Химический состав почвы

Контрольная робота по почвоведению:

"ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВЫ. МАКРОЭЛЕМЕНТЫ И БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ"

План:

1. Введение;

2. Содержание химических элементов в породах и почвах;

3. Формы соединений химических элементов в почвах и их доступность растениям;

4. Трансформации соединений биофильных элементов;

5. Химические соединения в почве;

6. Список использованной литературы.

Введение

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. По химическому составу она существенно отличается от исходных почвообразующих пород.

Главные особенности химического состава почвы - присутствие органических веществ и в их составе специфической группы - гумусовых веществ, разнообразие форм соединений

отдельных элементов и непостоянство (динамичность) состава во времени

Источник минеральных соединений почвы - горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате жизнедеятельности растительных и животных организмов, населяющих почву. Взаимодействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо -

минеральных соединений почв.

Минеральная часть составляет 80 - 90 % и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10 % и менее.

В составе почв обнаружены почти все известные химические элементы. Средние цифры, показывающие содержание отдельных элементов в литосфере и почвах, по предложению академика А. Е. Ферсмана стали называть кларками (в честь американского геохимика Ф. У. Кларка, впервые вычислившего в 1889 г. Средний химический состав земной коры). Изучение почв с геохимической точки зрения было начато академиком В.И. Вернадским в 1911 г.

Содержание химических элементов

Содержание отдельных химических элементов в почве (в весовых процентах)

А. П. Виноградов:

O - 49,0 Mg - 0,63

Si - 33,0 C - 2,00

Al - 7,13 S - 0,085

Fe - 3,80 P - 0,08

Na - 0,63 Cl - 0,01

Ca - 1,36 N - 0,10

K - 1,36 Mn - 0,085

Формы соединений химических элементов

Химические элементы находятся в почвах в различных соединениях.

Кислород. Входит в большинство первичных и вторичных минералов почв, является одним из основных элементов органических веществ и воды.

Кремний. Наиболее распространенное соединение кремния в почвах - кварц (SiO2). Кремний входит также в состав силикатов. При их разрушении в результате выветривания и почвообразования кремнезем переходит в раствор в форме анионов орто- и метакремниевых кислот [ (SiO4)4- n (SiO3)2- ], силикатов натрия и калия, частично в форме золя. Одна часть растворенного кремнезема вымывается из почвы, другая осаждается (при кислой реакции) в виде гелей (SiO2 . n H2O) - аморфных осадков, которые, теряя воду, могут переходить в кварц вторичного происхождения. Взаимодействуя с основаниями полутороокисями, истинно растворенный и коллоидный кремнезем образует вторичные силикаты.

Алюминий. Находится в почве в составе первичных и вторичных минералов в форме органо - минеральных комплексов и в поглощенном состоянии (в кислых почвах). При разрушении первичных и вторичных минералов, содержащих алюминий, освобождается его гидроокись, значительная часть которой при выветривании остается на месте (как малоподвижная) и лишь частично переходит в раствор в виде золя. При слабощелочной реакции гидроокись, алюминия полностью выпадает в виде коллоидных осадков - гелей (Al2O3 . n H2O), переходящих при кристаллизации во вторичные минералы - гиббсит (Al2O3 . 3H2O), бемит (Al2O3 . H2O).

В кислой среде (рН<5) гидроокись алюминия становится более подвижной и алюминий появляется в почвенном растворе в виде ионовAl(OH)2+, что отрицательно сказывается на росте растений.

Водорастворимая и коллоидная гидроокись алюминия, взаимодействуя с органическим кислотами, образует подвижные комплексные соединения, в форме которых может перемешаться по профилю почвы.

Железо. Элемент, необходимый для жизни растений, без него не образуется хлорофилла. В почвах оно встречается в составе первичных и вторичных минералов-силикатов, в виде гидроокисей и окисей, простых солей, в поглощенном состоянии, а также в составе органо-минеральных комплексов.

