Грунтознавство

• Название: Грунтознавство
• Анкор: Nazarenko_II_Gruntoznavstvo.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 3.44 Mb.
• Имя файла: Nazarenko_II_Gruntoznavstvo.doc
• Тип: Документы; #5390
• страница: 13 из 39

Буферністю грунту називають його здатність протистояти різкій зміні активної реакції середовища при надходженні кислих чи лужних речовин (наприклад, при удобренні сільськогосподарських культур).
А в більш широкому розумінні буферність – це здатність едафотопу зберігати свою організацію. Буферність грунтового розчину визначається складом твердої фази, наявністю карбонатів і колоїдів. Вона проявляється сильніше у грунтах з високою ємністю поглинання, а також в умовах, коли в складі поглинутих катіонів переважають основи.

7.4. Кислотність грунтів, її форми

Реакція грунту проявляється при взаємодії його з водою або розчинами солей. Вона визначається співвідношенням водневих і гідроксильних іонів у грунтовому розчині і характеризується показником рН. рН = -lg [H⁺]. Якщо рН=7, то реакція нейтральна, при рН більше 7 – лужна, менше – кисла. В грунтах рН коливається в межах від 3,5 (верхові торф'яники) до 8-9 (солончаки і солонці). Оптимальний рН (близько 7) характерний для некарбонатних грунтів, ГПК яких повністю насичений Са та Mg.
Виділяють актуальну (активну) і потенційну кислотність грунту залежно від того, при якій взаємодії вона проявляється і вимірюється.
Актуальна кислотність грунту зумовлена наявністю іонів водню у грунтовому розчині. Залежить від наявності в грунтовому розчині вільних кислот, гідролітично кислих солей, ступеня їх дисоціації. Актуальна кислотність грунту вимірюється при взаємодії грунту з дистильованою водою (водний рН, рН(Н₂О)), при розведенні 1:2,5 або у пасті. Деколи рН грунту визначається за допомогою електрода безпосередньо у грунті за природних умов. Потенційна кислотність – здатність грунту при взаємодії з розчинами солей вести себе як слабка кислота. Визначається вона властивостями твердої фази грунту, яка зумовлює появу додаткових водневих іонів у розчині при взаємодії з добривами або хімікатами. Характеризує сумарну концентрацію кислот і кислотних агентів, що існують у даному грунті як у дисоційованому, так і не дисоційованому стані. Природа потенційної кислотності складна, носієм її є обмінні катіони водню й алюмінію в ГПК:

В органічних горизонтах головну роль у формуванні кислотності відіграє обмінний водень, причому безпосереднім джерелом його служать органічні кислоти, включаючи гумусові, і вугільна кислота. При взаємодії з колоїдами водень цих кислот входить в їх дифузний шар, займаючи місце основ, які вилуговуються чи випадають в осад. Кислотність мінеральних колоїдів зв'язана з наявністю у ГПК обмінних іонів водню, алюмінію і заліза. Джерелом алюмінію і заліза є іони водню кристалічної решітки глинистих мінералів і гідроксидів.
Залежно від характеру взаємодії грунту з розчинами розрізняють дві форми потенційної кислотності грунтів: обмінну і гідролітичну.
Обмінна кислотність виявляється при взаємодії з грунтом розчинів нейтральних солей. Використовують звичайно 1н розчин КСІ (рН=5,6). При взаємодії кислого грунту з розчином хлориду калію в результаті обміну калію на водень в розчині появляється соляна кислота, а при обміні на алюміній – хлорид алюмінію, який при гідролізі утворює сильну кислоту:

При рН грунту менше 4 кислотність зумовлена в основному обмінним воднем, при рН від 4,0 до 5,5 – обмінним алюмінієм. Виражається в мг-екв/100 г грунту або рН сольовим (КС1). За величиною рНсол. грунти поділяються на: сильнокислі (<4,5), кислі (4,6-5,0), слабокислі (5,1-5,5), близькі до нейтральних (5,6-6,0), нейтральні (6,1-7,0). Для слаболужних і лужних грунтів (рН > 7,0) рН сол. не визначають.
Гідролітична кислотність виявляється при взаємодії грунту з розчинами гідролітично лужних солей (сильного лугу і слабкої кислоти). Звичайно використовують 1 н розчин СН COONa, pH якого 8,2:

Кількість оцтової кислоти, яка утворилася, визначають титруванням. Вона і характеризує гідролітичну кислотність грунту. Гідролітична кислотність звичайно більша, ніж обмінна. Виражається в мг-екв на 100 г грунту.

