Свойства почв

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПО ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВУ

Кафедра природопользования, экологии и почвоведения

Реферат №1 на тему: «Свойства почв».

Москва - 2013

Содержание:

1. Почвенные коллоиды…………………………………………………………..2

2. Поглотительная способность  почв (виды поглотительной способности). Кислотность, щелочность, муферность………………………………………….4

3. Гранулометрический и  механический состав почв…………………………..7

4. Водные свойства почв. Водный режим почв…………………………………8

5. Список использованных  источников………………………………………...12

1. Почвенные коллоиды.

Поглотительная способность почв обусловлена наличием в ней мельчайших частиц, и в первую очередь почвенных коллоидов. Почвенные колоиды (от греч. kolla клей и eidos вид) – это совокупность элементарных почвенных частиц менее 0,0001 мм. Составляют одну из фракций гранулометрических элементов почвы.

По способу образования почвенные коллоиды разделяются:

Минеральные - образуются в результате процессов выветривания при измельчении горных пород. Часть минеральных коллоидов находится в кристаллическом состоянии. Это в основном минералы. Другая часть минеральных коллоидов представляет собой аморфные вещества: к ним относят аллофаны, свежеосажденные гидраты полуторных оксидов (Fe(OH)3, Al(OH)3, Mn(OH)3),  гидраты кремнезема и их комплексные осадки (коагели).

Органические - накапливаются в почве в результате разложения растительных осадков. Это аморфные гумусовые вещества, состоящие из гуминовых кислот, фулькокислот и гумина, органо-минеральные комплексы, клетки мелких бактерий.

Органо-минеральныные - образуются при взаимодействии глинистых минералов с органическим веществом почвы.

В различных почвах содержание  коллоидов от 1…2 до 30…40 % массы почв. Наибольшее количество коллоидов отмечено в глинистых и суглинистых почвах с высоким содержанием гумуса, наименьшее – в песчаных и супесчаных почвах, бедных гумусом.

Строение коллоидной частицы (мицеллы) показано на рис. 1. Ядро мицеллы — это внутренняя ее часть, состоящая из большего числа молекул. На поверхности ядра находится двойной электрический слой ионов, соприкасающийся с дисперсной средой (почвенным раствором): внутренний — потенциал определяющий слой неподвижных ионов, прочно связанных с ядром, и внешний — компенсирующий слой ионов, имеющий противоположный заряд.

Рис. 1 Схема строения коллоидной мицеллы (по Н. И. Горбунову)

Заряд коллоидной мицеллы определяют ионы, непосредственно связанные с поверхностью ядра. Этот заряд возникает в результате диссоциации молекул на поверхности ядра. Например, молекулы гидроксида алюминия Аl(ОН)з, составляющие ядро мицеллы, в кислой среде диссоциируют на ионы Al(OH)2+ и ОН-, а в щелочной - на АlO(OН)2- и Н+. Сложные ионы удерживаются на поверхности ядра и определяют знак заряда коллоидной мицеллы. Поэтому коллоидная частица гидроксида алюминия в кислой среде имеет положительный заряд, а в щелочной - отрицательный.

Коллоиды, имеющие кристаллическое строение, приобретают заряд иным путем. Известно, что ионы кристаллических частиц, находящиеся на поверхности, не насыщены связями и поэтому могут притягивать ионы из растворов. При этом притягиваются ионы противоположного заряда, вследствие чего образуется диффузный слой коллоидной мицеллы.

Ядро мицеллы и потенциалопределяющий слой ионов образуют гранулу. За потенциалопределяющим слоем гранулы расположены компенсирующие ионы. Прочносвязанные ионы этого слоя образуют неподвижный слой компенсирующих ионов. Затем следует внешний, или диффузный, слой ионов, способных обмениваться на ионы почвенного раствора. Таким образом, коллоидная мицелла состоит из ядра и двух противоположно заряженных слоев ионов.

Почвенные коллоиды по знаку заряда потенциал определяющего слоя подразделяются на отрицательные (ацидоиды), и положительные (базоиды). К отрицательным коллоидам относятся кремниевая кислота, глинистые минералы и гумусовые кислоты, к положительным - гидроксиды железа и алюминия.

