Ганжара - Почвоведение

2. Хемосорбция фосфат-ионов гидроксидами железа и алю­

миния на внешней поверхности коллоида.

3. 1-iеобменное поглощение фосфат-ионов на внешней и

внутренней поверхности глинистых минералов. Сорбция значи­

тельно возрастает с увеличением степени дисперсности минерала.

4. Образование слаборастворимых фосфатов (хемосорбция)

при взаимодействии с солями почвенного раствора (фосфаты

кальция, фосфаты железа).

5. Поглощение фосфат-ионов при взаимодействии с минера­

лами-солями: гипсом, кальцитом, доломитом и др.

6. Поглощение фосфат-ионов путём механического захвата - окклюдирования аморфным кремнезёмом.

7. Образование фосфатов кальция при взаимодействии с rу­

матами кальция.

Процессы поглощения фосфат-ионов носят сложный харак­

тер. В почвах зонального. ряда поглощение фосфат-ионов ослабева­

ет от подзолистых почв к чернозёмам и резко усиливается в крас­ нозёмах и желтозёмах влажных субтропиков.

15.6.Кислотность почв, её виды

Кислотность почвы обусловлена наличием в ней органичес­ ких и минеральных кислот и коллоидов, обладающих кислотными свойствами. Различают актуальную (активную) и потенциальную (скрытую) виды кислотности.

Актуальная кислотность обусловлена наличием ионов Н+ и активностью водорода (протонов) в почвенном растворе. Измеря­ ется она величиной рН водной вытяжки или водной суспензии

(РНн,0 ) при соотношении почвавода 1 : 2,5. В разных почвах

показатель актуальной кислотности колеблется от 3 до 7.

Потенциальная кислотность обусловлена (в основном) нали­

чием ионов водорода и алюминия в поглощённом состоянии в со­

ставе ППК. Она подразделяется на обменную и гидролитическую. Обменная кислотность обусловлена количеством ионов во­

дорода и алюминия, находящихся в обменном состоянии в соста­

ве ППК, которые извлекаются из почвы раствором нейтральной соли. Обычно для определения обменной кислотности почв ис­ пользуют lн. раствор KCI (рН около 6). Измеряется обменная кис­ лотность величиной рН солевой вытяжки (рНке~>· При взаимодей­ ствии почвы с раствором KCI в результате обмена калия на водо-

150

од в растворе появляется соляная кислота, а при обмене на алю­

~иний - хлорид ал~миния. Хлорид алюминия - это ~оль слабого

основания и сильнои кислоты, которая при взаимодеиствии с во­

дой образует гидроксид алюминия и соляную кислоту:

[ППКЗ·]АР+ + ЗКСI = [ППК3·]К3+ + AICI3

AICI3 +Нр = Al(OH)3 + ЗНСI

Образующуюся в растворе соляную кислоту можно оттитро­

вывать щёлочью и выражать кислотность в мг-экв/100 г или изме­ рять рН солевой вытяжки. Показатель рНкСI колеблется в разных

почвах от 2,5 до 6,5. В почвах, насыщенных основаниями, обмен­

ная кислотность не определяется.

Гидролитическая кислотность (Нг) обусловлена количеством ионов водорода и алюминия, находящихся в обменном (частично в необменном) состоянии в ППК, которые извлекаются из ППК

раствором гидролитически щелочной соли сильного основания и слабой кислоты (обычно используется lн. раствор ацетата натрия CH3C00Na с рН 8,2). При взаимодействии щелочного раствора

ацетата натрия с ППК происходит более полное вытеснение

ионов водорода и алюминия натрием, чем при определении об­

менной кислотности с нейтральной солью, а в растворе образует­

ся уксусная кислота, которая оттитровывается щёлочью. Количе­ ство образующейся уксусной кислоты, определяемое титрованием

или потенциометрически, характеризует гидролитическую кис­

лотность почв, которая выражается в мг-экв/100 г абсолютно су­

хой почвы.

Гидролитическая кислотность является суммарной, учитыва­ ющей обменную и актуальную. Показатели гидролитической кис­ лотности используются в расчётах дозы извести, необходимой для нейтрализации кислотности освоенных почв.

Показатели состояния ППК почв, неиасыщенных основаниями.

