Почва - это уникальный организм, который обладает свойствами живой природы и неживой природы. Научное представление о почве, как о теле, которое существует самостоятельно и обладает только для неё уникальными свойствами было разработано в XIX веке профессором Докучаевым. До Докучаева почву этого рассматривали в качестве одного из геологических образований.
Основополагающими факторами образования почвы являются: климат, материнская порода, растительный и животный мир, рельеф и геологический возраст территории, а также хозяйственная деятельность человека.
Климат это тот фактор, который способствует на выветривания горных пород. От его воздействия образуются водные и тепловые режимы, соответственно он влияет и на внутренние процессы, происходящие в почве.
Материнская порода является основой для образования того или иного типа и вида почвы. В первую очередь это можно заметить, если сопоставить механический состав почвы и структуру.
Вода, тепло и воздух влияют на скорость передвижения веществ в почве.
Минералогический состав материнской породы определяет минералогический и химический состав почвы и первоначальное содержание в ней элементов питания для растений. Растительность непосредственно воздействует на почву: корни рыхлят и оструктуривают почвенную массу, извлекают из неё минеральные элементы.
Цель нашей работы выяснить, что такое почвенные коллоиды и как они влияют на поглотительную способность.
Для достижения этой цели нам необходимо ответить на некоторые вопросы и вместе с тем решить ряд задач:
1. Сначала следует определить сущность процесса почвообразования
2. Что такое поглотительная способность, и какая связь её с поглощающим комплексом.
3. Какое строение у коллоидов.
4. Физическое состояние коллоидов.
5. Как поглотительная способность влияет на окружающую экологию.
1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОЧВЫ
1.1 Схема почвообразовательного процесса
Процесс образования почвы ни когда не останавливается и зависит только от взаимодействия материнской породы с поселившимися на ней организмами.
Как только на поверхности почвы появляются первые растения, начинается движение элементов питания из глубин породы на поверхность. При поселении растений происходит передвижения элементов питания из толщины породы и накопления их на поверхности почвенного слоя. Элементы питания двигаются не сами по себе, а благодаря корневой системе Корни этих растений проникают в глубину породы, поглощают рассеянные в ней фосфор, калий, кальций и другие элементы.
После того когда растения прекращают свою жизнедеятельность и отмирают питательные элементы становятся вновь свободными для других растений или переходят в подвижное состояние, как например фосфор.
При этом следует помнить, что не вся масса питательных веществ концентрируется на поверхности или глубине, часть элементов вымывается атмосферными осадками вниз, другая часть остается на поверхности, а третья часть усваивается новым поколением растений.
Разложенные остатки растений формируют сложные органические соединения, что потом становится гумусом. Накопленные в верхней части породы элементы, которые образовали, гумусовый слой разрушаются. Этот процесс называется биологический круговорот веществ. Это процесс и есть основа почвообразовательного процесса. Почва же приобретает свое уникальное и важное свойства, как плодородие.
И последнее, в процессе почвообразования перераспределяется часть минеральных и органических соединений по профилю. На это влияют атмосферные осадки, периодически создающие нисходящее движение влаги, которое меняется восходящим движением. Благодаря этому явлению некоторые вымытые вещества возвращаются из нижних слоев почвы в верхнюю часть. Следствием почвообразовательного процесса является формирования почвенного профиля.
1.2 Факторы почвообразования
Почвенный слой образовывается с учетом благоприятных условий. Эти условия и являются факторобразующей основой образования почвенной породы. И как уже отмечалось во введение, на почвообразования влияют климат, рельеф местности, возраст почвы и производственно-хозяйственная деятельность человека. Рассмотрим каждый фактор в отдельности.
Фактор материнской породы. Материнские породы оказывают большое влияние на состав и свойства почв.
• Её механический состав влияет на водопроницаемость влагоемкость и пористость.
• Химический состав материнских пород является неотъемлемой частью агрохимических свойств почвы.
