Воздух и вода в почве

Составной частью почвы является воздух. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного. Это зависит от биологических процессов, протекающих в почве. Корневые системы высших растений и аэробные микроорганизмы поглощают кислород и выделяют углекислый газ (СО₂). Избыток СО₂ из почвы выделяется в атмосферу, а атмосферный воздух, обогащенный кислородом, проникает в почву. Так как почвенный воздух находится в состоянии газового обмена с атмосферным, припочвенный слой атмосферы содержит в несколько раз больше углекислого газа, чем воздух на высоте в несколько метров. На протяжении суток почвы выделяют СО₂ от 10 до 100 кг с 1 га. Особенно много углекислого газа выделяет почва в лесостепной зоне.

Иногда в составе почвенного воздуха могут присутствовать некоторые газы, проникшие через толщи горных пород из мест их скопления. Так почвы над нефтяными и газовыми месторождениями почвы бывают обогащены углеводородами; над скоплениями радиоактивных элементов – гелием. На этом основаны специальные газовые геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых.

Почвенный раствор.

Основные химические и биологические процессы в почве могут совершаться только при наличии свободной воды. Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных и коллоидных растворов. Поэтому свободную воду правильнее называть почвенным раствором. Почвенный раствор находится в динамическим равновесии с твердым веществом и воздухом почвы, и является наиболее активной её частью.

Растворимость газов в почвенном растворе зависит от давления газа, от температуры.

Большая часть соединений в почвенном растворе находится в виде ионов. Основные анионы: (HCO₃)^-, (NO₂)^-, (NO₃)^- поступают в результате биологических процессов. В незасоленных почвах преобладают гидрокарбонаты (HCO₃)^-, в засоленых резко возрастает содержание хлоридов (Cl₂)^- и  сульфатов (SO₄)^-.

Среди катионов в почвенном растворе находятся Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, H⁺. В почвенных растворах некоторых почв содержатся Fe³⁺, Fe²⁺, Al³⁺.

В растворе засоленых почв резко увеличивается содержание катионов Na⁺ и Mg²⁺. С увеличение температуры растворимость в общем возрастает.

Помимо минеральных соединений в почвенном растворе присутствуют водорастворимые органические соединения: фульвокислоты, аминокислоты, сахара, спирты и др.

Почвы имеют различную кислотность. В нейтральных растворах рН = 7, а щелочных – больше 7, а кислых – меньше 7. Реально рН почвенного раствора изменяется от 3 до 9, при этом по значению рН различают почвы:

Степень кислотности почв является весьма важным показателем, так как характеризует многие генетические и производственные качества почвы.

Почва обладает буферностью, т.е. свойством сохранять свою реакцию при сравнительно небольшом добавлении кислот или щелочей. Буферность почв обуславливается составом поглощенных оснований.

Поглотительная способность почв

Коллоидные свойства почв обуславливают избирательное накопление различных веществ. Свойства почвы задерживать, поглощать твердые, жидкие и газообразные вещества, носит название поглотительной способности.

В зависимости от причин, определяющих явление поглощения выделяют следующие типы поглотительной способности почв:

1. Механическая поглотительная способность проявляется при фильтрации воды, когда в порах и капиллярах задерживаются частицы;
2. Молекулярно-сорбционная, или физическая поглотительная способность связана с увеличением концентрации молекул различных веществ в растворе у поверхности коллоидов.
3. Ионно-сорбционная или обменная поглотительная способность заключается в обмене ионов коллоидной массы почвы на ионы почвенного раствора.
4. Химическая поглотительная способность заключается в образовании труднорастворимых химических соединений в результате реакций обмена в почвенном растворе.
5. Биологическая поглотительная способность заключается в том, что растения и животные организмы избирательно накапливают химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Накопленные элементы частично задерживаются в почве.

Различные почвы имеют определенную емкость поглощения и определенный состав поглощенных катионов.

Почвы, поглощенный комплекс которых представлен катионами металлов (преимущественно щелочных и щелочноземельных) называются насышенными. К ним относятся черноземы, каштановые, сероземы и др. почвы аридных ландшафтов.

Почвы, содержащие в составе поглощенного комплекса ион водорода, называются ненасыщенными. К ним относятся подзолистые, красноземы и др. почвы гумидных ландшафтов.

