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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 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 геохимической  энергии живого вещества». Б.Б.Полынов отмечал, что «именно здесь, в почвах наиболее сосредоточена работа живого вещества; именно в почвах готовится материал континентальных и морских отложений, из которого в дальнейшем образуются новые породы. Но в то же время здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и приспособления организмов к изменяющимся условиям жизни, создаются многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших организмов и высших растений». Таким образом, почвы – область наивысшей геохимической энергии живого вещества.

  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 соединений грунтовыми водами в них однотипны.

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 растительных остатков располагается на поверхности  почвы в виде лесной подстилки  в лесах, травяного войлока в  степях и скоплений торфа в  заболоченных ландшафтах.

Отмирающие органы растений, поступая в почву, подвергаются интенсивной  деструкции. Одновременно происходит образование специфических органических соединений.

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 преобразования мезофауной и микроорганизмами. А также из специфических почвенных органических веществ.

В органическом веществе почв различают три главные группы компонентов:

1 группа – грубый гумус  – слаборазложившиеся остатки  преимущественно растительного  происхождения, образующие лесные  подстилки и степной войлок.

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 обнаруживающие  следов строения растительных  тканей. Это аморфные скопления  от хорошо прозрачных светло-желтых до почти непрозрачных темно-бурых. В одних почвах гумусовые вещества равномерно распределены в объеме, а в других склеивают мелкие минеральные частицы, образуя гумус типа мулль.

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 абсолютного  возраста вещества гумуса по изотопу 14С  с периодом полураспада 5678 лет. По данным В.В. Добровольского обновление гумуса в верхнем горизонте современных  почв происходит за 300-500 лет. В более  глубоких горизонтах процесс обновления происходит значительно медленнее и гумусовые вещества имеют возраст в несколько тысяч лет. Это связано с большей насыщенностью живыми организмами верхнего горизонта почв. Одновременно с уменьшением численности микроорганизмов уменьшается вниз по разрезу почвы и количество гумуса.

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 соединения – хелаты (железа, алюминия и т.д.).

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 ельником, ежегодно выносится до 4 кг органического  углерода и до 84 мг оксида железа, связанного с растворимым органическим веществом. Из подстилки под дубовым лесом  на черноземе выносится гораздо  меньше органического углерода –  всего до 80 мг и связанного с органическим веществом железа – до 10 мг! Это  означает, что микроорганизмы подзолистой  почвы при переработке подстилки  активно продуцируют растворимые  фульвокислоты, а микроорганизмы чернозема способствуют образованию водонерастворимых гелей гуминовых кислот и гуматов кальция.