Способы выражения элементного состава почв кратко

Обновлено: 17.05.2024

В почвах присутствуют практически все известные химические элементы.

По набору и содержанию элементов почвы существенно отличаются от горных пород и живых организмов.

Большое число химических элементов — первая особенность почв. Вторая состоит в сочетании высокого содержания углерода и кремния, что связано с влиянием растительности и живых организмов на почвообразующие породы. Третья особенность почв заключается в значительном диапазоне колебания концентраций химических элементов:

Химические элементы в почвах находятся в разных формах: в составе органического вещества почвы, кристаллической решетки первичных и вторичных минералов, в органоминеральных соединениях, новообразованиях, в ионной форме — в почвенных растворах или в составе почвенного поглощающего комплекса.

Среднее содержание некоторых элементов в биосфере, мг/кг (А. П. Виноградов, 1957)

По абсолютному содержанию все элементы в почвах объединяются в три группы. Первая группа включает два элемента: Si и О. Содержание каждого из них составляет десятки процентов, а в сумме они могут составлять 90 % и более. Во вторую группу входят элементы, содержание которых лежит в диапазоне от десятков долей до нескольких процентов. К ним относятся Fe, Al, Са, Mg, С, К, Na, Ti, Mn, N, P, S. Микроэлементы, содержащиеся в количествах от n·10 -3 до n·10 -10 %, образуют третью группу. В нее входят Ва, Sr, В, Rb, V, Ni, Со, Li, Mo, Cs, Se и другие, более редко встречающиеся в почвах элементы.

Химический состав почв всегда изменяется по глубине профиля.

Химический состав почвы — это относительное содержание в процентах химических элементов в определенной массе почвы. Изменение химического состава почвы по профилю проявляется в двух формах: абсолютном накоплении или потере элемента за счет переноса его соединений в пределах почвенного профиля и относительном накоплении (потере) элемента вследствие потери (накопления) в данном горизонте других химических элементов. Особенно сильная профильная дифференциация химического состава наблюдается в почвах, в которых формируются органогенные (торфянистые), подзолистые, карбонатные и засоленные горизонты. Химический состав почв, унаследованный от почвообразующих пород, постоянно преобразуется в результате взаимодействия многих процессов:

перехода химических элементов из одних соединений в другие при трансформации минералов;
поступления веществ из атмосферы и вовлечения их в реакции взаимодействия с почвенными растворами;
растворения веществ в воде и выноса их из почвенного про-филя или из его горизонтов с боковым или грунтовым сто-ком;
поступления химических элементов с боковым притоком и грунтовыми водами, особенно капиллярным путем;
осаждения растворенных в почвенной влаге веществ при испарении;
перехода химических соединений из одного состояния в другое в процессе жизнедеятельности растений;
вовлечения продуктов метаболизма микроорганизмов, животных и человека в биологический круговорот;
хозяйственной деятельности человека.

Все процессы, обусловливающие изменения химического состава в профиле почв, можно подразделить на три группы:

трансформация органических и минеральных компонентов;
перенос и осаждение вещества;
образование отдельных генетических горизонтов и формирование почвенного профиля в целом.

Химический состав оказывает двойственное влияние на плодородие почв. С одной стороны, с химическим составом связано содержание питательных элементов, необходимых растениям, с другой — он определяет ряд свойств почв (например, кислотность), которые имеют решающее значение для роста и развития растений. Как дефицит в почве каких-либо элементов пищевого режима растений, так и их избыток неблагоприятно сказываются на продуктивности растений.

Практически все процессы, протекающие в почвах, имеют сложный комплексный характер, что обусловлено спецификой почвы как природного тела. В числе химических особенностей почв можно назвать следующие.

Полихимизм. Почва содержит очень большой набор химических элементов и веществ, причем один и тот же элемент представлен, как правило, несколькими соединениями, а одно и тоже вещество может находиться в различных кристаллических или аморфных состояниях.

Гетерогенность и полидисперсность. Почва представляет собой многофазную систему с развитыми неоднородными поверхностями раздела, на которых происходят процессы сорбции и десорбции (включая хемосорбцию) органических и минеральных компонентов.