• Карбонатность материнских оказывает влияние на степень жесткости грунтовых вод, последние переувлажняя почву создают болота. Засоленность материнской породы в условиях жаркого сухого климата вызывает формирования засоленности почв
Фактор зеленых растений, микроорганизмов и животных организмов. Растительность определяет количество, состав и характер органических остатков, которые служат исходным материалом для образования гумуса, аккумулируют элементы зольного питания и азот в верхних горизонтах.
У древесной растительности по причине многолетия отмирает только часть надземной массы, поэтому источником образования гумусу служат лиственный, хвойный или смешанный опал. Деревья уменьшают испарения влаги, зимой способствует накоплению снега. Это вызывает значительное промачивания почвенного профиля и вымывания легкорастворимых солей и карбанатов.
Травянистая растительность в отличие от древесной, имеет густую сеть ежегодно отмирающих корней. По сравнению с древесным опалом они имеют больше оснований и разлагаются толще почвы, поэтому образуют из них гумус. Такой гумус, качественно, на порядок выше, чем образованный от опала листвы и хвои.
Мхи отличаются высокой гигроскопичностью, поэтому благодаря им происходит заболачивание почв.
Микроорганизмы это первые организмы, которые образуют плодородный слой почвы. Микроорганизмы участвуют в образовании гумуса, в разрушении и синтеза многих минералов и тем самым представляют собой такую группу организмов, без которой невозможно обойтись растительности и не происходит формирование почвенного покрова.
Животные организмы: черви, землерои, насекомые тоже активные участники в формирования плодородия почвы и почвообразования в целом.
Черви в процессе своей жизнедеятельности пропускают через свой пищеварительный тракт остатки органики в почву. Одновременно черви проделывают огромное количество ходов в почве, тем самым образовывая пористость почвы.
Землерои кроты, суслики и подобные животные образуют в почве норы, тем самым перемешиваю почву, изменяя ее сложение. Это благотворно влияет на микрорельеф местности
Климатический фактор. Давно известно, что осадки в виде дождя и снега, температурные режимы, влияют на водный и тепловой режимы почвенного покрова. От этих климатических составляющих идет прямая зависимость как быстро и качественно разложатся органические остатки и минерализируется гумус.
Благодаря температуре и осадкам определяются скорость и направления процессов передвижения водорастворимых солей по профилю почвы.
Ветер, ещё один элемент климата. Он вызывает ветровую эрозию горных пород и почвы. Под его влиянием происходит опесчанивание верхних почвенных горизонтов. Благодаря ему происходит засоление почвы из-за переноса солей из водных бассейнов на сушу.
Последний, четвертый элемент – это вечная мерзлота. Она занимает территорию северной и северо-западной части России, плюс азиатская часть страны: Северный Урал, Восточная Сибирь. Вечная мерзлота задерживает влагу, снижает её температуру, затормаживает разложение органики, вызывает заболачивание. На площадях с вечной мерзлотой нет тех проблем, которые связаны с ветровой эрозией.
Фактор рельефа местности. Рельеф, как и выше перечисленные факторы является одной из составных частей почвообразования. Склоны местности из-за стоков теряют большую часть влаги, в то же время как низина накапливает воду. Поэтому в отрицательных формах рельефа происходит переувлажнение и заболачивание.
Рельеф сильно влияет на залегания грунтовых вод. Чем ниже местность, тем грунтовые воды выше к поверхности. На возвышенных местах чаще всего происходит ветровая и водная эрозии почв. Температура почвы и рельеф сильно связаны друг с другом. На холмах и возвышенностях почвы прогревается и высыхает раньше чем в низине, соответственно на возвышенных участках раньше начинаются весенне-полевые работы.
Особенно велика роль рельефа в горных районах, где от абсолютной высоты зависит структура вертикальной зональности почв, а от экспозиции склонов наличие на одной и той же высоте различных почв. На равнине микрорельеф определяет комплексность почвенного покрова, что особенно заметно в степных районах.
Возрастной фактор почвы. Это время в течение, которого происходят почвообразующие процессы. Для определения возрасты почвы нужно учитывать исторические периоды.
