Вопрос 1. История развития химии почв как науки.Химия почв-это наука о свойствах,о динамике,о происхождении почв, как естественноисторических образований, как объекта труда и средства сельскохозяйственного производства. Почвоведение в качестве самостоятельной области естествознания сформилось 100 лет назад,основоположником является Докучаев. До этого почвоведение рассматривалось как часть агрономии или геологии. Толчком к развитию послужила практическая деятельность людей. Самый верхний слой земли, на котором человек жил, получал урожай, стал объектом труда и средством производства. Более подробное изучение началось в III веке до н.э. в древнем Китае и Египте. В 16-19 веке возникла агрономия -наука о приёмах обработки почв и выращивании культурных растений, как наука начала развиваться в Германии,в 19 веке,(возглавлял Теер). Он выдвинул теорию органического питания растений. Он изучал органическое вещество гумуса. (16-18% гумуса — почва хорошая).отсюда он сделал вывод что Почвенный гумус очень сложное по структуре органическое вещество, включает в себя несколько групп органических веществ. Но не только от гумуса зависит плодородие почв. N, P, K также очень важное звено. После этого начала развиваться минеральная теория. В этот период расширяются экспериментальные работы. Вся морфология почв является информационной. Это одна из функций почвы. Она показывает генезис почвы. Каждая почва прошла через этап развития в определённых условиях. Развитие почвоведения делится на додокучаевский и докучаевский периоды. Докучаев сумел объединить две теории в одну (гумусовую и минеральную). Также он установил 5 факторов почвообразования: рельеф, климат, растительность, геология, деятельность человека (он рассматривал почву как часть географической среды). Почвоведение — зеркало физической географии. Все факторы действуют взаимно. На основании этих факторов были предложены зоны земного шара: северная зона, тундра, лесотундра, тайга, лесостепь, степь, лапиритная зона (тропики, субтропики). С ним работали Северцев (картографирование и классификация почв), Костычёв (органомическое почвоведение), Кассович (физика и химия почв), Глинка (география и классификация почв), Гедройц (поглотительная способность почв), Высоцкий (гидрологический режим почв), Вильямс (развитие почвенного процесса (Полынов, Ковда, Тюрин, Глазовская)). Все они принимали участие в составлении мировой карты почв. Все методические вопросы решаются с учётом учения Докучаева.

Вопрос 2. Особенности почвы. 1) Почва — живое тело, напоминающее по своему сложению губку. 2)населена живыми организмами, чего нет в геологической породе.3)очень неоднородна по составу. 4)однотипна в пределах одинаковых форм рельефа. 5)всегда связана с факторами почвообразования и с географической средой. 6)характеризуется специфическими свойствами (физ/хим).Почва изменяется во времени.7)обладает плодородием. Свойства почвы определяются ее водопроницаемостью, влагоемкостью, водоподъемной способностью и водоотдачей.

Св-ва почвы. Водопроницаемость — свойство почвы как пористого тела пропускать воду. Она зависит от механического состава, структурного состояния и сложения почвы.В почвах легкого механического состава водопроницаемость выражена хорошо, а почвы тяжелые и особенно бесструктур­ные — слабоводопроницаемы. При наличии водопрочной структу­ры суглинистые и глинистые почвы обладают высокой водопрони­цаемостью. У почв с рыхлым сложением она выше, чем у почв уплотненных. Влагоемкость характеризует способность почвы удерживать влагу. Различают несколько видов влагоемкости, основными из которых являются наименьшая, капиллярная и полная. Наименьшая влагоемкость (полевая) — предельное количество влаги, которое способна удерживать почва в полевых условиях после стекания гравитационной воды и при отсутствии капиллярного увлажнения за счет грунтовых вод. При наименьшей влагоемкости в почве содержится максимальное количество воды, доступной для растений, так как водой заполнено 50—70 % пор почвы.Капиллярная влагоемкость — количество влаги, которое способна удерживать почва при наличии капиллярной связи с грунтовой водой, за счет которой она пополняется.Полная влагоемкость — содержание влаги в почве при условии полного заполнения всех пор водой. Водоподъемная способность — способность почвы медленно поднимать воду по капиллярным порам.Высота и скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше и быстрее она поднимается. В крупных порах вода поднимается на меньшую высоту, но с большей скоростью. Почвы тяжелые бесструктурные обладают лучшей водоподъемной способностью по сравнению с почвами легкими и структурными.

