Экология микроорганизмов, свойства почвы, растения – Состав и свойства почвы

Состав и свойства почвы

Почва состоит из минеральной и органической частей, которые находятся в твёрдом, жидком, газообразном состоянии и биологической составляющей, которая оказывает активное влияние на ее качество. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах, но и в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних ее горизонтов к нижним и увеличение интенсивности преобразования компонентов материнской породы от нижних горизонтов к верхним, на рисунке 5 видно изменение этих параметров, проявляющееся в изменении окраски и других характеристик горизонтов.

Совокупности процессов формирования определённых почвенных горизонтов получили наименование элементарных почвенных процессов:

– образование степного войлока, лесной подстилки, торфа (накопление органических остатков на поверхности почвы.);

– гумусово-аккумулятивный процесс (накопление органо-минеральных соединений и зольных элементов в верхних горизонтах);

– засоление почвы (передвижение солей в растворённом состоянии с последующим выпадением из раствора);

– рассоление (вынос растворённых солей в нижние горизонты или за пределы почвы.);

– оглинивание, т. е. превращение первичных минералов во вторичные глинистые минералы (разложение первичных минералов и синтез вторичных);

– иллювиальные процессы (растворение различных веществ в верхних горизонтах почвы, перемещение растворов в более глубокие горизонты с осаждением некоторых веществ и их аккумуляцией);

– лессиваж – передвижение под влиянием силы тяжести мельчайших твёрдых частиц в составе суспензии;

– оглеение (восстановление элементов с переменной валентностью, в первую очередь железа и марганца, и связанное с этим обесструктуривание почвенной массы);

– осолонцевание, осолодение, оподзоливание, ожелезнение, ферралитизация, педокриогенез и др.

Рисунок 5 – Горизонты почвы

В твёрдой части преобладают минеральные вещества. В состав твёрдой части также входит органическое вещество – 80-90% которого представлена гумусом,а также соединениями растительного, животного и микробного происхождения, содержащими клетчатку, лигнин, белки, сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и т.п. и промежуточные продукты их разложения.

При разложении органических веществ в почве, содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. В естественных условиях они являются основным источником азотного питания растительных организмов. Многие органические вещества участвуют в создании органо-минеральных структурных отдельностей (комочков). Возникающая т. о. структура почвы во многом определяет её физические свойства, а также водный, воздушный и тепловой режимы. Органо-минеральные соединения представлены солями, глинисто-гумусовыми комплексами, комплексными и внутрикомплексными (хелаты) соединениями гумусовых кислот с рядом элементов (в их числе Al и Fe). Именно в этих формах последние перемещаются в почве.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли и др.) и представителей многих групп беспозвоночных животных – простейших, червей, моллюсков, насекомых и их личинок, роющих позвоночных и др.Активная роль живых организмов в формировании почвы. определяет принадлежность её к биокосным природным телам – важнейшим компонентам биосферы.

В зависимости от соотношения физической глины (частиц мельче 0,01 мм) и физического песка (крупнее 0,01 мм) почву по гранулометрическому составу разделяют на группы (разновидности): песок рыхлый и связный, супесь, суглинок лёгкий и средний, глина лёгкая, средняя и тяжёлая. Более подробное деление проводят по преобладанию среди частиц гравия, песка, крупной пыли, пыли и ила.

Твёрдые частицы в естественном залегании заполняют не весь объём почвенной массы, а лишь некоторую его часть; другую часть составляют поры – промежутки различного размера и формы между частицами и их агрегатами. Суммарный объём пор называется пористостью почвы. Для большинства минеральных почв эта величина варьирует в пределах от 40 до 60%. В органогенных (торфяных) почвах она возрастает до 90%, в заболоченных, оглеенных, минеральных – уменьшается до 27%.

От пористости зависят водные свойства почвы (водопроницаемость, водоподъёмная способность, влагоёмкость) и плотность почвы. Пористость почвы играет важную роль для жизнедеятельности микроорганизмов. Развитая поверхность способствует увеличению точек их прикрепления, притоку субстрата, необходимого для жизнедеятельности и оттоку продуктов жизнедеятельности.

