Студопедия

Главная страница Случайная лекция


Мы поможем в написании ваших работ!

Порталы:

БиологияВойнаГеографияИнформатикаИскусствоИсторияКультураЛингвистикаМатематикаМедицинаОхрана трудаПолитикаПравоПсихологияРелигияТехникаФизикаФилософияЭкономика



Мы поможем в написании ваших работ!




Формы соединений химических элементов в почвах и их доступность растениям

Читайте также:
  1. I. Реформы Павла I в области государственного строительства и права.
  2. II. Организационно-правовые формы страховых компаний.
  3. IV. Формы занятий и методика преподавания
  4. А. Моноформы
  5. Акцептные формы расчетов
  6. Александр 3. Контр-реформы.
  7. Антропометрические методы исследования размеров и формы тела
  8. АТИПИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ТЕЧЕНИЯ БОЛЕЗНИ
  9. Аэродинамические формы скоростного самолета
  10. Б. Полиформы

Химический состав почвы - важный фактор почвенного плодородия, поскольку многие элементы питания растений не входят в состав минеральных удобрений. Хотя в растениях обнаружено более 70 химических элементов, роль большинства из них пока окончательно не установлена. В настоящее время к числу необходимых элементов питания растений относят 20 химических элементов (азот, фосфор, калий, углерод, сера, кальций, магний, натрий, железо, кислород, водород, хлор, медь, цинк, бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий). Еще 12 элементов считают условно необходимыми (кремний, алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан, стронций, кадмий, хром, селен). Каждый элемент выполняет определенные физиологические функции в растении. При недостатке или избытке какого-либо элемента растения хуже растут и развиваются. Однако при этом важное значение имеет не только валовое содержание элемента, но и форма его нахождения в почве.

Один и тот же элемент образует разные по растворимости и подвижности соединения, от которых зависят доступность их растениям, способность к миграции, реакция среды, участие в реакциях обмена, осаждения, комплексообразования, в окислительно-восстановительных процессах и т. п.

В почве химические элементы находятся в следующих формах:

в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в составе аморфных гидроксидов, в органическом веществе и органо-минеральных производных, в обменном и необменном состоянии, в почвенном растворе и в почвенном воздухе. Разнообразие форм обусловлено процессами выветривания и почвообразования, сопровождающимися трансформацией первичных минералов и формированием системы гумусовых веществ. В результате этих процессов образуется большая группа соединений (органических, минеральных и органо-минеральных) вторичного происхождения.

Для растений и микроорганизмов наиболее доступны те элементы, которые находятся в почвенном растворе, в обменном состоянии и в составе легкоразлагаемого органического вещества. Водорастворимые вещества наиболее миграционноспособные. В меньшей степени в миграционные процессы вовлекаются коллоидные и илистые частицы.

Кислород. Образует много разнообразных соединений. Он входит в состав органического вещества, первичных и вторичных минералов, содержится в почвенном воздухе, органических и минеральных соединениях почвенного раствора. При дефиците свободного кислорода в почве создаются анаэробные условия.

Водород. Присутствует в почвах главным образом в составе воды, угольной кислоты и в органическом веществе, а также в кислых солях и гидроксильных ионах. Часть водорода находится в почвенном растворе и в обменном состоянии, обусловливая актуальную а потенциальную кислотность почвы.

Кремний. Валовое содержание оксида кремния (SiО2) в почвах варьирует в широких пределах от 30.40 % в ферраллитных почвах тропиков до 90...98% в песчаных почвах Однако в среднем оно составляет 60…70%. Кварц - наиболее распространенное соединение кремния в почвах- кремний входит и в состав различных силикатов и алюмосиликатов. В результате процессов выветривания и почвообразования они разрушаются и кремний переходит в почвенный раствор в форме анионов орто- и метакремниевой кислот а затем осаждается в виде гелей — аморфных осадков. Постепенно теряя воду, аморфный гель кремнезема превращается в опал и халцедон или же кристаллический кварц вторичного происхождения.



