Состав почвы

В состав почвы входят:

твёрдая фаза;
жидкая фаза, или почвенный раствор;
газовая (газообразная) фаза, или почвенный воздух.

Почва — самостоятельное естественно-историческое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия. Почва — сложная саморегулирующаяся поликомпонентная биокосная единая система.

Почва представляет собой гомогенную систему, состоящую из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной.

Твёрдая фаза состоит из минеральной и органической части и представляет скелет почвы. Она включает твёрдые частицы, между которыми находятся свободные пустоты — поры, заполненные водой или воздухом.

Соотношение твёрдой, жидкой и газообразной фаз определяет режим обеспеченности растений земными факторами жизни. Для разных типов почв оно различно, а его изменение позволяет регулировать условия жизни растений. Оптимальным принято считать соотношение 2:1:1, то есть твёрдой фазы — 50%, жидкой и газообразной — по 25%.

Создание и поддержание оптимального соотношения объёмов фаз почвы достигается рядом приёмов обработки почвы, мелиорацией, внесением удобрений, благодаря чему улучшается водный, тепловой, воздушный, питательный режимы, создавая тем самым благоприятные условия роста и развития растений.

Газовая фаза

Газовая фаза является результатом взаимодействия атмосферного воздуха и газов, образующихся в почве. В его составе отмечается более высокое, по сравнению с атмосферным воздухом, содержание углекислого газа — 0,3-1%, иногда до 2-3% и более и меньшее содержание кислорода. Газа фаза отличается высокой подвижностью, которая зависит от множества условий: содержания органического вещества, погодных условий, характера растительности и др.

Достаточное содержание кислорода в почве создаёт благоприятные условия для деятельности аэробных микроорганизмов. Напротив, при его недостатке складываются условия для развития анаэробных бактерий, которые часто являются патогенными для растений.

Объём почвенного воздуха находится в динамическом равновесии с жидкой фазой: чем больше воды, тем меньше воздуха. Процессы газообмена в почве происходят постоянно в результате разложения органических веществ, дыхания корней растений и почвенных организмов, а также некоторых химических реакций. В результате газообмена надпочвенный воздух обогащается углекислым газом, улучшая условия фотосинтеза. При взаимодействии углекислого газа с водой жидкой фазой происходит слабое подкисление почвенного раствора по реакции:

$${CO_2 + H_2O \leftrightarrows H^+ + HCO_3^-.}$$

Подкисление способствует переходу некоторых минеральных веществ твёрдой фазы, например, фосфатов и сульфата кальция, в доступную для растений форму. Одновременно, избыток углекислого газа приводит к недостатку кислорода и созданию анаэробных условий, что наблюдается при переувлажнении и переуплотнении почв. Недостаток кислорода в газовой фазе тормозит рост и развитие микроорганизмов и растений, препятствует усвоению питательных веществ, усиливает восстановительные процессы в жидкой и твёрдой фазах.

Почвенный воздух сосредотачивается в некапиллярных порах, то есть в больших промежутках почвы. При заполнении всех пор водой почвенный воздух вытесняется, наоборот, если почва сухая, воздух заполняет все поры — капиллярные и некапиллярные.

Наиболее оптимальное соотношение воды и воздуха складывается на рыхлых структурных окультуренных и обработанных почвах. Регулирование водного и воздушного режимов почв соответствующими обработками в сочетании с применением удобрений и мелиорантов улучшает корневое и воздушное питание растений, тем самым повышает количество и качество продукции, способствует развитию почвенной биоты.

Жидкая фаза

Жидкая фаза, или почвенный раствор, — раствор минеральных и газообразных веществ, растворимых в воде. Является наиболее активной и динамичной фазой почвы, из которой растения усваивают питательные вещества и одновременно происходит взаимодействие растений с удобрениями, мелиорантами, твёрдой и газообразной фазами.

В состав почвенного раствора входят катионы (Ca²⁺, Mg²⁺, H⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺ и др.), анионы (HCO₃^-, OH^-, Cl^-, NO₃^-, SO₄-, H₂PO₄^- и др.), водорастворимые органические соединения и растворимые газы CO₂, O₂, NH₃ и др. Поступление ионов в почвенный раствор происходит из твёрдой и газообразной фаз, удобрений и мелиорантов, выделений почвенной биоты, атмосферных осадков и грунтовых вод. Таким образом, состав и концентрация, кислотность, буферность и осмотическое давление почвенного раствора динамичны и определяются почвенно-климатическими условиями и антропогенным воздействием.

