Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия биосферы. Учебное пособие для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»
.pdf
71
негидролизуемый остаток – это та часть органического вещества почвы, которая
нерастворима в кислотах, щелочах и органических растворителях. Прогуминовые
вещества сходны с промежуточными продуктами распада органических остатков.
Гумусовые кислоты – класс высокомолекулярных азотосодержащих оксикислот с
бензоидным ядром, входящих в состав гумуса и образующиеся в процессе
гумификации. На основании различной растворимости в воде, кислотах, щелочах
и спирте гумусовые кислоты подразделяются на гуминовые кислоты,
гиматомелановые кислоты и фульвокислоты.
Гуминовые кислоты – группа темноокрашенных гумусовых кислот,
растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах. Гиматомелановые кислоты
группа гумусовых кислот растворимых в этаноле, фульвокислоты – группа
гумусовых кислот растворимых в воде, и кислотах.
Обычно при проведении анализов, гумусовые кислоты экстрагируют из
почвы растворами щелочей (0,1-0,5 н NaOН). При подкислении щелочной
вытяжки до рН=1-2 гумусовые и гематомеламиновые кислоты выпадают в осадок.
В растворе остаются только фульвокислоты. При обработке образующегося
осадка этанолом гематомелановые кислоты переходят в спиртовой раствор,
окрашивая его в вишнево-красный цвет. Группу гуминовых кислот разделяют на
две подгруппы черные (серые) и бурые гуминовые кислоты. Разделение черных и
бурых гуминовых кислот может быть проведено методом высаливания: в 2Н
растворе NaCl черные гуминовые кислоты коагулируют и выпадают в осадок.
72
ТЕМА 9 ПОЧВЕННО-ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ
9.1 Виды почвенно-поглотительной способности
9.2 Катионнообменная способность почв
9.3 Обменные катионы почв
9.4 Щелочность и кислотность почв
9.1 Виды почвенно-поглотительной способности
Поглотительная способность почвы – это свойство поглощать (задерживать
в себе) газы, жидкости, солевые растворы и твердые частицы. Различают пять
видов почвенной поглотительной способности: механическую, физическую,
химическую, биологическую и физико-химическую.
Механическая поглотительная способность – свойство задерживать
взвешенные частицы в процессе фильтрации воды через почву. В результате
процесса механического поглощения в пойменных и орошаемых почвах
образуется найлок, происходит очистка сточных вод от грубых примесей на полях
фильтрации при миграции по профилю глинистых и коллоидных частиц,
образуется иллювиальный горизонт.
Физическая поглотительная способность – изменение концентрации
растворенного вещества в слое раствора, пограничном с твердой фазой почв,
обусловленное действием физических сил. Почвенные коллоиды (частицы <
0,0001мм) способны адсорбировать на своей поверхности анионы и катионы
почвенного раствора и диполи воды. В почвах наиболее часто происходит
увеличение концентрации растворимых компонентов в поверхностном слое.
Однако возможно и уменьшение концентрации компонентов, например, анионов
вблизи коллоидных частиц и увеличение их содержания в просачивающемся
растворе. В результате протекания этого процесса возможна потеря питательных
компонентов почвы. Поэтому, например, удобрения, содержащие ионы NО
3
-
, не
рекомендуется вносить в почву задолго до посева или осенью.
73
Химическая поглотительная способность – образование нерастворимых или
малорастворимых солей в почвенных растворах. Очень часто эта способность
почв проявляется в карбонатном горизонте при образовании кальцита СаСО3. При
внесении в почву фосфорных удобрений, например, суперфосфата Са(Н2РО4)2,
возможно образование нерастворимых солей железа - FePO4 или кальция Са3(РО4)2.
Биологическая поглотительная способность – поглощение различных
веществ из почвенного раствора живыми организмами. Существенной
особенностью этого процесса является избирательное поглощение определенных
наиболее важных для жизнедеятельности организмов веществ. Благодаря этой
избирательной биологической способности растений в верхних горизонтах почвы
вместе с гумусом аккумулируются многие биофильные элементы.