Потенциал почвенных коллоидов зависит от их природы и реакции среды. Поскольку почвенные частицы имеют заряд, они способны притягивать дипольные молекулы воды из окружающего раствора, образуя гидратные пленки. Толщина этой пленки зависит от величины заряда. В связи с этим различают гидрофильные коллоиды (кремниевая кислота, гумусовые кислоты), удерживающие многослойные пленки воды, и гидрофобные, то есть слабогидратированные коллоиды (гидроксид железа, каолинит). Гидрофильные коллоиды имеют сродство с водой и способны сильно набухать, что предотвращает их слипание. Гидрофобные коллоиды набухают слабо, поэтому у них выражена способность свертываться и выпадать в осадок.

Коагуляция и пептизация коллоидов. Коллоиды могут находиться в двух состояниях: золя (коллоидного раствора) и геля (коллоидного осадка).

Коагуляцией называется процесс перехода коллоидов из состояния золя в состояние геля. Слипание коллоидов в агрегаты происходит под влиянием электролитов. Коагуляция ацидоидов вызвана катионами электролита, базоидов - анионами. Свертывание (слипание) коллоидов может происходить при взаимодействии противоположно заряженных коллоидных систем. При высушивании или замораживании почвы наблюдаются дегидратация (обезвоживание) гидрофильных коллоидов и повышение концентрации электролита почвенного раствора, что также вызывает коагуляцию коллоидов.

При коагуляции коллоидов происходит склеивание элементарных почвенных частиц в комочки, в результате чего улучшаются физические свойства почвы. Коагуляцию вызывают двухвалентные катионы, особенно Са2+. Кальций называют «стражем почвенного плодородия», так как он способствует образованию структуры и уменьшает кислотность почв.

Пептизация - это обратный процесс коагуляции, при котором коллоиды переходят из геля в золь. Пептизация происходит при воздействии растворов щелочных солей. Например, под влиянием одновалентного катиона натрия наблюдается усиленная гидратация коллоидов и переход их в состояние золя. При пептизации почвенных коллоидов разрушается ценная структура и ухудшаются свойства почвы. Так, столбчатый горизонт солонцовых почв, насыщенный гидратированными катионами натрия, во влажном состоянии набухает, а при высыхании растрескивается на крупные отдельности.

Роль коллоидов в почве исключительно велика: от содержания коллоидной фракции зависят связность, водопроницаемость, буферность и другие свойства почвы.

2. Поглотительная способность  почв (виды поглотительной способности). Кислотность, щелочность, муферность.

Поглотительная способность почвы – это способность почвы задерживать растворенные вещества, а также коллоидально-распыленные частицы и грубые суспензии.  Носителем поглотительной способности почвы является почвенный поглотительный комплекс (ППК) – вся сумма органических и минеральных коллоидов, включает все частицы размером менее 0,005 мм (частицы менее принимают незначительное участие, а крупные в поглощении не учувствуют).

Академик К.К. Гедройц выделил  пять видов поглотительной способности:

1) Механическая - свойство почвы поглощать поступающие с водными или воздушными потоками твердые частицы размеры, которых превышают размеры почвенных пор. Механическое поглощение зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Глинистые и суглинистые почвы поглощают даже тонкодисперсные частицы. У песчаных почв рыхлое крупнопористое сложение, поэтому они слабее поглощают взвешенные частицы. На механическом поглощении основан прием кольматажа (заиливания) для уменьшения фильтрации воды через дно и стенки канала. Кольматаж применяют также для улучшения водных и физических свойств закамненных и грубозернистых песчаных почв.

2) Химическая - образование трудно-растворимых соединений выпадающих из раствора в осадок, в результате химической реакции идущих в почве. Например, при внесении в почву фосфорного удобрения в результате взаимодействия аниона фосфорной кислоты с катионом кальция выпадает в осадок ортофосфат кальция: 2К3РО4 + 3Ca(NО3)2 = 6KNO3 + Са3(РО4)2.

