Методы исследования и охрана почвы

1.

Тема: Методы исследования и охрана почвы
I. Общая характеристика литосферы.
Литосфера (греч. Lithos – камень, sphaire – шар) –
верхняя «твердая» (каменная) оболочка Земли, постепенно
переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью
вещества.
Включает земную кору и часть верхней мантии
Земли. Особенность верхней мантии – расслоенность. На
глубине около 100 км под материками и 50 км под океанами
ниже подошвы земной коры находится астеносфера (греч.
Asthenes – слабый) в нем резкое снижение скорости
распространения упругих колебаний – размягченность
вещества в нем (твердо-жидкое состояние; твердые гранулы
окружены пленкой расплава).
Кора выветривания – верхняя часть земной коры,
постоянно видоизменяемая под влиянием механического и
химического
воздействий
погодно-климатических
факторов, растений и животных.

2.

3.

Рис. Пояс "гольцов", царство "каменных морей", где вся поверхность покрыта
крупными, беспорядочно нагроможденными остроугольными камнями продуктами разрушения плотных каменных пород. "Этот человек тверд как скала",
"На него можно положиться как на каменную гору" - обычные ходячие выражения
жителей равнин, не соприкасающихся близко ни со скалами, ни с каменными горами.

4.

Рис. Разрез ферраллитной
коры выветривания

5.

Выше астеносферы породы мантии находятся в
твердом состоянии и совместно с земной корой образуют
литосферу. Мощность литосферы 50-200 км, в том числе
земной коры – до 75 км на континентах и 10 км под дном
океана.
Ниже астеносферы располагается слой, в котором
плотность вещества возрастает, что увеличивает скорость
распространения сейсмических волн. Слой назван в честь
русского ученого Б. Б. Голицина, впервые указавшего на его
существование. Он состоит из сверхплотных разновидностей
кремнезема и силикатов.

6.

Князь Борис Борисович
Голицын (1862-1916) – князь,
представитель рода Голициных,
русский физик, академик РАН, член
Королевского лондонского общества.
Один
из
основоположников
сейсмологии, геофизик, изобретатель
первого
электромагнитного
сейсмографа (1906).
Рис. Общий вид
вертикального сейсмографа
системы Голицына.

7.

Рис.
Строение литосферы и ее положение
относительно мантии Земли: 1 – осадочный слой; 2 –
гранитный слой; 3 – базальтовый слой; 4 – верхняя мантия.

8.

Вещественный состав земной коры
Химические элементы.
На 80% земная кора состоит из кислорода, кремния и
алюминия. Менее всего земная кора содержит инертных газов
– гелия, неона и радона, они легко переходят в атмосферу и
рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно
земная кора пополняется космическим веществом,
выпадающим в виде метеоритов и космической пыли.
В состав верхней
континентальной коры входит
восемнадцать элементов (О, S,
Ti, Ba, Al, Si, Mg, Ca, Cl, Fe, Mn,
K, Na, H, C, P, N, F). Половина
массы земной коры состоит из
кислорода, а 25% из кремния.
На третьем месте находится
алюминий – 8,13%,

9.

Со временем некоторые химические элементы, в
частности радиоактивные, трансформируются. Кларки урана
и тория в минувшие геологические эпохи были значительно
выше, а свинца – ниже. По А. А. Саукову, 2 млрд. лет назад
атомов изотопа U235, имеющего период полураспада 7,1×108
лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.
Кларки хим. элементов в современных горных
породах: в среднем в 1 м3 содержится железа 130 кг,
алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе
встречаются участки, где фактическое содержание того или
иного хим. элемента значительно выше его кларкового
значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска
месторождений полезных ископаемых.
Кларк – среднее значение относительного содержания
хим. элемента в земной коре и в других глобальных и
космических системах. Название предложено советским
геохимиком А.Е. Ферсманом в честь американского химика
Ф.У. Кларка, внесшего большой вклад в геохимию.

10.

Франк
Уиглсуорт
Кларк (1847-1931) – американский
геохимик, член Академии искусств и
наук. Главный химик Геологической
службы
США.
Кларк
первым
рассчитал средний состав земной коры.
Александр
Евгеньевич
Фе́рсман (1883-1945) – русский
геохимик и минералог, один из
основоположников геохимии, «поэт
камня» (Алексей Толстой).