Территория нашей страны неоднократно подвергалась такому природному явлению как оледенения. Во время оледенения ледник «наступал» с севера на юг. После «отступления» ледника образования почвы происходил раньше на тех землях, где раньше происходило «освобождение» от воды и льда. Поэтому черноземы, которые находятся южнее старше дерново-подзолистых почв.
Человеческий фактор. Человек в отличие от природных, естественных факторов влияет на почвообразования кардинальнее и быстрее. Это связано с его хозяйственной деятельностью: орошения, осушение, строительство плотин для ГЭС. Высадка лесополос или наоборот вырубка леса. Конечно же, обработка почвы, посев и возделывания сельскохозяйственных культур.
К сожалению, деятельность человека не всегда благотворно влияет на почвообразование. Парой сам человек из-за хищнического отношения к окружающей среде уничтожает плодородие.
2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОЧВЫ
2.1 Химическое состояние почвы. Процессы образования питательных веществ в почве
В твердом составе почвы можно обнаружить большое количество разнообразных органических и минеральных веществ. Под органику можно отнести гумус – это плодородная часть почвы. А также из чего собственно и образовывается гумус – это органические остатки, которые еще не разложились или частично разложились. Минеральный состав почвы образовывает первичные и вторичные минералы.
Почвенный состав достаточно сложный симбиоз химических элементов. Часть, из которых находится в очень маленьком количестве, в некоторых типах почв не встречаются совсем. Но, например кислород, углерод, водород, азот, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, сера, фосфор и др. макроэлементы можно встретить во всех типах почв.
Микро и макроэлементы можно встретить в составе органических и минеральных соединений. Исключение составляет углерод и азот, они встречаются только в органических соединениях.
Совокупность минеральной части, гумуса, азота углекислого газа, воды образовывают валовый химический состав почвы. В валовом химическом составе встречаются одиннадцать элементов:
1. Кремний Si.
2. Алюминий Al.
3. Железо Fe,
4. Кальций Са.
5. Магний Mg.
6. Калий К.
7. Натрий Na.
8. Сера S.
9. Фосфор Р.
10. Титан Тi.
11. Марганец Mn.
Основные химические элементы, которых больше чем остальных это кремний, алюминий и железо.
Валовый состав это не про чистое содержание химических элементов, а про процентный состав в той или иной форме.
Кремний можно встретить в форме кварца или опала. Кальций входит в состав разнообразных солей: карбонат кальция СаСо3, сульфат кальция СаSo4, хлорид кальция СаСl.
Перечисленные химические элементы встречаются в почве в виде оксидов:
• диоксид кремния SiO2,
• оксид кальция СаО,
• оксид алюминия Аl2O3,
• оксид железа Fe2O3,
• оксид марганца MgO.
В валовом составе следует учитывать не только содержание химических элементов, но и их направленность в процессе образования почвы.
О направленности образования почвы следует судить, учитывая характер распределения отдельных оксидных соединений по профилю почвы. Распределения по горизонту профиля элементы в составе соединений распределяются следующим образом:
• Верхний слой горизонта - диоксид кремния SiO2.
• Средний слой горизонта - оксид алюминия Аl2O3.
• Нижний слой горизонта - оксид железа Fe2O3.
3. Поглотительная способность почвы и виды поглотительной способности
Поглотительная способность почвы определена её физической возможностью поглощать в себя газ, испарения, водные соединения
3.1 Механическая поглотительная способность
Механическая поглотительная способность зависит насколько пориста почва, иначе гворя насколько долго задерживается влага на поверхности почвы. При изучении механической поглотительной способности важно обращать внимание не только те частички, величина которых больше диаметра пор, но и меньшего размера, если они попадают в замкнутые или искривленные поры.
Так происходит поглощение мелких твердых частичек – остатков органических веществ, водорослей, плазм бактерий, частиц фосфоритной муки и суперфосфата и т.п. Подобного рода суспензии могут поступать в почву извне или образовываться в самой почве при ее естественном или искусственном увлажнении.
