Подвижные формы N, P, K в пищевом режиме почвы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения

высшего профессионального образования

Уральский государственный педагогический университет

Географо-биологический факультет

Кафедра экологии и ЭО

Подвижные формы N, P, K в пищевом режиме почвы

Курсовая работа

(по дисциплине «Почвоведение»)

Исполнитель:

Студентка 205 группы

Вопилова Л.В

Руководитель:

Научный руководитель,

Ассистент кафедры экологии

Ванюкова Т.В.

Екатеринбург 2012

Оглавление

Введение

Глава 1. Современные представления о почве

1.1 Понятие «почва

1.2 Свойства почвы

1.2.1 Поглотительные способности почвы

1.2.2 Химические свойства почвы

1.2.3 Физические свойства почвы

1.2.4 Водные свойства почвы

Глава 2. Особенности химического состава почв

2.1 Химические свойства почв

2.2 Основные питательные элементы для живых организмов в почве

2.2.1 Азот в почве

2.2.2 Фосфор в почве

2.2.3 Калий в почве

Глава 3. Значение химических элементов в жизни организмов

3.1 Роль азота

3.2 Роль фосфора

3.3Роль калия

Заключение

Библиографический список

Тезаурус

Введение

В настоящее время проблема взаимодействия человеческого общества с природой приобрела особую остроту. Становится бесспорным, что решение проблемы сохранения качества жизни человека немыслимо без определенного осмысления современных экологических проблем: сохранение эволюции живого, наследственных субстанций (генофонда флоры и фауны), сохранение чистоты и продуктивности природных сред (атмосферы, гидросферы, почв, лесов и т. д.), экологическое нормирование антропогенного пресса на природные экосистемы в пределах их буферной емкости, сохранение озонового слоя, трофических цепей в природе, биокруговорота веществ и другие.Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.

Цель работы: изучение химических свойств почвы и значения химических элементов в ее питательном режиме.

Задачи исследования:

ознакомиться с литературой по данной теме;

обобщить современные представления о почве и ее свойствах;

обобщить теоретические данные о химическом составе почвы;

изучить роль азота, калия и фосфора в пищевом режиме почвы.

Объект исследования - почва.

Предмет исследования - химические свойства почв.

Источники информации:

учебные пособия;

интернет ресурсы;

курс лекций по общему почвоведению.

Структура курсовой работы:

Введение;

3 главы;

Заключение;

Библиографический список, состоящий из 13 источников;

Тезаурус, включающий в себя 8 терминов.

В ходе работы был использован метод дедукции (от общего к частному).

Глава 1. Современные представления о почве

1.1 Понятие «Почва»

Почва - это важнейший компонент экологической среды, её образование в природе происходит на протяжении десятков и сотен тысяч лет. В настоящее время накоплено очень много о почве, и в этом заслуга ученых - почвоведов. Вообще, почвоведение, как наука зародилась в России в конце XIX века. Основоположниками явились В.В. Докучаев, П.А. Костычев, Н.М. Сибирцев (Гаркуша, 1962).

Первое научное определение почвы дал В.В. Докучаев (1846-1903). Он считал, что почвой следует назвать наружные горизонты горных пород, естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха, и различного рода организмов (Гаркуша, 1962).

Отсюда видно, что основой почв является рыхлые осадочные породы, которые, превращаясь в почвы претерпели большие изменения под воздействием, прежде всего, растений и микроорганизмов. При этом возросли доступность и концентрация элементов зольной пищи растений в верхних горизонтах породы, в них появились соединения азота, со временем их содержание стало удовлетворять потребность высших растений в азотном питании.

Образовалось сложное органическое вещество в почвах, которое получило название - гумус. Получила развитие поглотительная способность почв, способность почв обеспечивать растение водой. Разнообразие растительности и сопутствующих ей живых организмов, климата, рельефа и почвообразующих пород привело к формированию различных почв в природе. Сформировались горизонтальные и вертикальные почвенные зоны с преобладанием в них определенных типов почв с характерными внешними признаками и агрономическими свойствами.

Почва, по определению П.А. Костычева (1860-1900), - это верхний слой земли до той глубины, до которой доходит главная масса корней растений (Гаркуша, 1962).Именно на эту глубину поверхностные, осадочные обломочные горные породы претерпели наиболее существенные химические, физические и физико-химические изменения, в результате которых этот слой обеспечивает растения элементами питания и водой.

Почва является сложной системой, состоящей из 4 фаз:

твердой,

жидкой,

газовой,

живой.

Твердая фаза почв (песчаная, супесчаная, суглинистая, глинистая) представляет собой комплекс первичных и вторичных минералов и органического вещества - гумуса.

Жидкая фаза почв - это почвенный раствор. Чистой воды в почвах нет. В почвенном растворе находятся элементы питания растений в ионной форме, анионы органических и неорганических кислот, и другие компоненты.

Газовая фаза почв близка по составу к атмосферному по содержанию азота и кислорода, но отличается от него постоянным, более высоким содержанием диоксида углерода, наличием в некоторых почвах сероводорода, метана и других газов. Почвенный воздух играет огромную роль в питании растений и в окислительно-восстановительных процессах.

Живая фаза почв представлена корневыми системами растений, микроорганизмами, насекомыми и животными. В почве протекает активная жизнь. Число микроорганизмов на 1г почвы измеряется несколькими миллионами. Около 95% насекомых проводит свою жизнь в почвах.

В определении выдающегося почвоведа В.Р. Вильямса (1863-1939) указывается, что почва - это поверхностный горизонт суши земного шара, способный производить урожай растений (Гаркуша, 1962). Порода бесплодна, а почва обладает качественным признаком - плодородием, в связи с этим обеспечивается получение урожая.

