Вальков - Почвоведение
.pdfЧ а с т ь I. С о с т а в и с в о й с т в а п о ч в |
Ш |
Высокая поглотительная способность, характерная для боль шинства черноземов, слитоземов, глин различного проис
35-45 хождения, обогащенных смектитовыми минералами (монт мориллонит, бейделит и др.), слитогенетических и иллюви- ально-глинистых горизонтов.
Очень высокая емкость катионного обмена. Это среднегумус- 45-60 ные и тучные черноземы, гумусово-аккумулятивные дерно
вые горизонты почв различного происхождения.
Крайне высокая поглотительная способность. Типична толь Более 60 ко для отдельных компонентов почвенной массы: гумусовые
вещества, смектитовые минералы, вермикулит и т. д.
Отдельные поглощенные катионы неравнозначны по результатив ной сущности в многообразных явлениях природы почв. Об экологи ческой значимости отдельных обменных катионов дает представление следующая обобщенная сводка:
Катионы
Са2*
Mg2*
Экологическая значимость катионов
Кальций по праву считается катионом — хранителем плодородия в связи с его многогранной значимостью. Он присутствует во всех без исключения почвах, но в разных количествах и в разных соотношени ях с другими катионами. Оптимум его содержания — 80-90% от ЕКО. Это величина, характерная для типичных черноземов. Присутствие Са2* в таких количествах обеспечивает 99,9%-ную коагуляцию коллоидных систем, и, следовательно, создается необходимая предпосылка для вы сокого структуроообразования при активной деятельности корневых систем травянистой растительности и достаточного содержания гуму совых веществ. Однако, повышенные количества в почвах интенсивно набухающих глинистых минералов типа монтмориллонита провоциру ют слитогенетические явления, противоположные зернистому и ком коватому структурообразованию даже при оптимальном содержании ионов Са2*.
Са2* способен к ионообменному поглощению корнями растений. Одна ко этот способ питания растений, как правило, не принимается во вни мание, так как кальций всегда присутствует в почвенных растворах и не является в биосфере дефицитным.
Магний всегда сопровождает Са2*. Типичное соотношение Са:Мд - 5:1. В таких количествах его действие аналогично действию Са2*. Экологи ческая дисгармония почвенной среды может возникать в щелочных почвах при повышении количества магния в ППК за счет снижения со держания Са2*, т. е. при изменении соотношения Са: Mg в сторону маг ния. В этом случае сам Mg2* вызывает повышение щелочности в связи с присутствием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния,
152 |
П о ч в о в е д е н и е |
|
что, например, наблюдается в лессовидных глинах и суглинках Пред |
|
|
кавказья, где щелочность может достигать pH 8,6-9,1. Присутствие |
|
|
магния в ППК поддерживает свойства солонцеватости почв и даже |
|
|
приводит в отдельных случаях к образованию особых почв — магние |
|
|
вых солонцов. |
|
|
В питании растений — основной источник доступного калия. Отмечена |
|
К* |
тенденция необменного поглощения калия из слоя компенсирующих |
|
|
противоионов в кристаллическую решетку минералов. |
|
|
Натрий в количествах менее 3% от ЕКО — необходимый компонент |
|
|
оптимального для биоценозов функционирования почвенной системы. |
|
|
В этом случае элемент обеспечивает дисперсность коллоидов на уров |
|
|
не около 0,1%, что важно для подвижности, динамичности и первооче |
|
|
редной резервности для минерализации гумусовых веществ и обеспе |
|
|
чения почвенных растворов биологически необходимыми компонента |
|
Na* |
ми. Однако следует признать, что эта роль Na+ в почвоведении и агро |
|
химии изучена недостаточно. |
||
|
Na+ 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, бесструктур |
|
|
ной, в растворах появляются щелочные соли, pH может достигать 9,5- |
|
|
10,0. Образуются особые почвы — солонцы. Изучение солонцеватости |
|
|
почв и солонцов — особый раздел почвоведения. |
|
|
Обменный водород — источник почвенной кислотности. Его присут |
|
|
ствие фиксируется всегда в бескарбонатных почвах, т. е. в почвах, не |
|
|
содержащих СаС03. В нейтральных почвах при pH от 6,5 до 7,2 Н* при |
|
|
сутствует в ППК в количествах менее 5% от ЕКО. В этих условиях об |
|
|
менный Н* экологически нейтрален. В количествах более 5% от емко |
|
Н* |