Вопрос 3 Виды выветривания

Выветривание — механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов, протекает в верхних горизонтах горных пород (в коре выветривания).Механическое выветривание — механическое разрушение пород без изменения химического состава.Химическое выветривание — химическое изменение пород и минералов. Химическое выветривание более полезно, потому что образуются вторичные минералы, а также химические соединения, которые придают породе следующие свойства: связность, влагоёмкость, поглотительную способность. Всё это создаёт благоприятные условия для жизни микроорганизмов.Биологическое выветривание — перераспределение химических элементов по типу биогенной аккумуляции. В результате физико-химического взаимодействия элементы питания переходят в раствор и становятся доступными для растений. Схема большого геологического круговорота: осадки—растворение—вынос в море—выход на поверхность осадочных отложений. Отсутствие биологического выветривания не допускает существования живых организмов. Химическое и физическое выветривание готовит почву для биологического выветривания. С момента действия биологического выветривания начинается малый биологический круговорот веществ: поступление из горной породы и атмосферы питательных элементов в живые организмы, малый биокруговорот синтезирует органику, возвращение химических элементов в почву с ежегодным опадом органического вещества. Биокруговорот связан с минерализацией мёртвого органического вещества в почве, в результате происходит накопление гумуса и минеральных макро- и микроэлементов, которые служат для формирования живых организмов. Биокруговорот веществ связан с развитием специфического почвообразовательного процесса, который носит название дёрнового процесса. Растительность, как лесная так и травянистая, ежегодно частично или полностью отмирает к концу вегетации. Мёртвая органика частично или полностью минерализуется, высвобождая гумус и минеральные элементы. Они служат питанием для других растений, которые, закончив свой цикл, тоже станут кормом. За счёт дёрнового процесса существует жизнь на Земле.

Вопрос 4 Почвенный воздух. Почвенный воздух отличается от атмосферного повышенным содержанием углекислого газа (в среднем около 1%, иногда до 2—3% и более) и меньшим — кислорода. Состав почвенного воздуха зависит от интенсивности газообмена между почвой и атмосферой. Образование углекислого газа в почве происходит в результате разложения органического вещества микроорганизмами и дыхания корней. Образующийся углекислый газ частично выделяется из почвы в атмосферу, улучшая воздушное питание растений, а частично растворяется в почвенной влаге, образуя угольную кислоту (H2O + СО2 = Н2СО3). Последняя вызывает подкисление раствора, в результате чего усиливается растворение и перевод в усвояемую для растений форму содержащихся в почве нерастворимых минеральных соединений Р, К, Са, Mg и др. При избыточном увлажнении почвы содержание углекислоты в почвенном воздухе повышается, а количество кислорода снижается до 8—12% и менее, что отрицательно сказывается на развитии растений и микроорганизмов. Улучшению состава почвенного воздуха способствуют следующие мероприятия: соблюдение правильных севооборотов, рациональная обработка почвы, обогащение ее органическим веществом, внесение извести на кислых и гипса — на солонцеватых почвах, дренаж, грядковые, гребневые посевы и посадки и др.

Вопрос 5. Почвенный раствор. Почвенный раствор — наиболее подвижная и активная часть почвы. Он является непосредственным источником воды и питательных веществ для растений. Состав и концентрация его изменяются в результате разнообразных биологических, химических и физико-химических процессов. Между жидкой, газообразной и твердой фазами почвы постоянно устанавливается подвижное (динамическое) равновесие. Поступление солей в почвенный раствор зависит от хода процессов выветривания и разрушения минералов, разложения органического вещества в почве, внесения органических и минеральных удобрений. Концентрация почвенного раствора незасоленных почв невелика и колеблется от десятых долей грамма до нескольких граммов веществ на литр. В засоленных почвах содержание растворенных веществ достигает десятков, а иногда и сотен граммов на литр. Избыток водорастворимых солей в почве (более 0,2%, или 2 г на 1 кг почвы) вредно действует на растения, а при содержании их 0,3—0,5% растения погибают. В почвенном растворе содержатся не только минеральные, но и органические вещества, органоминеральные соединения, а также растворенные газы (углекислый газ, кислород, аммиак и др.). В составе почвенного раствора могут находиться различные анионы и катионы. Наиболее важное значение для питания растений имеет присутствие в почвенном растворе ионов К⁺ Са²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺ NO₃^- SO₄^2- и H₂PO₄^- и постоянное их пополнение. Железо и алюминий содержатся в почвенном растворе в основном в виде устойчивых комплексов с органическими веществами, а в кислых почвах — в виде катионов и гидратов полуторных окислов в коллоидно-растворимой форме. Огромное значение для питания и роста растений, как уже указывалось ранее, имеет реакция почвенного раствора. От концентрации и степени диссоциации растворенных веществ зависят осмотическое давление почвенного раствора и поглощение воды корнями растений. Осмотическое давление почвенного раствора в незаселенных почвах значительно ниже, чем в клеточном соке растений. На засоленных почвах с большим осмотическим давлением поглощение воды культурными растениями затрудняется.Слишком кислый и слишком щелочной П. р. отрицательно влияет на рост и развитие растений.

