Максимальная гигроскопическая влажность
Семинар 6. Фазовый состав почвы.
1. Минеральная и органическая часть в составе твердой фазы почвы.
Минеральная часть (классификация механических частиц почвы (песок, …, ил), основные группы минералов в составе почвы (первичные, вторичные, соли), макроэлементы и микроэлементы в составе почвы; генетическая и экологическая роль гранулометрического состава, минералогического состава и химического состава почвы)
Минеральная часть почвы состоит преимущественно из частиц различных минералов размером от миллионных долей миллиметра до 1 мм и более. Почвенные минералы подразделяют по происхождению на первичные и вторичные. Первичные минералы — кварц, полевые шпаты, слюды, роговые обманки и пироксены — содержатся в почвах главным образом в виде частиц песка (от 0,05 до 1 мм) и пыли (от 0,001 до 0,05 мм) и в незначительном количестве в виде илистых (меньше 0,001 мм) и коллоидных (меньше 0,25 мкм) частиц. Из первичных минералов при их разрушении под влиянием химических процессов (гидратация, гидролиз, окисление) и жизнедеятельности различных организмов в почве образуются гидраты полуторных окислов, гидраты кремнезема, различные соли, а также вторичные минералы, так называемые минералы глин — каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др. Они находятся в почве преимущественно в виде илистых и коллоидных частиц и редко в виде пылеватых частиц.
По химическому составу минералы подразделяют на кремне-кислородные соединения, или силикаты, и алюмокремнекислородные соединения, или алюмосиликаты.
Из кремнекислородных соединений наиболее распространен в почве кварц SiO2, он содержится преимущественно в виде частиц песка и пыли. Почти во всех почвах содержание кварца превышает 60 %, а в песчаных — достигает 90 % и более. Кварц очень стойкий и прочный минерал, химически весьма инертен и в обычных условиях не принимает участия в химических реакциях в почве.
Алюмокремнекислородные соединения (алюмосиликаты) представлены в почве различными первичными и вторичными минералами. Из первичных алюмосиликатных минералов наиболее распространены полевые шпаты, которые подразделяют на калиевые и натриево-кальциевые, состоящие из изоморфных смесей анортита и альбита в различных соотношениях. Меньше, чем полевые шпаты, распространены в почвах слюды, из них более часто встречаются калийная слюда — мусковит, железисто-магнезиальная слюда — биотит и магнезиальная слюда — флогопит. Роговых обманок и пироксенов в почвах мало. Полевые шпаты и слюда, постепенно разрушаясь, служат источником калия, кальция, магния, железа и других элементов питания для растений.
Вторичные алюмосиликатные минералы состоят главным образом из кремния, алюминия, кислорода и водорода, в небольшом количестве в них содержатся также кальций, магний, калий, железо.
Вторичные минералы по некоторым свойствам (строению кристаллической решетки, степени дисперсности и др.) объединяют в следующие группы: монтмориллонитовая, каолинитовая и гидрослюдистая.
К монтмориллонитовой группе относят монтмориллонит, бейделлит и некоторые другие минералы. Монтмориллонитовые глины характеризуются высокой дисперсностью, обладают высокой набухаемостью, липкостью и вязкостью.
К каолинитовой группе минералов относят каолинит и галлуазит. Каолинитовые глины менее дисперсны, чем монтмориллонитовые, имеют небольшую набухаемость и липкость. Исследования Н. И. Горбунова показали, что в дерново-подзолистых почвах и в черноземах, сформированных на покровных суглинках, в составе высокодисперсных минералов преобладают слюды и монтмориллонит, а каолинит встречается в виде небольшой примеси или вовсе отсутствует. В значительных количествах каолинит содержится лишь в красноземах и желтоземах, а также в дерново-подзолистых почвах, образовавшихся на граните.
Гидрослюды образуются из полевых шпатов и слюд. Наиболее распространены среди них: гидромусковит, гидробиотит и вермикулит.
Вторичные алюмосиликатные минералы различаются по строению кристаллической решетки, степени дисперсности и другим признакам, но в то же время им присущи и некоторые общие свойства. В почвах они находятся в виде кристаллов, величина которых колеблется от нескольких микрометров до десятых и сотых долей микрометра. Благодаря высокой дисперсности эти минералы обладают большой поверхностью и высокой поглотительной способностью.
