Ганжара - Почвоведение

и используется, так называемые, "принятые" коэффициенты гу­

мификации (Кг) источников гумуса и коэффициенты минерали­ зации гумуса (Кмг). Выше рассматривались методические вопросы

определения этих коэффициентов. Использование подобных ко­

эффициентов вызывает ошибку в расчетах, значительно превы­

шающую (на 100% и более) сальдо баланса, что позволяет сделать

вывод о непригодности методов расчета баланса гумуса для прак­

тических целей. Их принятие основывается на приближенных оценках прихода и расхода гyl\tyca. Не корректна постановка зада­ чи достижения бездефицитного и положительного баланса гумуса.

Данные результаты длительных опытов (рис 14.3) убедительно

показывают, что во всех вариантах опытов, даже под монокульту­

рой зерновых, баланс гумуса со временем становится бездефи­

цитным и поддерживается за счет послеуборочных остатков и, ча­ стично, за счет поступления веществ с атмосферными осадками. Для обеспечения положительного баланса гумуса необходимо внесение постоянно возрастающих норм орГанических удобрений

(для сдвига квази-равновесного состояния), что вряд ли всегда

целесообразно. При постоянной, даже высокой, норме органичес­

ких удобрений положительный баланс со временем сменяется

бездефицитным. Поэтому, исходя из вышеизложенных положе­

ний, более корректно ставить задачу достижения определенного

уровня гумусированности.

Для целей прогноза более перспективным является выявление уровней стабилизации содержания и запасов гумуса на основе ана­

лиза результатов длительных опытов (Ганжара Н.Ф., 1988). При

этом целесообразно рассчитывать предельную величину накопле­ ния гумуса из единицы его источников. Например, в длительном

опыте, в варианте, где среднегодовая норма органических удобре­

ний составила 16 т/га (4 т/га сухого вещества), содержание гумуса стабилизировалось на уровне 4%, запасы в пахотном слое - 120 т/га; в контрольном варианте, где органические удобрения не

вносились, но выращивались те же культуры, уровень стабилиза­

ции содержания гумуса составил 3%, запасы в пахотном слое - 90 т/га. Таким образом, среднегодовое поступление 4 т/га сухого ве­ щества органических удобрений обеспечивает предельный прирост гумуса на 1%, или 30 т/га в пахотном слое, предельная величина

накопления гумуса при внесении одной тонны органических удоб­

рений составила 7,5 т/га в пахотном слое.

К настоящему времени недостаточно разработаны критерии

оптимизации гумусового состояния почв. В научной литературе у различных авторов приводится очень широкий диапазон опти-

140

мальных параметров содержания гумуса - от 1,3 до 6% в дерново­

подзолистых почвах и от 3,3 до 7% - в черноземах. Как правило,

представленные показатели не имеют экспериментальных обосно­

ваний. В последние годы многие исследователи пришли к мнению,

что в качестве оптимального содержания следует принимать не

единичную и константную величину, а определенный интервал.

За нижний предел этого интервала принимается показатель, не­

сколько превышающий критическую величину содержания гуму­ са, верхний - определяется экономической и экологической це­

лесообразностью повышения rумусированности. Показатели опти­ мальных параметров должны находиться в соответствии с требо­

ваниями отдельных культур или групп культур. Под критическим

содержанием гумуса понимается такое, ниже которого суще­

ственно ухудшаются агрономические свойства почв и их способ­

ность противостоять агрогенным нагрузкам. При критическом со­

держании гумуса такие показатели как плотность, структурное

состояние, физико-механические свойства приближаются к свой­ ствам почваобразующих пород. Это наблюдается при содержании

гумуса ниже 1% для дерново-подзолистых суглинистых почв и ме­ нее 2% для почв черноземного типа. Исследования и практичес­

кий опыт свидетельствует о возможности получения высоких уро­

жаев при содержании гумуса, ненамного превышающем эти по­

казатели, при условии достаточного содержания в составе почв

легкоразлагаемых органических веществ.

Исследованиями Ганжары Н.Ф. и Борисова Б.А. (1997) уста­

новлено, что оптимальное содержание легкоразлагаемых органи­

ческих веществ составляет 0,4-1,2%, или 12-36 т/га в па:хотном

слое. При таком содержании в составе ЛОВ содержится достаточно

азота, чтобы обеспечить получение 50% урожая. Остальные 50%

урожая должны формироваться за счет азота из минеральных удобрений.