Вопрос 6. Твердая фаза почвы. Твердая фаза почвы состоит из минеральной и органической частей, которые являются основными источниками питательных веществ для растений. Около половины твердой фазы приходится на кислород, одна треть- на кремний, свыше 10% -на алюминий и железо и лишь 7% составляют остальные элементы.Азот практически полностью содержится в органической части почвы, углерод, фосфор, сера, кислород и водород — как в минеральной, так и в органической, а все другие из указанных в таблице элементов — в минеральной части почвы. Минеральная часть составляет 90—99% массы твердой фазы почв и имеет сложный минералогический и химический состав. Она представлена кристаллическими кремнекислородными и силикатными минералами, аморфными и кристаллическими гидроксидами алюминия, железа и кремния, а также различными нерастворимыми минеральными солями. Наиболее распространен в почве первичный силикатный минерал кварц (SiO₂, двуокись кремния). Содержание его во всех почвах превышает 60%, а в легких песчаных достигает 90% и более. Кварц характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к химическому выветриванию, он не участвует в химических реакциях в почве. Из первичных алюмосиликатных минералов в почве широко распространены калиевые и натрий-калиевые полевые шпаты, в меньшей степени — калийная и железисто-магнезиальные слюды. Постепенно разрушаясь, эти минералы служат источником калия, кальция, магния и железа для растений. Первичные минералы — кварц, шпаты и слюды — обычно присутствуют в почве в виде частиц песка и пыли. Вторичные, или глинистые, минералы образуются при изменении полевых шпатов и слюд в процессе выветривания и почвообразования. Они находятся в почве главным образом в виде мелкодисперсных коллоидных частиц и обладают большой суммарной поверхностью и поглотительной способностью. По строению кристаллической решетки, степени дисперсности и другим свойствам глинистые минералы объединяют в три группы: каолинитовую; монтмориллонитовую; гидрослюд. Они состоят главным образом из кремния, алюминия, кислорода и водорода, а также содержат небольшое количество железа, кальция, магния, калия и могут быть источником этих элементов для растений. В твердой фазе почвы всегда присутствуют в сравнительно небольшом количестве труднорастворимые соли фосфорной кислоты (фосфаты кальция, магния, железа и алюминия), а в отдельных почвах может быть значительное количество малорастворимых карбонатов кальция, магния и сульфата кальция. В почве постоянно протекают процессы превращения труднорастворимых соединений в легкорастворимые и, следовательно, более доступные растениям. Одновременно происходят и обратные процессы. Различные механические фракции почвы имеют неодинаковый минералогический и химический состав, отличаются по содержанию элементов питания. Более крупные частицы почвы — песчаные и пылеватые — состоят в основном из кварца, поэтому характеризуются высоким содержанием кремния, но меньшим — алюминия, железа, а также кальция, магния, калия, фосфора и других элементов. В состав мелкодисперсной коллоидной и илистой фракции входят преимущественно первичные и вторичные алюмосиликатные минералы, поэтому в ней больше содержится алюминия и железа, а также кальция, магния, калия, натрия, фосфора и других элементов питания. В связи с этим более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче элементами питания, чем песчаные и супесчаные. Мелкодисперсные минеральные частицы почвы (глинистые минералы) вместе с органическим веществом обусловливают ее поглотительную способность, которая играет важную роль при взаимодействии удобрений с почвой.

