Вальков - Почвоведение. Издательский центр МарТ
 Скачать 19.72 Mb.
|
Экологическая значимость катионов Са2* Кальций по праву считается катионом — хранителем плодородия в связи сего многогранной значимостью. Он присутствует во всех без исключения почвах, нов разных количествах ив разных соотношениях 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 высокого структуроообразования при активной деятельности корневых систем травянистой растительности и достаточного содержания гумусовых веществ. Однако, повышенные количества в почвах интенсивно набухающих глинистых минералов типа монтмориллонита провоцируют слитогенетические явления, противоположные зернистому и комковатому структурообразованию даже при оптимальном содержании ионов Са2*. Са2* способен к ионообменному поглощению корнями растений. Однако этот способ питания растений, как правило, не принимается во внимание, так как кальций всегда присутствует в почвенных растворах и не является в биосфере дефицитным. Mg2* Магний всегда сопровождает Са2*. Типичное соотношение Са:Мд - 5:1. В таких количествах его действие аналогично действию Са2*. Экологическая дисгармония почвенной среды может возникать в щелочных почвах при повышении количества магния в ППК за счет снижения содержания Са2*, те. при изменении соотношения Са: Mg в сторону магния. В этом случае сам Mg2* вызывает повышение щелочности в связи с присутствием в почвенной среде карбонатов и бикарбонатов магния Почвоведение 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 — магниевых солонцов. К* В питании растений — основной источник доступного калия. Отмечена тенденция необменного поглощения калия из слоя компенсирующих противоионов в кристаллическую решетку минералов. Na* Натрий в количествах менее 3% от ЕКО — необходимый компонент оптимального для биоценозов функционирования почвенной системы. В этом случае элемент обеспечивает дисперсность коллоидов на уровне около 0,1%, что важно для подвижности, динамичности и первоочередной резервности для минерализации гумусовых веществ и обеспечения почвенных растворов биологически необходимыми компонентами. Однако следует признать, что эта роль Na+ в почвоведении и агрохимии изучена недостаточно+ 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, бесструктурной, в растворах появляются щелочные соли, pH может достигать 9,5- 10,0. Образуются особые почвы — солонцы. Изучение солонцеватости почв и солонцов — особый раздел почвоведения. Н* Обменный водород — источник почвенной кислотности. Его присутствие фиксируется всегда в бес карбонатных почвах, те. в почвах, не содержащих СаС03. В нейтральных почвах при pH от 6,5 до 7,2 Н присутствует в ППК в количествах менее 5% от ЕКО. В этих условиях обменный Н экологически нейтрален. В количествах более 5% от емкости 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. Al* Алюминий в обменном состоянии — интенсивный коагулятор коллоидов. Является объектом пристального внимания в кислых почвах. При переходе в почвенный раствор образует гидролитически кислые соли, способствующие повышенной пептизации А в почвенной среде, поэтому учитывается при определении кислотности почв наравне с ионом водорода. А+ изучается как физиологически токсичный катион Часть. Состав и с вой ст в а почв Fe3*Интенсивный коагулятор коллоидов, как и алюминий во влажных тропических 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 образованию латеритов. nh 4* Ион аммония — единственная возможная аккумуляция доступного растениям азота. Поглощается коллоидами в процессах аммонификации. Легко используется корневыми системами растений. Не накапливается 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. Состав почвенного поглощающего комплекса определяет реакцию почвенной среды и ее стабильность. Нейтральные, кислые или щелочные условия почв напрямую зависят от состава обменных катионов. Почвенный поглощающий комплекс представляет собой доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное коллоидной электростатической природой от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды. По своей стабильности и эффективности ППК намного превосходит как регулятор питания растений почвенные растворы. Это относится к Na+, NH4+, К, Mg2+, Са2+, а также практически ко всем микроэлементам металлической природы. Особенно необходимо подчеркнуть, что калийное питание растений осуществляется исключительно за счет обменного калия коллоидов, а определяемый агрохимиками доступный растениям калий — элемент коллоидно-обменного происхождения. Состояние коллоидной массы первостепенно детерминирует практически все физические характеристики почвы как целостной системы, ив первую очередь структурность, плотность, воздухоемкость, влагоемкость и поведение почвенной воды. Экологически оптимальное физическое состояние почв для большинства растений, животных и других