Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие

Учение о поглотительной способности почв разработано выда- ющимся отечественным почвоведом К. К. Гедройцем. Он выделил пять типов поглотительной способности:

1.Механическая – способность почвы механически задерживать

всвоих порах частицы другого вещества. Почва действует как фильтр, закрепляет фильтрующиеся через неё частицы. Этот вид поглощения широко используется при очистке сточных вод, при очистке воды на водоочистительных станциях.

2.Физическая поглотительная способность – способность твёр- дых частиц поглощать целые молекулы отдельных веществ, связан- ная с притяжением и концентрацией их вокруг коллоидной части- цы. Объясняется это явление наличием свободной поверхностной энергии у коллоидов. Примером физической поглотительной спо- собности является сорбированная форма воды в почве (гидроскопи- ческая и плёночная).

3.Химическая поглотительная способность – способность обра-

зовывать труднорастворимые вещества при химических реакциях отдельных компонентов почвенного раствора. Процессы химиче- ского поглощения особенно широко развиты по отношению к фос- фатам.

4.Физико-химическая (обменная) поглотительная способность заключается в обмене ионов, адсорбированных почвой на ионы почвенного раствора. Под действием поверхностной энергии от-

дельные ионы притягиваются к поверхности твёрдых частиц почвы (физическое явление) и затем вступают в химические обменные ре- акции с ионами, находящимися в растворе (химическое явление).

Обмен ионами идёт в эквивалентных количествах. От обычных реакций химического обмена эти реакции отличаются тем, что идут

лишь на поверхности коллоидов и не затрагивают молекулы внутри коллоидов. В связи с преобладанием в составе коллоидной части почвы отрицательно заряженных коллоидов, почвой поглощаются главным образом катионы.

5.Биологическая поглотительная способность – это поглощение растениями и почвенной микрофлорой элементов питания из поч- венного раствора. Растения избирательно поглощают различные вещества, а при отмирании обогащают ими почву.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – высокодисперс-

ная часть почвы, обуславливающая её поглотительную и обменную

31

способность. Это совокупность почвенных частиц, обладающих свойствами коллоидов.

Понятие о ППК было введено в почвоведение К. К. Гедройцем. Он установил, что почвы содержат некоторое количество катионов, не растворимых в дистиллированной воде, не легко переходящих в раствор при обработке почвы раствором нейтральной соли (NaCI, BaCI2 и др.). При этом часть катионов нейтральной соли поглоща- ются почвой, а взамен поглощённой части в растворе появляются в эквивалентном количестве другие катионы, или в ряде случаев – водородной ион.

ППК состоит из двух частей: 1) адсорбентов-коллоидов; 2) по- глощенных катионов и анионов. В состав коллоидов входят мине- ральные, органические и органно-минеральные вещества. Большин- ство коллоидов в почве находятся в виде геля, образуя клей между более крупными частицами почвы. При этом органические коллои- ды обладают значительно большей поглотительной способностью, чем минеральные. По данным К. К. Гедройца, в чернозёме, содер- жащем 10 % гумуса, около 50 % ёмкости обмена обусловлено орга- нической частью.

Другая составная часть ППК – катионы и анионы, поглощённые коллоидами и способные к обменным реакциям. Большинство поч- венных коллоидов несёт отрицательный заряд, поэтому способно поглощать и обменивать преимущественно катионы.

Ёмкость поглощения (обменная ёмкость) – максимальное коли-

чество поглощённых катионов (в мг · экв на 100 г почвы), способ- ных к обмену на другие катионы. В большинстве почв ёмкость по- глощения составляет 15–35 мг · экв на 100 г почвы; в глинистых почвах, богатых органическим коллоидом – 60–65 мг · экв на 100 г почвы; в песчаных, бедных коллоидами почвах – 2–3 мг · экв на 100 г почвы. Ёмкость поглощения одной и той же почвы – величина непо- стоянная, зависит от содержания коллоидов, (т. е. от механического состава и содержания гумуса), от кислотно-щелочных условий.

