Текст книги "Почвенные ресурсы"

В полевых условиях изучают и определяют почвы и дают им названия по морфологическим признакам. По морфологическим (внешним) признакам почву можно определить так же, как определяется минерал, растение или животное.

Типы почвенных разрезов

Для изучения и определения почв в природе, установления границ между различными почвами, взятия образцов для анализов закладывают специальные ямы, которые принято называть почвенными разрезами. Они бывают трех типов: полные (основные) разрезы, полуямы (контрольные), прикопки (поверхностные).

Полные, или основные, разрезы делают с таким расчетом, чтобы были видны все почвенные горизонты и частично верхняя часть неизмененной или малоизмененной материнской породы. Их закладывают в наиболее типичных, характерных местах. Они служат для детального изучения морфолого-генетических признаков почв и отбора образцов по генетическим горизонтам для физико-химических, биологических и других анализов, определения окраски, структуры и т. д. Глубина основных почвенных разрезов сильно варьирует в зависимости от мощности почв и целей исследований. Обычно в практике полевых почвенных исследований и картирования почв почвенные разрезы закладывают на глубину 1,5–2 м.

Полуямы, или контрольные разрезы, закладывают на меньшую глубину – от 75 до 125 см, обычно до начала материнской породы. Они служат для дополнительного (контрольного) изучения основной части почвенного профиля – мощности гумусовых и других горизонтов, глубины вскипания и залегания солей, степени выщелоченности, оподзоленности, солонцевато сти, солончаковости и др.

Прикопки, или мелкие поверхностные разрезы, глубиной менее 75 см служат главным образом для уточнения почвенных границ, выявленных полными разрезами и полуямами.

Заложение почвенных разрезов

Разрез необходимо закладывать в наиболее характерном, типичном месте обследуемой территории. Почвенные разрезы не должны закладываться вблизи дорог, рядом с канавами, свалками, отстойниками на нетипичных для данной территории элементах микрорельефа (понижения, кочки).

На выбранном для почвенного разреза месте копают яму размером 0,8x1,5x2,0 м так, чтобы три стенки ее были отвесны, т. е. вертикальны, а четвертая – со ступеньками. Передняя «лицевая» стенка, которая предназначается для изучения почвенного разреза, должна быть обращена к солнцу. Почву из ямы необходимо выбрасывать на длинные боковые стороны, но ни в коем случае не в сторону «лицевой» стенки, так как это приводит к ее «загрязнению» и даже к разрушению верхней части стенки почвенного разреза. Когда яма готова, необходимо, в первую очередь, определить характер почвообразующей породы, ее гранулометрический состав, засоление, степень увлажнения и взять образец материнской породы для последующего изучения или анализа, так как в дальнейшем при препарировании нижняя часть «лицевой» стенки и дно ямы будут засорены осыпающейся почвенной массой из верхних горизонтов. После этого «лицевую» стенку гладко очищают лопатой и одну (правую) половину стенки препарируют стамеской или маленькой лопаткой для того, чтобы лучше рассмотреть морфолого-генетические признаки почв, а вторую (левую) половину стенки оставляют в гладко зачищенном виде для сравнения и контроля. Затем необходимо приступить к изучению морфолого-генетических признаков почв и описанию почвенного разреза.

Описание почвенных разрезов

По морфологическим признакам можно «читать» историю развития почв, выяснить ее генезис и до некоторой степени установить агрономическую ценность почв. Поэтому при изучении почв в поле и морфологическом описании почвенного разреза очень важно правильно «прочитать» почвенный разрез.

Техника и последовательность работ при изучении и описании почвенного разреза и ведении дневника следующие.

1. Записать номер, дату и географическое положение разреза, отметить характер рельефа, точно указать, на каком элементе рельефа сделан разрез, описать угодье и его состояние; растительность (состав, густота и состояние); состояние поверхности (заболоченность, кочковатость, трещиноватость, засоленность, каменистость и другие характерные особенности); дать агрономическую оценку почв с учетом данных о сельскохозяйственной ценности почвы; отметить материнские и подстилающие породы и глубину грунтовых вод, если они обнаружены; определить местоположение разреза и его привязку Ознакомление с рельефом, растительностью, ее состоянием и другими характерными особенностями участка, на котором сделан разрез, проводится в тот промежуток времени, который необходим для копки предназначенного к изучению разреза.

