Глава 10 жидкая фаза почв, почвенные растворы

Почвенная влага — это одна из важнейших и весьма мобильных составных частей почвы. При участии воды совершаются процессы выветривания, гумификации и минерализации органических остат­ков. Почвенная влага является основой жизни микроорганизмов и высших растений. При участии почвенной влаги происходит пере­мещение веществ внутри почвенного профиля и обособление гене­тических почвенных горизонтов, а также вынос части вещества за пределы почвенного профиля. От состояния влажности почвы из­меняются ее физические свойства.

Категории, формы и виды почвенной влаги

Влага в почве может находиться в твердом, газообразном и жид­ком состоянии.

Согласно классификации А.А. Роде, в почве можно выделить следующие категории почвенной влаги.

Кристаллизационная влага прочно связана в кристаллических ре­шетках минералов (алюмосиликатов, гидроксидов, простых солей) и входит в твердую фазу почвы. Так, при кристаллизации сернокислого кальция и образовании гипса на каждую молекулу CaS0₄ связывается две молекулы воды (CaS0₄ • 2Н₂0), при кристаллизации сернокислого натрия и образовании мирабилита — 10 молекул (Na₂S0₄ • ЮН₂0).

Твердая влага — лед — периодически появляется в верхних гори­зонтах сезоннопромерзающих почв и постоянно присутствует в ниж­них горизонтах почв с вечной мерзлотой.

Парообразная влага присутствует в почвенном воздухе в форме водяного пара. Попадая в почву из атмосферы или за счет испаре­ния воды внутри почвы, она движется в порах и пустотах от мест с большей упругостью пара к местам с меньшей его упругостью. В почвах с сезонной и вечной мерзлотой парообразная влага переме­щается к холодному фронту, где конденсируется, что сохраняет низ­кую упругость водяного пара на границе мерзлого и талого слоев. Некоторое значение для пассивного передвижения водяного пара имеет тепловое расширение почвенного воздуха, обычно наблюдае­мое в верхних горизонтах при нагревании их в течение дня. Давле­ние атмосферного воздуха и аэродинамические силы, возникающие при действии на поверхность почв ветра, усиливают обмен парооб­разной влаги между почвой и атмосферой.

Жидкая влага присутствует в почве в виде связанной и свободной влаги. Каждая из них представлена несколькими формами влаги.

1. Связанная влага удерживается на поверхности твердых частиц силами молекулярного притяжения. Она делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную влагу.

Прочносвязанная (гигроскопическая) влага. Движение частиц во­дяного пара и их количество в почве регулируется сорбционными силами — притяжением молекул парообразной воды к твердым по­чвенным частицам и превращением ее в прочносвязанную гигрос­копическую влагу.

Силы притяжения твердыми частицами парообразной влаги дей­ствуют на малое расстояние, равное нескольким диаметрам молеку­лы воды. Адсорбция первых слоев воды почвенными частицами со­вершается:

а) за счет водородных связей с атомами кислорода, входящими в состав поверхностного слоя частиц;

б) за счет гидратации катионов, которые расположены на повер­хности частиц в точках изоморфного замещения атомов кремния и алюминия на атомы магния.

По существующим представлениям, начальная стадия процесса сорбции парообразной влаги в почве заключается в притяжении молекул водяного пара поверхностными молекулами и ионами са­мого вещества: возникает первый слой сорбированных молекул. Толщина этого слоя измеряется двумя-тремя диаметрами молекул. Следующие слои молекул воды притягиваются уже молекулами са­мой адсорбированной воды, что облегчается их дипольным харак­тером. Все молекулы сорбированной воды находятся, таким обра­зом, в строго ориентированном положении (рис. 10.1). Наблюде­ния, произведенные над адсорбцией водяного пара кварцевым песком, показали, что образование мономолекулярного слоя проис-

Число

молекулярных

слоев,

см²Д г/100 г

Размер частиц, мм

Рис. 10.1. Зависимость толщины оболочки воды (число молекулярных слоев), сорбированной из водяного пара (по А.А. Роде): 1 — от размера частицы; 2 — количества сорбированной воды; 3 — удельной поверхности от размера частицы

ходит при очень небольшом давлении водяного пара — около 1 % относительной влажности. При дальнейшем увеличении давления пара начинается процесс многослойной сорбции. При 80—85 % от­носительной влажности толщина пленки гигроскопической воды равна 30—50 диаметрам ее молекул.