Каждому типу почв свойственно преобладание того или иного катиона в составе ППК. В зависимости от состава обменных катио- нов К. К. Гедройц разделил все почвы на 2 группы:

- почвы, насыщенные основаниями – это почвы, ППК которых содержит одни поглощённые основания Ca2+, Mg2+, Na+;

32

- почвы, ненасыщенные основаниями – почвы, ППК которых не полностью насыщен основаниями, в нём содержатся ионы H+ и Al3+ .

Количество поглощённых оснований принято называть суммой поглощённых оснований. Насыщенность основаниями у разных ти- пов почв одинакова. Она близка к полной (100 %) у чернозёмов и каштановых и неполной (30–60 %) у почв ненасыщенных – подзо- листых, краснозёмов, желтозёмов.

Химические свойства почв

В почве вода взаимодействует с различными минеральными и органическими соединениями, обогащаясь их растворимой частью,

поэтому жидкая фаза почвы всегда представляет собой раствор (почвенный раствор).

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, находящаяся в свободном состоянии и заполняющая почвенные поры. Почвенный раствор появляется в почве с первыми каплями воды, количество его увеличивается по мере возрастания влажности почвы и достига- ет максимума при состоянии её полной влагоёмкости. Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии:

1)участвует в преобразовании (разрушении и синтезе) мине- ральных и органических соединений;

2)в перемещении различных веществ по профилю почвы;

3)растения поглощают воду и элементы питания из почвенного раствора.

Основные химические и биологические процессы в почве могут совершаться только при наличии свободной воды. Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных или коллоидных рас- творов. Почвенный раствор играет настолько важную роль в почво- образовании и питании растений, что Г. Н. Высоцкий образно назы- вал его кровью почвы. В состав раствора входят:

1)минеральные, органические и органно-минеральные вещества

ввиде молекул, ионов и коллоидов;

2)растворённые газы (CO2, O2 и др.).

Большая часть соединений находится в почвенном растворе в виде ионов. Основные анионы: HCO3- ,CO32-, NO3-, NO2-, SO42-, CI-, PO43-, HPO42-, H2PO4-. Основные анионы поступают в почвенный раствор преимущественно в результате биологических процессов. Содержание фосфат, хлор и сульфат ионов обусловлено преимуще-

33

ственно растворением соответствующих минералов и разрушением растительных остатков.

Основные катионы постоянно находятся в значительном количе- стве Ca2+, Mg2+ ,Na+, K+, NH4+, H+. В почвенном растворе некоторых почв содержатся Fe2+ ,Fe3+, Al3+. В растворе засолённых почв резко увеличивается количество Na+, Mg2+. Помимо минеральных соеди- нений, в почвенном растворе постоянно присутствуют водораство- римые органические соединения: фульвокислоты, органические кислоты, аминокислоты, спирты, углеводы и др.

Важное значение для роста растений имеет концентрация поч- венного раствора. Обычно она не велика и не превышает несколь- ких граммов вещества на литр раствора. Концентрация соединений, входящих в почвенный раствор, обуславливает его осмотическое давление. Потребление влаги и элементов питания растениями бу- дет нормальным при условии, если осмотическое давление почвен- ного раствора будет ниже осмотического давления клеточного сока, поэтому концентрация почвенного раствора должна быть невысо- кой (слабой).

По концентрации почвенного раствора все почвы делятся на незасоленные и засоленные.В незасолённых почвах концентрация почвенного раствора невелика (от одного до нескольких грамм на 1 л раствора), преобладают углекислые соли кальция. В засолённых

почвах концентрация почвенного раствора составляет несколько десятков и сотни граммов на 1 литр раствора (до 300–400 г/л). Резко повышено содержание сульфатов, хлоридов Mg, Na, соды.

Такое изменение состава растворов связано с различной степенью растворимости солей: при увеличении концентрации в первую очередь начинает выпадать в осадок углекислый кальций, затем гипс, в тоже время как хорошо растворимые MgSO4 ,Na2SO4 и особенно хлориды Mg, Na в растворе относительно и абсолютно накапливаются. В первую очередь, переходят в почвенный раствор наиболее раство- римые соли, а выпадают из него наименее растворимые.