Плодородие почвы - это очень емкое понятие. Плодородие - это комплекс свойств почв, протекающих в почвах процессов, обеспечивающих снабжение растений земными факторами жизни - питательными веществами, водой, воздухом и теплом в определенных экологических условиях. Плодородие почвы определяется ее урожайностью конкретных растений и зависит от их способности усваивать из почвы элементы питания, воду и т.д.

Кроме земных факторов жизни растений имеются еще и космические: свет, тепло, воздух, которые человек пока еще не научился в полной мере эффективно использовать в земледелии.

Так солнечная радиация используется многими культурными растениями для фотосинтеза приблизительно на 2%. Для лучшего потребления растениями солнечного света, тепла необходимо повышать плодородие почв.

Для проведения мероприятий по повышению плодородия почв, нужно знать их химический состав, физические, физико-химические, воздушные, водные, тепловые и другие свойства почв, состав почвенных растворов. Различные виды режимов, процессов, протекающих в почвах, их сочетание в почвах разных природных зон, необходимое оптимальное сочетание для получения высоких урожаев и пути создания этих условий в агрономической практике (Генадиев, Глазовская, 2005).

1.2 Свойства почвы

Почва как сложное природное органо-минеральное тело обладает рядом свойств:

1.2.1 Поглотительной способностью почвы называется свойство задерживать или поглощать различные вещества, взаимодействующие и соприкасающиеся с ее твердой фазой. Почва способна задерживать или поглощать газы, различные соединения из растворов, минеральные или органические частицы, микроорганизмы и суспензии. Почвой энергично поглощаются и сохраняются главные элементы питания растений - K, N, Ca, Mg, P.

а) Механическая поглотительная способность - свойство почвы механически задерживать взвешенные в воде вещества, обусловлена механическим составом, структурой, сложением, пористостью и капиллярностью почвы. Почва как фильтр, способна закреплять фильтрующиеся через нее частицы в зависимости от их размеров, диаметров капиллярных и расположения их. Эта способность используется при кольматировании (заилении) песчаных почв и очистке бытовых и технических сточных вод.

б) Физическая поглотительная способность - свойство почвы поглощать из раствора молекулы электролитов, продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований, а также коллоиды при их коагуляции. При физическом поглощении происходит аполярная адсорбация(сгущение молекул на поверхности раздела двух фаз - твердой и жидкой, твердой и газообразной), определяемая наличием ненасыщенной энергии на поверхности почвенных частиц. Эта энергия тем больше, чем тоньше механический состав почвы. Физическая поглотительная способность поэтому выше у суглинистых почв и слабее у песчаных.

Физическое поглощение защищает водорастворимые соединения от вымывания. Такое поглощение нередко сопровождается коагуляцией коллоидных веществ под воздействием электролитов, что также предохраняет от вымывания водорастворимые соединения. Вот почему химическими мелиорациями можно способствовать коагуляции коллоидов и противодействовать пептизации их.

в) Химическая поглотительная способность - свойство почвы удерживать ионы в результате образования нерастворимых или труднорастворимых солей. Она заключается в выпадении из почвенных растворов осадков и закрепления их в почве. При взаимодействии растворимых и среднерастворимых солей возникают труднорастворимые соли, которые и присоединяются к твердой фазе почвы. например:

Na2СО3+СаSO СаСО3+Na2SO4

3CаSO4+2Na3РО4 Са3(РО4)2+ 3Na2SO4

Легкорастворимые соли, например, Na2SO4, уносятся из сферы взаимодействия. Химическое поглощение происходит в том случае, если анион раствора дает нерастворимое соединение с ионами, находящимися на поверхности твердых частиц почвы

г) Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность - свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов из соприкасающихся растворов. Здесь наблюдается физическое и химическое поглощение. Происходит эквивалентный обмен катиононами. Катионы из раствора переходят в слой компенсирующих ионов мицелл почвенных коллоидов, а катионы из слоя компенсирующих ионов - в раствор. Изменяя искусственно реакцию почвенных растворов, можно направленно воздействовать на емкость поглощения, а из необменного состояния катионы перевести в обменные. Перевод в необменное состояние катионов совершается при периодическом высушивании почвы, что объясняется старением и частичной кристаллизацией гелей коллоидов.

д) Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью организмов почвы (главным образом микрофлоры), которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества, а при отмирании обогащают ими почву. Растворимые соединения, поступающие из раствора, а также вещества, ассимилируемые организмами из твердой и газообразной фазы почвы, переходят в нерастворимую форму в теле организмов. Благодаря такому поглощению в почве аккумулируются необходимые для растений элементы зольного и азотного питания. Это избирательная поглотительная способность по отношению к элементам питания растений. Особенно большое значение имеет для улучшения бедных питательными веществами легкопромываемых почв.

Почва задерживает бактерии и адсорбирует их как физическая среда. Это свойство более выражено у суглинистых и меньше у песчаных почв. Адсорбирующая способность почв различна по отношению к разным видам бактерий.

Поглотительная способность почв сильнее проявляется в условиях оптимальной влажности почв, когда накапливается перегной и элементы пищи растений и повышается плодородие почв.

1.2.2 Химические свойства почвы определяются процессами, происходящими в основном между ее твердой и жидкой фазами. По закону действующих масс в почве образуются и поступают в раствор различные вещества, в ней устанавливается подвижное равновесие между твердой частью и почвенным раствором. При уменьшении концентрации такого раствора часть веществ поступает в него из твердой фазы почвы и, наоборот, при увеличении концентрации часть веществ выпадает из раствора, присоединяясь к твердой фазе почвы.