В состав логлощенных катионов почв, неиасыщенных основания­

ми, входят преимущественно катионы Са2+, Mg2+, Н+ и АР+. Сум­

ма катионов кальция и магния характеризуется показателем S,

который называется суммой поглощённых оснований и выражается в мг-экв/100 г. Сумма поглощённых катионов водорода и алюми­

ния характеризуется показателем гидролитической кислотности

Нг, которая также выражается в мг-экв/100 г. Общее количество nоглощённых катионовЕКО можно определить как S + Нг (ана­

литически ЕКО можно определить и отдельно специальным мето­

дом). Для характеристики доли участия катионов кальция и маг­

ния в составе катионов используется показатель степени насы-

151

щенности основаниями- V, который выражается в %к ЕКо.

15.7.Агроэкологическая оценка и способы оптимизации

физико-химических свойств почв, ненасыщенных

основаниями

Физико-химические свойства почв часто называют агрохичи­ ческими. Поглощённые катионы являются доступными для расте­ ний, при этом они не вымываются вместе с атмосферными осадка­

ми и поэтому всегда почва в запасе имеет элементы питания: кати­

оны кальция, магния, калия, аммония, железа, цинка, меди и др.

Чем выше ЕКО, тем лучше почва обеспечена элементами питания.

Емкость катионного обмена характеризует устойчивость почв

к аграгенным и техногеиным нагрузкам, в частности, к химичес­

кому загрязнению.

Наиболее низкие ЕКО, менее 10 и даже 5 мг-экв/100 г, име­ ют супесчаные и песчаные почвы. Повышение ЕКО в таких почвах возможно за счет внесения повышенных норм торфа, компостов.

а также приёмов глинования.

Состав поглощённых катионов определяет не только физико­

химические и агрохимические свойства почв, но и структурнос со­

стояние и зависящие от него водно-физические свойства и воздуш­ ный режим. Катионы кальция и магния способствуют формированию

водоустойчивых агрегатов, водорода и алюминия -распылению структурных отдельностей и кислотному разрушению минералов.

Кислая реакция почв оказывает негативное влияние на условия пи­ тания растений. При кислой реакции в почве недостаточно катионов

кальция, магния, молибдена и др. элементов, в то же время прояв­ ляется токсичное влияние катионов водорода и, особенно, алющi­ ния и марганца. При этом нарушается питание растений фосфора~! 11 азотом, кислая среда подавляет деятельность полезной микрофлоры. угнетающе действует на процессы аммонификации и нитрификацин.

Для большинства культурных растений оптимальной является нейт­

ральная и близкая к нейтральной реакция почвенного раствора (рН

6-7). Только для незначительного числа культурных растений опти­

мальной является кислая среда (рН 4,5-6). К ним относится чайнЬiii

куст, картофель, люпин и некоторые другие.

152

ДлЯ оптимизации реакции среды кислых почв проводят хими­

мелиорапию - известкование. При внесении извести каль­

чесJ<УЮмешает водород в ППК и нейтрализует свободные органи-

11J{Й за, и минеральные кислоты почвенного раствора. Существует

..есi<ие .. u

.. лько способов расчета норм извести: по гидролитическом

JIСС~~тности, по обменной кислотности, по сдвигу рН при внесе­

J<dС СаСО , по буферной способности почвы. Наибольшее pacпpoc­

JidИ ение ~олучил метод расчёта по гидролитической кислотности,

траНоваННЫЙ на ТОМ, ЧТО ДЛЯ НСЙТрализаl{ИИ IМГ-ЭКВ ИОНОВ H+jlOO Г

осибуется 50 мг СаСО3. потребность в известковании можноо опреде-

'i:ть по степени насыщенности основаниями. При V более 80% по­

чвы не нуждаются в известковании, при V менее 50% потребность высокая; в промежутке - средняя и слабая.

При определении дозы извести по обменной кислотности (табл.15.2) учитывается гранулометрический состав и содержание гумуса. Почвы тяжёлого гранулометрического состава и более rу­ мусированные требуют более высокую дозу извести, поскольку обладают повышенной буферностью к сдвигу рН.

Уменьшению кислотности способствует систематическое

применение навоза и компостов. Повышают почвенную кислот­

ность физиологически кислые минеральные удобрения.

15.2. Дозы извести в зависимости от рНка и rранулометрическоrо состава, т/га СаС03

15.8. Щёлочность почв, её виды, способы снижения

Различают актуальную (активную) и потенциальную щё­

лочность почв.