3) Биологическая - поглощение элементов питания корнями растений и микроорганизмами (азота, фосфора, калия и др.). Благодаря биологическому поглощению почва систематически обогащается органическим веществом, азотом и зольными элементами питания. При этом значительно уменьшается геохимический сток минеральных удобрений, внесенных в почву.

4) Физическая - обусловлена свободной энергией молекул и ионов, находящихся на поверхности твердой фазы почвы. При физическом поглощении молекулы растворенных веществ концентрируются на поверхности коллоидных частиц. Почвой поглощаются различные соли из растворов и газообразные вещества. При этом некоторая часть растворимых соединений удерживается от вымывания, а газообразные соединения, например аммиак, от улетучивания в атмосферу.

5) Физико-химическая  или обменная - способность почвы обменивать некоторую часть катионов диффузного слоя коллоидной мицеллы на эквивалентное количество катионов, находящихся в почвенном растворе. Количество катионов, вытесненных из почвы и поглощенных ею из раствора, эквивалентно. Состав и количество поглощенных катионов во многом зависят от ППК.

Любая почва имеет определенную реакцию, которая может быть нейтральной, кислой и щелочной. Реакция почвенного раствора зависит от соотношения в нем свободных ионов H+ и OH-. Если концентрация этих ионов в растворе одинаковы, то реакция будет нейтральной , при [H+] > [OH-] реакция кислая, а при [H+] < [OH-] щелочная.

Кислотность. Обусловлена наличием в почве органических и минеральных кислот, кислых и гидролитически кислых солей, а также поглощенных (обменных) ионов Н+ и Аl3+. Различают следующие виды кислотности:

  1) Активная кислотность обусловлена присутствием в почвенном растворе кислот и гидролитически кислых солей. Для определения этой кислотности в почву приливают дистиллированную воду в соотношении пять частей воды на одну часть почвы. При этом в раствор переходят свободные ионы водорода, не связанные почвой. Ионы водорода, извлекаемые водной вытяжкой, составляют незначительную часть всего количества водородных ионов почвы. Поэтому по значению рН активной кислотности нельзя определить дозу извести для нейтрализации кислотности почв. Для определения дозы извести, необходимой для нейтрализации кислой реакции почв, нужно знать потенциальную кислотность почв, то есть общее количество ионов водорода и алюминия, находящихся в ППК.

2) Потенциальная  кислотность обусловлена содержанием ионов водорода и алюминия, находящихся в поглощенном состоянии. Эта кислотность подразделяется на:

- обменную кислотность, которая проявляется при обработке почвы раствором нейтральной соли. Для определения обменной кислотности почву взбалтывают с раствором хлористого калия. При этом ионы калия вытесняют ионы водорода, находящиеся в почве в поглощенном (обменном) состоянии, и занимают их место. Ионы водорода, перешедшие в раствор, соединяются с оставшимися в нем ионами хлора и образуют соляную кислоту, наличие которой можно определить с помощью рН-метра или другим способом. Установлено, что причиной потенциальной кислотности почвы являются как обменные ионы Н+, так и ионы А13+. Образующийся хлорид алюминия — гидролитически кислая соль, поэтому в водном растворе он расщепляется на кислоту и основание. Источником обменного иона Н+ служат гумусовые кислоты, а также угольная кислота. Обменный алюминий извлекается органическими кислотами из кристаллической решетки глинистых минералов и других форм гидроксида алюминия.

- гидролитическую  кислотность, которая обусловлена как обменными, так и прочно связанными ионами Н+. Поскольку при воздействии на почву раствором нейтральной соли прочно связанные ионы Н+ не извлекаются, то для определения гидролитической кислотности почву обрабатывают раствором гидролитически щелочной соли. Количество образовавшейся уксусной кислоты определяют титрованием щелочью. Гидролитическая кислотность выражается в миллиграмм-эквивалентах (мг • экв.) на 100 г почвы. По количеству щелочи определяют дозу извести, необходимую для нейтрализации кислой реакции почв: СаСO3 (т/га) = Н+ (мг • экв/100 г) · 1,5. При известковании кислых почв учитывают также степень насыщенности почв основаниями (V, %). Если степень насыщенности основаниями менее 50 %, то почвы сильно нуждаются в известковании, 50...70 — средне, 70...80 — слабо нуждаются и более 80 % — известкование не проводят. Реакция почвы может становиться более кислой при применении физиологически кислых удобрений (калийная соль, селитра). Поэтому при их внесении почву необходимо периодически известковать.