а) Почвенный раствор. В почвенной воде растворимы различные соли и кислоты, которые представляют так называемый почвенный раствор. Он образуется в процессе почвообразования в течение длительного времени в результате движения воды в почве и смачивания ее. Соли растворяются под действием кислот, коалинизации, окислительно-восстановительных процессов, гидролиза веществ и т.д. Почвенный раствор по составу и концентрации определяется взаимодействием почвы, воды и организмов, которое состоит в растворении минеральных и органических веществ, пептизации, коагуляции и обмене ионами растворов с почвенными коллоидами.

б) Реакция почвенного раствора создается при взаимодействии почвы с водой или растворами солей, характеризуется концентрацией водородных и гидроксильных ионов. Реакция может быть кислой, щелочной или нейтральной. В последнем случае концентрация ионов Н+ и ОН- одинакова. Реакция почвенного раствора выражается символом рН - десятичным логарифмом с обратным знаком, показывающим степень концентрации Н в почвенном растворе, или количеством Н-иона в листе раствора.

Различают активную (актуальную) и потенциальную кислотность. Активная кислотность возникает за счет слабых кислот (главным образом углекислоты, органических кислот), а также кислых солей и минеральных кислот, особенно H2SO4 . Эта кислотность обнаруживается действием воды на почву, поглощающий коллоидный комплекс которой не насыщен основаниями.

в) Буферность. Способность почвенной суспензии противостоять изменению ее активной реакции (рН) при внесении в почву кислот или щелочей называется буферный действием. В следствие буферности почва обладает относительно устойчивой реакцией почвенного раствора. Буферное действие присуще твердой фазе почвы и зависит от ее химического, коллоидного и механического состава.

1.2.3 Физические свойства почвы разделяются на основные (объемный и удельный вес, пористость, пластичность, липкость, связность, твердость, спелость) и функциональные (водные, воздушные и тепловые). К последним относят способность поглощать (впитывать) выпадающие осадки или оросительную воду, пропускать, сохранять или удерживать ее, подавать из глубоких горизонтов к поверхности, снабжать ею растения и т.д. Вода значительно изменяет физические, химические, тепловые и воздушные свойства почвы.

Физические свойства почвы, тесно связанные с другими ее свойствами, изменяются в соответствии с ходом почвообразования, а с изменением свойств изменяется и почвообразование.

а) Объемный и удельный вес. Объёмный вес - вес единицы объема абсолютно сухой почвы в естественном сложении (с порами), или вес в граммах 1 см3 сухой почвы. Он определяется взвешиванием образца с ненарушенным строем, взятого в строго определенном объеме.

Удельный вес - вес в граммах 1 см3 твердой массы почвы без пор. Удельным весом почвы называют отношение веса твердой ее фазы определенного объема к весу воды при 40оС в том же объеме.

б) Пористость (скважность). Суммарный объем пор между частицами твердой фазы (объем всех промежутков), выраженный отношением объема пор к объему почвы.

В отличии от пористого сложения почвы или от пористости горных пород или других тел, скважность почвы нередко называют порозностью.

Размер пор, форма и сочетание их весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава - элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных отдельностей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей.

Эти промежутки по форме и размерам сильно изменяются во времени в зависимости от происходящих в почве физико-механических и биологических процессов. вследствие частичной или полной закупорки некоторые поры исчезают, другие возникают вновь.

В почвах возможна уплотненная укладка, если промежутки первого порядка будут заняты частицами или агрегатами, диаметр которых отвечает размерам пор.

Пористость почвообразующих пород и почв различного механического состава колеблется значительно. Пористость тем выше, чем мельче механический состав почвы. Более крупные частицы образуют хотя и более крупные поры, но общий объем их несравненно меньше, чем сумма объема многочисленных пор, создаваемых мелкими (тонкими) частицами.

в) Пластичностью почвы называется способность ее в определенном интервале влажности под воздействием внешних сил изменять свою форму с сохранением новой приданной формы (способность к формованию и лепке). Это свойство обуславливается образованием гидротированных плотных оболочек вокруг мельчайших частичек почвы. Наибольшую пластичность имеют так называемые жирные, или тяжелые, глины, состоящие из тонких чешуйчатых частичек, сложенных в форме плотных штабелей.

г) Липкость (клейкость) - способность почвы во влажном состоянии прилипать к вводимым в нее предметам или соприкасающимся с нею. Она зависит от влажности, механического и химического состава и других свойств почвы. Начинает проявляться в структурной почве при ее влажности 60 - 70% и в бесструктурной - при 40 - 60% полной влагоемкости. Затем липкость возрастает до степени влажности, соответствующей нижнему пределу текучести, а при последующем повышении влажности липкость уменьшается и при переходе почвы в текущее состояние исчезает.

Липкость определяется количеством влаги, соответствующим моменту, когда почвенная масса при некоторой наименьшей влажности начинает прилипать.

д) Связность - это свойство взаимного сцепления или притягивающего действия между почвенными частицами, которое измеряется силой, удерживающей частицы одну около другой. Оно обуславливается проявлением адсорбции, когезии, цементирующим действием различных веществ (глина, перегной, известь), степенью увлажнения почвы и другими факторами.

е) Твердость (плотность). Твердостью почвы называется способность ее оказывать сопротивление проникновению в нее твердых режущих тел род давлением.

Твердость в поле обычно устанавливают визуально, различая следующие степени плотности почвы:

рыхлая - осыпается со стенок разреза от прикосновения ножа, легко проникающего в почву;

рыхловатая - осыпается меньше предыдущей, почвенный разрез без затруднения копается лопатой, нож хорошо проникает в почву;

уплотненная (плотноватая) - удовлетворительно режется лопатой и ножом, нож с трудом входит в почву;

твердая - с трудом режется лопатой; стенки разреза очень плотные, нож с трудом входит а почву;

очень твердая - слабо поддается действию лопаты. Нож лишь оставляет черту, не проникая в почву. Эта степень твердости характерна для иллювиальных горизонтов сильносолонцеватых почв, солонцов и в ряде случаев подзолов (ортштейны, ортзанды) и пр.