Концентрация солей в почвенном растворе зависит от свойств, минерального состава, типа почвы, природных условий, степени засоления и миграции солей по профилю почвы, антропогенного воздействия и т. д. Концентрация различных солей может варьировать от тысячных до сотых долей процента (10-200 мг/л) в малоплодородных почвах до 1 и более процента (> 10 000 мг/л) в сильнозасоленных (солончаках), в среднеплодородных почвах — около 500 мг/л. Избыток солей более 2000 мг/л обычно негативно воздействует на сельскохозяйственные культуры, особенно в первые 2-4 недели после прорастания семян. С возрастом устойчивость к высоким концентрациям возрастает.

Свойства жидкой фазы в целом определяются водным режимом почвы.

Твёрдая фаза

Твёрдая фаза почвы состоит из:

минеральной части, доля которой составляет от 90% до 99,5%;
органической, или органическое вещество почвы, на долю который приходится от 0,5% до 10%.

Органическая часть, или органическое вещество почвы, — это остатки растительных и животных организмов и продукты их разложения и неосинтеза, среди которых преобладает гумус.

На долю кислорода, кремния, алюминия и железа приходится почти 93% твёрдой фазы, углерода, калия и кальция — 4,6% и 2,5% — на все оставшиеся элементы. Углерод, кислород, водород, фосфор и сера содержатся в минеральной и органической частях, тогда как азот — почти полностью в органической.

Таблица. Усредненный химический состав твёрдой фазы почвы (% массы) по А. П. Виноградову.

Элемент	Содержание	Элемент	Содержание	Элемент	Содержание
Кислород	49,0	Барий	0,05	Галлий	0,001
Кремний	33,0	Стронций	0,03	Олово	0,001
Алюминий	7,1	Цирконий	0,03	Кобальт	8·10^-4
Железо	3,7	Фтор	0,02	Торий	6·10^-4
Углерод	2,0	Хром	0,02	Мышьяк	5·10^-4
Кальций	1,3	Хлор	0,01	Йод	5·10^-4
Калий	1,3	Ванадий	0,01	Цезий	5·10^-4
Натрий	0,6	Рубидий	0,006	Молибден	3·10^-4
Магний	0,6	Цинк	0,005	Уран	1·10^-4
Водород	0,5	Церий	0,005	Бериллий	1·10^-4
Титан	0,46	Никель	0,004	Германий	1·10^-4
Азот	0,10	Литий	0,003	Кадмий	5·10^-5
Фосфор	0,08	Медь	0,002	Селен	1·10^-6
Сера	0,08	Бор	0,001	Ртуть	1·10^-6
Марганец	0,08	Свинец	0,001	Радий	8·10^-11

Минеральная часть почвы — основная составляющая почв, представляет собой обломки и частицы первичных пород и минералов, вторичные, то есть вновь образованные минералы, оксиды, соли и другие соединения, образующиеся в процессе выветривания и почвообразования. В минеральную часть входят все зольные вещества, 1-3% азота от общего количества.

Минеральная часть почвы возникла в ходе процессов выветривания горных пород и минералов верхних слоёв литосферы и их превращений. Это подтверждается схожим химическим составом литосферы и почв. Почвенный покров образовался под совокупным влиянием на минеральную природу физических и химических факторов, а также живых организмов, прежде всего растений и микроорганизмов.

Геохимический состав почвы наследуется от почвообразующих пород. Так, высокое содержание оксида кремния определяет высокое содержание его в почве. На карбонатных породах образуются почвы, обогащённые щелочноземельными элементами.

Силикаты и алюмосиликаты

По химическому строению минералы делятся на силикаты и алюмосиликаты. Из силикатов для всех типов почв во фракциях песка и пыли преобладает кварц — SiO₂, характеризующийся низкой поглотительной способностью и высокой водопроницаемостью. В почвах его содержание, как правило, более 60%, в песчаных — более 90%. Кварц химически инертен, отличается высокой прочностью.

