5.5. Состав обменных катионов, кислотность, щелочность и буферность почв

Различные почвы существенно отличаются друг от друга по составу катионов, находящихся в обменном состоянии. В составе ППК находятся практически все катионы, необходимые для питания растений: К⁺, NH⁺₄ ,Ca²⁺ ,Mg²⁺ ,Na⁺ ,H⁺, Al³⁺ , микроэлементы, но их доля в сумме обменных катионов невелика, порядка нескольких процентов.

Общее содержание всех обменных катионов, кроме Н⁺ и Al³⁺, называют суммой обменных оснований. В зависимости от наличия в составе ППК ионов водорода и алюминия различают почвы насыщенные (Н⁺ и Al³⁺ отсутствуют) и ненасыщенные основаниями.

Наилучшие условия для питания растений создаются при преобладании в составе ППК Са²⁺ и катионов, необходимых для питания растений.

Неблагоприятные условия возникают при наличии в ППК значительных количеств обменных Н⁺ и Al³⁺ (кислые или ненасыщенные основаниями почвы), а также Na⁺, часто в сочетании с повышенным содержанием Mg²⁺ и присутствием в почве свободных карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов (солонцы, щелочные почвы).

Ионы Н⁺ и Al³⁺ ,частично переходя в почвенный раствор, могут создавать значительную кислотность. Ионы алюминия подкисляют почвенный раствор вследствие гидролиза солей алюминия:

AlCl₃ +3H₂O = Al(OH)₃ + 3HCl

Подкисление может быть настолько существенным, что рН почвенного раствора снижается до 3,5 (это характерно для некоторых торфяно-болотных и болотно-подзолистых почв). Поскольку значения рН, не оказывающие отрицательного влияния на большинство культурных растений, лежат в интервале от 5–6 до 8, растения будут угнетаться. Кроме того, в повышенных концентрациях, порядка 3–7 мг на 100 г почвы, ион Al³⁺ токсичен для многих растений.

Ионы Na⁺ в поглощенном состоянии оказывают резко негативное влияние на физические и водно-физические свойства почв вследствие пептизации почвенных коллоидов. В равновесии с обменно-поглощенным Na⁺ находится Na⁺ почвенного раствора, подщелачивающий его иногда до значений рН более 9. Повышенная щелочность, как и повышенная кислотность, оказывают неблагоприятное влияние на состояние растений. Таким образом, для агрономической характеристики почв и повышения их плодородия необходимо знать состав обменных катионов, оценивать значения почвенной кислотности и щелочности, находить эффективные приемы их устранения.

Кислотность почв – это способность почвы подкислять почвенный раствор или растворы солей вследствие наличия в составе почвы кислот, а также обменных ионов водорода и катионов, образующих при их вытеснении гидролитически кислые соли (преимущественно Al³⁺). Различают актуальную кислотность, определяемую значением рН почвенного раствора или водной вытяжки, и потенциальную кислотность, носителем которой являются ионы H⁺ и Al³⁺, находящиеся в твердой фазе почвы в обменно-поглощенном состоянии, но подкисляющие почвенный раствор в результате обменных реакций при увеличении в нем концентрации электролитов (например, при внесении в почву удобрений).

По способу определения потенциальной кислотности различают обменную и гидролитическую кислотности.

Обменную кислотность определяют количеством титруемых ионов H⁺ и Al³⁺ в вытяжке, приготовленной с помощью раствора нейтральной соли – 1 н. КСl. Обменная кислотность характеризуется также величиной рН солевой вытяжки (1 н. КСl). Для кислых почв интервал значений рН солевой вытяжки лежит в очень широких пределах – от 2 (иногда менее) до 6.

Гидролитическую кислотность (Нг) определяют титрованием кислоты, но в солевой вытяжке, приготовленной на основании ацетата натрия. Гидролитическая кислотность выше обменной в связи с тем, что равновесие ионного обмена в данном случае сдвинуто в сторону более полного перехода обменно-поглощенных ионов Н⁺ в жидкую фазу, вследствие применения гидролитически щелочной соли (большая степень гидролиза солей алюминия в щелочной среде с образованием осажденного Al(OH)₃ и иона Н⁺) и образования слабо уксусной кислоты.