ж) Почвенная корка и плужная подошва. На поверхности суглинистой и глинистой почвы после увлажнения очень часто образуется заплывший верхний слой пахотного горизонта, изрезанный вертикальными трещинами. Она, увеличивая потери влаги из пашни, снижает полевую всхожесть, ухудшает условия роста и развития растений и понижает урожай всех культур.

Ниже границ пахотного горизонта суглинистой и глинистой почвы (Ап) нередко наблюдается уплотненный подпахотный горизонт, называемый плужной, или пахотной подошвой. Для ее уничтожения необходимо менять глубину вспашки и разрушать подошву почвоуглубителем, известкованием кислых и гипсованием щелочных почв и пр.

1.2.4 Водные свойства почвы

Вода в почве является одним из основных факторов почвообразования и одним из главнейших условий плодородия. В мелиоративном отношении особенно важное значение вода приобретает как физическая система, находящаяся в сложных взаимоотношениях с твердой и газообразной фазой почвы и растением. Недостаток воды в почве губительно отражается на урожае. Лишь при необходимом для нормального роста и развития растений содержании жидкой воды и элементов питания в почве при благоприятных воздушных и термических условиях можно получить высокий урожай.

Основной источник воды в почве - выпадающие осадки, каждый миллиметр которых на гектаре составляет 10м3, или 10т воды.

На Земле непрерывно совершается круговорот воды. Это постоянно протекающий геофизический процесс, включающий следующие звенья:

испарение воды с поверхности мирового океана;

перенос паров воздушными потоками в атмосфере;

образование облаков и выпадение осадков над океаном и сушей;

движение воды на поверхности Земли и в недрах ее (аккумуляция осадков, сток, инфильтрация, испарение).

а) Влажность почвы. Содержание воды в почве определяется климатическими условиями зоны и водоудерживающей способность почвы. Роль почвы во внешнем влагообороте и внутреннем влагообмене повышается в результате ее окультуривания, когда заметно увеличиваются влажность, водопроницаемость и влагоемкость, но сокращаются поверхностный сток и бесполезное испарение.

Содержание воды в почве колеблется в пределах от сильного иссушения (физиологической сухости) до полного насыщения и переувлажнения. Количество воды, находящейся в данный момент в почве и выраженное в весовых или объемных процентах по отношению к абсолютной сухой почве, называется влажностью почвы. Зная влажность почвы, нетрудно определить запас почвенной влаги. Одна и та же почва может быть неодинаково увлажнена на разных глубинах и в отдельных участках почвенного разреза. Увлажненность почвы зависит от физических свойств ее, водопроницаемости, влагоемкости, капиллярности, удельной поверхности и других условий увлажнения. Изменение влажности почв и создание благоприятных условий увлажнения в течение вегетационного периода достигаются приемами агротехники.

Каждая почва имеет свою динамику влажности, меняющуюся по генетическим горизонтам. Различают влажность абсолютную, характеризующуюся валовым (абсолютным) количеством влаги в почве в данной точке на данный момент, выраженном в процентах от веса или объема почвы, и влажность относительную, исчисляемую в процентах от пористости (полной влагоемкости).

Влажность почвы определяется разными методами.

б) Влагоёмкость (влагоудержание) - свойство почвы поглощать и удерживать то максимальное количество воды, которое в данное время соответствует воздействию на нее сил и условиям внешней среды. Это свойство зависит от состояния увлажненности, пористости, температуры почвы, концентрации и состава почвенных растворов, степени окультуренности, а также от других факторов и условий почвообразования. Чем выше температура почвы и воздуха, тем меньше влагоемкость, за исключением почв, обогащенных перегноем. Влагоемкость меняется по генетическим горизонтам и высоте почвенной колонны.

В почвенной колонне как бы заключена водная колонна, форма которой зависит от высоты столба почвенного грунта над зеркалом и от условия увлажнения с поверхности. Форма такой колонны будет соответствовать природной зоне. Эти колонны в природных условиях меняются по сезонам года, а также от погодных условий и колебания влажности почвы. Водная колонна изменяется, приближаясь к оптимальной, в условиях окультуривания и мелиорации почвы.

Различаются следующие виды влагоемкости:

полная (ПВ);

максимальная адсорбционная (МАВ);

капиллярная (КВ);

наименьшая полевая (НВ)

предельная полевая влагоемкость (ППВ).

Все виды влагоемкости меняются с развитием почвы в природе и еще более - в производственных условиях. Даже одна обработка (рыхление спелой почвы) может улучшить ее водные свойства, увеличивая полевую влагоемкость. А внесение в почву минеральных и органических удобрений или других влагоемких веществ может на длительное время улучшить водные свойства или влагоемкость. Это достигается заделкой в почву навоза, торфа, компоста и других влагоемких веществ. Мелиорирующее действие может оказывать внесение в почву влагоудерживающих высокопористых влагоемких веществ типа перлитов, вермикулита, керамзита. (Генадиев, Глазовская, 2005).

Глава 2. Особенности химического состава почв

2.1 Химические свойства почв

Для нормального роста и развития растениям необходимы свет, тепло, вода, воздух и питательные вещества. Все эти условия жизни для растений равноценны и незаменимы. В почвах элементы питания растений находятся в составе минералов, органических и органо-минеральных соединений твердой фазы почв, в почвенных растворах (в основном в ионной форме) и в газовой фазе почв. В результате поглощения питательных элементов растения формируют корневые и надземные массы, которые используются людьми как продукты питания, корм для животных или как сырье для промышленности (клубни картофеля, зерно, лен и т. д.).