2. Определить глубину и характер вскипания почвы от 10 % раствора соляной кислоты. Для этого на свежепрепарирован-ной «лицевой» стенке разреза закрепляют клеенчатый сантиметр так, чтобы нуль совпал с поверхностью почвы, и последовательно сверху донизу капают на почву соляную кислоту, которая при наличии карбонатов кальция дает «вскипание» различной интенсивности (слабое, среднее, сильное или бурное). В той части стенки, где определялась глубина и характер вскипания от соляной кислоты, образцы почв для анализа брать нельзя.

3. Определить мощность каждого горизонта и подгоризонта почв с последующим подробным изучением их морфологогенетических признаков: гранулометрического состава, физических свойств и других особенностей (окраска, структура, влажность, плотность, скважность, новообразования, включения, корневая система, характер перехода одного горизонта в другой).

4. В некоторых случаях для более полной характеристики почв (засоленные, переувлажненные и др.) произвести простые химические анализы (определение pH, хлористых и сернокислых солей, наличия железа, соды и др.); определить физические свойства (влажность, плотность и др.), не требующие сложного оборудования.

5. Дать полевое определение почвы, установить ее ценность. В названии почв необходимо отразить тип, подтип, вид, разновидность и материнскую породу, например: чернозем обыкновенный среднемощный тяжело суглинистый на лёссах. Наметить примерные границы ее распространения на изучаемой территории и, наконец, взять почвенные образцы для анализов, а при необходимости и монолит. Почвенный разрез после его изучения, описания и взятия образцов должен быть зарыт.

Глава 2
Гранулометрический и минералогический состав почв

Твердая фаза почвы состоит из механических элементов различного происхождения. Механические элементы – это разнообразные по величине обломки минералов и горных пород, органические вещества и органо-минеральные соединения. Кристаллы льда и живое вещество к механическим элементам не относятся.

Механические элементы неодинаковы по размеру. В Беларуси, как и в России, принята классификация, разработанная Н.А. Качинским.

Почвы с содержанием скелетных механических элементов называют каменистыми. Они могут быть валунными, галечниковыми и щебнистыми. Классифицируются почвы по степени каменистости следующим образом.

Гранулометрический состав – содержание в мелкоземе почвы механических элементов (фракций) различной крупности. Почвы классифицируются но гранулометрическому составу в зависимости от содержания физического песка (частицы крупнее 0,01 мм) или физической глины (частицы менее 0,01 мм) (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Классификация почв по гранулометрическому составу

В бытовой терминологии различают почвы глинистые, песчаные, суглинистые (глина, песок, суглинок). В научно-практических специальных исследованиях для более детального разделения почв по гранулометрическому составу используется содержание преобладающих фракций: песка (1–0,25 мм), пыли (0,25-0,001 мм) и ила (менее 0,001 мм). Исходя из этого могут выделяться черноземы среднеглинистые иловато-пылеватые или каштановые почвы суглинистые иловато-песчаные (иловато-пылеватые, пылеватые и т. п.). Детализированная классификация почв по гранулометрическому составу применяется редко.

Гранулометрический состав – важнейшая характеристика почвы. От нее зависят очень многие свойства почвы и плодородие. Гранулометрический состав оказывает существенное влияние на водно-физические, физико-механические, воздушные, тепловые свойства, окислительно-восстановительные условия, поглотительную способность, накопление в почве гумуса, зольных элементов и азота.

Размеры частиц отражают различия гранулометрических фракций, свойства которых напрямую зависят от удельной поверхности частиц и их химического и минералогического состава.

Песчаная фракция (1–0,25 мм) состоит из обломков разных горных пород и минералов, среди которых чаще всего преобладают кварц и полевые шпаты. Пески имеют очень высокую водопроницаемость, свободно фильтруют воду, не набухают, непластичны. Эти их свойства повсеместно используются при заполнении различных выемок, например канав и траншей, где недопустима усадка грунта.

Фракция крупной пыли (0,25-0,01 мм) по минералогическому составу мало отличается от песчаной, поэтому обладает многими свойствами песка: непластична, очень слабо набухает, имеет низкую влагоемкость.