В состав минеральной части почвы входят и аморфные вещества. Из них главное место занимают гидроксиды алюминия и железа и гидроксид кремнезема, которые выпадают в почве в виде аморфных коллоидных осадков (гелей). Постепенно теряя воду, они могут кристаллизоваться, гидроксид кремнезема переходит во вторичный кварц, а из гидроксидов алюминия и железа образуются гиббсит, бемит, гетит, лимонит и др. Эти минералы в значительных количествах содержатся в красноземах, желтоземах и в некоторых дерново-подзолистых почвах.
В почве содержатся также различные соли: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия и натрия. Большинство этих солей (например, нитраты, хлориды, а также углекислые соли и фосфаты калия и натрия) хорошо растворяются в воде, их в почвах немного. Менее растворимые соли — карбонаты кальция, магния и сульфат кальция — в некоторых почвах находятся в значительных количествах в составе твердой фазы. Во всех почвах всегда содержатся малорастворимые соли фосфорной кислоты (фосфаты кальция, магния, железа и алюминия).
Разные механические фракции, минеральной части почвы различаются между собой по размеру частиц, а также по минералогическому и химическому составу.
В песке и крупной пыли преобладают кварц и полевые шпаты. В более мелких фракциях (средней и мелкой пыли) количество этих минералов уменьшается, а содержание слюд и роговых обманок увеличивается. Мелкодисперсная (<0,001 мм) илистая и коллоидная фракции состоят главным образом из вторичных алюмосиликатных минералов. В связи с различным минералогическим составом отдельные механические фракции различаются и по химическому составу, и по содержанию наиболее распространенных в почвах элементов.
Более крупные механические частицы почвы (песчаные и пылеватые) содержат больше кремния и меньше алюминия и железа. С уменьшением размера частиц снижается количество кремния и увеличивается содержание алюминия и железа, а также калия, кальция, магния и фосфора.
Почвенный гумус (и входящий в его состав азот) также сосредоточен в наиболее высокодисперсной части почвы. Следовательно, илистая и коллоидная фракции имеют наибольшее значение как источник питательных веществ для растений. Кроме того, эти фракции наиболее активны, обусловливают адсорбционные процессы в почве, ее поглотительную способность.
В связи с тем что отдельные механические фракции почвы различаются по составу минералов, минералогический и химический состав разных по механическому составу почв неодинаков. Песчаные и супесчаные почвы состоят из кварца и полевых шпатов, суглинистые — из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые — преимущественно из вторичных глинистых минералов с примесью кварца.
От механического состава почвы зависят многие физические, физико-химические и химические ее свойства. Содержание в почвах железа, кальция, магния, калия и других элементов питания, которые входят только в минеральную часть почвы, а в некоторой степени также фосфора, находящегося и в минеральной, и в органической части почвы, определяется главным образом их механическим составом. Более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче этими элементами питания, чем песчаные и супесчаные.
Органическая часть (неспецифические вещества почвы (углеводы (целлюлоза, моносахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски, смолы. ферменты и фенолы), их классификация по биохимической активности или способности к разложению, гумусовые вещества и их отличительные особенности), роль органической части почвы в почвообразовании, плодородии и питании растений.
Органическая часть почвы – хранилище всех питательных веществ – включает в себя:
• живые органические фракции: почвенные микроорганизмы, фауну почвы, корни растений. Все это в совокупности составляет биомассу почвы;
• неживые органические фракции, которые образуются в процессе разложения отмерших организмов, различные гумусовые соединения. Самую большую долю занимают гумусовые вещества (80-85 % от всех органических веществ).
Органическое вещество почвы – совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса.
Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы деструкции опада и образование гумуса.
Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.
Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы. Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.).
Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Распад органических веществ зависит от многочисленной группы микроорганизмов, включающей бактерии, актиномицеты, грибы, обитающие в почве водоросли, беспозвоночных и позвоночных почвенных животных.
Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25-60%), кислорода (30-50%), азота (1-5%) и водорода 92-5%).
Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп. Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.
Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.
Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.
Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.
Гуминовые кислоты и гумины образуют комплексы с ионами металлов, обладают большой адсорбционной способностью (как ионной, так и молекулярной). Кроме того, гуминовые вещества способны к адсорбции и абсорбции воды, а также к коагуляции.