Основой минеральной части почв составляют кремнекислородные соединения. Самый распространённый почвенный минерал — кварц, или оксид кремния. Алюминий и железо преимущественно входят в состав алюмосиликатных и ферросиликатных минералов. Атомы кремния и кислорода образуют прочносвязанные группы SiO₄, имеющие тетраэдрическую структуру. В связи с четырёхвалентностью кремния, группы SiO₄ могут образовывать между собой различные сложные комбинации соединения.

В структурах минералов тонкодисперсных фракций почв кремнекислородные тетраэдры могут соединяться в слои, цепочки или отдельные группы тетраэдров SiO₄. Суммарная степень окисления этих групп отрицательна. В сложных сочетаниях кремнекислородных тетраэдров часть атомов кремния может замещаться атомами алюминия.

В кристаллической решетке кварца тетраэдры SiO₄ соединены между собой посредством атомов кислорода с четырьмя другими тетраэдрами SiO₄. Общая формула кварца (SiO₂))_n. В кристаллической структуре полевых шпатов часть атомов кремния замещена на алюминий. Для компенсации возникающего отрицательного заряда кремнеалюмокислородного каркаса в их состав включаются атомы натрия, кальция и других, встраивающиеся в «полостях» решетки. Так, полевой шпат альбит имеет формулу Na[SiAlO₈].

Алюминий в тетраэдрической координации с ионами кислорода или гидроксильной группы ОН образует октаэдрические группы, где атом алюминия окружён шестью атомами кислорода или гидроксильной группами. Формула такого соединения (слоя) [Al(ОН)₃]⋅n соответствует минералу гиббситу (гидраргиллиту).

Структуру таких минералов можно представить следующим образом:

$${\dots [(ОН)_3Al_2(ОН)_3]⋅n \dots [(ОН)_3Al_2(ОН)_3]⋅n\dots [(OH)_3Al_2(OH)_3]⋅n.}$$

Формуле отражает химический состав слоя (пакета), а точки — межпакетные промежутки.

Минеральная часть почв состоит из первичных и вторичных минералов. В песчаных и супесчаных почвах в основном преобладают первичные минералы, суглинистые почвы состоят из первичных и вторичных минералов, а глинистые — преимущественно из вторичных с примесью кварца. Разделение минералов на первичные, то есть с размером частиц более 0,001 мм и вторичные менее 0,001 мм условно, так как последние являются продуктами физико-химического выветривания первичных и образования при этом гидратов полуторных оксидов кремнезема и иных соединений.

В процессе выветривания гидролиз полевого шпата и слюды приводит к замещению катионов металлов в кристаллических решетках минералов на ионы водорода:

$${ \underset{Ортоклаз \\ (полевой шпат)}{K[AlSi_3O_8]} + nH_2O \to \underset{Каолинит}{Al_4(OH)_8[Si_4O_10]} + \underset{Опал}{SiO_2 \cdot nH_2O} + \underset{Гидроксид}{KOH} ;}$$

$${ K(Mg,Fe)_3[AlSi_3O_{10}](OH,Fe)_2 + nH_2O \to (K,H_3O)(MgFe^{+2})_3[(Al,Si)_4O_{10}](OH)_2 \cdot nH_2O + Mg(OH)_2 + Fe_2O_3 \cdot H_2O + KOH.}$$

Физико-химическое выветривание нераздельно от биологического преобразования пород и минералов под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Первичные минералы почвы

Первичные минералы почвы — минералы, перешедшие из земной коры в почву без изменения своей структуры. К ним относятся минералы почвенного скелета:

кварц и его разновидности;
полевые шпаты: ортоклазы, плагиоклазы, слюды, роговые обманки, авгит, турмалин, магнетит, кальцит, доломит и др.

Первичные минералы почвы входят в состав материнских почвообразующих пород, образовавшихся в результате выветривания и разрушения горных пород. В почвах они присутствуют в виде песчаных частиц размером от 0,05 до 1,0 мм и пылеватых частиц размером от 0,001 до 0,05 мм. В небольшом количестве присутствуют в виде илистых частиц размером менее 1 мкм и коллоидных размером менее 0,25 мкм.

