Источники почвенного раствора и формы воды, входящие в его состав

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Состав почвенных растворов различных типов почв»

 

Введение

 

Почва - это поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырехфазную (состоящую из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов [4].

Свойство почвы снабжать растения влагой - одна из важных сторон её плодородия, равноценная способности снабжать растения питательными веществами. Содержание влаги в почве постоянно, как правило, изменяется, так как она то поступает в почву, то расходуется из нее.

Изменение содержания влаги в почве, во-первых, ограничено определенными пределами, зависящими главным образом от свойств твердой части почвы - её пористости, механического состава и сложения, во-вторых, оно подчинено определенным закономерностям, завися от свойств самой почвы, климатических условий, рельефа, наличия и состава растительности и её массы, агрономических и мелиоративных мероприятий и т. д. Эти условия влияют на процессы поступления влаги, ее расходования и передвижения в почве [7].

Вода в почвах неоднородна. Разные её порции имеют разные физические свойства (термодинамический потенциал, теплоёмкость, плотность, вязкость, удельный объем, химический состав, подвижность молекул, осмотическое давление и т. д.), обусловленные характером взаимного расположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы - твердой, газовой, жидкой [6].

 

 

Почвенный раствор

 

Проблема почвенного раствора - одна из труднейших в химии почв как в теоретическом, так и в методическом отношении. Даже определение понятия «почвенный раствор» вызывает большие трудности.

А. Е. Возбуцкая считает синонимами термины «жидкая фаза почвы» и «почвенный раствор». В «Толковом словаре по почвоведению» почвенный раствор определен как «вода, находящаяся в почве и содержащая в растворенном состоянии органические и минеральные вещества и газы». Это определение не поясняет, все ли формы воды в почве входят в почвенный раствор. Остается неясным, почему газы противопоставляются органическим и минеральным веществам и каковы источники этих растворенных веществ[5].

В почвенном растворе осуществляются важнейшие почвенно-химические реакции; растения и микроорганизмы черпают необходимые им вещества главным образом из почвенного раствора.

Почвенный раствор можно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли органоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи[5].

 

Подзолистые почвы

 

Концентрация почвенного раствора подзолистой почвы мала, как и в красноземах, и желтоземах. Во влажные сезоны концентрация составляет 0,3-1г/л, в сухие 2-4г/л, отношение органических веществ к минеральным составляет 1:5 - 1:15. Реакция почвенного раствора часто бывает кислой. Соединения железа, кремния, алюминия и легкорастворимые углекислые, сернокислые и хлористые соли в растворах подзолистых и красноземных почв представлены сотыми и тысячными долями грамма на литр. Почвенные растворы подзолистых почв Московской области характеризуются низкими концентрациями всех минеральных компонентов (сумма не более 1г/л). Во втором полуметре почвенного профиля наблюдается большое содержание органического вещества (0,1-0,5 г/л), представленного в основном фульвокислотами, кислая реакция среды (рН 4-5,5), присутствие аммиака и подвижных форм кремнезема и железа. С глубиной количество органического вещества в жидкой фазе почвы постепенно уменьшается, что говорит о закреплении мигрирующих воднорастворимых веществ в почвенном профиле. Содержание кальция низкое по сревнению с подстилкой (0,3-1,5 мг-экв/л). Лесная подстилка подзолистых почв характеризуется максимальным во всем профиле содержанием органического вещества (3-4 г/л), повышенными концентрациями кальция (до 7-15 мг-экв/л)[2][8].

Окультуренные подзолистые почвы отличаются от целинных тем, что имеют слабокислую реакцию среды - рН 5,5-6,5, более высокой концентрацией кальция - до 18 мг-экв/л и меньшим количеством растворенного органического вещества. И весной, и осенью в почвенных растворах подзолистой почвы явно доминирует железо, связанное с органическим веществом. Растворы содержат значительное количество Al и растворенных органических веществ. При переходе к минеральным горизонтам количество углерода в растворах резко снижается, а значения рН немного увеличиваются[2].