11.

II. Минералы. Хим. элементы земной коры
образуют естественные соединения, состоящие из одного,
чаще из нескольких элементов. Минералы (лат. minera –
руда) – однородные по составу, внутренней структуре и
свойствам твердые хим. соединения. К минералам относят
и жидкие природные вещества – жидкую ртуть, воду,
нефть.
Известно более 3 тыс. минералов, большинство
кристаллы в форме многогранников. В строении земной
коры существенную роль играют всего несколько десятков
минералов, называемых породообразующими: полевые
шпаты (55%), иные силикаты (15%), кварц (12%),
различные виды слюды (3%), магнетит и гематит (3%).
шпат
силикат
кварц

12.

Минералы отличаются друг от друга по внешним
признакам: облик, цвет, цвет черты, твердость, плотность,
спайность, хим. состав и структура.
Чем выше природный кларк химического элемента,
тем > минералов, в которые он входит. Кислород
встречается почти в половине минералов. Большое
количество хим. связанного кислорода в силикатах (лат.
silicis – кремень).
Магнетит, магнитный железняк
Гематит, кровавик

13.

III. Горные породы – естественные ассоциации
минералов земной коры.
Магматические
(изверженные)
горные
породы.
Образуются
при
остывании
расплавленных
магм,
поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности.
Глубинные – магма застыла на глубине;
Излившиеся – остыла уже на поверхности.
Состоят из силикатов и алюмосиликатов, наиболее
важными компонентами являются кремнезем (SiО2) и глинозем
(А12О3).
глинозем
Кремнезем

14.

Осадочные
породы
образуются
путем
переотложения на поверхности Земли или на дне морей,
озер, болот, рек продуктов разрушения различных
коренных пород. Ими покрыто более 75% поверхности
континентов.
Накапливались и уплотнялись миллионы лет. С
ними связаны такие полезные ископаемые, как нефть,
природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др. По
происхождению делят на обломочные, глинистые,
химические и биохимические.
алюминий

15.

Обломочные породы – продукты механического
разрушения коренных горных пород.
По размерам обломков (в мм): грубообломочные >1;
песчаные 0,1-1,0; алевритовые фракции 0,01-0,1.
Делят на рыхлые и сцементированные, угловатые и
окатанные (округленные).
Угловатые грубообломочные породы – древса (1-10
мм), щебень (10-100 мм), глыбы (> 100 мм), а округленные –
гравий, галька, валуны.
Рыхлые песчаные породы – пески, сцементированные –
песчаники. Алеврит (от греч. Aleuron – мука) – рыхлая
осадочная горной породы, промежуточная между песчаными и
глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01-0,1
мм.

16.

алеврит
щебень
гравий
валуны

17.

Глинистые породы состоят из мин. частиц < 0,01 мм и
содержат > 30% тонкодисперсных частиц размером < 0,001 мм.
По минеральному составу состоят из кремнезема и глинозема.
Обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью,
играют роль водоупорных горизонтов подземных вод.
Химические и биохимические породы образуются в
результате хим. реакций или выпаривания, либо при
косвенном участии биологических организмов, а также при
концентрации их тел и скелетов: бокситы, фосфориты, бурые
железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и
каменные угли, горючие сланцы и др.
известняк
Горючий сланец

18.

Метаморфические горные породы образуются при
глубоком преобразовании магматических и осадочных пород
под действием огромных давлений и высоких t на большой
глубине: твердые глинистые и слюдянистые сланцы (из
сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из
песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных
пород) и др., более устойчивы к выветриванию.
яшма
Серпентинит, змеевик

19.

IV. Геологические циклы. В пределах верхних оболочек
Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород
другими – большой круговорот вещества.
Геофизические
процессы
(извержение
магмы,
вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной
коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся при
распаде в недрах Земли изотопов калия, урана и тория.
Процессы на земной поверхности: эрозия, выветривание и
перенос осадков – за счет энергии Солнца, в форме кинетической
энергии ветра и водных потоков, тепловой энергии.