Механическая поглотительная способность прямозависема от механического гранулометрического состава почвы. Если почвы тяжелые по своему составу например это суглинок или глинистая почва но с достаточным количеством пор, то они пропускают влагу гораздо лучше, чем ели это были песчаники или супеси, но с плохо развитыми порами. Механическое поглощение имеет большое положительное значение, благодаря ему почва способна удерживать ценные элементы от выноса и глубокие горизонты, в том числе коллоидные частицы и микроорганизмы. Особенно велико значение механического поглощения в областях с обилием осадков и на почвах, искусственно и систематически орошаемых. На практике это свойство почв и рыхлых пород используется для очистки воды.
При строительстве оросительных систем свойство почв поглощать твердые частицы используется для заиливания дна и стенок каналов в целях уменьшения потерь воды на фильтрацию (кольматирование каналов, водохранилищ).
3.2 Физическая или молекулярная способность
Такая поглотительная способность – это концентрация молекул растворенного вещества в пограничном слое раствора. Молекулы поглощаются благодаря почвенным коллоидам. Через молекулярную способность почвы поглощать в себя пары в ней образуются разнообразные газы. В первую очередь это азотные соединения и СО2.
При этом аммиак поглощается совместно с водой поглощается активно, поглощение средней активности наблюдается у углекислый газ и совсем плохо поглощаются кислород и молекулярный азот.
3.3 Биологическая и химическая поглотительная способность
С помощью жизнедеятельности растений и микроорганизмов почва способна накапливать зольные элементы и столь необходимый азот. это вид поглотительной способности избирателен: растения и микроорганизмы потребляют только то количество элементов, которое им необходимо для жизни без учета количественного наличия того или иного элемента в почве. биоспособ поглощения поглощает все элементы, которые нужны растениям. В первую очередь – это калий, кальций, фосфор, сера.
Особенно велика роль биопоглошения это поглощения нитратов. Нитраты, которые не задерживаются химическим путем в почве. поэтому на полях под паром либо весной или осенью, когда эффективность биопоглошения не большая
Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых и труднорастворимых в воде соединений в результате химических реакций между отдельными растворимыми солями в почве (ионами в почвенном растворе). Особую роль химическое поглощение играет в превращении фосфора в почве. При внесении водорастворимых фосфорных удобрений — суперфосфата, содержащего фосфор в виде монокальцийфосфата Са(H2PO4)2, аммофоса NH4H2PO4 и др.
Химическое поглощение (фиксация) фосфора обусловливает слабую подвижность его в почве и снижает доступность растениям этого элемента из внесенных в почву легкорастворимых форм удобрений. По способности к фиксации фосфора почвы располагаются в следующем порядке: красноземы далее дерново-подзолистые почвы далее сероземы далее черноземы. Химическое поглощение является чисто химическая реакция обмена солей в растворе, в результате которого образуется труднорастворимые соли, выпадающие в осадок и удерживаемые затем почвой механическим путем.
Оно может происходить и в этом случае, когда анноны почвенного раствора дают нерастворимые соединения с катионами поверхностных слоев коллоидных частиц.
Процессы химического поглощения в почвах особенно широко развиты по отношению к растворимым фосфатам (фосфат – иона H2PO-4)
В зависимости от свойств почвы процессы поглощения фосфатов протекают по-разному. В почвах нейтральных, насыщенных основаниями и содержащих некоторое количество свободных карбонатов и бикарбонатов кальция, процесс превращения монокальция-фосфата протекает по следующей схеме:
• Ca (H2PO4)2+Ca (HCO3)2+4H2O=2CaHPO4·2H2O+2H2CO3
• Ca (H2PO4)2+2Ca (HCO3)2=Ca3 (PO4)2+4H2CO3
В почвах кислых, не насыщенных основаниями, фосфорная кислота растворимых фосфатов осаждается главным образом в виде фосфатов железа и алюминия, т.е. соединений малорастворимых, в условиях слабокислой среды и труднодоступных для растений. Схематически этот процесс превращения можно представить в следующем виде:
• Fe (OH) 3+H3PO4→FePO4+3H2O,
• Al (OH) 3+ H3PO4→Al PO4+3H2O
Закрепление фосфат-иона железом и алюминием характерно для дерново-подзолистых, болотных почв, красноземов и желтоземов.