Снижение уровня гумусированности ниже критических по­ казателей возможно под действием эрозионных процессов. Биоло­

гические потери гумуса от процессов минерализации приводят к

сильной выпаханности почв, но не достигают критических пока­

зателей. Напомним, что выпахивание - это деструктивный эле­

ментарный почвенный процесс, в результате которого снижается

уровень плодородия пахотных почв (снижение гумусированности,

обесструктуривание, переуплотнение) из-за их использования при низком уровне поступления источников гумуса. Для количе­

ственной оценки степени выriаханности предложен показатель

(Ганжара Н.Ф., 1988), характеризующий относительное содержа-

141

ние углерода ЛОВ, выраженное в % к общему содержанию угле­

рода гумуса. Почвы с высокой степенью выпаханности нуждаются

впервоочередном внесении органических удобрений.

Втаблице 14.4 приводится ориентировочное количество

органических удобрений, требующихся для поддержания содер­ жания ЛОВ на оптимальном уровне в дерново-подзолистых

почвах.

Таким образом, на преобладающих площадях пахотных уго­ дий России необходимо ставить задачу не повышения уровня гу­

мусированности, а оптимизации содержания и состава легкораз­

лагаемого органического вещества, обеспечивающего уровень эф­ фективного плодородия почв. На эродированных почвах, а также

в специализированных севооборотах при выращивании овощей,

картофеля, в плодово-ягодных питомниках и в ряде других случа­

ев может стоять задача повышения уровня гумусированности

почв.

Как оптимизация содержания ЛОВ, так и повышение уровня

гумусированности осуществляются одинаковыми приемами. Это до­

стигается, прежде всего, за счет научно-обоснованных норм внесе­ ния и качества органических удобрений, оптимизации севооборо­

тов с целью увеличения послеуборочных остатков, травосеяния,

14.4. Ориентировочное количество сухого вещества органических удобрений, необходимое для оmимальноrо уровня содержания

легкоразлагаемых органических веществ в дерново-подзолистых

суглинистых почвах (Ганжара Н.Ф., 1993)

142

ономизации обработок, посевов сидеральных и пожнивных куль­

м В рЯде случаев для снижения плотности тяжелых почв и улучше­

:~ водно-воздушного режима вместо повышения уровня гумуси-

ванности целесообразно использовать мелиоративные дозы рых­

~~телей в виде торфа, компостов, соломенной резки, агрономи­

ческая эффективность которых соизмерима с повышением уровня

гумусированности, а экономическая - существенно выше. В этом

отношении заслуживает внимание опыт приготовпения тепличных

грунтов, в которых оптимальное содержание органического веще­

ства составляет 20-30% общей массы и достигается внесением дре­

весной коры, соломенной резки, торфа и др. материалов. Повыше­

ное сорбционных свойств легких почв может достигаться внесени­

ем сапропеля, низинного торфа и различных компостов. Следует

также иметь в виду, что повышение уровня гумусированности

очень дорогостоящее мероприятие. Установлено (Ганжара Н.Ф., 1988), что для повышения уровня гумусированности на 1% необхо­

димо увеличить среднегодовую норму органических удобрений на З-4 т/га (сухого вещества), то есть практически удвоить рекоменду­

емую в настоящее время норму их внесения.

Глава 15. Поглотительная способность и физико-химические свойства почв

Основы учения о физико-химических свойствах почв были

разработаны в трудах К.К.Гедройца, Г.Вагнера, С.Матсона,

Е.Н.Гапона и в более поздних работах И.Н.Антипова-Каратаева, Б.П.Никольского, Н.П.Ремезова, Н.И.Горбунова, С.Н.Алешина и других учёных. Физико-химические свойства почв являют~я

предметом изучения физической и коллоидной химии. Они обус­ ловлены составом и свойствами почвенных коллоидов и их взаи­ модействием с почвенными растворами.

15.1.Виды поглотительной способности почв

К.К.Гедройц выделил пять видов поглотительной способно­ сти почв: механическую, физическую, физика-химическую, хи­

мическую и биологическую.

Механическая поглотительная способность - это свойство

143

почвы поглощать твёрдые частицы, поступающие с водой или

воздухом, размеры которых превышают размеры почвенных пор. В

данном случае почву можно рассматривать как набор сит с отвер­

стиями разного размера.