Прочносвязанная влага обладает свойствами, отличающими ее от свободной воды: она имеет повышенную плотность (1,1 — 1,7), меньшую теплоемкость (около 0,5), не способна растворять электро­литы и проводить электрический ток, не замерзает вплоть до —78 °С и обладает механическими свойствами, сближающими ее с тверды­ми телами (модулем сдвига и пределом текучести). При адсорбции первых слоев воды выделяется теплота смачивания.

Гигроскопическая влага удерживается на поверхности почвен­ных частиц силами молекулярного притяжения настолько прочно, что удалить ее можно только путем перевода в парообразное состо­яние при нагревании почвы свыше 100 °С в течение 4—5 ч. Макси­мальное количество прочносвязанной (гигроскопической) влаги в данной почве является водно-физической константой и называется максимальной гигроскопичностью (МГ).

Рыхлосвязанная (или пленочная) влага — это вода, удерживаемая силами молекулярного притяжения сверх величины максимальной гигроскопичности. Ее основной признак — ориентированное рас­положение молекул воды. Наибольшее количество рыхлосвязанной (пленочной) воды может в 2—4 раза превышать величину макси­мальной гигроскопичности. Это дополнительное количество влаги, удерживаемой силами молекулярного притяжения, почва не может поглотить даже из насыщенной водяными парами атмосферы; рых­лосвязанная влага сорбируется только при соприкосновении почвен­ных частиц с жидкой влагой.

В отличие от прочносвязанной рыхлосвязанная влага способна к передвижению от одной почвенной частицы к другой: от частиц с более толстыми пленками к частицам с менее толстыми. Однако это движение возможно лишь пока существует некоторый градиент влажности и совершается оно с очень малой скоростью.

Рыхлосвязанная влага может быть удалена из почвы центрифу­гированием (при высоком ускорении, развиваемом центрифугой) или отпрессованием (при давлении до 6850—2000 кг/см²).

Рыхлосвязанная (или пленочная) влага отличается от обычной жидкой влаги, находящейся в почве, лишь несколько пониженной концентрацией растворенных веществ и температурой замерзания (при понижении температуры до —15 °С количество незамерзшей воды близко к величине максимальной гигроскопичности).

Наибольшее количество воды, которое может быть удержано в почве силами молекулярного притяжения, называется максимальной молекулярной влагоемкостью (ММВ ) и выражается в процентах от массы или объема почвы.

2. Свободная влага встречается в почвах в формах: подвешенной, подпертой гравитационной и свободной гравитационной.

Капиллярно-подвешенная влага. Характерным свойством ее являяется отсутствие гидростатической связи с постоянными или временными водоносными горизонтами. Она образуется при увлажнении почвы сверху (после дождя или полива). Наибольшее количество подвешенной влаги, остающееся в верхних горизонтах почв после их смачивания сверху, называется наименьшей влагоемкостью или полевой влагоемкостью почвы (НВ ).

Различают следующие виды подвешенной влаги:

а) стыковая капиллярно-подвешенная. Встречается в почвах различного гранулометрического состава в виде разобщенных скоплений вокруг точек соприкосновения твердых частиц при влажности < НВ. Гидростатическая сплошность отсутствует, влага удерживается капиллярными силами (рис. 10.2);

б) внутриагрегатная капиллярно-подвешенная. Распространена в почвах, обладающих макроструктурой, заполняет поры капиллярного размера, пронизывающие агрегаты при влажности > НВ;

в) насыщающая капиллярно-подвешенная. Встречается в среднезернистых почвах, в поверхностном слое, целиком заполняя поровое пространство почвенной массы. Этот вид влаги возникает при исходной сухости почвы или грунта. Удерживается капиллярными силами. Большую роль в удержании влаги играет плохая смачиваемость первоначально сухой почвы. Характерна предельная мощность насыщенного слоя, при превышении которой равновесие нарушается и вся влага, за исключением стоковой, стекает вниз;

г) сорбционно-замкнутая. Встречается в почвах среднего и тяжелого гранулометрического состава в виде микроскоплений в крупных порах, изолированных друг от друга перемычками из связанной влаги. Удерживается сорбционными силами.