организмов возникает в среде, когда 99,9% коллоидов находятся в состоянии геля и 0,1% — золя. Почвенный поглощающий комплекс является геохимическим барьером для катионов-загрязнителей тяжелых металлов и радиону Почвоведение клидов. Однако абсолютизировать катионно-коллоидное поглощение не следует. В почвах с непромывным водным режимом поглощенные катионы обменно усваиваются растениями и поступают в биологические цепи питания. В почвах, промываемых водой, неизбежно обменное вытеснение загрязнителей Ни дальнейшая ландшафтная миграция 1.10. КИСЛОТНОСТЬ И ЩЕЛОЧНОСТЬ почв 1.10.1. Природа bbп о ч вен ной bbк и слот нос т и И ЩЕЛОЧНОСТИ Реакция среды имеет существенное значение для направленности почвенных процессов и уровня почвенного плодородия. Кислот- но-щелочные условия зависят от типов почв, их подтиповых, родовых различий и могут колебаться в широких пределах. Черноземы, коричневые почвы, сероземы характеризуются нейтральными условиями. Щелочная реакция наблюдается у солонцов и солонцеватых почв. Кислые условия типичны для почв влажных лесов (подзолистые, серые и бурые лесные, красноземы, желтоземы и др. Кислотность почвы вызывается ионами водорода. Различают актуальную и потенциальную кислотность. А кт уальная кислотность почв — это концентрация ионов 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 Сиз одного моля воды диссоциирует на ионы 0,0000001 или 1x10-7 моль воды. Так как число ионов в чистой воде НОН, то диссоциацию воды характеризуют ионным произведением: К = Н х ОН = х х х = Коэффициент К — константа показывает, что эта величина не изменяется при любых изменениях количества ионов Ни ОН. Допустим, что при добавлении щелочи концентрация ионов ОН" стала равна 104, значит концентрация ионов Н+ будет Ю. 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, причем отрицательным логарифмом (степень, в которую возводится 10, И Почвоведение записывается с обратным знаком. Пишут рН=6. Это значит, что в растворе концентрация Н моль/л и, следовательно, концентрация ОН =10 моль/л, те. ионов ОН" враз меньшие, чем ионов Н. Среда кислая. При рН=9 концентрация ионов водорода в растворе 10-9, а гидроксид-ионов — 10-5, те. их враз больше, чем ионов Н. Среда щелочная. Таким образом, за цифрами показателя pH необходимо научиться видеть и учитывать количество ионов Ни дополнительное к нему, согласно с ионному произведению 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 проявление жизни крайне ограничено. Этот же, даже несколько больший, размах pH мы встречаем ив почвах. Величина pH является наиболее устойчивым генетическим показателем конкретной почвы. Варьирование pH в границах типичных значений составляет 5—10%. Всякое изменение реакции среды приводит к резкой смене характера почвообразования. Ряд почвенных процессов имеет строгую приуроченность к определенным пределам водородного показателя. Это солонцовый процесс, оподзоливание, пептизация и коагуляция коллоидов, ферраллитизация, микробиологические явления и т. д. Антропогенетические изменения pH происходят при окультуривании или деградации почв. Для всех почв величина их pH считается существенным диагностическим критерием. П от енциальная кислотность это количество обменных ионов Ни А+ в составе почвенного поглощающего комплекса П П К ), 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 <-> АОН + 3 НС1. В результате реакций обмена поглощенные ионы Ни А+ определяют концентрацию ионов Н+в почвенном растворе или его pH, те. потенциальная кислотность есть скрытая в ППК кислотность Часть. Состав и с вой ст в а почв iU7iПотенциальная кислотность разделяется на обменную и гидролитическую. Обменная кислотность проявляется при взаимодействии с почвой нейтральных солей Обычно для ее определения используют раствор КС1. Образующаяся в растворе кислота оттитро- вывается щелочью, а сама кислотность выражается в м.-экв наг почвы. При взаимодействии почв с нейтральной солью не все протоны переходят в раствор, так как в системе устанавливается динамическое равновесие: [ППК]Н+ + КС1 [ППК]К+ + НС1. Г ид ролит ическая кислотность обнаруживается при воздействии на почву гидролитически щелочной соли: [ППК]Н+ + CHsCOONa <^[ППК]Ма+ + СНзСООН. Уксусная кислота, как слабогидролизуемая соль, практически связывает все водородные ионы и происходит практически полное вытеснение протонов из почвенного поглощающего комплекса. Поэтому во всех агромелиоративных расчетах пользуются данными определения гидролитической кислотности для установления доз СаСОэ при ликвидации избыточной кислотности. Этот прием называют известкованием почв. В присутствии углекислоты известь переходит в растворимый бикарбонат и происходит необменное поглощение НС аС 03 + НС Са(НСОз)2, [ППК]2Н+ + Са(НСОз)2 <-> [ППК]Са2+ + 2НгО + 2СОг. Нуждаемость почв в известковании определяют по степени насыщенности почв основаниями, по соотношению между поглощенными Са2+ + Mg2* и Н+ + А13+. Это степень насыщенности почв основаниями, выражается в процентах от емкости обмена - | x l 00 - s f H x,0°’ гдеУ — степень насыщенности почв основаниями, %; S — сумма обменных оснований, м.