Химический состав почв и почвообразующих пород

Химический состав почвообразующей породы отражает, в известной мере, её гранулометрический и минералогический состав. Песчаные породы, богатые кварцем, состоят преимущественно из кремнезема. Чем тяжелее гранулометрический состав породы, тем больше в ней вторичных минералов, а следовательно, меньше кремнезема, больше полутораокисей алюминия, железа. Почвы наследуют геохимические черты исходного материала почвообразующих пород. На песчаных породах, богатых кварцем, почвы обогащены кремнеземом, на лессе - кальцием, на засоленных породах – солями и т. д.

Итак, в почве преобладают окись кремния (SiO₂) и органогенные элементы C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg. Последние являются источником питания растений и от их содержания зависит плодородие почвы. Особую роль в питании растений играет N, P и K. Азот в почве представлен нитратами, аммонийными солями, входит в состав почвенного воздуха и гумуса. Многие соединения азота подвижны, легко вымываются. Недостаток азота, а также фосфора и калия в почве компенсируют органическими и минеральными удобрениями.

Для нормального роста и развития растениям необходимы свет, тепло, вода, воздух и питательные вещества. Все эти условия жизни для растений равноценны и незаменимы. В почвах элементы питания растений находятся в составе минералов, органических и органо-минеральных соединений твердой фазы почв, в почвенных растворах (в основном в ионной форме) и в газовой фазе почв. В результате поглощения питательных элементов растения формируют корневые и надземные массы, которые используются людьми как продукты питания, корм для животных или как сырье для промышленности (клубни картофеля, зерно, лен и т. д.).

В почвах содержатся практически все элементы периодической системы д. И. Менделеева, но для питания растениям наиболее необходимы 19 элементов: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Мg, Fе, Мn, Сu, Zn, Мо, В, С1, Nа, Si, Со. Из них 16 элементов, кроме С, Н, О, относятся к минеральным. Углерод, водород и кислород поступают в растения преимущественно в виде СО₂, О₂ и Н₂О. Необходимость натрия, кремния и кобальта не для всех растений установлена.

Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Углерода содержится в среднем 45 % от сухой массы тканей растений, кислорода —42, водорода — 6,5, азота — 1,5 %. Их сумма составляет 95 %. Оставшиеся 5 % приходятся на зольные элементы: Р, S, К, Са, Мg, Fе, Si, Na и др. Они называются так потому, что преобладают в золе растений.

Химический состав золы является показателем валового количества усвоенных растениями из почвы зольных элементов питания. Их выражают в оксидах или в элементах по отношению к массе сухого вещества, или к массе золы в процентах.

Валовой химический состав растений значительно отличается от валового состава почвы вследствие избирательности растений к поглощению отдельных элементов для формирования урожая. В растениях всегда больше азота, фосфора и калия. В естественных биоценозах питательные элементы, усвоенные растениями и другими живыми организмами, снова возвращаются в почву после их отмирания и перегнивания, поэтому, как правило, обеднения почвы питательными элементами не происходит. Устанавливается их относительное природное равновесие, характерное для разных типов почв. На пахотных же землях после уборки урожая в почву возвращается только часть поглощенных растениями минеральных элементов. Кроме азота и зольных элементов, называемых в агрономической практике макроэлементами, в составе растений присутствуют микроэлементы, содержание которых составляет приблизительно 0,001 % сухой массы тканей (В, Сu, Со, Zn, Мо и др.). Они играют очень важную роль в обмене веществ растительного организма.

В агрономических целях для характеристики условий питания растений определяют валовое содержание элементов в почве, ближайший для растений резерв доступных элементов и количество непосредственно усвояемых элементов из почвы. Обеспеченность почв усвояемыми питательными элементами может быть выражена по отношению к разным сельскохозяйственным культурам в связи с тем, что они поглощают неодинаковое их количество. По этому признаку сельскохозяйственные культуры делят на три группы.

1. Культуры невысокого выноса питательных элементов (зерновые).

II. Культуры повышенного выноса (кормовые культуры, картофель).

III. Культуры большого выноса (овощные, некоторые технические культуры, чайный куст, цитрусовые, виноград).

Азот и зольные элементы растения поглощают преимущественно в виде ионов из почвенного раствора и твердой фазы почв (Са, К, А1, Fe, НРО₄, С1, SО₄ и др.). Питательные вещества растения извлекают избирательно из почвенного раствора физико-химической адсорбцией их на внешней поверхности корней или в результате контактного ионного обмена с твердой фазой почв.

Валовое количество азота в почвах составляет 0,1—0,5 % (от 2 до 10 т/га в пахотном слое 0—20 см). В почвообразующих породах азота почти нет. Почвенный азот находится в основном в составе органического вещества — гумуса (часть его процентного содержания). Этот азот растениям недоступен. Однако в течение теплого времени года часть гумуса (1—2 % его содержания) разлагается микроорганизмами и азот высвобождается в доступной для растений форме.

Основную роль в азотном питании растений играют минеральные формы азота: окисленная (NO₃ и восстановленная (NH₄). Минерального азота содержится в среднем от 50 кг/га в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв, до 100 кг/га и более — в черноземах, что составляет 0,5—1 % валового количества азота в почвах. За вегетационный период растениями усваивается около 40 % минерального азота.