Физические свойства почвы

Плотность почвы – плотность всех компонентов почвы как неорганических, так и органических. Определяется как отношение массы твердой фазы почвы к массе равного объема воды. В почве плотность минеральной части выше, нежели органической. Так плотность кварца – 2,5-2,7, а гумуса – 1,4-1,8. В среднем почва имеет плотность 2,4-2,6. Сверху вниз по профилю почвы плотность увеличивается.

Объемная масса – масса почвы в естественном сложении и сухом состоянии в единице объема. Почва рыхлое тело, и её объемная масса меньше ее плотности. В верхних горизонтах почвы объемная масса 0,8-1,2 г/см³, в нижних – увеличивается до 1,3-1,6 г/см³.

Порозность или скважность – объем всех пор и пустот между частицами твердой фазы почвы в единице объема. Она обычно составляет 40-50 %. В черноземах она может достигать 70%. Наименьшая она в тяжелых суглинках и глинах – 25-30%.

Многие физико-механические свойства преимущественно обусловлены содержанием глинистых частиц: пластичность, липкость, усадка, набухание. Например, почва монтмориллонитового состава может увеличивать свой объем в 2 раза.

Механический состав почвы

Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. На долю твердой фазы почвы приходится 50 % объема почвы в её естественном сложении. В состав твердой фазы входят минеральные и органические вещества. Минеральные вещества составляют главную часть почвы (90-95% и более). Минеральная часть почвы состоит из первичных и вторичных минералов.

Первичными минералами почвы называют минералы сохранившиеся в процессе выветривания пород, последующей транспортировки и отложения. Здесь преобладают окислы (кварц, гематит, рутил и др.) и силикаты (авгит, роговая обманка, мусковит, биотит, полевые шпаты).

Вторичными минералами называют минералы образовавшиеся в процессе внутрипочвенного химического и биологического выветривания первичных минералов и синтеза из более простых продуктов выветривания. В результате глубокого биохимического выветривания возникают минералы устойчивые в экзогенных условиях. Они образуют коры выветривания. В корах преобладают различные глины, гидрослюды, окислы, опал, карбонат кальция.

Механический состав почвы

Размеры слагающих почву частиц определяют ее механический состав. Под механическим составом почв и почвообразующих пород понимают  относительное содержание и соотношение частиц различного размера. Содержание выражают в процентах по массе высушенной при 105⁰С почвы. Соотношение – это группа частиц, диаметр которых лежит в строго определенных пределах. Группа называется фракцией.

В механическом составе отложений можно выделить следующие группы частиц:

1. Грубообломочная, представленная частицами диаметром более нескольких миллиметров;
2. Мелкообломочная, состоящая из частиц меньше 1 мм, крупнее 0,001 мм;
3. Высокодисперсная, сложенная частицами менее 0,001 мм.

В основу разделения механических фракций положены различия главным образом водно-физических свойств частиц.

Так грубообломочная, каменистая часть почвы (почвенный скелет) почти не обладает способностью удерживать влагу, а также поднимать ее вверх от уровня грунтовых вод по капиллярам. Песок (3-0,05 мм) обладает слабой водоудерживающей и водоподъемной способностью. Пыль (0,05-0,001 мм) очень хорошо удерживает воду и обладает хорошей водоподъемной способностью. В ней вода может подниматься по капиллярам на 4-5 м от уровня грунтовых вод. У ила (0,001 мм) плохая водопроницаемость и меньшая, чем у пыли водоподъемность.

В зависимости от преобладания тех или иных фракций почвы классифицируют, выделяя следующие типы почв:

1. Глинистые (частиц размером >0,001мм – 30%);
2. Суглинистые (частиц размером >0,001мм – от 10 до
3. Супесчаные (частиц размером >0,001мм – от 3 до 10%);
4. Песчаные (частиц размером >0,001мм – менее 3%).

Механический состав влияет на водный режим почв, степень их промытости, отражается на температурном режиме.

Почвенный гумус

Почвенный гумус – сложный комплекс органических соединений, представленных двумя главными группами веществ:

1). Органическими соединениями индивидуальной природы (они составляют около 15% от общего количества гумуса. Это сахара, аминокислоты, протеины, углеводы, органические фосфаты и др. Они обладают физиологической активностью: могут стимулировать или угнетать рост растительности).