сти обмена начинают проявляться кислотные свойства почв тем в |
|
большей степени, чем выше количество водородного иона в коллоид |
||
|
||
|
но-поглощенном состоянии. Максимум кислотности почвенной среды |
|
|
наступает когда среди обменных катионов водорода становится более |
|
|
40-50%, pH почвы при этом становится кислой и сильнокислой (pH |
|
|
3-5). Максимальное количество водорода в ППК может достигать 80% |
|
|
от ЕКО. |
|
|
Алюминий в обменном состоянии — интенсивный коагулятор колло |
|
|
идов. Является объектом пристального внимания в кислых почвах. |
|
|
При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые |
|
Al* |
соли, способствующие повышенной пептизации А13* в почвенной |
|
|
среде, поэтому учитывается при определении кислотности почв на |
|
|
равне с ионом водорода. А13+изучается как физиологически токсич |
|
|
ный катион. |
Ч а с т ь I. С о с т а в и с в о й с т в а п о ч в
Fe3*
NH4*
Интенсивный коагулятор коллоидов, как и алюминий во влажных тро пических почвах. Участвует в создании структурных микроагрегатов, придающих ферраллитным почвам эффект опесчаненности почвенной массы. Обычно такие почвы рассматриваются как псевдопесчаные. Ожелезненные почвы малопластичны, не набухают, склонны к образо ванию латеритов.
Ион аммония — единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота. Поглощается коллоидами в процессах аммонифика ции. Легко используется корневыми системами растений. Не накапли вается в количествах, превышающих 3% от ЕКО. Физическая и физико химическая значимость не изучена. Аммонийный азот, в том числе в обменном состоянии, — особый предмет агрохимических исследова ний.
В итоге анализа поглотительной способности почв можно сделать следующие обобщающие заключения:
1.Состав почвенного поглощающего комплекса определяет реак цию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые или щелочные условия почв напрямую зависят от состава обменных ка тионов.
2.Почвенный поглощающий комплекс представляет собой доступ ное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное кол лоидной электростатической природой от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды. По своей стабильности и эффективности ППК намного превосходит как регулятор питания растений почвен ные растворы. Это относится к Na+, NH4+, К+, Mg2+, Са2+, а также практически ко всем микроэлементам металлической природы. Осо бенно необходимо подчеркнуть, что калийное питание растений осу ществляется исключительно за счет обменного калия коллоидов, а определяемый агрохимиками доступный растениям калий —элемент коллоидно-обменного происхождения.
3.Состояние коллоидной массы первостепенно детерминирует практически все физические характеристики почвы как целостной системы, и в первую очередь структурность, плотность, воздухоем кость, влагоемкость и поведение почвенной воды. Экологически опти мальное физическое состояние почв для большинства растений, жи вотных и других организмов возникает в среде, когда 99,9% коллои дов находятся в состоянии геля и 0,1% — золя.
4.Почвенный поглощающий комплекс является геохимическим барьером для катионов-загрязнителей тяжелых металлов и радиону
154 |
П о ч в о в е д е н и е |
клидов. Однако абсолютизировать катионно-коллоидное поглощение не следует. В почвах с непромывным водным режимом поглощен ные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в биоло гические цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежно обменное вытеснение загрязнителей Н+ и дальнейшая ландшафтная миграция.
1.10. КИСЛОТНОСТЬ И ЩЕЛОЧНОСТЬ
почв
1.10.1. П р и р о д а п о ч в е н н о й к и с л о т н о с т и
И ЩЕЛОЧНОСТИ
Реакция среды имеет существенное значение для направленно* сти почвенных процессов и уровня почвенного плодородия. Кислот- но-щелочные условия зависят от типов почв, их подтиповых, родо вых различий и могут колебаться в широких пределах. Черноземы, коричневые почвы, сероземы характеризуются нейтральными усло виями. Щелочная реакция наблюдается у солонцов и солонцеватых почв. Кислые условия типичны для почв влажных лесов (подзоли стые, серые и бурые лесные, красноземы, желтоземы и др.). Кислот ность почвы вызывается ионами водорода. Различают актуальную и потенциальную кислотность.