Аммонийный азот образуется в почвах в результате жизнедеятельности аммонифицирующих гетеротрофных микроорганизмов, превращающих органический азот растительных и животных остатков, а также азот гумуса в NH_4.

Образование нитратного азота в почвах обязано биологическому окислению NH₃ (NН₄) до NO₃ в результате микробиологического процесса нитрификации, осуществляемого двумя группами автотрофных бактерий. Бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты, а — азотистую кислоту до азотной.

В лесных почвах процесс нитрификации подавлен; в них преобладает аммонийный азот. При распашке лесных почв процесс нитрификации активизируется, количество нитратного азота в пахотных почвах, как правило, преобладает над аммонийным. Содержание нитратного азота в пахотных почвах зависит от типа почв, степени их окультуренности и состава глинных минералов. Наиболее полное представление о содержании минерального азота в почвах перед посевом дает сумма всех трех групп азота нитратного и аммонийного в слое 0—100 см в западных районах России, 0—60 см — в восточных районах европейской части России и 0—40 см — в Средней Сибири, так как в слоях этой мощности наблюдается большей частью миграция нитратов в суглинистых почвах. Из этих слоев наиболее вероятно также усвоение минерального азота корнями растений.

Фосфор является «дефицитным» элементом, так как в мире запасы фосфатного сырья (апатитов и фосфоритов) для производства фосфорных удобрений невелики. Наряду с этим содержание валового фосфора (Р₂О₅) в почвах низкое — 0,05—0,25 % (от 1 до 5 т/га в пахотном слое 0—20 см). Основное его количество растениям труднодоступно, а фосфор удобрений сильнее, чем азот и калий, закрепляется почвами в неподвижные формы. Естественных путей возобновления запасов фосфора в отличие от азота в почвах нет.

Содержание разных форм соединений фосфора в почвах, их количество зависит от типа почв, минералогического и гранулометрического составов, содержания гумуса, изменяется по генетическим горизонтам и в динамике. Часть фосфора содержится в твердой фазе почв в адсорбированном состоянии, в почвенных растворах (0,1—0,3 мг/л) в виде фосфат-ионов (в основном Н₂PO₄) и которые входят в состав групп фосфатов, наиболее доступных растениям.

Валового калия (К в почвах больше, чем азота и фосфора, вместе взятых, — 1,5—2,5 % (30—50 т/га в пахотном слое), что зависит от минералогического, гранулометрического составов и содержания гумуса. Основное количество калия находится в трудно доступных для питания растения формах. Главным источником усвояемого калия служат обменно-поглощенные и водорастворимосолевые его формы. Обменный калий составляет 0,5—1,5 % валового. В почвенных растворах Нечерноземной зоны России содержится 30—40 мг/л калия (К₂О). Количество обменного калия изменяется по генетическим горизонтам почв. Растения усваивают 10—20 % калия от его обменных форм.

Микроэлементы (бор, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, йод и др.) играют важную биохимическую и физиологическую роль в жизни растений, а также животных и человека. Неблагоприятным является как недостаток микроэлементов в питании, так и их избыток.

Недостаток в кормах кобальта вызывает беломышечную болезнь у овец, недостаток йода в пище человека — заболевание щитовидной железы, цинка — кожные заболевания. Недостаток в почве подвижного бора приводит к сердцевинной гнили корнеплода сахарной свеклы, а у капусты — к рыхлости кочана, недостаток меди — к недоразвитию метелки у овса и пустозерности. Высокая концентрация в почве меди и низкая — цинка способствует заболеванию яблони розеточностью. Избыток в пище человека молибдена приводит к развитию подагры, бора в кормах — к пневмонии и нервным расстройствам овец, бора в почвах — к побурению листьев люцерны.

Известна приуроченность микроэлементов к первичным минералам: Со, Zn — к авгиту, биотиту, ильмениту, роговой обманке; Сu — к биотиту, апатиту, гранату, авгиту, полевым шпатам; В — к турмалину и т. д.

В географическом плане содержание микроэлементов в почвах и материнских породах европейской территории России в целом повышается в южном направлении от зоны подзолистых почв к каштановым. В Нечерноземной зоне отмечается повышение количеств меди, кобальта и марганца от центральных областей к Уралу.

В почве содержатся также токсичные для растений элементы: хлор, натрий, марганец, алюминий. Повышенное их содержание делает почву засоленной. В небольших количествах в почве представлены радиоактивные элементы, обуславливающие её природную и искусственную радиоактивность. Природная радиоактивность почвы зависит от содержания в ней урана, тория, радия и др. Искусственная радиоактивность вызвана использованием человеком атомной энергии, средств химической защиты и пр.

Контрольные вопросы:

1. Какие первичные минералы широко распространены в почвах?

2. Какие минералы называются вторичными и какова их роль в почвообразовании?

3. Что называется гранулометрическим составом?

4. Какое влияние оказывает гранулометрический состав на почвообразование?

5. Назовите принципы классификации почв по гранулометрическому составу.

6. В чём обнаруживается сходство и различие почв и пород по химическому составу?

7. Какие элементы преобладают в почвах?

8. Как влияет химический состав почв и пород на почвообразование?

9. Чем вызывается естественная и искусственная радиоактивность почв?

10. Назовите токсичные для растений элементы, содержащиеся в почве.