В почвах содержатся практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, но для питания растениям наиболее необходимы 19 элементов: С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Mg, Fe, Mn, Си, Zn, Mo, В, CI, Na, Si, Co. Из них 16 элементов, кроме С, Н, О, относятся к минеральным. Углерод, водород и кислород поступают в растения преимущественно в виде С02, 02 и Н20. Необходимость натрия, кремния и кобальта не для всех растений установлена.

Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными элементами, так как в основном из них состоит организм растений. Углерода содержится в среднем 45 % от сухой массы тканей растений, кислорода - 42, водорода - 6,5, азота - 1,5 %. Их сумма составляет 95 %. Оставшиеся 5 % приходятся на зольные элементы. Р, S, К, Са, Mg, Fe, Si, Na и др. Они называются так потому, что преобладают в золе растений.

Химический состав золы является показателем валового количества усвоенных растениями из почвы зольных элементов питания. Их выражают в оксидах или в элементах по отношению к массе сухого вещества, или к массе золы в процентах.

Валовой химический состав растений значительно отличается от валового состава почвы вследствие избирательности растений к поглощению отдельных элементов для формирования урожая. В растениях всегда больше азота, фосфора и калия.

В естественных биоценозах питательные элементы, усвоенные растениями и другими живыми организмами, снова возвращаются в почву после их отмирания и перегнивания, поэтому, как правило, обеднения почвы питательными элементами не происходит. Устанавливается их относительное природное равновесие, характерное для разных типов почв.На пахотных же землях после уборки урожая в почву возвращается только часть поглощенных растениями минеральных элементов, например с корневыми и стерневыми остатками зерновых культур; при тереблении льна почти ничего не возвращается. В связи с этим в пахотные почвы необходимо вносить минеральные удобрения, что позволяет возвратить в почву не только отчужденные с урожаем питательные элементы, но и сбалансировать их по количеству и соотношению для последующих сельскохозяйственных культур, тем самым обеспечить получение запланированного урожая. Для повышения эффективности удобрений и снижения их доз очень важно осуществлять агроприемы по регулированию почвенных процессов, направленных на накопление биологического азота и высвобождение из твердой фазы почв элементов питания в доступной для растений форме.

Кроме азота и зольных элементов, называемых в агрономической практике макроэлементами, в составе растений присутствуют микроэлементы, содержание которых составляет <0,001 % сухой массы тканей (В, Си, Со, Zn, Mo и др.). Они играют очень важную роль в обмене веществ растительного организма.

В агрономических целях для характеристики условий питания растений определяют валовое содержание элементов в почве, ближайший для растений резерв доступных элементов и количество непосредственно усвояемых элементов из почвы.

Обеспеченность почв усвояемыми питательными элементами может быть выражена по отношению к разным сельскохозяйственным культурам в связи с тем, что они поглощают неодинаковое их количество. По этому признаку сельскохозяйственные культуры делят на три группы.

Культуры невысокого выноса питательных элементов (зерновые).

Культуры повышенного выноса (кормовые культуры, картофель).

Культуры большого выноса (овощные, некоторые технические культуры, чайный куст, цитрусовые, виноград).

Азот и зольные элементы растения поглощают преимущественно в виде ионов из почвенного раствора и твердой фазы почв (Са2+, Mg2+, К+, Na+, NH+4, Al3+, Fe2+, NO-3, HPO2-4, SiO32-, cl-, SO42- др.). Питательные вещества растения извлекают избирательно из почвенного раствора физико-химической адсорбцией их на внешней поверхности корней или в результате контактного ионного обмена с твердой фазой почв.

Содержание доступных элементов питания растений в почвах варьирует в течение вегетационного периода в связи с изменением температуры, влажности, концентрации С02 в почвенном воздухе, биологической активности почв. Оно достигает максимума в европейской части России обычно в июле - августе; динамичность доступных элементов определяется также неравномерным их поглощением растениями. Динамика почвенных и физиологических циклов доступных элементов питания не всегда совпадает, поэтому в критические периоды питания растений рекомендуют проводить подкормки удобрениями. Например, весенняя подкормка озимых зерновых культур азотными удобрениями. (Ковриго, 2000)

2.2 Основные питательные элементы для живых организмов в почве

В почве представлена вся таблица Менделеева, но именно N, P, K являются необходимыми для живых организмов

2.2.1 Азот в почвах

Валовое количество азота в почвах составляет 0,1-0,5% (от 2 до 10т\га в пахотном слое 0-20см). В почвообразующих породах азота почти нет. Почвенный азот находится в основном в составе органического вещества - гумуса (1\20-1\40 часть его процентного содержания). Этот азот растениям недоступен. Однако в течение теплого времени года часть гумуса (1-2 % его содержания) разлагается микроорганизмами и азот высвобождается в доступной для растений форме.

Резервом доступного для растений азота является легкогидролизуемый азот. Его содержание в почвах составляет 2-5 % валового количества азота. Это азот, который может быть минерализован в «ближайшее время» за счет наиболее разлагаемой части органического вещества почв (аминокислот и амидов). Однако по его количеству нельзя делать прогноз об обеспеченности растений азотом как элементом питания.

Основную роль в азотном питании растений играют минеральные формы азота: окисленная (N) и восстановленная (N). Минерального азота содержится в среднем от 50 кг/га в пахотном слое дерново-подзолистых суглинистых почв, до 100 кг/га и более - в черноземах, что составляет 0,5-1% валового количества азота в почвах. За вегетационный период растениями усваивается около 40 % минерального азота.

