Содержание кальция и магния в почвах Калининградской области
Введение
Почва - это особое природное образование на поверхности суши, возникающее в результате воздействия организмов на горные породы в определенных условиях климата и рельефа.
Существенное свойство почвы, ее качественный признак — плодородие. Этим почвы отличаются от бесплодной горной породы. Сущность почвообразовательного процесса заключается в концентрации в почве (ее верхних слоях) азота и зольных элементов питания, а также в других изменениях, обусловленных воздействием растительности на материнскую горную породу.
В своей работе я хочу рассказать кратко о свойствах почвы и его характеристике. Также о геохимии кальция и магния и их содержании в почвах Калининградской области.
- Общие сведения о почве
Почва – верхний горизонт
литосферы, вовлечённый в биогенную
миграцию при участии растений, животных
и микроорганизмов (по А.И. Перельману).
По определению А.И. Перельмана: «Почва
– верхний горизонт литосферы, вовлеченный
в биологический круговорот при
участии растений, животных и микроорганизмов,
область наивысшей
Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы наиболее интенсивны во влажных тропиках и слабы в тундре.
Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы выделяют в почвенные растворы СО2, органические кислоты и другие высокоактивные химические соединения. Чем больше разлагаются органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Таким образом, почвы – это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы.
Корни растений, как насос, перекачивают некоторые химические элементы (Р, S, Ca, K, многие микроэлементы) из нижних горизонтов в верхние. В результате такой биогенной аккумуляции создается возможность обогащения этими элементами верхних горизонтов почв и улучшения среды существования следующих поколений высших растений. Биогенное накопление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и др. редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-е годы прошлого столетия В.М. Гольдшмидт. Позднее эти же явления были обнаружены и в других типах почв.
Поглощая катионы, корни выделяют Н+, а поглощая анионы – ОН-. Таким образом, в результате минерального питания растений в почве непрерывно поступает ион Н+ - важный фактор выветривания
Почва традиционно рассматривалась как составная часть коры выветривания (некоторые современные авторы даже говорят, что они ранее нередко отождествлялись. Это не совсем верно – на самом деле качественное своеобразие почвы учитывалось всеми исследователями, но не все это в должной мере акцентировали). В противовес этому, некоторые современные авторы (А.И. Перельман) полностью обособляют почву от коры выветривания, рассматривая их как отдельные единицы равного ранга. Как ни подходить к этому вопросу, нельзя игнорировать ни наличие определённого сходства между почвами и корами выветривания, ни качественного своеобразия почв.
Первое – в том, что
кора выветривания является субстратом,
на котором формируется почва (образование
почвы – результат изменений
в верхней части коры выветривания),
и в том, что процессы химического
выветривания минерального вещества и
выщелачивания подвижных
Суть различия в том, что почва (даже если рассматривать её как составную часть коры выветривания) – это та её часть, которая в наибольшей мере изменена биогенными процессами и приобрела новую качественную специфику. В ней значительная доля объёма приходится на органические вещества и продукты их разложения. Биогенной является даже значительная часть минерального вещества (что мы рассмотрели чуть раньше). Отличие почв не только в иной организации вещества, но и в ином распределении элементов.
В почвах, в отличие от кор выветривания, постоянно действует двоякий механизм вертикального перераспределения вещества. Поглощение растениями химических веществ идёт из всего объёма почвы (частью и из подпочвенных слоёв), а аккумулируются они лишь в верхнем слое, где происходит накопление растительных остатков. В то же время, наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, идёт и общая для почв и кор выветривания нисходящая миграция водных растворов. Часть веществ ими выщелачивается, переносясь из верхних горизонтов в более низкие. Поэтому реальное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов (элювиальных, коллювиальных и пролювиально-делювиальных) определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В результате почва разделяется на горизонты с различными условиями, каждый из которых представляет свою физико-химическую систему (усложнение структуры). В верхнем горизонте могут господствовать кислые условия, в нижнем – щелочные; в верхнем окислительные, в нижнем – восстановительные (не говоря уже о менее значимых различиях). В верхней части почвы при этом может преобладать концентрация элементов или их вынос. Совокупность горизонтов образует почвенный профиль, для которого характерны зоны выщелачивания и определенные геохимические барьеры.
Иное распределение элементов наблюдается в солончаках, болотных, луговых и иных супераквальных (надводных) почвах низин. В них наряду с биогенной аккумуляцией и выщелачиванием происходит накопление химических элементов из грунтовых вод. Эти почвы также расчленяются на горизонты. В болотных почвах это торфяные и глеевые горизонты, в солончаках – солевые.