Капиллярно-подпертая влага

встречается в двух формах:

а) подперто-подвешенная капиллярная влага. Образуется при

Рис. 10.2. Водяная манжета (стыковая вода) между двумя шарообразными частицами (по А.А. Роде)

влажности, равной НВ и выше, в слоистых толщах в более тяже­лых (более мелкопористых) слоях при подстилании их более легки­ми (более крупнопористыми);

б) подпертая капиллярная. Встречается в почвах различного гра­нулометрического состава в виде влаги капиллярной каймы над вре­менным или постоянным зеркалом почвенно-фунтовых вод; обра­зуется при влажности > НВ.

Максимально возможное в данной почве количество капилляр­но-подпертой влаги называется капиллярной влагоемкостью (KB).

Свободная гравитационная влага — для нее характерно передви­жение под влиянием силы тяжести. Подразделяется на два вида:

а) просачивающаяся влага. Находится в состоянии нисходящего дви­жения по крупным порам и полостям некапиллярного размера под влиянием силы тяжести, что наблюдается при влажности почвы > НВ;

б) влага водоносных горизонтов — фунтовые, почвенно-фунтовые и почвенные воды, удерживаемые вследствие наличия водонеп­роницаемого подстилающего слоя. Эти воды могут быть застойны­ми или при наличии разности гидравлических напоров стекающи­ми в направлении уклона водоупорного слоя.

Водно-физические свойства почвы

В ряду главных водно-физических свойств следует назвать водоудерживающую и водопропускную способность почвы.

Водоудерживающая способность почвы. Способность твердой фазы почвы при участии сорбционных и капиллярных сил удерживать почвенную влагу от стекания (под влиянием силы тяжести) называ­ется водоудерживающей способностью. Наибольшее количество воды, удерживаемое почвой теми или иными силами, называется влагоем­костью. Различают несколько видов влагоемкости.

Способность твердых частиц поглощать из воздуха парообраз­ную влагу называется гигроскопичностью почвы. Даже совершенно сухая на вид почва («воздушно-сухая почва»), долгое время храня­щаяся в помещении, обычно содержит некоторое количество гиг­роскопической влаги. Последнюю выражают в процентах к весу аб­солютно сухой почвы (высушенной при t— 105 °С). Количество гиг­роскопической воды, которое может быть поглощено данной почвой, зависит от относительной упругости водяного пара в воздухе, со­прикасающегося с почвой, и от ее механического состава.

Максимальная гифоскопичность (МГ), т. е. количество влаги, которое она может поглотить из воздуха, выражается в процентах от веса почвы. Величина максимальной гифоскопичности колеблется от 2—3 % в почвах легкого гранулометрического состава до 12—15 % в тяжелых почвах с большим содержанием гумуса.

Максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ) в глинистых почвах достигает 43—44 %, в большинстве суглинистых почв она составляет 7—15 %.

Наименьшая влагоемкость (НВ) зависит от гранулометрическо­го состава почв, их агрегатности и пористости. В большинстве почв НВ составляет 20—30% почвенной массы. Установлена эмпиричес­кая зависимость между объемной массой почвы (ОВ) и наименьшей влагоемкостью (НВ). При условии однородности гранулометричес­кого состава произведение объемной массы на величину НВ, вы­численное для различных горизонтов почвы, является величиной постоянной для всего почвенного профиля [ОВ] — [НВ] = A(const). НВ обратно пропорционально величине объемной массы и, следо­вательно, прямо пропорционально величине пористости.