-экв/100г; Е — емкость поглощения, м.-экв/100г; Н — гидролитическая кислотность, м экв г Почвоведение На основании полевых опытов установлено следующая примерная шкала: V Нуждаемость в известковании Ниже Сильно нуждаются в извести От 55 до 70 Средненуждаемые 70-80 Слабонуждаемые Выше Не нуждаются в извести Различают также актуальную и потенциальную щелочность. Актуальная щелочность почв обусловлена присутствием в почве гидролитически щелочных солей Na^COj, NaHCOy, С а(Н СО з МдСОз, М д НС и др 0 3 + НОН Н2СОэ + 2Na + 20Н Эти соли увеличивают концентрацию ионов ОН в почвенном растворе, pH становится щелочной. П от енциальная щелочность характерна для почв солонцева тых, содержащих обменный натрий Na+ 1 Н+ ППК I + Н2СОэ ППК I + Na2C 0 3. J Na+ J Н+ Следовательно, потенциальная щелочность — нечто иное как со- лонцеватость почв. Значение солей, встречающихся в почвах, в формировании реакции почвенной среды иллюстрирует табл. Таблица Реакция (pH) растворов соединений встречающихся в почвах Соединения pH Соединения pH Na2C03 12-13 CaSO* 7,0 CaCOj без С Н 6,7-7,1 СаС03+С02 8,5 NaS04, NaCl 6,5-6,8 МдС03 11,5 NH4CI 4,7 Са(НС03)2 НС 3,9-5,7 NaHCOj 8,5-9,5 KAl(Si04)2, AIC13 2-4 Часть. Состав и с вой ст в а почв 159Сильно кислую реакцию среды (pH 2—4) могут создавать при окислении различные сульфиды, которые содержатся в засоленных приморских болотах или в отвалах угольных карьеров и шахт +Н = 2Fe2( S 0 4)3 + 2H2S 0 В создании определенной реакции среды велика роль органических 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 продукты 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 продуктами фабричных и заводских отходов, попадающих в атмосферу хлор и соляная кислота, сероводород и сернистый ангидрид, окислы азота, соединения алюминия, углекислота. Западноевропейские и скандинавские исследователи отмечают pH атмосферных осадков 4 , 0 , 3 , 0 , 2 , 0 1 .1 0 .2 . Экологическое bbз нач е ни е к и слот нос т и и щелочности bbп о ч в Рассмотрим влияние реакции среды (pH ) на основные свойства почв, растения и микроорганизмы 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, цинка, кобальта, йода. Доступность растениям фосфатов понижена. Железо, алюминий и марганец подвижны и оказывают на многие растения (кроме чая) токсическое воздействие. Деятельность бактерий подавлена, наблюдается повышенная активность грибов. Многие сельскохозяйственные растения нуждаются в изменении реакции среды, но известкование нужно применять очень осторожно. На таких почвах оно может вызвать разрушение органических веществ, которыми эти почвы, как правило, бедны, и даже ухудшить их физические свойства. Физические свойства почв нередко весьма благоприятны их коллоиды скоагулированы подвижными Аи Почвоведение. В подобных почвах нет периода весенней спелости, их можно обрабатывать в любое время года. Почвы с таким pH наиболее рационально использовать под кислотолюбивые и кислотовыносли вые растения 5,0—6,0. Сильнокислая реакция среды. Характерна для почв влажного климата (подзолистые, дерново-подзолистые, бурые лесные ненасыщенные, желтоземы и красноземы). Состояние фосфатов, соединений железа, алюминия, марганца, кальция, калия, бора, кобальта, йода аналогично резкокислым условиям. Понижена бактериальная деятельность, активизирована грибная. Для почв с таким pH при суглинистом и особенно глинистом гранулометрическом составе характерны плохие физические свойства — склонность к уплотнению. Весной эти почвы не созревают, а постепенно высыхают. Благоприятные условия обработки бывают только в очень узком диапазоне влажности то почва сырая и дает пласты, далее легко ссыхающиеся 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 также еще не образуют достаточного количества ионов. На севере эти почвы исправляются известкованием 6,0—6,5. Слабокислая реакция среды. Встречается в почвах влажного климата (выщелоченные черноземы, серые и бурые лесные, насыщенные желтоземы и красноземы). Фосфаты находятся в доступном состоянии, токсичность алюминия и марганца понижена или отсутствует. Дефицит серы, кальция, калия, бора, кобальта, йода невысокий. Условия минерального и азотного питания близки к оптимальным. Характерны достаточно благоприятные физические условия при некоторой склонности к уплотнению, повышенный уровень жизнедеятельности микроорганизмов и нитрификационной активности. У этих почв хорошо выражен период спелости, связанный с обесструктуриванием пересыщенной влагой почвы за зиму и вновь образованием структуры весной при прогревании почвы. Процесс созревания таких почв связан с возобновлением