В порах находятся почвенный раствор и почвенный воздух. Соотношение их непрерывно меняется вследствие поступления в почву атмосферных осадков, иногда оросительных и грунтовых вод, а также расхода влаги – почвенного стока, испарения, десукции (отсасывание корнями растений). Освобождающееся от воды поровое пространство заполняется воздухом. Этими явлениями определяется воздушный и водный режимы почвы.

Чем больше поры заполнены влагой, тем труднее газовый обмен (особенно О₂ и СО₂) между почвой и атмосферой, тем медленнее протекают в почвенной массе процессы окисления и быстрее – процессы восстановления. В порах также обитают почвенные микроорганизмы. Плотность почвы (или объёмная масса) в ненарушенном сложении определяется пористостью и средней плотностью твёрдой фазы. Плотность минеральных почв от 1 до 1, 6 г/см³, реже 1,8 г/см³, заболоченных оглеенных – до 2 г/см³, торфяных – 0,1- 0,2 г/см².

С дисперсностью сопряжена большая суммарная поверхность твёрдых частиц: 3-5 м²/г у песчаных почв, 30-150 м²/г у супесчаных и суглинистых, до 300-400 м²/г у глинистых. Благодаря этому почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фракции, обладают поверхностной энергией, которая проявляется в поглотительной способности почвы.

Минералогический состав твёрдой части почвы во многом определяет её плодородие. Органических частиц (растительные остатки) содержится немного, и только торфяные почвы почти полностью состоят из них. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, К, N, Mg, Ca, Р, S; значительно меньше содержится микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, и др.

Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно увлажняемых территорий, содержится существенное количество CaCO₃ (особенно если они образовались на карбонатной породе), в почвах засушливых областей – CaSO₄и другие более растворимые соли. Почвы влажных тропических областей обогащены Fe и Al. Однако реализация этих общих закономерностей зависит от состава почвообразующих пород, возраста почв, особенностей рельефа, климата и т.д. Например, на основных изверженных породах формируются почвы более богатые Al, Fe, щёлочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава – Si. Во влажных тропиках на молодых корах выветривания почвы значительно беднее окислами железа и алюминия, чем на более древних, и по содержанию сходны с почвами умеренных широт.

На крутых склонах, где эрозионные процессы весьма активны, состав твёрдой части почвы незначительно отличается от состава почвообразующих пород. В засоленных почвах содержится много хлоридов и сульфатов (реже нитратов и бикарбонатов) кальция, магния, натрия, что связано с исходной засоленностью материнской породы, с поступлением этих солей из грунтовых вод или в результате почвообразования.

В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество, основная (80 – 90%) часть которого представлена сложным комплексом из гумусовых веществ, или гумуса.Органическое вещество состоит также из соединений растительного, животного и микробного происхождения, содержащих клетчатку, лигнин, белки, сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и промежуточные продукты их разложения

Жидкая часть почвы, почвенный раствор, – активный компонент почвы, осуществляющий перенос веществ внутри неё, вынос из почвы и снабжение растений водой и растворёнными элементами питания. Обычно содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию.

Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N₂, O₂, CO₂, летучие органические соединения и другие газообразные вещества, не постоянны и определяются характером множества протекающих в почве химических, биохимических, биологических процессов. Например, количество CO₂ в почвенном воздухе существенно меняется в годовом и суточном циклах вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями растений. Газообмен между почвенным воздухом и атмосферой происходит преимущественно в результате диффузии CO₂ из почвы в атмосферу и O₂из атмосферы в почву.

В процессе почвообразования материнская порода расчленяется на почвенные горизонты, которые образуют почвенный профиль. В поверхностных горизонтах накапливаются органическое вещество, азот и фосфор, обменные соединения алюминия, кальция, магния, калия, натрия; во многих случаях происходит потеря силикатных соединений (за исключением кремнезёма в форме кварца).