Актуальная щелочность обусловлена наличием в почвен­

~ом Растворе гидролитически щелочных солей (Na2C03 ,

~Нсоз, Са(НСО3)2), при диссоциации которых образуется

Роксильный ион. Различают общую щелочность от нормаль-

153

ных карбонатов и от гидрокарбонатов, по граничным значсн11_

ямрН.

Потенциальная ЩeAOIIHOcmь обусловлена наличием в nnк

обменного натрия, который может вытесняться водородом Уг­

лекислоты, а образующаяся в почвенном растворе сода подщс_

лачивает его.

Щелочность почв принято оценивать только по значенияч актуальной щелочности, которую определяют в водной вытяж­

ке или суспензии потенциометрически, при этом она выража­

ется в единицах рН. В водной вытяжке актуальная щелочность

определяется так же титрованием кислотой с различными ин­

дикаторами: общая щёлочность по метиловому оранжевомv·

щёлочность от нормальных карбонатов- в присутствии фена~~

фталеина. Выражаются они в мг-экв/100 г почвы.

По величине рН различают слабощелочные почвы (рН

7,0-7,5), щелочные (рН 7,5-8,5) и сильнощелочные (рН 8,5 и

выше). Щелочность снижает плодородие почв в большей степе­

ни, чем кислотность. Почвы со щелочной реакцией среды (со­ лонцы и солонцеватые почвы) характеризуются неудовлетвари­ тельными водно-физическими свойствами из-за пептизаuии коллоидов. Они бесструктурны, после дождей на поверхности образуется плотная корка. Урожай растений на почвах со ще­ лочной реакцией среды резко снижается. Для снижения щёлоч­

ности применяют химические мелиорации - гипсованис или

кислованне (внесение гипса, отходов серно- и азотнокислотно­ го производства, сульфата железа, пиритных огарков, серы и других мелиорантов). Сущностью химических мелиораций явля­ ется замена обменного натрия на кальций или водород мелио­

рантов. Соли натрия из почвенного раствора удаляются путём

промывки.

15.9.Буферность почв

Буферностью называется способность почвы противосто­ ять изменению реакции почвенного раствора под воздействие~! кислотных и щелочных агентов. Она определяется: по отноше­ нию к кислотам - титрованием растворами кислот; по отноше­

нию к щелочам - растворами едких щелочей; по отношению к

соде -растворами соды.

Буферность почвы занисит от количества и состава высо­

кодисперсных частиц (ила и коллоидов). Она увеличивается с

154

ением гранулометрического состава, с увеличением со-

утяжел ..