Буферность. Буферной способностью, или буферностью, называют способность почвы противостоять изменению реакции почвенного раствора. Различают буферную способность почв против подкисления и против подщелачивания. Буферность зависит от свойств почвенных коллоидов, емкости поглощения, состава поглощенных катионов и свойств почвенного раствора. Если в почве появляется кислота, то ее водородный ион обменивается на поглощенные катионы и оказывается связанным с твердой фазой почвы. При взаимодействии почвы с щелочью происходит реакция обмена между катионами щелочи и катионами водорода или алюминия поглощающего комплекса.

Почвы, в поглощающем комплексе которых имеются обменные катионы водорода или алюминия, способны нейтрализовать щелочь, то есть обнаруживают буферность в щелочную сторону. При наличии большого количества катионов Са2+, Mg2+, Na+ создается значительная буферность в кислую сторону. Чем больше в почве коллоидов, тем выше ее буферность. Тяжелые почвы с высоким содержанием гумуса обладают большой буферной способностью, легкие и малогумусные — слабобуферны. Органические удобрения способствуют увеличению буферности почвы и уменьшению резких сдвигов реакции почвенного раствора при внесении высоких доз физиологически кислых и физиологически щелочных минеральных удобрений, что способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и улучшению свойств почвы.

3. Гранулометрический и  механический состав почв.

Почвообразующие породы  и образовавшиеся на них почвы состоят из частиц (гранул) различного размера. Отдельные частицы называются механическими элементами. Свойства механических элементов зависят от размеров. Близкие по размеру элементарные частицы объединяются во фракции. Группировка частиц по размерам во фракции называется классификацией механических элементов (рис.2).

Рис.2. Классификация мехаических элементов почвы

При гранулометрическом анализе выделяют частицы размером более 1 мм (скелет почвы) и частицы размером менее 1 мм (мелкозем). Каждая фракция почвы имеет свои специфические свойства.

Камни (> 3 мм) и гравий (3…1мм) представлены обломками горных пород и минералов. Их большое содержание придает почвам неблагоприятные свойства – провальную водопроницаемость и отсутствие водоподъемной способности. Камни и гравий вызывают сильный износ почвообрабатывающих орудий. Песчаные фракции (1…0,05 мм) состоят из обломков первичных минералов с преобладанием кварца. Пески имеют высокую водопроницаемость, не набухают, непластичны. Пески имеют высокую водопроницаемость, не набухают, непластичны. Фракции мелкого и среднего песка в отличии от гравия обладают некоторой влагоемкостью и водоподъемной (капиллярной) способностью. Пыль крупная (0,05…0,01 мм) по минералогическому составу и некоторым физическим свойствам мало отличается от песка: непластична, слабо набухает, обладает невысокой влагоемкостью. Пыль средняя (0,01…0,005 мм) имеет повышенное содержание слюд, придающих фракции повышенную пластичность, связность и водоудерживающую способность. Почвы с высоким содержанием фракций крупной и средней пыли легко распыляются, склонны к заплыванию и уплотнению, отличаются низкой водопроницаемостью. Пыль мелкая (0,005…0,001 мм) способна к коагуляции и структурообразованию, содержит гумусовые вещества, обладает поглотительной способностью. Почвы с большим содержанием мелкой пыли имеют такие неблагоприятные свойства, как низкая водопроницаемость, липкость, высокая набухаемость. Илистая фракция (<0,001 мм) имеет большое значение в плодородии почв, обладает высокой поглотительной способностью, содержит много гумуса и элементов питания.

4. Водные свойства почв. Водный режим почв.

