ТЕМА 1 (1 ч)
ПОЧВОВЕДЕНИЕ КАК ЕСТЕСТВЕННО-ИСТОРИЧЕСКАЯ НАУКА.
РОЛЬ ПОЧВЫВ БИОСФЕРЕ
Предмет, задачи и методы почвоведения.
Почвоведение – это наука о почвах, их образовании (генезисе), строении, составе и свойствах, географическом распространении, рациональном использования и повышении их плодородия с помощью системы агротехнических приемов.
Объектом изучения почвоведения являются почва. Что же такое почва? На первый взгляд этот вопрос довольно простой. Однако сформулировать полный ответ на него весьма сложно. Уже это показывает, что почва далеко не простое образование.
Длительное время на поверхности нашей планеты выделяли три группы природных образований: минеральные, растительные и животные. Каждая группа являлась объектом изучения определенных наук. Группа минеральных образований – предметом изучения различных геолого-минералогических дисциплин: химические соединения – минералогии, закономерности сочетания минералов (горные породы) – петрографии, толщи горных пород (их параметры, условия залегания и относительный возраст) – геологии. Группа растительных организмов изучалась ботаникой, животных – зоологией.
Возникает вопрос: к какому из трех природных образований следовало бы отнести почву?
Почва находится на самой поверхности литосферы. Поэтому, может быть, ее следует относить к минеральным образованиям и изучать (аналогично горным породам) ее химические соединения и сочетания этих соединений? Но среди составных частей почвы имеются компоненты, которые не могут быть объектом исследования ни минералогии, ни петрографии, – это растительные и животные организмы. Стоит отделить от почвы растения и животных – почвообразовательные процессы нарушатся.
Может быть, почва является продуктом деятельности растительных и животных организмов и изучать ее следует соответствующими биологическими методами? Попробуем отделить минеральный субстрат от растительности, например будем выращивать растения в сосуде с водой, внося питательные вещества прямо в водную среду. Совершив свой жизненный цикл, растение отомрет, но растительные остатки не будут, конечно, почвой.
Итак, почву нельзя отнести ни к минералам, ни к животным или растительным организмам. Следовательно, почва также является самостоятельным природным тело. Однако сложность понятия почвы заключается в том, что это природное тело состоит из многих составных частей и может существовать только в процессе взаимодействия факторов почвообразования.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что
почва – это сложная, полифункциональная, открытая, четырехфазная структурная система в поверхностной части литосферы, которая является продуктом деятельности факторов почвообразования и обладает плодородием.
При изучении почв (П.) применяет систему методов исследования – сравнительно-географический, сравнительно-аналитический, стационарный метод полевого исследования почв и метод моделирования почвенных процессов и режимов, широко используя при этом современные достижения химии, физики, биологии и др. наук.
П. тесно связано с геологией, геоморфологией, климатологией, минералогией, биологией, науками агрономического цикла и т.д.
Основные положения, на которых строится современное П., следующие:
1) Почва – самостоятельное природное тело и в то же время средство производства в сельском и лесном хозяйстве.
2) Факторами почвообразования являются: материнская горная порода, живые организмы (растения, животные, микроорганизмы), климат, рельеф, возраст страны и хозяйственная деятельность человека.
3) Разнообразные почвы являются продуктом единого почвообразовательного процесса, который проявляется в различных формах в зависимости от окружающих условий.
4) Неотъемлемым качеством почвы является плодородие.
5) Почва развивается во времени. Вместе с нею развивается и ее основное свойство – плодородие.
6) Важнейшие практические задачи почвоведения – эффективное и рациональное использование земельного фонда страны, минимальное использование ценных высокоплодородных почв под градостроительство и другие несельскохозяйственные цели, охрана почв от эрозии, засоления и загрязнения.
Почва как компонент биосферы и особая форма природных ресурсов. Биосфера (от греческого bios – жизнь + sphairo – оболочка) – это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее организмами на всех уровнях их организации.
Биосфера включает 3 основных компонента:
· живое вещество – совокупность живых организмов, населяющих нашу планету;
· биогенное вещество – органо-минеральные и органические продукты, созданные живым веществом (каменные угли, битум, горючие газы, нефть, торф, гумус и др.);
· биокосное вещество – минеральные вещества, образующиеся в результате взаимодействия живых организмов с неживой природой.
П очва – это биокосное образование биосферы, т.к. как является продуктом взаимодействия биотической и абиотической среды.