В суглинистых и глинистых почвах количество подвешенной влаги и особенно мощность смоченного слоя могут достигать значитель­ных величин. Так, по наблюдениям в лёссовых грунтах со сквозным промачиванием величина наименьшей влагоемкости (23—25 %) со­храняется на глубине до 15 м (данные А.А. Измаильского).

При увлажнении почвы сверху (при поливе или после дождя) рас­пределение капиллярно-подвешенной влаги в суглинистых фунтах имеет вид, изображенный на рис. 10.3. Распределение подвешенной влаги в почве через различные сроки после полива указывает на воз­можность лишь очень медленного ее стекания вниз, но общий харак­тер кривых говорит о том, что поступившая в почву влага удержива­ется в ней достаточно прочно.

Почвенно-грунтовая толща, расположенная непосредственно над зеркалом грунтовых вод, содержит капиллярно-подпертую влагу. При испарении этой влаги у верхнего края капиллярной каймы от зеркала грунтовых вод идет поступление новых порций воды. Ве­личина капиллярной влагоемкости (KB) на разном расстоянии от уровня грунтовых вод непостоянна. Она изменяется от 17—20 до 50—60% от массы почвы.

В природе влажность почв изменяется весьма значительно в пределах капиллярно-смоченного слоя, поэтому то, что называют капиллярной влагоемкостью, определяется в лаборатории при на­сыщении почвы в небольших цилиндрах (высотой 15—20 см) и представляет максимальное количество капиллярной влаги, удер­живаемое почвой непосредственно над уровнем слоя гравитацион­ной воды.

Рис. 10.3. Распределение влаги в почве при увлажнении

сверху через (по И.Б. Ревуту):

1 — 3 сут; 2—12 сут;

3 — 21 сут после увлажнения

Рис. 10.4. Равновесное распределение влажности в почвенно-грунтовой

толще, промоченной насквозь (по А.А. Роде)

Когда все поры в почве (капиллярные и некапиллярные) полностью заполнены влагой, наступает наибольшая степень влагонасыщенности почв. Количество влаги, находящееся в почве в данных условиях, называется полной влагоемкостъю (ПВ) или водовместимостью. В состоянии увлажнения, равном полной влагоемкости, почвы находятся при отсутствии или затруднении стока гравитационной влаги.

Водоподъемная способность почвы. Свойство почвы вызывать подъем влаги по капиллярам называется водоподъемной способностью. В природе над зеркалом грунтовых вод создается кайма капиллярно-подпертой влаги. Содержание влаги в кайме уменьшается снизу вверх от почти полной влагоемкости до наименьшей (рис. 10.4).

Мощность капиллярной каймы или водоподъемная способность почв зависит от их гранулометрического состава (табл. 10.1, рис. 10.5).

Высота капиллярного подъема возрастает от песков через супеси к лёссовидным суглинкам, а при переходе к грунтам более тяжелого

Таблица 10.1

Высота капиллярного подъема в колонках из грунта с различной крупностью зерен (по В. Новаку и И. Печанеку)

Диаметр зерен, мм	Высота капиллярного подъема, см
5-1	5,2
0,3-0,5	9,0
0,1-0,2	30,0
0,05-0,1	113,5
0,01-0,005	242,2
0,005 -0,01	269,0

Рис. 10.5. Капиллярный подъем влаги в насыпных колоннах из частиц разного размера (по А.А. Роде)

гранулометрического состава снова начинает уменьшаться вслед­ствие того, что сила трения в тонких капиллярах становится очень большой, а тонкие поры сплошь заполняются связанной пленочной влагой. Максимальная высота капиллярного поднятия, отмеченная Н.А. Качинским для лёссовидных суглинков в лабораторных усло­виях, равнялась 350 см (за 5 лет). В природных условиях им отмечен капиллярный подъем на высоту до 600 см. Высота капиллярной кай­мы находится в обратной зависимости от степени минерализации воды.