Аммонийный азот образуется в почвах в результате жизнедеятельности аммонифицирующих гетеротрофных микроорганизмов, превращающих органический азот растительных и животных остатков, а также азот гумуса в N. Аммонийный азот находится в почвах в форме фиксированного глинными минералами аммония, входит в состав обменных катионов (0,3-0,4 % суммы катионов оснований), является компонентом почвенного раствора (5-6 мг/л). Содержание доступного для растений аммония (обменного и водорастворимого) зависит от типа почв, численности аммонифицирующих бактерий и изменяется в динамике. Количество аммония практически не меняется при окультуривании почв, он довольно равномерно распределен по их профилю.

Образование нитратного азота в почвах обязано биологическому окислению NH3- (NH4+) до NО3- в результате микробиологического процесса нитрификации, осуществляемого двумя группами автотрофных бактерий. Бактерии Nitrosomonas окисляют аммиак до азотистой кислоты, a Nitrobakter - азотистую кислоту до азотной.

В настоящее время различают три группы нитратного азота в почве: свободный, подвижный и адсорбированный.Свободный нитратный азот находится в почвенном растворе (30-60 мг/л), может с ним передвигаться по профилю почв, хорошо поглощается корнями растений; часть нитратного азота подвергается денитрификации.

Подвижный нитратный азот - это адсорбированный N, легко переходящий в почвенный раствор из твердой фазы после высыхания почвы и последующего ее увлажнения. Адсорбированный N находится в твердой (коллоидной) фазе почв в обменном состоянии. Особенно активно нитратный ион обменивается на фосфатион.Подвижный и адсорбированный нитратный азот, находясь в почвах в виде поглощенных ионов, не подвергается вымыванию и денитрификации.

В лесных почвах процесс нитрификации подавлен; в них преобладает аммонийный азот. При распашке лесных почв процесс нитрификации активизируется, количество нитратного азота в пахотных почвах, как правило, преобладает над аммонийным. Содержание нитратного азота в пахотных почвах зависит от типа почв, степени их окультуренности и состава глинных минералов. Об уровне возможной обеспеченности сельскохозяйственных культур свободным нитратным почвенным азотом судят по нитрификационной способности почв

Г. Гамзиков (1981) предложил метод определения ориентировочных доз азотных удобрений по содержанию свободного нитратного и аммонийного азота в пахотном слое почв перед посевом. Однако в этом методе не учитывается количество подвижного и адсорбированного азота. Тем не менее он имеет преимущество над другими методами определения доз азотных удобрений, при которых содержание минерального азота в почвах в расчет вообще не берется, а дозы определяют или, например, по соотношению выноса растениями из почвы с урожаем азота и фосфора, или с помощью других расчетов. Это приводит к большому завышению доз азотных удобрений, снижает качество растениеводческой продукции, причиняет вред экологической обстановке.

Наиболее полное представление о содержании минерального азота в почвах перед посевом дает сумма всех трех групп азота нитратного и аммонийного в слое 0-100 см в западных районах России, 0-60 см - в восточных районах европейской части России и 0-40 см, в Средней Сибири, так как в слоях этой мощности наблюдается большей частью миграция нитратов в суглинистых почвах. Из этих слоев наиболее вероятно также усвоение минерального азота корнями растений.

2.2.2 Фосфор в почвах

Фосфор является «дефицитным» элементом, так как в мире запасы фосфатного сырья (апатитов и фосфоритов) для производства фосфорных удобрений невелики. Наряду с этим содержание валового фосфора () в почвах низкое - 0,05-0,25 % (от 1 до 5 т/га в пахотном слое 0-20 см). Основное его количество растениям труднодоступно, а фосфор удобрений сильнее, чем азот и калий, закрепляется почвами в неподвижные формы. Естественных путей возобновления запасов фосфора в отличие от азота в почвах нет.Соединения фосфора в твердой фазе почв по доступности растениям подразделяются на пять групп (по Ф. В. Чирикову):

I группа - наиболее доступные растениям, легко переходят в раствор под воздействием угольной кислоты - фосфаты щелочей и NH4, одно- и двузамещенные фосфаты Са и Mg, Mg3(P04)2, часть Ca3(P04)2.

II группа - ближайший резерв фосфора для питания растений - это Са3(Р04)2, часть фосфора фосфорита и апатита, часть АlР04 и часть органических фосфатов; извлекаются раствором уксусной кислоты.

III группа - в основном представлена труднодоступными фосфатами железа и алюминия, фосфорита, апатита и фитина.

IV группа - это фосфаты органического вещества почвы; непосредственно растениям недоступны.

V группа - фосфаты невыветрившихся минералов; непосредственно растениям недоступны.

Часть фосфора содержится в твердой фазе почв в адсорбированном состоянии, в почвенных растворах (0,1-0,3 мг/л) в виде фосфат-ионов (в основном Н2Р04), которые входят в состав групп фосфатов, наиболее доступных растениям.

Для агрономических целей определяют содержание подвижных фосфатов в почвах, т. е. условную сумму ближайшего резерва и непосредственно усвояемого фосфора растениями. Для этого применяют разные химические методы извлечения фосфора в зависимости от типа почв и их свойств. По количеству подвижного фосфора проведена агрономическая группировка почв, которую используют для характеристики почвенных условий питания растений фосфором, составления картограмм и расчетов доз фосфорных удобрений.

За вегетационный период растения используют 5-10 % фосфора от содержания подвижных фосфатов в почвах, т. е. непосредственно усвояемый фосфор.