В результате выветривания минералов, содержащих железо, освобождается его гидроокись - малоподвижное соединение, выпадающие в форме аморфного геля Fe2O3.nH2O

И переходящее при кристаллизации в гетит и гидрогетит Fe2O3 . H2O, Fe2O3 . 3H2O.

Только в сильно кислой среде (рН<3) подвижность гидроокиси железа увеличивается, и в почвенном растворе появляются ионы железаFe3+. В восстановительных условиях окисное железо переходит в закисное с образованием растворимых соединений FeCO3,Fe(HCO3)2, FeSO4, доступных растениям. Повышенная растворимость соединений железа угнетает растения. На почвах нейтральных и щелочных с ярко выраженными окислительными процессами растения могут испытывать недостаток железа, что внешне проявляется как хлороз. Гидроокись железа, так же как и гидроокись алюминия, может образовывать с органическими кислотами подвижные формы комплексных соединений, способных перемещаться по профилю почвы.

Азот. Входит в состав всех белковых веществ, содержится в хлорофилле, нуклеиновых

кислотах, фосфатидах и многих других органических веществах живой клетки.

Основная масса почв сосредоточена в органическом веществе. Количество азота находится в прямой зависимости от содержания в почве органического вещества, и, прежде всего гумуса. В большинстве почв этот элемент составляет одну сороковую - одну двадцатую гумуса. Накопление азота в почве обусловлено биологической аккумуляцией его из атмосферы. В почвообразующих породах азота очень мало. Азот доступен растениям главным образом в форме аммония, нитратов, нитритов, которые образуются при разложении азотистых органических веществ. Нитриты практически не содержатся в почве. Аммонийный и нитратный азот - основная форма азотистых соединений, которыми питаются растения.

Ион NH4 легко поглощается почвой с частичным переходом в необменное (фиксированное) состояние. Ион NO3 находится преимущественно в почвенном растворе и легко используется растениями. Во влажных районах нитраты подвержены вымыванию, особенно в паровом поле. Обеспеченность растений азотом зависит от скорости разложения органических веществ. Однако нельзя получать высокие урожаи только благодаря мобилизации природных запасов азота даже на богатых гумусом почвах. По содержанию в растениях он занимает первое место из элементов питания, получаемых из почвы. Поэтому высокая потребность растений в азоте требует пополнения его запасов в почве.

Фосфор. Входит в состав многих органических соединений, без которых не возможна жизнедеятельность организмов. Растения содержат десятые доли процента р2о5 на сухое вещество. Поглощаясь в больших количествах растениями, фосфор аккумулируется в верхних горизонтах почвы. Валовое содержание его в черноземах составляет 0,35 % и более.

В почвах фосфор содержится в органических и минеральных соединениях. Органические представлены фитином, нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфатидами, сахарофосфатами и другими веществами. Минеральные - солями кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты. Фосфор в почве входит в состав апатита, фосфорита и вивианита, а также находится в поглощенном состоянии в виде фосфат - аниона. Апатит встречается во многих магматических породах и составляет 95 % соединений фосфора в земной коре.

В минеральных соединениях почв фосфор представлен большей частью малоподвижными формами. Растворимость фосфатов кальция, магния, алюминия и железа тем меньше, чем выше их щелочность. Кислые почвы содержат химически активные формы железа и алюминия или связан с полутороокисями в виде адсорбционных соединений, способных к частичному обмену их фосфат-ионов.