Капиллярно-подвешенная влага также может передвигаться кверху в направлении испаряющей поверхности в пределах всей промоченной толщи. По мере испарения жидкости близ поверх­ности образуется слой с максимальным содержанием растворимых веществ.

С передвижением и испарением капиллярно-подвешенной вла­ги восходящее движение почвенной влаги кверху при определенном пределе влажности прекращается, а именно когда капилляры раз­рываются и исчезает сплошность свободной влаги. Значение влаж­ности, при котором движение кверху подвешенной влаги прекра­щается, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). Величи­на влажности разрыва капилляров при прочих равных условиях изменяется в зависимости от структурного состояния почвы.

Бесструктурные почвы теряют воду за счет ее передвижения к слоям иссушения значительно больше, чем почвы структурные. Подвижная вода в почвах тяжелого гранулометрического состава в случае их полной бесструктурности может быть представлена не столько капиллярной, сколько рыхлосвязанной (пленочной) водой.

Водопроницаемость почв. Способность почвы пропускать через себя гравитационную влагу называется водопроницаемостью, а про­цесс поступления — впитыванием воды. Способность к передвиже­нию влаги вниз появляется в почвах, влажность которых превышает величину наименьшей влагоемкости. Водопроницаемость почвы зависит от гранулометрического состава и структурного состояния и, в особенности, от величины некапиллярной скважности.

Водопроницаемость измеряется расходом влаги (мм) за опреде­ленное время (ч) при постоянном гидростатическом давлении сверху (5 мм водного столба). Если влага поступает в относительно сухую почву, то в начальные моменты увлажнения расход воды очень ве­лик за счет впитывания влаги в верхний рыхлый и влагоемкий гуму­совый горизонт почвы, затем расход воды постепенно уменьшается и устанавливается постоянная скорость просачивания, или фильт­рации, воды через насыщенную ею почву.

Скорость впитывания характеризуется величиной коэффициен­та впитывания (или коэффициента поглощения — К), который из­меняется в процессе впитывания (рис. 10.6) и находится в некото­рый момент времени t (согласно А.И. Костякову) в следующей за­висимости от начальной его величины К:

где постоянная величина а < 1

Коэффициент фильтрации Х_ф сильно меняется по профилю по­чвы в зависимости от различий гранулометрического состава, агрегированности и пористости почв.

На рис. 10.6 приводятся величины коэффициентов фильтрации лесной дерново-среднеподзолистой почвы, развитой на легком по­кровном суглинке при подстилании его тяжелыми суглинками. Ве­личина К_ф с глубиной резко понижается, особенно резкие скачки (в 2—3 раза) происходят на Глубине 50, 100 и 150 см. Глубже (до 4 м) наблюдается хотя и более Медленное, но заметное снижение водо­проницаемости. В целом на протяжении 4 м К_ф уменьшается почти в 90 раз (от 71,0 см/сут в слое О—50 см до 0,8 см/сут в слое 350—400 см). В степных почвах (черноземах) значительное уменьшение водопро­ницаемости наблюдается на глубине около 1,5 м при переходе к почвообразующей породе — лёссовидному суглинку. Столь же сильно изменяется водопроницаемость в пространстве в силу неравномер­ного распределения в них водопроводящих каналов — различных полостей, ходов корней и нор животных, наличия трещин. Влага проходит в почву языками, вследствие чего влажность почвы на одной и той же глубине, но _в разных точках сильно различается.

Далее приводятся различные градации коэффициента фильтра­ции для характеристики водопроницаемости почв. А.И. Костяков предложил следующую трехчленную шкалу (мм/ч):

Слабая водопроницаемость 50

Средняя водопроницаемость 100

Высокая водопроницаемость 150

По Н.А. Качинскому, при напоре столба воды 5 см и температуре 10 °С можно выделить шесть градаций водопроницаемости (мм/ч):

Провальная 1000

Излишне высокая 1000—500

Наилучшая 500—100

Хорошая 100—70

Удовлетворительная 70—30

Неудовлетворительная <30

Рис. 10.6. Изменение во времени водопроницаемости тяжелосуглинистой почвы (по Н.Ф. Созыкину): 1 — под лесом; 2 — на пашне

Влияние различных величин влажности почвы на рост и развитие растений

Растения в процессе жизни потребляют большое количество воды. Главная масса этой воды расходуется на транспирацию. Потреб­ность растений в воде выражается их транспирационными коэффи­циентами, т. е. отношением количества воды, испаренной растени­ем, к общему приросту сухого вещества за определенный промежу­ток времени.