Физико-химическая или обменная поглотительная способность – свойство
почвы эквивалентно обменивать ионы почвенного раствора и твердой фазы почв.
На поверхности частиц твердой фазы почв присутствуют активные центры,
имеющие положительный и отрицательный заряд. Поэтому по характеру
ионообменной способности почвы следует отнести к амфолитам. Однако,
практически во всех видах почв количество активных центров, имеющих
отрицательный заряд, значительно больше, чем заряженных положительно, и для
почв характерна катионная обменная способность.
9.2 Катионнообменная способность почв
Катионнообменная способность почв относится к одним из
фундаментальных свойств почвы. Катионный обмен – это обратимый процесс
стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами.
Реакцию обмена в общем виде можно представить следующим уравнением:
ППК(М
1
п+
)m + n М
2
m+
↔ ППК(М
2
m+
)n+ m M
1
n+
(72)
74
где М
1
п+
и М
2
m+ –
обменные катионы,
ППК – почвеннопоглощающий комплекс.
ППК – материальный носитель катионнообменной способности почв. Это
понятие объединяет совокупность минеральных, органических и
органоминеральных компонентов твердой фазы почв, обладающих ионообменной
способностью. Катионы, которые входят в состав почвеннопоглощающий
комплекс и могут быть заменены в процессе ионного обмена, называются
обменными катионами. Наиболее часто в реакции обмена принимают участие
катиона Сa+2, Мg+2, K+, Na+, H+, Al+3. Одной из важнейших характеристик
почвеннопоглощающего комплекса является емкость катионного обмена (ЕКО). В
настоящее время различают стандартную, реальную и дифференциальную ЕКО.
Стандартная ЕКО – общее количество катионов одного рода, удерживаемых
почвой в обменном состоянии при стандартных условиях и способных к обмену
на катионы взаимодействующего с почвой раствора. В нашей стране при
определении стандартной ЕКО почву насыщают ионами Ва2+ из буферного
раствора с рН=6,5. После насыщения емкость определяют по количеству
поглощенного почвой Ва2+и выражают в сМ(р+)∙кг-1 (сантимолях положительного
заряда в 1кг почвы (10-2 молей).
Реальную или эффективную ЕКО определяют при обработке почвы
буферными растворами солей. О реальной емкости катионного обмена можно
судить по сумме обменных катионов.
Дифференциальную ЕКО характеризует приращение емкости катионного
обмена с увеличением рН равновесного раствора ∆ ЕКО/ ∆ рН. Для определения
дифференциальной ЕКО почву насыщают катионами одного рода из буферных
растворов с различными значениями рН (например, 6,5 и 8,2), а затем
рассчитывают или общее приращение ЕКО или ее приращение на единицу рН.
Влияние рН на ЕКО особенно заметно для органической части почв,
поскольку в нейтральной и слабо щелочной среде в реакциях обмена будет
участвовать только водород карбоксильных групп, а в щелочной среде становится
подвижным и водород фенольных групп.
75
Величина ЕКО зависит от механического состава преобладающей группы
минералов и в первую очередь от содержания гумусовых веществ в почвеннопоглощающем комплексе. Численное значение ЕКО меняется в широких пределах
от 0 для обломков кварца до 500-900 сМ(р+)кг-1 для гуминовых кислот. Главным
образом поглощающая способность почв сосредоточена в илистой фракции почв.
Механические элементы почв с размерами >0,002-0,005 мм практически лишены
способности к катионному обмену.
9.3 Обменные катионы почв
Состав обменных катионов почв является одним из важнейших показателей,
используемых для диагностики и классификации почв. Так, например, в
зависимости от содержания катионов Н+ и Al3+ все почвы можно разделить на две
группы: почвы, насыщенные основаниями (не содержат Н+ и Al3+) и почвы, не
насыщенные основаниями (содержат Н+ и Al3+).
Степень насыщения почв основаниями определяется по формуле:
ЕКО
(73)
где V – степень насыщения почв основаниями в % от ЕКО;
S – сумма обменных оснований (сумма катионов Са+2, Mg+2, Na+, K+);
ЕКО – стандартная емкость катионного обмена.