Актуальная кислотность почв — это концентрация ио нов Н+в почвенном растворе в граммах-эквивалентах (моль) на 1 литр, выражаемая величинами pH, где pH ——lg [Н*].
Чистая вода неэлектропроводна, но тем не менее при 25°С из одно го моля воды диссоциирует на ионы 0,0000001 или 1x10-7 моль воды. Так как число ионов в чистой воде Н+= ОН“, то диссоциацию воды характеризуют ионным произведением:
К = [Н+] х [ОН-] = [1х10-7] х [1х10~7] = 10"14.
Коэффициент К — константа показывает, что эта величина не из меняется при любых изменениях количества ионов Н+ и ОН”. До пустим, что при добавлении щелочи концентрация ионов ОН" ста ла равна 10~4, значит концентрация ионов Н+ будет Ю“10. Другой случай: добавили кислоту. Концентрация ионов стала 10“4, значит концентрация ионов ОН” будет 10”10. Это ионное произведение воды, его сомножители принято обозначать показателем pH, при чем отрицательным логарифмом (степень, в которую возводится 10,
И 6 П о ч в о в е д е н и е
записывается с обратным знаком). Пишут: рН=6. Это значит, что в растворе концентрация [Н+]=10-6 моль/л и, следовательно, концен трация [ОН“] =10 моль/л, т. е. ионов ОН" в 100 раз меньшие, чем ионов Н+. Среда кислая. При рН=9 концентрация ионов водо рода в растворе 10-9, а гидроксид-ионов — 10-5, т. е. их в 10000 раз больше, чем ионов Н+. Среда щелочная. Таким образом, за цифрами показателя pH необходимо научиться видеть и учитывать количество ионов Н+ и дополнительное к нему, согласно с ионному произведе нию воды, количество ионов ОН- , представляемое в грамм-эквива лент (моль) на 1 литр.
Жизнь животных и растений может протекать при pH от 2,5—3 до 10—10,5. За пределами этих концентраций ионов водорода прояв ление жизни крайне ограничено. Этот же, даже несколько больший, размах pH мы встречаем и в почвах.
Величина pH является наиболее устойчивым генетическим показа телем конкретной почвы. Варьирование pH в границах типичных зна чений составляет 5—10%. Всякое изменение реакции среды приводит к резкой смене характера почвообразования. Ряд почвенных процессов имеет строгую приуроченность к определенным пределам водородно го показателя. Это солонцовый процесс, оподзоливание, пептизация и коагуляция коллоидов, ферраллитизация, микробиологические яв ления и т. д. Антропогенетические изменения pH происходят при окультуривании или деградации почв. Для всех почв величина их pH считается существенным диагностическим критерием.
Потенциальная кислотность — это количество обменных ионов Н * и А13+ в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК), выражаемое в миллиграмм-эквивалентах на 100 граммов почвы (м. -экв. /100г).
В водной среде происходят реакции:
[ППК]Н+ + КС1 <->[ППК]К+ + НС1,
[ППК]А13+ + 3KCI <-*[ППК]ЗК+ + А1С13,
А1С13 + ЗН20 <-> А1(ОН)31 + 3 НС1.
В результате реакций обмена поглощенные ионы Н+ и А13+ опреде ляют концентрацию ионов Н+в почвенном растворе или его pH, т. е. потенциальная кислотность есть скрытая в ППК кислотность.
Ч а с т ь I. С о с т а в и с в о й с т в а п о ч в |
U7 |
Потенциальная кислотность разделяется на обменную и гидроли тическую. Обменная кислотность проявляется при взаимодей ствии с почвой нейтральных солей. Обычно для ее определения ис пользуют раствор КС1. Образующаяся в растворе кислота оттитровывается щелочью, а сама кислотность выражается в м.-экв на 100г почвы. При взаимодействии почв с нейтральной солью не все прото ны переходят в раствор, так как в системе устанавливается динами ческое равновесие:
[ППК]Н+ + КС1 [ППК]К+ + НС1.