Болотные почвы

 

Болотные почвы формируются в разных почвенно-климатических зонах в условиях избыточного увлажнения. Они наиболее распространены в таежно-лесной и тундровой зонах.

В более южных зонах эти почвы представлены в основном болотными пойменными почвами степей, буроземно-лесными болотными почвами, болотными почвами сероземной зоны и субтропических областей[2].

Ничтожной концентрацией отличаются почвенные растворы, циркулирующие в сфагновых болотных почвах. По данным А. В. Пичугина, концентрация почвенных растворов сфагновых болот Белоруссии составляет около 80-90 мг/л, а pH составляет 5. В числе минеральных веществ преобладают бикарбонаты и сульфаты щелочных земель, содержание соединений железа, кремнезема, хлор-иона составляет 5-10 мг/л каждого.

Почвенные растворы осушенных и освоенных торфяных болотных почв севера Русской равнины также характеризуются небольшими концентрациями минеральных веществ и значительными органических соединений. Они содержат от 3,5 до 8,4 мг-экв/л кальция (иногда до 20- 80 мг-экв/л), от 2-3 до 12,9 мг-экв/л магния, небольшие количества железа, калия и натрия, очень немного соединений фосфора.

Иногда в них имеется заметное количество хлор-иона (30-60-80 мг-экв/л на участках, регулярно удобряемых хлористыми калийными солями) и сульфат-иона (2-1-15 мг-экв/л). Часто констатируется аммоний и всегда присутствует небольшое количество нитратов-2-б-9 мг-экв/л (особенно под пропашными культурами). Было обнаружено, что в пахотных горизонтах осушенных торфяных почв концентрации почти всех компонентов значительно выше, чем в глубоких подпахотных горизонтах. В сухое время года, т. е. летом, наблюдалось интенсивное сезонное накопление растворимых солей, особенно хлоридов, а также подвижного органического вещества. Интересно отметить, что подобные почвы обладают нейтральной или даже слабощелочной реакцией (pH почвенного раствора 6-8). Весной, после снеготаяния, и после летних или осенних дождей концентрация большинства соединений в растворах уменьшается. И. Н. Скрынникова обнаружила также, что концентрация кальция, магния, калия, нитратов может значительно уменьшаться летом вследствие биологического поглощения (микроорганизмы, корни растущих растений).

Главные источники минеральных соединений и азота в почвенных растворах торфяных почв - продукты минерализации торфа, грунтовые воды и вносимые удобрения [2].

 

Бурые лесные почвы (на примере почв восточного Сихоте-Алиня)

 

Бурые лесные почвы распространены в Карпатах, Кодрах, Крыму, на Кавказе и юге Дальнего Востока под широколиственными или хвойно-широколиственными лесами и развиваются в условиях влажного и теплого лета при промывном типе водного режима[1].

Региональный фактор обусловливает кальциевый химизм биологического круговорота и ферсиаллитный тип выветривания, что отражается в концентрациях и соотношениях ионов в составе почвенных вод вне зависимости от характера пород и местоположения разреза.

Влияние локального экзогенного фактора (близость моря) проявляется в повышении концентраций Сl^- и Na⁺, тогда как литогенный фактор (присутствие сульфидов) обусловливает специфику, выражающуюся в увеличении кислотности, концентраций SO₄^2-, Fe, Al, Mn и С_орг в растворах (особенно в нижней части профиля). В почвах, развитых на карбонатной породе, влияние литогенного фактора проявляется также в основном в нижней части профиля: почвенные растворы характеризуются близкими к нейтральным значениями рН, при переходе к гор. ВС реакция становится слабощелочной, увеличивается содержание Са²⁺ и НСО₃^-. Концентрации железа и Al напротив, понижены. Повышенная концентрация сульфатов обусловлена полиметаллической сульфидной минерализацией [8].

Серые лесные почвы

 

Серые лесные почвы распространены преимущественно в северной части лесостепной зоны.