Почва выполняет следующие функции в биосфере:
· энергетическая – аккумулирование и преобразование энергии;
· биогеохимическая – синтез органических веществ с вовлечением макро- и микроэлементов;
· трансформирующая – минерализация органического вещества и преобразование органических и неорганических соединений;
· транспортная – связана с массопереносом вещества и биогенной миграцией химических элементов;
· экологическая – взаимодействие различных групп организмов и компонентов среды внутри агроценозов;
· буферная – обеспечивает устойчивое существование биогеоценозов
· фильтрующая – почвы участвует в регулировании состава природных вод
· протекторная – почвы связывают часть загрязняющих веществ в недоступное для живых организмов состояние
· информационная – источник информации о геохимических процессах в прошлом и настоящем;
· почва – главный источник получения продуктов питания для растений и животных.
· санитарно-гигиеническое и медицинское значение (Почва является средой жизни многочисленных низших животных и микроорганизмов, оказывающих болезнетворное воздействие на человека. Например, индийские ученые обнаружили, что смертность населения от холеры в сельских районах приурочена к гидроморфным почвам. По-видимому, условия гидроморфных почв наиболее благоприятны для развития холерной инфекции. На состояние здорового человека может оказывать сильное воздействие химический состав почв. Особо остро отражается на здоровье населения недостаток химических элементов, которые входят в состав биологически активных веществ, регуляторов жизненных процессов – витаминов, ферментов, гормонов. Подобные болезни получили название эндемических. Эндемические заболевания могут быть ликвидированы после обнаружения их причин. Так, например, было покончено с тяжелой формой йодной недостаточности (зобной болезнью) в некоторых горных странах путем введения в рацион населения специальной йодированной пищевой соли).
· поиск полезных ископаемых с помощью геохимических методов (Например, изучая состав почвенного воздуха, можно обнаружить скопления нефти и газа, а также радиоактивных элементов).
Тема 2 (1 ч.)
КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВ
Реакция среды, в которой развиваются растения, оказывают решающее влияние на всю жизнедеятельность растительного организма – на его рост, развитие и в конечном итоге на урожай. Различные виды растений предъявляют неодинаковые требования к реакции почвенной среды. Например, если рожь, овес, картофель лучше всего развиваются и дают наибольшие урожаи при слабокислой реакции, то такие культуры, как пшеница, свекла, люцерна, требуют для своего роста уже нейтральной или слабощелочной среды. Многие бактериальные процессы, как например фиксация клубеньковыми бактериями атмосферного азота, идут только при нейтральной реакции (рН = 7–7,2).
При применении удобрений реакция почвенного раствора имеет исключительно важное значение. Так, например, как это установлено Д.Н. Прянишниковым, нитратная форма азота лучше усваивается в кислой среде (при рН=5), тогда как аммиачная форма – нейтральной (рН=7).
Целый ряд микроэлементов в условиях неблагоприятной для них среды могут быть недоступны растениям (B, Mn, Mo, Fe).
Различные процессы, протекающие в растительном организме с участием ферментов, также зависят от реакции среды, так как ферменты оказываются активными только при определенной для каждого из них реакций. Отсюда становится ясным, какое значение имеет определенная реакция почвенного раствора.
Реакция почвы зависит от соотношения в ней свободных ионов водорода (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-). Если в почвенном растворе концентрации этих ионов одинаковы, то реакция будет нейтральной, при Н+> ОН- – реакция кислая, при Н+< ОН- – щелочная.
Согласно теории электролитической диссоциации любой электролит в водном растворе распадается на ионы. Совершенно чистая вода также диссоциирует на ионы, только в очень малой степени:
Н2О = Н+ + ОН-
Расчеты, основанные на электропроводности воды, показали, что концентрация ионов водорода в 1 л воды при температуре 220С равна 10-7 г´иона. При этом из каждой молекулы воды образуется равное количество ионов водорода и гидроксильных ионов, их концентрация будет равна Н+ =ОН- = 10-7 г´ион/л., т.е. дистиллированная вода имеет нейтральную реакцию.
В случае освобождения при диссоциации свободных ионов водорода и увеличения их концентрации раствор становится кислым. При повышении концентрации гидроксильных ионов раствор становится щелочным.
Концентрация водородных ионов в растворах, с которыми приходится иметь дело в практике, обычно весьма незначительна. Так, при очень сильно кислой реакции почвы в растворе находится 0,001 г водородных ионов на 1 л, при уменьшении концентрации до 0,0001 г реакция остается сильно кислой, и лишь при концентрации 0,0000001 г раствор становится нейтральным.
В целях удобства для обозначения реакции почвы введен показатель рН – десятичный отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в граммах на 1 л раствора, взятый с обратным знаком. Так, если концентрация иона водорода в 1 л равна 0,001 г, то рН=3; если 0,0001 г, то рН=4 и т.д. Реакцию почв определяют с помощью приборов рН-метра или колориметрически по изменению окраски индикатора и сравнению ее со шкалой.
