Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник заданий по почвоведению. Учебное пособие
.pdf
Солонец – Ca2+, Mg2+, Na
Каштановые – Ca2+, Mg2+, Na+, K
Почвы полярной зоны – Ca2+, Mg2+, K+, Na
+
+
+
Отдельные поглощенные катионы неравнозначны по результа-
тивной сущности в многообразных явлениях природы почв. Об экологической значимости отдельных обменных катионов дает представление следующая информация:
2+
Ca
– считается катионом-хранителем плодородия в связи с его
многогранной значимостью. Он присутствует во всех без исключения почвах, но в разных количествах и в разных соотношениях с другими катионами. Оптимум его содержания – 80–90 % от ЕКО. Эта
величина характерна для черноземов. Присутствие кальция в таких
количествах обеспечивает 99,9 %-ную коагуляцию коллоидных систем, а следовательно, создается необходимая предпосылка для высокого структурообразования при активной деятельности корневых
систем травянистой растительности и достаточного содержания
гумусовых веществ.
Однако повышенные количества кальция в почвах, содержащих
монтмориллонит и другие, набухающие интенсивно глинистые минералы, могут вызвать слитогенетические явления, противоположные зернистому и комковатому структурообразованию даже при оптимальном содержании ионов кальция.
Кальций способен к ионообменному поглощению корнями рас-
тений. Однако этот способ питания растений, как правило, не принимается во внимание, так как кальций всегда присутствует в почвенных растворах и не является в биосфере дефицитным.
2+
Mg
– магний всегда сопровождает кальций. Типичное соот-
ношение Ca
2+
: Mg2+ = 5:1. В таких количествах его действие аналогично действию кальция. Экологическая дисгармония почвенной
среды может возникать в щелочных почвах при повышении количества магния в ППК за счет снижения содержания Ca
2+
, т.е. при изменении соотношения Ca:Mg в сторону магния. В этом случае сам магний вызывает повышение щелочности в связи с присутствием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния. Присутствие магния в ППК поддерживает свойства солонцеватости почв и даже приводит в отдельных случаях к образованию особых почв – магниевых
солонцов.
61
При высоком содержании обменного магния возрастает растворимость гумусовых веществ и ухудшается структура почвы, снижается водопроницаемость, что отрицательно сказывается на водном
режиме. При повышенном содержании обменного магния усиливается отрицательное действие обменного натрия при невысоком содержании последнего в почве.
+
Na
– натрий в количествах менее 3 % от ЕКО – необходимый
компонент оптимального для биоценозов функционирования почвенной системы. В этом случае натрий обеспечивает дисперсность
коллоидов на уровне около 0,1 %, что важно для подвижности, динамичности и первоочередной резервности для минерализации гумусовых веществ и обеспечения почвенных растворов биологически необходимыми компонентами. Однако следует признать, что эта
роль натрия в почвоведении и агрохимии изучена недостаточно.
Натрий как обменный катион является активным пептизатором
коллоидов при концентрации его в почвенном растворе ниже порога
коагуляции. При этом в состояние золя переходят все коллоидные
системы, почва приобретает свойства солонцеватости, становясь
текучей, вязкой, бесструктурной. В растворах появляются щелочные соли, рН может достигать 9,5–10,0. Образуются особые соли –
солонцы.
+
K
– в питании растений – основной источник доступного калия. Отмечена тенденция необменного поглощения калия из слоя
компенсирующих противоионов в кристаллическую решетку минералов. Избыток калия может вызвать солонцеватость почв.
+
NH
– ион аммония: единственная возможная аккумуляция до-
4
ступного растениям азота. Поглощается коллоидами в процессе аммонификации. Легко используется корневыми системами растений.
Не накапливается в количествах, превышающих 3 % от ЕКО. Физическая и физико-химическая значимость не изучена. Повышенное
содержание свидетельствует о недостатке азота.
+
H
– обменный водород – источник почвенной кислотности.
Его присутствие фиксируется всегда в бескарбонатных почвах,
т.е. в почвах, не содержащих CaCO
.
3
В нейтральных почвах при рН от 6,5 до 7,2 водород присут-
ствует в ППК в количествах менее 5 % от ЕКО. В этих условиях
62
обменный водород экологически нейтрален. В количествах более
5 % от ЕКО начинают проявляться кислотные свойства почв. При
этом кислотные свойства проявляются сильнее при повышении
количества Н
+
в коллоидно-поглощенном состоянии.
Максимум кислотности почвенной среды наступает, когда
среди обменных катионов водорода становится более 40–50 %, рН
почвы при этом становится кислой и сильнокислой (рН 3–5). Максимальное количество водорода в ППК может достигать 80 % от ЕКО.