Таким образом, почвообразование приводит к дифференциации элементов – сравнительно однородная по химическому составу горная порода превращается в неоднородный почвенный профиль со многими горизонтами. Таким образом, в почве накапливается не только энергия, но и информация.
Органическое вещество является одним из наиболее важных компонентов педосферы. Основная масса растительного вещества преимущественно органического происхождения ежегодно поступает в педосферу. В зависимости от биоклиматических условий в различных районах Мировой суши (кроме пустынь и территорий, покрытых ледниками) поступление мертвого органического вещества колеблется от 100 до 2500 т/км2 в год. Суммарная масса ежегодно отмирающего органического вещества таким образом не менее 125х109 т. (Добровольский, 2003). Отмирающие части растений поступают в почву в виде ежегодного опада. Его количество не пропорционально массе растительности. Например, лесные сообщества южной тайги, обладающие огромной биомассой, ежегодно вносят в почву лишь 50 ц/га сухого вещества, в то время как растительность луговых степей, имеющая значительно (более чем в 10 раз!) меньшую биомассу, дает ежегодный опад почти в 3 раза больше!
Значительная часть
Отмирающие органы растений,
поступая в почву, подвергаются интенсивной
деструкции. Одновременно происходит
образование специфических
В результате деятельности почвенной мезофауны и микроорганизмов это органическое вещество ( с различной скоростью, в зависимости от климатических и гидротермических условий преобразуется в сложный комплекс органических соединений – гумус почв. Состав почвенного гумуса непостоянен: он непрерывно обновляется в результате постоянного разложения поступающих в почву органических остатков и синтеза новых компонентов.
Органическое вещество почвы
состоит из слабоизмененных остатков
растений, продуктов их измельчения
и первоначального
В органическом веществе почв различают три главные группы компонентов:
1 группа – грубый гумус
– слаборазложившиеся остатки
преимущественно растительного
происхождения, образующие
2 группа – модер – остатки, образующие черное рыхлое вещество, в котором только под микроскопом видно, что оно состоит из измельченных и сильно измененных растительных остатков, обильно пропитанных новообразованными органическими соединениями.
3 группа – собственно
гумус - почвенные органические
образования, не
Но все упомянутые группы почвенного органического вещества образуются лишь в условиях хорошей аэрации. На заболоченных участках при длительном переувлажнении деятельность мезофауны и аэробных микроорганизмов резко подавляется, в связи с чем преобразование растительных остатков существенно замедляется. В этих условиях из остатков гидрофильных растений, главным образом, мхов, образуется торф. Отличительными признаками торфа являются: слабая разложенность растительных остатков и волокнистое строение (благодаря преобладанию мхов среди растений-торфообразователей). Органическое вещество почвы, состоящее из торфяных компонентов называется гумусом типа мор.
Между всеми рассмотренными нами формами органического вещества в почвах существуют постепенные переходы.
Глубокая трансформация органического вещества в почве происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Причем разные микроорганизмы воздействуют на определенные компоненты растительных остатков.
Неспороносные бактерии используют наиболее доступные компоненты: простые углеводы, аминокислоты, простые белки. Целлюлозные миксобактерии перерабатывают устойчивые углеводы. Актиномицеты завершают процесс, разлагая наиболее устойчивые компоненты растительных остатков и гумусовые вещества.
Об интенсивности переработки растительных остатков мезофауной и микроорганизмами в почвенный гумус можно судить по соотношению мертвого органического вещества на поверхности почвы и его ежегодного поступления. По данным Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич это соотношение наиболее высоко (90) в тундровых ландшафтах, так как в суровых условиях тундры жизнедеятельность почвенной мезофауны и микроорганизмов настолько подавлена, что полная переработка годового растительного опада растягивается на целых 90 лет и биологический круговорот химических элементов здесь сильно заторможен. В степных ландшафтах это соотношение уменьшается до 1-1,5, т.е полное преобразование ежегодного опада происходит в течение одного-двух лет. В пустынях это происходит еще быстрее, т.к. растительные остатки на почве там практически отсутствуют. В почве таежных лесов полная переработка растительных остатков происходит за 7-8 лет, в широколиственных лесах умеренного пояса – за 2-3 года, во влажных же экваториальных лесах – непрерывно в течение года. Но столь быстрое разложение органических остатков происходит лишь при условии свободного газообмена почвы с атмосферой. Там же, где органическое вещество насыщено водой (например, в болотах), газообмен затруднен. Это практически полностью подавляет жизнедеятельность аэроробных микроорганизмов и почвенной мезофауны и приводит к образованию торфа. Замедлению процесса разложения способствует и постоянное присутствие в торфяных водах растворимых органических соединений с антисептирующими свойствами. В результате – полуразложившиеся остатки растений сохраняются в торфяных залежах тысячи лет. Накоплению торфа способствуют условия холодного и влажного климата.