Органо-минеральная часть почвы подразделяется на 3 группы:- первая группа – простые гетерополярные соли, гуматы, фульваты аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов;
- вторая группа – комплексно-гетерополярные соли, которые образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами: железом, алюминием, медью, цинком и никелем (металл входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям);
- третья группа – адсорбционные органо-минеральные соединения, включающие в себя соединения, образующиеся путем сорбции гуминовых веществ. Наиболее важные их них – глинисто-гумусовые соединения. Они определяют структуру почвы и, следовательно, физические свойства почв, а также обладают свойствами ионной и молекулярной адсорбции.
Репродуктивная способность почв зависит от степени доступности элементов питания.
2. Почвенно-гидрологические константы: максимальная гигроскопичность, влажность завядания растений, влажность разрыва капилляров, критическая влажность, наименьшая (полевая) влагоемкостъ, полная влагоемкость. Экологическое значение почвенной влаги.
Почвенно-гидролопгческие константы
Рассмотренные ранее категории (формы) почвенной воды довольно /ел овны, тем не менее можно выделить интервалы влажности, в пределах которых какая-то часть влаги обладает одинаковыми свойствами и степенью ее доступности для растений. Границы значений влажности, характеризующие пределы появления различных категорий и форм почвенной влаги, называются почвенно-лгдрологическими константами. А.А. Роде их рассматривает как точки на шкале влажности почвы, при которых количественные изменена в подвижности влаги перехолят в ее качественные отличия, (рис.1).
Выделяют пять основных почвенно-гидрологических констант, которые широко применяются в агрономической и мелиоративной практике. Это:
1. максимальная гигроскопичность (МГ);
2. влажность завялания (ВЗ);
3. влажность разрыва капилляров (ВРК):
4. наименьшая влагоемкость (НВ):
5. полная влагоемкость (ПВ).
Максимальная гигроскопическая влажность
По ее величине определяют влажность завялания растений - нижний предел физиологически доступной для растений воды. Как уже отмечалось выше. для расчета влажности завялания используют коэффициенты в пределах от 1.2 до 2.5. Величина коэффициента зависит от вила растений (1.3-1.6 для пшеницы, 1.7-2.3 дтя льна. 2.0 ятя чая и т.д.) и от условий их выращивания (для растений засушливых районов этот коэффициент меньше, чем выросших в переувлажненных районах). Для некоторой стандартизации в расчетах используют коэффициент 1.5. Его величина определяется химическим, минералогическим, но, в основном, q:>aH\\TOMeTpH4ecKnM составом почв, что подтверждается данными таблицы 1.4.
Таблица 1.4. Величины максимальной гигроскопичности в почвах различных типов и в зависимости от гранулометрического состава
| Главные типы почв (верхний Горизонт) | Максимальная гигроскопичность. % | Гранул ометричес к ий состав почв | Максиматьная гигроскопично сть |
| Подзолистые | 3-7 | Глины тяжелые | 20-30 |
| Черноземы | 7-15 | Глины | 12-18 |
| Каштановые | S-12 | Суглинки | 4-7 |
| Солонцы | 10-15 | Супеси | 2-3 |
| Сероземы | 4-7 | Пески тонкие | 0.5-1.5 |
| Торфяники | 30-40 | Пески грубые | 0.05-0.1 |
Определение величины максимальной гигроскопической влажности проводят по методу А.В.Николаева. Метод основан на длительном (20-30 дней) поглощении почвенными частицами молекул воды в условиях атмосферы насыщенной водными парами (близко к 100%) в замкнутом пространстве эксикатора с насыщенным раствором K1SO4
Влажность завядания (ВЗ)
Влажность, при которой растения начинают обнаруживать признаки завядания. не исчезающие при перемещении в атмосферу, насыщенную водными парами. Это нижний предел доступной для растений влаги. Величину влажности завядания используют в расчетах для вычисления активной (продуктивной) влаги. Кроме расчетного метода (умножение МГ на 1.5) в лабораторных условиях ее величину определяют методом проростков (вегетационный метод) или обезвоживанием почвы (по В.А. Францессону). Влажность завядания определяется свойствами почв и видом растительности. В песчаных почвах она колеблется в пределах 1-3 %, в супесчаных - 4-6, суглинистых - 10-12. глинистых - 20-30. В торфах влажность завядания достигает 60-80 %. Что касается вида растительности, то. например, засухоустойчивые злаки завядают при меньшей влажности, чем влаголюбивые растения. Значительное влияние на величину коэффициента завядания оказывает засоление почв, увеличивая его пропорционально степени засоления. Таким образом. на почвах засоленных и тяжелого гранулометрического состава, недостаток влаги для растений будет проявляться раньше, чем у почв незасоленных и более легкого гранулометрического состава.