20.

Рис. Схема геологического цикла Земли (Дж. Андерсон)

21.

Наиболее быстро движение в геологическом цикле
происходит при извержении вулканов и излиянии лав в
районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества
осуществляется за десятки и сотни миллионов лет.
В экологическом масштабе времени минералы,
отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать
полностью выведенными из круговорота.
Great
Rift Valley Africa

22.

Учение о почве
На поверхности коры выветривания формируется
почвенный покров – основа земельного фонда биосферы –
педосфера.
Почва
–
органомин.
естественно-историческое
природное образование, сформировавшееся при длительном
преобразовании поверхностных слоев литосферы при
воздействии гидросферы, атмосферы, живых и мертвых
организмов в различных условиях климата и рельефа в
гравитационном поле Земли.

23.

Впервые мысль о почвах снабжающих растения питат.
веществами, высказал в XVII в. франц. ученый Б. Палисси. По
М. В. Ломоносову – почва – продукт воздействия растений на
горные породы, а перегной – результат биол. процессов.
На рубеже XVII-XIX вв. пришла гумусовая теория А.
Тэера: для питания растений достаточно орг. веществ почвы и
воды. А. Тэер один из основоположников многопольных
севооборотов, организатор первого высшего агрономического
учебного заведения.
Альбрехт Даниель
Тэер
(1752-1828)
–
немецкий учёный, врач,
аграрий,
почвовед,
основоположник с/х науки
в Германии.

24.

Нем. агрохимик Ю. Либих сформулировал мин. теорию
питания растений: растения усваивают из почвы мин.
вещества, а из перегноя – углерод. Запас мин. веществ в почве
ограничен, каждый новый урожай истощает почву. Для
ликвидации дефицита элементов в почву необходимо вносить
мин. удобрения.
Введение в практику с/х мин.удобрений К. А. Тимирязев
назвал «величайшим приобретением науки». Недостаток
теории Ю. Либиха: почва считалась простым резервуаром
элементов питания растений.
Ю́стус фон
Ли́бих (1803-1873) нем. Учёный, один из
основателей агрохимии

25.

Основатель современного почвоведения русский
ученый В. В. Докучаев. Сформулировал понятие о почве
как о естественно-историческом теле, разработал методы
изучения и картографирования почв, заложил основы
генетической классификации. В. В. Докучаев предложил
рассматривать почву как динамическую, а не инертную
среду, открыл основные закономерности географического
распространения почв.
Василий
Васильевич
Докучаев (18461903) – русский
геолог и почвовед

26.

Химический состав почвы
Мин.состав определяется составом почвообразующих
пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т.
д. В состав мин. части почвы входят Si, Al, Fe, К, N, Mg, Ca, P,
S, микроэлементы Си, Мо, J, В, F, РЬ и др.
Большинство хим. элементов почвы находится в
окисленной форме: SiО2 , A12О3, Fe2О3, K2О, Na2О, MgO, CaO.
В почвах распространены соли угольной, серной, фосфорной,
хлористоводородной и др. кислот.
На основных породах почва более богата Al, Fe,
щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах
кислого состава – Si. В засоленных почвах преобладают
хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия.

27.

Органический состав формируется из соединений,
содержащихся в растит. и животных остатках: белки,
углеводы, орг. кислоты, жиры, лигнин, дубильные вещества и
др., составляют 10-15% от всей массы орг. вещества почвы.
При разложении орг. веществ содержащийся в них азот
переходит в формы, доступные растениям. Орг. вещества
определяют величину поглотительной способности почв,
воздействуют на структуру верхних горизонтов почвы и ее
физические свойства.

28.

Орг. вещество почвы образуется при разложении
мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев),
фекалий и т. п. Мертвый орг. материал используется в пищу
совместно детритофагами и редуцентами (грибами и
бактериями), завершающими процесс разложения. Не
полностью разложившиеся остатки органики – подстилка, а
конечный продукт разложения, в котором невозможно
различить первоначальный материал – гумус.

29.