Следовательно, механический состав почвы в значительной степени определяет многие важные ее свойства — содержание элементов питания (Са, Mg, К, Р, Fe, микроэлементов), поглотительную способность, а также физические свойства (влагоемкость, водопроницаемость, воздушный и тепловой режим).

Вопрос 7.Почвенные пигменты.Критерий окраски почв включает в себя такие понятия, как цвет, чистота окраски, интенсивность окраски или насыщенность и оттенок или тон окраски. по интенсивности и насыщенности окраска почв обычно не яркая, а скорее сдержанно-тусклая с гаммой всевозможных тонов. Поэтому определить расцветку почвы одним цветом, например, бурым, обычно не представляется возможным. По этой причине приходится прибегать еще и к обозначению дополнительных тонов и степени осветленности: Нужно избегать тройных терминов по типу известного выражения "серо-буро-малиновый". Допускается употребление образных сравнительных обозначений -шоколадная, кофейная, стально-серая, пепельная, седоватая, грязно-болотная ит.д. Известные затруднения при определении окраски почв возникают у начинающих из боязни ошибиться. Гораздо важнее дать относительную характеристику окраски, пользуясь выражениями "светлее", "темнее", "ярче" и т.д. по сравнению с предыдущим слоем. Для большей объективности был предложен ряд методов определения окраски почв с помощью соответствующих шкал и методов. Но пока широко практического применения они не нашли. цвет почвы непосредственно связан и определен минералогическим и химическим составом, дисперсностью, сложением, влажностью и другими свойствами почвы. А это значит, что все изменения в окраске по профилю являются отражением внутренних изменений почвенного материала. В зависимости от степени однородности цвета в пределах горизонтов выделяют следующие типы окраски:1 - равномерная - цвет, тон и насыщенность окраски не меняется по всему горизонту; 2 - неравномерная - интенсивность, осветленность или оттенок окраски постепенно меняется сверху вниз; 3 – пятнистая - пятна различной формы и размеров одного цвета спорадически разбросаны на фоне другого основного цвета горизонта;4 - крапчатая - мелкие (d < 5 мм), хаотично расположенные пятнышки на сплошном фоне другого цвета;5 – полосатая или муаровая - правильное, порою симметричное чередование параллельных полос разного цвета и прихотливой формы (например, реликт ленточных глин);6 - мраморовидная - крайне пестрое переплетение причудливых узоров и орнаментов из пятен и прожилок разного цвета.

Важнейшими красящими пигментами почвы, от которых зависит ее цвет, является гумус, окись железа, марганца, меди, закись железа, кварц, палевые шпаты, карбонаты, глины, соли, гипс и др. Так, темная окраска является обычно следствием наличия в почве гумуса. При этом интенсивность цвета зависит не только от содержания гумуса, но и от его природы. у черноземов интенсивно темная с бархатистым оттенком окраска указывает на высокое содержание - более 10 % гумуса. По темному, но не такому насыщенному цвету, можно судить о концентрации гумуса в 7-8 %. Темно-серая окраска говорит о 5-6 % гумуса, серая с бурым оттенком – о 3-4 %, бурая с серым оттенком - 1-2 %, бурая с сероватым оттенком - меньше 1 %. Гумус пропитывает всю почву и всегда оказывает на ее окраску затемняющее действие. Этим как раз и объясняется отсутствие у почв чистых и ярких тонов, так как затемненность понижает яркость. Поэтому почвам присущи смягченные матовые тона, придающие им "землистый" характер. Так же как и гумус, черную окраску почве дают некоторые минералы группы амфиболов, сульфиды, гидроокислы марганца, нонтранит, реликтовый органический детрит (шунгитовые сланцы, например) и т.д.

Белая окраска и светлые тона почвы вызваны преимущественно каолинитом, чистыми бокситами (гиббситом. бемитом), аморфным кремнеземом, мелом, пропиткой и выцветами солей, тонкодисперсным гипсом или ангидритом.

Носителями белой, порой слепящей на солнце глаза окраски, могут быть некоторые первичные минералы, такие, как кварц, полевые шпаты и др. Красная окраска обусловлена обилием в почве окислов железа, чаще всего в форме гематита. Чем более окислена и обезвожена богатая свободным железом почва, тем более сочную ярко-красную окраску она имеет. И, наоборот, чем более гидротирован оксид железа в ряду гематит-лимонит, тем успешнее красно-ржавая окраска вытесняется желтой. Бурым цветом окрашена почва в том случае, если она располагает изобилием иллита, гидрослюд, фульватов гумуса, гидроокислов железа с переменным содержанием конституционной влаги.