Обменная кислотность

A l³⁺

ППК + 4Kl ППК 4К⁺ + AlCl₃ + HCl

H⁺

AlCl₃ + 3HOH Al(OH)₃ + 3HCl

Гидролитическая кислотность

A l³⁺

ППК + 4CH₃COONa + 3H₂O  ППК 4Na⁺ + Al(OH)₃ + 4CH₃COOH

H⁺

Таким образом, обменная кислотность – это часть гидролитической кислотности почв. Её используют при определении дозы извести необходимой для устранения избыточной кислотности почв, а также при вычислении показателя, получившего название степень насыщенности почвы основаниями и вычисляемого в процентах:

где S – сумма поглощенных оснований; ЕКО – емкость катионного обмена. Из формулы видно, что емкость катионного обмена складывается из суммы поглощенных оснований и гидролитической кислотности.

Между рН солевой вытяжки (потенциальная кислотность) и гидролитической кислотностью для почв одного типа и одинакового механического состава существует корреляционная зависимость, что позволяет в ряде случаев определять дозу извести не по гидролитической кислотности, а по значению рН солевой вытяжки.

Щелочность почв – способность почвы подщелачивать почвенный раствор вследствие наличия в составе почвы гитролитически щелочных солей, а также обменного натрия. Различают актуальную и потенциальную щелочность. Актуальная щелочность определяется содержанием в почвенном растворе или водной вытяжке гидролитически щелочных солей, преимущественно карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов (Na₂CO₃, NaHCO₃, Ca(HCO₃)₂). Актуальная щелочность может определяться значением рН водной вытяжки, а также титрованием водной вытяжки кислотой, и оцениваться в мг-экв на 100 г почвы.

Потенциальная щелочность почв определяется содержанием обменного Na⁺, поскольку последний в определенных случаях может переходить в почвенный раствор, подщелачивая его. Например, при образовании в карбонатных и засоленных почвах значительных количеств угольной кислоты вследствие дыхания растений или разложения органических остатков, могут последовательно проходить следующие процессы:

1. Превращение нерастворимого карбоната кальция в растворимый бикарбонат

CaCO₃ + H₂CO₃  Ca(HCO₃)₂

2. Ионный обмен с подщелачиванием равновесного раствора:

Na⁺

ППК + Ca(HCO₃)₂ ППК Ca²⁺ + 2NaHCO₃.

Na⁺

Щелочность почв принято оценивать только по значению актуальной щелочности.

В то же время следует иметь в виду, что актуальная и потенциальная щелочность теснейшим образом связаны друг с другом через процессы ионного обмена. Не могут существовать почвы, обладающие высокой актуальной щелочностью, обусловленной наличием свободных солей щелочных металлов, и не содержащие соответствующие катионы в составе ППК. Как увидим ниже, средства химической мелиорации засоленных почв всегда одновременно действуют на щелочность почв и состав ППК.

Буферность почв. С процессами ионного обмена связано такое важное свойство почв, как их буферность. Если в почвенный раствор ввести какую-либо соль (химический мелиорант, удобрение), то благодаря процессам ионного обмена изменение концентрации почвенного раствора по вводимым ионам не будет соответствовать введенному количеству вещества. Таким путем ППК выполняет важную функцию регулятора концентрации почвенного раствора. Способность почвы противостоять изменению концентрации почвенного раствора называется буферной способностью почвы. Можно говорить и о более широком понятии буферности почвы как ее полифункциональном свойстве устойчивости к изменению не только концентрации почвенного раствора, а следовательно, и щелочно-кислотного состояния, но и ее окислительно-восстановительного состояния и др. Часто под буферностью почвы понимают лишь способность почвы противостоять изменению ее реакции при воздействии щелочных и кислых веществ.