Средняя пыль (0,01-0,005 мм) в своем составе содержит много слюды. Слюды придают фракции некоторую пластичность и связанность. Средняя пыль уже более дисперсна, чем предыдущие крупные фракции. Например, 1 г частиц этой фракции имеет удельную поверхность около 2000 см². Поэтому средняя пыль лучше удерживает влагу и обладает слабой водопроницаемостью. Характерна неспособность частиц к коагуляции и структурообразованию. Почвы, в которых преобладает фракция средней пыли, легко распыляются, склонны к уплотнению и образованию сплошной корки.

Тонкая пыль (0,005-0,001 мм) характеризуется относительно высокой дисперсностью. Кусочки горных пород отсутствуют, характерно наличие минералов как первичных, так и вторичных. Заметно резкое уменьшение количества кварца. Появляются свойства, не присущие крупным фракциям: способность к коагуляции и структурообразованию. Фракция тонкой пыли уже может содержать органические вещества. В неструктурных почвах присутствие этой фракции способствует развитию явлений набухания, усадки, низкой водопроницаемости, липкости, трещиноватости, плотного сложения.

Ил (< 0,001 мм) состоит преимущественно из вторичных глинистых минералов, гумусовых и органо-минеральных веществ. Все коллоиды почвы входят в состав этой фракции. Илистые частицы обладают громадной поверхностной энергией, так 1 г частиц имеет удельную поверхность около 20 000 см². Илистую фракцию называют плазмой почвы. Это главный участник практически всех происходящих в почве процессов. Содержание ила предопределяет многие генетические характеристики почвы. Связь с илом характерна для запасов гумуса, поглощенных оснований, глубины появления карбонатов. В илистой фракции почв сосредоточен почти весь гумус. Здесь главным образом сконцентрированы азот и фосфор, а также многие жизненно необходимые для растений элементы. От количества ила, содержащегося в почвах, и его способности к агрегированию во многом зависят физические свойства почв, их влагоемкость и структурное состояние, водопроницаемость. Ил – главный поглотитель, абсорбент многих тонкодисперсных веществ, в том числе и загрязнителей окружающей среды, различных катионов, включая как элементы-биофилы, так и тяжелые металлы и радиоактивные элементы. Физические и водно-физические свойства фракции ила зависят от состояния дисперсности частиц. Скоагулированные оструктуренные частицы ила придают почвам в высшей степени экологически оптимальные условия влаго– и воздухообеспеченности биологических объектов. Наоборот, бесструктурный дезагрегированный ил превращается в твердую сплошную массу, где нет места ни свободному воздуху, ни доступной живым организмам влаги. Это сплошная, вязкая, липкая, набухающая при увлажнении и сильно растрескивающаяся при высыхании глинистая масса.

Таким образом, гранулометрический состав играет существенную роль при регулировании водного режима почв и проведении оросительных и осушительных мелиораций. Велико его влияние на скорость просыхания почв, он определяет различное сопротивление почв воздействию почвообрабатывающих орудий в связи с неодинаковой липкостью и плотностью песчаных и глинистых почв. Песчаные и супесчаные почвы легко поддаются обработке и называются легкими, а тяжело суглинистые и глинистые почвы – тяжелыми. Существенную роль играет гранулометрический состав в тепловых свойствах почв: легкие почвы относятся к более «теплым», т. е. быстрее оттаивают и прогреваются. Тяжелые почвы считаются «холодными». Это имеет большое значение на северной границе распространения земледелия. Гранулометрический состав почв часто определяет ландшафтный облик громадных территорий в различных природных зонах земли: глинистые такыры и песчаные барханы в пустынях, сосновые боры на песках таежного пояса и т. д.

Высокая значимость гранулометрического состава в почвообразовании и в плодородии почв определяет постоянное внимание к его изучению как ученых, так и практиков сельского хозяйства. Это важнейшее условие среды обитания растений. Его экологическая значимость прежде всего определяется тем, что с гранулометрическим составом связаны богатство или бедность почв. Обычно чем легче гранулометрический состав, тем меньше в почвах гумуса и элементов питания растений. По мере возрастания количества илистых частиц увеличивается и потенциальное плодородие, которое зависит не только от богатства почвы, но и от ее физического состояния. Например, очень тяжелые глинистые почвы хотя и могут содержать много гумуса и элементов питания, но снижают свое плодородие из-за ухудшения физических свойств.