Гидролитическая кислотность обнаруживается при воздей ствии на почву гидролитически щелочной соли:
[ППК]Н+ + CHsCOONa <^[ППК]Ма+ + СНзСООН.
Уксусная кислота, как слабогидролизуемая соль, практически свя зывает все водородные ионы и происходит практически полное вытес нение протонов из почвенного поглощающего комплекса. Поэтому во всех агромелиоративных расчетах пользуются данными определения гидролитической кислотности для установления доз СаСОэ при лик видации избыточной кислотности. Этот прием называют известкова нием почв. В присутствии углекислоты известь переходит в раство римый бикарбонат и происходит необменное поглощение Н+:
СаС03 + Н20 + С 02 = Са(НСОз)2, [ППК]2Н+ + Са(НСОз)2 <-> [ППК]Са2+ + 2НгО + 2СОг.
Нуждаемость почв в известковании определяют по степени насы щенности почв основаниями, по соотношению между поглощенными Са2+ + Mg2* и Н+ + А13+.
Это степень насыщенности почв основаниями, выражается в про центах от емкости обмена:
v - | x l00-s fH x,0°’
гдеУ —степень насыщенности почв основаниями, %; S —сумма обмен ных оснований, м.-экв/100г; Е — емкость поглощения, м.-экв/100г; Н — гидролитическая кислотность, м.-экв/100 г.
158 П о ч в о в е д е н и е
На основании полевых опытов установлено следующая пример ная шкала:
V |
Нуждаемость в известковании |
Ниже 50 |
Сильно нуждаются в извести |
От 55 до 70 |
Средненуждаемые |
70-80 |
Слабонуждаемые |
Выше 80 |
Не нуждаются в извести |
Различают также актуальную и потенциальную щелочность. А к т уальная щелочность почв обусловлена присутствием в почве гидролитически щелочных солей: Na^COj, NaHCOy, Са(НСОз)^ МдСОз, М д(Н С 03)2 и др.
Na2C 03 + 2НОН Н2СОэ + 2Na + 20Н~
Эти соли увеличивают концентрацию ионов ОН~ в почвенном рас творе, pH становится щелочной.
Потенциальная щелочность характерна для почв солонцева
тых, содержащих обменный натрий: |
|
|
|
1 Na+ |
|
1 Н+ |
|
ППК I |
+ Н2СОэ |
ППК I |
+ Na2C 03. |
J Na+ |
|
J Н+ |
|
Следовательно, потенциальная щелочность — не что иное как солонцеватость почв.
Значение солей, встречающихся в почвах, в формировании реак ции почвенной среды иллюстрирует табл. 25:
Таблица 25
Реакция (pH) растворов соединений/ встречающихся в почвах
Соединения |
pH |
Соединения |
pH |
Na2C03 |
12-13 |
CaSO* |
7,0 |
CaCOj без С02 |
10,2 |
Н20 |
6,7-7,1 |
СаС03+С02 |
8,5 |
NaS04, NaCl |
6,5-6,8 |
МдС03 |
11,5 |
NH4CI |
4,7 |
Са(НС03)2 |
6,1-8,4 |
Н2С03 |
3,9-5,7 |
NaHCOj |
8,5-9,5 |
KAl(Si04)2, AIC13 |
2-4 |
Ч а с т ь I. С о с т а в и с в о й с т в а п о ч в |
159 |
Сильно кислую реакцию среды (pH 2—4) могут создавать при окис лении различные сульфиды, которые содержатся в засоленных при морских болотах или в отвалах угольных карьеров и шахт:
4FeS2 +1502+2Н20 = 2Fe2(S 04)3 + 2H2S04.