К важнейшим водным свойствам почв относятся водопроницаемость, водоподъемная способность, влагоемкость почв.

Водопроницаемость — это способность почвы впитывать и пропускать через себя воду. Процесс водопроницаемости включает впитывание влаги и ее фильтрацию. Впитывание происходит при поступлении воды в почву, ненасыщенную водой, а фильтрация начинается тогда, когда большая часть пор почвы заполняется водой. В первый период поступления воды в почву водопроницаемость высокая, затем постепенно уменьшается и к моменту полного насыщения (к началу фильтрации) становится почти постоянной. Впитывание воды обусловлено сорбционными и капиллярными силами, фильтрация — силами тяжести. От водопроницаемости зависит степень использования водных ресурсов. При слабой водопроницаемости часть атмосферных осадков или оросительной воды стекает по поверхности, что приводит не только к непродуктивному расходованию влаги, но может вызывать эрозию почвы. Хорошо водопроницаемыми считаются почвы, в которых вода в течение первого часа проникает на глубину до 15 см. В средневодопроницаемых почвах вода за первый час проходит от 5 до 15 см, а в слабоводопроницаемых — до 5 см. Наибольшая водопроницаемость характерна для песчаных, также хорошо оструктуренных почв, низкая - для глинистых и бесструктурных плотных почв. Водопроницаемость зависит и от состава поглощенных катионов: натрий уменьшает водопроницаемость, а кальций, наоборот, увеличивает.

Водоподъемная способность - свойство почвы поднимать воду по капиллярам. Вода в почвенных капиллярах образует вогнутый мениск, на поверхности которого создается поверхностное натяжение. Чем тоньше капилляр, тем более вогнут мениск и соответственно выше водоподъемная способность. Самым высоким капиллярным подъемом обладают суглинистые почвы (3...6 м). В песчаных почвах поры крупные, поэтому высота капиллярного подъема в 3...5 раз меньше, чем в суглинистых, и обычно не превышает 0,5...0,7 м. В плотных глинистых почвах этот показатель уменьшается из-за того, что очень тонкие поры заполнены связанной водой.

Скорость капиллярного подъема зависит от размера капилляров и вязкости воды, обусловливаемой ее температурой. В крупных порах вода поднимается быстрее, но достигает небольшой высоты. С уменьшением радиуса капилляров скорость уменьшается, а высота подъема возрастает. С повышением температуры уменьшается вязкость воды, поэтому скорость ее капиллярного поднятия повышается. Растворенные в воде соли оказывают значительное влияние на скорость капиллярного подъема. Минерализованные грунтовые воды в отличие от пресных поднимаются к поверхности по капиллярам с большей скоростью. Засоленные грунтовые воды при их капиллярном подъеме часто приводят к засолению почв.

Влагоемкость - способность почвы удерживать воду. В зависимости от водоудерживающих сил различают максимальную адсорбционную, капиллярную, предельно-полевую и полную влагоемкости.

Максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ) - это наибольшее недоступное растениям количество влаги, которое прочно удерживается молекулярными силами почвы (адсорбцией). Она зависит от суммарной поверхности частиц, а также от содержания гумуса: чем больше в почве илистых частиц и гумуса, тем выше максимальная адсорбционная влагоемкость.

Капиллярная влагоемкость (KB) - количество воды, которое удерживается в почве при заполнении капиллярных пор над уровнем грунтовых вод. Капиллярная влагоемкость зависит от высоты над зеркалом грунтовых вод. Вблизи грунтовых вод она наибольшая, а с поднятием к поверхности уменьшается.

Предельно-полевая влагоемкость (ППВ) - количество воды, которое удерживается в полевых условиях после полного увлажнения почвы с поверхности и свободного стекания избыточной воды. Грунтовые воды в этом случае не оказывают влияния на влажность почвы. Предельно-полевая влагоемкость зависит от гранулометрического состава, плотности и пористости почвы. Она соответствует количеству капиллярно-подвешенной воды. Синоним предельно-полевой влагоемкости — наименьшая влагоемкость (НВ).