3+
Al
– алюминий в обменном состоянии – интенсивный коагулятор коллоидов. Является объектом пристального внимания в кислых почвах. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации Al
3+
в почвенной среде, поэтому учитывается при определении кислотности почв, наравне с ионом водорода. Алюминий изучается как физиологически токсичный катион.
3+
Fe
– интенсивный коагулятор коллоидов, как и алюминий во
влажных тропических почвах. Участвует в создании структурных
микроагрегатов.
В почвах со слабокислой, нейтральной и слабощелочной реакцией среды состав обменных катионов, как правило, благоприятен
для большинства сельскохозяйственных культур. При высоком содержании в почвах обменных H
+
и Al3+ или Mg2+ и Na+ состав обмен-
ных катионов регулируют с помощью химической мелиорации.
Количественно поглотительную способность почвы характеризуют следующие показатели:
Емкость катионного обмена (ЕКО, мг-экв на 100 г почвы) –
общее количество катионов, удерживаемых почвой в обменном состоянии и способных к замещению на катионы раствора, взаимодействующего с почвой; выражают в мг-экв на 100 г почвы. Величина ЕКО зависит от гранулометрического и минералогического составов почвы, содержания и качественного состава органического
вещества, реакции среды.
ЕКО = сумма всех катионов, способных к обмену, в т.ч. водорода и алюминия:
ЕКО = S + Н
63
.
г
Вклад того или иного компонента в ЕКО почвы зависит от его
содержания и характера взаимодействия с другими веществами. Часто это взаимодействие сопровождается снижением величины ЕКО,
свойственной индивидуальным компонентам. Например, ЕКО гумуса почвы в целом намного меньше, чем собственно гуминовых
или фульвокислот. Это связано с тем, что часть функциональных
групп гумусовых веществ взаимодействует с поверхностью глинистых минералов и не принимает участия в реакциях обмена.
Тесная взаимосвязь наблюдается между ЕКО и размером почвенных частиц. Крупные фракции механических элементов, состоящие в основном из первичных минералов, практически не участвуют в обменных реакциях. С уменьшением размера механических элементов и увеличением в их составе количества глинистых
минералов ЕКО существенно возрастает. В то же время необходимо
учитывать, что тонкодисперсные частицы, особенно в гумусовых
горизонтах, всегда обогащены органическим веществом, имеющим
высокую ЕКО (табл. 8).
Таблица 8 – Оценка уровня поглотительной способности почв
ЕКО мг-экв/100 г почвы
Низкая < 10
Средняя 10–20
Высокая 20–40
Очень высокая > 40
На величину ЕКО почвы существенно влияет реакция среды.
С увеличением pH возрастает ионизация функциональных групп
глинистых минералов, в реакции обмена помимо карбоксильных
групп гумусовых веществ дополнительно включаются их спиртовые и фенольные гидроксилы. В щелочной среде происходит перезарядка амфотерных коллоидов, и они приобретают способность к обменному поглощению катионов. Все это способствует увеличению
ЕКО почвы по мере возрастания pH.
Сумма обменных оснований (S, мг-экв на 100 г почвы) – сум-
марное содержание обменных оснований (преимущественно Ca
2+
и Mg2+) в некарбонатных незасоленных, преимущественно кислых
64
почвах, вытесненных ионом водорода соляной кислоты. Ионы H+
3+
и Al
не учитываются (не суммируются).
Исходя из этого, все почвы разделяют на две большие группы:
1) почвы, насыщенные основаниями;
2) почвы, не насыщенные основаниями.
Первые не содержат в ППК ионы H
в них представлены только обменными основаниями Ca
+
+
K
, NH
, количество которых соответствует реальной емкости об-
4
+
и Al3+. Обменные катионы
2+
, Mg2+, Na+,
мена. Вторые всегда содержат некоторое количество обменных H
3+
и Al
, поэтому сумма обменных оснований у них меньше ЕКО.
Степень насыщенности почв основаниями (V, %) – доля
суммы обменных оснований от емкости катионного обмена, выраженная в процентах (формулы 7, 8).
V = (S/ЕКО)·100, %, (7)
по-другому можно записать:
+
V = S/(S + Н
)·100, %. (8)
г
Нуждаемость почв в известковании определяют, прежде всего,
по степени насыщенности почв основаниями. На основании полевых опытов установлена следующая примерная шкала нуждаемости
(табл. 9).
Таблица 9 – Степень нуждаемости почв в известковании
V, % Нуждаемость в известковании
< 50 Сильно нуждаются
55–70 Средненуждаемые
70–80 Слабонуждаемые
> 80 Не нуждаются в извести
Сорбционная способность почвы – максимальное количе-
ство вещества, которое может быть сорбировано почвой. Как сорбент почва полифункциональна, поэтому ее сорбционная емкость по
отношению к различным веществам неодинакова. Например, Zn
65
2+
может поглощаться обменным и необменным путем, а также за счет
+
комплексообразовательной и осадочной сорбции, Na
+
ственно обменно, K
– по обменному и необменному типу. В связи
– преимуще-
с этим сорбционная емкость поглощения разных веществ одной
и той же почвой существенно варьирует.