Под влиянием факторов почвообразования в почве протекают разнообразные процессы, которые можно объединить в следующие основные группы:

– обмен веществами и энергией между почвой и др. природными телами;

– процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;

– процессы передвижения веществ и энергии в почве.

К первой группе относят:

– многосторонний обмен газами, влагой и твёрдыми частицами в системе атмосфера – почва – растительность (надземные органы);

– двусторонний обмен газами и влагой с растворёнными в ней веществами в системе почва – грунт (породы, залегающие под почвой, включая почвообразующую и подстилающую);

– обмен коротко- и длинноволновой радиацией в системе солнце – растительность – почва – атмосфера – космическое пространство;

– многосторонний обмен тепловой энергией в системе атмосфера – растительность – почва – грунт;

– двусторонний обмен зольными веществами, соединениями азота, CO₂ и O₂в системе почва – высшая растительность;

– преимущественно одностороннее поступление влаги из почвы в растения (через корни);

– одностороннее поступление в почву органического вещества, синтезированного высшими растениями, несущего в себе аккумулированную энергию.

Вторая группа включает огромное количество весьма разнообразных процессов: разложение органических соединений и синтез гумусовых веществ; синтез и распад микробной плазмы;

– образование и распад органо-минеральных соединений, т. е. процессы, связанные с круговоротом углерода (разложение углеводов, дубильных веществ, лигнина и др.);

– процессы, связанные с круговоротом азота, – аммонификация,нитрификация и денитрификация, фиксация атмосферного азота;

– разложение и превращение первичных и вторичных минералов и синтез вторичных;

– окисление и восстановление, особенно железа и марганца;

– замерзание и оттаивание почвенной влаги, её внутрипочвенное испарение, конденсация и т.д.

Третья группа:

– передвижение почвенного воздуха под влиянием меняющихся давления и температуры;

– диффузное передвижение газов и водяного пара, передвижение почвенного раствора под действием силы тяжести, капиллярных, сорбционных и осмотических сил;

– передвижение почвенной массы роющими животными, под влиянием давления корней и др.

Почвенные процессы протекают в тесной взаимосвязи и взаимозависимости, охватывая всю почвенную толщу или сосредоточиваясь в отдельных частях. Они имеют циклический характер, сопряжённый с периодичностью и интенсивностью поступления на поверхность почвы радиационной энергии (суточные, годовые и многолетние циклы) и с биологической цикличностью живых организмов. Цикличность процессов не означает полного возврата почвы в исходное состояние. В результате процессов, происходящих в почвенной массе с самого начала формирования определяется её становление, развитие и эволюция. Существо процессов, их интенсивность в разных горизонтах почвы неодинакова, большое влияние на них оказывает удаленность от поверхности. Почва, как открытая система, связана также с другими природными системами (атмосферой, грунтом, живыми организмами) взаимным и многосторонним обменом веществ.

Совокупность процессов формирования определённых почвенных горизонтов получили наименование элементарных почвенных процессов:

– образование степного войлока, лесной подстилки, торфа (накопление органических остатков на поверхности почвы);

– гумусово-аккумулятивный процесс (накопление органо-минеральных соединений и зольных элементов в верхних горизонтах);

– засоление почвы (передвижение солей в растворённом состоянии с последующим выпадением из раствора);

– расселение (вынос растворённых солей в нижние горизонты или за пределы почвы);

– оглинивание, т. е. превращение первичных минералов во вторичные глинистые минералы (разложение первичных минералов и синтез вторичных);

– иллювиальные процессы (растворение различных веществ в верхних горизонтах почвы, перемещение растворов в более глубокие горизонты с осаждением некоторых веществ и их аккумуляцией);

– лессиваж – передвижение под влиянием силы тяжести мельчайших твёрдых частиц в составе суспензии;

– оглеение (восстановление элементов с переменной валентностью, в первую очередь железа и марганца, и связанное с этим обесструктуривание почвенной массы), осолонцевание, осолодение, оподзоливание, ожелезнение, ферралитизация, педокриогенез и др.