Оценить время полного
возобновления почвенного гумуса можно
с помощью определения
Таким образом, почвенный гумус как правило сосредоточен в верхнем горизонте почв, но мощность этого горизонта, количество и состав гумуса в разных типах почв сильно различаются. Подробнее Вы узнаете об этом из курса Почвоведения, а сейчас нам важно знать, что основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин – комплекс сильно полимеризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, тесно связанных с тонкодисперсными минеральными частицами. Между всеми перечисленными компонентами существуют переходы.
Гуминовые кислоты не растворяются
в воде, но хорошо растворяются в
щелочных растворах. С некоторыми металлами
эти кислоты способны образовывать
сложные внутрикомплексные
Фульвокислоты растворяются в воде, причем такие растворы обладают сильнокислой реакцией (рН=2,6-2,8). Комплексные соединения фульватов и многих мнеталлов могут активно мигрировать в природных водах даже в такт их физико-химических условиях, где свободные катионы металлов неизбежно выпали бы в осадок.
Селективное соединение рассеянных металлов с водорастворимыми компонентами гумуса (фульвокислотами) или с гелями гуминовых кислот имеет очень важное геохимическое значение как для вовлечения этих металлов в миграционные циклы, так и для выведения их их миграционных процессов и закрепления (депонирования) в почве.
Таким образом гумус почв играет двоякую геохимическую роль. С одной стороны, он выступает как источник азота и некоторых других элементов, освобождающихся из органического вещества в результате деятельности микроорганизмов и необходимых для развития высших растений. С другой стороны, гумусовые кислоты и их производные активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педосфере., то есть гумус почв является важнейшей частью механизма регулирования миграционных потоков в педосфере.
Из 1 кв. м подстилки, залегающей
на подзолистой почве под
Химические элементы, содержащиеся в наименее устойчивых тканях растений, быстро удаляются из вещества лесных подстилок. Это калий, магний, натрий, фосфор, сера, частично кальций. Содержание же элементов, входящих в более устойчивые ткани, наоборот, возрастает в лесных подстилках. Это металлы, кремний и др. В некоторых растениях кремния так много, что он образует фитолитарии – мелкие выделения опала (аморфного оксида кремния). Кроме того, многие рассеянные элементы активно сорбируются подстилками благодаря огромной поверхности в единице объема полуразложившегося растительного опада.
А масса органического углерода в педосфере (включая углерод залежей торфа, и лесных подстилок) по данным В.В. Добровольского с учетом данных других исследователей, близка к 25х1011 т. Это более чем в 2 раза превышает массу углерода во всей существующей растительности суши!
- Геохимия кальция в почвах
Атомы кальция содержат магническое число протонов: 20 в ядре и это определяет прочность его ядерной системы. Среди легких элементов кальций представлен максимальным числом стабильных изотопов – 6, имеющих распространение: 40Са – 96,97% (дважды магнический Z=N=20) 42Са – 0,64, 43Са – 0,145, 44Са – 2,06, 46Са-0,0033, 48Са -0,185%. По распространению в Солнечной системе он занимает 15 место, но среди металлов находится на 5 месте.
В природе он ведет себя как химически активный металл. Легко окисляется с образованием СаО. В геохимических процессах выступает как двухзарядный катион Са+2.
Его ионный радиус очень
близок к радиусу натрия. Число
минеральных видов – 390, поэтому
он относится к главным
Плагиоклазы – наиболее распространенные минералы земной коры. Кларк кальция в литосфере составляет 2,96. Кальциевые силикаты слабо устойчивы в зоне гипергенеза и при выветривании горных пород разрушаются в первую очередь.
Кальций обладает относительно высокой миграционной способностью, во многом определяемой особенностями климата. В процессах химического выветривания кальций выщелачивается из минералов природными водами. По отношению к выветриванию кальциевые минералы образуют следующую последовательность: плагиоклаз – кальциевый авгит- кальциевый амфибол. В группе плагиоклазов богатые кальцием разности выветриваются скорее, чем натриевые. При этом природные растворы, энергично удаляющие кальций, содержат значительные количества гидрокарбонатного иона. Зато в почвах гумидных зон наблюдается значительный дефицит кальция. Очень мало его и в корах выветривания. Объясняется это высокой миграционной подвижностью данного элемента.