Обычно в почвах обнаруживается незначительное количество водорастворимого кремнезема (до 10…50 мг/л). С увеличением рН среды растворимость кремнезема возрастает. Так, в щелочных содовых растворах ири ры, равном 10.11, его содержание достигает 100…200мг/л. Однако сульфаты, карбонаты и гидрокарбонат кальция и магния, присутствующие в почве, подавляют растворимость кремнезема и вызывают осаждение SiО2, если он находится в форме силиката натрия. В условиях влажных тропиков часть высвободившегося кремнезема вымывается из почв (процесс десиликации). В аридных зонах при поступлении кремнезема из щелочных грунтовых вод он образует в почве кремнеземистые сцементированные горизонты прослои и коры.

Алюминий. Валовое содержание в почвах АI2О3 обычно колеблется от 1...2 до 15...20%, достигая в латеритах 50% массы почвы. Наряду с кремнием и кислородом алюминий - важнейший компонент алюмосиликатов Поведение алюминия, освобождающегося при разрушении первичных и вторичных минералов, зависит от реакции среды.

В кислой среде — это катион А13+, в щелочной — анион А1(ОН)4. При поступлении в почвенный раствор А13+ образуются комплексные ионы, гидролизованные в различной степени. Они имеют кислотные свойства, так как при взаимодействии с водой освобождаются ионы Н+.

Гидроксид алюминия выпадает в осадок в виде аморфного геля, который в дальнейшем приобретает кристаллическую структуру с образованием гиббсита и бёмита. Частично А1(ОН)3, может оставаться в почвенном растворе в виде золя. В кислой среде он взаимодействует с фульвокислотами и низкомолекулярными органическими веществами с образованием подвижных комплексных соединений, в форме которых мигрирует в почвенном профиле. Коллоидный гидроксид алюминия часто связывается с гелем кремнезема противоположного знака заряда, образуя смешанный гель - аллофан.

В обменной форме АI3+ в значительных количествах присутствует в кислых почвах, где он вместе с Н+ насыщает часть поглощающего комплекса. Обменный алюминий уравновешивает алюминий почвенного раствора. В кислых почвах обменный алюминий часто переходит в необменную форму, закрепляясь в межпакетных пространствах разбухающих минералов, особенно вермикулитов.
Обменный и водорастворимый алюминий ухудшают минеральное питание растений, переводи фосфор в труднорастворимые соединения и препятствуя поглощению двухвалентных катионов. Кроме того, алюминий токсичен для многих культур. Под его влиянием ухудшается развитие корневой системы, нарушается углеводный и азотный обмен в растении.

Железо. Относится к элементам, выполняющим важнейшие функции в растениях. Без него в зеленых частях растений не образуется хлорофилл, гак как железо — необходимая составная часть системы ферментов, участвующих в синтезе хлорофилла. Железо регулирует процессы окисления и восстановления сложных органических соединений в растениях. Его недостаток вызывает хлороз и распад ростовых веществ (ауксинов), синтезируемых растениями.

По соединениям железа, находящимся в почвах, можно судить о многих свойствах почв, а также о элементарных почвенных процессах и генезисе дочв. Цвет почвы зависит от степени гидратации соединений железа. Так, красный цвет в основном связан с присутствием сильноокристаллизованных оксидов железа, желтый — с преобладанием слабоокристаллизованных гидроксидов, соединения железа (II) придают почве сизую, серо-голубоватую или зеленовато-оливковую окраску. Повышенное содержание аморфных форм соединений железа показатель палео- или современного гидроморфизма. По распределению железа в почвенном профиле можно судить о процессах лессиважа, иллювиирования, панцере- и латеритообразовании. В гидратированном состоянии и в контакте с глиногумусовым комплексом соединения железа способствуют образованию пористых, водопрочных агрегатов. Железо важный компонент окислительно-восстановительной системы почвы, участвует в образовании разнообразных конкреций.

Общее содержание в почве Fе203 колеблется в широких пределам от 0,5... 1,0 % в песчаных почвах до 20…80% в ферр1ылктных почвах и латеритах тропиков.