Этот коэффициент для культурных растений колеблется от 200 до 1000, в большинстве случаев он равен 350—450. Следовательно, на построение 1 т растительной массы затрачивается от 200 до 1000 т воды. Естественно, что влажность почвы (ее водоудерживающая, водопропускная и водоподъемная способность) и доступность раз­личных форм влаги растениям являются исключительно важными для плодородия почв, от них непосредственно зависят рост и разви­тие растений.

По отношению к растениям почвенная влага может быть разде­лена на ряд категорий (по А.А. Роде).

1. Неусвояемая для растений влага или ее мертвый запас при­близительно соответствует максимальному содержанию прочно свя­занной воды или величине максимальной адсорбционной влагоемкости.

2. Весьма труднодоступная для растений влага — это часть рыхлосвязанной влаги, по содержанию в почве находящаяся в интерва­ле между максимальной адсорбционной влагоемкостью и коэффициентом завядания растений, равному приблизительно 1,5 макси­мальной гигроскопичности.

Коэффициентом завядания растений называется то минимальное содержание влаги в почве, при котором листья растений имеют по­ниженное содержание влаги и начинают завядать. Полное отмира­ние растений наступит при влажности, равной максимальной адсорб­ционной влагоемкости. Вместо термина «коэффициент завядания» употребляют термин «влажность завядания», так как отмирание рас­тений происходит не сразу, а в определенном интервале влажности, когда в почве имеется лишь труднодоступная растениям влага.

3. Труднодоступная влага заключена в пределах между величи­нами влажности завядания и влажности разрыва капилляров. В этом интервале влажности растения могут существовать, не обнаруживая признаков недостатка влаги, но продуктивность растительного по­крова низка.

4. Среднедоступная влага находится в пределах — от влажности разрыва капилляров до величины наименьшей влагоемкости. Про­дуктивность растений резко увеличивается при повышении содер­жания влаги выше влажности разрыва капилляров, продолжая уве­личиваться и далее.

5. Влага легкодоступная, переходящая в избыточную, лежит в пределах величин влажности — от наименьшей до полной влагоем­кости, но в этом интервале содержание влаги в почве может уже затруднять доступ кислорода воздуха и явиться причиной затруд­ненного дыхания растений.

При регулировании содержания влаги в почве (полив, рыхле­ние, снегозадержание и т. д.) нужно стремиться, чтобы ее влаж­ность поддерживалась на уровне между величинами влажности раз­рыва капилляров и наименьшей влагоемкостью (ближе к последней), т. е. на уровне среднедоступной влаги и несколько выше, что со­ставляет около 70 % наименьшей влагоемкости.

Состав, свойства и динамика почвенных растворов

Поступающая в почвы атмосферная влага обычно содержит не­которое количество растворенных веществ. Это простые соли (гид­рокарбонаты, сульфаты, хлориды) и растворенные газы (прежде всего кислород и углекислота, а в областях активного современного вул­канизма и вблизи промышленных центров — оксиды азота и серы), сообщающие осадкам кислую реакцию. В нормальных геохимичес­ких условиях реакция атмосферных осадков близка к нейтральной.

При просачивании в почву влага атмосферных осадков взаимо­действует с твердыми частицами почв, почвенным воздухом, обога­щается продуктами метаболизма, выделяемыми корнями растений и микроорганизмами. Минерализация воды и химический состав растворенных веществ существенно изменяются, и она становится почвенным раствором.