Количество усвояемого фосфора зависит от особенностей химического состава органической и минеральной частей почв, их кислотности, гранулометрического состава и может быть охарактеризовано степенью подвижности фосфора (содержанием , мг/л, в вытяжке 0,03 н. раствором Использование показателя степени подвижности фосфора в агрономической группировке почв дополнительно к содержанию подвижных форм фосфора дает более полную и правильную характеристику условий фосфорного питания растений.

2.2.3 Калий в почвах

Валового калия (К20) в почвах больше, чем азота и фосфора, вместе взятых, - 1,5-2,5 % (30-50 т/га в пахотном слое), что зависит от минералогического, гранулометрического составов и содержания гумуса. Основное количество калия находится в труднодоступных для питания растения формах. Главным источником усвояемого калия служат обменно-поглощенные и водорастворимосолевые его формы. Обменный калий составляет 0,5-1,5 % валового. В почвенных растворах Нечерноземной зоны России содержится 30-40 мг/л калия (К20). Количество обменного калия изменяется по генетическим горизонтам почв.

Для агрономических целей разработана группировка почв по содержанию в почвах обменного калия.

Этой группировкой, так же как и по подвижному фосфору, пользуются для характеристики почвенных условий питания растений калием, для расчетов доз калийных удобрений и составления картограмм. Растения усваивают 10-20 % калия отчего обменных форм. (В.П Ковриго, 2000)

Глава 3. Значение химических элементов в жизни организмов

3.1 Роль азота

Азот и его соединения играют в жизни биосферы такую же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода. Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для азота 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985).

Основным резервуаром азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная - N2. В качестве несущественной примеси в атмосфере содержатся различные оксидные соединения азота NOx, а также аммиак NH3. Последний в условиях земной атмосферы наиболее неустойчив и легко окисляется. В то же время, величина окислительно-восстановительного потенциала в атмосфере недостаточна и для устойчивого существования оксидных форм азота, потому его свободная молекулярная форма и является основной. Первичный азот в атмосфере, вероятно, появился в результате процессов дегазации верхней мантии и из вулканических выделений. Фотохимические реакции в высоких слоях атмосферы приводят к образованию соединений азота и заметному поступлению их на сушу и в океан с атмосферными осадками (3-8 кг/га аммонийного азота в год и 1,5-6 кг/га нитратного). Этот азот также включается в общий биогеохимический поток растворенных соединений, мигрирующих с водными массами, участвует в почвообразовательных процессах и в формировании биомассы растений.

В отличие от углерода, атмосферный азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

некоторые свободноживущие почвенные бактерии;

симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);

цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений.

В результате деятельности организмов - фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH3).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные - соли азотной кислоты HNO3. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это звено круговорота функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в составе осадочных отложений, связывается весьма небольшая часть азота. Причина этого в том, что минеральные соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Таким образом, основными специфическими чертами круговорота азота в биосфере можно считать следующие:

преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота;

ведущую роль в круговороте азота почв и, в особенности, почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие. Поэтому огромное количество азота в связанном виде содержит биосфера: в органическом веществе почвенного покрова (1,5х1011 т), в биомассе растений (1,1х109 т), в биомассе животных (6,1х107 т). В больших количествах азот содержится и в некоторых биогенных ископаемых (селитры).

В то же время наблюдается парадокс - при огромном содержании азота в атмосфере вследствие чрезвычайно высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений. Таким образом, поступление за счет азотных удобрений составляет 30% от общих поступлений азота на сушу и в океан. Это часто приводит к существенному загрязнению окружающей среды и тяжелым заболеваниям человека и животных. Особенно велики потери нитратных форм азота, так как он не сорбируется почвой, легко вымывается природными водами, восстанавливается в газообразные формы и до 20-40% его теряется для питания растений. Существенным нарушением цикла азота является и все возрастающее количество отходов животноводства, промышленных отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу аммония и оксидов азота при сжигании угля, нефти, мазута и т.д. Опасно проникновение оксидов азота в стратосферу (выхлопы сверхзвуковых самолетов, ракет, ядерные взрывы), так как это может быть причиной разрушения озонового слоя. Все это, естественно, сказывается на биогеохимическом цикле азота.

3.2 Роль фосфора

Круговорот фосфора в природе сильно отличается от биогеохимических циклов углерода, кислорода, азота и серы, так как газовая форма соединений фосфора (например РН3) практически не участвует в биогеохимическом цикле фосфора. То есть фосфор к накоплению в атмосфере вообще не способен. Поэтому роль «резервуара» фосфора, из которого этот элемент извлекается и используется в биологическом круговороте, так же как и для серы, играет литосфера.

Фосфор в литосфере содержится в форме фосфатных соединений (солей фосфорной кислоты). Основная доля среди них приходится на фосфат кальция - апатит. Это полигенный минерал, образующийся в различных природных процессах - как в глубинных, так и в гипергенных (в том числе и биогенных). Фосфатные соединения способны растворяться в воде, и фосфор в составе иона РО43- может мигрировать в водных растворах. Из них фосфор и усваивается растениями.

Индекс биогенного обогащения почв по отношению к земной коре, а растений по отношению к почвам составляет для фосфора, так же, как и для азота 1000 и 10000 соответственно (Ковда, 1985).

Для растений наиболее доступным является фосфор неспецифических органических соединений и гумуса и именно он играет главную роль в малом (локальном) биологическом цикле фосфора.

Животные являются еще большими концентраторами фосфора, чем растения. Многие из них накапливают фосфор в составе тканей мозга, скелета, панцирей. Есть несколько способов усвоения фосфора организмами-консументами. Во-первых, прямое усвоение из растений в процессе питания. Во-вторых, водные организмы-фильтраторы извлекают фосфор из органических взвесей. В-третьих, органические соединения фосфора усваиваются организмами-илоедами при переработке ими биогенных илов.