Формы соединений железа в почве разнообразны. Оно находится в составе различных первичных и вторичных минералов, в виде аморфных гидроксидов простых солей, в обменном состоянии, участвует в образовании комплексов. Одна из важнейших особенностей железа способность менять валентность, поэтому его присутствие в почвах в виде Fе22+ или Fе2З+ сильно зависит от окислительно-восстановительного режима.

В результате разрушения минералов при выветрiiваi1ии и почвообразовании выевобождается гидроксид железа Fе(ОН)3. Это малоподвижное и аморфное соединение образуется практически во всех почвах, если только в раствор поступает свободное железо.

Водорастворимое (нонное) железо изучено недостаточно. Ионы железа (III) присутствуют только в сильнокислой среде (при рН, равном З и ниже) и при высоких (близких к 800 мВ) значениях окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Такие сочетание в почвах встречаются редко. При более высоких значениях рН железо осаждается в форме гидроксида Fе(ОН)3, а при подщелачивании среды образуются анионы Fе(ОН). Железо (II) в значительных количествах присутствует только в переувлажненных и затопленных почвах. Восстановление железа начинается при ОВП ниже 300...400 мВ, причем чем выше рН, тем больше должно быть снижение ОВП, при этом образуются такие соединения, как FеСО3, Fе (НСО3)2, FеSО4, Fе3(РО4)2 ×8Н20, ЕеS, а в щелочной среде — ферроферригидроксид Ее3(ОН)8. Водорастворимое железо поглощается почвенными коллоидами и переходит в обменное состояние в виде Fе2+. В гидроморфных гумусированных и биологически активных почвах содержится до 18 мг-экв/100 г обменного Fе2+.

Железо активно с органическими веществами и фульвокислотами с образованием прочных комплексных железоорганических соединений, способных к миграции в почвенном профиле. Органические вещества не только вступают во взаимодействие с ионным железом, оксидами и гидроксидами железа, но и способны извлекать его из кристаллической решетки первичных минералов и глинистых вторичных минералов.

Кальций. Этот элемент имеет огромное значение не только в питании растений, но и в почвообразовании. Кальций содержится во всех растительных клетках. При его недостатке прежде всего замедляется развитие корневой системы растений, корни ослизняются и быстро загнивают, а при кальциевом голодании отмирает верхушечная почка и прекращается рост стебли. Кальций влияет на прочность надземных частей растений и качество продукции растениеводства.

Соединения кальция создают благоприятные условия для трансформации органических остатков, гумусообразования, участвуют в образовании глинистых минералов, влияют на природу глиногумусовых комплексов, играют важнуюроль в биологических процессах. Кальций - эффективный коагулятор почвенных коллоидов, он также способствует формированию агрономически ценной структуры почвы.

Содержание кальция в бескарбонатных почвах составляет 1...3%. Он входит в состав кристаллической решетки многих минералов. Может находиться как в обменно-поглощенном состоянии, так и в форме простых солей (хлоридов, нитратов, карбонатов, сульфатов и фосфатов). В процессе почвообразования в аридных регионах много кальция накапливается в форме вторичного кальцита (СаСО3) и гипса (СаSО420). Гидрогенным путем могут образовываться известковые или гипсовые коры.

Карбонат кальция присутствует в почвах в двух формах: активной и неактивной. Неактивные карбонаты представлены крупнозернистым или обломочным кальцитом и сосредоточены в крупных фракциях (размером более 1 мкм). Они малорастворимы в воде, насыщенной СО2, проявляют невысокую химическую активность, не влияют на поглощающий комплекс и представляют собой резерв кальция, способного переходить в активную форму.

Активные карбонаты сосредоточены во фракциях размером менее 1 мкм. Взаимодействуя с почвенным раствором, насыщенным СО2, они переходят в гидрокарбонаты и насыщают кальцием поглощающий комплекс.

СаСО3 + СО2 + Н20 = Са(НСО3)2,

ППК/НН + Са(НСО3)2=ППК/Са+2СО2+2Н2О.