Среди фосфатов железа и алюминия в почве чаще всего представлены варисцит AlPO4. 2H2O и стренгит FePO4. 2H2O. Эти фосфаты относятся к классу средних солей. Подвергаясь выветриванию, они постепенно трансформируются в более основные и наиболее устойчивые формы, например аугелит Al2(OH)3 . PO4, вавеллит Al3(OH)3(PO4)2 . 5H2O. В слабо кислых, нейтральных и слабощелочных почвах преобладают фосфаты кальция. Наиболее устойчивой и менее растворимой формой фосфатов кальция является гидроксилапатит Ca10(OH)2 (PO4)6. В порядке возрастания растворимости следует: трикальцийфосфатCa3(PO4)2,октакальцийфосфат Ca8H2(PO4)6 . 5H2O, монетит CaHPO4, брушит CaHPO4 . 2H2O. В почвах, богатых кальцием, растворимые фосфаты кальция становятся более основными и менее растворимыми, превращаясь в конечном итоге в гидроксилапатит. Фосфаты являются основным источником фосфора для растений. Фосфор органических соединений усваивается главным образом после их минерализации. Наиболее благоприятная реакция среды для усвоения растениями фосфат-ионов слабо кислая (рН 6 - 6,5). Применение фосфорных удобрений целесообразно почти во всех почвах.

Сера. Входит в белковые вещества, эфирные масла. Потребность растений в ней небольшая, обычно меньше, чем в фосфоре. Биологическая аккумуляция серы в верхних горизонтах почвы зависит от условий почвообразования. Валовое содержание SO3 в верхних горизонтах почв колеблется в широких пределах - от 0,01 до 2 % и более. Сера находится в почве в форме сульфатов, сульфидов и в составе органического вещества. При разложении органического вещества. При разложении органического вещества, окислении сульфидов образуются сульфаты - наиболее устойчивая форма соединения серы в почвах, кроме FeSO4.

Сульфаты, особенно калия, натрия, магния, хорошо растворимы в воде, слабо поглощаются в почве в форме рол и могут накапливаться в них только в условиях сухого климата. Обычно в почвах содержится достаточное количество сульфатов для удовлетворения потребностей растений в сере.

Калий. Осуществляет важные физиологические функции в организмах. Потребляется растениями в больших количествах, особенно такими культурами как картофель, травы, табак. Валовое содержание калия (к2о) в почвах относительно высокое. В почвах тяжелого механического состава оно составляет 2% и более. Значительно меньше калия в легких почвах.

Основная часть калия в почве входит в состав кристаллической решетки первичных и вторичных минералов в малодоступной для растений форме. Некоторые из этих минералов, такие как биотит и мусковит, отдают калий довольно легко и могут служить источником мобилизации доступного калия. Калий содержится в почве также в поглощенном состоянии (обменный и необменный) и в форме простых солей. В этой форме он легко доступен растениям, но доля его незначительна. Основным источником калия для растений является обменный калия. Его доступность тем больше, чем выше степень насыщенности им почв. Необменный, или фиксированный, калий труднодоступен. Однако между обменным и необменным калием в почве существует определенное равновесие. При потреблении обменного калия его запасы пополняются за счет необменного. При наличии значительной доли калия в малодоступной форме растения испытывают в нем недостаток.

Кальций и магний. Кальций и магний необходимые элементы питания растений. Им принадлежит, также как и калию, важная физиологическая роль. Магний входит в состав хлорофилла. Кальций имеет большое значение в создании благоприятных для растений физических, физико-химических и биологических свойств почвы.

В почве кальций и магний находятся в кристаллической решетки минералов, в обменно-поглощенном состоянии и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов, и фосфатов.) Кальций среди поглощенных катионов занимает в большинстве почв первое место, магний - второе. Ионы кальция и магния преобладают в почвенном растворе. CaCO3 и MgCO3, как мало растворимые соединения, широко распространены в почвах и служат важнейшими источниками кальция и магния. При взаимодействии с углекислым газом, растворенным в воде, карбонаты переходят в более растворимые бикарбонаты:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2;

MgCO3 + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2;

Растения обычно не испытывают недостатка в кальции и магнии, однако многие почвы нуждаются в известковании или гипсовании в целях улучшения их свойств.

Недостаток кальция для питания растений можно ожидать в солонцеватых почвах, где поступление этого элемента в растения сильно задерживается присутствием значительного количества поглощенного натрия. Недостаток магния обнаруживается в дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах.