Кроме анионов (H2PO4-, HPO4-2, PO4-3) в почве химически могут поглощаться анионы SO4-2, CO3-2 и катионы Сa+2, Mg+2, Fe+3, Al+3.
Не все растворимые минеральные соединения могут химически поглощаться почвой, так все соли азотной кислоты принадлежат к легко растворимым соединениям, но они относятся к числу химически не поглощаемых.
При внесении в почву различных видов удобрений следует учитывать свойства почвы, состав удобрений и возможность их химического поглощения.
3.4 Обменная адсорбция
Такая способность основывается на реакции обмена между катионами главным образом диффузного слоя почвенной коллоидной частицы (и в целом ППК), и катионами раствора, соприкасающегося с ней. Подобного обмена может осуществляться и между анионами. Реакция обмена происходит в эквивалентных количествах. Следует напомнить, что коллоидные частицы почвы имеют в основном отрицательный заряд, нейтрализуемый катионами компенсирующего слоя (неподвижных компенсирующих катионов и катионов диффузного слоя). Катионы компенсирующего слоя называется поглотительными и обменными. Между этими катионами и катионами почвенного раствора и происходит обменная реакция:
(почва) +4NH4Cl=(почва) 4NH4++CaCl2+MgCl2
Двойное название данного вида поглощения обуславливается тем, что в основе его, с одной стороны, имеется физическое явление – адсорбция, а другой – химическая реакция взаимного обмена. При этой причине данный вид поглощения называется обменной адсорбцией. Академик К.К.Гедройц экспериментально установил следующие закономерности в обменной адсорбции катионов (при применении нейтральных солей):
1) Обратимость обменной реакции – любой катион, поглощенный почвой, может быть вытеснен другим катионом;
2) Обмен катионов из растворов нейтральных солей происходит в эквивалентных отношениях;
3) По мере повышения концентрации катиона – вытеснителя увеличивается количество вытесненных из почвы катионов;
4) Реакция обменной адсорбции катионов в почвах происходит очень быстро: в последнее время установлено, что реакция обменной адсорбции протекает быстро в том случае, если коллоиды почвы относятся к каолинитовой группе, где обмен катионов происходит на внешней поверхности минерала, в коллоидах монтмориллонитовой группы реакции обмена идут медленно, это объясняется различным строение кристаллической решетки минералов
5) Энергия адсорбционного поглощения почвами катионов различна: она возрастает по мере увеличения атомного веса и валентного катиона. По энергии поглощения, исследованной К.К.Гедройцем, катионы располагались в следующий ряд:
Na+
Превращение вносимых удобрений в почве также связано с физико-химической поглотительной способностью. Процессы физико-химического поглощения удобрений в почве тесно связано со свойствами почв, особенностями самого удобрения, способами его внесения. При внесении в почву азотных удобрений, они вступают в обменную реакцию по следующим схемам:
обменная реакция с почвами, насыщенными основаниями:
ППК/2Са+2+2NH4NO3= ППК/ 2NH4++ Са(NO3)2
Са+2
ППК/2Са+2+(NH4)2SO4= ППК/ 2NH4++ Са SO4
Ca+2
обменная реакция с почвами , не насыщенными основаниями:
ППК/2Са+2+3NH4NO3= ППК/3NH4++HNO3+ Са(NO3)2
H+
ППК/Са+2+2(NH4)2SO4= ППК/ 4NH4++H2 SO4+ Са SO4
H+
При внесение фосфатных удобрений в почву, и в частности, наиболее распространенного удобрения – суперфосфата, происходят реакции, при которых растворимые фосфаты переходят в менее растворимые. При наличии в почвенном поглощенном комплексе алюминия происходит осаждение фосфорной кислоты растворимых фосфатов в результате реакции обмена катионов соли с поглощенным алюминием (AlPO4)
При реакции взаимодействия калийных удобрений с почвой протекает реакции обмена по следующим уравнениям:
В почвах, насыщенных основаниями:
ППК/Ca+2+2KCl=ППК/2K++CaCl2;
В почвах, не насыщенных основаниями:
ППК/H++ KCl= ППК/2K++HCl