Свободный углекислый кальций обусловливает слабощелочную реакцию почвенного раствора. В бескарбонатных почвах кальций, насыщая поглощающий комплекс, придает им нейтральную реакцию среды. В почвах с промывным типом водного режима при низком содержании обменного кальция реакция среды кислая.
Обычно растения не испытывают недостатка в кальции. Однако на растениях, произрастающих на кислых и сильнокислых почвах, особенно легкого гранулометрического состава, будет сказываться недостаток кальция.

Магний. Входит в состав многих органических веществ, образующихся в растениях важнейшее из которых хлорофилл, придающий листьям зеленый цвет и поглощающий энергию солнечных лучей. Магний положительно влияет на потребление растениями, особенно цитрусовыми, питательных веществ, насыщая вместе с кальцием почвенный поглощающий комплекс, магний способствует созданию нейтральной реакции среды. Вместе с тем при повышенном содержании обменного магния почвы характеризуются латоприятнь1ми агрофизическими свойствами. В таких почвах образуются подвижные гуматы и фульваты магния, что снижает почвенное плодородие.

Валовое содержание магния в почвах близко к содержанию кальция. Как и кальций, он находится в кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, в обменном состоянии и в форме различных солей — карбонатов, сульфатов и хлоридов. В аридных регионах при засолении почв соли магния накапливаются в избыточных количествах и оказывают угнетающее действие на растения. В почвах с реакцией среды, близкой к нейтральной, магний занимает второе место после кальция среди обменных катионов. Дефицит магния испытывают растения, произрастающие на почвах легкого гранулометрического состава.

Калий. Этот элемент наравне е азотом, фосфором и серой интенсивно поглощают растения, особенно такие, как картофель, корнеплоды, травы, табак, овощные культуры. Валовое содержание калия в почвах относительно высокое (до 2.3 %). Основная часть его входит в кристаллическую решетку первичных и вторичных минералов и доступна для растений. Однако из некоторых минералов (биотита мусковита) растения сравнительно легко извлекают этот элемент.

Калий, представленный простыми солями почвенного раствора, легко доступен растениям но главная роль в питании растений принадлежит обменному калию, адсорбированному на поверхности почвенных коллоидов. Обменный калий, подобно иону способен переходить в необменную форму. Такое явление известно как ретроградация. Между обменной и необменной формами калия существует определенное равновесие. При потреблении обменного калия его запасы пополняются за счет необменного. Переход из одной формы в другую возможен при определенных условиях. Так, переход калия в необменное состояние происходит при повышении рН и избытке ионов Са2+ в растворе, иссушении почвы и сокращении межпакетньх расстояний минералов с разбухающей решеткой. Обратному процессу способствуют биологическое поглощение обменного калия и гидратация минералов.

Натрий. Валовое содержание натрия в почве составляет 1.3%. Он сосредоточен главным образом в кристаллической решетке первичных минералов. преимущественно натрий содержащих полевых iппатов, присутствует в обменном состоянии и в почвенном растворе в составе водорастворимых солейNа2СО3, NаНСО3, Nа24, NаСI и NaNО3. При достаточном увлажнении соли натрия легко выносятся из почвенного профиля благодаря высокой растворимости и подвижности, а в аридных регионах вместе с другими солями аккумулируются в почвах, вызывая их засоление. Это отрицательно сказывается па развитии растений, для которых особенно токсична соль Nа2СО3. Почвенное плодородие снижается и при высоком содержании обменного натрия. Когда его доля в составе обменных катионов превышает 10% емкости обмена, существенно ухудшаются агрономические свойства почв, что вынуждает проводить их мелиорацию.

Углерод. В почвах находится в составе органического вещества и в составе солей — карбонатов и гидрокарбонатов. Содержание органического углерода колеблется от долей процента в песчаных почвах, бедных органическим веществом, до 6...7% и более в черноземах и некоторых дерновых почвах, а в торфяных почвах и торфянистых горизонтах достигает десятков процентов. Содержание углерода минеральных соединений также изменяется в широких пределах: от долей процента в почвах с промывным водным режимом до десятков процентов в аридных регионах, где он аккумулируется в почвах в составе карбонатов. Значительное количество углерода находится в углекислом газе почвенного воздуха.