Состав почвенных растворов серсерых лесных почв близок к растворам бурых лесных почв. Сравнительное изучение лизиметрических вод и почвенных растворов, вытесненных спиртом, показало, что лизиметрические воды из двух типов почв различаются статистически значимо по содержанию железа и алюминия; кремния (выше в серых лесных) и бикарбонат-ионов (выше в бурых лесных). Остальные показатели (рН, общая кислотность содержание Са, К и Mg) с учетом варьирования не различаются. Значения рН варьируют в интервале 6,9-7,5, общая кислотность составляет 0,14-0,36 ммоль-экв/л, суммарное содержание Са и Mg - 1,45-1,55, К - сотые доли ммоль-экв/л. Воды содержат 3-5 ммоль-экв/л кремнекислоты и 0,5-0,7 ммоль-экв/л бикарбонатов. Почвенные растворы различаются достоверно только по рН: 6,6 и 7,5 (серая и бурая лесная, соответственно); при этом концентрация всех элементов в 3-7 раз выше по сравнению с лизиметрическими водами[8].

Черноземные почвы

 

Черноземы сформировались под степной и разнотравно-степной растительностью и характеризуются большими запасами органического вещества[1].

Концентрация почвенных растворов выше, чем в подзолистых и болотных почвах и достигает 1-3 г/л. В связи с более высокой биологической активностью этих почв в них существенно повышается содержание гидрокарбонатного иона, реакция становится нейтральной или слабощелочной. Более высокое поступление химических элементов с высокозольным опадом травянистых степных растений обеспечивает повышение концентрации и других катионов и анионов (кальция, магния, хлора, сульфат-иона). Общая концентрация раствора, содержание растворенных органических веществ, бикарбонат-ионов, ионов К и Cl вниз по профилю снижается, а SO₄^2- - увеличивается[2].

Сероземы

почва раствор подзолистый болотный

Почвенные растворы незаселенных сероземов Средней Азии также имеют невысокую концентрацию - 0,5-1,5 г/л; в составе растворенных солей в них преобладают бикарбонаты щелочных земель, содержится некоторое количество сульфатов, хлоридов и нитратов.

Орошаемые незасоленные сероземы имеют более высокую концентрацию почвенного раствора, составляющую 2-7 г/л. Увеличение концентрации почвенных растворов в орошаемых сероземах происходит за счет сернокислых и хлористых солей, поступающих с поливными водами[2].

Засоленные почвы

 

К засоленным почвам относят солончаки, солончаковатые почвы и солонцы, которые широко распространены в зоне сухих и пустынных степей, встречаются они в степной, лесостепной и таежнолесной зонах[1].

Солончаки - почвы, содержащие большое количество водорастворимых солей с самой поверхности. В зависимости от химизма засоления количество солей в верхнем горизонте солончаков колеблется от 0,6-0,7 до 2-3% и более.

Солончаки гидроморфные (Ск^г) развиваются в условиях близкого залегания минерализованных грунтовых вод. Солончаки автоморфные (Ск^а) формируются на засоленных почвообразующих породах при глубоком залегании грунтовых вод.

Солонцами называют почвы, содержащие в поглощенном состоянии большое количество обменного натрия, а в ряде случаев и магния. Профиль их резко дифференцирован и характеризуется неблагоприятными агрономическими свойствами. В отличие от солончаков солонцы содержат водорастворимые соли не в самом верхнем горизонте, а на некоторой глубине.

Солоди распространены в лесостепной и степной зонах, они встречаются также среди почв сухих и полупустынных степей. Повсеместно приурочены к понижениям, испытывающим временное избыточное увлажнение[1].

В солодях и особенно в солонцах резко возрастает количество иона натрия, появляется ион СО₃^-, что обеспечивает в солонцах, в частности, щелочную реакцию почвенных растворов. Максимальное содержание солей (до десятков и сотен граммов на 1л) наблюдается в почвенных растворах солончаков. Концентрация солей в почвенных растворах солончаков в несколько раз превышает их содержание в морской воде. Если для большинства почв характерен гидрокарбонатнокальциевый состав почвенных растворов (преобладание этих двух ионов), то в почвенных растворах засоленных почв преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам магния и натрия.