Возврат фосфора в окружающую среду происходит при разложении органического вещества. Но возврат этот оказывается далеко не полным. В целом для соединений фосфора характерна тенденция выноса в форме водных растворов и взвесей в конечные водоёмы стока, в наибольшей мере - в Мировой Океан, где он и накапливается в составе осадочных отложений различного генезиса. Вновь вернуться в экзогенный круговорот эта часть фосфора может только в результате тектонических процессов, растягивающихся на сотни миллионов лет. В естественных условиях сохранение баланса обеспечивается сравнительно слабой подвижностью соединений фосфора, в результате которой фосфор, извлечённый растениями из почвы, большей частью возвращается в неё в результате разложения органического вещества. В почвах и породах фосфор достаточно легко фиксируется. Фиксаторами фосфора являются гидроксиды железа, марганца, алюминия, глинистые минералы (особенно, минералы группы каолинита). Однако, фиксированный фосфор может быть на 40-50% десорбирован и использован растениями. Этот процесс зависит от рН и Eh условий среды. Повышенная кислотность, образование угольной кислоты, способствуют десорбции фосфора, усилению миграции фосфорных соединений. В восстановительной среде образуются соединения фосфора с двухвалентным железом, что тоже способствует выносу фосфора из почвы.

Миграция фосфора возможна и за счет водной и ветровой эрозии. Поэтому биогеохимический цикл фосфора значительно менее замкнут и менее обратим, чем циклы углерода и азота, а загрязнение фосфором окружающей среды особенно опасно.

Основными особенностями круговорота фосфора, таким образом, являются: почва пищевой химический организм

отсутствие атмосферного переноса;

наличие единственного источника - литосферы;

тенденция к накоплению в конечных водоёмах стока.

При интенсивной сельскохозяйственной эксплуатации земель потери фосфора в ландшафте становятся практически необратимыми. Компенсация возможна только за счёт применения фосфорных удобрений. Известно, что фосфорные удобрения являются важным и необходимым звеном в получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Однако, все известные запасы месторождений фосфатов ограничены и по предсказаниям ученых могут истощиться уже в ближайшие 75-100 лет. В то же время, вредные соединения фосфатов в последнее время становятся одним из важнейших факторов загрязнения речных и озерных вод.

Таким образом, в последе время общая картина распределения им миграции фосфора в биосфере резко нарушена человеком. Вот слагаемые этого явления: во-первых, мобилизация фосфора из агроруд и шлаков, производство и применение фосфорных удобрений, во-вторых производство фосфорсодержащих препаратов и их использование в быту; в-третьих - производство фосфорсодержащих ресурсов продовольствия и кормов, вывоз и потребление их в зонах концентрации населения; в-четвертых - развитие рыбного промысла, добыча морских моллюсков и водорослей, что влечет за собой перераспределение фосфора из океана на сушу. В итоге наблюдается процесс фосфатизации суши, но процесс этот проявляется крайне неравномерно. Увеличивается содержание фосфора в окружающей среде больших городов. Напротив, страны, активно экспортирующие органические продукты и не применяющие фосфорных удобрений, теряют запасы фосфора в своих почвах.

3.3 Роль калия

Калий состоит из смеси 3-х изотопов: 39К - 93,08%; 40К - 0,0119%; 41К - 6,91%. Изотоп 40К неустойчив и превращается в соседние изобары кальция и аргона.

Превращение калия в аргон явилось основой для разработки калий-аргонового метода ядерной геохронологии.

Космическая распространенность калия, как элемента нечетного, невелика по сравнению с четными кальцием и кислородом. По размерам ион калия наиболее крупный среди других ведущих катионов литосферы. Поэтому объемный кларк калия занимает второе место после кислорода в земной коре.

Калий - химически активный металл, в самородном состоянии не встречается. Во всех химических соединениях на Земле выступает как одновалентный металл. Металлический калий на воздухе «сгорает», быстро окисляясь до К2О. Число минеральных видов - 115 (втрое меньше, чем у кальция и вдвое меньше, чем у натрия).. Важнейшие минералы: галоиды - сильвин, карналлит, нитраты - К-селитра, силикаты - К-полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), флогопит, мусковит, биотит, глауконит, лейцит. По химическим свойствам калий близок к натрию, что определяет их совместную миграцию. Но их поведение в зоне гипергенеза и биосфере в целом резко различно. Большая часть калия в ходе гипергенного преобразования силикатов остается в составе вторичных глинистых минералов, поэтому калий гораздо прочнее удерживается в пределах Мировой суши, чем натрий и, как мы увидим далее, кальций. И все же частичное высвобождение ионов калия в процессах гипергенеза происходит и он активно вовлекается в биогеохимический круговорот.

Обусловлено это тем, что калий играет очень важную роль в жизни живых организмов. В условиях влажного климата при выветривании калийсодержащих минералов калий легко выщелачивается и переносится водными растворами. Однако вынос калия в коре выветривания происходит менее интенсивно, чем кальция и натрия. Это связано с тем, что крупный ион калия в большей степени сорбируется тонкодисперсными минералами. Давно известно, что ионы калия легче сорбируются и некоторыми коллоидами (например, гидроокислами железа и алюминия), чем ионы натрия. Реакции катионного обмена с глинистыми минералами также способствуют фиксации калия. В почвах также происходит обмен между ионами калия и гидроксония, которые имеют сопоставимые ионные размеры. Таким способом калий может фиксироваться в гидрослюдах, каолините, монтмориллоните. Калий в большей степени, чем натрий, поглощается наземной растительностью. Поэтому значительная часть калия сохраняется в почвах.

...