Наявність потенційної кислотності характерна для грунтів, збіднених лужноземельними металами (Са²⁺, Mg²⁺). Чим більше грунт збіднений основами, тим значніше виявляє він кислотні властивості.
Велике значення в утворенні визначеної реакції у грунті має характер грунтоутворюючої породи. Підзолисті грунти, бідні основами, сформувалися на вилугуваних безкарбонатних породах. Ґрунтоутворюючий процес також впливає на втрати основ і підкислення (підзолистий процес), у інших випадках спостерігається збагачення грунту основами (дерновий процес). На формування кислих грунтів мають вплив кліматичні умови (промивний характер водного режиму), рослинність (хвойні ліси, трав'яниста рослинність, листяні ліси) також впливає на формування грунтів з різною реакцією.

Сільськогосподарська діяльність людини викликає зміну реакції грунту: виніс елементів живлення з урожаєм, довготривалий обробіток, внесення мінеральних добрив, хімічна меліорація грунтів.

Частина обмінних катіонів водню і алюмінію в грунтовому поглинальному комплексі, визначена як обмінна або гідролітична кислотність, характеризує ненасиченість грунтів основами.

Ступінь насиченості грунтів основами – це кількість обмінних основ (зазвичай Ca²⁺+Mg²⁺), виражена у відсотках до ємності поглинання (див. 6.4). Звідси, знаючи величину суми ввібраних основ та гідролітичну кислотність, додавши їх, можна розрахувати величину ємності поглинання. Отже, ненасиченість грунтів основами характеризується різницею між ємністю поглинання при вибраному значенні рН і вмістом у грунті обмінних основ.

Постає запитання, а чи можливий в природі випадок, коли величина ємності поглинання та суми ввібраних основ збігатимуться? Звичайно, але тільки у лужних грунтах, в яких ГПК абсолютно насичений основами. В таких умовах СНО=100%.

Основним методом підвищення продуктивності кислих грунтів є зниження їх кислотності вапнуванням. Теоретичною базою вапнування є вчення К.К.Гедройца про грунтовий поглинальний комплекс. Виходячи з цього, при внесенні вапна (СаСО₃) проходить взаємодія його з кислим грунтом за схемою (СаСО₃ при наявності надлишку вуглекислоти переходить у розчинний Са(НСО₃)₂):

Грунти з високим ступенем насиченості не потребують вапнування. Звичайно доза вапна розраховується по гідролітичній кислотності орного шару грунту.

Вапнування сильнокислих грунтів створює сприятливі умови для розвитку мікроорганізмів-азотфіксаторів, нітрифікаторів, фосформобілізуючих мікроорганізмів. У таких умовах зростає активність нейтральних фосфатаз.

Вапно не відноситься до добрив, але вапнування підвищує ефективність внесених мінеральних добрив. Урожайність та біопродуктивність рослин на вапнованих і удобрених полях значно вища, ніж на удобрених, але не вапнованих.

7.5. Лужність грунтів та її форми

Лужна реакція грунтових розчинів і водних витяжок може бути зумовлена різними за складом сполуками:

1) карбонатами і гідрокарбонатами лужних і лужноземельних елементів, силікатами, алюмінатами, гуматами натрію, Na₂СО₃, К,СО₃, СаСО₃, MgСО₃, -COONa;

2) згідно з теорією кислот і основ, лужна реакція може бути зумовлена аніонами слабких кислот, які переходять із твердої фази грунтів у грунтові розчини й водні витяжки і можуть виявляти основні властивості.
Визначальним моментом у створенні лужної реакції є присутність у грунті гідролітично-лужних солей слабких кислот і основ: карбонатів натрію і калію, гідрокарбонатів натрію і калію, карбонатів кальцію і магнію, гідрокарбонату кальцію і магнію. Так само себе ведуть гумати і фульвати лугів.
За аналогією з кислотністю, розрізняють актуальну (активну) і потенційну лужності грунту.
Актуальна лужність зумовлена наявністю у грунтовому розчині гідролітично лужних солей, при дисоціації яких утворюється гідроксильний іон (ОН):

При характеристиці актуальної лужності природних вод і грунтових розчинів розрізняють загальну лужність, лужність від нормальних карбонатів і лужність від гідрокарбонатів. Ці види лужності розрізняють по граничних значеннях рН. Лужність грунту визначають шляхом титрування водної витяжки або грунтового розчину кислотою у присутності різних індикаторів і виражають у міліграм-еквівалентах на 100 г грунту .