Из первичных минералов под влиянием физико-химических процессов, таких как гидратация, гидролиз, окисление и жизнедеятельности почвенных организмов образуются гидраты полуторных оксидов и кремнеземы, минеральные соли, а также вторичные минералы.

При разрушении полевых шпатов и слюд высвобождается калий, кальций, магний, железо и некоторые другие питательные элементы для растений.

Вторичные минералы почвы

Вторичные минералы, или минералы глин, — каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др. В основном представлены в виде илистых и коллоидных частиц, реже в виде пылеватых частиц.

В кристаллических решетках алюмосиликатных минералов мелкодисперсной фракции почв лежат комбинации кремнекислородных тетраэдрических и алюмогидроксильных октаэдрических слоёв.

Кристаллическая решетка каолинита образована пакетами из двух слоёв, связанных между собой атомами кислорода: тетраэдрического кремнекислородного и октаэдрического алюмогидроксильного:

$${\dots [O_3Si_2O_2(OH)Al_2(OH)_3]⋅n \dots [O_3Si_2O_2(OH)Al_2(OH)_3]⋅n.}$$

Кристаллические решетки монтмориллонита и гидрослюд образованы одним алюмогидроксильным слоем и двумя присоединёнными к нему кремнекислородными:

$${[O_3Si_2O_2(OH)Al_2OHO_2Si_2O_3]⋅n \dots [O_3Si_2O_2(OH)Al_2OHO_2Si_2O_3]⋅n.}$$

Связь между пакетами у минералов каолинитовой группы сильнее, а межпакетные пространства небольшие. Поэтому взаимодействие микрокристаллических частиц с водой протекает только на внешней поверхности.

У минералов монтмориллонитовой группы межпакетные пространства больше, а связь между пакетами слабее, поэтому молекулы воды могут проникать в межпакетные пространства. В катионном обмене с почвенным раствором минералов этой группы принимают участие катионы, расположенные на поверхности частиц и находящиеся в межпакетных промежутках. Этим объясняется высокая обменная поглотительная способность минералов монтмориллонитовой группы и наличие необменного поглощения катионов. Эта группа характеризуется высокой дисперсностью, набухаемостью, липкостью и вязкостью.

Почвенные глинистые минералы разделяются на:

монтмориллонитовые (монтмориллонит — Al₂Si₄O₁₀(OH)₂·nH₂O, бейделлит — Al₃Si₃O₉(OH)₃·nH₂O, нонтронит, сапонит, соконит и др.).
каолинитовые (каолинит — Al₂Si₂O₅(OH)₄ и галлуазит Al₂Si₂O₅(OH)₄·2H₂O),
гидрослюды (гидромусковит (иллит) (К,H₃O)Al₂(OH)₂[Al,Si]₄·nH₂O, гидробиотит, вермикулит),
минералы полуторных оксидов (гематит, бемит, гидраргиллит, гётит и др.).

Наибольшей поглотительной способностью обладают монтмориллонитовые минералы, наименьшей — каолинит. Так, ёмкость поглощения каолинита в 8-15 раз меньше ёмкости поглощения монтмориллонита. Эта особенность имеет значение в поглощении удобрений.

Монтмориллонит — Mg₃(OH)₄[Si₄O₈(OH)₂]·H₂O — характеризуется высокой дисперсностью: 40-50% коллоидных (размер менее 0,0001 мм) и 60-80% илистых (размер менее 0,001 мм) частиц. Преобладает в чернозёмах. Из-за высокой дисперсности ёмкость поглощения достигает 120 мг·экв/100 г, при увлажнении набухает. В межплоскостное пространство кристаллической структуры могут проникать катионы (K⁺, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺ и др.), которые при дегидрации (подсушивании) почвы фиксируются и становятся недоступными для растений до следующего насыщения влагой.

Вторичные алюмосиликатные минералы находятся в почве в виде мелкодисперсных кристаллов и характеризуются высокой поглотительной способностью.

Группа каолинитов менее дисперсна, обладает небольшой набухаемостью и липкостью, ёмкость поглощения — не более 25 мг·экв/100 г почвы, размер частиц менее 0,001 мм, водопроницаемость хорошая.