Физическая поглотительная с11особность (молекулярная ад­

сорбция) - это свойство почвы изменять концентрацию молекул

различных веществ на поверхности твёрдых частиц за счёт физи­

ческого взаимодействия молекул. При этом изменяется величина поверхности и поверхностная энергия. Вследствие стремления дисперсной системы к уменьшению поверхностной энергии про­

исходит концентрация раствора органических кислот, спиртов,

высокомолекулярных органических соединений и др. на границе дисперсной фазы и дисперсной среды, то есть положительная фи­

зическая адсорбция этих соединений. Многие минеральные кис­ лоты, соли (в том числе нитраты и хлориды), щелочи, некоторые

органические соединения повышают поверхностное натяжение

воды, отталкиваются от твердых частиц и испытывают отрица­

тельную физическую адсорбцию. Они слабо удерживаются в почве

и могут вымываться за пределы почвенного профиля. Физической

адсорбции подвергаются пары и газы почвенного воздуха, осо­ бенно азот и углекислый газ.

Химическая поглотительная способность (хемосорбция) обус­

ловлена образованием труднорастворимых соединений, выпадаю­

щих в осадок из почвенного раствора. Например, сорбция фосфа­

тов на поверхности гидроксидов железа и алюминия в почвах с

кислой реакцией среды, образование труднорастворимых фосфа­ тов кальция в почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией среды, комплексаобразовательная сорбция - образование алю­

мо- и железогумусовых комплексов, глинисто-гумусовых комп­

лексов и др.

Биологическая поглотительная способность обусловлена по­

глощением элементов питания и кислорода почвенного воздуха

корнями растений и микроорганизмами. Она характеризуется

большой избирательностью поглощения. При этом может возни­ кать конкуренция между растениями и микроорганизмами. На­

пример, при внесении в почву соломы зерновых, в которой низ­

кое содержание азота, разлагающие солому микроорганизмы ак­

тивно используют почвенный азот и вызывают резкий его недо­ статок для растений.

Физико-химическая поглотительная способность почв обус­

ловлена наличием в их составе почвенного поглощающего комп­

лекса (ППК), представленного почвенными коллоидами. ППК

144

Рнс.15.1. Схема строения коллоидной мицеллы (по Н.И.Горбунову)

чвенного раствора. В кислой среде они ведут себя как базоиды, а в

щелочной - как ацидоиды.

По степени сродства к воде различают гидрофильные (удер­ живают повышенное количество воды) и гидрофобныесвязы­ вают небольтое количество воды. К гидрофильным коллоидам от­

носятся минералы монтмориллонитовой группы, гумусовые кис­

лоты, гидроксид кремния; к гидрофобным - гидроксиды железа и алюминия, минералы группы каолинита и некоторые др. Чем больше в почве гидрофильных коллоидов, тем в большей степени

она набухает (увеличивает объем) при увлажнении.

15.З.Физическое состояние почвенных коллоидов

Коллоиды в почве могут находиться в форме геля (в осаж­ денном состоянии) и в форме золя (в виде суспензии). Под дей­ ствием различных факторов, влияющих на величину заряда, со-

146

стоя...п:rие коллоидов может изменяться - гель может переходить в

золь и наоборот.

Увеличение степени дисперсности коллоидов и переход из

геля в золь называется пептизацией. Пептизация гелей происходит

в результате следующих причин, связанных с изменением элект-

ического потенциала и степени гидратации: увеличение щелоч­

~ости среды; уменьшение концентрации легкорастворимых солей;

замена двух- и трехвалентных катионов на одновалентные катио­

ны калия, натрия, аммония.

Уменьшение степени дисперсности и переход коллоидов из

золя в гель (из суспензии в осадок) называется каогуляцией.

Коагуляция происходит при изменении электрокинетичес­

кого потенциала частиц и за счёт дегидратации. Изменение элект­ рокинетического потенциала может происходить при добавлении электролитов (кислоты, щёлочи, соли). Наименьшей коагулиру­ ющей способностью обладают соли одновалентных катионов (ка­ лия и натрия), более высокойдвухвалентных (кальция и маг­ ния) и наибольшейтрехвалентных (железа и алюминия).

Коагуляция за счёт дегидратации происходит при высушива­

нии, нагревании и замораживании коллоидов. Наконец, коагуля­

ция может происходить при взаимодействии отрицательно заря­

женных частиц (например, гумусовых кислот) и положительно

заряженных (гидроксидов железа и алюминия). Коагуляция может

быть обратимой (гель может вновь переходить в золь) и необрати­ мой. Чем сильнее коагулирующая способность веществ и процес­ сов, её обусловливающих, тем больше вероятность необратимос­ ти коагуляции. Процессы необратимой коагуляции и старения

коллоидов играют большую роль в образовании гумусовых и ил­

лювиальных горизонтов, в формировании водопрочных структур­ ных агрегатов, в накоплении продуктов почвообразования в по­ чвенном профиле.