2). Органическими веществами специфичными для почв. Их 85-90% общего количества органического вещества почвы. В них входят две группы кислот: Группа темно-окрашенных гуминовых кислот; Группа желто окрашенных фульвокислот.

Гуминовые кислоты хорошо растворяются в едких щелочах и осаждаются кислотами. В почве гуминовые кислоты обычно находятся не в свободном состоянии, а в форме солей – гуманатов: гуманатов кальция, магния, алюминия, натрия и т.д. Гуманаты щелочных земель – кальция и магния- нерастворимы в воде, а в почвенном процессе играют роль структурообразователей, склеивают частицы в почвенные агрегаты и придают черный цвет почве. Большое количество гуманатов кальция, например в черноземах, обуславливает водопрочную структуру почв.

Гуманаты щелочных металлов калия, натрия, а также алюминия лучше растворимы в воде, легко переходят в раствор при увлажнении почвы. Их структурообразующая роль мала, а почвы, содержащие их, имеют неводопрочную структуру.

Фульвокислоты представляют собой кислоты ароматического ряда (креповая и апокреповая). Они содержат по сравнению с гуминовыми кислотами меньший процент углерода и азота, и более высокий процент водорода и кислорода.

Фульвокислоты хорошо растворимы в воде и кислотах, в высушенном состоянии имеют буровато-желтый цвет. Они могут образовывать комплексные соединения с трехвалентными металлами, особенно с железом. Водные растворы фульвокислот имеют кислую реакцию и обладают большой агрессивностью. Поэтому фульвокислоты являются активными агентами внутрипочвенного выветривания первичных и вторичных минералов. В почвах образуются фульватные соли – фульваты. Они также хорошо растворяются в воде или в слабых растворах кислот и легко вымываются почвенными водами.

Относительное содержание в составе гумуса гуминовых кислот увеличивается от подзолистых почв таежной зоны к серым лесным и черноземам, и вновь уменьшается к каштановым и бурым степным и сероземам полупустынь и пустынь. Т.е. изменяется параллельно общему содержанию гумуса.

Изменение относительного содержания фульвокислот менее закономерно, но в целом противоположно изменению гуминовых кислот.

Гумусовые вещества играют важную роль в почвообразовании.

• В гумусе аккумулируются азот и элементы зольной пищи растений. Гумус – источник питания растений;
• Гумус в значительной степени определяет поглотительную способность почв;
• Гумус оказывает влияние на структуру почвенных горизонтов и физические свойства почвы. Гуминовые кислоты и гуманаты – хорошие структурообразователи. Фульвокислоты активно участвуют во внутрипочвенном выветривании.
• Органические вещества стимулируют рост растений, в том числе и культурных.

Почвенные коллоиды

В состав почвенной массы входят различные минеральные и органические вещества, состоящие из частиц разного размера: крупных (скелет почвы), средних (физический песок), малого размера (мелкозем).

Последние образуют наиболее тонкодисперсионную (дисперсия лат. – распылленность, раздробленность) часть почвы слагающиеся частицами размером менее 0,001 мм. Они могут иметь минеральную и органическую природу. Это, во-первых, частицы новообразованных и почвообразующих (глинистых) минералов. Во-вторых, специфические органические вещества – гумусовые вещества.

Дисперсионные вещества образуют дисперсионные системы. В дисперсионных системах различают дисперсионную фазу и дисперсионную среду. Среди дисперсионных систем выделяются:

1. Грубодисперсионные системы с размерами частиц дисперсионной фазы более 0,1 мк (10^-6м);
2. Коллоидно-дисперсионные системы (дисперсиоды) с размерами частиц 0,1 мк до 1 ммк (10^-9м.);
3. Молекулярно-дисперсионные системы – состоят из крупных молекул.

Т.о. дисперсионное состояние характеризуется определенными размерами частиц.

Для процессов почвообразования особое значение имеют коллоидно-дисперсионные системы, дисперсионной средой которых является вода, а дисперсионной фазой – почвенные коллоиды. Эти системы носят название золей или коллоидных растворов.

Почвенные коллоиды могут образовываться путем диспергирования (разрушения) и конденсации (соединения молекул).