Полной влагоемкостью (ПВ) называют такое состояние влажности почвы, когда все поры заполнены водой. Полная влагоемкость наблюдается над водоупорными горизонтами, на которых находятся грунтовые воды. В условиях полного насыщения почвы водой отсутствует аэрация, что затрудняет дыхание корней растений.

Водным режимом почвы называют совокупность всех процессов поступления влаги в почву, ее передвижения, удержания и расхода. Количественной характеристикой водного режима почвы является ее водный баланс. К основным источникам водного баланса относят осадки и грунтовые воды. Кроме того, дополнительными источниками увлажнения почвы служат поверхностный приток и влага, конденсирующаяся из паров воды. Расходные статьи водного баланса состоят из физического испарения воды поверхностью почвы, влаги, затраченной на транспирацию (десукцию) растениями, воды, теряющейся в результате поверхностного и внутрипочвенного бокового стоков, а также инфильтрирующейся в почвенно-грунтовую толщу.

Типы водного режима почв. В различных почвенно-климатических зонах и на отдельных участках местности водный баланс складывается по-разному. Выделяют несколько основных типов водного режима: застойный (мерзлотный), промывной, периодически промывной, непромывной и выпотной.

Коэффициент увлажнения, показывающий отношение годового количества осадков к испаряемости, используют для установления типа водного режима. Испаряемость - это количество воды, которое может испариться с открытой водной поверхности за определенный период времени. Г. Н. Высоцкий установил для различных природных зон следующие коэффициенты увлажнения: лесная - 1,33, лесостепная - 1, черноземная - 0,67, сухие степи - 0,33, пустыни - 0,15.

Застойный (мерзлотный) тип характерен для почв тундры, где многолетняя мерзлота выполняет роль водоупора. Оттаивающая летом почва насыщена влагой большую часть вегетационного периода.

Промывной тип характеризуется ежегодным промачиванием атмосферными осадками всей почвенной толщи до грунтовых вод. Этот тип водного режима свойствен почвам таежно-лесной зоны, влажных субтропиков и тропиков, где осадков выпадает больше, чем испаряется влаги из почвы (рис.3).

Рис.3. Схема водного баланса при водном режиме промывного типа (по А. А. Роде):

1 — влага осадков, задерживаемая  кронами; 2— поверхностный сток; 3 — физическое испарение и  транспирация травяно-моховым покровом; 4— внутрипочвенный сток; 5—транспирация  древесным пологом; 6— грунтовый  сток; в скобках приведены примерные  численные характеристики расходных  статей водного баланса

Периодически промывной тип присущ почвам лесостепной зоны и характеризуется промыванием почвы до грунтовых вод в годы, когда сумма осадков превышает испаряемость. Непромывной тип характерен для черноземов, каштановых, бурых почв и сероземов, где испаряемость превышает сумму атмосферных осадков. Почвы и подстилающие породы никогда не промываются до грунтовых вод. Между верхним промачиваемым слоем и границей капиллярной каймы грунтовых вод находится «мертвый» горизонт с постоянной влажностью, близкой к влажности завядания (рис.4).

Выпотной тип возникает в засушливых районах, где испаряемость значительно превышает сумму осадков. Недостаток влаги пополняется за счет грунтовых вод. Если грунтовые воды минерализованы, то происходит засоление почв (рис.5).

Рис.4. Схема водного баланса при водном режиме непромывного типа (по А. А. Роде):

1 — влага осадков, задерживаемая  кронами; 2—физическое испарение  и транспирация травяным покровом; 3— транспирация древесным пологом

Рис.5. Схема водного баланса при водном режиме выпотного типа (по А. А. Роде)

Список использованных источников.

Научно-методическая литература:

1. Хабаров А.В., Яскин А.А. Почвоведение. – М.: Колос, 2001.-232 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для сред. спец. учеб. заведений)

2. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвоведение. Учебник для вузов. – Москва: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. – 496 с. (Серия «Учебный курс»).

Интернет-ресурсы:

3. Энциклопедия животного  мира. http://www.zoodrug.ru

4. Энциклопедия научной  литературы. http://enc.sci-lib.com