Гумус – аморфное орг. вещество почвы,
образующееся в результате разложения растит. и животных
остатков и продуктов жизнедеятельности организмов,
утратившее тканевую структуру.
Хим. состав: гуминовые кислоты, фульвокислоты,
гумин и ульмин; имеет цвет от темно-бурого до черного.
Агрегатное состояние похож на глину; в коллоидном
состоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к
глине, образуя глино-гумусовый комплекс. Гумуса в верхних
горизонтах почвы содержится от десятых долей до 18% (в
черноземных почвах), а мощность гумусовых горизонтов от
нескольких сантиметров до 1,5 м.
Формирование урожаев связано с большим расходом
биогенных элементов почв, распадом гумуса. Так, на урожай
зерновых, равный 50 ц/га, расходуется не менее 10 ц гумуса
или 0,03% массы пахотного слоя.

30.

Гумификация – превращение орг. остатков в ходе
биохимических реакций при затрудненном доступе О2 в темноокрашенные высокомолекулярные вещества:
гуминовые и
близкие к ним кислоты. Происходит и синтез орг. веществ.
Для формирования гумуса необходим дренаж почвы, т. к.
при переувлажнении разложение идет очень медленно из-за
нехватки О2, препятствующей росту аэробных редуцентов. В
таких условиях растит. и животные остатки сохраняют свою
структуру и, спрессовываясь, образуют торф.
Минерализация – переход жизненно важных элементов
из орг. соединений в неорганические: азот в ионы аммония
(NH4+), фосфор в ортофосфат-ионы (Н2РО3+), сера в сульфатионы (SO42+).
Углерод высвобождается в процессах дыхания и в виде
СО2 поступает в атмосферу.

31.

Профиль почвы – сочетание слоев почвы после
перемещения и превращения веществ почвы они расчленяются
на отдельные горизонты:
1. Гумусовый или перегнойно-аккумулятивный – во
всех типах почв самый верхний горизонт Av относительно
темного цвета. В нем располагается большая часть корней
растений. Избыток или недостаток гумуса определяет
плодородие почвы. Мощность гумусового горизонта колеблется
в широком интервале от 10-30 до 100-300 мм и более.
Пахотный гумусовый горизонт – верхний слой почвы
пашни при регулярной обработке с ровной параллельной
поверхности границей на глубине 200-250 мм.
На лугах и сенокосах верхняя часть гумусового
горизонта плотно переплетается с корнями живых травянистых
растений – дернина.
Выше горизонта Ах иногда находится горизонт А0, из
разлагающихся растительных остатков: лесной подстилки,
степного войлока и т. п.

32.

2. Подзолистый (элювиальный) горизонт А2 в лесных
почвах под горизонтом Ах залегает малоплодородный со
светлым оттенком, непрочной структурой и пылеватым
строением.
В черноземных, темно-каштановых, каштановых и
других типах почв этот горизонт отсутствует. В нечерноземной
зоне он зачастую начинается от поверхности. Присутствие
горизонта А2 свидетельствует о том, что верхние слои
почвенного профиля бедны элементами питания, имеют кислую
реакцию.
Подзолистый горизонт обладает низким плодородием,
ибо кислые растворы, поступающие из верхнего горизонта,
выносят из него все металлы (кальций, магний, марганец,
железо, алюминий). Остается лишь кварц, имеющий белесую
окраску. На пашне подзолистый горизонт может быть разрушен
при обработке и вовлечен в пахотный горизонт Ап а х .

33.

3. Горизонт В вмывания (иллювиальный) в него из
горизонта А (А0 + Ау + А2) вымывается часть хим.
соединений, поступающее сверху вещество (ил, орг.
вещество, железо, др. металлы)
накапливается и
преобразуется.
4. Горизонт С – материнская порода, измененная
почвообразующим процессом.
5. Горизонт D – исходная горная порода, не
затронутая почвообразованием. Материнская порода обычно
залегает на глубине более 1 м (если почва не заболочена).
Все горизонты почвы – смесь мин. и орг. элементов в
различных сочетаниях. При избыточной увлажненности
почвы ее генетические горизонты модифицируются и
превращаются в глеевый, оглеенный (торфяный).

34.