Почвенные растворы солонцов, особенно содовых, имеют сильнощелочную реакцию, содержат тонкие суспензии и коллоиды минеральных и органических соединений, а также бикарбонаты щелочей, алюминаты и силикаты щелочей и растворенное органическое вещество.

Слабозасоленные луговые орошаемые почвы имеют уже значительно более высокую концентрацию почвенного раствора, порядка 10-20 г/л (в разное время года). В составе почвенных растворов преобладают сульфаты кальция, магния, натрия. Бикарбонаты щелочных земель, хлориды и нитраты занимают подчиненное место.

В солончаковых почвах и солончаках Закавказья и Средней Азии концентрация почвенных растворов достигает колоссальных величин, составляя в разное время года 250-350-420 г/л[2].

В составе почвенных растворов сильнозасоленных почв и солончаков преобладающая доля принадлежит хлоридам и сульфатам натрия и магния. Концентрация хлор-иона в этих случаях иногда достигает 100- 160 г/л. Иногда отмечается необычайно высокая концентрация нитратов- до 20-30 г/л N0₃^-[2].

 

 

Красноземы

 

Состав жидкой фазы почв влажных субтропиков составляет полную противоположность растворам ксероморфных почв. Так, лизиметрические растворы красноземов, формирующихся в условиях высокой влажности, промывного режима и хорошего дренажа (почва развита на сильно выветрелом галечнике), отражают процесс интенсивного выветривания алюмосиликатов, отсутствие солей, ненасыщенность почвенного поглощающего комплекса основаниями, то есть имеют черты, характерные для лесных кислых почв. По ряду свойств растворы близки к подзолистым почвам. Лизиметрические воды характеризуются слабокислой реакцией, интенсивной миграцией Si, Al, Са и Mg. Вынос кремния примерно в 2 раза превышает вынос Al. Отличие от северных лесных почв проявляется в очень слабой миграции Fe (часто обнаруживается в следовых количествах) по крайней мере, в ионной форме (не исключена миграция в виде органо-минеральных соединений коллоидного характера).

Растворы красноземов также содержат меньше водорастворимых органических соединений. Почвенные растворы большинства почв насыщены соединениями железа, марганца, кремнезема, бикарбонатами кальция. Поэтому испарение или транспирация этих растворов сопровождается осаждением насыщающих соединений в твердую фазу почвы. Концентрация подвижных соединений кремнезема в почвенных растворах значительно выше, чем в грунтовых водах [8].

 

 

Заключение

 

Оптимальны для сельскохозяйственных растений концентрации и состав почвенных растворов лесных буроземов, серых лесных почв, черноземов, луговых почв долин и незасоленных орошаемых почв. Наилучшее развитие большинства сельскохозяйственных растений происходит при концентрации почвенных растворов в течение вегетационного периода в пределах 3-6 и не выше 10-12 г/л. В этих случаях в составе почвенных растворов преобладают бикарбонаты и сульфаты кальция и в достаточной мере представлены элементы минерального питания растений. Снижение концентрации почвенных растворов до 2-1 г/л и меньше свидетельствует о недостатке элементов минерального питания растений. Увеличение концентрации почвенных растворов за пределы 10-12 г/л вызывает угнетение большинства сельскохозяйственных растений, а при концентрации 20-25 г/л и выше большинство сельскохозяйственных растений развивается ненормально или гибнет.

Отрицательное влияние концентрированных почвенных растворов на сельскохозяйственные растения обязано нескольким факторам: высокому осмотическому давлению, мешающему нормальному поступлению влаги и питательных веществ в корневые системы растений; отравляющему влиянию карбонатов, хлоридов, сульфатов и нитратов щелочей на ткани растений; нарушению нормального соотношения элементов минерального питания, необходимых для растений.