Солевой состав почвенного раствора по-разному влияет на жизнь растений, так как среди растворимых солей могут быть соли безвредные и вредные для культурных растений. К вредным солям следует отнести NaCl, MgCl2, CaCl2 ,Na2SO4, Mg2SO4, Na2CO3.

Наиболее вредной солью является сода (NaHCO3), угнетающее дей- ствие которой уже сказываются при концентрации более 0,2 %.

34

Реакция почвы является характерным и чувствительным её при- знаком, отражает самые существенные особенности химического состава почвы, всю совокупность условий почвообразования. Поч- венный раствор обладает различной реакцией, которая проявляется при взаимодействии почвы с водой (или с растворами солей). Носи- телями реакции в почве могут быть почвенный раствор или почвен- ные коллоиды.

Реакция почвенного раствора определяются соотношением в нём водородных (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) и зависит от содержания кислот и солей (кислый, щелочных). Вода в слабой сте-

пени подвергается электролитической диссоциации и распадается на два иона: Н+ и ОН-. По закону действующих масс, произведение концентрации дисоциированных ионов и недиссоциированной ча- сти воды постоянно и называется константной диссоциации: (Н+)*(ОН-)=10-4. Так как количество дислоцированных ионов для воды одинаково, то (Н+)=(ОН-) =10-7. Если прологарифмировать эту величину и взять её с отрицательным знаком, то этот логарифм обо-

Для большинства растений лучшей реакцией почвенного раство- ра является нейтральная.Нейтральная реакция почвы или близкая к ней создаётся в чернозёмных почвах. ППК этих почв насыщен Са2+, Mg2+. При взаимодействии почв с водой и растворами нейтральных

солей практически не происходит изменения концентрации ионов водорода в почвенных вытяжках.

Кислая реакция присуща почвам, не насыщенным основаниями (подзолистым, краснозёмам). Кислая реакция почвенного раствора обусловлена растворённой угольной кислотой, водорастворимыми фракциями фульвокислот.

Щелочная реакция обусловлена присутствием в растворе солей сильных оснований и слабых кислот, которые подвергаются гидро- литическому расщеплению (NaHCO3, Ca(HCO3)2 и др.).

В зависимости от рН почвенного раствора почвы подразделяют- ся по кислотности на следующие группы (И. В.Тюрин):

35

Кислотность почвенного раствора оказывает большое влияние на направление и скорость большинства химических и биохимических логических реакций в почве. Пределом развития культурных расте- ний можно считать реакцию почвенного раствора рН = 3,5–-9,0, но для нормального их развития рН должно быть от 4 до 8.

Кислотность почв – это способность почвы подкислять почвен- ный раствор или растворы солей вследствие наличия кислот и об- менных ионов Н+, Al3+. В почвоведении различают две формы кис- лотности:

1)актуальная (активная) – определяется концентрацией сво- бодных ионов водорода (Н+) в почвенном растворе. Определяется значением рН почвенного раствора;

2)потенциальная (скрытая) – это кислотность твёрдой фазы почвы, обусловленная ионами Н+ и Al3+ находящимися в обменно- поглощённом состоянии в ППК. При взаимодействии почвы с рас-

творами солей происходит обменная реакция, в результате в рас- твор вытесняются ионы Н+ и Al3+ и идёт подкисление почвенного раствора. Потенциальная кислотность подразделяется на 2 вида:

а) обменная – проявляется при взаимодействии почвы с раство-

ром нейтральной соли (KCl, NaCl, BaCl2). При этом водородные ио- ны вытесняются из ППК, происходит обмен между катионами со- лей и катионами, находящимися на поверхности почвенных частиц

(почва) Н+ + KCl → (почва)К++ Н Cl

б) гидролитическая кислотность – проявляется при взаимодей- ствии почвы с раствором гидролитически щелочной соли (т. е. соли, образованной сильными основаниями и слабыми кислотами –

например уксуснокислый натрий СН3COONa (рН слабощелочная

8,2–8,4):

(почва) Н+ + СН3COONa → (почва) Na++ СН3COOН

36

Водородные ионы уксусной кислоты и определяют кислотность. Величину гидролитической кислотности выражают в мг.экв на 100 г почвы. По величине она больше обменной и актуальной.