Почвы не насыщенные основаниями, содержат некоторое количество
обменных катионов Н+ и Al3+, и для них всегда S < ЕКО. В эту группу входят
подзолистые, дерново-подзолистые, болотные, серые и бурые лесные почвы,
некоторые черноземы и почвы влажных субтропиков.
Насыщенные основаниями почвы – это преимущественно степные:
черноземы, каштановые, сероземы, бурые и серо-бурые степные. Это почвы
различных зон, сформированные при участии жестких грунтовых вод или на
76
карбонатных породах. среди этой группы следует выделить почвы, содержащие в
значительных количествах обменный Nа+. К ним относятся солонцеватые почвы,
солонцы, солончаки. Они обладают следующими свойствами: имеют высокую
щелочность, плотное сложение в сухом состоянии, сильную трещиноватость
мощной почвенной корки, что вызывает разрыв корневой системы растений и
гибель всходов. Во влажном состоянии такие почвы отличаются высокой
вязкостью, заплыванием и липкостью почвенной массы.
Существуют три основные пути засоления почвы:
1) путем капиллярного подтока солей с влагой снизу;
2) поверхностными водами;
3) первичным засолением, обусловленное морским генезом
(выветриванием) почвообразующим породы морскими ветрами.
Первые два пути связаны с ошибками в сельскохозяйственном
использовании земель: внесение удобрений (минеральных), орошение и осушение
полей.
Почвы обладают различной способностью селективно поглощать катионы
одного рода в ущерб катионам другого рода. В общем случае предпочтительнее
связываются катионы с более высоким зарядом, а при равных зарядах – катионы с
большей молекулярной массой:
Са → Mg → K → Na (74)
9.4 Щелочность и кислотность почв
По формам проявления кислотных и щелочных свойств почв принято
различать актуальную и потенциальную кислотность и щелочность.
Актуальная кислотность и щелочность характеризуется концентрацией иона
водорода и гидроксила в почвенном растворе. На практике чаще измеряют рН
водной вытяжки или водной суспензии, а не рН почвенных растворов.
77
Степень кислотности и щелочности оценивают величиной рН,
количественно кислотность и щелочность определяют по содержанию титруемых
соответственно щелочами (NaOH) или кислотами (HСl) веществ, обладающих
кислыми или щелочными свойствами.
Кислотность почвенных растворов связана с присутствием в почвах
свободных органических (в основном гумусовых кислот) и неорганических
(Н2СО3) кислот, а также соединений содержащих фенольные группы, а также
катионы Аl3+ и Fe
3+.
Для почвенных растворов обычно принимают:
Ка . Кв = 10
-14
или рКа + рКв = 14 (75)
где Ка и К
в –
константы кислотности и основности, соответственно,
рКа и рКв – отрицательный логарифм соответствующей константы.
Сравнение значений констант основности показывает, что к числу наиболее
сильных оснований в почвах следует отнести ионы S2-, PO
4
3-
и CO
3
2
.
Определенный вклад в щелочность вносят ионы Н3SiО
4-
и Н2ВО
3
-
. Однако, в
реальных условиях в большинстве почв щелочность определяется присутствием
карбонат ионов. Нижеприведенное уравнение позволяет связать активность ионов
водорода в растворе с равновесным значением парциального давления СО2 над
ним и произведением растворимости СаСО3, характеризующим твердую фазу
карбонатной системы:
(76)
где
– активность ионов водорода в растворе,
– парциональное давление СО2;
К1 и К2 – константы диссоциации угольной кислоты первой и второй
ступени соответственно;
78
и
– коэффициенты активности соответствующих ионов.
В случае, когда почвенные воды находятся в равновесии с атмосферой и
кальцитом (СаСО3), рН ≈ 8,3. Присутствие магнезита МgCO3 может увеличить рН
до 10,0-11,0. В случае отсутствия СаСО3 и МgCO3 в почве увеличение С
СО2
в
почвенном воздухе, рН раствора снижается и при содержании СО2 равном 5-10
об. % может упасть примерно до 4.