Азот. Это важнейший элемент питания растений. Он почти целиком сосредоточен в органическом веществе почвы и клетках живых организмов. Азот составляет, как правило, 1/10...1/20 часть от содержания органического углерода. Накопление азота в почве обусловлено биологической фиксацией его из атмосферы. В почвообразующих породах этого элемента очень мало.

Азот доступен растениям главным образом в виде аммония, нитратов и нитритов, хотя последняя форма в почвах практически не содержится. Аммонийный и нитратный азот - основные формы азотистых соединений, которые усваивают растения. Аммонийный азот находится в почве в свободном состоянии н почвенном растворе, из него аммоний поглощается отрицательно заряженными почвенными коллоидами и переходит в обменную форму. Часть обменно поглощённого аммония фиксируется в межпакетных пространствах разбухающих минералов и теряет способность к обмену, трансформируясь в необменную форму.

Ион NО3 в большинстве почв находится преимущественно в почвенном растворе и легко поглощается растениями. В то же время он легко вымывается за пределы почвенного профиля атмосферными осадками. В почвах е высоким содержанием положительно заряженных коллоидов железа и алюминия, таких как ферраллитные почвы может присутствовать в обменно-поглощенном состоянии.

Фосфор. Валовое содержание фосфора в почвах невысокое -0,1…0,2%. Однако его активно поглощают растения, поскольку он входит в состав многих органических соединений, без которых невозможно функционирование живых организмов. В почвах фосфор представлен органическими и минеральными соединениями. Органическое вещество почвы - резерв подвижного фосфора, поскольку оно содержит до 60...80%всех запасов фосфора. Органические соединения фосфора представлены фосфолипидами, фосфопротеинами, сахарофосфатами. Значительная часть фосфора входит а состав гумусовых веществ. Так, в гуминовых кислотах содержится до 50.80 %всего органического фосфора почвы. Растительные остатки также богаты этим элементом. Фосфор органических соединений переходит в доступную форму после минерализации их микрофлорой.

Среди минеральных соединений фосфора важнейшую роль играют соли ортофосфорной кислоты Н3РО4.

Фосфат-нон в обменном состоянии удерживается на поверхности глинистых минералов обменными двух- и трехвалентными катионами или катионами кристаллических решеток. Таким путем из почвы поглощается до 1%фосфора. У аморфных гидроксидов способность к поглощению фосфора выше, чем у глинистых минералов: для Fе(ОН)з она составляет 4%,для А1(ОН)3 - около 25%. Важную роль в удержании фоcфора играют гидраты железа, входящие в органо-минеральные комплексы. Свободный алюминий удерживает фосфор в менее растворимой форме, чем обменный или АР кристаллических решеток. Окристаллизованные гидроксиды (гиббсит и гётит) фосфор практически не поглощают. В почвах, содержащих карбонаты в активной форме, фосфор сохраняется в обменной форме при не слишком высоких значениях рН и достаточном содержании гумуса.

Ф. Дюшофур считает, что между фосфором почвенного раствора и фосфором, поглощенным коллоидами, существует постоянный обмен, приводящий к равновесному состоянию между обменным и растворимым фосфором. Вследствие этого всякие изменения в концентрации фосфора немедленно компенсируются путем обмена Однако часть почвенного фосфора (нерастворимые фосфаты) не участвует в этом кинетическом обмене.

Фосфор теряет растворимость и способность к обмену в результате осаждения и включения в кристаллические образования. Осаждение происходит при наличии растворимого и обменного фосфора в очень кислой (и восстановленной) среде, содержащей растворимые ионы А13 илиFе2 . В результате осаждения образуются нерастворимые фосфаты железа или алюминия с соотношением фосфор-металл порядка 1 : 2,тогда как для фосфора адсорбированного поверхностью коллоидальных гидроксидов оно равно 1:100 или 1:500.

