно гумусовых веществ; интерес к группе органических соединений индивидуальной природы упал, чему способствовали также далеко не полные представления о роли их в почве - вещества этой группы рассматривались лишь как источник элементов питания растений (азота, фосфора, серы и др.) и как источник углекислоты почвенного воздуха.

Существенным затруднением в изучении органических соединений индивидуальной природы являлось то, что они присутствуют в почве в малых количествах.

Однако в настоящее время вновь отмечается интерес к изучению органических веществ почвы индивидуальной природы; этому способствует применение новых методов исследования, позволяющих обнаруживать и идентифицировать вещества в малых количествах, а также новые факты, говорящие о разнообразных функциях представителей этой группы.

 

2. Гумусовые вещества почвы

 

Комплекс органических соединений коричневого, бурого и желтого цвета, выделяемых из почвы растворами щелочей, нейтральных солей или органическими растворителями, носит название гумусовых веществ.

Гумусовые вещества  - система высокомолекулярных азотсодержащих соединений циклического строения и кислотной природы. Это предопределяет их взаимодействие с минеральной частью почвы и возможность прочного закрепления в ней. Гумусовые вещества гетерогенны по составу т.е. содержат различные по стадии гумификации компоненты, поэтому их можно разделить на фракции с однородным типом строения, но с различающейся по составу, размеру частиц, степени подвижности и роли в почвообразовании. В основу классификации гумусовых веществ положены отношение к растворителям и экстрагируемость. Среди гумусовых веществ выделяют три главные группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины (негидролизуемый остаток).