Органно-минеральные взаимодействия – одна из наиболее специфичных почвенных особенностей исущественная черта почвообразования. В почвах формируются не толькопростые и комплексные соли, но и сложные адсорбционные комплексы, состоящие из минералов и органических веществ.

Динамичность почвенных процессов. Для природных почв характерны суточная, сезонная, годичная и вековая динамика. Изменения происходят непрерывно, что заставляет трансформировать классические химические представления и понятия.

Пространственная неоднородность – неотъемлемое почвенное свойство, обусловленное исходной пространственной неоднородностью факторов почвообразования (первичная неоднородность); она может нарастать по мере развития почвообразовательного процесса (вторичная неоднородность).

Неравновесность состояний и термодинамическая необратимость процессов. Почва – открытая термодинамическая система, через которую непрерывно протекает поток энергии и вещества. Это не позволяет достичь равновесных состояний, что усугубляется и своеобразной кинетикой почвенно-химических процессов, в которых сочетаются и очень быстрые и крайне медленно протекающие реакции.

Основой понимания происходящих в почвах процессов является знание химического состава почв и его изменений при почвообразовании и использовании почвенного покрова. Химический состав почв характеризуется двумя показателями: элементным и фазовым (вещественным) составом.

Элементный состав почв – одна из основных химических характеристик почв, на которой базируется понимание свойств почв, их генезиса и плодородия. Без знания элементного состава почв глубокие почвенно-химические исследования невозможны.

Элементным составом почв называют набор и количественное соотношение химических элементов в почвенной массе.

Элементный состав отражает многие наиболее важные итоги почвообразовательного процесса. По элементному составу различают генетические горизонты почв: в частности перегнойно-аккумулятивные горизонты отличаются повышенным содержанием углерода, фосфора, азота; в элювиальных горизонтах повышено содержание кремния и понижено содержание многих других элементов; в иллювиальных горизонтах накапливаются железо, алюминий и ряд других элементов.

Элементный состав дает представление о потенциальном плодородии почв. Высокое содержание углерода органических соединений и азота обычно считают признаком плодородной почвы. Высокий уровень накопления хлора – показатель неблагоприятных для растений условий. Конечно, растениям доступна только часть находящихся в почве элементов питания. Элементы, входящие в кристаллические решетки алюмосиликатов, в состав труднорастворимых соединений или в состав негидролизуемых компонентов гумусовых веществ, становятся доступными растениям после их полной мобилизации, т.е. после полного или частичного разрушения исходной структуры и перехода элемента в форму растворимого соединения. Тем не менее валовое содержание, или запасы элемента, показывают, как долго та или иная почва потенциально может обеспечивать растения при условии полной мобилизации запасов.

Элементный состав – один из важнейших факторов, который обусловливает выбор методов химического и физико-химического анализа почв.

Почвы содержат практически все природные элементы периодической системы Д.И.Менделеева. По набору элементов и их количественному содержанию почвы существенно отличаются от живых организмов, минералов и горных пород. Живые организмы состоят главным образом из элементов-органогенов – углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы; так называемые минеральные компоненты входят в их состав в сравнительно небольших количествах. Индивидуальные минералы содержат, как правило, небольшой набор элементов.

В почвах практически все входящие в их состав элементы являются обязательными и необходимыми. Большой набор элементов – первая отличительная особенность почв. Вторая особенность заключается в сочетании высокого содержания углерода и кремни, что отражает взаимное влияние двух факторов почвообразования: растительного и животного мира, с оной стороны, и почвообразующих пород – с другой. Третья особенность - большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 порядков и даже достигающий 9-10 порядков.

Средний элементный состав некоторых важнейших почв приведен в таблице … Приведенные в таблице данные об элементном составе почв показывают усредненный состав метрового слоя почвы. Этот слой включает 2-3 (а иногда и больше) почвенных горизонтов.

По абсолютному содержанию в почвах все элементы могут быть объединены в несколько групп. В первую группу следует отнести кислород и кремний, содержание которых составляет десятки процентов. Вторая группа включает элементы, содержание которых в почве меняется от десятых долей до нескольких процентов: это Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C. Первые две группы – типичные макроэлементы. В третью группу входят Ti, Mn, N, P, S, H, концентрации которых измеряются десятыми и сотыми долями %. Они составляют переходную группу. Микро- и ультрамикроэлементы содержатся в почвах в количестве 10 -3 …10 -10 %; к ним можно отнести все остальные элементы, встречающиеся в почвах: Ba, Sr, Cu, Cr и т. д.