В зависимости от числового значения рН реакция почвенного раствора характеризуется следующим образом:
| рН=4 и ниже | – очень сильнокислая |
| рН=4,2–4,5 | – сильнокислая |
| рН=4,5–5,0 | – кислая |
| рН=5,1–5,5 | – слабокислая |
| рН=6,0–7,0 | – близкая к нейтральной и нейтральная |
| рН=7,2–7,5 | – слабощелочная |
| рН=7,6–8,5 | – щелочная |
| рН > 8.5 | – сильнощелочная |
Реакция различных почв колеблется от рН 3,5 до 8–9 и выше. Так, торф верховых болот имеет сильнокислую реакцию (рН<4), подзолистые и дерново-подзолистые почвы – кислую (рН = 4–6), черноземы – близкую к нейтральной (рН=6,6–7,1), солонцы и солончаки – щелочную (рН=8–9). Наиболее благоприятны для роста и развития большинства сельскохозяйственных культур реакция нейтральная и близкая к нейтральной. Сильнокислая и особенно сильнощелочная реакция угнетающе действует на корневые системы и обмен веществ растений.
Кислотность почвы обусловлена наличием в почве органических и минеральных кислот, кислых и гидролитически кислых солей, а также поглощенных (обменных) ионов водорода и алюминия. Различают следующие виды кислотности: активная (актуальная), потенциальная, которая подразделяется на обменную и гидролитическую.
Активная кислотность характеризует собой концентрацию ионов водорода в почвенном растворе. Эта форма кислотности непосредственно влияет на рост растений, чем ниже рН, т.е. чем больше активная кислотность, тем сильнее ее вредное влияние.
Для определения этой кислотности в почву приливают дистиллированную воду в соотношении 5 частей воды на 1 часть почвы. При этом в раствор переходят свободные ионы водорода, не связанные почвой. Ионы водорода, извлекаемые водной вытяжкой, составляют незначительное часть всего количества водородных ионов почвы. Поэтому по величине рН активной кислотности нельзя определить дозу извести для нейтрализации кислотности почв.
Для определения дозы извести, необходимой для нейтрализации кислой реакции почв, нужно знать потенциальную кислотность почв, т.е. общее количество ионов водорода и алюминия в почвенном поглощающем комплексе.
Обменная кислотность характеризует количество поглощенных почвой ионов водорода и алюминия, способных к переходу в почвенный раствор при взаимодействии с нейтральными солями. Эта кислотность оказывает вредное (токсическое) действие на растения. Для определения обменной кислотности почву взбалтывают с раствором хлористого калия. При этом ионы калия вытесняют ионы водорода, находящиеся в почве в поглощенном состоянии, и занимают их место. Перешедшие в раствор ионы водорода соединяются с оставшимися в нем ионами хлора и образуют соляную кислоту, которую можно определить колориметрически с универсальным индикатором или электрометрически.
[ППК-]Н+ + KCl = [ППК-]K+ + HCl
[ППК-]Al3+ + 3KCL = [ППК-]3K+ + AlCl3
Образующийся хлористый алюминий – гидролитически кислая соль, поэтому в водном растворе расщепляется на кислоту и основание:
AlCl3 + 3H2O = Al(OH)3 + 3HCl
В обменную кислотность входит активная кислотность. Солевая вытяжка дает более низкий показатель рН, т.е. более кислую реакцию, чем водная вытяжка. Например, рН водной вытяжки мощного чернозема равна 6,5, а солевой вытяжки – 6,0.
Гидролитическая кислотность обусловлена как обменными, так и прочно связанными ионами водорода. Поскольку при воздействии на почву растворов нейтральной соли прочно связанные ионы водорода не извлекаются, то для определения гидролитической кислотности почву обрабатывают раствором гидролитически щелочной соли:
[ППК-]Н+ + СH3СOONa = [ППК-]Na+ CH3COOH
Количество образовавшейся уксусной кислоты определяют титрование щелочью. Гидролитическая кислотность выражается в мг´экв на 100 г почвы. При определении гидролитической кислотности охватываются все виды кислотности, т.е. выявляется сумма всех ее видов (активная, обменная и гидролитическая). Таким образом, чтобы иметь данные только о гидролитической кислотности, надо из общего показателя вычесть величину обменной (включающей в себя актуальную). Гидролитическая кислотность не оказывает на растение токсического действия, как обменная и актуальная. Определение гидролитической кислотности имеет практическое значение для установления доз извести:
CaCO3 (т/га) = H (мг´экв/100г) ´ 1,5
Процесс известкования кислых почв можно представить следующей реакцией:
[ППК-]2H+ + CaCO3 = [ППК-]Ca2+ + H2O + CO2
Доза извести зависит от степени кислотности и механического состава почвы.