В ионном стоке с материков кальций занимает первое место среди катионов. Реками он выносится главным образом в виде взвесей карбонатов, сульфатов и бикарбоната в растворенном состоянии. Геохимическая история кальция в океане связана с карбонатной системой равновесия, температурой воды и деятельностью живых организмов.
Кальций – один из важнейших элементов живых организмов – от простейших до высших млекопитающих. Холодные воды высоких широт и морские глубины недосыщены СаСО3 из-за низких температур и рН, поэтому содержащаяся в воде угольная кислота растворяет СаСО3 донных отложений. Именно поэтому морские организмы в высоких широтах избегают строить свои скелеты из СаСО3. В экваториальных широтах установлена область пересыщения СаСО3. Здесь наблюдается массовый рост коралловых рифов, у многих живущих здесь организмов массивные карбонатные скелеты и раковины.
Миграция кальция в океане с участием живых организмов – наиболее важное звено в его круговороте. По А.П. Виноградову реки ежегодно приносят в океан и1*1015т СаСО3. Куда же он делся?. Примерно столько же его ежегодно захороняется в донных отложениях океана. Живые организмы океана концентрируют кальций в виде арагонита и кальцита. Арагонит, однако, неустойчив и со временем переходит в кальцит. В океане мы сталкиваемся с уникальными явлениями быстрого роста крупных кристаллов в отдельных организмах. В некоторых раковинах двустворчатых моллюсков встречаются кристаллы кальцита длиной более 7 см, в тропических морях обитают морские ежи , имеющие длинные иголки из кальцита. У многих иглокожих наблюдается адаптация живого тела организмов к форме кристаллов. В этом случае мы встречаем особый вид симбиоза между организмами и кристаллами.
В аридном климате кальций
легко выпадает из растворов в
виде карбонатов, формируя толщи хемогенных
карбонатных пород и
Небольшая часть ионов кальция морской воды осаждается в замкнутых водоемах в эвапоритовых условиях химическим путем.
Кальций играет важную роль в процессах почвообразования. Он входит в состав почвенно-поглощающего комплекса, участвует в обменных реакциях почвенного раствора, обусловливая буферную способность почв в кислом интервале среды. Гуматы кальция играют важную роль в формировании структуры почвы. Кроме того, кальций активно участвует в процессах осаждения полуторных окислов, марганца, нередко образуя конкреции совместно с этими элементами и кремнеземом.
В почвах кислого ряда, характеризующихся значительным проявлением процесса выщелачивания, наблюдается явление биогенного накопления кальция в подстилке и аккумулятивных поверхностных горизонтах почв. Он входит в группу элементов-биофилов. Поэтому кальций активно участвует в биологическом круговороте. Масштабы вовлечения кальция значительно различаются в разных природных зонах.
В агроландшафтах значительная часть кальция отчуждается вместе с урожаем.
Но нарушение
- Геохимия магния в почвах
Кларк магния уступает кларку кальция и составляет 1,87, но распределение магния очень неоднородно. По размеру ион магния близок к ионам двухвалентного железа и никеля и совместно с ними входит в состав оливинов и пироксенов, концентрируясь в основных и особенно ультраосновных магматических горных породах.
В то же время, магний накапливается в океане и соляных озерах и помиграционной способности приближается к таким элементам как натрий и калий. Обусловлено это хорошей растворимостью хлоридов и сульфатов магния. В отличие от других щелочноземельных и щелочных металлов магний, благодаря малому размеру ионов, легко входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, образуя вторичные магнезиальные алюмосиликаты.
Магний – биофильный элемент. Он входит в состав хлорофилла, который при недостатке этого элемента разрушается. Растение реагирует на недостаток магния в почве оттоком хлорофилла из старых листьев к молодым. Передвижение идет по жилкам листа. Поэтому они долгое время остаются зелеными, в то время как межпрожилковые участки листа желтеют. Известны и болезни животных. Связанные с недостатком магния. Тем не менее, биофильность магния меньше, чем у кальция и калия.
В гумидных ландшафтах магний, как и кальций выщелачивается из почв, хотя его подвижность ниже. Чем у кальция. Связано это с действием нескольких геохимических барьеров. Во-первых, магний активно поглощается живым веществом; во- вторых – он, так же как и калий входит в кристаллические решетки вторичных силикатов и, наконец, сорбируется глинистыми коллоидами и гумусом. Все же значительная часть магния выносится с жидким стоком и в составе грунтовых и речных вод магний находится на втором месте после кальция.