Примеры решения задач
Сумма поглощенных оснований (S) – 28 мг·экв./100 г, гидроли-
тическая кислотность (Н
) – 7 мг·экв./100 г. Определите степень на-
г
сыщенности почв основаниями, дайте оценку.
Решение
Рассчитываем:
V = S/(S + Н
)·100 = 28/(28 + 7)·100 = 80 %,
г
почва с такой степенью насыщенности основаниями слабо нуждается в известковании.
Контрольные задания
1. Сумма поглощенных оснований (S) – 23 мг·экв./100 г, гидролитическая кислотность (Н
насыщенности почв основаниями, дайте оценку.
2. Сумма поглощенных оснований (S) – 12 мг·экв./100 г, гидролитическая кислотность (Н
насыщенности почв основаниями, дайте оценку.
3. Дерново-подзолистая почва легкосуглинистого механического
состава имеет сумму поглощенных оснований (S) = 12 мг·экв./100 г,
гидролитическую кислотность (Н
кость катионного обмена и степень насыщенности почвы основаниями, дать оценку полученных результатов.
4. Дайте оценку состава поглощенных катионов в почвенно-поглощающем комплексе, если: ЕКО = 18 мг·экв./100 г,
= 3 мг·экв./100 г.
Н
г
5. Напишите схему состава катионов почвенного поглощающего комплекса следующих почв: подзолистой, серой лесной, чернозема выщелоченного, солонца.
) – 5 мг·экв./100 г. Определите степень
г
) – 4,5 мг·экв./100 г. Определите степень
г
) = 6 мг·экв./100 г. Определить ем-
г
7 Кислотность и щелочность почв
Краткие теоретические положения
Реакцию среды относят к числу важнейших свойств почвы.
Она обусловлена наличием в почвенном растворе водородных (H
и гидроксильных (OH
-
) ионов и их соотношением. Реакцию почвен-
+
ной среды характеризуют величиной рН, представляющей собой отрицательный логарифм активности ионов водорода. При увеличении концентрации H
+
H
-ионов уменьшается, величина рН возрастает.
+
величина рН снижается, а когда концентрация
На реакцию среды почвы влияют общая направленность почвообразовательного процесса, химический и минералогический состав
почвы, содержание и состав органического вещества, состав обменных катионов, наличие или отсутствие солей, жизнедеятельность
живых организмов, состав почвенного воздуха и влажность почвы.
В свою очередь от реакции среды зависят свойства почвы и характер процессов, протекающих в ней. С реакцией среды связаны
растворимость многих соединений и доступность элементов питания растениям, жизнедеятельность микроорганизмов, образование
гумусовых кислот, распад и синтез минералов. От реакции среды зависят подвижность минеральных и органических веществ почвы,
что создает предпосылки для вовлечения их в миграционные потоки.
Величина рН является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Изменение реакции среды приводит
к резкой смене характера почвообразования. Ряд почвенных процессов имеет строгую приуроченность к определенным пределам водородного показателя. Это солонцовый процесс, оподзоливание, пептизация и коагуляция коллоидов, микробиологические явления и т.д.
Антропогенетические изменения рН происходят при окультуривании или деградации почв. Для всех почв величина их рН считается
существенным диагностическим критерием.
Кислотность почв – это способность почвы подкислять почвенный раствор. Обусловлена катионами H
+
и Al3+, а также иногда Fe3+.
Кислотность почв, сформированных в гумидных областях, является их природным свойством. Лесная хвойная растительность
)
67
в сочетании с промывным водным режимом и определенными группами микроорганизмов, при совместном действии которых и образуются кислые почвы, соответствует по своим биологическим требованиям особенностям созданной ею же среды.
Различают актуальную и потенциальную кислотность:
+
1. Актуальная кислотность – обусловлена ионом H
в по-
чвенном растворе.
+
Определяется концентрацией ионов H
в почвенном растворе
в грамм-эквивалентах (моль) на 1 литр.
Выражается рН
– рН водной вытяжки.
Н2О
Определяется в водной вытяжке (при соотношении почва : вода
1:2,5) или почвенной пасте.
Показатель рН
не является собственно характеристикой по-
Н2О
глотительной способности почв как таковой, но позволяет составить
программу ее изучения. Так, например, рН солевой вытяжки (рН
KCl
и другие показатели титровальной обменной кислотности принято
определять в почвах с рН
Градации кислотности (щелочности) почв по величине рН
Н2О
< 7.