Не все растения одинаково реагируют на гранулометрический состав почв. Несмотря на большую экологическую приспособленность к почвам различного гранулометрического состава, есть определенный оптимум для каждой группы культур, и это необходимо учитывать при разработке мероприятий по рациональному использованию земель. Например, черешня и картофель неплохо плодоносят на тяжелосуглинистых черноземах. Однако наибольшая урожайность, лучшее развитие наблюдается на супесчаных и легкосуглинистых почвах. Есть целая группа растений-псаммофитов, предпочитающих песчаные местообитания: житняк сибирский, кумарчик песчаный, саксаул, овес песчаный, сосна и др. Многие растения, такие как кукуруза, слива, вишня, ель, дуб и другие, не выносят песчаных почв.

Минеральная часть почв в подавляющем большинстве случаев составляет 55–60 % от ее объема и до 90–97 % от массы. Общее число минералов, находящихся в почвах и почвообразующих породах, исчисляется сотнями. Каждый минерал обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него внутреннее строение, т. е. определенное расположение атомов в кристаллической решетке. Минералы почв и почвообразующих пород изучает особый раздел почвоведения – минералогия почв.

Все минералы почв и почвообразующих пород делятся на следующие группы.

1. Первичные минералы, оставшиеся неизмененными после разрушения массивно-кристаллических пород литосферы Земли.

2. Вторичные глинистые минералы и окислы, образовавшиеся главным образом в результате комплекса процессов выветривания и почвообразования из первичных минералов и продуктов их разрушения.

Первичные минералы почв

Первичные минералы – основная группа веществ почвы и коры выветривания, являющихся исходным материалом для образования тонкодисперсных вторичных минералов. Эта потенциальная часть почвы неустойчива в условиях зоны гипергенеза.

Первичные минералы почти целиком сосредоточены в гранулометрических фракциях размером более 0,001 мм. Это определяется исходными размерами минеральных зерен в плотных породах, а также максимальными пределами их дробления при механических и температурных воздействиях.

В почвах и почвообразующих породах наиболее распространены следующие группы первичных минералов.

Полевые шпаты (алюмосиликаты) – большая группа широко распространенных и относительно устойчивых к выветриванию минералов. Они составляют около 60 % от массы земной коры, а в почвах их около 10–15 %. Типичные представители полевых шпатов: ортоклаз – KAlSi₃O₈, альбит – NaAlSi₃O₈, анортит – CaAlSi₂O₈ и плагиоклазы как изоморфные смеси альбита и анортита.

Силикаты в литосфере содержатся в количестве около 20 %: оливин – (Mg,Fe)SiO₄, авгит – Ca(Mg,Fe)Si₂0₆, роговая обманка – MgSiO₃ и др.

Кварц (SiO₂) – один их наиболее распространенных минералов многих магматических пород, осадочных отложений и почв. Преобладание кварцевых минералов в почвах обусловливает их низкое плодородие.

Слюды (3 % от общего объема пород) являются важнейшими источниками питания растений калием, так как разрушаются сравнительно быстро. В числе слюд отмечаются мусковит – KH₂Al₃(SiO₄)₃ и биотит – KH₂(Mg, Fe)₃Al(SiO₄)₃.

Апатит – очень прочный минерал изверженных пород, в состав которого входят фосфор, кальций, фтор, хлор -3Ca₃P₂O₈ Ca(F,Cl)₂. Апатит – главнейший первоисточник фосфора в биосфере.

Преобразование первичных минералов в почвах и коре выветривания сопровождается образованием различных растворов, золей и гелей кремнезема, силикатов, окислов железа, алюминия, а также формированием вторичных глинистых алюмосиликатов, поступлением в почвенные растворы простых солей.

Вторичные минералы почв

К вторичным минералам относятся глинистые минералы, минералы оксидов кремния, железа, алюминия и марганца, а также минералы простых солей.

Глинистые минералы составляют основную часть вторичных минералов. Названы они так в связи с тем, что преимущественно определяют минералогический состав глин. Важнейшая роль глинистых минералов состоит в том, что в силу присущей им поглотительной способности они определяют емкость поглощения почв и наряду с гумусом являются основным источником поступления минеральных элементов в растения.

Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами с общей химической формулой nSiO₂Al₂O₃ · EmH₂O и характерным молярным отношением SiO₂: Al₂O₃, изменяющимся в пределах от 2 до 5.

Глинистые минералы образуются путем постепенного изменения первичных минералов в процессе выветривания и почвообразования, а также биогенным путем из продуктов минерализации растительных остатков.

К наиболее распространенным глинистым минералам относятся минералы групп монтмориллонита, каолинита, гидрослюд, хлоритов, смешанослойных минералов.

Глинистым минералам присущи общие свойства: слоистое кристаллическое строение, высокая дисперсность, поглотительная способность, наличие в них химически связанной воды. Однако каждая группа минералов имеет специфические свойства и значение в плодородии. Велика их роль в создании физических свойств, структуры и порозности почвы, водопроницаемости и влагоемкости.

Монтмориллонит, бейделит, нонтронит – группа трехслойных минералов с набухающей решеткой. Монтмориллонит и бейделит встречаются в почве самостоятельно и в смешанослойных образованиях с гидрослюдами, хлоритами, вермикулитами. Нонтронит по химическому составу отличается повышенным содержанием железа. Монтмориллонит и бейделит весьма сходны. Различия в том, что в бейделите часть кремния замещена на алюминий, поэтому соотношение SiO₂: Al₂O₃ равно трем вместо четырех в монтмориллоните. Соотношение групп атомов в минералах: монтмориллонит – (Al, Mg)₂(OH)₂ [Si₄O₁₀] nН₂O; бейделит – (К, Na, Н₃O)Al₂(OН)₂ [Al Si₃O₁₀] х nН₂O; нонтронит – Fe₂(OH)₂ [Si₄O₁₀] • nН₂O.

Между пакетами трехслойной структуры монтмориллони-товых минералов находятся молекулы воды и обменные катионы, определяющие особенности отдельных минералов группы. Межпакетные расстояния могут изменяться. В связи с этим для монтмориллонита характерно сильное набухание с увеличением объема в 1,5–3 раза и связанная с этим жирность, липкость, вязкость, высокая пластичность и гигроскопичность. Цвет монтмориллонита белый с сероватым, буроватым, красноватым оттенками и зеленый. Нонтронит – зеленовато-желтый, зеленоватый, буровато-зеленый.

Отличительная черта монтмориллонитовых минералов – высокая поглотительная способность в отношении обменных катионов и в отношении загрязняющих веществ. Средние величины катионного обмена – 80-120 м-экв. на 100 г. С гуминомыми кислотами монтмориллонит образует прочные темно-окрашенные (серые и черные) комплексы.

Вермикулиты по химическому составу близки к магниевым алюмосиликатам. Вермикулит – (Mg, Fe⁺², Fe⁺³)₃ (ОН)₂ [(Al, Si)₄O₁₀] nН₂O, нонтронит – Fe₂(OH)₂ [Si₄O₁₀] x nН₂O. По структуре они сходны с монтмориллонитом и гидрослюдами. Цвет минерала бурый, желтовато-бурый, золотисто-желтый; иногда наблюдаются зеленоватые оттенки. Вермикулиты обладают высокой способностью к набуханию. Емкость поглощения катионов около 100 м-экв. на 100 г.

Группа каолинита – каолинит, диккит, накрит – имеет следующее строение: Al₂(OH)₄[Si₂O₅]. Наиболее распространенным является каолинит. Кристаллическая структура этих минералов состоит из двухслойных пакетов. Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, а сплошные массы белые. Каолинит не набухает, так как доступ воды в межпакетное пространство затруднен из-за сильной связи между пакетами. Расстояние между пакетами не изменяется. Каолинит не содержит щелочных и мало содержит щелочноземельных оснований. Дисперсность его высокая, он свободно мигрирует в суспензиях. Емкость поглощения – 10–20 м-экв. на 100 г. Каолинит набухает слабо, имеет небольшую липкость, связность и гидрофильность.

Галлуазит встречается в виде гелеподобных полуматовых масс. Цвет галлуазита белый, часто с желтоватым, красноватым и голубоватым оттенками. По свойствам близок к каолиниту, но более гидратирован и имеет расширяющуюся кристаллическую решетку. Емкость поглощения – 25–30 м-экв. на 100 г.