Результаты трансформации соединений некоторых элементов при почвообразовании

Химические соединения в почве

Химические элементы, взаимодействуя между собой, приводят к возникновению химических новообразований в почве - результат химических процессов, которые приводят к возникновению различного рода соединений. Эти соединения могут или осаждаться на месте образования, или, перемещаясь с почвенным раствором в горизонтальном и вертикальном направлениях, выпадать на некотором (иногда значительном) расстоянии от места своего возникновения.

По форме химические новообразования разделяют на выцветы и налеты; корочки, примазки, и потеки; прожилки и трубочки, конкреции. Химические новообразования представлены легкорастворимыми солями, гипсом, углекислой известью, оксидами железа, алюминия и марганца, закисными соединениями железа, кремнекислотой, гумусовыми и другими веществами.

Цвет почвы определяется окраской тех веществ, из которых она слагается. Важные для окраски почв следующие группы веществ:

1. гумус;

2. соединения железа;

3. кремнекислота, углекислая известь.

Гумусовые вещества обусловливают черную, темно-серую и серую окраски. Соединения оксидов железа окрашивают почву в красный, оранжевый и желтый цвета, закиси железа - всю почву или отдельные горизонты или участки окрашивает в сизые и голубоватые тона. Встречающийся, например, в болотных почвах вивианит: [Fe3(PO4)2 . 8H2O] придает им зеленовато-голубой оттенок. Кремнезем (SiO2), углекислый кальций(CaCO3) и каолинит (H2Al2Si2O8 . H2O) обусловливают белую и белесую окраски. В ряде случаев заметную роль в приобретении почвы белесоватых оттенков могут играть гипс(CaSO4 . 2H2O) и легко растворимые соли (NaCI, Na2SO4 . 8H2O и др.).

Минеральная часть почвы в значительной степени обусловлена химическим составом

горных пород литосферы, имеется сходство почвы с литосферой по относительному содержанию отдельных химических элементов. Как в литосфере, так и в почве на первом

месте стоит кислород, на втором - кремний, затем алюминий, железо и т. д.

Однако в почве по сравнению с литосферой в 20 раз больше углерода и в 10 раз больше

азота. Накопление этих элементов связано с жизнедеятельностью организмов, в которых содержится углерода 18%, азота 0,3% на живое вещество (по А. П. Виноградову).

В почве больше чем литосфере, кислорода, водорода (как элементов воды), кремния

и меньше алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и других элементов, что является следствием процессов выветривания и почвообразования. Процессы выветривания горных пород, переотложения их продуктов приводят к образованию рыхлых пород различного химического состава, покрывающих большую часть суши и являющихся главным почвообразующими породами. В верхних горизонтах этих пород формируются почвы.

Химический состав рыхлых пород обуславливается как химическим составом продуктов выветривания первичной горной породы, так и теми изменениями, претерпели продукты выветривания при отложении. При этом процентное содержание отдельных химических элементов или их окисей может быть вызвано как абсолютным изменением

количества каждого из них, так и относительным за счет уменьшения или увеличения других элементов.

Содержание кремнезема в рыхлых породах почти всегда выше чем в магматических, но

сильно колеблется в зависимости от генетического типа почвообразующей породы, от

ее механического состава. Увеличение количества SiO2 связано с обогащением рыхлых пород кварцем в процессе выветривания, а также переотложением продуктов выветривания,

их сортировкой.

Обогащение кварцем происходит не только вследствие разрушения других минералов,

но и в результате новообразования вторичного кварца из кремнезема, отщепляющегося

при выветривании.

В песчаных породах содержится более 90 % кремнезема, в суглинистых и глинистых

его количество снижается до 50 - 70 %, а содержание Al2O3, Fe2O3 и других окисей возрастает. Связанного кремнезема в рыхлых породах меньше, чем в магматических, так

как он частично выщелачивается в процессе выветривания. Менее подвижные полутораокиси железа и алюминия накапливаются в рыхлых породах. Эти закономерности

отчетливо выявляются химическим анализом бескварцевой части пород. Потеря связанного кремнезема (десиликация) и накопление окисей алюминия и железа хорошо иллюстрируются

расчетом молярных отношений SiO2 : Al2O3 или SiO2 : R2O3 в илистой фракции почв и пород.