Почвенные растворы представляют весьма подвижную систему: состав их изменяется по мере того, как они перемещаются из одно­го почвенного горизонта в другой, испарение воды или новое ее поступление влияет на концентрацию растворенных веществ, вы­зывает их выпадение или растворение. Состав растворов в значи­тельной степени изменяется по сезонам года, что связано с режи­мом осадков и температур, с поступлением органических остатков и темпами их минерализации и гумификации.

Состав почвенного раствора и его концентрация определяются всей совокупностью происходящих в почве процессов и зависят как от источника поступления воды, так и водного и окислительно- восстановительного режимов почв. Если почвенный раствор обра­зован влагой, попадающей в почву с атмосферными осадками, его минерализация обычно невелика — около 0,1—0,3 и редко достига­ет 1 г/л. Состав почвенного раствора в случае формирования его за счет просачивающихся атмосферных вод определяется в первую очередь подвижными продуктами минерализации и гумификации растительных остатков, имеет тесную связь с составом золы населя­ющих данную почву растений и составом почвенного гумуса. Новое поступление органических остатков и усиление микробиологичес­кой деятельности в теплые периоды года повышают концентрацию почвенных растворов. Однако в почвах гумидных областей с про­мывным или периодически промывным водным режимом концент­рация почвенных растворов остается невысокой.

Если в образовании почвенного раствора участвуют минерали­зованные фунтовые воды, поднимающиеся по капиллярам внутри почвенной толщи и испаряющиеся у ее поверхности, концентрация солей может составлять несколько десятков и даже сотен граммов на литр и достигать предельного насыщения. В засоленных почвах аридных областей, по данным В.А. Ковды, концентрация солей в растворах в верхних горизонтах почв доходит до 300—400 г/л. При формировании растворов за счет грунтовых вод химизм их не имеет столь тесной связи с процессами минерализации и гумификации населяющих данную почву растений. Он представляет собой в не­котором роде итог процессов выветривания и почвообразования всей водосборной (или солесборной) площади.

Состав веществ в почвенных растворах весьма разнообразен: в него входят минеральные, органоминеральные и органические со­единения, находящиеся в состоянии молекулярных (или истинных) _{и к}оллоидальных растворов.

Органические соединения в почвенных растворах представлены водорастворимыми органическими кислотами и их солями. В по­чвенных растворах обнаруживают гуматы натрия, фульваты каль­ция, магния, а в условиях сильнокислой среды — фульваты железа и алюминия. В верхних горизонтах почв водорастворимые органи­ческие соединения обычно составляют основную массу веществ почвенного раствора.

Из минеральных веществ наиболее обычны простые соли следу­ющих катионов и анионов: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, NH₄⁺ (в некоторых почвах Fe²⁺), НСО", С0₃", С S0₄^2-, Si0₄²~ и коллоидно-раствори­мые гидроксиды Si, Fe, Al, Mn.

Между общей концентрацией солей в растворах и соотноше­нием отдельных ионов наблюдается определенная зависимость. В слабо концентрированных растворах преобладают двууглекислые соли кальция. По мере повышения концентрации растворов про­исходит накопление сернокислых и хлористых солей магния и натрия.

Такое изменение состава растворов связано с различной степе­нью растворимости солей: при увеличении концентрации в первую очередь начинает выпадать углекислый кальций, затем гипс, в то время как хорошо растворимые сернокислый магний, сернокислый натрий и в особенности хлористый магний и хлористый натрий в растворе относительно и абсолютно накапливаются.

В почвенной влаге присутствуют растворенные газы: кислород, углекислота и др. Дождевые и снеговые воды, просачивающиеся в почву, богаты кислородом. Если почва не переувлажнена и хорошо аэрируется, почвенный раствор содержит достаточно растворенно­го кислорода — более 50 % от полного насыщения влаги кислоро­дом при данной температуре. В переувлажненных почвах, особенно ^с водозастойным режимом, содержание кислорода в почвенной влаге понижается до 30—10 % и ниже. В этом случае кислорода не хватает. Для нормального развития растений.

В зависимости от состава растворенных веществ и характера вза­имодействия его с твердой фазой почв реакция может быть кислой, Щелочной или нейтральной.