К группе гидрослюд (иллитов) относятся гидратированные формы слоистых минералов с морфологически чешуйчатым строением: гидробиотит – (К, H₃0)(Mg, Fe)₃ (ОН)₂ [(Al, Si)₄O₁₀] nН₂O; гидромусковит – (К, Н₃О) Al₂ (ОН)₂ [(Al, Si)₄O₁₀] • nН₂O; глауконит – K(Fe⁺³, Al, Fe⁺², Mg)₂ (ОН)₂ [Al, Si₃O₁₀] • nН₂O.

Гидробиотит и гидромусковит золотисто-желтого, серебряного и белого цвета. Глауконит имеет зеленый цвет различных оттенков. Структура гидрослюд подобна монтмориллониту. Они относятся к трехслойным минералам с многочисленными изоморфными замещениями. В отличие от монтмориллонита связь между пакетами прочная, и вода в них не проникает. Гидрослюды – важный источник калия для растений. Обменный калий находится на краях кристаллической решетки. Гидрослюды не набухают. Емкость поглощения – 40 м-экв. на 100 г. Гидрофильность, липкость, связность, набухание значительно меньше, чем у монтмориллонита.

К группе хлоритов относится большое количество минералов, которые по целому ряду свойств близки к слюдам. Кристаллическая решетка хлоритов состоит из четырех слоев. В связи с тем что хлориты представлены слоями различных минералов, их можно отнести к смешанослойным минералам с правильным чередованием слоев. Решетка хлоритов не набухающая, стабильная. Хлориты имеют зеленый цвет различных оттенков.

Минералы гидроокисей и окисей кремния, алюминия, железа, марганца образуются в аморфной форме при выветривании первичных минералов в виде гидратированных высокомолекулярных гелей и постепенно подвергаются дегидратации и кристаллизации с образованием окисей и гидроокисей кристаллической структуры. Кристаллизации способствуют высокая температура, замерзание, высушивание, окислительные условия почвы.

Гидроокись кремния (SiO₂ nН₂O) по мере старения переходит в твердый гель – опал (SiO₂ • nН₂O) с содержанием воды от 2 до 30 %, затем, теряя воду, – в кристаллические формы халцедона и кварца SiO₂. Гидроокись марганца кристаллизуется в виде минерала пиролюзита MnO₂, псиломелана mMnO х MnO₂ • nН₂O.

Гидраты полутораокисей (Al₂O₃ nН₂O, Fe₂O₃ • nН₂O), кристаллизуясь, образуют вторичные минералы: бемит Al₂O₃ х Н₂O; гидроргилит (гиббсит) Al₂O₃ • nН₂O или Al(ОН)₃; гематит Fe₂0₃; гетит Fe₂O₃ • Н₂O; гидрогетит Fe₂O₃ • nН₂O. Эти минералы встречаются в небольших количествах во многих почвах. Гетита и гиббсита много в ферраллитных почвах. Эти минералы могут обволакивать пленками агрегатные скопления глинистых минералов, а также встречаться в виде конкреций. Поглотительной способностью, липкостью, набуханием практически не обладают.

Встречаются в почвах цеолиты. Эта группа своеобразных минералов щелочных и щелочноземельных алюмосиликатов. Цеолиты образуются в условиях различной реакции среды: в пресноводных и соленых озерах, лагунах. При подъеме дна водоема на поверхность цеолиты остаются в почве как унаследованные от породы.

Каркасная решетка цеолитов характеризуется большим количеством пор, полостей и каналов, что определяет их высокую поглотительную способность. Часто цеолиты используются в тепличных хозяйствах.

Минералы простых солей образуются при выветривании первичных минералов, а также в результате почвообразовательного процесса. К таким солям относятся: кальцит СаCO₃; магнезит MgCO₃; доломит [Са, Mg](CO₃)₂; сода Na₂CO₃ х nН₂O; гипс CaSO₄ 2Н₂O; мирабилит Na₂SO₄ • nН₂O; галит NaCl; фосфаты; нитраты и др. Эти минералы способны накапливаться в почвах в больших количествах в условиях сухого климата. Качественный и количественный состав их определяет степень и характер засоления почв.