Впочвах происходит медленная и постепенная потеря фосфором растворимости что возможно в результате следующих процессов:

• проникновения фосфат-нонов в межплоскостные пространства глинистых минералов во время приобретения гелями слоистой структурыили раздвиганния слоев у некоторых разбухающих минералов;

• образования железистых конкреций и поглощения ими фосфат-ионов а также включения фосфат-ионов в минералы типа гётита или гиббсита в процессе кристаллизации соответствующих гидроксидов;

• фиксации фосфатов в карбонатной среде, когда рН поднимается выше 8и фосфаты переходят в менее растворимое и более состояние.

Доступность фосфора растениям у почв разных типов неодинакова. Сравнительно легко переходит в раствор фосфор, удерживаемый глинистыми минералами глиногумусового комплекса. Вкислых почвах доступность фосфора растениям резко падает Вследствие связывания его свободным алюминием и включения в железистые конкреции. При высоком содержании карбонатов доступность фосфора растениям также низкая.

Известкование кислых почв, свежее органическое вещество, служащее источником подвижных гумусовых веществ, способствуют растворению фиксированного фосфора и повышают его доступность растениям. Выращивание бобовых трав способствует мобилизации почвенных фосфатов, поскольку они энергично экстрагируют фосфор, даже малорастворимый. Разлагающиеся остатки бобовых трав в дальнейшем будут служитьисточником растворимого фосфора для других культур.

Сера. Это важный элемент питания растений, она необходима для синтеза аминокислот и ферментов. Ее содержание в верхних горизонтах незасоленных почв колеблется в широких пределах — от 0,01 до 0,2.0,4%, в засоленных достигает нескольких десятков процентов. Повышенное содержание серы в почвах наблюдается при загрязнении их промышленными отходами, в местах выпадения с осадками газообразных выбросов соединений серы. Сера входит в состав разнообразных органических л минеральных соединений. В верхних гумусовых горизонтах почв на долю органических соединений приходится 70...80% всех запасов серы. доля минеральных соединений увеличивается по мере снижения содержания гумуса и накопления легкорастворимых солей и гипса. Сульфаты шелочных и щелочно-земельных элементов — наиболее распространенная форма минеральных соединений серы в почвах. Ванаэробных условиях при недостатке кислорода сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сульфидов.

Марганец. Среднее содержание марганца в почвах колеблется от 0,01...0,02 до 0,15...0,20%. Сбиологической точки зрения марганец микроэлемент, имеющий большое значение в физиологии растений. Часто растения страдают от его недостатка, но в повышенных количествах он токсичен. Впочвах марганец встречается в различных формах: труднорастворимые оксиды, легко- и труднорастворимые марганцовые соли, в обменном состоянии, в составе силикатов, а также в виде комплексных соединений с органическими веществами.

Клегкорастворимым солям относятся Мп5О4, Мп(НО3)2, МпСI2,присутствующие в незначительных количествах в почвенном растворе. из которых марганец переходит в обменную форму. Соединения двухвалентного марганца, включая легкорастворимые соли и обменный Мп2, присутствуют преимущественно в кислых почвах. Впереувлажненных почвах при интенсивном развитии восстановительных процессов могут накапливать труднорастворимые судьфиды марганца МпS2 и МпS. При увеличении рН почвенного раствора до 8,5и выше марганец осаждается в виде Мп(OH)2, который впоследствии окисляется до Мп(ОН)4 или Мп304. Вкарбонатньгх почвах аридных регионов образуется труднорастворимая соль МпСО2. Марганец часто входит в состав конкреций, различных по химическому составу. Конкреции глеевых почв содержат до 8...10%, а некоторых тропических почв - до 20 % марганца.


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Химический состав почв и почвообразующих пород | Микроэлементы почв

Дата добавления: 2014-04-28; просмотров: 1002; Нарушение авторских прав




Мы поможем в написании ваших работ!
lektsiopedia.org - Лекциопедия - 2013 год. | Страница сгенерирована за: 0.015 сек.