Почвы различного механического состава значительно отличаются друг от друга, особенно по содержанию Si, Al, Fe, щелочных и щелочноземельных металлов. В легких почвах повышена концентрация кремния – основную массу составляет SiО₂. По сравнению со средним содержанием пород почвы обогащены С, N, P, S, т. е. биогенными элементами, накапливающимися в результате деятельности живых организмов. Si, Al, Fe, Mg, K, Na практически унаследованы почвами от почвообразующей породы.

ЭЛЕМЕНТНЫЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОЧВ

Распространен традиционный и простейший способ вычисления результатов анализа валового элементного состава почвы в процентах (массовых) высших оксидов элементов, входящих в состав почвы (Полынов Б.Б., 1956, Мякина Н.Б., Аринушкина Е.В., 1979). Этот способ наиболее применим для макроэлементов.

При полном валовом анализе учитывают следующие оксиды: SiO₂, Al₂О₃, Fe₂0₃, TiO₂, Na₂O, MnO, CaO, MgO, SO₃, P₂O₅, K₂O. В первом приближении можно считать, что в пересчете на прокаленную навеску почвы сумма высших оксидов должна быть близка 100 %. Допустимые отклонения не должны превышать 1-1,5 %. Такая проверка несколько условна, так как не во всех почвах и не всегда валентное состояние оксидов отвечает их высшим оксидам и не все элементы в почвах представлены кислородными соединениями.

Из перечисленных выше макроэлементов в разных степенях окисленности в почвах могут находиться Fe, Mn, S. В восстановленных почвах некоторые элементы могут быть представлены сульфидами. Если, например, результаты анализа пирита FeS₂ выразить в оксидах, то сумма оксидов составит более 200 %. Однако для большинства почв проверка правильности анализа элементного состава по сумме оксидов оказывается вполне приемлемой.

Выражение результатов валового анализа почв в оксидах и в весовых процентах имеет существенные недостатки.

1. Условная форма записи в виде высших оксидов не соответствует реально присутствующим в почвах соединениям. Только Si, Ti, Fe и А1 частично находятся в почвах в форме оксидов различной степени окристаллизованности. Остальные оксиды не могут существовать в почве в свободном состоянии.

2. Оксидная форма искажает представление о соотношении количеств различных элементов в составе почвы, так как весовая и мольная доли кислорода в составе оксидов различных элементов неодинаковы. Например, доля S в составе SO₃ составляет только 40 % массы оксида, тогда как доля К в составе К₂0 равна 83 %. Если, например, в почве содержится 1,5 % К₂0 и 0,3 % SO₃, то по таким данным содержание К₂0 в почве в 5 раз больше, чем S0₃; а в пересчете на элементы содержание К оказывается равным 1,25 %, a S – 0,12 %, т. е. количество калия в 10 раз превышает количество серы. Таким образом, содержание оксидов не дает правильного представления о накоплении в почве химических элементов и их соотношении.

3. Правильному восприятию элементного состава почвы мешает и выражение результатов анализов в массовых процентах, даже если состав представлен в элементах, а не в оксидах. В химических реакциях и процессах участвуют атомы, ионы и молекулы, конечный результат зависит от числа вступивших в реакцию молекул или от числа атомов, перенесенных из одного почвенного горизонта в другой. Таким образом, итог процесса, его интенсивность должны быть выражены числом частиц вещества, а не его массой.

Например. Сравним поведение алюминия и железа в черноземе. В пахотном горизонте типичного чернозема (Курская область) содержится 9,2 % А1₂0з и 3,7 % Fe₂0₃. В пересчете на элементы это составит 4,9 % А1 и 2,6 % Fe. Атомные массы этих элементов резко различны и равны 26,98 и 55,85 для А1 и Fe соответственно. Следовательно, в 100 г почвы содержится 0,18 моля А1 и 0,047 моля Fe. Если по массе содержание А1 в 1,9 раза превышает содержание Fe, то по числу атомов – в 3,8 раза.