Реакцию почвенного раствора можно изменить в наиболее бла- гоприятную сторону, внося различные минеральные вещества.

1. Для улучшения свойств кислых почв производится их извест- кование – внесение извести для нейтрализации кислотности почвы.

При известковании происходит замещение обменного водорода на кальций:

CaCO3+ H2O +CO2 ↔ Ca(HCO3)2

(почва) 2Н+ + Ca(HCO3)2 ↔ (почва)Ca2+ + 2H2O +2CO2

При внесении полной нормы извести устраняется актуальная и об- менная кислотность, значительно снижается гидролитическая кислот- ность, повышается степень насыщенности почв основаниями.

2. Почвы, содержащие натрий в поглощенном состоянии, имеют щелочную реакцию. При взаимодействии такой почвы с водой в присутствии углекислого газа, всегда содержащегося в растворе, происходит следующая реакция:

(почва)Na+ + H2O+CO2 ↔ (почва)Н+ + Na2CO3

Na2CO3+2H2O↔ 2NaOH + H2CO3

Образующаяся сода (Na2CO3) резко подщелачивает раствор, по- скольку при её гидролизе гидроксильные ионы (при диссоциации NaOH) преобладают в растворе, величина рН поднимается до 9–10. Для устранения щелочной реакции и избытка натрия в поглощаю- щем комплексе проводят гипсование (внесение гипса CaSO4) солон- цеватых и солонцовых почв:

(почва)Na+CaSO4 ↔(почва)Ca2+ + Na2 SO4

Образуется легкорастворимый сульфат натрия, который вымы- вается вниз по почвенному профилю.

С процессами ионами обмена связано такое важное свойство почв как буферность – способность нейтрализовать кислоты или щелочи и противодействовать изменению реакции почвенного рас- твора. Если в почвенном поглощающем комплексе почвы находится способный к обмену ион водорода, то почва буферна по отношению к щелочи:

(почва)H++NaOH→(почва)Na++H2O

37

Если же почва содержит способные к обмену основания, она об- ладает буферностью по отношению к кислотам:

(почва)Ca2+ +H2SO4→ (почва)2Н++CaSO4.

Таким образом, буферность почв обуславливается в основном составом поглощенных оснований. Применение хорошо раствори-

мых солей в качестве минеральных удобрений возможно благодаря этому свойству почвы, в противном случае в зонах вокруг гранул

удобрений создавались бы губительные для растений концентрации солей. В то же время буферность почвы делает её инертной, проти- востоящей усилиям человека, направленным на изменение почвы в благоприятную сторону. Именно поэтому дозы химических удобре- ний значительно превосходят количества, необходимые для изме- нения актуальной кислотности или щелочности, непосредственно действующих на растения.

Органическая часть почвы

Почвенный гумус необходимо рассматривать как наиболее важный результат всего почвообразования. Все важнейшие почвенные процес- сы протекают при прямом или косвенном участии органического ве- щества. Это объясняет тот глубокий интерес, который проявляют учё- ные к органическому веществу и важность, актуальность рассмотрения данного вопроса. Еще в эпоху древних цивилизаций (Египет, Древняя Греция) была отмечена связь органического вещества с плодородием почв. Научное изучение органического вещества началось в первой половине XIX века и продолжается сегодняшних дней. Изучением гу- мусовых веществ занимались П. А. Костычев, В. Р. Вильямс, С. Оден, американский микробиолог С. Ваксман, советские и зарубежные учё- ные И. В. Тюрин, М. М. Кононова, А. Н. Александрова, Ф. Дюшофур, М. Шнитцер и многие другие.

Органическое вещество в почве состоит из органических остат- ков (различной степени разложения) и гумуса. Источником органи- ческих веществ в почве являются:

-наземный и корневой опад высшей растительности;

-остатки животных и микроорганизмов.

Некоторая часть органических веществ поступает с прижизнен- ными корневыми выделениями растений, экскрементами и метабо- литами микроорганизмов. Потенциальными источниками органиче-

38

ского вещества можно считать все компоненты биоценоза, попада- ющие в почву.