Известно, что с возрастанием концентрации почвенного раствора до 20-50 г/л и выше осмотическое давление возрастает до 15-25 атм. В солончаках осмотическое давление достигает 50-100 атм. Между тем сосущая сила большинства сельскохозяйственных растений не превышает 10-12 атм.

 

 

Список литературы

 

1) «Практикум по почвоведению», под ред. Кауричева И. С. 3 изд. М.: КолосС, 1980.

)   Ковда В. А. «Основы учения о почвах» ч. 1, ч. 2, М.: «Наука», 1073.

)   «Почвоведение» под ред. Ковды В. А, Розанова Б. Г. ч. 1, ч. 2. М.: Высш. шк., 1988.

)   Костычев П. А. «Почвоведение», курс лекций. Под ред. Вильямса В. Р. М., Л.:ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1940.

)   Орлов Д. С. «Химия почв». М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985.

)   Снакин В. В., Присяжная А. А. Рухович О. В. «Состав жидкой фазы почвы»

)   Судницын И. И. «Движение почвенной влаги и водопотребление растений». М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

)   Трофимов С. Я., Караванова Е. И. «Жидкая фаза почв». Москва, 2009.

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Состав почвенных растворов различных типов почв»

 

Введение

 

Почва - это поверхностный слой литосферы Земли, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырехфазную (состоящую из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности организмов [4].

Свойство почвы снабжать растения влагой - одна из важных сторон её плодородия, равноценная способности снабжать растения питательными веществами. Содержание влаги в почве постоянно, как правило, изменяется, так как она то поступает в почву, то расходуется из нее.

Изменение содержания влаги в почве, во-первых, ограничено определенными пределами, зависящими главным образом от свойств твердой части почвы - её пористости, механического состава и сложения, во-вторых, оно подчинено определенным закономерностям, завися от свойств самой почвы, климатических условий, рельефа, наличия и состава растительности и её массы, агрономических и мелиоративных мероприятий и т. д. Эти условия влияют на процессы поступления влаги, ее расходования и передвижения в почве [7].

Вода в почвах неоднородна. Разные её порции имеют разные физические свойства (термодинамический потенциал, теплоёмкость, плотность, вязкость, удельный объем, химический состав, подвижность молекул, осмотическое давление и т. д.), обусловленные характером взаимного расположения и взаимодействия молекул воды между собой и с другими фазами почвы - твердой, газовой, жидкой [6].

 

 

Почвенный раствор

 

Проблема почвенного раствора - одна из труднейших в химии почв как в теоретическом, так и в методическом отношении. Даже определение понятия «почвенный раствор» вызывает большие трудности.

А. Е. Возбуцкая считает синонимами термины «жидкая фаза почвы» и «почвенный раствор». В «Толковом словаре по почвоведению» почвенный раствор определен как «вода, находящаяся в почве и содержащая в растворенном состоянии органические и минеральные вещества и газы». Это определение не поясняет, все ли формы воды в почве входят в почвенный раствор. Остается неясным, почему газы противопоставляются органическим и минеральным веществам и каковы источники этих растворенных веществ[5].

В почвенном растворе осуществляются важнейшие почвенно-химические реакции; растения и микроорганизмы черпают необходимые им вещества главным образом из почвенного раствора.

Почвенный раствор можно определить как жидкую фазу почв, включающую почвенную воду, содержащую растворенные соли органоминеральные и органические соединения, газы и тончайшие коллоидные золи[5].

 

Источники почвенного раствора и формы воды, входящие в его состав

 

Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. Грунтовые воды также могут участвовать в их формировании. В зависимости от типа водного режима почвы участие грунтовых вод может быть систематическим (выпотной или застойный водный режим) и периодическим (периодически выпотной водный режим). При орошении дополнительным резервом влаги для почвенных растворов становятся поливные воды[5].