Н2О
приведены в таблице 10.
)
Таблица 10 – Градации почвенной кислотности по рН
Почвы рН
Сильнокислые 3,0–4,5
Кислые 4,5–5,5
Слабокислые 5,5–6,5
Нейтральные 6,5–7,0
Слабощелочные 7,0–7,5
Щелочные 7,5–8,5
Сильнощелочные > 8,5
Н2О
Н2О
Кислая реакция водной суспензии характерна для подзолистых и дерново-подзолистых, а также некоторых болотных почв. Серые лесные почвы обычно слабокислые, в черноземах реакция нейтральная, переходящая в слабощелочную в карбонатных горизонтах.
Каштановые почвы и сероземы обычно имеют слабощелочную реакцию водной суспензии. Щелочная реакция характерна для солонцов,
сильнощелочная – для почв с содовым засолением.
68
Важнейшую роль в формировании актуальной кислотности
в большинстве почв играет угольная кислота. В зависимости от термодинамических условий и биологической активности почв она
поддерживает рН почвы в пределах от 3,9 до 5,7. Режим углекислоты
в почвах тесно связан с суточно-сезонными ритмами погоды и активностью микроорганизмов.
Свободные минеральные кислоты, такие как серная, азотная
и другие, в больших количествах редко присутствуют в почвах.
В то же время активная деятельность нитрифицирующих микроорганизмов способствует появлению на короткое время в почвенном
растворе азотной и азотистой кислот, что вызывает снижение рН
на 0,5–2,0 единицы. При разложении белковых соединений под воздействием микроорганизмов в почвенный раствор в небольшом
количестве поступает серная кислота.
Кислотность почвенных растворов может быть обусловлена наличием в них свободных органических кислот, в том числе и гумусовых, а также различных компонентов, проявляющих кислотные
свойства.
2. Потенциальная кислотность – обусловлена ионами водо-
рода и алюминия, находящимися в обменно-поглощенном состоянии в ППК (диффузном слое коллоидной мицеллы).
В зависимости от того, как будут вытеснены эти ионы из почвы, потенциальную кислотность подразделяют на обменную и гидролитическую.
Обменная кислотность
Это та часть потенциальной кислотности, которая определяется
при взаимодействии с почвой раствора гидролитически нейтральной
соли KCl.
При этом катион калия вытесняет из ППК обменно-поглощенные катионы, среди которых водород, алюминий и железо подкисляют солевую вытяжку, образуя кислоту – HCl.
–]H+
[ППК
[ППК
+ KCl → [ППК–]K+ + HCl;
–
]Al3+ + 3KCl → [ППК–]3K+ + AlCl3.
Уровень обменной кислотности определяется значением рН
солевой вытяжки – рН
KCl
.
69
Отмечено, что при рН
лена в основном обменным водородом, а при рН
< 4 почвенная кислотность обуслов-
KCl
4,0–5,5 – обмен-
KCl
ным алюминием. В кислых почвах, имеющих ион водорода в ППК,
обменная кислотность всегда больше актуальной, т.е. величина рН
меньше величины рН
По величине рН
.
Н2О
определяют степень кислотности почв и их
KCl
KCl
нуждаемость в известковании.
Градации кислотности почв по величине рН
приведены в та-
KCl
блице 11.
Таблица 11 – Градации кислотности по рН
Почвы рН
KCl
KCl
Сильнокислые < 4,5
Среднекислые 4,6–5,0
Слабокислые 5,1–5,5
Близкие к нейтральным > 5,6
Степень нуждаемости в известковании устанавливается по рН
Если рН
KCl
–
KCl
> 5,5 почвы не нуждаются в известковании;
5,5–5,0 слабо нуждаются;
5,0–4,5 средне нуждаются;
< 4,5 сильно нуждаются в известковании.
Важную роль в раскрытии природы обменной кислотности сыграло установление способности самопроизвольного перехода (превращения) почв, насыщенных ионом Н
т.е. осуществление самопроизвольной реакции: Н
+
, в почвы, насыщенные Al3+,
+
-почвы → Al3+почвы. Эту особенность можно объяснить на примере трансформации поверхностных слоев кристаллической решетки каолинита.
На сколе кристалла образуются избыточные отрицательные заряды,
удерживающие обменные катионы. При действии на почву кислых
водных растворов основания вытесняются и замещаются на ионы
+
Н
. Однако вследствие того, что ионы Н+ имеют небольшой радиус,
они легко мигрируют во внутренние слои решетки, где реагируют
с группами ОН
водит к появлению устойчивой группы ОН
-
, образуя молекулы Н2О, или с кислородом, что при-
–
. В результате этого ион
:
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]