Количественные соотношения между содержанием отдельных элементов широко используются почвоведами для решения многих генетических вопросов, и, решение задачи может зависеть от выбранного способа выражения результатов анализов. В практике почвоведения нередки и такие случаи, когда выводы о преобладании того или иного элемента могут быть изменены на противоположные при правильном выборе способа выражения результатов анализа.

Например. Дерново-подзолистая почва в горизонте Е (А₂) содержится 0,95 % СаО и 0,75 % MgO или в пересчете на Са и Mg – 0,68 и 0,45 % соответственно. Сравнение этих величин показывает преобладание Са над Mg. Однако число молей Са в 100 г почвы оказывается меньше, чем число молей магния – 0,017 и 0,019 соответственно.

Таким образом, при исследованиях химического строения почвенных компонентов, их трансформации, закономерностей миграции и аккумуляции элементов результаты определения элементного состава следует выражать:

а) в молях на определенную массу (кг) и (или) объем почвы. Согласно Международной системе единиц измерений (СИ), моль – это количество простого или сложного вещества, содержащее такое количество структурных элементов (атомов, молекул, ионов или электронов), которое равно числу атомов в 12 г изотопа углерода 12 С, а именно 6,022 • 10 23 (число Авогадро). Чтобы найти число молей элемента в 1 кг почвы, надо его процентное содержание в почве разделить на атомную массу (AM) и умножить на десять: моль/кг = (% • 10): AM;

б) также можно пользоваться мольными долями или мольными процентами. Мольная доля – это число молей данного элемента (компонента), отнесенное к общему числу молей всех элементов (компонентов), составляющих почву. Мольная доля может изменяться от нуля до единицы. Мольный процент – то же, что и мольная доля, но выраженная в процентах; изменяется от нуля до 100 %.

В таблице 16 приведен элементный состав дерново-подзолистой почвы, выраженный различными способами.

Элементный состав дерново-подзолистой почвы в расчете

на абсолютно сухую навеску (Орлов Д.С. и др., 2005)

При пересчете на элементы этот ряд сохраняется, но соотношение элементов меняется. Так, в горизонте А₁Е отношение SiО₂/Al₂О₃ равно 8,4, тогда как отношение Si/Al = 7,4. Еще резче это различие выражено при сопоставлении кремния и железа. В том же горизонте отношение SiО₂/Fe₂О₃ = 28,4, a Si/Fe – 19,0.

Пересчетные коэффициенты отношений зависят от атомных масс и формулы оксида. В таблице 17 приведены некоторые массовые пересчетные коэффициенты.

Пересчетные коэффициенты неодинаковы, и это означает, что выводы о накоплении, миграции элементов, их перераспределении в почвенном профиле будут различны в зависимости от выбранной формы выражения результатов анализа.

Более контрастны заключения при использовании не массовых, а мольных величин. Например. В массовом выражении количество А₁ в 2-3 раза превышает содержание Fe, а по числу атомов в 4-5 раз больше, чем Fe (см. табл. 14). По массе количество Са в верхних горизонтах в 1,5-2 раза больше, чем Mg, но по числу атомов уровни содержания Са и Mg соизмеримы или даже Mg преобладает. Также сглаживаются различия между К и Na.

В практикуме рассмотрены показатели химических свойств почв и методы их определения. Подробно описаны методы определения элементного состава, кислотно-основных и катионообменных свойств почв. Рассмотрены показатели и способы оценки подвижности соединений химических элементов в почвах.

Определение элементарного состава почв является следующим после морфологического описания этапом любого почвенного исследования, т.к. используется для уточнения классификационной принадлежности почв, дает представление о потенциальном плодородии почв, является основой для определения комплекса мероприятий по повышению и воспроизводству почвенного плодородия.

1. Особенности почв как природного тела. Элементарный состав почв, сущность понятия, основные направления.

2. Особенности элементарного состава почв: биофильные элементы, макроэлементы, переходная группа и микро — и ультрамикроэлементы (их биологическая роль), геохимическая классификация элементов В.М. Гольдшмидта (литофильные, халькофильные, сидерофильые и атмофильные элементы).

Читайте также:

Способы выражения элементного состава почв кратко

Оглавление