Атмосферные осадки, поверхностные воды, росы, грунтовые воды, попадая в почву и переходя в категорию жидкой ее фазы, изменяют свой состав при взаимодействии с твердой и газообразной фазами почвы, с корневыми системами растений и живыми организмами, населяющими почву. Образующийся почвенный раствор в свою очередь играет огромную роль в динамике почв, питании растений и микроорганизмов, принимает активное участие в процессах преобразования минеральных и органических соединений в почвах, в их передвижении по профилю[2].

Содержание влаги в почвах и количество почвенного раствора могут колебаться в очень широких пределах, от десятков процентов до единиц или долей процентов, когда в почве находится лишь адсорбированная вода. Физически прочносвязанная вода (гигроскопическая и отчасти максимальная гигроскопическая) представляет собой так называемый нерастворяющий объем почвенной воды, поэтому она не входит в состав почвенного раствора как такового. Не успевают стать специфически почвенным раствором и гравитационные воды, быстро просачивающиеся через почвенные горизонты по крупным трещинам и ходам корней. Таким образом, почвенный раствор включает все формы капиллярной, рыхло- и относительно прочносвязанной воды почвы.

В.А. Ковда выделяет несколько основных форм воды в почвах, указывая на условность границ между ними: парообразная, химически связанная и кристаллизационная, физически прочносвязанная (гигроскопическая) и рыхлосвязанная (пленочная), капиллярная, гравитационная, грунтовая, поверхностная и в форме льда[5].

К жидкой фазе почвы имеют самое непосредственное отношение три из них: пленочная, капиллярная и гравитационная (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Формы воды в почве

 

Пленочная вода. С пленочной водой в почве обычно связывали понятия “нерастворяющего объема” и отрицательной адсорбции ионов. В основе лежит представление о том, что вода около поверхности твердой фазы испытывает непосредственное ее воздействие, в частности, поверхностного заряда и адсорбционных сил, в результате чего свойства данной воды существенно отличаются от обычной свободной воды. Экспериментально установлено, что в пределах этой водной пленки концентрация анионов ниже, чем в остальной части почвенной влаги. Явление отрицательной адсорбции ионов является как бы суммарным эффектом трех процессов: электростатического взаимодействия анионов с поверхностью твердой фазы: меньшей растворяющей способности пленочной влаги, а также положительной адсорбции анионов.

Капиллярная вода. Эта форма влаги, часто называемая также свободной или поровой, является основной частью жидкой (водной) фазы почв. Именно эта часть влаги в наибольшей степени доступна растениям. С капиллярной водой связывают понятие почвенного раствора в самом широком смысле.

Гравитационная вода. Гравитационная влага почвы в наименьшей степени подвержена влиянию твердой фазы почвы, перемещается в почве под воздействием силы тяжести и имеет для почв нормального увлажнения временный характер (в результате весеннего снеготаяния, выпадения осадков или полива почв сельскохозяйственного использования). С этой формой влаги связаны так называемые лизиметрические воды. Поскольку и капиллярная, и гравитационная влага находятся под воздействием одной почвы, то и состав почвенных растворов и лизиметрических вод генетически близок. Однако имеются и различия, обусловленные, с одной стороны, отсутствием некоторого равновесия между лизиметрическими водами и твердой частью почвы в силу их временного характера, с другой - тем, что они несут на себе отпечаток состава снега, дождя или поливной воды, а также взаимодействия последних с надземными частями растений, опадом и газовой фазой, отличной по составу от почвенного воздуха.

Рассмотренный материал по составляющим жидкую часть почвы: пленочной, капиллярной (поровой) и гравитационной формами влаги показывает, что центральное место и по объему, и по содержанию солей, и по постоянству действия в почвенных процессах принадлежит капиллярной влаге, под которой, как правило, и подразумевают почвенный раствор. Если пленочная вода служит своего рода буфером против воздействия внешних факторов, гравитационная вода в большей степени отвечает за перераспределение веществ по генетическому профилю почвы, то капиллярная влага определяет большинство процессов растворения и новообразования в почве, а также питания растений.