держания гумуса, высокоемкостных минералов, емкости погло­

J.l(еНИ~·очвы, неиасыщенные основаниями, имеющие в составе

nк обменные катионы водорода и алюминия (подзолистые,

Л асноземы), обладают повышенной буферностью к подщела­

I<Р нию и пониженной к подкислению. Почвы, насыщенные

чиваованиями (черноземы·· , каштановые, солонцы), обладают

~~~ышенной буферностью к подкислению и пониженной к

подmелачиванию.

Буферность почв определяется также наличием в почвах

ростых солей (карбонаты, гипс, сульфаты и др.), которые мо-

п u б

гут взаимодеиствовать с растворами и осла лять сдвиг реакции.

Буферность почв и~еет большое агроэкологическое значение,

она определяет устоичивость почв к аграгенным и техногеиным

воздействиям.

Глава 16. Почвенный раствор и

окислительно-восстановительные процессы в почвах

16.1. Почвенные растворы

Почвенный раствор представляет собой жидкую фазу почв,

которая формируется путем взаимодействия атмосферных осад­ ков, поверхностного стока и грунтовых вод (при неглубоком зале­ гании последних) с твёрдой, газообразной и живой фазами.

Почвенный раствор содержит минеральные, органические и

органо-минеральные вещества в ионной, молекулярной, колло­

идной форме и иногда в виде взвесей. Он также содержит раство­ ренные газы: кислород, углекислый газ, аммиак. Количество по­

чвенного раствора зависит от влажности почвы и колеблется в lUИроких пределах - от долей и единиц до десятков процентов в

минеральных почвах, до сотен процентов в торфяных.

для выделения почвенных растворов используют различные

Методы:

-отпрессовывание, вытеснение жидкостями или газами,

центрифугирование;

155

-улавливание почвенных растворов специальными приё~r­

никами разных конструкций (лизиметрический метод);

- метод водных вытяжек (наиболее часто применяемое со.

-стационарный метод изучения почвенных растворов в сс.

тественном состоянии с помощью специальных приборов

(наиболее часто применяются ионаметрические методы с

использованием специальных электродов для измерения

рН, Еh,концентрации целого ряда катионов и анионов

(Сан, Mg2+, К+, N03- и др.).

Каждый из этих методов обладает определёнными преимv­

ществами и недостатками, которые обсуждаются в специальн~й

литературе.

По данным К.К. Гедройца, коллоиды составляют от 1/ 4 до'!

общего количества веществ почвенного раствора. В почвенных ра-111

створах преобладают катионы Са2+, Mg2+, Na+, всегда присутствv­

ют к+, NH4+, н+, в почвах с кислой реакцией среды - А 11-,,

Fe3+, Fен. Из анионов преобладают СО/-, Cl-, S042·; присутствуют N03-, N02-, Н2РО4-, НРО/. Железо, алюминий содержатся, в ос­

новном, в виде устойчивых комплексов с органическими веще­

ствами. Минерализация почвенных растворов невелика и в разных типах почв колеблется, возрастая с севера на юг, от десятков мr в

подзолистых до нескольких граммов вещества на литр в чернозе­ мах и каштановых почвах, в засоленных почвах минерализация

резко повышается до десятков и даже сотен граммов на литр.

Содержание органических веществ в почвенных растворах

измеряется десятками и сотнями мгjл, повышенные концентра­

ции их наблюдаются в подзолистых и болотных почвах таёжно­

лесной зоны. Органические вещества представлены в основно~r фульвокислотами и простыми органическим кислотами. Наиболее

высокие концентрации органических веществ характерны для

верхних горизонтов - лесной подстилки и гумусовых.

Реакция среды почвенных растворов (актуальная кислот­

ность и щелочность) изменяется от кислой и слабокислой в под­

золистых почвах северной и средней тайги, нейтральной в зоне

чернозёмных почв до слабощелочной и местами щелочной в по­ чвах аридных областей. Это связано с закономерными изменения­ ми водного режима в почвах зонального ряда. При избытке влаги

в почвах таёжно-лесной зоны основания и, прежде всего, щелоч­

ные металлы вымываются за пределы почвенного профиля, прн

непромывном водной режиме, в чернозёмах в пределах почвенно­

го профиля всегда присутствуют карбонаты кальция и магния, а 13

156

ридных областей - водорастворимые соли и обменный

почва~ nпк обусловливают щелочную реакцию почвенного ра­

натрИИ Наиболее высокая щелочная реакция обусловлена содовым

створа~ием в меньшей степени хлоридным и затем сульфатным.

засол~ кон~ентрацией и степенью диссоциации водорастворимых

• тесно связано осмотическое давление почвенного раствора.

солеи Е д

Оно наиболее высокое у засоленных почв. ели осмотическое авле-

ние равно или выше осмотического давления клеточного сока расте-

• то прекращается поступление воды в растения, и они погиба-

нuи, • • .: д

ют. Это является основноди причинои uecnлo ия засоленных почв.

Существует выраженная инамика концентрации почвенных ра­

створов (годовая, сезонная, суточная), связанная с изменением

влажности и температуры.

Агроэкологические функции почвенных растворов заключаются

вследующем.

1.Почвенные растворы играют ключевую роль в процессах

почвообразования. Именно они являются центром взаимодей­ ствия твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Г.И.Высоцкий срав­

