Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Вальков - Почвоведение

.pdf
Скачиваний:
4140
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
20.68 Mб
Скачать

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

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