микробиологической активности, выделением С 0 2, вытеснением кальция водородом угольной кислоты. Появление Са2+ в свободном состоянии вызывает коагуляцию коллоидов и восстановление утраченной за зиму структуры. Так как созревание почвы происходит без большой по Часть. Состав и с вой ст в а почв 141тери влаги, то срок оптимальной обработки после созревания почвы достаточно велик 6,5—7,5. Нейтральная реакция среды. Типична для черноземных почв. Благоприятные физические условия, прекрасная оструктуренность, интенсивная микробиологическая деятельность, оптимальные условия фосфорного, азотного и минерального питания, высокий уровень плодородия. Обрабатывать весной необходимо при спелости почвы, которая наступает быстрее, чему слабокислых почв 7,5—8,5 (8,7). Слабощелочные условия. Наблюдаются в южных черноземах, в карбонатных почвах, в автоморфных почвах сухих и полупустынных степей. Фосфаты, железо, цинк и марганец могут быть в дефиците. Легко возникает антагонизм между обеспеченностью фосфором, цинком и медью. При систематическом применении фосфора возникает цинковая и медная недостаточность. Возможен хлороз растений, чаще в относительно более влажных условиях. Физические свойства — от отличных (карбонатные черноземы) до неудовлетворительных (солонцеватые почвы. Весеннее созревание почвы идет быстро. Микробиологическая деятельность, нитрификационная способность, условия азотного питания, доступность многих зольных элементов хорошие 8,5(8,7)—10,0. Сильнощелочные условия. При pH выше 8,9 в горизонте почвы следует отнести в группу резкощелочных. Основу этой группы составляют почвы с повышенной щелочной реакцией материнской породы. Такое повышенное pH характерно для материнских пород многих черноземов и каштановых почв. В этом случае щелочность, не отражаясь существенно на полевых культурах, неблагоприятна для деревьев, особенно яблони и черешни. р н 10—12. Резкощелочные условия. Встречаются местами в аридном климате. Такими могут быть многие солонцы, содовые солончаки. Доступность фосфатов понижена, железо и марганец в дефиците, возможен избыток бора. Характеризуются крайне неблагоприятными физическими условиями, обесструктуренностью и подавленной деятельностью микроорганизмов. Требуют высоких доз гипсования, без которого к сельскохозяйственному использованию непригодны. Наиболее благоприятной для большинства растений в физиологическом отношении является реакция почвенного раствора, близкая к Почвоведение нейтральной, слабокислой или слабощелочной. Повышенная кислотность и щелочность отрицательно влияет нарост и развитие растений, действуя негативно физиологически и через снабжение растений питательными веществами. При pH менее 3 и выше 9 повреждается протоплазма клеток в корнях большинства растений. В щелочных условиях при pH выше 8,5 (8,7) возможен дефицит нитратов и фосфатов, избыток легкорастворимых солей, недостаток двухвалентных форм железа и марганца, дефицит меди и цинка. В кислых почвах также мало нитратов из-за подавленной нитри- фикационной способности, наблюдается связывание фосфатов вне доступные растениям трехвалентные формы железа и алюминия, ощущается недостаток кальция, магния, калия, серы. Кроме этого, избыток подвижных соединений алюминия и марганца оказывает на растения токсическое действие. Микроскопическое исследование растений, выращенных при высоких концентрациях алюминия, показало ненормально большое число клеток с двумя ядрами в меристемати- ческой зоне кончика корня (Блэк). Это указывает на подавление деления клеток. Избыток алюминия подавляет поглощение растениями фосфора, кальция, калия, железа, натрия и бора, так как снижается проницаемость протоплазмы корневых клеток. Марганец в кислой почве ведет себя подобно алюминию. Реакция растений на различную кислотность почвы хорошо иллюстрирует табл. 26. Четко видно, что угнетающее воздействие кислых условий неодинаково сказывается на различных культурах. Однако существуют растения ацидофилы. Например, чайный куст, тунг, клевер, люпин нуждаются для своего развития в кислых условиях и не выносят избытка кальция. Большой группе растений предпочтительны нейтральные или слабощелочные почвы. Это наши ведущие зерновые культуры — пшеница, ячмень. Хорошо растет на щелочных известковых почвах виноград. Из трав, развивающихся только в нейтральных и щелочных условиях, можно назвать донник, люцерну, житняк, суданскую траву. Некоторые растения могут развиваться при широком диапазоне реакции среды кукуруза, рис, табак. В табл. 27 дана сводка требовательности растений к реакции почвенной среды. Исследование реакции почвенной среды особенно важно для плодовых насаждений. Нормальной реакцией считается pH от 6,0 до 8,0, Часть. Состав и с вой ст в а почв 145ibТаблица Урожай культур в севообороте при различных значениях pH (Блэк) Культура pH и относительный средний урожай, % |