Загальна лужність визначається титруванням за індикатором метилоранжем. Лужність від нормальних карбонатів є результатом обмінних реакцій в грунтах, які вміщують натрій. Вона проявляється також у результаті життєдіяльності сульфат-редукуючих бактерій, які відновлюють в анаеробних умовах і в присутності органічної речовини солі натрію з утворенням соди. Визначається вона титруванням у присутності фенолфталеїну.
Потенційна лужність проявляється у грунтах, що містять натрій. При взаємодії грунту з вуглекислотою поглинутий натрій у ГПК заміщується воднем і з'являється сода, яка підлуговує розчин:

Дуже лужна реакція несприятлива для більшості рослин. Висока лужність зумовлює низьку родючість багатьох грунтів, несприятливі фізичні та хімічні їх властивості. При рН біля 9-10 грунти відзначаються великою в'язкістю, липкістю, водонепроникністю у вологому стані, значною твердістю, зцементованістю і безструктурністю у сухому стані.

Для хімічної меліорації лужних грунтів необхідно замінити обмінний натрій на кальцій і нейтралізувати вільну соду:

Хімічна меліорація лужних грунтів відбувається шляхом внесення гіпсу, нітратів кальцію або матеріалів, які містять гіпс, сірчаної кислоти, сульфату заліза, піритових огарків або сірки. Сірка, окислюючись до сірчаної кислоти, взаємодіє з карбонатом кальцію грунтів, утворюючи сірчанокислий кальцій, який діє на соду і поглинутий натрій. Меліорація злісних содових солончаків проводиться методом кислування сірчаною кислотою з подальшими промиваннями при штучному дренажі.

7.6. Окисно-відновний режим грунтів

Грунт – це складна окисно-відновна (ОВ) система. В ньому проходять реакції окиснення й відновлення. Під окисненням розуміють: приєднання кисню, віддачу водню, віддачу електрона. В грунті існує багато окисно-відновних систем. Вони бувають:

а) зворотними (в яких у процесі зміни ОВ режиму не змінюється сумарний запас компонентів): Fe³⁺ —» Fe²⁺; Mn⁴⁺ —» Mn²⁺;

б) незворотними (в процесі зміни ОВ режиму втрачається ряд речовин у вигляді газів, осаду): NO₃^- —» NО₂ —» N₂
Більша частина цих реакцій пов'язана з мікробіологічними процесами, має біохімічну природу. Головним окиснювачем у грунті є молекулярний кисень грунтового повітря й розчину.
Основними характеристиками інтенсивності та напрямку ОВ процесів у грунті є:

1. Окисно-відновний потенціал (ОВП) – відображає сумарний ефект ОВ системи грунту в даний момент, різниця потенціалів, яка виникає між грунтовим розчином і електродом із інертного металу (платини), поміщеного в грунт:

де [Ox],[Red] – концентрація окиснювачів і відновлювачів у даній системі; R – універсальна газова постійна, Дж/(моль-К); Т – абсолютна температура, К ; F – число Фарадея, Кл; п – число зарядів, що переносяться іоном; Ео – нормальний потенціал, коли [Ox]:[Red]=l.

2.ОВП по відношенню до водню називається Eh.

Eh коливається від 100 до 800 мВ, інколи стає від'ємним. Його оптимальні значення – від 200 до 750 мВ. Якщо показники вищі, спостерігається аеробіозис в грунті (при цьому відчувається нестача заліза, марганцю, пригнічуються рослини, у них проявляється хвороба – хлороз). При зменшенні Eh до 200 і нижче розвиваються анаеробні процеси, втрачаються нітрати, появляються сірководень, метан, збільшується концентрація закисного заліза, відчувається дефіцит фосфору тощо.

3. Оскільки ОВП в певній мірі пов'язаний з рН, то для одержання порівняльних даних в середовищах з різною кислотністю Кларк запропонував використовувати показник rH₂: rH₂=Eh/30+2pH. Якщо rН₂ більше 27 – в грунті переважає окиснення, менше 27 – відновлення.
Залежність ОВП від режиму вологості. Вологість грунту, надлишкове зрошення, погіршення аерації, внесення свіжої органічної речовини призводить до зниження ОВП. ОВП може знизитися з 500-600 до 200-300 мВ, а при затопленні – до -100-200 мВ. Навпаки, при висиханні грунтів, поліпшенні аерації, газообміну потенціал грунту підвищується. З динамікою вологості зв'язана мікробіологічна діяльність, розкладання органічної речовини. Опади забезпечують надходження у грунт 0₂ і ОВП не змінюється. Утворення кірки на поверхні спричиняє погіршення аерації і зниження ОВП. Зниження пористості аерації до 10% порушує надходження кисню до грунту і призводить до зниження ОВП. Вміст у грунтовому повітрі СО₂ зумовлює виникнення у грунті відновних умов. Температурний режим опосередковано впливає і на зміну ОВП, і на мікроорганізми, утворюючи відповідні продукти їх життєдіяльності.
Роль ОВ процесів у грунтоутворенні і родючості грунтів. ОВ процеси зв'язані з процесами перетворення рослинних решток, накопичення гумусу. Надлишкове зволоження уповільнює розклад органічної речовини, утворюються фульвокислоти. При змінах зволоження і висушування, відновлення й окиснення виникають процеси розкладу органічної речовини, решток; дегуміфікації.