Часть коллоидов в почве находится в свободном состоянии,

другая часть образует плёнки на поверхности более крупных час­ тиц ила и пыли путём адгезии (склеивания).

15.4.0бменное поглощение катионов

Обменным логлощением (обменной сорбцией) катионов называется способность катионов диффузного слоя коллоидов об­ мениваться на эквивалентное количество катионов почвенного

Раствора. В обменном состоянии в почвах обычно находятся Са2+,

147

Мgн, Na+,K+, Н+, АР+, NH/, внезначительных количествах­

Fe2+, Mn2+, а также Li+, Sr+ и др.

Энергия поглощения (относительное количество поглоще­ ния катионов почвами при одинаковой их концентрации) опре­

деляется валентностью иона, радиусом негидратированного иона,

атомной массой иона.

Общее количество всех поглощённых (обменных) катионов называется емкостью катионного обмена (ЕКО), которая выража­ ется в милиграмм-эквивалентах на 100 г почвы. Состав поглощён­ ных катионов в почвах зонального ряда (табл. 15.1) определяется

условиями почвообразования и, прежде всего, водным режимо!\t.

Для почв экстрагумидных и rумидных областей с коэффици­

ентом увлажнения (Ку) > 1 в составе ППК основную роль играют

катионы Са2+, Мgн, Н+, АР+; для семигумидных с Ку < 1 - Са2+, Mg2+ и для почв аридных областей с Ку < 0,5- Са2+, Мgн,

Na+, иногда с существенным участием К+.

Емкость катионного обмена (ЕКО) колеблется от несколь­ ких мг-экв/100 г почвы в экстрагумидных и экстрааридных облас-

15.1. Физико-химические свойства пахопrого слоя почв

тые песчаные и супесчаные

148

до 50-70 мг-экв/100 г почвы в чернозёмах семигумидных (по­

тя~ажных) областей. Зональные показатели ЕКО прежде всего ~~язаны с содержанием гумуса (наибольшее в черноземах, оно

nостепенно понижается к северу и югу от зоны их распростране­

JiИЯ)· Кроме того ЕКО сильно зависит от гранулометрического со­

става (чем тяжелее, тем выше ЕКО), от минерадогического и хи­ мического состава почв (ЕКО глинистых минералов варьирует от 5м:г-экв. до 100-150 мг-экв/100 г). Наконец, ЕКО тесно связано с

величиной рН. С ростом рН возрастает ионизация функциональ­ ных групп ацидоидов, снижается положительный заряд базоидов

и возрастает ЕКО.

Необменное поглощение катионов происходит в слое потен­

циалопределяющих ионов. Такие катионы после взаимодействия с пnк не переходят в раствор при обработке почвы раствором 8ейтральных солей. Необменное погл<?щение катионов определя­ ется как их видом, так и составом почвенных коллоидов. В практи­

ческом отношении заслуживают большого внимания процессы

необменного логлощения элементов питания, в частности ионов

калия и аммония. Установлена возможность перехода катионов в системе: катионы почвенного раствораобменныенеобмен­ ные - катионы кристаллических решёток минералов. В таком же

порядке снижается доступность катионов для растений.

15.5. Поглощение почвами анионов

Сорбция анионов в почвах определяется их свойствами, за­ рядом и свойствами ППК. По способности к логлощению анионы

располагаются в следующий ряд: CI- < N03- < SO/- < РО/- <

SIO/-<OH-.

Анионы CI- и N03- практически не поглощаются почвами,

их соли характеризуются отрицательной физической адсорбцией.

Этим объясняется их быстрое вымывание из почвы. Сульфат-ион

образует с кальцием труднорастворимое соединение (хемосорб­ ция). С агрономической точки зрения, большое значение имеют

процессы логлощения фосфат-ионов, поскольку в результате этих

Процессов снижается доступность фосфора для растений, в том числе и фосфора удобрений.

Известны следующие виды логлощения почвой фосфат-ионов. 1. Обменная сорбция фосфат-ионов на положительно заря­

женных коллоидах или участках коллоидной мицеллы.

149