Выбор отношения SiO2 : R2O3 оправдывается особенно в тех случаях, когда имеется относительная или абсолютная аккумуляция в коре выветривания железа.

С.В. Зони (1969) предложил следующие разделение коры выветривания по молярным

отношениям SiO2 : R2O3 в илистой фракции:

1. Аллитные (SiO2 : R2O3<2,5) с подразделением на аллитные (Al2O3резко преобладает надFe2O3), ферраллитные(Al2O3преобладает над Fe2O3 ) и ферритные (Fe2O3преобладает над SiO2и Al2O3не только в илистой фракции, но и в коре в целом).

2. Сиаллитные (SiO2: R2O3<2,5) с подразделением на сиаллитные и феррсиаллитные. Для последних характерно суженное отношение SiO2 : Fe2O3.

Наиболее подвижны среди продуктов выветривания простые соли; растворимость их тем больше, чем ниже валентность их ионов. Поэтому оснований в рыхлых породах и почвах в среднем меньше, чем в литосфере. Во влажном климате рыхлые породы обеднены основаниями,а в засушливом основания накапливаются.

По содержанию щелочноземельных и щелочных оснований почвообразующие

породы делятся на засоленные, карбонатные и выщелоченные. По Антипову -

Каратаеву (1958), в выщелоченных породах содержится не более 1 - 3 %

каждого из окисей кальция, магния, натрия, калия. Карбонатные содержат

значительное количество ( до 15 - 20 % ) карбонатов кальция (CaCO3 ).

В засоленных породах на ряду с карбонатами кальция много сульфатов и хлоридов

кальция, магния и натрия

Химический состав почвообразующей породы отражает в известной мере ее механический и минералогический состав. Песчаные породы, богатые кварцем,

состоят преимущественно из кремнезема. Чем тяжелее механический состав породы, тем больше в ней высокодисперсных вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше полутора окисей алюминия, железа, химически связанной воды, в породах сиаллитного типа больше также окисей калия и магния.

Почвы наследуют геохимические черты исходного материала почвообразующих пород:

Богатство породы кремнеземом сказывается на содержании его в почве; почвы, развиваю -

щиеся на карбонатной породе - имеют и больше кальция; засоленность почвообразующей

породы - источник засоления почвы. Однако материнская порода в процессе почвообразова -

ния изменяется. В зависимости от типа почвообразования происходят изменения в содер -

жании и распределении по профилю почвы различных химических элементов. Каждый тип

почвы приобретает характерную дифференциацию на горизонты с оприделенным химическим составом. В сравнении с почвообразующей породой верхние горизонты дерново-подзолистых почв обогащены кремнеземом и меньше содержат окисей алюминия

и железа. Состав приобладающих окисей для черноземов остается почти неизменным.

Для всех почв в отличие пород характерно накопление органического вещества в верхних

Горизонтах, с которым связана аккумуляция биологически важных элементов - углерода, азота, а для многих почв также фосфора, серы, кальция.

Эта особенность химического состава почв подчеркивает самостоятельную химическую

природу почв, отличающую ее от горной породы. Характер и масштаб изменений, которые

претерпевает порода, обусловливаются факторами почвообразования. Химический состав

почв постоянно изменяется в соответствии с непрерывностью процессов выветривания и

почвообразования.

Список использованной литературы:

1. Почвоведение/И.С.Кауричев, Н.П.Панов, Н.Н.Розов и др.; Под ред. И.С.Куричева—М., 1989.

2. С.А.Монин/География почв—Уч. пед. гис., 1957.

3. Джигрей В.С. Екологія та охорона навколишнього середовища.

К.: Знання, 2004.-309с.

4. Злобін Ю.А , Кочубей Н.В. Загальна екологія: Суми:

Університетська книга, 2005. – 416 с.