ОВ-режим впливає на співвідношення у грунті елементів з різним ступенем окиснення. При відновленні сполук заліза і марганцю підвищується їх розчинність, рухомість, вони мігрують по профілю.
За характером ОВ-режиму грунти поділяються на групи:

- грунти з абсолютним пануванням окиснювальної обстановки (автоморфні грунти степів, напівпустель, пустель – чорноземи, каштанові, сіро-коричневі, бурі напівпустельні, сіроземи тощо);

- грунти з пануванням окиснювальних умов при можливому прояві відновлювальних процесів в окремі вологі роки або сезони (автоморфні грунти тайгово-лісової зони, вологих субтропіків – підзолисті, дерново-підзолисті, червоноземи, жовтоземи тощо);

- грунти з контрастним ОВ-режимом (напівгідроморфні різновиди підзолистих, дерново-підзолистих, бурих лісових грунтів тощо);

- грунти зі стійким відновлювальним режимом (болотні, гідроморфні солончаки, солоді тощо).
З відновними явищами зв'язаний розвиток у сезонно надлишково зволожених грунтах елювіально-глейового процесу, формування елювіальних горизонтів. При зміні відновних умов на окисні виникають залізо-марганцеві новоутворення: ортштейни, бобовини, плівки і тощо. Поживний режим складається несприятливо як при різко окисних, так і при різко відновних умовах: анаеробіоз призводить до накопичення у грунтах NH₃, CH₄, H,S і т.п. Головні прийоми регулювання ОВ-умов – оптимізація водно-повітряного режиму грунтів.

7.7. Грунтове повітря

Грунт – пориста система, що містить суміш газів, яка заповнює вільний від води поровий простір скелетної частини. Повітряна фаза – найбільш динамічна складова частина грунту. Кількість і склад грунтового повітря впливає на: 1) розвиток і функціонування рослин і мікроорганізмів; 2) розчинність і міграцію хімічних сполук у грунтовому профілі; 3) інтенсивність і спрямованість грунтових процесів. Крім того, грунт поглинає та сорбує токсичні промислові гази, а також очищує атмосферу від технічного забруднення.
Повітря в грунті знаходиться у чотирьох фізичних станах: вільне і защемлене, адсорбоване й розчинне.

Вільне грунтове повітря – це суміш газів і летких органічних сполук, які вільно переміщуються системою грунтових пор і з'єднуються з повітрям атмосфери. Вільне грунтове повітря забезпечує аерацію грунтів і газообмін з атмосферою.

Защемлене грунтове повітря – знаходиться у порах, з усіх боків ізольоване водяними плівками. Тонкодисперсна грунтова маса й компактна її упаковка має найбільшу кількість защемленого повітря. У суглинистих грунтах кількість його досягає більше 12% від загального об'єму грунту, або четверту частину його порового простору. Воно нерухоме, не бере участі в газообміні між грунтом й атмосферою, суттєво перешкоджає фільтрації води в грунті, може спричиняти руйнування грунтової структури при коливанні температури, тиску, вологості.

Адсорбоване грунтове повітря – гази й леткі органічні сполуки, адсорбовані грунтовими частинками на їх поверхні. Чим дисперсніший грунт, тим більше містить він адсорбованих газів при даній температурі. Кількість сорбованого повітря залежить від мінералогічного складу грунтів, від вмісту органічної речовини, вологості. Пісок поглинає повітря в 10 разів менше, ніж важкий суглинок: відповідно 0,75 і 6,00 см куб/г. Тонкодисперсний кварц сорбує СО₂ у 100 разів менше, ніж гумус.

Розчинне повітря – гази, розчинені в грунтовій воді. Це повітря обмежено може брати участь в аерації грунту. Але розчинні гази відіграють велику роль у забезпеченні фізіологічних потреб рослин, мікроорганізмів, грунтової фауни, а також фізико-хімічних процесів, які протікають у грунті. Усі чотири грунтові фази – тверда, рідка, газоподібна й жива – тісно пов'язані між собою і знаходяться в складній взаємодії.