Синеватые, грязно-голубые, бутылочно-оливковые, салатные и сизоватые оттенки возникают в почве при восстановлении железа в анаэробной переувлажненной обстановке. Сочно-изумрудные и малахитово-зеленые побежалости и разводы чаще всего связаны с окислами и карбонатами меди.

самые незначительные биогеохимические изменения среды почвы могут решающим образом сказаться на ее цветовом спектре и тем самым дадут знать о себе.

необходимо помнить, что цвета и оттенки окраски почвы определяются многими ее свойствами и состоянием. Так, например, оструктуренные и влажные почвы кажутся более темными, чем бесструктурные и сухие. В вечерние и утренние часы почвы кажутся более темными, чем днем при рассеянном свете. Поэтому оправдано определение окраски почвы производить во влажном и сухом состоянии. В противном случае не исключена утеря нужной информации, что может привести к ошибкам в трактовке генезиса почвы.

Вопрос 8. Минеральные вещества в почвах составляют 90-95 % в гумусовых горизонтах и более 99% в минеральных горизонтах. Исключением являются торфяные горизонты, лесные подстилки и ветошь. Минеральная часть в основном наследуется от почвообразующих пород. По мере развития почвообразовательного процесса минералы претерпевают ряд изменений.

В рыхлых почвообразующих породах и в почвах минеральная часть слагается из минералов, по своему происхождению относящимся к двум группам:

Первичным минералам магматического и метаморфического происхождения.

Вторичным минералам, образовавшихся в коре выветривания и в почвах в результате стадийного разрушения первичных минералов и синтеза из конечных продуктов выветривания.

По содержанию минералы подразделяются на породообразующие, содержание которых в почве и породах составляет более 5%, относительно редкие и акцессорные, образующие относительно ничтожную примесь в горных породах.

Полевые шпаты по массе в почве составляют ~ 50%. Их кристаллохимическая структура также как и кварца представляет собой каркас из кремнекислородных тетраэдров. В отличие от кварца внутри тетраэдров кремний частично замещен ионом алюминия, имеющего больший радиус. Возникшая нестабильность в строении компенсируется включением в структуру силикатов катионов щелочных и щелочноземельных металлов (К+,Na+,Ca2+). Полевые шпаты делятся на кислые и основные. К кислым полевым шпатам относятся К- и Nа- полевые шпаты. Они имеют светлую окраску, Они представлены минералами калиевыми полевыми шпатами микроклином (триклинный) и ортоклазом (моноклинный) K[AlSi3O8] и натриевым полевым шпатом альбитом Na[AlSi3O8]. К основным полевым шпатам относятся кальциевые полевые шпаты, представителем которых является минерал анортит Ca[Al2Si2O8].

Изоморфные смеси Na- и Ca- полевых шпатов образуют группу плагиоклазов. Если в плагиоклазах преобладают Na- полевые шпаты, то они относятся к кислым (олигоклаз, олигоклаз-альбит). Если в плагиоклазах преобладают Ca- полевые шпаты, то они относятся к основным (андезин, лабрадор).

Слюды входят в состав многих изверженных и осадочных пород.. Содержание их в почвах составляет 4-5%. Они имеют слоистую кристаллохимическую структуру, в которой SiO4-тетраэдры образуют плоские сетки. Вершины обращенных друг к другу тетраэдров связаны ионами Al c OH- группой, образуя трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами К,Mg,Fe .

Калийная слюда – мусковит KAl[AlSi3O10](OH)2, светлая, устойчива к выветриванию. Магнезиально-железистая слюда – биотит K(Mg,Fe)[AlS3O10](OH)2 темная, менее устойчива к выветриванию. Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей.

Пироксены и амфиболы составляют 5-15 % в почвах. SiO4 – тетраэдры их образуют цепочки, соединенные ионами Mg, Fe, Al, Са, К, Na. Это темные зеленоватые минералы. Наиболее распространены: среди пироксенов авгит R2(Si2O6), среди амфиболов роговая обманка R7 (Si4O11) (OH)2.