Потенциальные кислотность или щелочность проявляется в результате
различных воздействий на почву. Потенциальную кислотность определяют при
воздействии на почву 1н раствора КСl – обменная кислотность или растворов
гидролитически щелочной соли 1 н раствора СН3СООNa – гидролитическая
кислотность.
Степень обменной кислотности оценивают по величине рН солевой
вытяжки. Для количественного определения кислотности солевую вытяжку
титруют раствором щелочи.
В случае обработки почвы раствором КСl возможны следующие реакции
обмена катионов почвенно-поглощающего комплекса (71, 72):
ППК Н+ + КСl → ППК К+ + НСl или (77)
ППК Аl
-3
+ 3КСl → ППК 3К+ + АlСl3 (78)
В дальнейшем при титровании раствором NаОН во взаимодействие вступает НСl
и AlCl3:
НСl + NaOH → NaCl + H2O (79)
AlCl3 + 3NaOH → 3NaCl + Al(OH)3 (80)
Ионы Аl3+ оказывают влияние на степень кислотности, поскольку в водных
растворах образуются ионы Аl(ОН)
2
+
и Аl(OН)
2+
.
Процесс ионного обмена, протекающий при обработке почвы раствором
СH3СООNа, можно представить уравнением:
79
ППК Н+ + СН3СООNа → ППК Na+ + CH3COO (81)
СН3СООН, образующаяся в этом случае, значительно слабее, чем НСl,
выделившая при обработке КСl. Поэтому процесс обмена по реакции (81)
протекает более глубоко, чем по реакции (77) и величина гидролитической
кислотности всегда выше, чем обменной кислотности. Значения рН водной
вытяжки после обработки почвы 1н раствором СН3СООН обычно находится в
интервале 6,2-7,5, в отличие от рН 3,0-6,5 характерного для случая обработки
почвы 1н раствором КСl. Интервал рН 6,2-7,5 соответствует области
минимальной растворимости Аl(ОН)3 поэтому, хотя Аl3+ и оказывает влияние на
величину гидролитической кислотности и участвует в обмене катионов в водной
вытяжке, полученной при обработке почв раствором СН3СООNa, его соединений
практически нет.
Изучение природы потенциальной кислотности почв, имеет не только
важное теоретическое или познавательное значение. От решения этого вопроса
зависит и правильный выбор приемов борьбы с почвенной кислотностью.
80
ТЕМА 10 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПИТАННИЯ РАСТЕНИЙ В ПОЧВЕ
10.1 Азотные соединения в почве
10.2 Процессы нитрификации и денитрификации в почве
10.3 Соединения фосфора в почве
10.4 Применения удобрений и охрана почв
10.5 Экологическая роль азотных удобрений
10.6 Экологическая роль фосфорных удобрений
10.7 Экологическая роль калийных удобрений
10.8 Оптимизация, контроль и охрана гумусового состояния почв
К основным элементам питания растений в почве относятся азот, фосфор и
калий.
10.1 Азотные соединения в почве
Основное количество азотных соединений сосредоточено в верхнем
горизонте почвы и представлено главным образом органическими соединениями
(5% от общей массы), что составляет 0,02-0,4% от веса пахотного слоя почвы.
Наряду с этим, азот в почве присутствует в виде неорганических компонентов в
почвенном воздухе, почвенном растворе и в обменном или связанном состоянии
является частью твердой фазы почвы.
Среди органических соединений азота в почве от 20 до 50% представлены
аминокислотами, обнаружено наличие амидов (22,1%), аминосахаров (22,2) и
гетероциклических соединений.
Все органические соединения можно разделить на легко разлагаемые и
стабильные фракции. Первая часть обычно составляет менее 1/3 всего
органического азота в почве.
Органические соединения почвы, содержащихся в почве, являются
основным источником питания растений. В результате процессов химического и,
в основном, биохимического преобразования этих соединений образуются
вещества, доступных для питания растений.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]