Кислая реакция почвенного раствора обусловлена растворенной Угольной кислотой, водорастворимыми органическими кислотами, поступающими в раствор при разложении органических остатков (например, масляной, щавелевой и др.), а также водорастворимыми фракциями фульвокислот.

Щелочная реакция обусловлена присутствием в растворе солей сильных оснований и слабых кислот, которые подвергаются гидро­литическому расщеплению, — это углекислые соли щелочей и ще­лочных земель (NaHCО₃, Са(НСО_э)₂ и др.) и кремнекислоты.

Различают следующие виды кислотности и щелочности почвен­ных растворов.

1. Общая кислотность и общая щелочность — это все количество кислот или щелочей в растворе независимо от того, находятся ли они в виде недиссоциированных молекул или в ионном состоянии. Определяются общие кислотность и щелочность непосредственным титрованием почвенного раствора щелочью или кислотой.

2. Актуальная кислотность, или щелочность почв, связана с при­сутствием в растворе диссоциированных ионов Н⁺ и ОН". Она опре­деляется электрометрически или колориметрически и обозначается величиной рН (отрицательный логарифм концентрации водородных ионов). По закону действующих масс произведение концентра­ции диссоциированных ионов и недиссоциированной части воды, выраженное в грамм-молях на 1 л воды, представляет постоян­ную величину и называется константой диссоциации. Так как для воды степень диссоциации чрезвычайно мала, концентрацию не­диссоциированной части Н₂0 принимают за единицу. Поэтому [Н⁺] - [ОН^-] = К. При 22 ^оС для чистой воды К = 10^-14. Так как количество диссоциированных ионов [Н⁺] и [ОН^-] для воды оди­наково, то 10^-14 = [Н⁺]². Отсюда [Н⁺] равно корню квадратный из 10^-14 = 10^-7. Если прологарифмировать эту величину и взять ее с отрицательным знаком, значение рН для чистой воды равно семи, что говорит о нейтральной реакции, т. е. одинаковом содержании в растворе и водородных и гидроксильных ионов.

При увеличении концентрации водородных ионов значения рН понижаются, а при уменьшении концентрации — повышаются. Зна­чения рН ниже семи указывают на кислую реакцию почвенного раствора, а выше семи — на его щелочную реакцию. В почвах зна­чения рН колеблются в следующих пределах:

Сильнокислые почвы 3,0—4,5

Нейтральные почвы 6,5—7,0

Кислые почвы 4,5—5,5

Щелочные почвы 7,5—8,5

Слабокислые почвы 5,5—6,5

Сильнощелочные почвы ... 8,5 и выше

3. Кроме общей и актуальной кислотности почв различают еще обменную и гидролитическую кислотность почв (см. гл. 9).

Для развития микробиологических процессов и роста культур­ных растений реакция почвенных растворов имеет важное значе­ние. Многие микроорганизмы наиболее хорошо развиваются при реакции почвенного раствора, близкой к нейтральной. Большин­ство культурных растений также чувствуют себя лучше в нейтраль­ных почвах и лишь некоторые из них (например, чайный куст) пред­почитают кислые почвы.

Реакцию почвенного раствора можно изменить в наиболее благо­приятную сторону, внося различные минеральные вещества. Так, для уничтожения кислой реакции в почвы вносят известь, а для умень­шения щелочности — промышленные отходы, содержащие серу (под­вергаясь в почвах воздействию сульфуризирующих бактерий, она превращается в серную кислоту) или чаще физиологически кислые удобрения: суперфосфат, сернокислый аммоний и нитрат аммония.

Внесением различных минеральных и органоминеральных удоб­рений в почвенных растворах регулируется также состав веществ, в результате чего достигаются максимально благоприятные условия для роста и развития растений. Почвы с высокой концентрацией солей в почвенном растворе (солончаки и солончаковатые почвы) подвергаются промывкам с целью удаления вредного для растений избытка солей и понижения осмотического давления почвенного раствора.