В аридных условиях на распределение магния влияет высокая растворимость его хлоридов и сульфатов. В результате наблюдается накопление этих солей на испарительных барьерах и формирование солончаков.
В океан магний попадает из выветривающихся горных пород и масштабы этого поступления значительны (особенно. В прошлом). По подсчетам В.М. Гольдшмидта за время геологической истории с материков в океан поступило 12,6 г магния на каждый килограмм океанической воды. Однако. Содержание магния в воде современных океанов составляет всего 1,3 г. Это обусловлено многократным участием каждого атома магния в большом геологическом круговороте, отложением доломитов и других содержащих магний осадочных пород.
Миграция магния на протяжении геологической истории существенно менялась. Если в докембрийских известняках содержится до 12,6% магния, то в современных – только 1%. Образование доломитов в открытых морях прекратилось еще в конце палеозоя. В настоящее время доломиты осаждаются только в некоторых лагунах.
Технофильность магния пока значительно ниже, чем у кальция и натрия. До начала ХХ века использовались только доломит и магнезит. Только в последнее время стали широко использовать сплавы, содержащие магний. В обедненных магнием ландшафтах наблюдается незначительное его накопление за счет внесения магнийсодержащих удобрений и известкования почв с применением доломита.
- Содержание в почвах кальция и магния в Калининградской области
Список почв Калининградской
области был составлен А.А. Завалишиным
и Б.В. Надеждиным по итогам работы комплексной
экспедиции АН СССР. В него вошли две группы
почв: природные и окультуренные почвы.
Природные почвы включали бурые лесные, иллювиально-гумусовые
слабоподзолистые, дерново-подзолистые нормального увлажнения
и с признаками избыточного увлажнения, перегиойно-подзолистые, торфянисто-перегнойно-
В 1953 г. был составлен единый систематический список почв Прибалтийских республик (распространенный и на Калининградскую область), где было выделено шесть типов почв: 1) подзолистые; 2) подзолисто-болотные; 3) болотные; 4) дерново- карбонатные; 5) дерново-глеевые; 6) аллювиальные с последующим их внутригрупповым подразделением.
В настоящее время официально действующей в России остается классификация почв 1977 года:
- Подзолистые почвы:
-подзолистые;
-дерново-подзолистые,
-дерново-подзолистые
2. Подзолистые культурные почвы
3. Болотно-подзолистые:
- дерново-подзолистые поверхостно-оглеенные;
- дерново-подзолистые грунтово-оглеенные;
-перегнойно-подзолистые поверхостно- и грунтово-оглеенные;
-торфянисто-подзолистые поверхостно- и грунтово-оглеенные;
4. Бурые лесные почвы (бурозем);
5. Бурые лесные глеевые почвы (буроземы глеевые);
6. Дерново-глеевые почвы;
7. Торфяные болотные верховые почвы;
8. Торфяные болотные низинные почвы;
9. Торфяные низинные освоенные почвы;
10. Аллювиальные дерновые кислые почвы;
11. Аллювиальные дерновые насыщенные почвы;
12. Аллювиальные луговые кислые почвы;
13. Аллювиальные луговые насыщенные почвы;
14. Аллювиальные болотные
иловато-перегнойно-глеевые
15. Аллювиальные болотные иловато-торфяные почвы;
Теперь перейдем, непосредственно, к содержанию кальция и магния в некоторых типах почв Калининградской области.
Почвы подзолистого ряда:
Таблица 1. Кальциево-магниевый состав подзолистых автоморфных почв на песчаных отложениях под лесом
Разрез |
Горизонт и глубина, см |
Содержание в % на абсолютно сухую почву | |
MgO |
CaO | ||
107 |
A1A2 8-12 |
0,51 |
0,44 |
В 12-27 |
1,00 |
1,32 | |
С 40-90 |
0,50 |
1,55 | |
359 |
А0А1 1-4 |
0,27 |
3,31 |
А1А2 4-15 |
0,69 |
0,31 | |
Bfh 15-24 |
0,53 |
0,30 | |
C 110-130 |
0,36 |
0,22 | |
Таблица 2. Кальциево-магниевый состав подзолистых окультуренных автоморфных почв на песчаных отложениях
Разрез |
Горизонт и глубина, см |
Содержание в % на абсолютно сухую почву | ||
MgO |
CaO | |||
244 |
Ап 0-20 |
0,97 |
4,70 | |
В 30-50 |
0,58 |
0,66 | ||
С 70-125 |
0,85 |
0,40 | ||
С 150-170 |
0,80 |
0,40 | ||