Основная масса органических остатков поступает с наземным и корневым опадом высшей растительности и колеблется в широких пределах: от 10–12 ц/га в год в холодных и жарких пустынях до 210–250 ц/га во влажных тропических лесах. Под лесной раститель- ностью большая часть органических остатков поступает на поверх- ность почвы, под травянистой растительностью преимущественно – внутрь почвы, при отмирании корней.

В состав органических остатков входят воски, жиры, смолы, целлюлоза, гелицеллюлоза, белки, углеводы, лигнин. Соотношение

этих компонентов в различных видах растений и различных органах одного и того же вида неодинаково. В состав растительных тканей входят разнообразные органические кислоты (щавелевая, янтарная

ит. д.) и зольные элементы (Ca, K, Mg,P, S, Si, Fe, Al, Mn).

Органические вещества, поступающие почву, подвергаются про-

цессам минерализации и гумификации. Процессы разложения, пол- ной минерализации и ресинтеза (вторичного синтеза) в почве про- текают одновременно, сочетаясь друг с другом. Агентами преобра- зования органических веществ в почве являются O, H2O, микроор- ганизмы (грибы, бактерии, актиномицеты), так же беспозвоночные животные: сапрофаги, детритофаги, копрофаги. В разложении рас- тительных остатков участвуют малощетинковые черви, клещи, мокрицы, личинки жуков.

Минерализация в аэробных условиях осуществляется в результа-

те окисления органических остатков с образованием кислородных соединений. Минерализация в анаэробных условиях идёт в резуль-

тате восстановительных процессов и образуются бескислородные соединения – CH4, H2, NH3, H2S, N2. При анаэробном разложении протекают процессы брожения, денитрификации, восстановления сульфатов, гниения. В природных условиях аэробные и анаэробные

процессы разложения могут чередоваться во времени или протекать в разных частях почвы.

Гумификация – процесс образования специфических гумусовых веществ (гуминовых кислот, фульвокислот, гумина) в результате трансформации органических остатков в почве.

Гумус почвы – это сложный комплекс органических соединений почвы, в состав которого входят две главные группы веществ:

39

I. Неспецифические органические соединения индивидуальной природы, встречающиеся не только в почвах, но и в других объек- тах – тканях растений, животных. К этим веществам относятся бел- ки, углеводы, жиры, лигнин, смолы, органические кислоты, воски и др.

Вещества индивидуальной природы составляют небольшую до- лю от общего содержания в почве органических веществ, не пре- вышающую 10–15 %. Однако их роль в почвообразовании весьма значительна: они активно участвуют в процессах внутрипочвенного выветривания минералов, в образовании органно-минеральных комплексов, в том числе внутрикомплексных (хелатных) органно- минеральных соединений с железом, марганцем, алюминием. Мно- гие из них являются хорошими структурообразователями. Они об- ладают физической активностью. Даже ничтожные количества не- которых из этих веществ влияют на растения, оказывая положи- тельное или, наоборот, угнетающее действие на их рост и развитие.

II. Группа специфических гумусовых веществ составляет 85– 90 % общего количества органического вещества в почве. Это ком- плекс высокомолекулярных азотосодержащих органических соеди- нений циклического строения и кислотной природы. В состав соб- ственно гумусовых веществ входят две основные группы:

−группа темноокрашенных гуминовых кислот;

−группа желтоокрашенных фульвокислот (от лат. fuluus – желтый);

−гумины – комплекс гуминовых и фульвокислот, прочно свя- занных с минеральной алюмосиликатной частью почвы. В боль- шинстве случаев гумины не выделяются в особую группу гумусо- вых веществ, при анализе гумуса они обычно рассматриваются как «негидролизуемый» или «нерастворимый» остаток.

Разделение гумусовых веществ на группы и подгруппы произво- дится на основании различий их элементного состава, физических и химических свойств, проявляющихся в степени растворимости в щелочах, кислотах и спирте.

В составе гуминовых кислот (ГК) выделяются собственно гуми- новые кислоты (серые), ульминовые кислоты (бурые) и раствори- мые в спирте (в отличие от остальных) гиматомелановые кислоты. Гуминовые кислоты имеют темный цвет (от темно-бурого до тёмно- коричневого), они растворяются в едких щелочах, имеют в среднем

40