В создании определенной реакции среды велика роль органиче ских остатков. Лесная подстилка подзолистых и серых лесных почв имеет обычно pH 3,5—5,0. Гумусовые же вещества, образующиеся в этой подстилке, более кислы — 3,0—3,5. Особенно кислы продук ты разложения мхов — pH 2,5—3,0. При разложении растительного опада в лесных биогеоценозах образуются и свободные органические кислоты типа уксусной, щавелевой, лимонной и др.
Антропогенные подкисления почв вызываются кислыми продук тами фабричных и заводских отходов, попадающих в атмосферу: хлор и соляная кислота, сероводород и сернистый ангидрид, окис лы азота, соединения алюминия, углекислота. Западноевропейские
и скандинавские исследователи отмечают pH атмосферных осадков
4,0,3,0,2,0.
1.10.2. Э к о л о ги ч ес к о е зн ач ен и е к и с л о т н о с т и
и щ е л о ч н о с т и п о ч в
Рассмотрим влияние реакции среды (pH) на основные свойства почв, растения и микроорганизмы.
pH 4,0—5,0. Резкокислая реакция среды. Часто встречается во влажном климате и характерна для подзолистых и болотных почв, желтоземно- и красноземно-подзолистых и других почв. Все они сильно промыты от извести, соединений калия, бора, серы, цин ка, кобальта, йода. Доступность растениям фосфатов понижена. Железо, алюминий и марганец подвижны и оказывают на многие растения (кроме чая) токсическое воздействие. Деятельность бакте рий подавлена, наблюдается повышенная активность грибов. Мно гие сельскохозяйственные растения нуждаются в изменении реак ции среды, но известкование нужно применять очень осторожно. На таких почвах оно может вызвать разрушение органических ве ществ, которыми эти почвы, как правило, бедны, и даже ухудшить их физические свойства. Физические свойства почв нередко весьма благоприятны: их коллоиды скоагулированы подвижными А13+ и
140 |
Почвоведение |
Fe3+. В подобных почвах нет периода весенней спелости, их мож но обрабатывать в любое время года. Почвы с таким pH наиболее рационально использовать под кислотолюбивые и кислотовыносли вые растения.
pH 5,0—6,0. Сильнокислая реакция среды. Характерна для почв влажного климата (подзолистые, дерново-подзолистые, бурые лес ные ненасыщенные, желтоземы и красноземы). Состояние фосфатов, соединений железа, алюминия, марганца, кальция, калия, бора, ко бальта, йода аналогично резкокислым условиям. Понижена бактери альная деятельность, активизирована грибная. Для почв с таким pH при суглинистом и особенно глинистом гранулометрическом составе характерны плохие физические свойства — склонность к уплотне нию. Весной эти почвы не созревают, а постепенно высыхают. Бла гоприятные условия обработки бывают только в очень узком диапа зоне влажности: то почва сырая и дает пласты, далее легко ссыхаю щиеся в глыбы, то сухая и пашня глыбистая. Объясняется это тем, что весной, образующаяся углекислота при этом pH не вытесняет Са2+, а соединения алюминия и железа так же еще не образуют до статочного количества ионов. На севере эти почвы исправляются из весткованием.
pH 6,0—6,5. Слабокислая реакция среды. Встречается в почвах влажного климата (выщелоченные черноземы, серые и бурые лес ные, насыщенные желтоземы и красноземы). Фосфаты находятся в доступном состоянии, токсичность алюминия и марганца пониже на или отсутствует. Дефицит серы, кальция, калия, бора, кобальта, йода невысокий. Условия минерального и азотного питания близ ки к оптимальным. Характерны достаточно благоприятные физиче ские условия при некоторой склонности к уплотнению, повышенный уровень жизнедеятельности микроорганизмов и нитрификационной активности. У этих почв хорошо выражен период спелости, связан ный с обесструктуриванием пересыщенной влагой почвы за зиму и вновь образованием структуры весной при прогревании почвы. Про цесс созревания таких почв связан с возобновлением микробиологи ческой активности, выделением С 02, вытеснением кальция водоро дом угольной кислоты. Появление Са2+ в свободном состоянии вы зывает коагуляцию коллоидов и восстановление утраченной за зиму структуры. Так как созревание почвы происходит без большой по