Глеевый горизонт G – индикатор постоянного или
очень длительного переувлажнения и имеет характерную
холодную окраску – синеватую, серо-сизую или голубоватую.
Он практически не корнеобитаем, постоянно обводнен,
в нем отсутствует О2. Если горизонт подвергается
относительно непродолжительному переувлажнению и
сохраняет признаки основного генетического горизонта
(например, подзолистого, иллювиального и др.), то он как бы
маркируется признаками периодического застоя избыточной
влаги. Такой горизонт называется оглеенным и обозначается
индексом g совместно с основным индексом горизонта,
например Bg.
В оглеенных горизонтах плохо развиваются корни
растений, с/х культуры подвергаются угнетению и гибнут.
Например, почва с чередованием генетических горизонтов: Av
А2 В, Bg, G, или гумусовый, подзолистый, иллювиальный,
иллювиальный оглеенный, глеевый.

35.

Активное переувлажнение приводит к накоплению в
поверхностных горизонтах орг. остатков. Если их по массе
более 30%, существуют растит. волокна, также различимы
остатки растений-торфообразователей, то формируется
торфяный горизонт Т (до 2-4 м, чаще 1-2 м). Часть торфа,
имеющая контакт с воздухом, окрашена в черный цвет, как и
осушенная толща торфяных почв. Ниже постоянного уровня
грунтовых вод торф имеет желтоватый, бурый или
соломистый цвет.
Выделяют иные специфические горизонты, которым
характерно
повышенное
содержание
карбонатов
(карбонатный горизонт), железа (рудяковый горизонт),
извести (известковый горизонт) и др.

36.

Почвообразование
О почвах России (1870) В. В. Докучаев определил
главные почвообразующие факторы: климат, геологические
условия (материнскую породу), топографию (рельеф),
живые организмы и время.
Выветривание – физическое и хим. разрушение
материнской породы под влиянием климата и в меньшей
степени живых организмов.
Главные климатические факторы почвообразования –
осадки (дождь и снег) и t режим;
Топография – на различной высоте, при различной
крутизне и экспозиции склона условия различны.

37.

Живые организмы образуют орг. компоненты почвы
(подстилку
и
гумус).
При
прохождении
через
пищеварительный тракт дождевого червя минеральные и орг.
компоненты измельчаются и перемешиваются, что улучшает
структуру почвы. Ходы детритофагов и мелких позвоночных
животных улучшают аэрацию и облегчают рост корней.
Время, скорость этого процесса в умеренном климате
различна – может потребоваться от нескольких десятилетий
(при формировании почвы на вулканическом пепле) до
нескольких тысяч лет (на обнаженной поверхности скальных
пород).

38.

Рис. Схема взаимодействия четырех почвообразующих
факторов (Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор). Влияние времени в
схеме не отражено.

39.

Типы почв России: тундровые, подзолистые почвы
таежно-лесной зоны (наиболее распространенные), черноземы,
серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от
черноземных), бурые (в сухих степях и полупустынях),
красноземы, солончаки.

40.

Почва как компонент биосферы
Плодородие – способность обеспечивать рост и развитие
растений. Почва является главным звеном всех наземных
биоценозов и биосферы Земли в целом, а также одним из
основных природных ресурсов.
Плодородие обусловлено поглотительной способностью
– удержание питательных веществ в зоне корневых систем.
Типы поглотительной способности почв: механическая,
молекулярно-сорбционная, ионно-сорбционная и биологическая
(К. К. Гедройц, 1932).
Константин Каэта́нович
Гедро́йц (1872-1932) известный российский и
советский почвоведагрохимик,
основоположник коллоидной
химии почв.

41.

Почва – опорный субстрат для большинства наземных
и водных видов растительных организмов, и из нее они
получают необходимые для жизни мин. вещества и воду.
Основные почвообразующие факторы (климат и
растительность) распределяются на поверхности планеты в
виде поясов или зон, вытянутых параллельно широтам.
Почвы располагаются по земной поверхности зонально.
Во все геологические периоды почвенный покров
подвергался воздействию естественных сил природы:
размыванию, разрушению и созиданию, а в связи с
расширением
масштабов
и
интенсификацией
хоз.
деятельности человека это воздействие усиливается.