нивал роль почвенных растворов с ролью крови в живых орга­

низмах.

2. Осуществляют вертикальные и латеральные транспортные

потоки веществ и играют главную роль в элювиально-иллювиаль­

ных процессах.

3. Являются источником всех элементов питания. Недостаток

или избыток тех или иных элементов приводит к снижению уро­ жая и заболеваниям культурных растений. Существует ряд методов

диагностики питания на основе анализа почвенного раствора,

особенно для тепличных культур.

4. Создают условия для роста и развития растений: реакцию

среды, осмотическое давление, окислительно-восстановительные

условия и др.

16.2.Окислительно-восстановительные процессы

в почвах

Окислительно-восстановительные реакции протекают во

всех почвах и являются одними из ведущих в процессах почвооб­

Разования. Большой вклад в изучение окислительно-восстанови­

~льных процессов почв внесли С.П.Ярков, И.П.Сердобольский,

.С.Кауричев, Д.С.Орлов, В.И.Савич и др. Реакции окисления

157

всегда сопровождаются реакциями восстановления и протека101

сопряженно. Окисление рассматривается как присоединение

кислорода к веществу, или потеря веществом водорода, или о·r­

дача электрона. Реакции восстановления - как противополож.

ные явления потере кислорода, присоединение водорода или

электрона. Способность почвы вступать в окислительно-восстn­

новительные реакции измеряется окислительно-восстановитель­

ным потенциалом. Окислительно-восстановительный потенциnл

(ОВП) - разность потенциалов, возникающая между почвен­

ным раствором и электродом из инертного металла (платины). Измеряется ОВП при помощи потенциометра. ОВП по отноше­ нию к водороду обозначается символом Eh, измеряется в мил­

ливольтах.

Окисленные и восстановленные формы соединений образу­

ют окислительно-восстановительные системы, представленные

набором пар элементов с переменной валентностью: Fен - Fe'' ·

же органическими системами. Преобладающие в количественном

отношении окисленные и восстановленные формы носят назвn­ ние потенциалопределяющей системы. От неё в основном зависит

величина Eh.

Основным окислителем в почве является молекулярный

кислород почвенного воздуха и почвенного раствора. Основными восстановителями - продукты анаэробного распада органическо­ го вещества и жизнедеятельности микроорганизмов. Микроорга­

низмы в процессе жизнедеятельности поглощают кислород по­

чвенного воздуха и содержащийся в составе органических веществ

и переводят минеральные соединения железа, марганца и др. в

восстановленные формы. Поэтому большая часть окислительно­ восстановительных реакций в почвах имеет биохимическую при­ роду. Главными условиями, определяющими интенсивность и нn­

правленность окислительно-восстановительных процессов в по­ чвах, является состояние увлажнения и аэрации почв, содержа­ ние кислорода в почвенном растворе, содержание легкоразлагае­

мого вещества и температура почвы.

Величина Eh в подзолистых и дерново-подзолистых почвах нормального увлажнения составляет 450-600 мВ, в серых лесных. чернозёмах и каштановых почвах - 500-650. Наиболее низкие зна­

чения Eh (ниже 200 мВ) характерны для болотных почв. Сниже­ ние Eh ниже 350-450 мВ свидетельствует о начале смены окисли­

тельных условий на восстановительные, а до значения 200 мВ 11

ниже - об интенсивном развитии восстановительных процессов с

158

nри 22-25 - восстановительные и при rH2 ниже 20 происходят

интенсивные восстановительные процессы.

для характеристики окислительно-восстановительных усло­

вий введены понятия окислительно-восстановительной ёмкости

(максимальное количество окислителя (восстановителя), которое

может быть связано почвой) и окислительно-восстановительной буферности (способность почв противостоять изменению ОВП). Более высокой окислительно-восстановительной ёмкостью и бу­ ферностью обладают чернозёмные почвы (по сравнению с дерна­

во-подзолистыми).

Окислительно-восстановительный режим почвэто соот­

ношение окислительно-восстановительных процессов в почвен­

ном профиле в годичном цикле. И.С.Кауричев и Д.С.Орлов пред­

ложили выделять следующие типы окислительно-восстановитель­

ного режима:

-почвы с абсолютным господством окислительных про­ цессовавтоморфные почвы семигумидныхэкстраа­ рИдных областей (чернозёмы, каштановые и др.);

-почвы с преобладанием окислительных процессов - ав­ томорфные почвы rумидных и экстрагумидных областей

(подзолистые, краснозёмы и др.);

-почвы с контрастным окислительно-восстановительным

режимом - полугидраморфные (глееватые и глеевые) почвы различных областей;

-почвы с устойчивым восстановительным режимом - бо­ лотные (гидроморфные).

Агроэкологическое значение окислительно-восстановительных

J'САовий определяется большой ролью их в процессах почвообра­

зования и в плодородии почв. В условиях восстановительной об­

становки в почвах протекает глеевый процесс, при этом увели­

чивается подвижность многих соединений, в том числе железа,

м:арганца, фосфора; почвы приобретают сизую (восстановленное

159