Влажность разрыва капилляров (ВРК)
Это нижний предел оптимальной для растений влажности, ниже которого нарушается сплошность движения воды по капиллярам и непрерывное ее поступление к корневым системам. При этом рост растений замедляется и их продуктивность снижается. По всем экспериментальным данным эта величина составляет в среднем 50-60 % от наименьшей влагоемкоети почв. но может повышаться и до 75-85 % от НВ. Помимо свойств почв величина ВРК в значительной мере зависит от вида растений и от фазы их развития и в этом случае величина ВРК даже для одного вида, но в разные фазы роста может значительно колебаться (например, у озимой пшеницы величина ВРК от фазы кущения к фазе колошения возрастает от 70 % до 80 % от НВ). Величин ВРК используют при расчете поливной нормы (ш), где оптимальной считается влага, находящаяся в границах от ВРК (нижний предел оптимума) до НВ (верхняя граница оптимума влаги). Определение влажности разрыва капилляров проводят экспериментально в вегетационных сосудах, либо в вегетационных микропалевых опытах. При этом наблюдают за транспирацией. сосущей силой клеточного сока, внешним видом растений и т.д. Изменение этих показателей в худшую сторону свидетельствует и об ухудшении роста растений. Известны и методы лабораторного определения этого показателя. По этой методике почву смешивают с легко кристаллизующейся солью, затем этой почвой набивают бюксы и увлажняют до разных величин влажности, выдерживают в течение суток и отмечают, в каком первом бюксе появились кристаллы соли на поверхности, что и соответствует ВРК.
Наименьшая влагоемкостъ (НВ)
Под НВ понимается наибольшее количество капиллярно - подвешенной влаги . которое почва способна удержать после ее обильного увлажнения и свободного отекания избытка влаги. Синонимами не являются:
- обшая влагоемкостъ (по Н.А. Качинскому);
- предельная полевая (по А.П. Розову):
- полевая (по СИ. Долгову).
Ее величина широко используется в агрономической и мелиоративной практике при расчете поливных и промывных норм. продуктивной влаги и ее дефиците в почве и т.д. Под дефицитом влаги понимают разность между запасами при НВ и количеством влаги в изучаемом слое почвы в момент исследования (мы под ней понимаем естественную полевую влажность - ЕПВ). А.П. Розов приводит средние ориентировочные величины (табл. 1.5) для верхней метровой толгли почв при отсутствии подпитывания грунтовыми водами.
Таблица 1.5 Величины предельной полевой влагоемкости (синоним НВ) почв различного гранулометрического состава
| Гранул ометрически й состав почв | Предельная полевая влагоемкостъ. % от скважности | ГШВ, % к объему почвы | |
| Несолонцеватые почвы | Солонцеватые почвы | ||
| Глинистые | 85-90 | 90-93 | 50-60 |
| Тяжелое утлинистые | 70-80 | 85-90 | 45-50 |
| Среднесуглинистые | 60-70 | 75-85 | 45-50 |
| Легкосуглинистые | 50-60 | 65-75 | 40-45 |
| Супесчаные | 40-50 | 60-65 | 40-45 |
| Глинистые пески | 30-40 | 50-60 | 35-40 |
| Пески | 25-30 | - | 30-35 |
Исследованиями установлено, что для получения наивысшей продуктивности сельскохозяйственных культур необходима влажность почвы в пределах от 70 до 100 % от наименьшей влагоемкости (т.е. это ВРК). ее снижение приводит к уменьшению урожайности и снижению качества продукции. Основным способом, препятствующим этому является орошение.
Таким образом, знание величины НВ, правильное ее применение является главным условием рационального регулирования водного режима почв, в том числе и при орошении. Методы определения НВ хорошо изучены и широко известны. В полевых условиях НВ определяется методом заливаемых площадок, в лабораторных ее изучение проводят в образцах почвы как ненарушенного, так и нарушенного строения.