В дерново-подзолистых и чернозёмных почвах, сформированных на покровных суглинках, в составе высокодисперсных фракций преобладают монтмориллонит и гидрослюды. В краснозёмах, желтозёмах и дерново-подзолистых почвах, сформировавшихся на продуктах древнего гумидного выветривания гранита, содержание минералов каолинитовой группы значительно выше.

Гидрослюды образуются из слюд, имеют непостоянный химический состав, по физическим свойствам занимают промежуточное положение между монтмориллонитом и каолинитом. Гидрослюды присутствуют во всех почвах в илистой и коллоидной фракциях. Из-за высокой дисперсности обладают большой поверхностью и поглотительной способностью.

Слюды определяют агрохимические и агрофизические свойства почвы. Являются источником калийного питания растений, в их состав входит до 5-7% калия. Энергия коллоидного поглощения калия большая, вследствие чего в поглощающем комплексе его содержится 0,510 ммоль/100 г почвы. Краснозёмы и латериты вследствие небольшого содержания слюд и гидрослюд и избытком минералов каолинитов группы с низким содержанием калия, отличаются дефицитом калия.

К слабо окристаллизованным минералам, существенно влияющих на поглотительную способность почв, относятся аллофан, свободная кремнекислота, различные кислоты и их соли. В состав минеральной части почвы входят аморфные вещества: гидраты оксидов алюминия Al₂O₃ ⋅ nH₂O, железа Fe₂O₃ ⋅ nH₂O и кремния SiO₂ ⋅ nH₂O. Наибольшее их содержание отмечается в краснозёмах и желтозёмах. В изоэлектрических точках этим вещества образуют аморфные осадки, которые по мере старения образуя новые минералы:

$${ \underset{аморфный}{SiO_2 \cdot nH_2O} \to \underset{Опал}{SiO_2 \cdot nH_2O} \to \underset{Халцедон}{SiO_2} \to \underset{Кварц}{SiO_2} }$$

$${\underset{аморфный}{Fe_2O_3 \cdot nH_2O} \to \underset{Гётит}{Fe_2O_3 \cdot H_2O} \to \underset{Гематит}{Fe_2O_3} \to \underset{Гидрогётит кристаллический}{Fe_2O_3 \cdot mH_2O} }$$

Минеральные соли

В почве содержатся минеральные соли: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия, марганца. Все нитраты и хлориды, а также соли калия и натрия хорошо растворимы в воде, но их содержание в почвах (за исключением засоленных) относительно небольшое. Малорастворимые соли (карбонаты кальция, магния и сульфат кальция) встречаются в составе твёрдой фазы в некоторых почвах в значительных количествах, а нерастворимые — фосфаты кальция, магния, железа и алюминия — во всех почвах.

Таблица. Содержание микроэлементов в почве и литосфере, масс. %.

Элемент	Содержание		Элемент	Содержание
Элемент	в почве	в литосфере	Элемент	в почве	в литосфере
Марганец	0,085	0,09	Медь	0,002	0,01
Фтор	0,02	0,027	Цинк	0,005	0,005
Вольфрам	0,01	0,015	Кобальт	8·10^-4	0,003
Бор	0,001	3·10^-4	Молибден	3·10^-4	3·10^-4
Никель	0,004	0,008	Йод	5·10^-4	3·10^-5

Основным источником микроэлементов в почве служат почвообразующие горные породы. Так, почвы, образовавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, то есть гранитах, липаритах, гранито-порфирах, бедны никелем, кобальтом, медью. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания основных пород (базальтах, габбро), напротив, обогащены этими элементами.

Некоторые микроэлементы, например, йод, бор, фтор, селен, мышьяк могут поступать в почву из атмосферного воздуха, вулканических извержений и осадками. Для йода и фтора эти источники являются основными.

Биологических фактор почвообразования

Благодаря деятельности живых организмов в почве по сравнению с земной корой содержание углерода увеличилось в 20 раз, азота — в 10 раз.

Почвообразование в естественных условиях протекает очень медленно. Применение удобрений и агротехнических приёмов позволяет ускорить этот процесс. Так, внесение удобрений усиливает жизнедеятельность растений и почвенной микрофлоры, что приводит к накоплению органических веществ и биологически важных элементов.

Литература

Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017
Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002
Никляев В. С. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. М.: «Былина». 2000
Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000